1、 1 ARM 仓库温湿度的监测系统 第一章 绪论 . 2 1. 1 选题背景 . 2 1 2设计过程及工艺要求 . 3 第二章 方案的比较和论证 . 3 2. 1温度传感器的选择 . 3 2. 2 湿度传感器的选择 . 4 2. 3 信号采集通道的选择 . 5 第三章 系统总体设计 . 6 3 1 信号采集 . 6 3 1 1 温度传感器 . 6 3. 1. 2 湿度传感器 . 11 3 1 3 多路开关 . 13 3 2 信号分析与处理 . 15 3 2 1 A/D 转换 . 15 3. 2. 2单片机 8031 . 18 3. 2. 2. 1 8031 的片内结构 . 19 3. 2. 2
2、. 2 8031 的引脚图 . 20 2 3. 2. 2. 3 8031 程序存储器 . 23 3. 2. 2. 4 8031 数据存储器 . 24 3. 2. 2. 5 特殊功能寄存器 SFR . 25 3. 2. 2. 6 工作方式 . 26 3. 2. 3存储器的设计 . 27 3. 2. 4 数据存储器的掉电保护 . 29 3. 2. 5系统时钟的设计 . 30 3. 3 显示与报警的设 计 . 31 3. 3. 1 显示电路 . 31 3. 3. 2 报警电路 . 31 第四章 软件设计 . 32 参考文献 . 40 第一章 绪论 1. 1 选题背景 防潮、防霉、防腐、防爆是仓库日常
3、工作的重要内容，是衡量仓库管理质量的重要指标。它直接影响到储备物资的使用寿命和工作可靠性。为保证日常工作的顺利进行，首要问题是加强仓库内温度与湿度的监测工作。但传统的方法是用与湿度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进行 检测，对不符合温度和湿度要求的库房进行通风、去湿和降温等工作。这种人工测试方法费时费力、效率低，且测试的温度及湿度误差大，随机性大。 因此我们需要一种造价低廉、使用3 方便且测量准确的温湿度测量仪。 1 2 设计过程及工艺要求 第二章 方案的比较和论证 当将单片机用作测控系统时，系统总要有被测信号懂得输入通道，由计算机拾取必要的输入信息。对于测量系统而
4、言，如何准确获得被测信号是其核心任务；而对测控系统来讲，对被控对象状态的测试和对控制条件的监察也是不可缺少的环节。 传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键 部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。 2. 1 温度传感器的选择 方案一： 采用热电阻温度传感器。热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻。 其主要的特点为精度高、测量范围大、便
5、于远距离测量。 铂的物理、化学性能极稳定，耐氧化能力强，易提纯，复制性好，工业性好，电阻率较高，因此，铂电阻用于工业检测中高精密测温和温度标准。 缺点是价格贵，温度系数小，受到磁场影响大，在还原介质中易被玷污变脆。 按 IEC 标准测温范围 -200650，百度电阻比 W（ 100） =1.3850 时， R0 为 100和 10， 其允许的测量误差 A级为（ 0.15 +0.002 |t|）， B级为（ 0.3 +0.005 |t|）。 铜电阻的温度系数比铂电阻大，价格低，也易于提纯和加工；但其电阻率小，在4 腐蚀性介质中使用稳定性差。在工业中用于 -50 180测温。 方案二：采用 AD5
6、90，它的测温范围在 -55 +150之间，而且精度高 。 M档在测温范围内非线形误差为 0.3。 AD590 可以承受 44V 正向电压和 20V 反向电压，因而器件反接也不会损坏。使用可靠。它只需直流电源就能工作，而且，无需进行线性校正，所以使用也非常方便，借口也很简单。作为电流输出型传感器的一个特点是，和电压输出型相比，它有很强的抗外界干扰能力。 AD590 的测量信号可远传百余米。 综合比较 方案一与方案二 ， 方案二 更为适合于本设计系统对于温度传感器的选择 。 2. 2 湿度传感器的选择 测量空气湿度的方式很多，其 原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变
7、化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。电容式 、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数 、 电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。 方案一：采用 HOS-201 湿敏传感器。 HOS-201 湿敏传感器为高湿度开关传感器，它的工作电压为交流 1V 以下，频率为 50HZ 1KHZ，测量湿度范围为 0 100%RH，工作温度范围为 0 50，阻抗在 75%RH（ 25）时为 1M 。这种传感器原是用于开关的传感器，不能在宽频带范围内检测 湿度，因此，主要用于判断规定值以上或以下的湿度电平。然而，这种传感器只限于一定范围内使用时具有良好的线性，可有效地利用其线性特
8、性。 方案二： 采用 HS1100/HS1101 湿度传感器 。 HS1100/HS1101 电容传感器，在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物结构，5 由顶端接触（ HS1100）和侧面接触（ HS1101）两种封装产品，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动 装配过程等。 相对湿度在 1%-100%RH 范围内；电容量由 16pF 变到 200pF，其误差不大于 2%RH；响应时间小于 5S；温度系数为 0.04 pF/ 。可见精度是较高的。 综合
9、比较方案一与方案二，方案一虽然满足精度及测量湿度范围的要求，但其 只限于一定范围内使用时具有良好的线性，可有效地利用其线性特性。而且还不具备在本设计系统中对温度 -30 50的要求，因此，我们选择 方案二来作为本设计的湿度传感器。 2. 3 信号采集通道的选择 在本设计系统中， 温度 输入信号为 8 路的模拟信号，这就需要多通道结构。 方 案一、采用多路并行模拟量输入通道。 这种结构的模拟量通道特点为： （ 1） 可以根据各输入量测量的 要求选择不同性能档次的器件。总体成本可以作得较低。 （ 2） 硬件复杂，故障率高。 （ 3） 软件简单，各通道可以独立编程。 方案二、采用多路分时的模拟量输入
10、通道。 这种结构的模拟量通道特点为： （ 1） 对 ADC、 S/H 要求高。 （ 2） 处理速度慢。 （ 3） 硬件简单，成本低。 （ 4） 软件比较复杂。 6 综合比较方案一与方案二，方案二更为适合于本设计系统对于模拟量输入的要求，比较 其框 图，方案二更具备硬件简单的突出优点，所以选择方案二作为信号的输入通道。 信 号 调理 电 路信 号 调理 电 路信 号 调理 电 路采 样 /保 持 器采 样 /保 持 器采 样 /保 持 器A / D 转 换 器A / D 转 换 器A / D 转 换 器接 口接 口接 口C P U图 2-1 多路并行模拟量输入通道 信 号 调理 电 路信 号 调
11、理 电 路信 号 调理 电 路采 样 /保 持 器A / D 转 换 器接 口C P U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 本设计是基于单片机对数字信号的高敏感和可控性、温湿度传感器可以产生模拟信号，和 A/D 模拟数字转换芯片的性能，我设计了以 8031 基本系统为核心的一套检测系统，其中包括 A/D 转换、单片机、复位电路、温度检测、湿度检测、键盘及显示、报警电路、系统软件等部分的设计。 A D 5 9 0温 度 检 测C D4 0 5 1多 路开 关H S 1 1 0 0湿 度 检 测M C 1 4 4 3 3A / D 转 换单 片 机串 行 口L E
12、 D 显 示报 警 电 路C D4 0 5 1多 路开 关图 3-1 系统总体框图 本设计由信号采集、信号分析和信号 处理 三个部分组成的。 （一） 信号采集 由 AD590、 HS1100 及多路开关 CD4051 组成； （二） 信号分析 由 A/D 转换器 MC14433、单片机 8031 基本系统组成； （三） 信号处理 由串行口 LED 显示器和报警系统等组成。 3 1 信号采集 3 1 1 温度传感器 集成温度传感器 AD590 是美国模拟器件公司生产的集成两端感温电流源。 7 一 主要特性 AD590 是电流型温度传感器，通过 对电流的测量可得到所需要的温度值。根据特性分挡， A
13、D590 的后缀以 I， J， K， L， M 表示。 AD590L， AD590M 一般用于精密温度测量电路，其电路外形如图 3-2 所示，它采用金属壳 3 脚封装，其中 1 脚为电源正端 V； 2 脚为电流输出端 I0； 3 脚为管壳，一般不用。集成温度传感器的电路符号如图 3-2 所示。 图 3-2 AD590 外形（图 1）及电路符号（图 2） 1、流过器件的电流（ A）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即： I T/T=1 A /K 式中： IT 流过器件（ AD590）的电流，单位 A。 T 热力学温度，单位 K。 2、 AD590 的测温范围 -55 - +150。 3
14、、 AD590 的电源电压范围为 4V-30V。电源电压可在 4V-6V范围变化，电流 IT变化 1 A，相当于温度变化 1K。 AD590 可以承受 44V 正向电压和 20V 反向电压，因而器件反接也不会损坏。 4、输出电阻为 710M。 5、 精度高。 AD590 共有 I、 J、 K、 L、 M五档，其中 M 档精度最高，在 -55 +1508 范围内，非线形误差 0.3。 2 AD590 的工作原理 在被测温度一定时， AD590 相当于一个恒流源，把它和 5 30V 的直流电源相连，并在输出端串接一个 1k 的恒值电阻，那么，此电阻上流过的电流将和被测温度成正比，此时电阻两端将会有
15、 1mV K 的电压信号。其基本电路如图 3-3所示。 图 3-3 AD590 内部核心电路 图 3-3是利用 U BE特性的集成 PN 结传感器的感温部分核心电路。其中 T1、 T2起恒流作用，可用于使左右两支路的集电极电流 I1 和 I2 相等； T3、 T4是感温用的晶体管，两个管的材质和工艺完全相同，但 T3 实质上是由 n 个晶体管并联而成，因而其结面积是 T4 的 n倍。 T3 和 T4 的发射结电压 UBE3和 UBE4经反极性串联后加在电阻R 上，所以 R 上端电压为 U BE。因此，电流 I1 为： I1 U BE R（ KT q）（ lnn） R 对于 AD590， n 8
16、，这样，电路的总电流将与热力学温度 T成正比，将此电流引至负载电阻 RL上便可得到与 T成正比的输出电压。由于利用了恒流特性，所以输出信号不受电源电压和导线电阻的影响。图 3中的电阻 R是在硅板上形成的薄膜电阻，该电阻已用激光修正了其电阻值，因而在基准温度下可得到 1A K 的 I 值。 图 3-4 AD590 内部电路 图 3-4所示是 AD590 的内部电路，图中的 T1 T4 相当于图 3-3中的 T1、 T2，而9 T9， T11 相当于图 3-3 中的 T3、 T4。 R5、 R6 是薄膜工艺制成的低温度系数电阻，供出厂前调整之用。 T7、 T8， T10 为对称的 Wilson 电
17、路，用来提高阻抗。 T5、 T12 和T10 为启动电路，其中 T5 为恒定偏置二极管。 T6 可用来防止电源反接时损坏电路，同时也可使左右两支路对称。 R1， R2 为发射极反馈电阻，可用于进一步提高阻抗。 T1 T4 是为热效 应而设计的连接 防式。而C1 和 R4 则可用来防止寄生振荡。该电路的设计使得 T9， T10， T11 三者的发射极电流相等，并同为整个电路总电流 I 的 1 3。 T9 和 T11 的发射结面积比为 8： 1， T10和 T11 的发射结面积相等。 T9和 T11 的发射结电压互相反极性串联后加在电阻 R5 和 R6 上，因此可以写出： UBE（ R6 2 R5
18、） I 3 R6 上只有 T9 的发射极电流，而 R5 上除了来自 T10 的发射极电流外，还有来自T11 的发射极电流， 所以 R5 上的压降是 R5 的 2 3。 根据上式不难看出，要想改变 U BE，可以在调整 R5 后再调整 R6，而增大 R5 的效果和减小 R6是一样的，其结果都会使 U BE减小，不过，改变 R5 对 U BE的影响更为显著，因为它前面的系数较大。实际上就是利用激光修正 R5 以进行粗调，修正 R6以实现细调，最终使其在 250 之下使总电流 I达到 1A K。 二 基本应用电路 图 3-8是 AD590 用于测量热力学温度的基本应用电路。因为流过 AD590 的电
19、流与热力学温度成正比，当电阻 R1和电位器 R2的电阻之和为 1k时，输出电压 V0随温 度的变化为 1mV/K。但由于 AD590 的增益有偏差，电阻也有偏差，因此应对电路进行调整，调整的方法为：把 AD590 放于冰水混合物中，调整电位器 R2，使 V0=273.2+25=298.2（ mV）。但这样调整只保证在 0或 25附近有较高的精度。 10 图 3-5 AD590 应用电路 三 摄氏温度测量电路 如图 3-5所示，电位器 R2用于调整零点， R4用于调整运放 LF355 的增益。调整方法如下：在 0时调整 R2，使输出 V0=0，然后在 100 时调整 R4使 V0=100mV。如此反复调整多次，直至 0时， V0=0mV， 100时 V0=100mV 为止。最后在室温下进行校验。例如，若室温为 25，那么 V0应为 25mV。冰水混合物是 0环境，沸水为 100环境。 四 .多路检测信号的实现 本设计系统为八路的温度信号采集，而 MC14433 仅为一路输入，故采用 CD4051组成多路分时的模拟量信号 采集电路 ，其硬件接口 如图 3-6所示 图 3-6 八 路分时的模拟量信号采集电路硬件接口
