数字温湿度计测量电路设计.docx
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数字温湿度计测量电路设计.docx
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数字温湿度计测量电路设计
1绪论
本课题国内外进展现状
随着微型运算机和传感器技术的迅速进展,自动检测领域发生了庞大转变,仓库的温度和湿度自动监测操纵方面的研究有了明显的进展。
美国、日本的仓库监测设施近20年来进展专门快,他们结合本国条件做出了具有创新特色的成绩,其中仓库环境调控技术均有较高水平,但其监控设备价钱昂贵。
我国最近几年引进了多达16个国家和地域的仓库环境操纵系统,对吸收国外先进体会、推动仓库温度湿度自动检测产生了踊跃的作用,但多因能耗过大,造价高,品种未能配套,未能达到专门好的成效。
中国的仓库环境综合操纵系统必需走适合中国国情的进展道路,在引进、消化、吸收国内外先进技术和科学治理的基础上,进行总结提高、集成创新、超前示范,既开发适宜我国经济进展水平,又能知足不同气候条件,接近或达到世界先进水平的智能化仓库监测系统。
在专用品种、综合配套技术、贮运营销上,应该研制具有中国知识产权的产品和技术。
随着现代科技的进展,电子运算机已用于操纵仓库环境。
操纵系统由中央操纵装置、终端操纵设备、传感器等组成。
先编制出仓库寄存粮食最优环境条件的治理程序表,存储于电子运算机的经历装置中,电子运算机依照程序表确认、修正各仓库的参数,并给终端操纵系统指令。
终端操纵设备向中央操纵装置输送检测信息,依照中央操纵装置的指令输出操纵信号,使电器机械设备执行动作,实现粮食仓库的环境调剂。
该种系统能够达到自动操纵降温、除湿、通风。
依照需要,通过键盘将信息输入中央治理室,依照情形可随时调剂仓库温度。
选题背景及意义
温度和湿度的测量和操纵是许多行业的重要工作目标之一,不论是粮食仓库、中药材仓库,仍是图书保留,都需要有规定的温度和湿度,但是温度和湿度却是最不易保障的指标,针对这一情形,研制靠得住且有效的温度和湿度检测与操纵系统就显得超级重要。
随着工业的进展,需要对温湿度操纵的场合愈来愈多。
对粮仓而言,温湿度的高低对粮食的质量阻碍专门大,温湿度太高会使粮食变质,湿度过大会使霉菌和害虫滋长。
由于温湿度的检测操纵不妥,可能使咱们致使无法估量的经济损失。
为保证日常工作的顺利进行,首要问题是增强粮仓内温度与湿度的监测工作,但传统的方式是用湿度表、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。
这种人工测试方式费时费力、效率低,且测试的温度及湿度误差大,随机性大。
因此咱们需要一种造价低廉、利用方便且测量准确的温湿度测量仪。
本次设计的要紧内容及参数要求
1.3.1大体功能
要紧实现检测温度、湿度的检测,将温度湿度信号通过传感器进行信号的搜集并转换成电信号,再运用单片机进行数据的分析和处置。
为显示和报警电路提供信号。
1.3.2要紧技术参数
温度检测范围:
-30℃-+100℃
测量精度:
0.5℃
湿度检测范围:
1%-100%RH
检测精度:
1%RH
2系统方案的设计和比较
本设计是基于单片机对数字信号的高灵敏和可控性、温湿度传感器能够产生模拟信号,和A/D模拟数字转换芯片的性能,以单片机为核心的一套检测系统,其中包括A/D转换、单片机、温度检测、湿度检测、显示、系统软件等部份的设计。
图2-1系统整体框图
本设计由信号搜集、信号分析和信号处置三个部份组成的。
信号搜集由温度传感器、湿度传感器及多路开关组成;
信号分析由A/D转换器、单片机大体系统组成;
信号处置由串行口LED显示器和报警系统等组成。
系统整体方案的选择
方案1:
基于MCS-51系列单片机嵌入式系统的温湿度检测操纵系统
该系统由温度传感器、湿度传感器、8031嵌入式系统、加热设备、加湿设备几部份组成。
结构原理框图如图2-2所示。
通过温度传感器和湿度传感器测量温室内的温湿度通过AD转换送入8031进行处置,测量结果通过显示电路进行显示。
图2-2系统结构原理图
方案2:
基于MSP430F1232单片机的温湿度检测系统设计
本方案采纳别离设计温度和湿度采样电路如图2-3所示,将集成温度传感器搜集取得的电流信号和湿度传感器搜集到的电压信号转换为给定范围内的电压信号。
然后由MSP430F1232单片机的AD采样端口将该电压信号读入,若是温度小于门限值或湿度大于门限值就给出报警信号,门限值能够通过按键进行设定。
图2-3系统整体结构图
方案1MCS-51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品,与MCS-48单片机相较,它的结构更先进,功能更强,在原先的基础上增加了更多的电路单元和指令,MCS-51具有比较大的寻址空间,地址线宽达16条,同时具有对I/O口的访问能力。
由于MCS-51集成了几乎完善的8位中央处置单元,处置功能强,中央处置单元中集成了方便灵活的专用寄放器,这给应用提供了极大的便利。
而且MCS-51的开发环境要求较低,软件资源十分丰硕,介绍其功能特性书籍和开发软件到处可取,在众多的单片机品种中,C51的环境资源是最丰硕的。
作为MCS-51单片机一个型号的8031片内没有程序存储器,外部扩展一片或多片含用户程序的EPROM后,就相当于一片8751,因此利用方便灵活,加上价钱低廉,目前是应用最广的机型。
方案2温湿度检测电路比较繁琐实现起来比较困难,而且MSP430F1232系列单片机本钱比较高,实现比较困难。
综合比较方案1系统工作稳固,性能良好,大体符合设计要求。
传感器的选择方案
2.2.1温度传感器的选择
方案1:
采纳热电阻温度传感器。
热电阻传感器的电阻与温度之间具有优良的线性和稳固性。
这种传感器要紧用于要求高精度、经久耐用和长斯稳固性的工业环境中。
现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻,铂的物理、化学性能极稳固,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周密测温和温度标准。
缺点是价钱贵,温度系数小,受到磁场阻碍大,在还原介质中易被玷污变脆。
方案2:
采纳AD590温度传感器,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可以经受44V正向电压和20V反向电压,因此器件反接也可不能损坏,利用靠得住。
它只需直流电源就能够工作,而且,无需进行线性校正,因此利用也超级方便,接口也很简单。
作为电流输出型传感器的一个特点是,和电压输出型相较,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1与方案2,方案2更为适合于本设计系统关于温度传感器的选择。
2.2.2湿度传感器的选择
方案1:
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1MΩ。
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,要紧用于判定规定值以上或以下的湿度电平。
但是,这种传感器只限于必然范围内利历时具有良好的线性,可有效地利用其线性特性。
方案2:
采用HM1500湿度传感器。
线性电压输出式集成湿度传感器HM1500采纳取得专利的湿敏电容HS1101设计制造,其湿度测量范围为5%~99%(相对湿度);相对湿度精度为3%;工作温度为-30~+60℃;工作湿度范围为0~100%(相对湿度);供电电压为5V(最大电压DC16V);可输出DC电压为1~4V;响应时刻为5s,适用于工业级场合。
方案3:
采用HS1100/HS1101湿度传感器。
HS1100/HS1101电容传感器,在电路组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。
具有完全互换性,高靠得住性和长期稳固性,响应时刻快速,专门设计的固态聚合物结构,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进程等。
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;响应时刻小于5S;温度系数为pF/℃,可见精度是较高的。
综合比较方案一,方案二和方案三,方案一尽管知足精度及测量湿度范围的要求,但其只限于必然范围内利历时具有良好的线性,其工作电压为交流1V以下,实现叫困难,而且还不能在系统要求的温度条件下工作,方案二测量精度不符合设计系统要求。
因此,咱们选择方案三来作为本设计的湿度传感器。
信号搜集通道的选择
在本设计系统中,温度输入信号为多路的模拟信号,这就需要多通道结构。
方案1、采纳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)能够依照各输入量测量的要求选择不同性能档次的器件。
(2)硬件复杂,故障率高。
(3)软件简单,各通道能够独立编程。
方案2、采纳多路分时的模拟量输入通道
这种结构的模拟量通道特点为:
(1)对信号维持和A/D转换器要求较高。
(2)处置速度慢。
(3)硬件简单,本钱低。
(4)软件比较复杂。
综合比较方案一与方案二,方案二更为适合于本设计系统关于模拟量输入的要求,比较其框图,方案二更具有硬件简单的突出优势,因此选择方案二作为信号的输入通道。
图2-4多路并行模拟量输入通道
图2-5多路分时的模拟量输入通道
3系统硬件设计
信号搜集电路的设计
3.1.1温度信号搜集
3.1.1.1温度传感器要紧特性
AD590温度传感器是电流型温度传感器,通过对温度的测量可取得所需要的电流值。
依照特性分挡,AD590的后缀以I,J,K,L,M表示。
AD590L,AD590M一样用于周密温度测量电路,它采纳金属壳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,一样不用。
一、流过器件的电流(
)等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数,即:
式中:
——流过器件(AD590)的电流,单位
。
T——热力学温度,单位K。
二、AD590的测温范围-55℃~+150℃。
3、AD590的电源电压范围为4V-30V。
电源电压可在4V-6V范围转变,电流
转变1
,相当于温度转变1K。
AD590能够经受44V正向电压和20V反向电压,因此器件反接也可不能损坏。
4、输出电阻为710MΩ。
五、精度高。
AD590共有I、J、K、L、M五档,其中M档精度最高,在-55℃~+150℃范围内,非线形误差±0.3℃。
3.1.1.2温度测量电路
图3-1是AD590用于测量热力学温度的大体电路。
在被测温度一按时,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40kΩ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,现在电阻两头将会有1mV/K的电压信号。
因为流过传感器的电流与热力学温度成正比,当电阻
和电位器
的电阻之和为40kΩ时,输出电压
随温度的转变为1mV/K。
但由于AD590的增益有误差,电阻也有误差,因此应付电路进行调整,调整的方式为:
把AD590放于冰水混合物中,调整电位器
,使
=+25=(mV)。
但如此调整只保证在0℃或25℃周围有较高的精度。
图3-1 AD590应用电路
如图3-1所示,电位器
用于调整零点,
用于调整运放LF355的增益。
调整方式如下:
在0℃时调整
,使输出
=0,然后在100℃时调整
使
=100mV。
如此反复调整多次,直至0℃时,
=0mV,100℃时
=100mV为止。
最后在室温下进行校验。
例如,假设室温为25℃,那么
应为25mV。
冰水混合物是0℃环境,滚水为100℃环境。
3.1.1.3温度多路检测信号的实现
本设计系统为八路的温度信号搜集,而MC14433仅为一路输入,故采纳CD4051组成多路分时的模拟量信号搜集电路,其硬件接口如图3-2所示
图3-2八路分时的模拟量信号搜集电路硬件接口
3.1.2湿度信号的搜集
3.1.2.1湿度传感器的要紧特性
HS1100/HS1101电容传感器具有完全互换性,高靠得住性和长期稳固性,响应时刻快速的特点,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进程等。
其测量的范围相对湿度在1%--100%RH内,电容量由16pF变到200pF,其误差不大于±2%RH,响应时刻小于5S;温度系数为pF/℃。
可见精度是较高的。
3.1.2.2湿度测量电路
HS1100/HS1101电容传感器在电路组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。
将电容的转变量准确地转变成运算机易于同意的信号,常有两种方式:
一是将该湿敏电容置于桥式振荡电路中,所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再A/D转换为数字信号;另一种是将该湿敏电容置于555振荡电路中,将电容值的转变转为与之成反比的电压频率信号,可直接被运算机所搜集。
频率输出的555测量振荡电路如图3-3所示。
集成按时器555芯片外接电阻
、
与湿敏电容C,组成了对湿敏电容C的充电回路。
7端通过芯片内部的晶体管对地短路又组成了对湿敏电容C的放电回路,并将引脚2、6端相连引入到片内比较器,便成为一个典型的多谐振荡器,即方波发生器。
另外,
是避免输出短路的爱惜电阻,
用于平稳温度系数。
图3-3频率输出的555振荡电路
该振荡电路两个暂稳态的交替进程如下:
第一电源Vcc通过
、
向湿敏电容C充电,经充电时刻后,Uc达到芯片内比较器的高触发电平,现在输出引脚3端由高电平突降为低电平,然后通过
放电,经放电时刻后,Uc下降到比较器的低触发电平,现在输出引脚3端又由低电平突降为高电平,如此翻来覆去,形成方波输出。
其中,充放电时刻为
=C(
+
)ln2
=C
ln2
因此,输出的方波频率为
f=1/(
+
)=1/[C(
+2
)ln2]
可见,空气湿度通过555测量电路就转变成与之呈反比的频率信号,表3-1给出了其中的一组典型测试值。
3.1.2.3湿度多路检测信号的实现
本设计系统为八路的湿度信号搜集,故采纳CD4051组成多路分时的模拟量信号搜集电路,其硬件接口如图3-4所示
图3-4八路分时的模拟量信号搜集电路硬件接口
3.1.3多路开关CD4051
多路开关,又称“多路模拟转换器”。
多路开关通常有n个模拟量输入通道和一个公共的模拟输出端,并通过地址线上不同的地址信号把n个通道中任一通道输入的模拟信号输出,实现有n线到一线的接通功能。
反之,当模拟信号有公共输出端输入时,作为信号分离器,实现了1线到n线的分离功能。
因此,多路开关一般是一种具有双向能力的器件。
在本设计中,由于采纳了温湿度双量操纵,因此在信号搜集中将有两个模拟量被提取,这时选用多路开关确实是很必要的。
设计中选用的是CD4051多路开关,它是一种单片、CMOS、8通道开关。
该芯片由DTL/TTL-CMOS电平转换器,带有禁止端的8选1译码器输入,别离加上操纵的8个COMS模拟开关组成。
CD4051的内部原理框图如图3-5所示。
图3-5CD4051的内部原理框图
图中功能如下:
通道线IN/OUT(4、二、五、一、1二、1五、14、13):
该组引脚作为输入时,可实现8选1功能,作为输出时,可实现1分8功能。
XCOM(3):
该引脚作为输出时,那么为公共输出端;作为输入时,那么为输入端。
A、B、C(1一、10、9):
地址引脚INH(6):
禁止输入引脚。
假设INH为高电平,那么为禁止各通道和输出端OUT/IN接至;假设INH为低电平,那么许诺各通道按表3-2关系和输出段OUT/IN接通。
VDD(16)和VSS(8):
VDD为正电源输入端,极限值为17V;VSS为负电源输入端,极限值为-17V。
VGG(7);电平转换器电源,通常接+5V或-5V。
CD4051作为8选1功能时,假设A、B、C均为逻辑“0”(INH=0),那么地址码00013经译码后使输出端OUT/IN和通道0接通。
其它情形下,输出端OUT/IN输出端OUT/IN和各通道的接通关系如下
表3-2
输入状态
接通通道
输入状态
接通
通道
INH
C
B
A
INH
C
B
A
0
0
0
0
0
0
1
0
1
5
0
0
0
1
1
0
1
1
0
6
0
0
1
0
2
0
1
1
1
7
0
0
1
1
3
1
X
X
X
均不显示
0
1
0
0
4
信号分析与处置电路的设计
3.2.1A/D转换
3.2.1.1A/D转换器的特点
为了把温度、湿度检测电路测出的模拟信号转换成数字量送CPU处置,本系统选用了双积分A/D转换器MC14433,它精度高,分辨率达1/1999。
由于MC14433只有一路输入,而本系统检测的多路温度与湿度信号输入,应选用多路选择电子开关,可输入多路模拟量。
由于双积分方式二次积分时刻比较长,因此A/D转换速度慢,但精度能够做得比较高;对周期信号转变的干扰信号积分为零,抗干扰性能也比较好。
目前,国内外双积分A/D转换器集成电路芯片很多,大部份是用于数字测量仪器上。
经常使用的有位双积分A/D装换器MC14433和位双积分A/D转换器ICL7135。
3.2.1.2MC14433A/D转换器件简介
MC14433是三位半双积分型的A/D转换器,具有精度高,抗干扰性能好的优势,其缺点是转换速度低,约1—10次/秒。
在不要求高速转换的场合,例如,在低速数据搜集系统中,被普遍采纳。
MC14433A/D转换器与国内产品5G14433完全相同,能够互换。
MC14433A/D转换器的被转换电压量程为或。
转换完的数据以BCD码的形式分四次送出(最高位输出内容特殊,详见表3-3)。
图3-6MC14433引脚图
MC14433引脚(图3-6)功能说明
各引脚的功能如下:
电源及共地端
VAG:
模拟地端。
VSS:
数字地端。
VR:
基准电压。
外界电阻及电容端
RIN:
积分电阻输入端,VX=2V时,R1=470KΩ;VX=200Mv时,R1=27KΩ。
CIN:
积分电容输入端。
C一样为µF。
CO1、CO2:
外界补偿电容端,电容取值约µF。
R1/C1N:
R1与C1的公共端。
CLKI、CLKO:
外界振荡器时钟调剂电阻Rc,Rc一样取470KΩ左右。
转换启动/终止信号端
EOC:
转换终止信号输出端,正脉冲有效。
DU:
启动新的转换,假设DU与EOC相连,每当A/D转换终止后,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。
位选通操纵线
DS4----DS1:
选择个、十、百、千位,正脉冲有效。
DS1对应千位,DS4对应个位。
每一个选通脉冲宽度为18个时钟周期,两个相应脉冲之间距离为2个时钟周期。
BCD码输出线
Q0---Q3:
BCD码输出线。
其中Q0为最低位,Q3为最高位。
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仍是过量程其含义见表3-3
由表可知Q3表示1/2位,Q3=“0”对应1,反之对应0。
Q2表示极性,Q2=“1”为正极性,反之为负极性。
Q0=“1”表示超量程:
当Q3=“0”时,表示过量程;当Q3=“1”时,表示欠量程;
3.2.1.3MC14433与8031单片机的接口设计
由于MC14433的A/D转换结果是动态分时输出的BCD码,Q0~Q3HEDS1~DS4都不是总线式的。
因此,MCS-51单片机只能通过并行I/O接口或扩展I/O接口与其相连。
关于8031单片机的应用系统来讲,MC14433能够直接和其P1口或扩展I/O口8155/8255相连。
下面是MC14433与8031单片机P1口直接相连的硬件接口,接口电路如图3-7所示
图3-7MC14433与8031单片机P1口直接相连的硬件接口
3.2.2单片机8031
为了设计此系统,本设计采纳了8031单片机作为操纵芯片,在前向通道中是一个非电信号的电量搜集进程。
它由传感器搜集非电信号,从传感器出来通过功率放大进程,使信号放大,再通过模/数转换成为运算性能识别的数字信号,再送入运算机系统的相应端口。
由于8031中无片内ROM,且数据存储器也不能知足要求,经扩展2762和6264来达到存储器的要求。
3.2.2.18031的片内结构
8031是有8个部件组成,即CPU,时钟电路,数据存储器,并行口(P0~P3)串行口,按时计数器和中断系统,它们均由单一总线连接并被集成在一块半导体芯片上,即组成了单片微型运算机,
图3-88031大体组成
CPU中央处置器:
中央处置器是8031的核心,它的功能是产生操纵信号,把数据从存储器或输入口送到CPU或CPU数据写入存储器或送到输出端口。
还能够对数据进行逻辑和算术的运算。
时钟电路:
8031内部有一个频率最大为12MHZ的时钟电路,它为单片机产生时钟序列,需要外接石英晶体做振荡器和微调电容。
内存:
内部存储器可分做程序存储器和数据存储器,但在8031中无片内程序存储器。
按时/计数器:
8031有两个16位的按时/计数器,每一个按时器/计数器都能够设置成按时的方式和计数的方式,但只能用其中的一个功能,以按时或计数结果对运算机进行操纵。
并行I/O口:
MCS-51有四个8位的并行I/O口,P0,P1,P2,P3,以实现数据的并行输出。
串行口:
它有一个全双工的串行口,它能够实现运算机间或单片机同其它外设之间的通信,该并行口功能较强,能够做为全双工异步通信的收发器也能够作为同步移位器用。
中断操纵系统:
8031有五个中断源,既外部中断两个,按时计数中断两个,串行中断一个,全数的中断分为高和低的两个输出级。
3.2.2.28031的引脚介绍
3-98031引脚图
8031采纳40管脚双列直插DIP封装,引脚说明如下:
X1(19引脚),它是一个反向放大器的输入端,该放大器组成了片内的震荡器,能够提供单片机的时钟信号,该引脚也是能够接外部的晶振的一个引脚,如采纳外部振荡器时,关于8031而言此引脚应该接地。
X2(18引脚),接至上述振荡器的反向输入端,当采纳外部振荡器时,对MCS51系列该引脚接收外部震荡信号,即把该信号直接接到内部时钟的输入端。
RESET(9引脚)在振荡器运行时,在此引脚加上两个机械周期的电平将单片机复位,复位后应使此引脚电平维持不高于的低电平以保证8031正常工作。
在掉电时,此引脚接备用电源VDD,以维持RAM数据不丢失,当VCC低于规定的值时,而VPD在其规定的电压范围内时,VPD就向内部数据存储器提供备用电源。
ALE/PROG(30引脚)当8031访问外部存储器时,包括数据存储器和程序存储器,ALE9地址锁存许诺0输入的脉冲的下沿用于锁存16位地址的低8位,在不访问外部存储器的时候,ALE仍有两个周期的正脉冲输出,其频率为振荡器的频率的1/6,在访问外存储器的是候,在两个周期中,ALE只显现一次,ALE断可驱动8个LSTTL负载,关于有片内EPROM的而言,在EPROM编程期间,此脚用于输入编程脉冲PROG。
(29引脚)此脚输出为单片机内访问外部程序存储器的读选通信号,在读取外部指令期间,PSEN非有两次在每一个周期有效,在此期间,每当访问外部存储器时,两个有效的PSEN非将再也不显现,一样那个引脚可驱
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- 关 键 词:
- 数字 温湿度 测量 电路设计