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1、摘要21 世纪是信息化时代，电子产品如雨后春笋般迅猛发展，电子测量设备也逐渐丰富起来。 模拟产品逐渐被数字化产品取代， 并且使用变得越来越方便。 虽然现今市面上有很多环境测试仪， 但针对人们学习生活需要的环境测试仪却很少， 因此设计出一个简单实用的环境测试仪是很有意义的。本环境测试仪由温度采集电路，湿度采集电路，光强度采集电路，多路开关电路， A/D 转换电路， LCD 动态显示电路，时钟电路，复位电路及处理器单片机组成，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，设计了以 8051 基本系统为核心的一套检测系统，系统由信号采集、信
2、号分析和信号处理三个部分组成的。（1） 信号采集由 AD590、 HM1500、 GL5537 及多路开关CD4051 组成；（2） 信号分析由A/D转换器MC14433、ADC0804、单片机8051基本系统组成；（3） 信号处理由 LCD12864 显示等组成通过硬件的焊接、静态和动态调试和程序的编写和修改，作品最终很好地实现了实验任务和要求。关键词： 单片机 8051； AD 转换；采集； 12864 显示1. 课题的任务与要求1.1 任务 31.2 任务目标 31.3 课题要求 32. 系统概述2.1 方案的比较和论证 4.1 温度传感器的选择.41 .1.2 湿度传感器的选择52 .
3、 1. 3 光电传感器的选择6.4 信号采集通道的选择73. 系统的总体设计3. 温度采集电路设计 84. 湿度采集电路设计 103.1.3 光电采集电路设计 123. 多路开关电路设计 133.1.1 AD 转换 133.1.2 单片机 MCS-51 143.1.3 显示 184. 程序及设计195. 参考文献 24第一部分 课题的任务和要求设计出一个简单实用的环境测试仪。1、巩固所学的知识，学会通过各种途径查找资料；2、理论知识联系实际，解决实际问题；3、通过实物制作，掌握相关芯片的功能，锻炼动手能力及分析思考能力。本设计利用 MCS-51 系列单片机， 配合传感器， 设计出一款人性化环境
4、测试仪，可以检测周围环境的温度、湿度和光线强弱，通过LCD 以简单直观的方式显示出来。温度、湿度和光线强弱依次轮流显示（每5 秒左右刷新一次）或同时显示，测量的误差不超过1% 。第二部分 系统概述2.1 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
5、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. 1.1 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-200 650 C ,百度电阻比
6、 W (100) =1.3850时，R0为100Q和10Q,其允许的测量误差 A 级为 C +0.002 |t|) , B 级为 C +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，在腐蚀性介质中使用稳定性差。在工业中用于-50180c测温。方案二：采用AD590,它的测温范围在-55C+150C之间，而且精度高。M档在测温范围内非线形误差为。 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，
7、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. 1.2 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50H入1KHZ测量湿度范围为0100%
8、RH工 作温度范围为050C,阻抗在75%RH (25C)时为1MQ。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， 由顶端接触(HS1100和侧面接触(HS110D两种封装产品，适用于
9、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/ Co可见精度是较高的。综合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-3050c的要求，因此，我们选择方案二来作为本设计的湿度 传感器。2.1.3 温度传感器的选用、 . 1*方案一：采用光敏电阻、 二极管和 555 定时器构成多谐振荡电路， 利用多谐振荡电路
10、的两个暂稳态输出由此产生矩形波脉冲信号。而光敏电阻阻值会随着光照强度的变化而发生变化， 进而使得多谐振荡电路的周期变化， 其输出波形频率也随之改变。 将其输出模拟信号波形输入到一个简易数字式频率计通过两位数码管显示出来， 数字式频率 计主要由时基电路、闸门电路计数器、锁存器、译码显示电路和逻辑控制电路组成。本方案采用性能稳定且便宜的光敏电阻作为光照传感器， 通过光敏电阻值变化影响多谐振荡电路的周期而检测光强， 性能较稳定一些， 灵敏度也较高， 但是电路结构比较复杂，所用元器件种类较多，实现和调试工作会比较困难，造价也较高，虽然能满足稳定性和灵敏度的要求，但不宜采用。、. 1* 、方案二：采用三
11、路光敏电阻支路并联检测光照强度， 通过每一路可以得到一个模拟采样电压， 将这三路电压通过CD4051 单 8 通道数字控制模拟电子开关循环输入到模数转换器 ADC0804 将模拟信号转换为数字信号， 将数字信号通过通信模块输送给MCS-51单片机，通过比较后得出最大值，将最大值输出并利用 LCD 显示出来。对于光强的方位，则通过控制 LCD 的显示出来。至此，可以将光照的强度以及光照的方位通过LCD 显示出来，完成了本设计选题的任务及要求。本方案采用性能稳定且便宜的光敏电阻作为光照传感器， MCS-51 单片机作为主控制器。 性能稳定， 抗干扰能力强， 不易受外界环境温度等因素影响， 灵敏度也
12、较高，但是由于光照传感器采用光敏电阻且为三条支路并联采集模拟电压信号， 会存在一定的误差。总体上来说，本方案电路结构简单、所用元器件供给充足、成本造价低、性能稳定且误差范围也在设计选题的要求之内， 能在简单低成本的基础上很好的完成设计选题的任务，故实验中采用本方案。2. 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饿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
13、的模拟量输入通道。这种结构的模拟量通道特点为：（ 4） 对 ADC、 S/H 要求高。（ 5） 处理速度慢。（ 6） 硬件简单，成本低。（ 7） 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。图2-1多路并行模拟量输入通道图2-2多路分时的模拟量输入通道第三部分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 8051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
14、、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。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。（1） 信号采集 由AD590、HS1100及多路开关CD4051组成；（2） 信号分析 由A/D转换器MC14433、单片机MCS-51 （8051）基本系统 组成；（3） 信号处理 由用行口 LCD显示。3. 1信号采集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。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，AD590的后缀以I, J, K, L, M表示。AD590L
15、 , 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Io； 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。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 业 A /K式中：It流过器件（AD590）的电流，单位以A。T热力学温度，单位Ko2 、AD590 的测温范围-55 C- +150 C。3、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1pA,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AD5S1R136KK527KH2100kAD59O：nrk器件反接也不会 坏。4、输出电阻为710MQo5、精度高。AD590共有J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-55C+150C范围
