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1、摘 要本文详细地阐述了以单片机为处理器的湿度检测系统的硬件、软件及可靠性设计等问题。该系统以ATMEL公司的AT89C51单片机为核心,由传感检测电路、信号处理电路等构成。它能够实现多路采集输入和多路输出功能,通过传感器实现自动检测模式。硬件设计方面,空气湿度的检测采用经济实用的HM1500型电容式湿度传感器;A/D转换采用了ADC0809芯片;软件设计采用了目前流行的模块化编程方法,软件的开发全部采用了实时性很强的C语言。为了提高系统的可靠性,在软硬件设计方面均采取了相应的抗干扰措施,如采用数字滤波技术等。该系统具有较高的可靠性,能够实现预期设计功能,具有较高的性价比,可进行二次开发。最后,
2、对该系统的进一步完善和开发作出了可行性建议。关键词: 单片机,湿度检测,硬件系统,软件系统第一章 绪论本章首先介绍了湿度这个物理量的基本知识,接下来介绍了湿度检测技术的应用领域,常见的湿度测量方法以及特点。同时,对湿度传感器的目前的发展状况以及湿度检测技术的发展趋势进行了简单的分析。最后,简单概括了本文所要做的工作容。1.1湿度的基本概念湿度是表示空气中水蒸气的含量的物理量1,常用绝对湿度、相对湿度、露点等表示。所谓绝对湿度就是单位体积空气所含水蒸气的质量,也就是指空气中水蒸气的密度。绝对湿度一般用一立方米空气中所含水蒸气的克数表示,即为HamV/V,式中,Ha表示绝对湿度值,mV 为待测空气
3、中水蒸气质量,V 为待测空气的总体积。单位为g/m3。相对湿度是表示空气中实际所含水蒸气的分压和同温度下饱和水蒸气的分压的百分比,即HTT100RH。通常,用RH表示相对湿度。当温度和压力变化时,因饱和水蒸气变化,所以气体中的水蒸气压即使相同,其相对湿度也发生变化。日常生活中所说的空气湿度,实际上就是指相对湿度而言。温度高的气体,含水蒸气越多。若将其气体冷却,即使其中所含水蒸气量不变,相对湿度将逐渐增加,增到某一个温度时,相对湿度达100,呈饱和状态,再冷却时,蒸气的一部分凝聚生成露,把这个温度称为露点温度。1.2 湿度检测的应用领域人工气候室是在环境试验、科学研究诸如种养殖、植保、组培、生物
4、工程等领域应用广泛的实验设备1。它能模拟自然界的各种气象条件,按照实验要求精确控制室的温度、湿度、光照以及CO2等指标,复现各种气候环境。为研究不同物种的生长、发育、生理、生化过程创造了环境条件。因此,人工气候室广泛应用在科研、现代农业、医药、冶金、化工、林业、环境科学及生物遗传工程等领域。在人们的日常生活中,人们的居住空间也是一个人工环境。空气污染,直接威胁人们的身体健康；噪音污染,影响人的情绪、工作、休息、饮食,可以导致神经衰弱；温度过热、过冷,导致人的不适,耗费电能；空气过湿,将使人们感到沉闷和窒息；空气过燥,又会使人的口腔感到不适,甚至可能发生咽喉炎等疾病。如果自动控制这个最常见的空间
5、,人的生活将更舒适。所以说,这是一个很有发展前途的课题,国外学者已经进行了相关的研究2。本文也就其中最难测量的物理量湿度进行研究。1.3 常见的湿度检测方法及特点湿度测量从原理上划分有二、三十种之多。但湿度测量始终是世界计量领域中著名的难题之一。一个看似简单的量值,深究起来,涉及相当复杂的物理化学理论分析和计算3。常见的湿度测量方法有：动态法双压法、双温法、分流法,静态法饱和盐法、硫酸法,露点法,干湿球法和电子式传感器法。1 双压法、双温法是基于热力学P、V、T平衡原理,平衡时间较长,分流法是基于绝对湿气和绝对干空气的精确混合。由于采用了现代测控手段,这些设备可以做得相当精密,主要作为标准计量
6、之用,其测量精度可达到2%RH以上,但是设备复杂,昂贵,运作费时费工。2 静态法中的饱和盐法,是湿度测量中最常见的方法,简单易行。但饱和盐法对液、气两相的平衡要求很严,对环境温度的稳定要求较高。用起来要求等很长时间去平衡,低湿点要求更长。特别在室湿度和瓶湿度差值较大时,每次开启都需要平衡68小时。3露点法是测量湿空气达到饱和时的温度,是热力学的直接结果,准确度高,测量围宽。计量用的精密露点仪准确度可达0.2甚至更高。但用现代光电原理的冷镜式露点仪价格昂贵,常和标准湿度发生器配套使用。4干湿球法,这是18世纪就发明的测湿方法。历史悠久,使用最普遍。干湿球法是一种间接方法,它用干湿球方程换算出湿度
7、值,而此方程是有条件的：即在湿球附近的风速必需达到2.5m/s以上。普通用的干湿球温度计将此条件简化了,所以其准确度只有57%RH,干湿球也不属于静态法,不要简单地认为只要提高两支温度计的测量精度就等于提高了湿度计的测量精度。5电子式湿度传感器法。电子式湿度传感器产品及湿度测量属于90年代兴起的行业, 近年来,国外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展,为开发新一代湿度测控系统创造了有利条件,也将湿度测量技术提高到新的水平。1.4 湿度测量技术的发展趋势1 广泛采用新技术、新工艺随着科技的进步,许多新技术和新工艺被应用到湿度测
8、量领域中4。例如,瑞士Sensiron公司采用CMOSensCe-mo-Sens专利技术为高精度湿度传感器系统设置精度。其特征是将半导体芯片CMOS与传感器技术融合,为开发高集成度、智能化、高精度、高可靠性的湿度检测系统提供了解决方案。该项技术亦称Sensmitter,它代表传感器sensor与变送器transmitter的有机结合。尽管SHT11/15属于传感器畴,但具有创新性的CMOSens技术使之兼有变送器的功能,便于实现系统集成。Honeywell公司生产的HIH3610型湿度传感器,能在高温,有化学液体或气体的环境下正常工作,例如可以测量含有氨、苯、甲醛等有害气体的鸡棚或猪舍中的相对
9、湿度。即使在饱和状态下,传感器也很容易从短期凝结中恢复过来。HIH3610芯片上有一层起保护作用的亚硝酸盐钝化层,在安装过程中不易损坏。2 提高测量精度和分辨力目前,国外已相继推出多种高精度、高分辨力的智能湿度传感器,SHT11/15型智能化湿度传感器系统测量相对湿度的围是0100,分辨力达0.03RH,最高精度为2RH。测量露点的精度1。在测量湿度时A/D转换器的位数分别可达8位、12位、14位。利用降低分辨力的方法可以提高测量速率,减小芯片的功耗。SHT11/15的产品互换性好,响应速度快,抗干扰能力强,不需要外部元件,适配各种单片机,可广泛用于医疗设备及温度湿度调节系统中。3 增加测试功
10、能新型智能湿度传感器的测试功能也在不断增强5。例如,DS1629型单线智能湿度传感器增加了实时日历时钟RTC,使其功能更加完善。DS1624还增加了存储功能,利用芯片部256字节的存储器,可存储用户的短信息。另外,智能湿度传感器正从单通道向多通道的方向发展,这就为研制和开发多路湿度测控系统创造了良好条件。1.5 本课题研究的主要容和目标 研究本系统包括两方面任务：其一是对硬件系统的设计,保证系统的检测精度不大于3RH,响应时间小于5S,检测湿度围为0100RH等。使其具有很强的实用性。其二是软件系统的设计,由于系统在一系列的信号采集过程中存在着一定的外界干扰,对测量数据造成一定的误差。为此我们
11、采用数字中值滤波技术,保证测量数据的精确度和系统的正常运 / 第二章 湿度检测系统的功能与硬件设计 本章主要介绍了本湿度检测系统的检测方法的选择以及硬件设计两方面容。首先从整体上初步分析了系统的设计方法。接下来,绘制了湿度检测系统的硬件框架图,根据该图进行各个模块的设计。详细分析了各个模块的功能和作用,根据系统的硬件系统框架对各个部分进行设计,画出了系统硬件原理图。并介绍所用的芯片资料,简述了芯片的部结构和工作原理。2.1湿度检测方案的选择现代湿度测量方法最主要的有两种：一是干湿球测湿法,二是电子式湿度传感器测湿法6。下面简单介绍一下干湿球湿度计的特点。早在18世纪人类就发明了干湿球湿度计,干
12、湿球湿度计的准确度取决于干球、湿球两支温度计本身的精度；湿度计必须处于通风状态：只有纱布水套、水质、风速都满足一定要求时,才能达到规定的准确度。干湿球湿度计的准确度只有57RH。而且,干湿球测湿法采用间接测量方法,通过测量干球、湿球的温度经过计算得到湿度值,因此对使用温度没有严格限制,在高温环境下测湿不会对传感器造成损坏。干湿球测湿法的维护相当简单,在实际使用中,只需定期给湿球加水及更换湿球纱布即可。接下来,简单介绍一下电子式湿度传感器的特点。电子式湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断。湿度传感器是采用半导体技术,因此对使用的环境温度有要求,超过其规定的使用温度将对传感器造成损坏。所以
13、电子式湿度传感器测湿方法更适合于在洁净及常温的场合使用。而电子式湿度传感器是近几十年,特别是近20年才迅速发展起来的。湿度传感器生产厂在产品出厂前都要采用标准湿度发生器来逐支标定,电子式湿度传感器的准确度可以达到23RH。通过上述两种湿度检测方法的分析,不难发现：电子式传感器测湿法和干湿球测湿法相比具有精度高、操作简单、易于控制等特点。另外,前者可外加单片机等控制器来构成一个智能检测系统,而后者不能直观准确的显示出湿度值,造成使用上的不方便。因而本文采用电子式传感器测湿法进行系统设计。2.2 设计方案的确定本设计以单片机作为电路的核心部件,采用软件编程和硬件相结合的方式设计了一种对空气湿度进行
14、精确测量的模块。可以从以下几个方面来确定湿度检测仪的设计方案。2.2.1 处理器 采用ATMEL的AT89C51微处理器,是基于以下几个因素：189C51为51核,仿真调试软硬件资源丰富；2性价比高,货源充足；3DIP封装,体积小,便于产品小型化；4为程序存储介质,1000次以上擦/写周期,便于程序调试；5具有两种节能模式：闲置模式和掉电模式,便于进行低功耗设计；6工作电压围宽：2.76V,便于交直流供电。2.2.2 显示电路在仿真时需要借助数码管,来直观的表现测量值。本系统选用串行输入并行输出的74LS164移位寄存器连接数码管显示方式。数码管作为一种主动显示器件,具有亮度高、价格便宜等特点
15、,而且市场上也有专门的显示组合数码管。2.3系统预期功能 该系统要求用单片机检测来实现空气信息数据的实时采集、处理,以实现湿度的测量。 通过传感器检测环境空气湿度。 2.4 湿度检测仪的主电路设计湿度检测仪的主电路包括：1A/D转换电路2湿度检测电路3RS-485通信电路4显示电路四部分组成。其硬件系统框图如图2-1所示。湿度测量系统框图传感器 湿度A/D转换单片机485接口显示图2-1 湿度测量系统框图电路主要由湿度传感器、温度传感器、A/D转换器、单片机和RS-485组成。本系统通过单片机及其各种接口电路来实现温、湿度的检测,利用温、湿度传感器将测得到的物理量转变成模拟电信号,经过输出电阻转换为变化的电压信号,A/D转换器是对采样获得的模拟量进行离散取样数字化,单片机对采集到的信号进行滤波处理并通过计算得到实际测量的温、湿度值,之后通过单片机的各外部接口电路显示该测量值,或通过其与上位机的接口把此值送入到上位机进行保存及打印等操作。2.4.1控制中心AT89C51一、AT89C51的总体功用在此设计中,AT89
