船舶機(jī)艙環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、山東交通學(xué)院2012屆畢業(yè)生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目：船舶機(jī)艙環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)院(系)別 信息科學(xué)與電氣工程學(xué)院 專 業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí) 電氣081 學(xué) 號(hào) 080819112 姓 名 閆志勇 指導(dǎo)教師 劉文江 2012年 4月原 創(chuàng) 聲 明本人閆志勇鄭重聲明：所呈交的論文“船舶機(jī)艙環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)”，是本人在導(dǎo)師劉文江的指導(dǎo)下開(kāi)展研究工作所取得的成果。除文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的研究成果，對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體均已在文中以明確方式標(biāo)明，本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果，尊重知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并愿為此承擔(dān)一切法律責(zé)任。 論文作者

2、(簽字)： 日期：2012 年 4月 20 日摘 要 隨著船舶制造及船舶航運(yùn)業(yè)的發(fā)展，從人性化角度出發(fā)，人們?cè)絹?lái)越重視船上人員工作及生活條件，從船舶的經(jīng)濟(jì)性考慮，動(dòng)力設(shè)備的工作環(huán)境也至關(guān)重要。在船舶的設(shè)計(jì)過(guò)程中，機(jī)艙環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。不管是人員還是機(jī)器設(shè)備的正常工作都需要適宜的環(huán)境。 機(jī)艙內(nèi)的動(dòng)力裝置正常工作，首先需要消耗一定量的新鮮空氣，用于動(dòng)力機(jī)械的燃燒，其次要帶走機(jī)器設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)、燃燒產(chǎn)生的熱量。機(jī)艙通風(fēng)用以建立機(jī)艙內(nèi)給定的環(huán)境條件，如需要的艙內(nèi)溫度、濕度、空氣流速、清潔度及空氣成份等，以保證柴油機(jī)、鍋爐及焚燒爐燃燒時(shí)所必須的空氣量，同時(shí)也要保證機(jī)內(nèi)良好的工作環(huán)境，改善

3、輪機(jī)人員的工作及衛(wèi)生條件。本設(shè)計(jì)是以單片機(jī)（AT89S52）為核心，配合溫度傳感器（AD590）和濕度傳感器(HIH-3610)，以及相關(guān)的外圍電路組成的檢測(cè)系統(tǒng)，可以接收所測(cè)環(huán)境的溫度、濕度、光照強(qiáng)度和氧氣含量信號(hào)，檢測(cè)人員可以通過(guò)數(shù)碼管顯示的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控環(huán)境的溫度和濕度情況。所有的測(cè)量操作都可以通過(guò)主機(jī)控制軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，溫度、濕度、光敏和氧氣傳感器得到的測(cè)量信號(hào)，經(jīng)電路轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，然后通過(guò)一定的放大經(jīng)過(guò)芯片TLC549A/D轉(zhuǎn)換送到單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)軟件分析處理后送顯示裝置，并控制控制風(fēng)機(jī)的運(yùn)行。本文所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)具備完整的環(huán)境監(jiān)測(cè)功能，滿足相關(guān)規(guī)范要求，實(shí)時(shí)性較好，能夠應(yīng)用于實(shí)船。并

4、對(duì)該系統(tǒng)作了一些突破以往設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)以后船舶環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)作用。關(guān)鍵詞：機(jī)艙,環(huán)境,單片機(jī),傳感器Abstract With the development of shipbuilding and ship navigation, personally, the environment of working place and accommodation place being required more and more economically, the working environment of power installation is more importa

5、nt, too. During the ship design, the ventilation system design is one of the important aspects of the whole design. A suitable environment should be considered for good working of person and power installation. In order to keep the power installation work well, it will need a mount of fresh airfor t

6、he burning of engine and bring away the heat emission from the engineEngine room ventilation system design is doing for building a special condition，such as thetemperatures, humidity, air speed, the cleanliness of the air and the element percent of air, to insure the amount of air needed by the engi

7、ne，boiler and incinerator burning，and improve the working environment of the working person in engine roomThe design is based on SCM (AT89C51) as the core, with a temperature sensor (AD590) and humidity sensors (HIH-3 610), as well as the detection system, the peripheral circuit can receive the meas

8、ured ambient temperature, humidity, light intensity and oxygen content of signal detection can be digital display data, real-time monitoring of environmental temperature and humidity. All the measurement operation by the host control software to achieve the measurement of temperature, humidity, phot

9、osensitive, and oxygen sensor signal, the circuit converted into electrical signals, and then by a certain degree of amplification after the chip TLC549A / D conversion to the microcontroller for data processing evacuation by the software analysis and processing, display devices, and control the run

10、ning of the fan control.Have a complete environmental monitoring system developed to meet the relevant regulatory requirements, real-time, can be used in a real ship. And made some breakthrough designed to optimize the design of the system, after the design of the Marine Environment Monitoring Syste

11、m has a guiding role. Key words：Cabin, Environment, Microcontroller, Sensor目 錄1緒 論11.1課題研究背景11.2 船舶機(jī)艙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展與現(xiàn)狀11.3本次設(shè)計(jì)的主要工作32 控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)42.1系統(tǒng)的構(gòu)成42.2 單片機(jī)AT89S52的介紹52.3 A/D轉(zhuǎn)換器82.3.1 主要特性82.3.2 TLC549工作原理92.4 溫度傳感器的選型102.4.1 溫度傳感器主要特性102.4.2 AD590的工作原理112.4.3 電路設(shè)計(jì)112.5濕度傳感器的選型12濕度傳感器的選擇122.5.2 HIH3610主

12、要特性132.6 光電器件的種類與選擇15光電器件的選擇15光照度采集電路的組成與原理152.7氣體傳感器的選擇162.8機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)的選型163 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和連接203.1主控模塊203.2顯示模塊203.3 AD轉(zhuǎn)換模塊213.4 溫度和濕度采集模塊213.5光照度采集電路的設(shè)計(jì)21光照度采集電路的設(shè)計(jì)21光照度采集試驗(yàn)與分析223.6繼電器控制電路233.7 TLC549與AT89S52的接口電路設(shè)計(jì)243.8 鍵盤(pán)設(shè)計(jì)243.9輸出驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)253.10 電源電路的設(shè)計(jì)263.11 報(bào)警電路設(shè)274 系統(tǒng)軟件方案的設(shè)計(jì)284.1 程序流程圖284.1.1 溫濕度主程序流程圖294.

13、1.2 報(bào)警器流程圖30A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖304.1.4 鍵盤(pán)中斷流程圖314.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)32結(jié) 論34致 謝35參考文獻(xiàn)36附錄371緒 論 1.1課題研究背景 我國(guó)的水路運(yùn)輸具有投資少、見(jiàn)效快、運(yùn)價(jià)低的特點(diǎn)，因此一直以來(lái)它都是重要的交通方式之一，在國(guó)名經(jīng)濟(jì)的發(fā)展中起到很重要的作用1。船舶機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)是對(duì)機(jī)艙重要設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和安全參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)值班人員和管理者聲光提示，及時(shí)決策設(shè)備管理措施，保證設(shè)備系統(tǒng)或者人員安全的重要系統(tǒng)。因此實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地了解船舶機(jī)艙環(huán)境動(dòng)態(tài)信息顯得尤為重要，特別是一下幾個(gè)方面：（1）船舶機(jī)艙環(huán)境氣體含量的監(jiān)測(cè)，特別是氧氣含量是否達(dá)到人體適合進(jìn)入的最低標(biāo)準(zhǔn)

14、，保證工作人員的安全。（2）船舶機(jī)艙溫度和濕度的監(jiān)測(cè)，保障船舶設(shè)備的正常運(yùn)行。（3）船舶機(jī)艙光線的監(jiān)測(cè)，尤其是在惡劣天氣和晚上等光線不足的情況下保證機(jī)艙光線充足，工作人員正常工作。以往的船舶監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，都是通過(guò)傳統(tǒng)的人工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控來(lái)獲得船舶機(jī)艙環(huán)境動(dòng)態(tài)信息，而且不能保證工作人員的安全。通過(guò)以往檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性不高、操作不方便，不利于管理。因此有必要研究一種遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)。 另外，船舶機(jī)艙內(nèi)的工作環(huán)境是最為惡劣的，船舶機(jī)艙內(nèi)的通風(fēng)條件也直接影響到船員的身體狀況和工作效率。按中國(guó)船級(jí)社對(duì)船舶動(dòng)力裝置的控制形式的規(guī)定，分為機(jī)艙有人值班、周期無(wú)人值班和集控室有人值班三種，尤其是機(jī)艙有人值班時(shí)，合適的機(jī)艙通風(fēng)

15、可以提供人更多的新鮮空氣量，降低機(jī)艙溫度，通過(guò)機(jī)艙通風(fēng)管道的合理布置適當(dāng)?shù)亟档蜋C(jī)艙內(nèi)的噪聲，提高人員的工作環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)艙通風(fēng)用以建立機(jī)艙內(nèi)給定的環(huán)境條件，如需要的艙內(nèi)溫度、濕度、空氣流速、清潔度及空氣成份等，以保證柴油機(jī)、鍋爐及焚燒爐燃燒時(shí)所必須的空氣量，同時(shí)也要保證機(jī)內(nèi)良好的工作環(huán)境，改善輪機(jī)人員的工作及衛(wèi)生條件。隨著計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，船舶機(jī)艙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)得到了飛速發(fā)展，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)逐步被應(yīng)用到遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)之中，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，具有一定的安全性、實(shí)時(shí)性、可靠性的要求。1.2 船舶機(jī)艙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展與現(xiàn)狀隨著計(jì)算機(jī)以及自動(dòng)化技術(shù)的飛速發(fā)

16、展，船舶機(jī)艙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也得到了迅速的發(fā)展，出現(xiàn)三種典型模式，分別為集中式、集散式、現(xiàn)場(chǎng)總線式。 1）集中式機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)在上個(gè)世紀(jì)的六十年代中后期，船舶機(jī)艙開(kāi)始出現(xiàn)了“無(wú)人值守”，日本、丹麥等發(fā)達(dá)國(guó)家首先推出船舶機(jī)艙的集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其方式主要是把分布于船舶機(jī)艙各處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)全部引入集中控制室的微機(jī)接口控制箱中，對(duì)船舶機(jī)艙設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了船舶機(jī)艙設(shè)備檢測(cè)的無(wú)人值守。該方式的優(yōu)點(diǎn)在于容易根據(jù)整體情況進(jìn)行相應(yīng)的控制計(jì)算與判斷，從控制角度分析易于統(tǒng)一調(diào)度與安排，缺點(diǎn)是系統(tǒng)的可靠性全部集中于微機(jī)本身，而機(jī)艙現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境相對(duì)惡劣，那么對(duì)于讀取來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的計(jì)算機(jī)要求就相當(dāng)高?？煽啃詥?wèn)題限制了機(jī)艙集中監(jiān)測(cè)系

17、統(tǒng)的發(fā)展。典型的集中式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有挪威NORCONTROL公司的Data Chief-III系統(tǒng)2。2） 集散式機(jī)艙監(jiān)控系統(tǒng)在上個(gè)世紀(jì)七十年代后期，隨著大規(guī)模集成電路以及計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了數(shù)字調(diào)制器、可編程控制器（PLC）以及多個(gè)計(jì)算機(jī)構(gòu)成的集中與分散相互結(jié)合的集散式控制系統(tǒng)，也稱為分布式控制系統(tǒng)（DCS-Distributed Control System）。此系統(tǒng)不管是在功能上還是在性能上都比集中式控制系統(tǒng)進(jìn)步很多，克服了傳統(tǒng)的集中式控制系統(tǒng)對(duì)控制器和可靠性要求高的缺陷，在集散控制系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了集中控制與分散處理，即實(shí)現(xiàn)了集中控制室與DCS控制站或是PLC之間的網(wǎng)絡(luò)通信，有減少了集中

18、控制室與機(jī)艙現(xiàn)場(chǎng)之間的電纜數(shù)目，節(jié)約了成本。初期，集散型監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在各個(gè)子系統(tǒng)內(nèi)部一般使用模擬信號(hào)傳輸，即控制單元與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間使用模擬信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集以及控制命令下傳，這樣就需要在控制單元與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間鋪設(shè)大量電纜，同時(shí)增加了船舶造價(jià)。此外，傳輸距離較長(zhǎng)會(huì)使得模擬信號(hào)受到嚴(yán)重干擾。這個(gè)時(shí)期典型的子系統(tǒng)如西門子公司的SIMOS32型集中監(jiān)測(cè)和報(bào)警系統(tǒng)。后期，部分公司將傳統(tǒng)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用到了機(jī)艙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，對(duì)子系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，即在控制對(duì)象附近放置現(xiàn)場(chǎng)處理單元，而二者之間則通過(guò)RS-485或電流環(huán)等網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬信號(hào)的收發(fā)。這種方式逐步成為了船舶機(jī)艙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主流，由于這種傳統(tǒng)控制網(wǎng)

19、絡(luò)存在固有缺陷，所以并不是在真正意義上實(shí)現(xiàn)全分布式控制。并且各個(gè)公司所建立的控制網(wǎng)絡(luò)具有封閉性，這樣就阻礙了船舶機(jī)艙中現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備之間互操作性的實(shí)現(xiàn)。其中，典型的代表有德國(guó)西門子公司的SIMOSIMA32C系統(tǒng)和挪威NORCONTROL公司的Data Chief1000系統(tǒng)。3） 現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS-Field bus control system），是從DCS系統(tǒng)上發(fā)展起來(lái)的，以實(shí)現(xiàn)機(jī)艙現(xiàn)場(chǎng)和微機(jī)化測(cè)量設(shè)備之間雙向多節(jié)點(diǎn)數(shù)字通信的系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)總線式控制系統(tǒng)是在傳統(tǒng)的測(cè)量控制儀表處裝上專用的微處理，同時(shí)使它們獲得了數(shù)字計(jì)算與數(shù)字通信能力，并使用方便于連接的雙絞線等作為總線，將需要測(cè)量的多個(gè)控制

20、儀表連接成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，按照一定的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)船舶機(jī)艙現(xiàn)場(chǎng)的多個(gè)微機(jī)化測(cè)量控制設(shè)備之間，以及船舶機(jī)艙現(xiàn)場(chǎng)儀表與遠(yuǎn)程的監(jiān)測(cè)主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸與信息交互，從而出現(xiàn)了各種滿足現(xiàn)場(chǎng)需要的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。其中，典型代表有挪威NORCOINIROL公司的Data Chief C20系統(tǒng)和上海船舶運(yùn)輸研究所下屬的上海三進(jìn)科技發(fā)展有限公司的CJBW100型系統(tǒng)。我國(guó)船舶機(jī)艙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用的起步相對(duì)于國(guó)際較晚一些，到了八十年代后期自助研發(fā)出了一些以CJBW,JK-88YK,DYT-88J型為典型代表的船舶機(jī)艙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。國(guó)產(chǎn)的船舶機(jī)艙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由于系統(tǒng)功能、結(jié)構(gòu)以及制造成本等原因，應(yīng)用于實(shí)際較少。在技術(shù)方面，大部分產(chǎn)品

21、僅僅相當(dāng)于國(guó)際九十年代初期的水平。機(jī)型的品種較少，性能較低、可靠性較差，標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、智能化程度相對(duì)較低，總體的技術(shù)指標(biāo)落后，技術(shù)儲(chǔ)備差距大，已無(wú)法適應(yīng)當(dāng)前國(guó)內(nèi)船舶機(jī)艙自動(dòng)化的突飛猛進(jìn)發(fā)展。目前與船舶自動(dòng)化技術(shù)發(fā)達(dá)的國(guó)家相比，還存在一定的差距，主要包括一下幾點(diǎn)：（1） 以船舶機(jī)艙為整體對(duì)象的集成自動(dòng)化技術(shù)水平較低，配套能力較差。雖然應(yīng)用了大規(guī)模集成芯片，但完成整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)采集、處理、通訊、管理等過(guò)程，均使用零散的設(shè)備，缺乏模塊化、系列化的產(chǎn)品。（2） 目前，船舶機(jī)艙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)還處于部分或全部引進(jìn)狀態(tài)，相關(guān)技術(shù)的科研單位研發(fā)力量不集中，國(guó)產(chǎn)化效率低、自主創(chuàng)新的成分較少。（3） 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)

22、雜，可維護(hù)性較差。信號(hào)從傳感器到上位機(jī)傳輸路徑復(fù)雜，監(jiān)控對(duì)象龐大，其通訊布線錯(cuò)綜復(fù)雜，給故障檢測(cè)帶來(lái)相當(dāng)大的困難。（4） 系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)模塊化較低，產(chǎn)品可再研發(fā)性較差，技術(shù)更新與換代困難。設(shè)計(jì)安裝工藝落后，生產(chǎn)制造技術(shù)低，制約了系統(tǒng)整體性能的提升。 以上各個(gè)問(wèn)題，給機(jī)艙自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展提出了新的要求，迫切的需要一種能在最大程度上滿足各種需求的、綜合水平較高的、全新的船舶機(jī)艙監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的出現(xiàn)。1.3本次設(shè)計(jì)的主要工作 （1）設(shè)計(jì)船舶機(jī)艙環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案船舶機(jī)艙環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為多變量的輸入輸出控制系統(tǒng)。通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)機(jī)艙中的各環(huán)境參數(shù)，得到輸入模擬量，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)接口板采集數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)進(jìn)

23、行分析處理，將輸入量與設(shè)定量比較后，輸出開(kāi)關(guān)量，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)。（2） 硬件設(shè)備的選型與設(shè)計(jì) 根據(jù)所設(shè)計(jì)的控制方案合理地選擇監(jiān)測(cè)元件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制設(shè)備以及其它必要設(shè)備，并在此基礎(chǔ)之上根據(jù)控制方案合理地進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，完成各種設(shè)備之間的接線與配置，并進(jìn)行設(shè)備的安裝調(diào)試。為整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)以及穩(wěn)定、可靠運(yùn)行打下基礎(chǔ)。（3）控制軟件的設(shè)計(jì)軟件應(yīng)用匯編語(yǔ)言進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，具有計(jì)時(shí)、鍵盤(pán)掃描處理、顯示、溫度、濕度、氧氣含量采樣，并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。2 控制系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)船舶機(jī)艙設(shè)在輪船的下部，由于數(shù)KW大功率發(fā)動(dòng)機(jī)、數(shù)百KW 的發(fā)電機(jī)組、鍋爐和制冷機(jī)組的連續(xù)工作，再加之機(jī)艙的通風(fēng)、

24、透光情況很差，給工作人員和船舶發(fā)動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重的影響。為了改善機(jī)艙的環(huán)境，提高輪機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)行效益，保障船舶及工作人員的安全，需要對(duì)機(jī)艙的環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。船舶機(jī)艙的主要控制參數(shù)有溫度、濕度、光線和通風(fēng)控制系統(tǒng)。2.1系統(tǒng)的構(gòu)成船舶機(jī)艙環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為多變量的輸入輸出控制系統(tǒng)。通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)機(jī)艙中的各環(huán)境參數(shù)，得到輸入模擬量，經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)，經(jīng)接口板采集數(shù)據(jù)，單片機(jī)進(jìn)行分析處理，將輸入量與設(shè)定量比較后，輸出開(kāi)關(guān)量，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)?？刂葡到y(tǒng)及控制過(guò)程如圖2.1所示。 圖2.1 環(huán)境控制系統(tǒng)Fig 2.1 environmental control system本系統(tǒng)由

25、計(jì)算機(jī)與控制軟件、傳感器、數(shù)據(jù)傳輸、I/O接口板、電器控制柜等組成，傳感器采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大和轉(zhuǎn)換傳到計(jì)算機(jī)上，計(jì)算機(jī)發(fā)出反指令，通過(guò)電器控制柜控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的啟用，完成對(duì)機(jī)艙環(huán)境的控制3。前端的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)采集單元(包括空氣溫度、空氣濕度、光照度傳感器、氣敏傳感器及信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)、存儲(chǔ)器、液晶顯示器、按鍵)，數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備以及電源組成。系統(tǒng)由單片機(jī)控制前端的各種傳感器對(duì)環(huán)境中的各參數(shù)進(jìn)行采集，并通過(guò)其相應(yīng)的轉(zhuǎn)換電路將溫度、濕度、光照等信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電量（如電壓），再經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，交由單片機(jī)做數(shù)據(jù)處理，或直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字量(如頻率)存儲(chǔ)顯示。機(jī)艙環(huán)境數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系

26、統(tǒng)如圖2.2所示。圖2.2 機(jī)艙環(huán)境數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)Fig 2.2 cabin environment data acquisition and monitoring system2.2 單片機(jī)AT89S52的介紹AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS八位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，使用ATMEL公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許ROM在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使其為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供靈活的解決方案4。1 主要特性(1) 與MCS-51單片

27、機(jī)產(chǎn)品兼容；(2) 8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器；(3) 1000次擦寫(xiě)周期；(4) 全靜態(tài)操作：0Hz33Hz；(5) 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器；(6) 32個(gè)可編程I/O口線；(7) 三個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；(8) 八個(gè)中斷源；(9) 全雙工UART串行通道；(10) 低功耗空閑和掉電模式；(11) 掉電后中斷可喚醒；(12) 看門狗定時(shí)器；(13) 雙數(shù)據(jù)指針；(14) 掉電標(biāo)識(shí)符。如圖2.3所示AT89S52芯片的引腳圖VCC：電源GND：地 P0口：8位漏極開(kāi)路的雙向I/O口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P0端口寫(xiě)“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。當(dāng)訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)

28、存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0具有內(nèi)部上拉電阻。在Flash編程時(shí)，P0口也用來(lái)接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。圖2.3 AT89S52芯片的引腳圖Fig 2.3 the AT89S52chip pin diagramP1口：具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P1端口寫(xiě)“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。此外，P1.0和P1.2分別作定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的外部計(jì)數(shù)輸入（P1.0/T2）和

29、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器2的觸發(fā)輸入（P1.1/T2EX），具體如表3-1所示。在Flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口接收低8位地址字節(jié)。表2.1 P1口引腳的功能Table 2.1 P1 port pin function引腳號(hào)第二功能P1.0T2（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的外部計(jì)數(shù)輸入），時(shí)鐘輸出P1.1T2EX（定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T2的捕捉/重載觸發(fā)信號(hào)和方向控制）P1.5MOSI（在系統(tǒng)編程用）P1.6MISO（在系統(tǒng)編程用）P1.7SCK（在系統(tǒng)編程用）P2口：具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)四個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P2端口寫(xiě)“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為

30、輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。在方位外部程序存儲(chǔ)器或用16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口送出高八位地址。在Flash編程和校驗(yàn)時(shí)，P2口也接收高8位地址字節(jié)和一些控制信號(hào)。P3口：P3口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng)四個(gè)TTL邏輯電平。對(duì)P3端口寫(xiě)“1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。作為輸入使用時(shí)，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（IIL）。P3口亦作為AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表3所示。表2.2 P3口引腳的第二功能Table 2.2 P3 port pins of

31、 the second functions引腳號(hào)第二功能P3.0RXD（串行輸入）P3.1TXD（串行輸出）P3.2（外部中斷0）P3.3（外部中斷1）P3.4T0（定時(shí)器0外部輸入）P3.5T1（定時(shí)器1外部輸入）P3.6（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通）P3.7（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） RST：復(fù)位輸入。晶振工作時(shí)，RST腳持續(xù)2個(gè)機(jī)器周期高電平將使單片機(jī)復(fù)位。DISRTO默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。ALE/：控制信號(hào)（ALE）是訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，鎖存低8位地址的輸出脈沖。在Flash編程時(shí)，此引腳（）也用作編程輸入脈沖。在一般情況下，ALE以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來(lái)作為外部定時(shí)器

32、或時(shí)鐘使用。然而，特別強(qiáng)調(diào)，在每次訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE脈沖將會(huì)跳過(guò)。如果需要，通過(guò)將地址為8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作將無(wú)效。這一位置“1”，ALE僅在執(zhí)行MOVX或MOVC指令時(shí)有效。否則，ALE將被微弱拉高。這個(gè)ALE使能標(biāo)志位（地址為8EH的SFR的第0位）的設(shè)置對(duì)微控制器處于外部執(zhí)行模式下無(wú)效。：外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)（）是外部程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)。當(dāng)89S52從外部程序存儲(chǔ)器執(zhí)行外部代碼時(shí)，在每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次，而在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將不被激活。/VPP：訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器控制信號(hào)。為使能從0000H到FFFFH的外部程序存儲(chǔ)器讀取指令，必須接地。為執(zhí)行

33、內(nèi)部程序指令，應(yīng)該接VCC。在Flash編程期間，也接收12伏VPP電壓。XTAL1：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。2.3 A/D轉(zhuǎn)換器本電路設(shè)計(jì)A/D轉(zhuǎn)換部分主要核心部分采用高性價(jià)比的A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC549 ，以下進(jìn)行詳細(xì)介紹2.3.1 主要特性 TLC549是德州儀器公司生產(chǎn)的8位串行A/D轉(zhuǎn)換器芯片，可與通用微處理器、控制器通過(guò)I/O CLOCK、DATA 三條口線進(jìn)行串行接口。具有4MHz片內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘和軟、硬件控制電路，轉(zhuǎn)換時(shí)間最長(zhǎng)17s，TLC548允許的最高轉(zhuǎn)換速率為45500次/s，TLC549為40000次/s?？偸д{(diào)誤差

34、最大為±0.5LSB，典型功耗值為6mW。采用差分參考電壓高阻輸入，抗干擾，可按比例量程校準(zhǔn)轉(zhuǎn)換范圍，VREF-接地，VREF+VREF-1V，可用于較小信號(hào)的采樣。TLC549引腳圖如下圖所示：圖2.4 TLC549引腳圖Fig 2.4 TLC549 pin diagramTLC549的極限參數(shù)如下： 電源電壓：6.5V；輸入電壓范圍：0.3VVCC 0.3V； 輸出電壓范圍：0.3VVCC0.3V；峰值輸入電流(任意一個(gè)輸入端)：±10mA；總峰值輸入電流(所有輸入端)：±30mA；工作溫度： 070TLC549I：4085TLC549M：551252.3.2

35、 TLC549工作原理TLC549有片內(nèi)系統(tǒng)時(shí)鐘，該時(shí)鐘與I/O CLOCK是獨(dú)立工作的，無(wú)須特殊的速度或相位匹配。當(dāng)CS為高時(shí)，數(shù)據(jù)輸出(DATA OUT)端處于高阻狀態(tài)，此時(shí)I/O CLOCK不起作用。這種CS控制作用允許在同時(shí)使用多片TLC549時(shí)，共用I/O CLOCK，以減少多路(片)A/D并用時(shí)的I/O控制端口5。一組通常的控制時(shí)序?yàn)椋?1) 將置低。內(nèi)部電路在測(cè)得下降沿后，再等待兩個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘上升沿和一個(gè)下降沿后，然后確認(rèn)這一變化，最后自動(dòng)將前一次轉(zhuǎn)換結(jié)果的最高位(D7)位輸出到DATA OUT端上。(2) 前四個(gè)I/O CLOCK周期的下降沿依次移出第2、3、4和第5個(gè)位(D6、

36、D5、D4、D3)，片上采樣保持電路在第4個(gè)I/O CLOCK下降沿開(kāi)始采樣模擬輸入。(3) 接下來(lái)的3個(gè)I/O CLOCK周期的下降沿移出第6、7、8(D2、D1、D0)個(gè)換位。(4) 最后，片上采樣保持電路在第8個(gè)I/O CLOCK周期的下降沿將移出第6、7、8(D2、D1、D0)個(gè)轉(zhuǎn)換位。保持功能將持續(xù)4個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘周期，然后開(kāi)始進(jìn)行32個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘周期的A/D轉(zhuǎn)換。第8個(gè)I/O CLOCK后，必須為高，或I/O CLOCK保持低電平，這種狀態(tài)需要維持36個(gè)內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘周期以等待保持和轉(zhuǎn)換工作的完成。如果為低時(shí)I/O CLOCK上出現(xiàn)一個(gè)有效干擾脈沖，則微處理器/控制器將與器件的I/O時(shí)序失

37、去同步；若為高時(shí)出現(xiàn)一次有效低電平，則將使引腳重新初始化，從而脫離原轉(zhuǎn)換過(guò)程。在36個(gè)內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘周期結(jié)束之前，實(shí)施步驟(1)(4)，可重新啟動(dòng)一次新的A/D轉(zhuǎn)換，與此同時(shí)，正在進(jìn)行的轉(zhuǎn)換終止，此時(shí)的輸出是前一次的轉(zhuǎn)換結(jié)果而不是正在進(jìn)行的轉(zhuǎn)換結(jié)果。若要在特定的時(shí)刻采樣模擬信號(hào)，應(yīng)使第8個(gè)I/O CLOCK時(shí)鐘的下降沿與該時(shí)刻對(duì)應(yīng)，因?yàn)樾酒m在第4個(gè)I/O CLOCK時(shí)鐘下降沿開(kāi)始采樣，卻在第8個(gè)I/O CLOCK的下降沿開(kāi)始保存。2.4 溫度傳感器的選型溫度對(duì)于精密儀器來(lái)說(shuō)是最重要的環(huán)境參數(shù)。傳統(tǒng)的溫度的測(cè)量，選用熱電阻為傳感器，然后采用兩線制、三線制、四線制等接線方式搭建電橋，根據(jù)熱電阻在不

38、同溫度下的電阻來(lái)確定所處位置的溫度值。但是由于熱電阻隨溫度變化而引起的變化值較小，例如，常用的鉑電阻在零溫度下的阻值為100，銅電阻阻值為50，因此在傳感器與數(shù)據(jù)采集電路之間的引線過(guò)長(zhǎng)會(huì)引起較大的測(cè)量誤差，而系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中，要求有較長(zhǎng)距離的測(cè)量。此外，熱電偶是溫度測(cè)量中使用最廣泛的傳感器之一。其測(cè)溫原理是把兩種不同的導(dǎo)體連接，構(gòu)成閉合回路，若是兩個(gè)連接點(diǎn)保持在不同溫度時(shí)，將產(chǎn)生熱電勢(shì)，即Seebeek效應(yīng)。其測(cè)量溫區(qū)寬，一般在-1802800的溫度范圍內(nèi)均可使用;測(cè)量的準(zhǔn)確度和靈敏度都較高，尤其在高溫范圍內(nèi)，有較高的精度，因此熱電偶在一般的測(cè)量和控制系統(tǒng)中，常用于中高溫區(qū)的溫度檢測(cè)。但是這種測(cè)

39、溫方法需要做冷端補(bǔ)償。以上兩種方法都是根據(jù)溫度的不同，而產(chǎn)生微弱的電壓變化信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)放大、調(diào)理電路后送入A/D轉(zhuǎn)換器，然后做相應(yīng)的運(yùn)算得出最后的溫度值。但是這些方法的采用雖然傳感器廉價(jià)，但是需要很多外圍電路，總成本并沒(méi)有降低。而且所要測(cè)量溫度的位置往往離測(cè)試儀器比較遠(yuǎn)，所以溫電阻和熱電偶要通過(guò)比較長(zhǎng)的導(dǎo)線投入到測(cè)量點(diǎn)，在信號(hào)送入放大和調(diào)理電路之前可能已經(jīng)衰減了一定的程度，所以還需要進(jìn)行調(diào)零校準(zhǔn)。此外信號(hào)的放大和調(diào)理電路中噪聲，干擾容易串入檢測(cè)信號(hào)中，造成誤差，這樣不但提高了對(duì)模擬電路設(shè)計(jì)的要求，同時(shí)也降低了檢測(cè)的可靠性6。所以根據(jù)所要監(jiān)測(cè)的溫度范圍-5080，在本設(shè)計(jì)中放棄上面的測(cè)量方法，

40、而是采用集成溫度傳感器AD590。集成溫度傳感器AD590是美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的集成兩端感溫電流源。AD590是電流型溫度傳感器，通過(guò)對(duì)電流的測(cè)量可得到所需要的溫度值7。2.4.1 溫度傳感器主要特性流過(guò)器件的電流(A)等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度(開(kāi)爾文)度數(shù)：Ir/T=1，式中，Ir流過(guò)器件(AD590)的電流，單位為A；T熱力學(xué)溫度，單位為K；AD590的測(cè)溫范圍為-55+150；AD590的電源電壓范圍為430V，可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件即使反接也不會(huì)被損壞；輸出電阻為710m；精度高，AD590在-55+150范圍內(nèi)，非線性誤差僅為±0.3。2.4

41、.2 AD590的工作原理AD590溫度感測(cè)器是一種已經(jīng)IC化的溫度感測(cè)器，它會(huì)將溫度轉(zhuǎn)換為電流。其規(guī)格如下：溫度每增加1，它會(huì)增加1A輸出電流?？闪繙y(cè)范圍-55至150。供應(yīng)電壓范圍+4V至30V。溫度傳感器AD590的外觀圖如圖2.2所示： 圖2.5 溫度傳感器AD590的外觀圖Fig 2.5 Appearance of the temperature sensor AD590AD590的輸出電流是以絕對(duì)溫度零度(-273)為基準(zhǔn)，每增加1，它會(huì)增加1A輸出電流，因此在室溫25時(shí)，其輸出電流Io=(273+25)=298A。Vo的值為Io乘上10K，以室溫25而言，輸出值為2.98V(10

42、K×298A)。量測(cè)Vo時(shí)，不可分出任何電流，否則量測(cè)值會(huì)不準(zhǔn)。2.4.3 電路設(shè)計(jì)AD590的輸出電流I=(273+T)A(T為攝氏溫度)，因此量測(cè)的電壓V為(273+T)A ×10K=(2.73+T/100)V。為了將電壓量測(cè)出來(lái)又需使輸出電流I不分流出來(lái)，我們使用電壓追隨器其輸出電壓V2等于輸入電壓V。由于一般電源供應(yīng)較多零件之后，電源是帶噪聲的，因此我們使用齊納二極管作為穩(wěn)壓零件，再利用可變電阻分壓，其輸出電壓V1需調(diào)整至2.73V。接下來(lái)我們使用差動(dòng)放大器其輸出Vo為（100K/10K）×（V2-V1）=T/10，如果現(xiàn)在為攝氏28，輸出電壓為2.8V，

43、輸出電壓接A/D轉(zhuǎn)換器，那么A/D轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字量就和攝氏溫度成線形比例關(guān)系。AD590溫度傳感器使用原理如圖2.3。圖2.6 AD590溫度傳感器使用原理圖Fig 2.6 AD590 temperature sensor schematic2.5濕度傳感器的選型2.5.1濕度傳感器的選擇濕度傳感器是非密封性的，為保護(hù)測(cè)量的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性，應(yīng)盡量避免在酸性、堿性及含有機(jī)溶劑的氣氛中使用。也避免在粉塵較大的環(huán)境中使用。為正確反映欲測(cè)空間的濕度，還應(yīng)避免將傳感器安放在離墻壁太近或空氣不流通的死角處。如果被測(cè)的房間太大，就應(yīng)放置多個(gè)傳感器。有的濕度傳感器對(duì)供電電源要求比較高，否則將影響測(cè)量精度.或者

44、傳感器之間相互干擾，甚至無(wú)法工作。使用時(shí)應(yīng)提供合適的、符合精度要求的供電電源。濕敏電阻的特點(diǎn)是在基片上覆蓋一層用感濕材料制成的膜，當(dāng)空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時(shí)，元件的電阻率和電阻值都發(fā)生變化，利用這一特性即可測(cè)量濕度。濕敏電阻的種類很多，例如硅濕敏電阻、陶瓷濕敏電阻等。濕敏電阻的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，主要缺點(diǎn)是線性度和產(chǎn)品的互換性差。濕敏元件的線性度及抗污染性差，在檢測(cè)環(huán)境濕度時(shí)，濕敏元件要長(zhǎng)期暴露在待測(cè)環(huán)境中，很容易被污染而影響其測(cè)量精度及長(zhǎng)期穩(wěn)定性8。本設(shè)計(jì)中采用相對(duì)濕度傳感器HIH-3610。HIH-3610是美國(guó)Honey well公司生產(chǎn)的相對(duì)濕度傳感器，該傳感器采用熱固聚酯電容式傳感

45、頭，同時(shí)在內(nèi)部集成了信號(hào)處理功能電路，因此該傳感器可完成將相對(duì)濕度值變換成電容值，再將電容值轉(zhuǎn)換成線性電壓輸出的任務(wù)，同時(shí)該傳感器還具有精度高、響應(yīng)快、高穩(wěn)定性、低溫漂、抗化學(xué)腐蝕性能強(qiáng)及互換性好等優(yōu)點(diǎn)。 圖 2.7 濕度傳感器HIH-3610外觀圖 Fig 2.7 Humidity Sensor Appearance of the HIH-36102.5.2 HIH3610主要特性（1）熱固性聚合物電容傳感器，帶集成信號(hào)處理電路；（2）3針可焊塑封；（3）寬量程：0100%RH非凝結(jié)，寬工作溫度范圍 4085；（4）高精度：±2%RH，極好的線形輸出；（5）5VDC恒壓供電，0.8

46、-3.9VDC放大線形電壓輸出；（6）低功耗設(shè)計(jì) 200µA驅(qū)動(dòng)電流；（7）激光修正互換性；（8）快速響應(yīng) 5秒 慢流動(dòng)的空氣中；（9）穩(wěn)定性好,低溫飄,抗化學(xué)腐蝕性能。圖2.8 HIH-3610電壓與濕度特性曲線Fig 2.8 the HIH-3 610 voltage curve with the humidity表2.3 HIH-3610主要技術(shù)指標(biāo)Table 2.3 the HIH-3 610 major technical indicators測(cè)量范圍/ (%RH)測(cè)量精度/ (%RH)電源電壓/ V電源電流A輸出范圍或輸出形式工作溫度范圍/主要特點(diǎn)0100+2/-245.

47、82000.8V3.9V-40+85線性電壓輸出線，性能最好，抗污染能力最強(qiáng)由輸出電壓與相對(duì)濕度關(guān)系曲線可得出如下結(jié)論：（1）HIH-3610在供電電壓為5V時(shí)，其消耗電流僅為200A，故HIH-3610濕度傳感器對(duì)電源沒(méi)有功率方面的要求，為低功耗產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供更好的解決方案。（2）HIH-3610輸出電壓為：Vo=Vi0.0062RH0+0.16 （公式1）即輸出電壓Vo不僅正比于溫度測(cè)量值，且與電源電壓值Vi有關(guān)，若Vi固定為5V，則其值僅由相對(duì)溫度值決定。（3）HIH-3610測(cè)量的濕度值還與環(huán)境溫度有關(guān)，故應(yīng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，補(bǔ)償公式為：RH=RH0/(1.0546-0.00216T) （

48、公式2）式中：T為環(huán)境攝氏溫度值。利用HIH-3610的線性電壓輸出可直接輸入到控制器或其他裝置。一般僅需取出200A電流，HIH-3610系列測(cè)濕傳感器就能理想地用于低引出、電池供電系統(tǒng)。HIH-3610系列測(cè)濕傳感器作為一個(gè)低成本、可軟焊的單個(gè)直插式組建（SIP）提供儀表測(cè)量質(zhì)量的相對(duì)濕度（RH）傳感性能。RH傳感器可用在二引線間有間距的配量中，它是一個(gè)熱固塑料型電容傳感元件，其芯片內(nèi)具有信號(hào)處理功能。傳感元件的多層結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)用環(huán)境的不利因素，諸如潮濕、灰塵、污垢、油類和環(huán)境中常見(jiàn)的化學(xué)品具有最佳的抗力。 圖2.9單片機(jī)與HIH-3160接口Fig 2.9MCU and the HIH-31

49、60 interface2.6 光電器件的種類與選擇2.6.1光電器件的選擇光電式傳感器的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，即半導(dǎo)體材料的許多電學(xué)特性都因受到光的照射而發(fā)生變化。光電效應(yīng)通常分為兩大類，即外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。在光照度測(cè)量中，常用的光電器件是光電池和光敏二級(jí)管。光電池作為光電器件需要保持溫度恒定，以保證測(cè)量精度。光敏二極管的溫度變化對(duì)暗電流影響很大，對(duì)光電流影響很小，較適合于光照度的測(cè)量。通過(guò)對(duì)兩者的結(jié)構(gòu)與工作原理及四個(gè)特性的比較可知，光電池的漏電流、結(jié)電容較大，并聯(lián)電阻較小。用光電池探測(cè)輻射時(shí)，有噪聲大、動(dòng)態(tài)范圍和線性區(qū)小、響應(yīng)慢等缺點(diǎn)。同時(shí)，光電池的疲勞現(xiàn)象直接影響其響應(yīng)度的穩(wěn)定性。另

50、外，這兩種器件的光譜特性也不同，光敏二極管的光譜特性與光譜光視效率更接近。硅光敏二極管在光照特性上、溫度特性上、頻率特性上等，都更適合于智能溫室控制光照度傳感器的測(cè)量。從光譜特性上可以看出，硅光敏二極管的光譜響應(yīng)范圍是400nm1l00nm，可滿足設(shè)計(jì)要求的波譜范圍300nm1100nm。選擇硅光敏二極管作為光照度傳感器的光電轉(zhuǎn)換元件。根據(jù)工作環(huán)境、測(cè)量精度、線性度、互換性、靈敏度、相應(yīng)速度、穩(wěn)定性、功耗、體積大小以及易于與MCU接口等，本監(jiān)測(cè)儀選用集成光照度傳感器TSL253。2.6.2光照度采集電路的組成與原理（1）.關(guān)于光照度的說(shuō)明根據(jù)國(guó)際照明委員會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn)，光通量與光譜輻射能通量有如

51、下關(guān)系: 式中，單位為W/mm; 單位為Im; 是683(Im/W); 為光譜光視效率。所謂照度，是每單位面積中入射的光通量，照度單位采用lm/mm，但這種單位跟光發(fā)射強(qiáng)度(從單位面積發(fā)射的光量)的單位相同。為了避免混淆，一般以Ix作單位。（2）.采集電路的組成與原理與溫度、濕度采集電路組成相比，光照采集電路的組成較為復(fù)雜。其測(cè)光原理是利用光敏器件的光電轉(zhuǎn)換原理設(shè)計(jì)的。其光譜靈敏度的特性在可見(jiàn)光區(qū)與十分接近，而對(duì)紫外光和紅外光則無(wú)響應(yīng)。設(shè)計(jì)的光照度采集電路的組成如圖2.10所示:圖 2.10 光照度測(cè)量電路結(jié)構(gòu)Fig2.10 Structure of illumination measure

52、circuit濾光片的前面加一塊乳白色玻璃片，為的是使濾光片接收的是漫射光，這樣光敏二極管的響應(yīng)就與入射光的方向無(wú)關(guān)了，這就是余弦修正。2.7氣體傳感器的選擇氣體傳感器種類繁多。按所用氣敏材料及其特性不同，可分為光學(xué)式、熱學(xué)式，質(zhì)量式，電化學(xué)式等，其中電化學(xué)式氣體傳感器根據(jù)其原理可分為:電位型，電導(dǎo)型，電流型。電流型傳感器以其既能滿足一般檢測(cè)所需要的靈敏度和準(zhǔn)確性，又有體積小，操作簡(jiǎn)單，攜帶方便，可用于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)且價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，在目前己有的各類氣體檢測(cè)方法中占有重要的地位。該類傳感器可檢測(cè)氣體濃度范圍之寬(由ppb級(jí)直至百分濃度)，應(yīng)用范圍之廣是任何一種氣體傳感器所難以比擬的。電流型氣體傳感器

53、有許多種，用于檢測(cè)不同氣體，其主要應(yīng)用領(lǐng)域有:安全檢測(cè)，環(huán)境監(jiān)測(cè)，以及其它特殊用途。本課題中，氣體傳感器用于室內(nèi)空氣中有毒有害氣體氨氣、苯、甲醛的檢測(cè)。氣體傳感器是將空氣中氨氣、苯、甲醛氣體的濃度轉(zhuǎn)化為相應(yīng)電信號(hào)的元件。傳感器產(chǎn)生的電信號(hào)在傳送、放大過(guò)程中常受各種惡劣環(huán)境和各種干擾的影響，特別是固定式儀器的傳感器，長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，又有防爆和供電容量的限制，因此對(duì)氣體傳感器的要求非常嚴(yán)格。可見(jiàn)，傳感器是氣體檢測(cè)報(bào)警儀的基礎(chǔ)和核心的部件，它的優(yōu)劣決定了有害氣體檢測(cè)報(bào)警儀的質(zhì)量和功能指標(biāo)。一般考察傳感器有以下幾個(gè)項(xiàng)目:檢測(cè)范圍和分辨率;檢測(cè)精度和重復(fù)性:穩(wěn)定性和零點(diǎn)漂移;反應(yīng)速度;選擇性和抗干擾能力;

54、抗中毒能力和壽命;抗環(huán)境(溫濕度)影響能力;安全性，防爆性能;互換性和檢修方便;體積小，重量輕、電流小、節(jié)電性好。在實(shí)際的測(cè)試中，因?yàn)楸菊n題中不涉計(jì)到高溫、易燃性氣體的測(cè)量，所以選用熱線型半導(dǎo)體氣敏傳感器MR511。2.8機(jī)艙通風(fēng)系統(tǒng)的選型1 機(jī)艙通風(fēng)量的確定方法 1）按換氣次數(shù)計(jì)算 通風(fēng)量 式中 n換氣次數(shù)，可根據(jù)有無(wú)集控室在換氣次數(shù)每小時(shí)2540 次范圍內(nèi)選取； V機(jī)艙容積（m3）。2）按設(shè)備散熱量計(jì)算式中 m1主機(jī)工作場(chǎng)所余熱計(jì)算因數(shù)； q1主機(jī)每單位功率每小時(shí)散熱量，kJ/ kw·h； N主機(jī)功率（kw）； t1工作場(chǎng)所與艙外空氣的溫度差，可取58。 對(duì)于低速柴油機(jī) q1=230285 kJ/ kw·h；m10.5； 對(duì)于高速柴油機(jī) q1=114170 kJ/kw·h；m10.65； 對(duì)于汽輪機(jī) q1=170230 kJ/ kw·h；m11.0。 m2鍋爐工作場(chǎng)所余熱因數(shù)，鍋爐與工作地區(qū)有隔屏?xí)rm20.5，無(wú)隔屏?xí)rm21。 q2鍋爐受熱面散熱量，火管鍋爐q21 090 kJ/h·m2，水管鍋爐q2840 kJ/h·m2。 F鍋爐受熱面積（m2）。t2工作場(chǎng)所與艙外空氣的溫度差，可取810。3）按燃燒所需的空氣量計(jì)算 柴油機(jī)燃燒所需的空氣量 式中 Gf連續(xù)最大功率時(shí)的燃料消耗率（kg/kw&#