单片机仓库恒温恒湿监控系统的设计概述

摘要社会向前走的越来越快，人们在生产活动中对物资的存储质量越来越看重，所以对物资存储的环境也相对的更加看重了 。而防潮 、霉、腐、爆是我们仓库日常管理的重心，也是评判仓库好坏的决定性参数 。因为它直接决定了仓库储物的安全与否 。为了维持良好的储物环境，所以对仓库的温度和湿度的监测与控制也就成了重中之重。过去仓库里面测量温度和湿度的方法是：湿度表，温度计，湿度纸等，人工进行监测，温度高了就降温，湿度高了就通风，这些方法不仅工人成本高，而且还不能实时的监测仓库的温度和湿度。当仓库温湿度不符合要求的时候也不能与时的进行更改，因而仓库储物的质量得不到足够的保证。因此大家需要一款成本低、使用简单，能够精确测出温湿度，并且对温湿度不符合标准的仓库与时做出反应的温湿度监控系统。现在单片机在我们生产生活的过程当中所占的比重越来越大，其作用也越来越被大家所认可，基于单片机的仓库温湿度监控系统由此而生。本设计的主要研究容为：基于89C51单片机的监控系统，温度采集；湿度采集；语音报警；温湿度显示。相比于过去的温湿度采集方式而言，有测量精确，测量围宽，读数方便等特点。关键词：89C51单片机；温度传感器；湿度传感器；温湿度显示；语音报警74 / 81AbstractSociety forward faster and faster, people in the production of materials storage quality are more and more important, so the material storage environment is relatively more important. And moisture, mildew and rot, blasting is the focus of our warehouse daily management, also is good or bad the decisive parameter evaluation warehouse. Because it directly determines the safety of the warehouse storage or not. In order to maintain a good storage environment, so the temperature and humidity monitoring and control of the warehouse have become top priority. Inside the warehouse to measure the temperature and humidity of the method is: hygrometer, thermometer, moisture of paper, such as artificial monitoring, high temperature cooling, and ventilation to humidity is high, cost is high, the method not only workers but also cannot be real-time monitoring of the temperature and humidity of warehouse. When the warehouse temperature and humidity is not in conformity with the requirements cant timely make changes, and thus the quality of the warehouse storage is not enough.So we need a low cost, simple to use, can accurately measure temperature and humidity, and temperature and humidity do not conform to the standard of warehouse to respond in a timely manner of the temperature and humidity monitoring system. Microcontroller in the process of our production and living now accounts for more and bigger, the effect is becoming more and more recognized by everyone, the warehouse temperature and humidity monitoring system based on single chip microcomputer comes.The main research content of this design is: monitoring system based on 89 c51, temperature acquisition; Humidity acquisition; Voice alarm; Temperature and humidity display. Way of collecting the data of temperature and humidity than in the past, the measurement precision, wide measuring range, easy reading, etc.Key words: 89C51; the temperature sensor; Humidity sensor; Temperature and humidity display; Voice alarm目录摘要.Abstract.第一章绪论.11.1选题背景.11.2设计过程与工艺要求.2第二章方案的比较.22.1温度传感器的方案选择.22.2湿度传感器的方案选择.32.3信号采集通道的选择.4第三章系统总体设计.63.1信号采集.73.1.1温度传感器.73.1.2 湿度传感器.133.1.3 多路开关.153.2 信号分析与处理.173.2.1 A/D转换.173.2.2 AT89C51简介.213.2.3 工作方式.273.2.4 数据存储器的掉电保护.283.2.5 系统时钟的设计.283.3显示与报警.293.3.1显示电路.293.3.2报警电路.29第四章软件设计.31结论与展望.35参考文献.36附录A.38附录B.39第一章 绪论1.1选题背景电子学和计算机科学等技术的快速发展革新了传统的仪器和测量方法，给我们的时代插上了腾飞的翅膀。传统的测量仪器精度不高、麻烦、智能化低、人工成本也大，现代测量技术和智能仪器的发展给我们的生活带来了翻天覆地的变化，极大的提高了生产力 ，同时降低了边际成本。传感技术是现代测量技术和智能仪器的基础。传感技术越来越先进，现在的传感技术不仅能够在很多种复杂恶劣的环境下使用，稳定性良好，而且精度相当高。现在的传感器和里面的结构都微型化了，做工也越来越精密，工艺也越来越精湛。使得传感器逐渐从传统结构向以微机械加工的微结构技术方向发展。随着传感器的发展，传感器的功能逐渐变多，并且越来越可靠、耐用，能够适应各种环境，在各种环境下使用。并且，现在的传感器越来越趋于集成化，所谓集成化就是由一种功能向多种功能发展，也就是说现在的传感器器相对于传统的传感器而言具备了同时检测几种参数的能力。近年来，智能手机发展迅猛，现在除了老人用非智能手机以外，年轻的一代基本都用上了智能手机，所以现在非智能手机被称为老人机，因为只有老人使用。当然我这并不是嘲讽老人，我只是想说智能手机的普与，和传感器的智能化有着千丝万缕的关系。不仅仅是手机，现在家用电器都走上智能化道路了，这些技术以后一定会发展的越来越成熟。还有一个新兴名词，就是传感器的网络化。所谓传感器的网络化就是把传感器和通信技术相结合，实现网络传输数据，并且可以远程传输。这得益于我们通信技术的快速发展。随着我们时代的快速发展，社会的竞争加剧。商家对成本的管控也越来越看重，仓库里面的环境如果做的好，是有利于产品的长期存放的，同时会减小不必要的损失。反之，如果仓库的环境不利于产品存放，或者由于某些原因，对仓库的管理不够到位 ，导致仓库的温度或者湿度等指标达不到要求，则会导致产品质量受损，造成不必要的损失。并且过去很多仓库里面的温湿度基本上都是有人工去测量的，这样的有几个有缺陷的地方，比如费时费力、不能时时监测、成本高等等。因此，市场上需要一种造价比较低、操作简单而且能够做到精准测量的测量仪器。1.2设计过程与工艺要求一，功能 监测温湿度 显示温湿度 过限报警二、技术参数 温度检测围 ： -30+50 测量精度 ： 0.5 湿度检测围 ： 10%-100%RH 测量精度 ： 1%RH 显示方式 ： 温湿度四位显示 报警方式 ： 三极管驱动的蜂鸣音报警第二章方案的比较单片机作为测控系统的核心，任何系统都要有信号的输入通道，单片机收到信号以后对信号进行分析与处理。所以站在系统的角度来说，准确的获取外界信息是最重要的，如果信息获取的不够准确，那后面的信息的分析与处理也就没有任何意义了，系统也就不能够准确的对信息做出反应了。因此准确的获取被测量信息是至关重要的一环。对于获取信息，非传感器莫属，我们一切的电子信息，基本上都是来自于传感器，都是靠传感器去监测各种数据，完了以后传达给系统的分析层，分析完了以后接着对信息进行处理。所以选用的传感器一定要符合要求，符合我们所需要的各种各样的条件，并且要准确。2.1温度传感器的方案选择方案一：热电阻温度传感器。原理是利用电导体的电阻随温度变化的属性制作而成的温度测量器件。这种测温器件精度较高，测量的围也比较大，并且可以远距离测量。可是这种测温器件里面的电阻一般是金属，有些还是稀有金属，这样的话就有一些缺点了。比如抗氧化性不能满足条件啊，价格高啊，性价比不高，电阻率不能满足要求等等。铂电阻可以满足精度和温度系数的要求，但是价格贵，不利于广泛的普与。铜电阻温度系数满足要求，价格不不贵，可是它的电阻率低。并且铜电阻的抗氧化能力不强。方案二：AD590。AD590是美国ANALOG DEVICES公司的单片集成两端感温电流源，其输出电流与绝对温度成比例。在4 V至30 V电源电压围，该器件可充当一个高阻抗、恒流调节器，调节系数为1 A/K。片薄膜电阻经过激光调整，可用于校准器件，使该器件在298.2K (25C)时输出298.2 A电流。AD590适用于150C以下、目前采用传统电气温度传感器的任何温度检测应用。低成本的单芯片集成电路与无需支持电路的特点，使它成为许多温度测量应用的一种很有吸引力的备选方案。应用AD590时，无需线性化电路、精密电压放大器、电阻测量电路和冷结补偿。除温度测量外，还可用于分立器件的温度补偿或校正、与绝对温度成比例的偏置、流速测量、液位检测以与风速测定等。AD590可以裸片形式提供，适合受保护环境下的混合电路和快速温度测量。AD590特别适合远程检测应用。它提供高阻抗电流输出，对长线路上的压降不敏感。任何绝缘良好的双绞线都适用，与接收电路的距离可达到数百英尺。AD590测量热力学温度、摄氏温度、两点温度差、多点最低温度、多点平均温度的具体电路，广泛应用于不同的温度控制场合。由于AD590精度高、价格低、不需辅助电源、线性好，常用于测温和热电偶的冷端补偿。2.2湿度传感器的方案选择湿敏元件是最简单的湿度传感器。湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。电子式湿敏传感器的准确度可达2-3%RH，这比干湿球测湿精度高。湿敏元件的线性度与抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度与长期稳定性。方案一：HOS-201湿敏传感器。它是高湿度的开关型的传感器：工作电压：1V的交流电以下频率是：50HZ-1000HZ测量的湿度围是：0-100%RH工作时的温度围：0-50阻抗：在湿度为75%RH、标准温度为25时阻抗为1MHOS-201湿敏传感器本来是一种开关用图的传感器，它可以用来在低频带进行测量，所以它一般是去判定在某一特定值之上或下的目标电平。此外，HOS-201湿敏传感器仅仅是在一定条件下满足函数属性，很多的生产实践中都有用到这种属性。方案二：HS1100/HS1101湿度传感器。这种温度传感器是全互换性，既在标准环境下不需校正；它可以长时间饱和下快速脱湿；还可以自动化焊接，包括波峰焊或水浸；HS1100/HS1101湿度传感器拥有良好的稳定特征；湿度围： RH 0-100 %RH曲线精度：(10%-90%) +/-2 %RH漏电流： Ix 1 nA温度效应： Tcc 0.04 pF/平均灵敏度：(33%75%RH) C/%RH 0.34 pF/%RH响应时间：小于5S电容量：16pF-200pF误差：小于2%RH（精度很高）HS1100和HS1101分别是顶部接触和侧部接触，能够比较方便的在生产活动中使用。现在的很多工厂的生产都已经走向智能化的道路，传感器功不可没。经过对比发现：方案一尽管准确度上符合要求，它也能够测得足够宽，可是它仅在某个区域满足函数关系，我们能够多去使用这种特征。只是它的温度围在这里不适合。所以，此次试验使用方案二。2.3信号采集通道的选择本次毕业设计，输入的是信号，信号是温度信号。本次设计的信号是双通道的。并且属于模拟信号。所以要多路的构造。信号采集通道的选择方面，主要有两种选择，一种是并行式的(如图2-1)，还有另外一种就是分时式的（如图2-2）。两种通道各有各的特点。并行通道目前已经广泛应用于多个领域，比如：智能终端，大数据处理，物联网，云服务，流量计算等等。所谓并行性就是指一个器件能够同时做两件或两件以上的事情。所以并行性几乎存在于各个系统，因为生产活动中一般都会有大量的数据都需要实时的进行传输。多路并行模拟输入通道可以大降低我们的成本，另外这种模拟输入通道比较简单，设计起来并不难。A/D转换器采样/保持器信号调理电路信号调理电路A/D转换器A/D转换器采样/保持器信号调理电路信号调理电路多路分时模拟输入通道。所谓分时，就是指某一资源可以供给多方使用。就好比一台电脑可以连接耳机、鼠标、U盘等多个终端，这就是分时的一种方式。多路分时模拟通道的设计比较复杂，运行的速度也不够快，对采样保持电路和模拟数字转换器的要求也比较高。可是经过对比，结合本毕业设计，发现第二种通道更加符合要求。我们可以通过下面的框图来做个比较。接口CPU采样/保持器接口. . . . . . . . . 接口图2-1多路并行模拟量输入通道CPU接口A/D转换器采样/保持器信号调理电路信号调理电路信号调理电路多路切换器图2-2 多路分时的模拟量输入通道第三章 系统总体设计此次毕业设计是基于单片机的仓库恒温恒湿监控系统的设计。温度传感器会随着仓库温度的变化而产生不同的电信号，电信号会传输给处理系统，处理系统会对承受到的电信号做出反应（升温，降温或者保持）。湿度传感器会随着仓库湿度的变化而产生不同的信号，信号同样会传输给处理系统，处理系统也会根据承受到的电信号而做出反应（加湿，降湿或者保持 ）。如此一来，就能够随时保持我们仓库里面的温度和湿度都处在最适宜存储的状态。本毕业设计是一套基于89C51单片机为核心的监控系统。详细请参图3-1系统框图AT89C51CD4051多路开关MC14433A/D转换AD590温度检测串行口LED显示报警电路CD4051多路开关HS1100湿度检测命令键输入图3-1 系统总体框图 由上框图可以看出，本次毕业设计思路清晰：由信号的收集分析最后的处理。环环相扣，每一步都很重要。精确的信号收集，把收集到的信号传递给单片机，单片机收到信号以后，再进行分析，最后把结果发送给显示器或者报警器。3.1信号采集3.1.1温度传感器本次毕业设计的温感是AD590。由美国一家公司制造的。它的电流和温度满足函数线性关系，也就是说一个温度对应一个电流。这种温感的阻抗相当高。同时又能够起到恒流的作用。这种器件是单片集成型的。两头都可以感受温度。AD590在适合在常温下使用。当其所在环境超过150C，过高的时候，它就不能正常工作了。只要是在这个温度点下，它可以用来做任何监测。另外，它的成本相当低。并且是单片集成型。它又不要求有支撑 ，所以现在在狠多的领域里面都有用到 ，是用途很广泛的一款。AD590要进入工作状态的时候，它对电路的门槛要求很低，这就更有利于它的推广与普与。AD590不仅仅在测温上有很高的造诣。它还能够检测很多物理量，比如风速。它还有一个很强大的功能，就是在一定的条件下，可以高速的测温，并且很有效率。由于它可以具有很高额的电阻，它所占的电压比例大，流过它的电流小，所以它可以用来进行一些远程方面的操作。电流小，一般绝缘的材料基本上可以使用。它监测的围很广，可以长达几百米。还有一个很重要的特点，它可以几条通道复流。对于AD590来说，常温下的温度，它基本上都能胜任，并且精度很高。由于它的Ir/T=1，因此它具有很好线性关系，方便计算，减少了大量的中间程序。AD590能够感受的围很广：-55C150 C。常温下的温度基本上都能够测量，不仅仅能够在普通的地区使用，而且在极地也能够使用。这是相当强大的。AD590作为一个弱电器件，其能够承受的电压也是很大的 。耐压区域：-20V+40V。这样的好处就是耐用，难以损坏，因为在弱电器件里面，这个耐压区域太广了。那么AD590究竟有多耐用了，举个例子，如果你不小心把它反接了，它也不会坏。它的输出电阻也很小，不到1。AD590还有一个优点，就是很精确。只要是在它的测量区域，误差缩小到0.3 C。总之AD590集多优点与一身。体积小，用起来容易，适应能力很强，同时温度与电流又满足函数关系。AD590的原理很简单，就是将外部温度的变化转化成电流的变化。这一点还有别与热电阻，可是比热电阻更加先进，更加科学。流过热电阻的电流和环境的温度是相关的，环境的温度变了，热电阻里面的电阻的阻值也相应的变化。所以热电阻里面一般由有这种特性的金属组成，比如铂。由此可以看出热电阻的造价要贵很多。相应的，它的可测围也大很多：-200V+500V。另外这种传感器的部结构也不简单。维护起来也不容易。加之这种传感器体积比较大。所以这种传感器一般都是用于一些特殊场合，而不是常温。下面我们给出了AD590的原理框图。见图3-2。电压变化电流变化温度变化显示器AD590测量电路图3-2AD590的原理框图AD590工作原理当外界温度不变时，它的电流不变。此时将它串接一个5-30V的电压。同时在后面连上1K阻抗。这时候输出将和输入成正比。详细请参见图3-3.图3-3 AD590基本电路图3-3是PN结温度传感器感受温度部分的核心电路。T1、T2主要是用来稳定电流。它们的作用是确保上图中I1和I2一样。T3、T4为晶休管 。它们的材料是一样的。作用都是用来感受温度。相比于T4，T3要特殊一点。因为它里面的管子要比T4多的多，多N倍。下面是I1的表达式。 I1UBER（KTq）（lnn）R因为它能够恒流，部系统也更加安全。同时别的因素也影响不了输出电流。比如电压、电阻。图3-3中，R经过激光的处理。对它的阻值进行了校优。所以标准温度时，能够测量I。图3-4 AD590部电路上图是AD590的部电路。T1T4的主要是稳定电流。T9和T11为晶休管。T7主要是增加阻抗。T8、T10也是增加阻抗。R5、R6是薄膜工艺制成的低温度系数电阻。它们会帮助出厂前的校正。T6主要是起到一个保护的作用，并且保持两条支路的协调。R1、R2充当一个反馈的作用。同时增加电路中的阻抗。T1、T4主要增加热量。C1和R4用来防止寄生振荡。由图3-4可知，T9、T10和T11发射极I一样。I=1/3I总。S发射结：T9/T10=8。S发射结T10=S发射结T11。 T9、T10和R5、R6之间有如下关系。UBE（R62 R5）I3需要注意的是，I R6来自于T9。IR5一部分属于T10，一部分属于T11。从前面的关系式可知，UBE可以根据R6和R5来改变自己。也就是说，只要更改R6和R5，UBE能够变成对我们有利的值。在上式结合图3-4可以看出R5主要是负责第一步的调整。 R6主要是进行第二步的调整。图3-5 AD590实物图和符号AD590外部是金属。一共有三个引脚。其中一个接电压。一个接电流。还有一个不用的。AD590部比较关键的地方主要是PN结。大家都知道半导体是介于导体和绝缘体之间的材料。半导体在通电的时候，里面很多的参数温度对它们的影响都比较大。这在很多情况下都是不好的，因为如果这样的话，电流就不稳地。同时也会对这里面的器件造成损害。所以每当电路里面有PN结的时候，大家一般尽量的去规避这种损害。可是一旦变成传感器就不一样了，这就相当于是将劣势转变成了它的优势。并且使用这种传感器还具有很多传感器所没有的一些好处。比如它良好的线性关系。比如良好的精确性。AD590温度传感器的精确性很高，这得益于它里面的结构和组成材料。PN结的伏安特性与温度又刚好具有很好的相关性 。所以PN结在常温下的温度传感器这一领域才会大行其道。因为它的特性实在是太好了。基于AD590良好的线性关系，它里面的PN结寿命更长，这也说明它的结构更加稳定。二、应用电路下面是AD590的常规应用。主要是由于其与热力温度线性相关性。当R1+R2=1k，有V0根据电流改变1mV/K。但是，因为其增加量和实际的有出入，电阻的改变也不同。所以需要首先需要校正电路。校正方案：将其置于0环境，慢慢调节R2。直到V0=273.2+25=298.2mV。这样才算校正成功。同时其也具有了可观的精度。图3-6 AD590应用电路三、摄氏温度测量电路在上图中，R2主要是修正零点。R4主要是修正LF355。下面是修正方案。将其置于0的环境中。改变R2的值，当V0=0就可以了。然后再将其置于100的环境中。改变R4的值，当V0=100 mV就可以了。这样反复进行若干次。当每一次实验都是如此结果，就说明校正成功。然后我们做室温条件的调节。同理，将其置于25的环境中。反复调制，直到V0=25mV。说明本次校正成功。由于本次校正会有误差，为了将误差减小到最小，所以需要多重复进行实验。四、多路检测信号为了保证系统的精度 。我们要采用多路电路。使得信息的采集更为准确，仅仅是一路是不够的。这是我们就可以用到CD4051了。以下图是硬件方面的。详细请看以下图。图3-7 两路分时的模拟量信号采集电路硬件接口3.1.2 湿度传感器随着科技的发展，湿度这个词已经不再陌生。湿度就是空气中水分子的含量。现代社会有各种各样的途径可以得知湿度。也有了很多种的仪器。那些仪器都有一个特性。那就是他们基本上都是通过某种物体里面所含水分子的变化然后引起导电性能的变化。湿度传感器基本上就是按照这个思路制作而成的。下面我们来详细介绍一下。先说下湿敏器件。它可以划分成两类：阻抗类和电容类。阻抗类的湿敏器件比较简单。其表面有添加了感湿膜。水分子进入到感湿膜后，湿敏器件阻抗会随之改变。湿敏器件就是通过这个原理做成的。湿敏电容类器件，有一个前提，就是要先改变它的电容。这类器件表面有薄膜电容。并且它是高分子。我们先来介绍湿敏电容类器件工作的原理。一般空气中都有水分子，空气中水分子的含量都是不稳定的，会变化。这时这种不同会引起该器件电容量的波动。电容量波动与水分子占空气的百分比是一种函数线性关系。并且是正相关，也就是说该种变量增大时，和它相关的变量也随之增大。其电子式精度很高：2-3%RH。相对于干湿球，这个很精良了。这种器件的能够快速的响应。温度系数也很优秀。可测围很广。另外，既然这个是湿敏电容器件，那么至关重要的一点也就是电容了。这种器件的电容不仅完全能够满足要求，而且精度极高。尽管湿敏器件优点比较多，可是还是有很多不尽人意之处。比如线性度不佳。环境适应性不强，容易损坏。因为我们的目的就是去测量空气水分含量，如此一来其总归要放置于空气里面。此时器件的部就能够受到污染。进而影响使用价值。我们就是要让价值回归，让测湿器件的价值回归。不仅要价值回归，测试器件的体验也要回归。接下来我们全面考量一下HS1100/HS1101湿度传感器。一、特点首先先介绍优点。HS1100/HS1101湿度传感器分为两种：一种是HS1100 ，另外一种是HS1101。前者的接触面是顶部。后者是测面。这两款产品都很先进，基本上都是有专利在里面的。优点：第一个就是不用一直校正，刚开始做一次就可以了。其次就是不像前面讲的那些湿敏器件。这种器件它很稳定，有利于延长使用寿命。第三点就是这种器件很安全，很可靠。这一点是有利于保护电路的，不容易出故障。减少日后维护的代价。综合以上优点，它在频率输出那一块上比较占优势。在线性电路上面使用也很多。随着现在科技水平的提高，自动化程度也越来越高。这种器件的普与程度也越来越高。二、测量湿度电路在电路中，首要注意的问题就是如何准确的进行多个量的转变。这就需要我们能够找到这其中的关联性。HS1100/HS1101这种器件放到线路上去了，影响还是蛮大的。因为它毕竟是个电容。并且它的电容是会波动的。环境中水分子所占总量程度波动了，它也会跟着发生相应波动。电容通常会对线路环境产生作用。并且一般决定性的，其加入会改变电流。我们思考的就是如何进行关连量之间的传换。由电容到电流。或者由电容到电压。下面我们来介绍下这种转变。一般是这两个方案。 第一种是将湿敏放入滤波电路中。此时的电流不稳定，为了得到稳定的电流。我们需要用到整流。这个步骤做完，电流就转换成直流了。但是这时候的电流很弱。于是要用到放大器。此时我们得到就是我们需要用的电信号了。再接着经过A/D器件以后就可以了。第二种方法是使用反比电路。用这种电路进行频率上的交接。此种做法的好处就是信息可以被立即使用。因此由水分百分比改变而带来的电容的改变，经反比电路成为我们所需的信号。三、多路检测此次湿度获取分成六路。因此我们需要CD4851。由它组建多个线路，再去对水分子含量进行采集。详细见图3-8。图3-8 两路分时的模拟量信号采集电路硬件接口3.1.3 多路开关因为此次毕业设计里面，有两个参数：温度、湿度。这两个参数要想得到有效的控制，就必须要用到这个器件。多路开关，俗称“多路转换器”。此类转换器里面一般存在多通道可供输入。还有一个共用端口。能够对实际的通道与端口进行模拟。当有数据从多端口进入，结果会从共用端输出。因此它能够做到多个端口到一个端口的连结。如果数据从共用端进入，则会从多端口分离。所以由此可见，多路转换器可以进行数据的正反向传输。在多路转换器这一块，本次毕业设计使用的是CD4851。它可以模拟数据开关。并且是八通道的，可以控制多重端口，同时它的使用方面也很方便。因为其在静态的状况下很省电，所以通常不要关电源。CD4851有多端口，多通道。其部构造详细请看图3-9所示。图3-9 CD4851部构造CD4051引脚功能说明。引脚号：符号：功能：1、2、4、5、12、13、14、 15IN/OUT输入/输出端。9、10、11A 、B 、C地址端。3OUT/IN公共输出/输入端。6INH禁止端。7VEE负电压端。8Vss数字信号接地端。16VDD电源+。图3-10 CD4851引脚功能说明真值表，输入状态， 接通通道。INH。CBA输出。00000。00011。00102。00113。01004。01015。01106。01117。1xxx均不接通。图3-11真值表CD4851做数据的输入端之后，可实现数据的“共用”。CD4851做数据的输出端之后，可实现数据的“共享”。这符合当前时代发展的潮流，数据共享，资源共享。国、国外目前有很多的平台和公司都在做大数据了。CD4851有很多的引脚，大概十多个。它们的功能已经在前面表格中列出来了。值得注意的是它的电源端。VDD可以承受的最大值是：-17V+17V这个围。VGG的最大围就要小一点了：-5V+5V。XCOM，控制数据的进与出。当数据从外部传进来，做输入。当数据从部传出，做输出。3.2 信号分析与处理3.2.1 A/D转换一、特点因为本毕业设计有两个变量，应选择MC14433。MC14433是一种双积分型的。它不仅仅精度高，误差率也低。当监测出了两个变量的信号以后，需要将其变为电平信号。而完成这一步的就是MC14433。因为它是独端输入，可是我们又有多个数据点，所以需要用CD4851。当有了CD4851之后，MC14433就可以接收多路的数据了。选择MC14433的原因还有个。那就是温度和湿度都是缓慢变化的。因为这种器件是双积分型的，所以它们的速度相对于别的处理器而言要慢一点。速度大概就是1-10次/S。它们处理数据的速度不快，所以只好用来处理生活、生产中变化较慢的信息。比如环境温度，它们就刚好适用。MC14433擅长温度信息处理，它工作的时候一般不会发生故障。我们平常生活中的温度、湿度等都是不能突变的。这些变量，它都能胜任。MC14433还有一个优点。那就是它的抗干扰的特性。这一点使它能够被大量的生产，被普与，被应用。下面请看MC14433的部逻辑框图和引脚图。图3-12 MC14433A/D转换器的部逻辑框图图3-13 MC14433引脚图MC14433 的框图（图3-12）和引脚（图3-13）功能说明各引脚说明：电源部分VDD： 电源+5V。VEE: 电源接地端。VAG： 模拟电源。VSS： 数字电源。VR： 基电压。电阻和电容部分RI:积分电阻输入端，VX=2V时，R1=460。VX=200Mv时，R1=27K。C1:积分电容输入端。C1 一般为0.1F。 C01、C02： 外界补偿电容端，电容取值约0.1F。 R1/C1： 公共端。CLKI、CLKO: 外界振荡器时钟调节电阻Rc，Rc一般取 460 K左右。转换启动/完毕信号端EOC：转换完毕信号输出端，正脉冲有效。DU：启动新的转换，若DU与EOC相连，每当A/D转换完毕后，自动启动新的转换。过量程信号输出端OR：当|Vx|VR，过量程OR 输出低电平。选通部分DS4-DS1： 分别表示个、十、百、千位，正脉冲有效。DS1 对应千位，DS4 对应个位。每个选通脉冲宽度为18个时钟周期。两个相应脉冲之间间隔为2个时钟周期。图3-13 MC14433选通脉冲时序图BCD码输出线Q0-Q3： BCD码输出线。上图Q0是最低位，Q3 是最高位。当DS2、DS3和DS4选通期间，输出三位完整的BCD码数，但在DS1选通期间，输出端Q0-Q3 除了表示个位的0或1外，还表示了转化值的正负极性和欠量程还是过量程。详细请参见图3-14。图3-14 DS1选通时Q3Q0表示的结果根据上图，我们可以知道：Q3 代表1/2位，若Q3=“0”，对应1。若Q3=“1”，对应0。Q2 ：极性。若Q2=“1”，表示正极性。若Q2=“0”，表示负极性。Q0=“1”：超量程。若Q3=“0”，则为过量程。若Q3=“1”，则为欠量程。二、MC14433与AT89C51单片机的接口设计因为MC14433的结果跟别的器件不一样。它的是BCD吗。并且是分时的。Q0Q3HE，DS1DS4都为分线。所以AT89C51需要用I/O来和它连接。并行I/O可以用。扩展I/O也没问题。MC14433还能够与P1接通。至于它们的硬件接口如何，是否相容。详情请参见以下图。图3-15 MC14433与AT89C51单片机P1口直接相连的硬件接口3.2.2 AT89C51简介本次毕业设计的信息处理器件，选用AT89C51。本次毕业设计，可以看成三段。前段：信息获取；中段：信息分析；末段：信息处理。具体一点的话，前段就是非电量的一个获取。然后将获取的信息进行放大。再将放大的信号送入A/D转换。这一步出来就变成电信号了，处理器就能够利用了。一、介绍AT89C51是一种做工很成熟的单片机了。历史也很久远了。它主要是用来进行一些速度比较快的计算之类的。同时它的结构简单，适应力强，性能稳定，造价低等优点。因此被广泛的使用于各个领域。像我们生活中很多地方都能够找到它的身影。比如：DVD，机顶盒，游戏机等等。在火车、飞机制作里面将AT89C51作为控制速度之用。一些国外的公司用其来控制发动机的转速。战斗机下面的挂载功能也有用到AT89C51。卫星里面有大量的数据需要传输。各种变量之间要能够进行快速的转换。这就需要有性能稳定，安全，同时速度快的单片机。同时AT89C51的造价比不高。如今很多的公司都在进行单片机的研发。AT89C51就是一个很好的标杆。现在在单片机这个行业里面，未来的趋势逐渐明朗。我们周围的信息量也越来越大，这个时候，不仅仅需要抗干扰能力强的。还要低干扰型的。这种单片机有利于我们的环境，工作和生活场所和平发展。因为它是低干扰型的，它对别的器件影响就没有那么大。现在很多的设备，比如军队，特种部队里面对电器安全方面考量的就会更多一点。他们通常是要求单一程序。也就是说单个器件方面不允许加入别的程序。比如说手机。很多在机关部门工作的人，他们的手机都是特殊制造。这样就不容易被监视。随着时代的发展，社会的竞争越来越激烈。人们的安全方面的意识也会逐渐觉醒。慢慢的单片机的经济和法律风险也就相应的增大了。产品在市场上流通，就是需求决定生产。性能要求能够满足任务的完成。并且，容错率很低。容错率低的意思就是允许出错的概率很低。或者可以理解为出问题了，为之支付的成本很高。在某些领域里面，其成本可能高达数亿元人民币。基本上就是外界的需求指导着工厂的产品方向。外界对产品质量等级有多关注。这一点就决定了工厂流程的严苛。单片机投入规模化的生产，必须经过系统性的测试，这个测试在Intel Chandler上完成。二、AT89C51提供以下标准功能AT89C51功能很强大。它是一款既能存储，同时又兼具处理功能型元件。它充当存储功能。就是4K字节。它充当处理功能。就是CMOS 8位的处理器了。AT89C51具有32个I/O。还具有2个16位定位/计数器，一个5 向量两级中断结构。部具有通信口。它是串行的。并且是全双工的。AT89C51部还具有震荡器。它因为具有时钟电路 ，因此用途较多。AT89C51可以进行0HZ操作。同时能够进行双效率模块。详细了解请参见以下图。图3-16 AT89C51方框图接下来介绍AT89C51的引脚，详细请看以下图。图3-17 AT89C51引脚图引脚说明VCC，电源。GND，0线。PO口，是地址总线。同时又是数据总线。当它做输出用，它能够进行驱动。由于它是八位的，它们都可以占用电压。因此它可以启动八位TTL，同时它具备校正功能。我们可以对它进行编程，原因是它可以输入BCD码。当我们对它进行校正，它就充当输出作用。PO可以进入存储器读取信息。它还能进行地址的转变。并且是分时类型的。PO还能进行总线复用。我们对它进行访问比较简单，只要里面的阻抗工作就可以做到。P1口，八位I/O。并且是双向的。P1自带阻抗，可做“输出”。当它是处于高电位状态下，是“输入”。若要做“输入”，我们只需增加其阻抗即可。此时非电平走低，输出IIL。同时可通过到达1状态，进入高电位。此外，P1能够识别低八位。P2口，八位I/O。它也是双向的。P2自带阻抗，可做“输出”。若要做“输入”，我们只需增加其阻抗即可。当它是处于高电位状态下，是“输入”。此时非电平走低，输出IIL。同时可通过调整为1状态，进入高电位。此外，P2能够识别高位数据。P3口，八位I/O。它也是双向的。P3自带阻抗，可做“输出”。当它是处于高电位状态下，是“输入”。若要做“输入”，我们只需增加其阻抗即可。此时非电平走低，输出IIL。同时可通过到达1状态，进入高电位。此外，P3口可以识别校正数据。RST，复位引脚。如果震荡器状态异常，发生高电位现象。若持续了二个周期，此时则会激活RST。ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8 位字节。即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。我们应当看到，进入一次单片机处理器都会产生ALE漏洞。ALE还有一个特点，就是能够键入编程语言。如果情况允许，我们能够将其关闭，来保证SFR的正常工作状态。当程序正常运行的时候，MOVS或者MOVC都能够将其开启。最后一点，它可能发生走高现象，当处理器工作时，该将其调为关闭状态。PSEN，它是一种功能，主要是提供读选。其位于存储器边缘 。AT89C51工作时，识别信息，都会有PSEN的效果。工作完成以后，输出双电平。如果这段时间进入处理器，都不会发生PSEN。EA/VPP，入访问。它是从外到的一扇门。当中心处理器对AT89C51进行数据输送时，EA引脚电势为0。原因是其处于接地状态。若EA引脚电势不为0，中心处理器则进行数据对的输送。当对其进行编程时，EA需要外接Vpp。并且其大小为12V。XTAL1，振荡器反相放大器与部时钟发生器的输入端。XTAL2，振荡器反相放大器的输出端。在AT89C51里面，置了放大器。它是反相的，同时附带增益效果。其主要功能是为了使震荡器生效。XTAL1表示其输入。XTAL2表示其输出。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或瓷谐振器一起构成自激振荡器。外接石英晶体或瓷谐振器与电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。本毕业设计在C1和C2上面没有说明参数，可是它们还是会对电路造成影响。它们影响着震荡器使用特性。包括频率和温度等等。但是其程度并不大。掉电模式当AT89C51处于该模式时，震荡器不会运行。程序倒数第一条决定是否运行该模式。一般情况下，存储器在进入该模式之前会停止运行。同时，我们也能够从其中退出通过复位。复位即重新启动了，这有点类似于计算机的重启。复位后，所有器件都将从初始状况下开始工作。程序也会重新运行。复位后，电源需启动一段时间，不然，该过程不会起到作用。电源启动数分钟以后，震荡器才开始进入运行状态。AT89C51是通过字节来编程的。并且每键入字节的时候，都在要后面处理器里面空出字节出来。三、编程方法在编程以前，我们得把一切前期的操作都做好。这就包括地址和信号等等。字节地址分别加在P1、P2上面。该操作的地址围：000HFFFH。最后的字节是在PO输入。然后就是处理好P2.6、P2.7它们的电位。PSED一般是低电位。RST一般是高电位。EA/Vpp是电源端口。到时候我们会根据需求调整其电源大小。ALE/PROG是脉冲端口。一般情况下，它接的是负脉冲。在AT89C51进入状态下，我们一般会使用时钟震荡器。接下来详细介绍AT89C51如何编程。首要规则就是在什么线上，键入什么信号。我们第一步应该是写地址。那么此时我们的信号应该是键入到地址线上面。然后是键入一些控制字节。对整个编程的过程进行控制。若我们要AT89C51在高压的状态下工作，那么 很简单。只需在电源通入+12V即可。当我们在Flash中键入一个字符，我们都要在ALE/PROG 键入脉冲。更换字符和键入的信息，直至我们所有的工作做完为止。其号可以自行调节。同时，字符的键入时间根据其功能状态进行计时。通常状态下是1.5ms。此外，AT89C51一般根据字符的查询来判定编程的状态。当其进入编程状态，我们能够在所有时间点查找所需数据。1、Ready/Busy我们编程的状态是通过Ready/Busy来确定的。在编程的时候，当ALE转换“H”，P3.4转换成低电位，则AT89C51正处于“Busy”。当编程完毕，P3.4Ready/Busy重新回到高电位了，则AT89C51处于Ready。程序校正：LB和LB2表示加密位。如果加密位LB和LB2 没有进行编程，则代码数据可通过地址和数据线读回键入的数据。在以下图中，程序存储器的地址由P1口和P2口的P2.0P2.3 输入。数据的输入则来自于PO。PSEN继续处于低电位状态。其余三个器件均为高电位。当对其进行校正，PO需串连10K阻抗。图3-18编程电路图3-19校验电路2、芯片擦除若我们需要对EPRON中的数据进行擦除，则需要用到控制端。需要将其信号进行排列，排列要正确。要求ALE/PRON处在低电位状态下。同时，其宽度为10ms。代码则需要把高电位键入到单元格中，此操作在未键入程序的时候完成。3、读片签名字节AT89C51中有三个签元。其地址是：0030H、0031H和0032H。它们分别表示生产厂商 、编号、编程的电源大小。读取签元时，调节P3.6 和P3.7为低电位即可。校正0030H、0031H和0032H地址的方法同上。下面是0030H、0031H和0032H的意义。(0030H) =1EH声明产品由ATMEL公司制造。(0031H) =51H声明为AT89C51单片机。(0032H) =FFH声明为12V编程电压。4、编程接口Flash闪速存储阵列中的每一代码字节可进行写入和存储器的整片擦除。“写”的时间周期根据情况确认。当对其进行格式化，则会定位，直至任务完成。微机能够进行双数据的移位。当处于外部环境中，数据以物理的方式存在。但是，进入到计算机中，一切都数据化了。机器数据和环境的信息之间的转变，是需要各个步骤之间相互衔接来做到的。比如ADC，它会把连续信号变成数据。如果外部的数据呈点状突变，就无需用到ADC了。当遇到该种类状况，则需要启用信号调理电路了。因为这需要进行多类信号之间的转换。如果上述过程不能处理了，也可以和下一单元连接。当然，这个是属于微机部分的，其部有信息接口。其对外的接口都是类似的。不同点是，它们信息的流向。输入是由外；而输出则是由外。在该状态下，程序会指导数据的连结和流向。同时，会为其标记此次操作中用到的数据。并且子器件将数据传给DAC，由其完成数据的转变。然后，信号会移交给调理放大器。经过放大以后转交个处理器。在本次毕业设计中，为了保证其完成，用到了大量的硬件 设备。3.2.3 工作方式它的工作方式可以分做复位，掉电和低功耗方式等。一、复位方式如果AT89C51的RST持续两个机器周期以上为高电位时，AT89C51就执行RST操作。当RST一直保持高电位，AT89C51便会保持RST。复位分为两种：上电复位和上电或开关复位。第一种在连接电压之时，便会进行RST。其电路图，请参见下左图。图中C1、R1与电源共同组建了一个微分电路。在上电RST中，连接电压后，AT89C51要能够RST。该状态下，为持续高电位。因为AT89C51里面有等效阻抗，即使去掉R1，也可以