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四川理工论文模板-2013.12

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四川理工学院成人教育学院
毕业设计（论文)

题 目 ― 仓库湿度的监测系统设计 ―

教学点 重庆科创职业学院
专 业 通信技术
年 级 2011级
姓 名 邰钟凌
指导教师 唐晓庆

定稿日期： 2013年4月 25 日

四川理工学院成人教育学院
毕业设计（论文）任务书

学生姓名
XXX
专业班级
通信工程ZB421001（填写自己的班级）
设计（论文）题目
仓库湿度的监测系统设计
接受任务日期
2013年12月18日
完成任务日期
2014年4月25日
指导教师（签名）
XXX
指导教师单位
重庆科创职业学院
设计（论文）内容目标
为建立多点湿度定点监测和监控。通过湿度传感器进行数据采集经过A/D转换后传输给单片机用单片机进行比较和计算，实时显示湿度，超湿进行报警.
目标：对仓库的湿度检测湿度显示保留小数点后一位，湿度检测范围10%-100%RH；检测精度:1％RH若超湿进行关报警,并显示超湿传感器的位置。检测点数可根据不同的用户要求进行扩充。
通过本课题的设计,培养学生对系统设计的综合能力,培养对湿度检测系统设计、选型、程序设计的能力，检测所学习专业知识的综合利用能力.
设计（论文）要求
（1)设计多点湿度监控系统的总体方案.
(2）各环节的仪表和器件的选型。
(3）根据计算要求用MCS—51系列单片机进行软件的设计。
(4）实现对湿度检测信号采集,单片机具有数据采集和处理能力。
参考资料
（1)《检测技术与系统设计》 张靖主编 中国电力出版社
(2）《MCS单片机应用技术选编》 和立民编 北京航空航天大学出版社
（3）《智能传感器系统设计与应用》 沙占友编 机械工业出版社
注：此表由指导教师填写后发给学生，学生按此表要求开展毕业设计（论文）工作。

仓库湿度的监测系统设计

摘 要

本系统主要介绍对8031的设计和使用， HS1100/HS1101湿度传感器的选择和特点，通过单片机对湿度传感器的检测和控制,从而对湿度的检测和控制,主要阐述了本系统的研究过程和研究方法,在程序设计中运用了模块化与结构化结合的程序设计技术提高了效率节省了空间也方便了程序的调试和使用维护.采用全隔离工作方式,故整个检测监控系统自动化程度高， 抗干扰性好， 工作状态稳定， 可靠，使用方便, 直观性强.可根据用户实际要求配制,检测系统内部使用单片机，实现了干温球法自动测量湿度，大大降低了湿度检测成本,使推广该系统成为可能。检测警系统性价比高,操作简单，可以帮助用户管理温室,解决了湿度的测量问题。湿度的监测在仓库管理、生产制造、现代物流、科学研究以及日常生活中被广泛应用.

关键词：单片机；湿度；检测

MONITORING SYSTEM DESIGN OF HUMIDITY IN THE WAREHOUSE

ABSTRACT

This system is mainly to introduce the design and use of 8031, selection and characteristics of HS1100/HS1101 humidity sensor, the detection and control of the humidity sensor chip， so as to detect and control the humidity, mainly elaborated the system research process and research methods， in the program design in the use of the program design of modular and structural combination technology to improve the efficiency of saving space and convenient debugging and maintenance. The isolation mode， so the whole monitoring system of high degree of automation, good anti—interference， stable working state, reliable, easy to use， strong visualizability. Can be formulated according to user's requirement， detection system for internal use microcontroller， realizing the automatic measurement of humidity dry Wenqiu method， greatly reducing the cost of humidity detection， the promotion of this system possible. Detection alarm system high cost performance, simple operation， can help users manage the greenhouse, solve the problem of measuring humidity. Humidity monitoring in warehouse management, manufacturing and modern logistics, scientific research and daily life has been widely used。本文为互联网收集，请勿用作商业用途文档为个人收集整理，来源于网络

Key words:single chip microcomputerhumidity；detection
目 录

第一章 绪论 1
1。1 选题背景 1
1.2 设计过程及工艺要求 1
第二章 方案的论证 2
2.1 湿度传感器的选择 2
2。2 信号采集通道的选择 2
第三章 系统总体设计 4
3.1 信号采集 4
3。1。1 湿度传感器 4
3.1。2 多路开关 6
3.2 单片机8031基本电路 7
3。2。1 系统时钟的设计 10
3。2.2 单片机外围的设计 11
3。3 显示与报警的设计 12
3.3。1 显示键盘接口电路 12
3。3。2 报警电路 12
第四章 软件设计 14
第五章 总结 16
参考文献 17
致谢 18

第一章 绪论

1。1 选题背景
防潮、防霉、防腐、防爆是仓库日常工作的重要内容，是衡量仓库管理质量的重要指标.它直接影响到储备物资的使用寿命和工作可靠性。为保证日常工作的顺利进行,首要问题是加强仓库内温度与湿度的监测工作。但传统的方法是用与湿度表、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。这种人工测试方法费时费力、效率低，且测试的温度及湿度误差大，随机性大.因此我们需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的温湿度测量仪.

1.2 设计过程及工艺要求
一、基本功能
检测湿度
显示湿度
过限报警
二、主要技术参数
湿度检测范围 ： 10%-100％RH
检测精度 ： 1%RH
显示方式 ： 温度：四位显示
报警方式 ： 三极管驱动的蜂鸣音报警

18
第二章 方案的论证

当将单片机用作测控系统时，系统总要有被测信号输入通道，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；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 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: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（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过程等。
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；响应时间小于5S；温度系数为0.04 pF/℃［2］。可见精度是较高的。

2。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:采用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ADC、S/H要求高。
（2） 硬件简单,成本低.
（3） 处理速度慢。
（4） 软件比较复杂。
第三章 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、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8031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、湿度检测、键盘及显示、报警电路、系统软件等部分的设计如图3—1所示:

图3-1 系统总体设计框图
本设计由信号采集、信号分析和信号处理三个部分组成的.
（一) 信号采集 由AD590、HS1100及多路开关CD4051组成；
（二) 信号分析 由A/D转换器MC14433、单片机8031基本系统组成；
（三） 信号处理 由串行口LED显示器和报警系统等组成。

3。1 信号采集
3.1.1 湿度传感器
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。下面 介绍HS1100/HS1101湿度传感器及其应用.
一、特点
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,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过程等.
二、湿度测量电路
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.如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号，我采用的方法:是将该湿敏电容置于555振荡电路中,将电容值的变化转为与之成反比的电压频率信号,可直接被计算机所采集.
频率输出的555测量振荡电路如图3—2所示.集成定时器555芯片外接电阻R4、R2与湿敏电容C，构成了对C的充电回路.7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对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［3]。另外,R3 是防止输出短路的保护电阻，R1 用于平衡温度系数。

图3-2 频率输出的555振荡电路
该振荡电路两个暂稳态的交替过程如下:首先电源Vs通过R4、R2 向C充电，经t充电时间后，Uc达到芯片内比较器的高触发电平，约0.67Vs，此时输出引脚3端由高电平突降为低电平，然后通过R2放电,经t放电时间后，Uc下降到比较器的低触发电平，约0.33Vs，
此时输出引脚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,充放电时间为：t充电=C（R4+R2）Ln2 t放电=CR2 Ln2 因而，输出的方波频率为：f=1/（t放电+t充电）=1/[ C（R4+R2)Ln2]可见，空气湿度通过555测量电路就转变为与之呈反比的频率信号，表1给出了一组典型测试值。
表3—1 空湿度与电压频率的典型值
湿度
频率
湿度
频率
％RH
HZ
％RH
HZ
０
7351
60
6600
10
7224
70
6468
20
7100
80
6300
30
6976
90
6168
40
6853
100
6033
50
6728

3.1.2 多路开关
多路开关，有称“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入端，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[4]。因此，多路开关通常是一种具有双向能力的器件.
在本设计中,由于采用了温湿度双量控制，所以在信号采集中将有两个模拟量被提取，这时选用多路开关就是很必要的。我选用的是CD4051多路开关，它是一种单片、COMS、8通道开关。该芯片由DTL/TTL—COMS电平转换器，带有禁止端的8选1译码器输入,分别加上控制的8个COMS模拟开关TG组成.CD4051的内部原理框图如图3—3所示

图3-3 CD4051内部原理框
图中功能如下：通道线(4、2、5、1、12、15、14、13）：引脚作为输入、输出时,实现1分8功能。
XCOM（3）:该引脚作为输出时，则为公共输出端；作为输入时,则为输入端.
A、B、C(11、10、9）：地址引脚INH（6）：禁止输入引脚。若INH为高电平，若INH为低电平,则允许各通道接通。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。

3.2 单片机8031基本电路
为了设计此系统，我采用了8031单片机作为控制芯片，在前向通道中是一个非电信号的电量采集过程。它由传感器采集非电信号，从传感器出来经过功率放大过程，使信号放大，再经过模/数转换成为计算机能识别的数字信号，再送入计算机系统的相应端口.
一、8031的概述
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、定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,即组成了单片微型计算机，其基本组成见图3-4所示。
8031就是MCS—51系列单片机中的一种.

图3-4 8031基本组成

图3-5 8031的引脚图

各引脚说明如下:
VCC ( 40引脚）：正常运行时提供电源。
VSS （20引脚）：接地。
XTAL1 (19引脚）：在单片机内部,它是一个反向放大器的输入端，该放大器构成了片内的震荡器，可以提供单片机的时钟信号,该引脚也是可以接外部的晶振的一个引脚，如采用外部振荡器时，对于8031而言此引脚应该接地.
XTAL2(18引脚）：在内部，接至上述振荡器的反向输入端，当采用外部振荡器时,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.
RST/VPD （9引脚)：在振荡器运行时，在此引脚加上两个机器周期的电平将单片机复位,复位后应使此引脚电平保持不高于0。5V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，以保持RAM数据不丢失，当BVCC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地址锁存允许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只出现一次，ALE断可驱动8个LS TTL负载，对于有片内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，P SEN非有两次在每个周期有效，在此期间,每当访问外部存储器时,两个有效的PSEN非将不再出现，同样这个引肚p可驱动8个LSTTL负载。/VPP (31引脚)：当保持高电平时,单片机访问内部存储器，当PC值超过OFFFH时，将自动转向片外存储器。当保持低电平时，则只访问外部程序存储器，对8031而言，此脚必须接地.
P0， P1， P2， P3: 8031有四个并行口，在这四个并行口中,可以在任何一个输出数据，又可以从它们那得到数据,故它们都是双向的，每一个I/O口内部都有一个8位数据输出锁存器和一个8位数据输入缓冲器，各成为SFR中的一个。PO口通常用做通用I/O口为CPU传送数据,P2口除了可以用做通用口以外，还具有第一功能,除PO口以外其余三个都是准双向口.
二、单片机复位电路
根据应用的要求,复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位.
上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。常用的上电复位电路如图（3-10a）中左图所示。图中电容C1和电阻R1对电源十SV来说构成微分电路。上电后，保持RST一段高电平时间，由于单片机内的等效电阻的作用，不用图中电阻R1,也能达到上电复位的操作功能，如图(3—6a)中所示。
上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位,并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。常用的上电或开关复位电路如图(3—6b）所示。上电后，由于电容C3的充电和反相门的作用,使RST持续一段时间的高电平。当单片机己在运行当中时，按下复位键K后松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。

图3-6 单片机的复位电路
3.2.1 系统时钟的设计
时钟电路是用来产生8031单片机工作时所必须的时钟信号，8031本身就是一个复杂的同步时序电路，为保证工作方式的实现，8031在唯一的时钟信号的控制下严格的按时序执行指令进行工作 ，时钟的频率影响单片机的速度和稳定性.通常时钟由于两种形式：内部时钟和外部时钟。
我系统采用内部时钟方式来为系统提供时钟信号.8031内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该放大器的输入输出引脚为XTAL1和XTAL2，它们跨接在晶体振荡器和用于微调的电容，便构成了一个自激励振荡器。
电路中的C1、C2的选择在30PF左右，但电容太小会影响振荡的频率、稳定性和快速性。晶振频率为在1。2MHZ～12MHZ之间,频率越高单片机的速度就越快,但对存储器速度要求就高。为了提高稳定性我采用温度稳定性好的NPO电容，采用的晶振频率为12MHZ.如图3-7所示:

图3-7 系统时钟
3。2.2 单片机外围的设计
在8031芯片的外围电路中必须对其进行程序存储器的扩展，和根据系统的需要对其进行数据存储器的扩展8031对程序存储器和数据存储器均可进行0000H—FFFFH的64K字节地址内容的有效寻址。由1片2764EPROM、1片6264RAM。
1片74LS138译码器及一些必要的逻辑器件构成。其框图如图3-8所示。由于检测系统需要对检测的温度数据进行记录保存，因此，在单片机的外围电路中设计了RAM掉电保护电路,保证存在6264RAM内的检测结果在断电后不丢失。8031的P1.OwP1。1作为位选信号使用,控制对应的2片多路模拟开关CD4051的选通。74LS373译码器的输出Y7用于A/D转换器的口地址,去控制74LS244缓冲器输出允许端。

图3-8 单片机外围电路
由于8031无内部ROM，故扩展的程序存储器地址为0000H—FFFFH,考虑系统的需要,我们将8031的程序存储器扩展为4KEPROM，采用2764作为ROM芯片。
程序存储器扩展的容量大于256字节，故EPROM片内地址线除了由PO口经地址存储器提供低8位地址外，还需要由P2口提供若干条地址线，我们选用8K的2764EPROM，故地址线应该是13条，因为系统中只扩展一片EPROM,所以不用片选信号,即EPROM的CE接地。在程序扩展中，我们选用的地址锁存器是74LS373。
3。3 显示与报警的设计
3.3.1 显示键盘接口电路
在单片机应用系统设计中,一般都是把键盘和显示器放在一起考虑。本设计是利用8031的串行口实现键盘/显示器接口。
当8031的串行口未作它用时,使用8031的串行口来外扩键盘/显示器。应用8031的串行口方式0的输出方式，在串行口外接移位寄存器74LS164，构成键盘/显示器接口,其硬件接口电路如图3-9所示：

图3—9 显示键盘接口电路
3。3。2 报警电路
在微型计算机控制系统中，为了安全生产，对于一些重要的参数，都设有紧急状态报警系统，以便提醒操作人员注意,或采取紧急措施。其方法是把计算机采集的数据或记过计算机进行数据处理、数字滤波，标度变换之后，与该参数上下限给定值进行比较，如果高于上限值（或低于下限值）则进行报警,否则就作为采样的正常值进行显示和控制。
本设计采用峰鸣音报警电路。接口电路的设计压电式蜂鸣器，然后通过MCS—51的1根口线经驱动器驱动蜂鸣音发声.压电式蜂鸣器约需10mA的驱动电流，现在用一个晶体三极管驱动。在图中,P3.2接晶体管基极输入端。当P3.2输出高电平“1”时,晶体管导通，压电蜂鸣器两端获得约+5V电压而鸣叫;当P3.2输出低电平“0"时，三极管截止，蜂鸣器停止发声。如图3-10所示：

图3—10 三极管驱动的蜂鸣音报警电路

第四章 软件设计

湿度控制主程序的设计应考虑以下问题：
（1）键盘扫描、键码识别和湿度显示；
（2）湿湿度采样，数字滤波;
(3)越限报警和处理；
5）湿度标度转换。通常符合上述功能的湿度控制程序由主程序和T0中断服务程序两部分组成。

图4—1 主程序流程图 图4-2 T0中断流程图

图4—3 温度采样子程序流程图 图4—4 键扫描子程序流程图

图4-5 报警子程序流程图

第五章 总结

该检测仪适用于需要对湿度实时检测的多种场合.由于采用了测量范围广、精度高、响应速度快的电容式湿度传感器来进行湿度采样，因此该检测仪基本上达到技术指标中对相对湿度测量精度和分辨力的要求。该检测仪在湿度的线性化上用的时间可能会稍长一些。但是8031单片机工作频率较高，并且只有环境湿度较高时才会出现处理时间延长现象,因此并不影响检测仪的实时检测指标。
本次设计中本设计也遇到很多问题，也正是对这些问题的逐步解决该检测仪顺利设计完成.本设计的设计主要面临着硬件设计和软件设计的两大问题，以及硬件和软件的结合。软件设计中面临的主要问题是环境湿度数据的采集方法,相对湿度的温度补偿和线性化处理。在指导老师的悉心辅导下和查阅大量资料之后，然后采用了8031数据采集芯片并配合其它一些元器件的硬件设计方案,使以上问题得到了很好解决 .
由于这次设计的时间较短，该检测仪的主要功能已经实现，要达到实用，还需继续进一步进行研究设计。

参考文献

［1]张琳娜,刘武发传感检测技术及应用。中国计量出版社，1999
[2]刘笃仁，韩保君。传感器原理及应用技术.机械工业出版社，2003:8
［3]李建民.单片机在温度控制系统中的应用.江汉大学学报，1996：6
［4］高光天。仪表放大器应用。科学出版社,1995
［5]邵敏权,刘刚。单片机原理实验及应用.吉林科学技术出版社，1995:1
［6]陈汝全。实用微机与单片机控制技术。电子科技大学出版社，1995：7
［7］李华.MCS-51系列单片机应用接口技术.北京航空航天大学出版,1993
［8]于微波,林晓梅,刘俊萍.微型机算计控制系统。吉林人民出版社,2002：5
致谢

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