毕业设计（论文）-基于单片机的湿度测量控制仪设计.doc

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1、济南大学泉城学院毕业设计 - I - 摘 要 本设计为一种以 AT89C51 单片机和 HS1101 湿度传感器为核心的湿度控制系统。 该系统可以实时检测湿度值显示出来并可以进行控制。硬件电路主要包括 AT89C51 单片机最小系统，测湿电路、时钟电路、数码显示电路、键盘处理电路以及控制电 路等,本机选择高精度的 HS1101 电容式湿度传感器，当环境湿度发生变化时，湿度 传感器的电容随着湿度的变化而变化，然后将变化的电容通过转换电路转换为与之 对应变化的频率，频率经过光耦电路消除杂波后送入到单片机中，单片机对采集到 的信号进行运算并通过查表得到相应的湿度值，之后通过单片机的外部接口电路显 示

2、该湿度值。本机可以通过键盘设定湿度值，中央控制系统将设定值与检测值进行 比较，检测值低于设定值的话，控制系统就会通过继电器接通电路进行加湿。与传 统的测试方法相比，本湿度控制系统具有可靠性高、精度高、性价比高等优点。适 合湿度的自动测量和控制，使设备和系统运行在最佳状态，从而保证生产、生活的 高效、舒适。 关键词：单片机；湿度；自动控制；HS1101 济南大学泉城学院毕业设计 - II - ABSTRACT In this paper The design is based on AT89C51 MCU and HS1101 humidity sensor as the core of the

3、 humidity control system. The system can real-time detect the humidity values are displayed and can be controlled. The hardware circuit mainly includes AT89C51 minimum system microcontroller, humidity measurement circuit, clock circuit, digital display circuit, keyboard circuit and control circuit e

4、tc., The selection of HS1101 capacitive humidity sensor with high accuracy, when the environmental temperature changes, capacitive humidity sensor varies with humidity changes, then the change in capacitance through the corresponding conversion circuit for converting and changing frequency, frequenc

5、y through the optocoupler circuits eliminate clutter into to the MCU, signal microcontroller acquisition of the operation and the look-up table to obtain the corresponding humidity, the humidity value is displayed through the external interface circuit of scm. The humidity value can be set through t

6、he keyboard, central control system will set the value was compared with test value, the value is lower than the set value of detection, control system will be connected to the circuit by the relay. Compared with the conventional testing method, the humidity control system has high reliability, high

7、 precision, high cost-effective advantages. Automatic measurement and control for the humidity, the equipment and the system run in the best condition, in order to ensure the production, efficient, comfortable life. Key words： SCM；Humidity；automatic control；HS1101 济南大学泉城学院毕业设计 - III - 目 录 摘要. .I ABS

8、TRACT.II 1 前 言.1 1.1 国内外研究.1 1.2 研究目的及意义.1 1.3 设计内容.2 2 硬件电路设计原理和结构.3 2.1 硬件电路总体设计.3 2.2 硬件电路单元设计原理和结构.3 2.2.1 单片机时钟电路.3 2.2.2 单片机复位电路.4 2.2.3 数据采集单元.5 2.2.4 按键单元.9 2.2.5 数码显示单元.10 2.2.6 控制单元.12 2.3 整机电路.12 2.3.1 整机电路图.13 2.3.2 整机电路 PCB 板图.14 3 软件系统设 计.15 3.1 软件系统整体设计.15 3.2 软件系统子程序流程图.16 3.2.1 数据采集

9、子程序流程图.16 3.2.2 按键处理子程序流程图.17 3.2.3 数码管显示子程序流程图.17 3.2.4 控制子程序流程图.18 4 误差分析. .20 5 使用说明书. .21 结论.22 参考文献.23 致谢.24 附录. . . . .25 济南大学泉城学院毕业设计 - 1 - 1 前言 1.1 国内外研究 湿度测量技术的发展已有 200 多年了，人们偶然发现了人的头发随空气的湿度 变化而变短的现象，并由此制成了毛发湿度计。但是人们对于湿度传感器的认识， 是从 1938 年美国科学家研制的氯化锂湿敏元件开始的。 湿度测量和控制技术控的发展大体经历了三个时期：分立式的湿度测量时代；

10、 模拟集成湿度传感器时代；智能湿度传感器时代。 半导体湿敏元件和电阻湿度计，都属于分立式的湿度测量元件，凡是使用这些 元器件测量湿度的方法，都称为分立式的湿度测量技术。同时，随着传统的电容湿 度计和电阻湿度计的出现，湿度测量技术得到了较大的发展。但是在此类测量湿度 的方法中，元器件不能达到单独完成测量湿度的功能，还需要配上各种仪表，才可 以完成湿度测量和控制的功能。其主要缺点就是电路十分复杂、体积较大、测量不 够精确，使用起来不是很方便。所以，分立式湿度测量技术在科学技术快速发展的 今天逐渐被淘汰。随着集成电路技术的快速发展，采用硅半导体工艺制成的湿度传 感器也随之出现，它将湿度传感器的电路集

11、中在一小块硅片上、基本能够单独实现 湿度的测量和模拟信号的输出功能，它是最简单的一种集成湿度传感器。这种集成 式的湿度传感器在室内湿度测量和控制系统中，外围电路相对简单，所以这种湿度 的测控方法现在仍被广泛应用。智能传感器是未来测量技术发展的方向之一，智能 传感器是将微电子、计算机和自动控制等技术结合在一起构成的。未来的湿度控制 仪也是以智能湿度传感器为基础进行开发的。可以成为未来智能化的湿度控制系统 的一部分。 目前，许多较大的外国公司都十分重视湿度传感器的研制工作，例如，日本的 Figaro 公司、瑞典的某些公司等，都在传感器的开发和完善方面投入了巨大精力。 在九十年代末，先后出现了大量的

12、集成式湿度测量套件，新技术的产生大大促进了 传感器的发展。 国内许多公司也认识到了这一点，在传感器的研发上不遗余力的努力前进。例 如，通过传统电子仪器研发的多种动态测试系统、气体传感器智能测试系统等等， 这都体现了我国在传感器领域取得的进步。随着科技的快速发展，传统的湿度控制 技术在稳定性和精确性等方面已经无法满足当前市场的需求，因此，需要开发出新 的技术。 1.2 研究目的及意义 济南大学泉城学院毕业设计 - 2 - 在现代社会中，人们的生产生活等各方面都对环境湿度提出了较高的的要求， 比如我们常见的电子设备、工厂产品的加工环、生物制药和食品生产等行业，这些 行业生产品的过程都对环境湿度要求

13、非常严格，经常要对空气的湿度进行测量和控 制。对他们来说准确的湿度是至关重要的。 在我们的日常生活中，湿度也影响着每一个人的健康，高湿环境容易使人增加 散热量、会破坏人体的热蒸发机能，产生热疲劳。空气湿度高于 70%RH 时为高气 湿，人将感到不适；空气湿度低于 30%RH 时为低气湿，人将会感到口鼻比较干燥； 最令人感到舒适的湿度为 40%60%RH。 综上所述，无论是从人体健康的角度来看还是从元器件使用和保养的角度上看， 湿度测控的意义和重要性都是非常重大的。 1.3 设计内容 本设计是一个基于 AT89C51 单片机的湿度控制仪的设计，采用数字化电路的设 计方法，以单片机为核心配有传感器

14、和控制器等外设，通过内部程序判断湿度是否 满足要求并作出相应的控制。 本机的核心是对湿度测量方式的设计，本机采用的湿度测量方法是选择高精度 的电容式湿度传感器，当环境湿度发生变化时，湿度传感器的电容随着湿度的变化 而变化，变化的电容通过转换电路转换为与之对应变化的电压频率。然后，频率经 过消除杂波后送入到单片机中，单片机对输入的频率的信号进行运算得出频率值并 通过查表得到相应的湿度值。通过单片机的 I/O 口连接外部电路显示出湿度值。本 机可以通过键盘设定湿度值，中央控制系统将设定值与检测值进行比较，检测值低 于设定值的话，控制系统就会通过继电器接通电路进行加湿。 本湿度控制仪的主要参数为 控

15、制方式：位式控制； 测控范围：1099% RH； 显示方式：2 位数码显示； 测控精度：3%RH。 济南大学泉城学院毕业设计 - 3 - 2 硬件电路设计原理和结构 2.1 硬件电路总体设计 本机要实现的功能是：实时显示目前环境空气的湿度值，并且用户可以设定想 要的湿度值，当环境湿度低于设定值时，系统会通过继电器接通加湿电路对空气加 湿，否则，关闭加湿器。 本方案以 AT89C51 单片机系统作为核心电路加上外接设备，达到对湿度实时测 量和控制的目的，本系统主要由数据采集单元、按键单元、数码显示单元、控制单 元组成。各单元能执行单片机的指令，并能够独立完成各自的任务。单片机机负责 指令的发送，

16、同时对测量结果进行运算、显示和对外接设备进行控制。 系统总原理结构如图 1 所示。 单片机 数据采集单元 按键单元 控制单元 数码显示单元 图 2.1 系统总原理图 本设计由数据采集、数据分析和数据处理三个部分组成的。 (1) 数据采集 由数据采集单元和按键单元组成； (2) 数据分析 由 AT89C51 单片机和时钟电路，晶振电路组成； (3) 数据处理 由数码显示单元和控制单元组成。 2.2 硬件电路单元设计原理和结构 湿度控制系统通过传感器采集数据，将数据送到单片机进行运算,然后与设定值 进行比较进而实现加湿器的控制功能，按键用来对设定值进行设定，指示灯标志加 湿器的工作状态，显示模块用

17、来显示湿度值和设定值。 济南大学泉城学院毕业设计 - 4 - 2.2.1 单片机时钟电路 时钟电路在单片机系统中是非常重要的，单片机的各个功能部件的运行都以时 钟频率为基准。时钟频率的高低和单片机的速度快慢有直接的关系，时钟电路的质 量也直接影响单片机系统的稳定性。目前，有两种常用的时钟电路方式，一种是内 部的时钟方式，一种是外部的时钟方式。本机采用内部时钟方式，时钟电路图如图 2.2 所示。 XTAL2 XTAL1 12MHz 30pF 30pF 图 2.2 单片机时钟电路图 在单片机内部有一个用来构成振荡器的反相放大器，该反相放大器的输入端为 XTAL1 引脚，输出端为 XTAL2 引脚。

18、这两个引脚连接石英晶体振荡器和电容，组 成了一个自激振荡器电路。电路中的电容 C1 和 C2 值选择为 30PF。虽然对外接电 容的大小没有十分严格的要求，但电容的大小会影响振荡器的频率、起振的速度和 时钟电路的稳定性。石英晶体的频率越高，系统的时钟频率就会变得越高，单片机 的运行速度也就会越快。 2.2.2 单片机复位电路 在每一个单片机控制系统中都会有复位电路，复位电路的功能是强制单片机系 统内部各存储器的值恢复到系统初始状态的值，使系统重新从初始状态开始工作。 本复位电路如图 2.3 所示。 复位的原理是：复位电路中的电容在电源刚接通时，是没有电的，接通电源后， 5V 的电压通过电阻对电

19、容进行充电，电容的电压由原来的 0V 慢慢的升到+4V 左右， 其中的 RC 微分电路在上电的瞬间产生一个正脉冲，宽度不小于两个机器周期， AT89C51 单片机完成复位。正因为这样，复位脚的电压水平由低电位逐渐升到了高 电位，引起单片机内部电路的复位动作，之后，RST 端的电压慢慢下降，降到一定 电压以下后，属于低电平，单片机便开始正常工作，这个过程就是是单片机的上电 复位，也叫初始化。 济南大学泉城学院毕业设计 - 5 - REST 9 P3.0 10 11 P3.1 12 P3.2 P0.7 EA/VP ALE/PROG PSEN 32 31 30 29 P1.0 1 P1.1 2 3

20、P1.2 4 P1.3 Vcc P0.0 P0.1 P0.2 40 39 38 37 P1.4 5 P1.5 6 7 P1.6 8 P1.7 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 36 35 34 33 Vcc1 8.2k 10uf 图 2.3 单片机复位电路图 2.2.3 数据采集单元 环境空气数据测量中相对于其他参数，湿度是最难精确测量的参数之一。相对 于温度来讲，温度是个独立的被测量，而湿度却受许多的其他因素，比如大气压强、 温度等的影响。本设计中选用了一种由独特的工艺设计、价格较低廉、精度较高、 线性输出的 HS1101 型电容式湿度传感器，能够较好的完成对空气湿度的测量工作。 在本

21、电路中将电容式湿度传感器作为一个电容元件，其电容的值随着空气湿度的增 大而逐渐增大。所以在本设计中需要将电容的变化量转变为能够让单片机接收的电 信号，因此，在本设计中提出了相对简单的方案：基于 AT89C51 单片机和 555 芯片 的电容测量方案。该方案是根据 555 芯片的应用特点，将 HSll01 电容式湿度传感器 在电路中作为振荡电容，在加上一些电阻组成多谐振荡电路，输出不同频率的方波， 从而完成湿度到频率的转换。再使用单片机测量输出的频率。 HS1101 型湿度传感器采用固态聚合物的结构，具有可靠性较高、响应比较快和 较好的稳定性、并且具有不需校准的完全互换性等特点，电容随着所测量的

22、空气湿 度的增大而逐渐增大。HS1101 的实物照片如图 2.4 所示。 图 2.4 HS1101 的物照图 济南大学泉城学院毕业设计 - 6 - HS1101 湿度传感器的测量范围为 0%-100%RH，电容的容量可由 160pF 增加到 200pF，其中测量误差小于2%RH，反应时间小于 5 秒，温度系数为 0.04pF/。可 见其精度在同类产品中是比较高的。其电容状态响应曲线如图 2.5 所示。 图 2.5 HS1101 电容状态响应曲线 HS1101 的一些常用参数如表 2.1 所示。 表 2.1 HS1101 常用参数 参数名称参数值单位符号 工作温度-40100 储存温度-4012

23、5 供电电压1Vac 湿度范围0100%RH 焊接时间=26010S 数据采集电路由电容式湿度传感器、多谐振荡器和光耦电路等组成，这里采用 C/F 变换，电路如图 2.6 所示。 此电路由 555 非稳态电路和光耦合电路构成，产生的频率可直接送到单片机输 入口。电源电压工作范围是+3V+12V，主要使用一个 TLC555 定时器，定时器必须 为 CMOS，再加上 HS1101 电容和电阻 R2、R3、R4，R3 为输出端的限流电阻，在 电路中起短路保护的作用。 济南大学泉城学院毕业设计 - 7 - R1 909K TLC555 CV 5 2 4 6 7 3 TH R DC TR R2 576K

24、 R4 49.9K Cx hs1001 R3 1K Vcc1 Vcc1 1k 图 2.6 频率采集电路图 工作原理：在本电路中，以 5V 交流电作为湿度传感器 hs1101 的工作电源。多 谐振荡器只有两个暂稳态。当电源接通瞬间，电容 Cx 来不及充电，电压 Uc 低于 Vcc/3，RS 触发器状态置 1 输出电压 V3 为高电平，放电管 T 截止，电源 Vcc 通过 R2 与 R4 给电容 Cx 充电。随着电容 Cx 充电过程的进行，Uc 逐渐增高，但只要满 足条件 Vcc/3Uc2Vcc/3，输出电压 V3 就会一直保持高电平不变，此时称为第一个 暂稳态状态。 电容 Cx 上的电压 Uc

25、继续增加，当 Uc 大于 2Vcc/3 时，RS 触发器状态立即置 0，输出电压 V3 从原来的高电平状态转变为低电平状态，放电管 T 立即导通饱和， 此时电容 Cx 通过电阻 R2 和放电管 T 放电。随着电容 Cx 放电的进行，其电压 Uc 逐渐下降，但只要满足条件 Vcc/3Uc2Vcc/3，输出电压 V3 就会保持低电平状态， 此状态称为第二暂稳态状态。 当 Uc 继续下降，当 Uc 下降到小于 Vcc/3 时，RS 触发器状态立即置 1，输出电 压 V3 又由低电平跳变变为高电平状态，放电管 T 截止，电容 Cx 又开始进行充电， 周而复始地重复上述过程，输出端便得到稳定的方波脉冲。

26、 其工作波形如图 2.7 所示。 济南大学泉城学院毕业设计 - 8 - 图 2.7 多谐振荡器波形图 整个振荡周期 T 为两个暂稳态时间之和，T=T1+T2。求得电容 Cx 的充电时间 T1 和放电时间 T2 分别用公式表示为 （2.1） 124 ()ln2 x TRR C （2.2） 22 ln2 x TR C 因此，振荡周期 （2.3） 1242 ln2(2)TTTRR C （2.4） 42x 11 ln22 F TRRC 式中，F 为输出频率。 （2.5） 12 42 2 TR D TRR 式中，D 为占空比。为了便于计算应尽量使占空比为 50%，则应该调节 R2 的阻值 使其远小于 R

27、4 的阻值，但不要低于最小值。 实际上，在生产应用中，测量精确度除了与湿度传感器有关外，还与电路其他 元件的选择相关。为了减小温度对本电路的影响，电阻应与传感器的温度系数相似， R1 数值应取为 1精度，且最大温漂不超过 100ppm。由于不同型号的 555 芯片内 部的温度补偿电路不相同，为了保证在 55RH 时电路的输出频率能够达到 济南大学泉城学院毕业设计 - 9 - 6660Hz。R1、R2 与 555 选择应参照下表： 表 2.2 器件参数选择表 555R1R2 TLC555909KK576 TS555100nF523K 75551732K549K LMC5551238K562K 实

28、验室测量得方波频率值与相对湿度数据的对照表如 2.3 所示。 表 2.3 频率输出典型参数表 RH 0102030405060708090100 Fr73517224710069766853672866006468633061866033 RH：百分比相对湿度，Fr：频率 Hz 频率和湿度转换公式 （2.6） 36283 55 1.1038 1.9368 103.0114 103.4403 10 HzHz FFRHRHRH 式中，F55 为 55%RH 时的方波频率，取值 6660Hz。 然后，通过单片机的运算将频率值转换为所对应湿度的值，得到的值即为所测量的 湿度值。 2.2.4 按键单元

29、本机采用的按键电路图如图 2.8 所示。 Vcc1 k1 k2 k3 10k3 济南大学泉城学院毕业设计 - 10 - 图 2.8 按键电路图 按键可以比较方便的实现人对机器的控制。在本机中我们可以设计不同的按键 实现对本加湿仪的控制。我们所使用的键盘是多个按键的组合，按键是一种常用开 关，正常状态下，按键的两个触点处于断开状态，按下就是让开关闭合，将电路接 通。通常键盘组要分为编码和非编码两种键盘，在实际设计中，会有专用的译码芯 片对按键进行识别，分辨编码和非编码键盘的方式就是看键盘能不能产生键编号或 键值，在大多数的单片机组成的电路系统中，用的最多的按键是非编码键盘。在一 般的独立键盘中，

30、在按键没有按下的时候，输出的是高电平，当按键按下去的时候， 输出的低电平。 本机系统电路中所采用的是独立式非编码键盘，主要是因为此种按键电路硬件 设计比较简单。为了完成预定值,系统中设置了 3 个按键 K1、K2、K3 ，作为设置 湿度按键。K1 为设置键，也就是切换键。K2 设置为加一键，用来使设定的湿度下 限值增大,当设定值增大到 99 时再返回 0 开始增加。K3 设置为保存键，按下该键后， 系统会将之前设置的湿度的下限值保存起来。操作方式为：当设置键 K1 被按下时, 数码管显示设置湿度的下限，并且处于可调状态，按 K2 键使该值加 1，当值符合要 求后，按下 K3 键，系统将进入实时

31、测控状态，数码管显示当前的湿度值。 2.2.5 数码显示单元 显示装置采用七段数码管，数码管是电子设计中使用的十分普遍的一种显示设 备，每个数码管均由 7 个发光二极管按照一定的排列顺序构成，目前使用的数码管 中根据二极管的正负极的连接方式，分为共阴极数码管、共阳极数码管两种，共阳 极数码管就是将那些二极管的阳极共同接到一块形成同一个阳极的数码管，共阳极 数码管在应用时将公共极接到电源端。共阴极数码管就是指那些将二极管的阴极连 接到一起的数码管，从整体上看他们使用同一个阴极的数码管，共阴极的数码管在 实际使用时要将阴极极接到地线上，不同的数码管，使用时在程序设计上有一些的 差别。数码管显示的内

32、容相对比较直观，一位数码管可以显示从 0 到 9 中的任意一 个数字，多个数码管就可以显示多个数字，在显示位数比较少的设计电路中，在实 际得到产品设计构成中程序的编写和整体电路系统的设计都比较简单。 本系统数码显示单元显示设备主要是采用共阳极数的码管，用来显示湿度值。 本设计采用 74LS164 驱动 4 位 LED 显示的动态扫描驱动方式。74LS164 串入并出的 特点大大节省了单片机的 I/O，也使功耗降低。每一位数码管都由一个 74LS164 芯 片控制，后一位 74LS164 的串行数据输入端与前一级 74LS164 的最后一个并行输出 端相连，这样就可以控制两个数码管。 济南大学泉

33、城学院毕业设计 - 11 - 本机使用的数码显示电路如图 2.9 所示。 2207 Vcc1 a b c d Vcc e f g Vcc1 a b c d Vcc e f g A 1 B 2 Vcc QA QB QC 14 13 12 11 CLR 3 QD 10 CLK 4 GND 5 QE QF QG QH 9 8 7 6 74LS164 Vcc1 CLR 3 QD 10 74LS164 A 1 B 2 Vcc QA QB QC 14 13 12 11 CLK 4 GND 5 QE QF QG QH 9 8 7 6 2207 Vcc1 图 2.9 数码显示电路图 74LS164 是 8 位

34、串入和并出的移位寄存器，其芯片引脚如图 2.10 所示。 图 2.10 74LS164 芯片的外部引脚图 芯片引脚功能如下： A、B 的功能是：该引脚作为数据的串行输入端输入数据，其中每个输入又可 以当作其他输入的有效输入值。 CLK 的功能是：时钟信号，作为高电平时有效。 MR 的功能是：复位端，作为低电平时有效。 Q0Q7 的功能是：数据的并行输出端。 在实际的设计应用构成中，大部分要将 A、B 端连在一起作为数据输入的端口， 济南大学泉城学院毕业设计 - 12 - CLK 引脚一般情况下将作为时钟端口使用。在进行数据串行输入时，首先要将数据 在 A、B 引脚端口准备好，应用时当 CLK

35、端产生一个脉冲的上升沿则就会将一位数 推送到 Q0 位；与此同时，机器会准备好下一位数据，当 CLK 引脚端再次产生脉冲 的上升沿时，那么下一位数将会被推送到 Q1 位，其他的数据的传送同样是这样的 方式按照顺序从低位向高位缓慢移动。 2.2.6 控制单元 本机中，由单片机的 I/O 控输出控制信号控制外部电路，单片机将采集到的数 据进项运算，当机器测量到的湿度值低于我们设定的设定值时继电器就会发生动作， 驱动固态继电器的开关部分，接通主电路加湿器开始加湿。主动加湿的方法，加热 源不是用来加湿环境。因为加湿过程是独立的温度，所以它可以即使在低的温度达 到一个高的湿度水平，超声波雾化器产生的湿度

36、不会产生额外加热的，适合加湿有 限体积的环境如孵化器。术语雾化可以被定义为一种将液体变成雾气的仪器， 特别是在药物治疗使用时驱动电路与单片机的连接电路如图 2.11 所示。 Vcc1 10k 10k Vcc2 2.5k 图 2.11 控制电路图 固态继电器采用本设计选用的继电器型号为：欧姆龙 G2RL-1A-CF-DC5，实物 如图 2.12 所示。 图 2.12 G2RL-1A-CF-DC5 实物图 G2RL-1A-CF-DC5 继电器属性：触点数量：1；操作线圈电压：DC-5V；线圈电 阻：62；额定负载：AC250V，10A；接点电流最大值：10A。 济南大学泉城学院毕业设计 - 13

37、- 2.3 整机电路 本次的设计中我们采用了比较常用的 VISIO 作图软件，因为画出来的图比较干 净整洁，方便观看，并且使用起来也很简单。 2.3.1 整机电路图 如图 2.13 所示。 济南大学泉城学院毕业设计 - 14 - R1 909K TLC555 CV 5 2 4 6 7 3 TH R DC TR R2 576K R4 49.9K Cx hs1001 R3 1K Vcc1 Vcc1 1k P3.3 13 P3.4 14 15 P3.5 16 P3.6 P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 28 27 26 25 17 P2.3 24 19 P2.1 22 18 P2.2 23 2

38、0 P2.0 21 P3.7 AT89C51 Vcc1 10k 10k Vcc2 2.5k 10k3 REST 9 P3.0 10 11 P3.1 12 P3.2 P0.7 EA/VP ALE/PROG PSEN 32 31 30 29 P1.0 1 P1.1 2 3 P1.2 4 P1.3 Vcc P0.0 P0.1 P0.2 40 39 38 37 P1.4 5 P1.5 6 7 P1.6 8 P1.7 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 36 35 34 33 Vcc1 8.2k 10uf Vcc1 k1 k2 k3 2207 Vcc1 a b c d Vcc e f g Vcc1

39、a b c d Vcc e f g A 1 B 2 Vcc QA QB QC 14 13 12 11 CLR 3 QD 10 CLK 4 GND 5 QE QF QG QH 9 8 7 6 74LS164 Vcc1 CLR 3 QD 10 74LS164 A 1 B 2 Vcc QA QB QC 14 13 12 11 CLK 4 GND 5 QE QF QG QH 9 8 7 6 2207 Vcc1 GND 30pF 12MHz 30pF XTAL2 XTAL1 图 2.13 整机电路图 2.3.2 整机电路 PCB 板图 PCB 电路板设计使用 Proteus 设计软件，Proteus 软

40、件是英国的一家公司开发的 济南大学泉城学院毕业设计 - 15 - EDA 工具软件。本机的设计中各元件的布局一般遵循以下几个方面： 1. 高频元件之间的连线要短，易受干扰的元件不能离得太近； 2. 重量太大的元件要用支架固定； 3. 易发热的元器件要远离热敏元件； 4. 电路中的可调元件在设计时要考虑到整机的结构； 5. 预留出电路板的装支架的安装孔。 本设计中的 PCB 板图，如图 2.16 所示。 图 2.16 PCB 版图 3 软件系统设计 济南大学泉城学院毕业设计 - 16 - 3.1 软件系统整体设计 在任何一个单片机的系统中，硬件与软件都是一体的。由根据硬件电路的不同， 射线的功能

41、也不同，所以需要每次都要编写出相应的软件系统，系统软件程序的设 计是根据硬件电路图的连接状况和要实现的的功能设计的。本机软件系统设计采用 了总分的结构，由主程序按照一定的顺序调用子程序的设计方法，这样的程序结构 的好处就是便于程序的编写和维护。本机的软件系统程序主要是以下几个部分：主 程序、数据采集子程序、按键处理子程序、数码显示子程序和继电器控制子程序。 本机主程序流程如图 3.1 所示。 开始 初始化 按键处理子程序 数据采集子程序 数码显示子程序 继电器控制子程序 图 3.1 主程序流程图 3.2 软件系统子程序流程图 整个程序的设计思路是：主程序以“查询键盘采集湿度数据显示湿度 济南大

42、学泉城学院毕业设计 - 17 - 值继电器控制”的顺序循环调用子程序。主程序的主要功能是负责调用子程序， 通过对各个子程序的调用来实现整个软件系统。 3.2.1 数据采集子程序流程图 当主程序进行到数据采集的时候就会发出调用本程序的指令，在本程序中主要 是对输入的方波频率进行计数，通过单片机内部的定时器和计数器，定时一秒钟的 时间，查看在一秒钟有多少个上升脉冲，并将其进行查表得出相应的湿度值。 本子程序流程图如图 3.2 所示。 Y N 开始 将定时器、计数 器初始化 定时器是否到1秒？ 停止定时器和计 数器 读出计数器的值 运算得出湿度值 返回 图 3.2 数据采集流程图 3.2.2 按键处

43、理子程序流程图 当主程序发出调用本程序的指令时，计算机就会跳转到本子程序执行，首先饥 济南大学泉城学院毕业设计 - 18 - 检测是否有按键按下，然后，通过程序辨别是不是设置键，如果是，则进行数据的 处理，通过加一键对湿度的设定值进行修改。得到目标值后再按下保存键，保存数 据。 键盘扫描流程图如图 3.3 所示。 开始 按键处理 设置键是否按下? 返回 保存键是否按下？ N Y N Y 图 3.3 按键处理流程图 3.2.3 数码显示子程序流程图 当系统需要输出当前湿度值时，主程序就会发出调用显示子程序，程序首先会 根据要显示的数字，从数据表中取得对应的段码，然后将段码通过 I/O 口输出，最

44、 终数码管将湿度值显示出来。 如图 3.4 所示。 济南大学泉城学院毕业设计 - 19 - 开始 返回 断码输出结束？ 取段码 输出段码 取段码结束？ N Y Y N 图 3.4 数码显示流程图 3.2.4 控制子程序流程图 当主程序发出调用控制子程序的指令时，程序会按照设计的流程运行。首先， 取当前值和设定值，然后进行减法运算，单片机对结果进行判断，若当前值低于设 定值时，单片机就会输出高电平，继电器将加湿电路导通，开始加湿。否则，单片 机输出低电平，加湿电路关断。 流程如图 3.5 所示。 济南大学泉城学院毕业设计 - 20 - Y N 开始 将湿度值与设定 值对比 湿度值设定值？ 输出高

45、电平， 继电器闭合 返回 输出低电平， 继电器断开 图 3.5 继电器控制流程图 4 误差分析 济南大学泉城学院毕业设计 - 21 - 任何设计都有不完美的地方，本设计中也是有不足的地方，从外部来看是由于 本机只采用了一个传感器，所以会导致所测量的结果只代表某一小空间的环境湿度 值，对大的环境湿度的测量会不太精确，这是由于本机的设计目的是对小空间进行 湿度测控决定的，在此不做讨论。从本机内部来分析，测量误差主要产生在三个方 面，首先，是湿度传感器本身的测量精度，本机采用 hs1101 型电容式湿度传感器， 该传感器的相对湿度值在 0%到 100%RH 范围内变化，传感器的反应时间不大于 5s，

46、温漂为每摄氏度变化 0.04pF，在同类产品中精度处于比较高的水平其误差 1 不 大于2%RH 可表示为 1=2%。第二，是频率测量方面产生的误差，本机采用 12M 时钟频率和 16 位计数器，其主要测量方法是测量脉冲数量，主要是由于计数器只能 进行整数计数而导致的误差 2 不大于1%可表示为 2=1%。第三，是由于计算中， 四舍五入产生的误差 3，不大于0.5%，即 3=0.5%。 可以认为此三个误差互不相关，则仪器的总误差可用公式计算 （4.1） 222 123 + = 2 可得=1.62%，即本仪器总误差为 1.62%，满足设计要求。 5 使用说明书 本机设计为湿度测量控制仪，主要由基于

47、 AT89C51 单片机的控制系统和主动超 济南大学泉城学院毕业设计 - 22 - 声波加湿器构成。在本机中，主要结构包括：单片机最小系统、数据采集部分、按 键部分、显示部分和控制部分构成。 操作步骤：第一步，接通电源，并向水箱中加入适量的纯净水。本机使用 220v，50Hz 的交流电。 第二步，通过键盘设定湿度值。湿度设定方式为先按下设置键，进入设置状态， 按下加一键，数码管显示从 00 开始加一，多次加一，直至加到预定的值。然后按下 保存键。之后，加湿仪会检测当前湿度值显示出来，并在单片机内部与设定值进行 对比，若当前湿度值低于设定值，加湿器就会喷出水雾对空气进行加湿。直至达到 设定的湿度

48、值。 第三步，不用时，请拔出电源，定时对水箱进行清理，保证雾化器正常工作。 结 论 经过三个多月的努力，湿度控制仪的设计已经基本完成。通过这次毕业设计， 我掌握了一些实际的设计产品的基本方法和步骤：首先要，明确自己的设计是什么， 第二，是要对市场现有的同类产品有一定的了解，看看别人是怎么做的有什么需要 济南大学泉城学院毕业设计 - 23 - 改进的，第三，是初步提出自己的设计方案。第四，是要对整个设计方案进行全面 的论证并最终确立自己的设计方案，第五，就是进行硬件系统的设计，包括各种元 件的选择，和控制电路的设计，并绘制出整个系统的总体电路图。我们还需要进行 软件的编程设计，在本设计中选择了主程序和子程序的结构模式，需要画出主程序 流程图和各个子程序的基本流程图，先要弄清楚各个子程序的功能，最后才可以对 整个软件系统进行编程。到此，这个湿度控制仪的设计基本完成。 本文还设计了以 TLC555 芯片为核心的振荡电路，该电路产生的方波的变化与电 路中的电容的变化有线性关系，所以本设