基于at89s52單片機的溫濕度控制(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 數字電路或單片機、價格低等優點。 頻率 /溫度輸出式集成濕度傳感器 。 典型產品為 HTF3223 型。它除具有 HF3223 的功能以外，還增加了溫度信號輸出端，利用負溫度系數（ NTC）熱敏電阻作為溫度傳感器。當環境溫度變化時，其電阻值也相應改變并且從 NTC 端引出，配上二次儀表即可測量出溫度值。 系統簡介 系統功能簡介 本系統實現的功能如下： 對環境 溫 、 濕度數據的 采集、 處理 、 存儲 、 顯示以及 通過控制器 串行 口 上傳至上位 PC 機 ，并且可以在上位 PC 機 VB 控制 平臺上顯示實時采集到的溫、濕度值 ，繪制 出 溫、濕度波形 。 系統下位機可以和上位機聯合工 作，又可以單獨工作，即通過矩陣鍵盤可以對系統溫、濕度報警值進行設置并存儲，利用 LCM1602 對系統采集到的溫濕值進行顯示 等功能。 系統設計簡介 7 圖 1 系統結構圖 系統采用 ATMEL 公司生產的 AT89S52 單片機作為控制器。其顯示界面采用 LCM1602 顯示溫濕度傳感器所檢測到的實時數值 ， 它是 2 行 16 列字符 型 液晶顯示模塊 。并且顯示屏在系統的設置模式下顯示按鍵輸入值，具有顯示輸入對錯提示的功能。數據采集部分分別用到 DALLAS 公司的 DS18B20 數字溫度傳感器 ，用到 Honeywell 公司的 HIH3610 濕度傳感器 配 合 ADC0809 作為 系統 濕度采集 部分 。 系統擴展了一個 片外 存儲器 EEPROM 用以保存系統 設置 的報警 值 ，故而具有掉電數據 不丟失 的功能。另外系統的控制器在 處理報警 時，采用 定時器 T0 中斷， 在中斷 程序 中查詢 當前有沒有報警申請、處于哪一類報警申請，從而產生不同 的 控制 信號 ， 驅動蜂鳴器發出不同的報警聲音。 與 PC 機的通信，采用的是串行異步通信 方式 ，從單片機 TXD 和 RXD 端的 TTL 電平到 PC 機的標準 RS232 電平的轉換， 系統 采用美信公司的 MAX232 芯片 。 本章小結 本章主要介紹到系統的設計背 景，溫濕度的檢測技術及發展前景，另外還簡要介紹了本系統的設計和功能。 8 2 方案選擇 控制模塊 方案一、采用 ATMEL 公司產品 AT89S52 單片機作為系統控制模塊 。 采用 ATMEL 公司生產的 AT89S52 系列的單片機作為主控制器。其特點是 支持 ISP 在線可編程寫入技術 。 串行寫入、 其頻率高達 33MHz,故其 速度更快、內部集成看門狗計時器，不再需要像 89C51 那樣外接看門狗計時器單元電路 ， 穩定性更好。 AT89S52 是 一款 高性能 、低功耗 8 位單片機 ，片內含 8k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復擦寫 1000次的 Flash 只讀程序存儲器 。 AT89S52 具有如下特點： 40 個引腳 、 8k Bytes Flash 片內程序存儲器 、 256 bytes 隨機存取數據存儲器（ RAM） 、 32個外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口 、5個中斷 源， 2 層 優先級中斷嵌套 、 2個 16 位可編程定時 /計數器 、 1 個全雙工串行通信口 、看門狗（ WDT）電路。 此外，空閑模式下， CPU 暫停工作，而 RAM 定時計數器，串行口，外中斷系統可繼續工作，掉電模式凍結振蕩器而保存 RAM 的數據，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復位。 同時該芯片還具有 PDIP、 TQFP 和 PLCC 等三種封裝形式，以適應不同產品的需求。 方案二、采用如新華龍公司 C8051 系列或 ATMEL 公司 ATmega 系列等高檔八位單片機作為本系統控制核心。這一類高檔單片機最顯著的特點就是功能全，如空間更大的 FLASH和 SRAM 存儲器、雙串口、更多的硬件定時器資源等。但是其價格往往比普通單片機貴。 根據系統設計要求和資源預算，并且考慮系統成本， 為了使本系統性價比達到更高，決定選用方案一，即 AT89S52 單片機作為本系統控制 核心 模塊。 2. 2 輸入模塊 方案一：采用獨立式 按鍵作為輸入模塊，其特點：直接用 I/O 口構成單個按鍵電路，接口電路配置靈活、軟件結構簡單，但是當 鍵數較多時，占用 I/O 口較多； 方案二：采用矩陣式鍵盤作為輸入電路，其特點：電路和軟件稍復雜，但相比之下，當鍵數越多時越節約 I/O 口。 本設計 使 用鍵盤輸入預置報警溫 、濕 度值，若采用獨立按鍵，對數值進行遞增遞減需頻繁按鍵，為軟件設計增加負擔，且操作界面不友好。若采用矩陣式按鍵，可以方便地輸 9 入一個溫度值，使操作界面更具人性化，節約了寶貴的 I/O 口資源。 通過對比， 方案二 為系統輸入模塊 最佳方案 。 2. 3 顯示模塊 方 案一、采用 LED 數碼管顯示。特點：成本較低，顯示內容局限 ，需要外圍驅動電路 ； 方案二、采用 LCD 顯示。特點：成本相對 LED 較高，顯示內容豐富 ，與單片機可以直接接口 。 考慮到本設計要顯示的內容 較多 ， 且要達到同樣的顯示效果，采用數碼管顯示方法很可能要比 LCM1602 顯示成本更高，且目前市場上的 LCM1602 模塊已經十分普及， LCM1602是兩行十六列字符型液晶顯示屏。顯示亮度高，可顯示的內容豐富，故 采用 LCM1602 作為輸出顯示將是最佳的 解決 方案。 2. 4 數據采集 模塊 溫度 采集 模塊 方案一： 用模擬溫度傳 感 器，比如普通的熱敏電阻。熱敏電阻的溫度特性曲線是一條指數曲線，非線性度較大，因此在使用時要進行線性化處理，線性化處理雖然能改善熱敏電阻的特性曲線，但比較復雜。為此常在要求不高的一般應用中，作出在一定的溫度范圍內溫度與阻值成線性關系的假定，才能簡化計算。另外， 溫度與輸出電壓量是非線性的，讀出的是模擬量， 需要 A/D 轉換器 進行轉換才能送給數碼管顯示 ， 從而 增加了軟硬件的負擔。 方案二：采用數字溫度傳感器 DS18B20 作為溫度傳感器模塊，它具有獨特的單總線接口方式，需一根總線就能實現控制模塊與 DS18B20 之間的半雙工通信。 DS18B20 是集傳感元件和轉換電路于一體的小芯片上。 另外， DS18B20 也支持 “ 一線總線 ” 接口，測量溫度范圍為 55℃ ～ +125℃ ，在 10～ +85℃ 范圍內， 誤差 為177。 ℃ 。現場溫度直接以 “一線總線” 的數字方式傳輸，大大提高了系統的抗干擾性。適合于惡劣環境的現場溫度測量，如：環境控制、設備或過程控制、測溫類消費電子產品等。與前一代產品不同，新的產品支持 3V～ 的電壓范圍，使系統設計更靈活、方便，體積更小。 綜上分析， DS18B20 大大節約了 I/O 口資源，且 軟件 實現方便 ，它有 精確的轉換電路 10 直接送出直觀的數據，并且 DS18B20 擁有較高的溫度分辨率 度（采用默認的 12 位精度 時），在價格方面，單個 DS18B20 市場價 7 元，與 模擬溫度傳感器 加 A/D 轉換器的組合價格相差不大。用它作為本設計傳感器模塊最恰 當不過， 故 選擇方案二。 濕度 采集 模塊 方案一、采用普通的濕敏元件作為濕度采集模塊主要部分。普通的 濕敏元件是最簡單的濕度傳感器。濕敏元件主要電阻式、電容式兩大類。 但其抗腐蝕能力都不是很理想，且濕度的檢定法較為復雜 ，線性都不好。 方案二、采用 集成濕度傳感器 作為濕度采集模 塊主要部分。 線性電壓輸出式集成濕度傳感器 HIH3610， 采用恒壓供電，內置放大電路，能輸出與相對濕度呈比例關系的伏特級電壓信號，響應速度快，重復性好，抗污染能力強。 根據設計要求中的技術指標，采用方案二完全可以實現系統設計 ， 且 HIH3610 內部集成了信號處理電路， 故省去復雜的信號處理步驟，所以 選擇 Honeywell 公司生產的HIH3610 實現本設計相對濕度值的采集。 本章小結 本 章 主要闡述了系統的幾大模塊的方案比較， 充分考慮設計的成本，和在確保系統的精度的前提之下 ，來選擇一些硬件資源， 進而做 出了最合適系統的設計方案選擇。 本設計 還有部分模塊 ， 見論文的硬件 設計 。 11 3 數字信號處理 數字信號處理 簡介 數字信號處理是將 信號 以數字方式表示并處理的理論和技術。數字信號處理與 模擬信號 處理是信號處理的子集。 本系統在數據采集的終 端均加入了數字信號處理。 數字信號處理的目的是對真實世界的連續模擬信號進行測量或 濾波 。因此在進行數字信號處理之前需要將信號從模擬域轉換到數字域，這通常通過 模數轉換器 實現 。 數字信號處理的算法需要利用計算機或專用處理設備如數字信號處理器（ DSP） 和 專用集成電路（ ASIC）等。數字信號處理技術及設備具有靈活、精確、抗干擾強、設備尺寸小、造價低、速度快等突出優點，這些都是模擬信號處理技術與設備所無法比擬的。 數字濾波 技術簡介 數據濾波技術的實現意義 數字濾波 在數據采集過程中非常重要 ，它 主要適用于隨機干擾信號的 過濾 處理，對于系統誤差無能為力，對于硬件設計來說，由于集成度越來越高，所以數字濾波的價值越 來越大，每減少一個硬件器件就可以節省可觀的成本，如果又運用了合理的算法的話 。不僅節約了硬件資源，更加完善了設計系統的穩定性。 這也是設計本系統的一項原則。 數字 濾波 與模擬濾波的區別 所謂數字濾波，就是通過一定的計算或判斷程序減少干擾在有用信號中的比重，故實質上是一種程序濾波。與此對應的就是模擬濾波，由于模擬濾波牽扯到的其他知識太多 ，在此不詳細介紹了 ， 模擬濾波主要無源 濾 波（直接用電阻、電容、電感等不外接電源的元件組成的）與有源濾波（如運算放大器等需要外接電源組成的），其目的是將信號中的噪音和干擾濾 去或者將希望得到的頻率信號濾出為我所用。數字濾波的出現克服了模擬濾波的很多不足， 它 具有以下優點： A．是用程序實現的，不需要增加硬設備，所以可靠性高，穩定性好。 B．可以對頻率很低的信號實現濾波，克服了模擬濾波的缺陷。 12 C．可以根據信號的不同，采用不同的濾波方法或參數，具有靈活、方便、功能強的特點 。 列舉三種 數字濾波 技術 及在本文中的使用 遞推平均濾波法 方法：把連續取 N個采樣值看成一個隊列，隊列的長度固定為 N，每次采樣到一個新數據放入隊尾 ， 并扔掉原來隊首的一次數據 .(先進先出原則 )， 把隊列中的 N 個數據進行算術平均運算 ， 就可獲得新的濾波結果。 優點：對周期性干擾有良好的抑制作用，平滑度高，適用于高頻振蕩的系統。 缺點：靈敏度低，對偶然出現的脈沖性干擾的抑制作用較差，不易消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差，不適用于脈沖干擾比較嚴重的場合，比較浪費 RAM。 限幅濾波法 方法：根據經驗判斷，確定兩次采樣允許的最大偏差值（設為 A），每次檢測到新值時判斷：如果本次值與上次值之差 小于等于 A,則本次值有效。如果本次值與上次值之差 大于 A， 則本次值無效 ， 放棄本次值 ， 用上次值代替本次值 。 優點 ：能有效克服因偶然因素引起的脈沖干擾。 缺點：無法抑制那種周期性的干擾 ， 平滑度差。 在系統的溫度采集 終端加入了 程序判斷濾波 。 根據干撓出現的現象分析， 加入 限幅濾波 能很好地將隨機出現的一 些 跳變干擾濾除。 限幅平均濾波法 方法：相當于 “ 限幅濾波法 ”+“ 遞推平均濾波法 ” 。 每次采樣到的新數據先進行限幅處理，再送入隊列進行遞推平均濾波處理。 優點：融合了兩種濾波法的優點，對于偶然出現的脈沖性干擾，可消除由于脈沖干擾所引起的采樣值偏差 。 缺點：比較浪費 RAM。 在本設計中，對于濕度數據的采集，采用 了 限幅 平均濾波法 ，它 溶 入了兩種濾波的 思 13 想 。 對系統濕度值采集所出現的跳變干撓，和因溫度跳變 等原因 引起的數據波動進行了相應的處理， 濾除了脈沖干擾 ，并且輸出信號平滑 。 本章小結 由于本系統要 將 溫度、濕度數據 被單片機 采集 ，再 用 單片機來 控制各模塊實現相應功能 。 為了 使單片機能夠采集更穩定、更 準 確的數據， 固然離不開 數字信號處理 ， 鑒于 本設計 曾出現的干擾及誤差 ，決定 數據采集模塊的終端加入了數字濾波。 在溫度數據采集之后加限幅濾波，有效地 濾除了系統 隨機 脈沖 干撓引起的數據采集出錯； 在濕度數據采集終端加入了限幅平均濾波，處理因采 集所出現的跳變干撓，和溫度跳變等原因引起的采集數據波動，使輸出更為平滑。 本章內容介紹到系統中所用到的三種數字濾波方法，并對其進行一一分析。 14 4 硬件設計 系統外圍器件介紹 74LS164 利用軟件實現模擬串行口，外接 74LS164 來擴展并行 IO 口，節約單片機資源 ，具體應用見 LCM1602液晶顯示及驅動 。 74LS164是一個串行輸入并行輸出的移位寄存器。并帶有清除端。 其中 各引腳功能如下 ： Q0～ Q7： 并行輸出端 A、 B： 串行輸入端 MR： 清除 端 CP： 時鐘輸入端。 VCC： +5V 電源 GND：地 圖 2 74LS164 引