機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化論文自動控制溫濕度系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）論文題目：自動控制溫濕度系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：所在院系：機(jī)電學(xué)院所學(xué)專業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化導(dǎo)師姓名：完成時間：摘要倉庫系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、檔案資料庫、煙草、食品加工等等，溫濕度的高低對其影響很大，如糧倉中的溫濕度過高將會使糧食變質(zhì)；檔案資料庫房中的溫度忽高忽低，紙張纖維熱脹冷縮，使強(qiáng)度降低，濕度過大會使霉菌和害蟲滋長，以致造成資料質(zhì)變；電力系統(tǒng)中，由于溫度過高、過低引起的元件失效或由于濕度過高而引起的爬電、閃絡(luò)事故時有發(fā)生等等。由于溫濕度的控制不當(dāng)導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失將讓我們無法估計(jì)，為避免受到溫濕度的影響，需要安裝溫濕控制系統(tǒng)減少因溫度和濕度的變化給我們帶來的經(jīng)濟(jì)損失。同時針對于倉庫管理系統(tǒng)對溫濕度控制的要求，我們設(shè)計(jì)了一個自動控制溫濕度的系統(tǒng)。首先針對倉庫的問題進(jìn)行研究，進(jìn)而決定本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)目標(biāo)：其次提出傳感器與信息采集通道的方案，通過條件選出合理方案；最后進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，即A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)、復(fù)位電路、溫度檢測、濕度檢測、鍵盤及顯示、報(bào)警電路、系統(tǒng)軟件等部分的設(shè)計(jì)，并畫出電路圖。

.關(guān)鍵詞：傳感器，信息采集AutomaticcontrolsystemdesigntemperatureandhumidityAbstract

Storagesystems,powersystems,databasefiles,tobacco,foodprocessing,etc.,thehighandlowtemperatureandhumidityeffects,suchasthegranaryofhightemperatureandhumiditywillbespentgrainmetamorphism;archivesTreasurytemperaturefluctuatedlowpaperfibersislowerintensityandhumiditythantheGeneralAssemblysothatthegrowthofmoldandpests,resultinginqualitativedata;powersystem,becausethetemperatureistoohigh,toolowcausedbycomponentfailureorasaresultofhighhumiditycausedbyCreepage,flashoveraccidentsoccurfromtimetotimeandsoon.Duetoimpropertemperatureandhumiditycontrolwillleadtoeconomiclossessothatwecannotbeestimated,inordertoavoidtheeffectsoftemperatureandhumidity,temperatureandhumiditycontrolsystembeinstalledtoreducethetemperatureandhumiditychangesbroughtaboutbyeconomiclosses.Atthesametimeforthewarehousemanagementsystemtocontroltemperatureandhumidityrequirements,wedesignedasystemofautomaticcontroloftemperatureandhumidity.Firstofall,theissueofstorageforresearch,todeterminethedesignofthedesigngoals:Secondtoaccesssensorsandinformationcollectionprograms,selectedthroughareasonableprogramconditions;thefinalsystemdesign,ThattheA/Dconverter,microcontroller,resetcircuit,temperaturetesting,humiditytesting,thekeyboardanddisplay,alarmcircuit,systemsoftware,suchaspartofthedesign，anddrawcircuitdiagrams.Keywords:Sensors,informationcollection 目錄1緒論 11.1選題背景 11.2國內(nèi)外形勢 11.3設(shè)計(jì)過程及工藝要求 42傳感器與信號采集通道的選擇 42.1溫度傳感器的選擇 42.2濕度傳感器的選擇 52.3信號采集通道的選擇 63系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 73.1信號采集 73.1.1溫度傳感器 73.1.2濕度傳感器 113.1.3多路開關(guān) 133.2信號分析與處理 143.2.1A/D轉(zhuǎn)換 143.2.2單片機(jī)89C51芯片簡介 163.2.3數(shù)據(jù)存儲器的掉電保護(hù) 173.2.4系統(tǒng)時鐘的設(shè)計(jì) 173.3顯示與報(bào)警的設(shè)計(jì) 183.3.1顯示電路 183.3.2報(bào)警電路 194總結(jié) 21致謝 22參考文獻(xiàn) 231緒論1.1選題背景隨著工業(yè)的發(fā)展，需要對溫濕度進(jìn)行控制的場合越來越多。例如：倉庫系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、檔案資料庫、煙草、食品加工等等，溫濕度的高低對其影響很大，如糧倉中的溫濕度過高將會是糧食變質(zhì)；檔案資料庫房中的溫度忽高忽低，紙張纖維熱脹冷縮，使強(qiáng)度降低，濕度過大會使霉菌和害蟲滋長，以致造成資料質(zhì)變；電力系統(tǒng)中，由于溫度過高、過低引起的元件失效或由于濕度過高而引起的爬電、閃絡(luò)事故時有發(fā)生等等。在倉庫內(nèi)的溫濕度控制，直接影響到儲藏物品的質(zhì)量，如果控制不當(dāng)，溫度和濕度升高將會使物品潮濕發(fā)霉，而有些物品溫度的降低會使凍結(jié)變質(zhì)等等不良后果。故把倉庫的溫濕度控制在一定范圍非常有意義，倉庫應(yīng)用的各種場合對溫濕度的要求也不同。由于溫濕度的控制不當(dāng)導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失將讓我們無法估計(jì)，為避免受到溫濕度的影響，需要安裝溫濕控制系統(tǒng)減少因溫度和濕度的變化給我們帶來的經(jīng)濟(jì)損失[1]。同時針對于倉庫管理系統(tǒng)對溫濕度控制的要求，我們設(shè)計(jì)了一個自動控制溫濕度的系統(tǒng)。1.2國內(nèi)外形勢進(jìn)入21世紀(jì)后，特別在我國加入WTO后，國內(nèi)產(chǎn)品面臨巨大挑戰(zhàn)。各行業(yè)特別是傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)都急切需要應(yīng)用電子技術(shù)、自動控制技術(shù)進(jìn)行改造和提升。例如紡織行業(yè)，溫濕度是影響紡織品質(zhì)量的重要因素，但紡織企業(yè)對溫濕度的測控手段仍很粗糙，十分落后，絕大多數(shù)仍在使用干濕球濕度計(jì)，采用人工觀測，人工調(diào)節(jié)閥門、風(fēng)機(jī)的方法，其控制效果可想而知。制藥行業(yè)里也基本如此。而在食品行業(yè)里，則基本上憑經(jīng)驗(yàn)，很少有人使用濕度傳感器。值得一提的是，隨著農(nóng)業(yè)向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，許多農(nóng)民意識到必需擺脫落后的傳統(tǒng)耕作、養(yǎng)殖方式，采用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)來應(yīng)付進(jìn)口農(nóng)產(chǎn)品的挑戰(zhàn)，并打進(jìn)國外市場。各地建立了越來越多的新型溫室大棚，種植反季節(jié)蔬菜，花卉；養(yǎng)殖業(yè)對環(huán)境的測控也日感迫切；調(diào)溫冷庫的大量興建都給溫濕度測控技術(shù)提供了廣闊的市場。我國已引進(jìn)荷蘭、以色列等國家較先進(jìn)的大型溫室四十多座，自動化程度較高，成本也高。國內(nèi)正在逐步消化吸收有關(guān)技術(shù)，一般先搞調(diào)溫、調(diào)光照，控通風(fēng)；第二步搞溫濕度自動控制及CO2測控。此外，國家糧食儲備工程的大量興建，對溫濕度測控技術(shù)提也提出了要求。

但目前，在濕度測試領(lǐng)域大部分濕敏元件性能還只能使用在通常溫度環(huán)境下。在需要特殊環(huán)境下測濕的應(yīng)用場合大部分國內(nèi)包括許多國外濕度傳感器都會“皺起眉頭”！例如在上面提到紡織印染行業(yè)，食品行業(yè)，耐高溫材料行業(yè)等，都需要在高溫情況下測量濕度。一般情況下，印染行業(yè)在紗錠烘干中，溫度能達(dá)到120攝氏度或更高溫度；在食品行業(yè)中，食物的烘烤溫度能達(dá)到80-200攝氏度左右；耐高溫材料，如陶瓷過濾器的烘干等能達(dá)到200攝氏度以上。在這些情況下，普通的濕度傳感器是很難測量的。

高分子電容式濕度傳感器通常都是在絕緣的基片諸如玻璃、陶瓷、硅等材料上，用絲網(wǎng)漏印或真空鍍膜工藝做出電極，再用浸漬或其它辦法將感濕膠涂覆在電極上做成電容元件。濕敏元件在不同相對濕度的大氣環(huán)境中，因感濕膜吸附水分子而使電容值呈現(xiàn)規(guī)律性變化，此即為濕度傳感器的基本機(jī)理。影響高分子電容型元件的溫度特性，除作為介質(zhì)的高分子聚合物的介質(zhì)常數(shù)ε及所吸附水分子的介電常數(shù)ε受溫度影響產(chǎn)生變化外，還有元件的幾何尺寸受熱膨脹系數(shù)影響而產(chǎn)生變化等因素。根據(jù)德拜理論的觀點(diǎn)，液體的介電常數(shù)ε是一個與溫度和頻率有關(guān)的無量綱常數(shù)。水分子的ε在T＝5℃時為78.36，在T＝20℃時為79.63。有機(jī)物ε與溫度的關(guān)系因材料而異，且不完全遵從正比關(guān)系。在某些溫區(qū)ε隨T呈上升趨勢，某些溫區(qū)ε隨T增加而下降。多數(shù)文獻(xiàn)在對高分子濕敏電容元件感濕機(jī)理的分析中認(rèn)為：高分子聚合物具有較小的介電常數(shù)，如聚酰亞胺在低濕時介電常數(shù)為3.0一3.8。而水分子介電常數(shù)是高分子ε的幾十倍。因此高分子介質(zhì)在吸濕后，由于水分子偶極距的存在，大大提高了吸水異質(zhì)層的介電常數(shù)，這是多相介質(zhì)的復(fù)合介電常數(shù)具有加和性決定的。由于ε的變化，使?jié)衩綦娙菰碾娙萘緾與相對濕度成正比。在設(shè)計(jì)和制作工藝中很難組到感濕特性全濕程線性。作為電容器，高分子介質(zhì)膜的厚度d和平板電容的效面積S也和溫度有關(guān)。溫度變化所引起的介質(zhì)幾何尺寸的變化將影響C值。高分子聚合物的平均熱線脹系數(shù)可達(dá)到的量級。例如硝酸纖維素的平均熱線脹系數(shù)為108x10-5/℃。隨著溫度上升，介質(zhì)膜厚d增加，對C呈負(fù)貢獻(xiàn)值；但感濕膜的膨脹又使介質(zhì)對水的吸附量增加，即對C呈正值貢獻(xiàn)?？梢姖衩綦娙莸臏囟忍匦允芏喾N因素支配，在不同的濕度范圍溫漂不同；在不同的溫區(qū)呈不同的溫度系數(shù)；不同的感濕材料溫度特性不同。總之，高分子濕度傳感器的溫度系數(shù)并非常數(shù)，而是個變量。所以通常傳感器生產(chǎn)廠家能在-10-60攝氏度范圍內(nèi)是傳感器線性化減小溫度對濕敏元件的影響。

國外廠家比較優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品主要使用聚酰胺樹脂，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)概要為在硼硅玻璃或藍(lán)寶石襯底上真空蒸發(fā)制作金電極，再噴鍍感濕介質(zhì)材料（如前所述）形式平整的感濕膜，再在薄膜上蒸發(fā)上金電極.濕敏元件的電容值與相對濕度成正比關(guān)系，線性度約±2%。雖然，測濕性能還算可以但其耐溫性、耐腐蝕性都不太理想，在工業(yè)領(lǐng)域使用，壽命、耐溫性和穩(wěn)定性、抗腐蝕能力都有待于進(jìn)一步提高。

陶瓷濕敏傳感器是近年來大力發(fā)展的一種新型傳感器。優(yōu)點(diǎn)在于能耐高溫，濕度滯后，響應(yīng)速度快，體積小，便于批量生產(chǎn)，但由于多孔型材質(zhì)，對塵埃影響很大，日常維護(hù)頻繁，時常需要電加熱加以清洗易影響產(chǎn)品質(zhì)量，易受濕度影響，在低濕高溫環(huán)境下線性度差，特別是使用壽命短，長期可靠性差，是此類濕敏傳感器迫切解決的問題。

當(dāng)前在濕敏元件的開發(fā)和研究中，電阻式濕度傳感器應(yīng)當(dāng)最適用于濕度控制領(lǐng)域，其代表產(chǎn)品氯化鋰濕度傳感器具有穩(wěn)定性、耐溫性和使用壽命長多項(xiàng)重要的優(yōu)點(diǎn)，氯化鋰濕敏傳感器已有了五十年以上的生產(chǎn)和研究的歷史，有著多種多樣的產(chǎn)品型式和制作方法，都應(yīng)用了氯化鋰感濕液具備的各種優(yōu)點(diǎn)尤其是穩(wěn)定性最強(qiáng)。

氯化鋰濕敏器件屬于電解質(zhì)感濕性材料，在眾多的感濕材料之中，首先被人們所注意并應(yīng)用于制造濕敏器件，氯化鋰電解質(zhì)感濕液依據(jù)當(dāng)量電導(dǎo)隨著溶液濃度的增加而下降。電解質(zhì)溶解于水中降低水面上的水蒸氣壓的原理而實(shí)現(xiàn)感濕。

氯化鋰濕敏器件的襯底結(jié)構(gòu)分柱狀和梳妝，以氯化鋰聚乙烯醇涂覆為主要成份的感濕液和制作金質(zhì)電極是氯化鋰濕敏器件的三個組成部分。多年來產(chǎn)品制作不斷改進(jìn)提高，產(chǎn)品性能不斷得到改善，氯化鋰感濕傳感器其特有的長期穩(wěn)定性是其它感濕材料不可替代的，也是濕度傳感器最重要的性能。在產(chǎn)品制作過程中，經(jīng)過感濕混合液的配制和工藝上的嚴(yán)格控制是保持和發(fā)揮這一特性的關(guān)鍵。

在國內(nèi)JUCSAN依托于國家計(jì)量科學(xué)研究院、中科院自動化研究所、化工研究院等大型科研單位從事溫濕度傳感器產(chǎn)品的研制、生產(chǎn)。選用氯化鋰感濕材料作為主攻方向，生產(chǎn)氯化鋰濕敏傳感器及相關(guān)變送器，自動化儀表等產(chǎn)品，在吸取了國內(nèi)外此項(xiàng)技術(shù)的成功經(jīng)驗(yàn)的同時，努力克服傳統(tǒng)產(chǎn)品存在的各項(xiàng)弱點(diǎn)，取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。產(chǎn)品選用了Al2O3及SiO2陶瓷基片為襯底，基片面積大大縮小，采用特殊的工藝處理，耐濕性和粘覆性均大大提高。使用燒結(jié)工藝，在襯底集片上燒結(jié)5個9的工業(yè)純金制成的梳妝電極，氯化鋰感濕混合液使用新產(chǎn)品添加劑和固有成份混合經(jīng)過特殊的老化和涂覆工藝后，濕敏基片的使用壽命和長期穩(wěn)定性大大提高，特別是耐溫性達(dá)到了-40℃-120℃，以多片濕敏元件組合的獨(dú)特工藝，是傳感器感濕范圍為1%RH-98%RH，具備了15%RH范圍以下的測量性能，漂移曲線和感濕曲線均實(shí)現(xiàn)了較好的線性化水平，使?jié)穸妊a(bǔ)償?shù)靡苑奖銓?shí)施并較容易地保證了寬溫區(qū)的測濕精度。采用循環(huán)降溫裝置封閉系統(tǒng)，先對對被測氣體采樣，然后降溫檢測并確保絕對濕度的恒定，使探頭耐溫范圍提高到600℃左右，大大增強(qiáng)了高溫下測濕的功能。成功解決了“高溫濕度測量”這一濕度測量領(lǐng)域難題?，F(xiàn)在，不采用任何裝置直接測量150度以內(nèi)環(huán)境中的濕度的分體式高溫型溫濕度傳感器JCJ200W已成功應(yīng)用在木材烘干，高低溫試驗(yàn)箱等系統(tǒng)中。同時，JCJ200Y產(chǎn)品能耐溫高達(dá)600度，也已成功應(yīng)用在印染行業(yè)紗錠自動烘干系統(tǒng)、食品自動烘烤系統(tǒng)、特殊陶瓷材料的自動烘干系統(tǒng)、出口大型烘干機(jī)械等方面，并表現(xiàn)出良好的效果,為國內(nèi)自動化控制域填補(bǔ)了高溫濕度測量的空白，為我國工業(yè)化進(jìn)程奠定了一定基礎(chǔ)。1.3設(shè)計(jì)過程及工藝要求一、基本功能~檢測溫度、濕度~顯示溫度、濕度~過限報(bào)警二、主要技術(shù)參數(shù)~溫度檢測范圍：-30℃-+50℃~測量精度：0.5℃~濕度檢測范圍：10%-100%RH~檢測精度：1%RH~顯示方式：溫度：四位顯示濕度：四位顯示~報(bào)警方式：三極管驅(qū)動的蜂鳴音報(bào)警2傳感器與信號采集通道的選擇2.1溫度傳感器的選擇方案一：采用熱電阻溫度傳感器。熱電阻是利用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性制成的測溫元件?，F(xiàn)應(yīng)用較多的有鉑、銅、鎳等熱電阻。其主要的特點(diǎn)為精度高、測量范圍大、便于遠(yuǎn)距離測量。鉑的物理、化學(xué)性能極穩(wěn)定，耐氧化能力強(qiáng)，易提純，復(fù)制性好，工業(yè)性好，電阻率較高，因此，鉑電阻用于工業(yè)檢測中高精密測溫和溫度標(biāo)準(zhǔn)。缺點(diǎn)是價格貴，溫度系數(shù)小，受到磁場影響大，在還原介質(zhì)中易被玷污變脆。按IEC標(biāo)準(zhǔn)測溫范圍-200～650℃，百度電阻比W（100）=1.3850時，R0為100Ω和10Ω，其允許的測量誤差A(yù)級為±（0.15℃+0.002|t|），B級為±（0.3℃+0.005|t|）。銅電阻的溫度系數(shù)比鉑電阻大，價格低，也易于提純和加工；但其電阻率小，在腐蝕性介質(zhì)中使用穩(wěn)定性差。在工業(yè)中用于-50～180℃測溫。方案二：采用AD590，它的測溫范圍在-55℃～+150℃之間，而且精度高。M檔在測溫范圍內(nèi)非線形誤差為±0.3℃。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會損壞。使用可靠。它只需直流電源就能工作，而且，無需進(jìn)行線性校正，所以使用也非常方便接口也很簡單。作為電流輸出型傳感器的一個特點(diǎn)是，和電壓輸出型相比，它有很強(qiáng)的抗外界干擾能力。AD590的測量信號可遠(yuǎn)傳百余米。綜合比較方案一與方案二，方案二更為適合于本設(shè)計(jì)系統(tǒng)對于溫度傳感器的選擇。2.2濕度傳感器的選擇測量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學(xué)性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量及周圍空氣的濕度。電容式、電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據(jù)其高分子材料吸濕后的介電常數(shù)、電阻率和體積隨之發(fā)生變化而進(jìn)行濕度測量的。方案一：采用HOS-201濕敏傳感器。HOS-201濕敏傳感器為高濕度開關(guān)傳感器，它的工作電壓為交流1V以下，頻率為50HZ～1KHZ，測量濕度范圍為0～100%RH，工作溫度范圍為0～50℃，阻抗在75%RH（25℃）時為1MΩ。這種傳感器原是用于開關(guān)的傳感器，不能在寬頻帶范圍內(nèi)檢測濕度，因此，主要用于判斷規(guī)定值以上或以下的濕度電平。然而，這種傳感器只限于一定范圍內(nèi)使用時具有良好的線性，可有效地利用其線性特性。方案二：采用HS1100/HS1101濕度傳感器。HS1100/HS1101電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。不需校準(zhǔn)的完全互換性，高可靠性和長期穩(wěn)定性，快速響應(yīng)時間，專利設(shè)計(jì)的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，由頂端接觸（HS1100）和側(cè)面接觸（HS1101）兩種封裝產(chǎn)品，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動插件和自動裝配過程等。相對濕度在1%100%RH范圍內(nèi)；電容量由16pF變到200pF，其誤差不大于±2%RH；響應(yīng)時間小于5S；溫度系數(shù)為0.04pF/℃。可見精度是較高的。綜合比較方案一與方案二，方案一雖然滿足精度及測量濕度范圍的要求，但其只限于一定范圍內(nèi)使用時具有良好的線性，可有效地利用其線性特性。而且還不具備在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中對溫度-30～50℃的要求，因此，我們選擇方案二來作為本設(shè)計(jì)的濕度傳感器。2.3信號采集通道的選擇在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，溫度輸入信號為8路的模擬信號，這就需要多通道結(jié)構(gòu)。方案一、采用多路并行模擬量輸入通道。這種結(jié)構(gòu)的模擬量通道特點(diǎn)為：可以根據(jù)各輸入量測量的餓要求選擇不同性能檔次的器件?？傮w成本可以作得較低。硬件復(fù)雜，故障率高。軟件簡單，各通道可以獨(dú)立編程。方案二、采用多路分時的模擬量輸入通道。這種結(jié)構(gòu)的模擬量通道特點(diǎn)為：對ADC、S/H要求高。處理速度慢。硬件簡單，成本低。軟件比較復(fù)雜。綜合比較方案一與方案二，方案二更為適合于本設(shè)計(jì)系統(tǒng)對于模擬量輸入的要求，比較其框圖，方案二更具備硬件簡單的突出優(yōu)點(diǎn)，所以選擇方案二作為信號的輸入通道。圖2-1多路并行模擬量輸入通道圖2-2多路分時的模擬量輸入通道3系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)對數(shù)字信號的高敏感和可控性、溫濕度傳感器可以產(chǎn)生模擬信號，和A/D模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片的性能，我設(shè)計(jì)了以89C51基本系統(tǒng)為核心的一套檢測系統(tǒng)，其中包括A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)、復(fù)位電路、溫度檢測、濕度檢測、鍵盤及顯示、報(bào)警電路、系統(tǒng)軟件等部分的設(shè)計(jì)。圖3-1系統(tǒng)總體框圖本設(shè)計(jì)由信號采集、信號分析和信號處理三個部分組成的。（一）信號采集由AD590、HS1100及多路開關(guān)CD4051組成；（二）信號分析由A/D轉(zhuǎn)換器MC14433、單片機(jī)89C51基本系統(tǒng)組成；（三）信號處理由串行口LED顯示器和報(bào)警系統(tǒng)等組成。3.1信號采集3.1.1溫度傳感器集成溫度傳感器AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的集成兩端感溫電流源。主要特性AD590是電流型溫度傳感器，通過對電流的測量可得到所需要的溫度值。根據(jù)特性分擋，AD590的后綴以I，J，K，L，M表示。AD590L，AD590M一般用于精密溫度測量電路，其電路外形如圖3-2所示，它采用金屬殼3腳封裝，其中1腳為電源正端V＋；2腳為電流輸出端I0；3腳為管殼，一般不用。集成溫度傳感器的電路符號如圖3-2所示。圖3-2AD590外形（圖1）及電路符號（圖2）1、流過器件的電流（μA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開爾文）度數(shù)，即：IT/T=1μA/K式中：IT——流過器件（AD590）的電流，單位μA。T——熱力學(xué)溫度，單位K。2、AD590的測溫范圍-55℃-+150℃。3、AD590的電源電壓范圍為4V-30V。電源電壓可在4V-6V范圍變化，電流IT變化1μA，相當(dāng)于溫度變化1K。AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會損壞。4、輸出電阻為710MΩ。5、精度高。AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在-55℃～+150℃范圍內(nèi)，非線形誤差±0.3℃。6、AD590的工作原理

在被測溫度一定時，AD590相當(dāng)于一個恒流源，把它和5～30V的直流電源相連，并在輸出端串接一個1kΩ的恒值電阻，那么，此電阻上流過的電流將和被測溫度成正比，此時電阻兩端將會有1mV／K的電壓信號。其基本電路如圖3-3所示。圖3-3AD590內(nèi)部核心電路圖3-3是利用ΔUBE特性的集成PN結(jié)傳感器的感溫部分核心電路。其中T1、T2起恒流作用，可用于使左右兩支路的集電極電流I1和I2相等；T3、T4是感溫用的晶體管，兩個管的材質(zhì)和工藝完全相同，但T3實(shí)質(zhì)上是由n個晶體管并聯(lián)而成，因而其結(jié)面積是T4的n倍。T3和T4的發(fā)射結(jié)電壓UBE3和UBE4經(jīng)反極性串聯(lián)后加在電阻R上，所以R上端電壓為ΔUBE。因此，電流I1為：

I1＝ΔUBE／R＝（KT／q）（lnn）／R

對于AD590，n＝8，這樣，電路的總電流將與熱力學(xué)溫度T成正比，將此電流引至負(fù)載電阻RL上便可得到與T成正比的輸出電壓。由于利用了恒流特性，所以輸出信號不受電源電壓和導(dǎo)線電阻的影響。二．基本應(yīng)用電路圖3-4是AD590用于測量熱力學(xué)溫度的基本應(yīng)用電路。因?yàn)榱鬟^AD590的電流與熱力學(xué)溫度成正比，當(dāng)電阻R1和電位器R2的電阻之和為1kΩ時，輸出電壓V0隨溫度的變化為1mV/K。但由于AD590的增益有偏差，電阻也有偏差，因此應(yīng)對電路進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整的方法為：把AD590放于冰水混合物中，調(diào)整電位器R2，使V0=273.2+25=298.2（mV）。但這樣調(diào)整只保證在0℃或25℃附近有較高的精度。 圖3-4AD590應(yīng)用電路三．?dāng)z氏溫度測量電路如圖3-4所示，電位器R2用于調(diào)整零點(diǎn)，R4用于調(diào)整運(yùn)放LF355的增益。調(diào)整方法如下：在0℃時調(diào)整R2，使輸出V0=0，然后在100℃時調(diào)整R4使V0=100mV。如此反復(fù)調(diào)整多次，直至0℃時，V0=0mV，100℃時V0=100mV為止。最后在室溫下進(jìn)行校驗(yàn)。例如，若室溫為25℃，那么V0應(yīng)為25mV。冰水混合物是0℃環(huán)境，沸水為100℃環(huán)境。四.多路檢測信號的實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)為八路的溫度信號采集，而MC14433僅為一路輸入，故采用CD4051組成多路分時的模擬量信號采集電路，其硬件接口如圖3-5所示 圖3-5八路分時的模擬量信號采集電路硬件接口3.1.2濕度傳感器測量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學(xué)性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量及周圍空氣的濕度。電容式、電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據(jù)其高分子材料吸濕后的介電常數(shù)、電阻率和體積隨之發(fā)生變化而進(jìn)行濕度測量的。下面介紹HS1100/HS1101濕度傳感器及其應(yīng)用。一、特點(diǎn)不需校準(zhǔn)的完全互換性，高可靠性和長期穩(wěn)定性，快速響應(yīng)時間，專利設(shè)計(jì)的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，由頂端接觸（HS1100）和側(cè)面接觸（HS1101）兩種封裝產(chǎn)品，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動插件和自動裝配過程等。圖3-6a為濕敏電容工作的溫、濕度范圍。圖3-6b為濕度-電容響應(yīng)曲線。圖3-6a濕敏電容工作的溫、濕度范圍圖3-6b濕度-電容響應(yīng)曲線相對濕度在1%100%RH范圍內(nèi)；電容量由16pF變到200pF，其誤差不大于±2%RH；響應(yīng)時間小于5S；溫度系數(shù)為0.04pF/℃。可見精度是較高的。二、濕度測量電路HS1100/HS1101電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。如何將電容的變化量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)易于接受的信號，常有兩種方法：一是將該濕敏電容置于運(yùn)方與租蓉組成的橋式振蕩電路中，所產(chǎn)生的正弦波電壓信號經(jīng)整流、直流放大、再A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；另一種是將該濕敏電容置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之成反比的電壓頻率信號，可直接被計(jì)算機(jī)所采集頻率輸出的555測量振蕩電路如圖3-7所示。集成定時器555芯片外接電阻R4、R2與濕敏電容C，構(gòu)成了對C的充電回路。7端通過芯片內(nèi)部的晶體管對地短路又構(gòu)成了對C的放電回路，并將引腳2、6端相連引入到片內(nèi)比較器，便成為一個典型的多諧振蕩器，即方波發(fā)生器。另外，R3是防止輸出短路的保護(hù)電阻，R1用于平衡溫度系數(shù)。圖3-7頻率輸出的555振蕩電路該振蕩電路兩個暫穩(wěn)態(tài)的交替過程如下：首先電源Vs通過R4、R2向C充電，經(jīng)t充電時間后，Uc達(dá)到芯片內(nèi)比較器的高觸發(fā)電平，約0.67Vs，此時輸出引腳3端由高電平突降為低電平，然后通過R2放電，經(jīng)t放電時間后，Uc下降到比較器的低觸發(fā)電平，約0.33Vs此時輸出，此時輸出引腳3端又由低電平突降為高電平，如此翻來覆去，形成方波輸出。其中，充放電時間為t充電=C（R4+R2）Ln2t放電=CR2Ln2因而，輸出的方波頻率為f=1/(t放電+t充電)=1/[C（R4+R2）Ln2]可見，空氣濕度通過555測量電路就轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之呈反比的頻率信號，表3-1給出了其中的一組典型測試值。表3-1空氣濕度與電壓頻率的典型值三、多路檢測信號的實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)為八路的濕度信號采集，故采用CD4051組成多路分時的模擬量信號采集電路，其硬件接口如圖3-8所示圖3-8八路分時的模擬量信號采集電路硬件接口3.1.3多路開關(guān)多路開關(guān)，有稱“多路模擬轉(zhuǎn)換器”。多路開關(guān)通常有n個模擬量輸入通道和一個公共的模擬輸入端，并通過地址線上不同的地址信號把n個通道中任一通道輸入的模擬信號輸出，實(shí)現(xiàn)有n線到一線的接通功能。反之，當(dāng)模擬信號有公共輸出端輸入時，作為信號分離器，實(shí)現(xiàn)了1線到n線的分離功能。因此，多路開關(guān)通常是一種具有雙向能力的器件。在本設(shè)計(jì)中，由于采用了溫濕度雙量控制，所以在信號采集中將有兩個模擬量被提取，這時選用多路開關(guān)就是很必要的。我選用的是CD4051多路開關(guān)，它是一種單片、COMS、8通道開關(guān)。該芯片由DTL/TTL-COMS電平轉(zhuǎn)換器，帶有禁止端的8選1譯碼器輸入，分別加上控制的8個COMS模擬開關(guān)TG組成。CD4051的內(nèi)部原理框圖如圖3-9所示。圖3-9CD4051的內(nèi)部原理框圖3.2信號分析與處理3.2.1A/D轉(zhuǎn)換一．A/D轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)為了把溫度、濕度檢測電路測出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送CPU處理，本系統(tǒng)選用了雙積分A/D轉(zhuǎn)換器MC14433，它精度高，分辨率達(dá)1/1999。由于MC14433只有一路輸入，而本系統(tǒng)檢測的多路溫度與濕度信號輸入，故選用多路選擇電子開關(guān)，可輸入多路模擬量。MC14433A/D轉(zhuǎn)換器由于雙積分方法二次積分時間比較長，所以A/D轉(zhuǎn)換速度慢，但精度可以做得比較高；對周期信號變化的干擾信號積分為零，抗干擾性能也比較好。目前，國內(nèi)外雙積分A/D轉(zhuǎn)換器集成電路芯片很多，大部分是用于數(shù)字測量儀器上。常用的有3.5位雙積分A/D裝換器MC14433和4.5位雙積分A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135二．MC14433A/D轉(zhuǎn)換器件簡介MC14433是三位半雙積分型的A/D轉(zhuǎn)換器，具有精度高，抗干擾性能好的優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換速率低，約1—10次/秒。在不要求高速轉(zhuǎn)換的場合，例如，在低速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，被廣泛采用。MC14433A/D轉(zhuǎn)換器與國內(nèi)產(chǎn)品5G14433完全相同，可以互換。MC14433A/D轉(zhuǎn)換器的被轉(zhuǎn)換電壓量程為199.9mV或1.999V。轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)以BCD碼的形式分四次送出。MC14433的框圖（圖3-10）和引腳（圖3-11）功能說明。圖3-10MC14433A/D轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部邏輯框圖 圖3-11MC14433引腳圖三．MC14433與8031單片機(jī)的接口設(shè)計(jì)MC14433與89C51的接線圖如圖3-12所示。該電路采用中斷方式管理MC14433的操作。由于管腳EOC與DC連接在一起，所以，MC14433能自動連續(xù)轉(zhuǎn)換，每次轉(zhuǎn)換結(jié)束便在EOC腳輸出正脈沖，經(jīng)反相后作為89C51的外部中斷請求INT1圖3-12MC14433與89C51單片機(jī)P1口直接相連的硬件接口3.2.2單片機(jī)89C51芯片簡介89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的89C51是一種高效微控制器，89C51是它的一種精簡版本。89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。1．主要特性：·與MCS-51兼容·4K字節(jié)可編程閃爍存儲器壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：10年·全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz·三級程序存儲器鎖定·128*8位內(nèi)部RAM·32可編程I/O線·兩個16位定時器/計(jì)數(shù)器·5個中斷源·可編程串行通道·低功耗的閑置和掉電模式·片內(nèi)振蕩器和時鐘電路3.2.3數(shù)據(jù)存儲器的掉電保護(hù)單片機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的RAM數(shù)據(jù)是非常容易丟失的，特別是一些珍貴的科研數(shù)據(jù)，一旦丟失后果不堪設(shè)想，因此掉電保護(hù)是必須要做的，一旦電源發(fā)生掉電現(xiàn)象，在掉電的瞬間系統(tǒng)能自動保護(hù)RAM中的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)電源恢復(fù)正常供電后能恢復(fù)到掉電前的工作狀態(tài)。3.2.4系統(tǒng)時鐘的設(shè)計(jì)時鐘電路是用來產(chǎn)生89C51單片機(jī)工作時所必須的時鐘信號，89C51本身就是一個復(fù)雜的同步時序電路，為保證工作方式的實(shí)現(xiàn)，89C51在唯一的時鐘信號的控制下嚴(yán)格的按時序執(zhí)行指令進(jìn)行工作，時鐘的頻率影響單片機(jī)的速度和穩(wěn)定性。通常時鐘由于兩種形式：內(nèi)部時鐘和外部時鐘。我們系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘方式來為系統(tǒng)提供時鐘信號。89C51內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，該放大器的輸入輸出引腳為XTAL1和XTAL2，它們跨接在晶體振蕩器和用于微調(diào)的電容，便構(gòu)成了一個自激勵振蕩器電路中的C1、C2的選擇在30PF左右，但電容太小會影響振蕩的頻率、穩(wěn)定性和快速性。晶振頻率為在1.2MHZ～12MHZ之間，頻率越高單片機(jī)的速度就越快，但對存儲器速度要求就高。為了提高穩(wěn)定性我們采用溫度穩(wěn)定性好的NPO電容，采用的晶振頻率為12MHZ。其系統(tǒng)時鐘電路如圖3-13所示圖3-13系統(tǒng)時鐘3.3顯示與報(bào)警的設(shè)計(jì)3.3.1顯示電路在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，一般都是把鍵盤和顯示器放在一起考慮。本設(shè)計(jì)是利用89C51的串行口實(shí)現(xiàn)鍵盤/顯示器接口。89C51的串行口RXD和TXD為一個全雙工串行通信口，但工作在方式0下可做同步移位寄存器用，其數(shù)據(jù)由RXD（P3.0）端串行輸出或輸入；而同步移位時鐘由TXD（P3.1）端串行輸出，在同步時鐘作用下，實(shí)現(xiàn)由串行到并行的數(shù)據(jù)通信。在不需要使用串行通信的場合，利用串行口加外圍芯片HC164就可構(gòu)成一個或多個并行輸入/輸出口，用于串-并轉(zhuǎn)換、并-串轉(zhuǎn)換、鍵盤驅(qū)動或顯示器LED驅(qū)動。其硬件接口電路如圖3-14所示：圖中“與”門的作用是避免鍵盤操作是對顯示器的影響，即僅當(dāng)P1.2為1時，才開放顯示器傳送。圖3-14鍵盤及顯示與主機(jī)的硬件接口3.3.2報(bào)警電路在微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，為了安全生產(chǎn)，對于一些重要的參數(shù)或系統(tǒng)部位，都設(shè)有緊急狀態(tài)報(bào)警系統(tǒng)，以便提醒操作人員注意，或采取緊急措施。其方法就是把計(jì)算機(jī)采集的數(shù)據(jù)或記過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、數(shù)字濾波，標(biāo)度變換之后，與該參數(shù)上下限給定值進(jìn)行比較，如果高于上限值（或低于下限值）則進(jìn)行報(bào)警，否則就作為采樣的正常值，進(jìn)行顯示和控制。本設(shè)計(jì)采用峰鳴音報(bào)警電路。峰鳴音報(bào)警接口電路的設(shè)計(jì)只需購買市售的壓電式蜂鳴器，然后通過MCS-51的1根口線經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動蜂鳴音發(fā)聲。壓電式蜂鳴器約需10mA的驅(qū)動電流，可以使用TTL系列集成電路7406或7407低電平驅(qū)動，也可以用一個晶體三極管驅(qū)動。在圖中，P3.2接晶體管基極輸入端。當(dāng)P3.2輸出高電平“1”時，晶體管導(dǎo)通，壓電蜂鳴器兩端獲得約+5V電壓而鳴叫；當(dāng)P3.2輸出低電平“0”時，三極管截止，蜂鳴器停止發(fā)聲。圖3-15是一個簡單的使用三極管驅(qū)動的峰鳴音報(bào)警電路：圖3-15三極管驅(qū)動的峰鳴音報(bào)警電路本設(shè)計(jì)是為在溫濕度測量中對溫濕度的上下限超出是的提示報(bào)警，接口位于單片機(jī)AT89C51的P3.2口，但溫濕度過限時，P3.2口被置0，本系統(tǒng)開始工作。 4總結(jié)本系統(tǒng)采用了現(xiàn)代的科學(xué)管理模式，采用微機(jī)監(jiān)控連網(wǎng)子系統(tǒng)，它具有：測溫、測濕、控溫、控濕功能。系統(tǒng)由敏感傳感器、信號調(diào)理變送裝置、開關(guān)量輸入輸出接口、16位微型計(jì)算機(jī)處理器、單元顯示器、工控機(jī)、連網(wǎng)裝置及協(xié)議、寬行打印機(jī)等單元組成?？諝獾恼{(diào)節(jié)包括對溫度的調(diào)節(jié)和濕度的調(diào)節(jié)，空調(diào)機(jī)的作用是控制倉庫內(nèi)的溫度及濕度，除濕機(jī)的作用是保持倉庫內(nèi)濕度不變。在倉庫內(nèi)的溫濕度控制，直接影響到儲藏物品的質(zhì)量，如果控制不當(dāng)，溫度和濕度升高將會使物品潮濕發(fā)霉，而有些物品溫度的降低會使凍結(jié)變質(zhì)等等不良后果。故把倉庫的溫濕度控制在一定范圍非常有意義，倉庫應(yīng)用的各種場合對溫濕度的要求也不同。倉庫的管理系統(tǒng)目前在國內(nèi)仍然存在很多問題，一般的倉庫仍然停留在人工管理方面，一些所謂的自動控制倉庫也只是簡單的微機(jī)控制，并沒有實(shí)現(xiàn)無人職守、自動調(diào)節(jié)控制的功能，我國在倉庫的管理系統(tǒng)上仍然沒有趕在世界的發(fā)展前