江西理工大學應用科學學院畢業論文基于單片機倉庫溫濕度的檢測系統 姓名 宋紹長 專業 電氣081 學號 34 指導老師 李慧摘要本文是針對我國中型倉庫的檢測現狀，進行研究開發，采用較為實用和先進的單片機控制技術，運用溫度傳感器和濕度傳感器對溫濕度的敏感性設計的一種基于多路信號輸入的倉庫溫濕度檢測系統。防潮、防霉、防腐、防爆是倉庫日常工作的重要內容，是衡量倉庫管理質量的重要指標。它直接影響到儲備物資的使用壽命和工作可靠性。為保證日常工作的順利進行，首要問題是加強倉庫內溫度與濕度的監測工作。但傳統的方法是用與濕度表、毛發濕度表、雙金屬式測量計和濕度試紙等測試器材，通過人工進行檢測，對不符合溫度和濕度要求的庫房進行通風、去濕和降溫等工作。這種人工測試方法費時費力、效率低，且測試的溫度及濕度誤差大，隨機性大。而本文就是針對這種現狀的缺陷而研究的一種系統，設計一種造價低廉、使用方便且測量準確的溫濕度測量儀，是本設計的一個突出點。在研究了多種濕度傳感器性能的基礎上選用了合適的濕度傳感器，這是本設計的一個重點，而采用多路分時的模擬量輸入通道是本設計的另一個重點。關鍵詞：，濕度傳感器，溫度傳感器，AD590，8031單片機。 ABSTRACTthis article is aiming at the current detection, medium warehouse carries out research and development, using more practical and advanced MCU control technology, using the temperature sensor of temperature and humidity sensor sensitivity design based on a multi -channel signal input warehouse temperature detection system. Moistureproof, mouldproof, anticorrosion, explosion-proof is the important content of the warehouse daily work, is an important index of warehouse management quality. It directly affects reserves of life and reliability. To ensure the daily work smoothly, the main issue was to strengthen the temperature and humidity in the warehouse monitoring work. But the traditional method is to use and humidity table, hair moisture, dual metal type meter and humidity dipstick test equipment, etc by artificial detection, temperature and humidity is not in conformity with the requirements of the storehouse for ventilation and cooling to wet and etc. This manual testing method is time-consuming, low efficiency, and testing of temperature and humidity, random error. This paper is based on the present situation of the research and the defect, design a system of a kind of low cost, convenient and accurate measurement of the temperature and humidity measurement instrument, is the design of a prominent. In the study of humidity sensors based on the performance of the appropriate chooses humidity sensor, this is the design of a key, and use of multi-channel analog input channel is the design of another.Keywords: humidity and temperature test, test, the single chip microcomputer 8031 AD590 to.目錄摘要1第一章 緒論51.1 選題背景及意義51.2 國內外相關技術發展概況61.3 設計過程及工藝要求6第二章 方案的比較和論證82.1 溫度傳感器的選擇82.2 濕度傳感器的選擇92.3 信號采集通道的選擇10第三章系統總體設計123.1 信號采集123.1.1 溫度傳感器123.1.2 濕度傳感器183.1.3 多路開關213.2 信號分析與處理233.2.1 A/D轉換233. 2. 2單片機8031283. 2. 3數據存儲器的掉電保護323. 2. 4系統時鐘的設計333. 3 顯示與報警的設計343. 3. 1顯示電路34第四章 軟件設計364.1 主程序流程圖364.2 中斷程序374.3 溫度采樣子程序流程圖384.5 報警子程序流程圖：39結 論40致 謝41附錄A：LED顯示屏的基本工作原理43附錄B The LED display the basic working principle44附錄C:電路原理圖46附錄D:源程序47第一章 緒論1.1 選題背景及意義 科學合理的實用倉庫是當今我國及全世界物資儲存的一項重要任務，若使用、管理不當，使重要物資受潮，或需低溫儲藏的物資受高溫環境影響，將會造成無法估計的損失。最典型的一個例子就是糧食儲備基地的倉庫實用。眾所周知，糧食的儲存需要合適的濕度和溫度，若管理不當，糧食受潮發霉或生蟲，將會造成大量的糧食浪費。糧食管理中最重要的就是溫度和濕度的變化控制，沒有合理科學的檢測系統，就無法談科學的控制系統。糧庫一般由幾十個甚至上百個由水泥或鋼板構成的圓型倉組成，糧倉高20一30m。現在，我國在糧倉建設上己實現規范化，但是監測手段一直未能實現同步現代化。我國許多儲備糧庫每年都因測控設備的不完善而導致部分糧食霉變，許多大型儲備糧庫的測控設備仍需高價進口，因此國家準備在未來的幾年內對全國所有的糧庫進行翻新和改造工作，要求規范糧庫管理，實現糧庫管理現代化。影響儲糧安全的最主要因素是糧堆內的大氣條件(相對濕度和溫度的日變化和季節變化)，這就要求能有一種有效的、低成本的儀表來實現監測控制功能，使得管理人員能夠方便有效地進行監控操作。如果建立計算機監測系統，用單片機作為前沿機對現場進行數據采集，然后通過單片機串行口與上位機(一般為PC機)聯網通訊構成集散數據采集系統，實現遙測功能，就會產生較好的效果。通過計算機檢測并控制糧食儲備庫中糧食的基本溫度和濕度情況。利用微機技術對糧倉進行檢控，用戶可以方便地構造自己所需要的數據采集系統，在任何時候把糧倉現場的信息實時地傳到控制室，管理人員不進入現場就可以按照所需的溫度和濕度要求對糧倉內的溫濕度情況進行控制，提高了生產效率，增強了糧倉內存儲安全，獲得了糧倉的實時管理，實現自動化，智能化。微機測量是微機設計的第一步，是微機測量技術的現場部分，即測量糧倉中的溫度和濕度，并使用單片機對測量的數據進行處理并對糧倉內的溫濕度進行控制。1.2 國內外相關技術發展概況 溫濕度測控系統主要應用于控制環境空間的溫度和相對濕度，從系統控制的角度來看，屬于純滯后控制，技術已經非常成熟。從提高可靠性、靈活性和降低成本的要求來看，國內外的溫濕度測控系統仍然不斷地在改進，系統結構已經普遍采用網絡連接的現場總線技術(FCS)有些需要的場合，則連接到INTERNET上，實現遠程控制、遠程診斷。另一方面，構成系統整體的測控技術和管理，無論是硬件和軟件，國內外已普遍采用相應的標準模塊集成，并且早已實現組態。傳統的機械式溫度檢測儀表己經有上百年的歷史了，一般均具有指示溫度的功能，由于測溫原理不同，不同的儀表在報警、記錄、控制信息遠傳等方面有較大的差別。今年來由于微電子的進步以及計算機應用的日益廣泛，智能化測量儀表己經取得巨人的進步，以單片機為主體的溫度控制器取代了傳統的儀器儀表。常規電子線路，可以容易地將計算機技術與測量技術結合起來。智能儀表在測量過程自動化，測量結果的數據處理以及功能的多樣化方面都取得了巨大的進展。目前，在研制高精度，高性能，多功能的測量儀表時，幾乎沒有不考慮使用單片機使之成為智能儀表的。對于濕度測量，初期限于滿足氣象工作的需要，出現了諸如毛發溫度計，干濕球溫度計等測量儀表，隨著高空探測技術的發展以及生產和科研對溫度測量要求的提高，特別是微型電子計算機在各種自動控制系統中的廣泛應用，濕度的測量也逐漸實現了自動化和智能化。1.3 設計過程及工藝要求 一、基本功能 檢測溫度、濕度 顯示溫度、濕度 過限報警二、 主要技術參數 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 報警方式 ： 三極管驅動的蜂鳴音報警第二章 方案的比較和論證當將單片機用作測控系統時，系統總要有被測信號懂得輸入通道，由計算機拾取必要輸入信息。對于測量系統而言，如何準確獲得被測信號是其核心任務；而對測控系統來講，對被控對象狀態的測試和對控制條件的監察也是不可缺少的環節。傳感器是實現測量與控制的首要環節，是測控系統的關鍵部件，如果沒有傳感器對原始被測信號進行準確可靠的捕捉和轉換，一切準確的測量和控制都將無法實現。工業生產過程的自動化測量和控制，幾乎主要依靠各種傳感器來檢測和控制生產過程中的各種參量，使設備和系統正常運行在最佳狀態，從而保證生產的高效率和高質量。2.1 溫度傳感器的選擇方案一：采用熱電阻溫度傳感器。熱電阻是利用導體的電阻隨溫度變化的特性成的測溫元件。現應用較多的有鉑、銅、鎳等熱電阻。其主要的特點為精度高、測量范圍大、便于遠距離測量。鉑的物理、化學性能極穩定，耐氧化能力強，易提純，復制性好，工業性好，電阻率較高，因此，鉑電阻用于工業檢測中高精密測溫和溫度標準。缺點是價格貴，溫度系數小，受到磁場影響大，在還原介質中易被玷污變脆。按IEC標準測溫范圍-200650，百度電阻比W（100）=1.3850時，R0為100和10，其允許的測量誤差A級為（0.15+0.002 |t|），B級為（0.3+0.005 |t|）。銅電阻的溫度系數比鉑電阻大，價格低，也易于提純和加工；但其電阻率小，在腐蝕性介質中使用穩定性差。在工業中用于-50180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，無需進行線性校正，所以使用也非常方便，借口也很簡單。作為電流輸出型傳感器的一個特點是，和電壓輸出型相比，它有很強的抗外界干擾能力。AD590的測量信號可遠傳百余米。綜合比較方案一與方案二，方案二更為適合于本設計系統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，其原理是根據某種物質從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學性質的變化，間接地獲得該物質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其高分子材料吸濕后的介電常數、電阻率和體積隨之發生變化而進行濕度測量的。 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傳感器，它的工作電壓為交流1V以下，頻率為50HZ1KHZ，測量濕度范圍為0100%RH，工作溫度范圍為050，阻抗在75%RH（25）時為1M。這種傳感器原是用于開關的傳感器，不能在寬頻帶范圍內檢測濕度，因此，主要用于判斷規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。不需校準的完全互換性，高可靠性和長期穩定性，快速響應時間，專利設計的固態聚合物結構，由頂端接觸（HS1100）和側面接觸（HS1101）兩種封裝產品，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；電容量由16pF變到200pF，其誤差不大于2%RH；響應時間小于5S；溫度系數為0.04 pF/。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計系統中對溫度-3050的要求，因此，我們選擇方案二來作為本設計的濕度傳感器。2.3 信號采集通道的選擇在本設計系統中，溫度輸入信號為8路的模擬信號，這就需要多通道結構。方案一、采用多路并行模擬量輸入通道。這種結構的模擬量通道特點為：（1） 可以根據各輸入量測量的餓要求選擇不同性能檔次的器件。總體成本可以作得較低。（2） 硬件復雜，故障率高。方案二、采用多路分時的模擬量輸入通道。 這種結構的模擬量通道特點為：（1） 對ADC、S/H要求高。（2） 處理速度慢。（3） 硬件簡單，成本低。（4） 軟件比較復雜。綜合比較方案一與方案二，方案二更為適合于本設計系統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點，所以選擇方案二作為信號的輸入通道。信號調理電路采樣保持器AD轉換器接口信號調理電路采樣保持器AD轉換器接口信號調理電路采樣保持器AD轉換器接口CPU上圖多路并行模擬量輸入通道信號調理電路CPU多路切換器信號調理電路A|D轉換器采樣保持器接口信號調理電路上圖多路分時的模擬量輸入通道 第三章系統總體設計本設計是基于單片機對數字信號的高敏感和可控性、溫濕度傳感器可以產生模擬信號，和A/D模擬數字轉換芯片的性能，我設計了以8031基本系統為核心的一套檢測系統，其中包括A/D轉換、單片機、復位電路、溫度檢測、濕度檢測、鍵盤及顯示、報警電路、系統軟件等部分的設計。串行口LED顯示器單片機MC14433AD轉換器CD4051多路開關AD590溫度檢測報警系統CD4051多路開關HS1100濕度檢測系統總體框圖本設計由信號采集、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CD4051組成； （二） 信號分析 由A/D轉換器MC14433、單片機8031基本系統組成； （三） 信號處理 由串行口LED顯示器和報警系統等組成。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的集成兩端感溫電流源。一 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。 1、流過器件的電流（A）等于器件所處環境的熱力學溫度（開爾文）度數，即：I T/T=1A /K式中：IT 流過器件（AD590）的電流，單位A。T熱力學溫度，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1A，相當于溫度變化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710M。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，非線形誤差0.3。AD590的工作原理在被測溫度一定時，AD590相當于一個恒流源，把它和530V的直流電源相連，并在輸出端串接一個1k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1mVK的電壓信號。其基本電路如圖3-3所示。圖3-3AD590內部核心電路圖3是利用UBE特性的集成PN結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，兩個管的材質和工藝完全相同，但T3實質上是由n個晶體管并聯而成，因而其結面積是T4的n倍。T3和T4的發射結電壓UBE3和UBE4經反極性串聯后加在電阻R上，所以R上端電壓為UBE。因此，電流I1為： I1UBER（KTq）（lnn）R對于AD590，n8，這樣，電路的總電流將與熱力學溫度T成正比，將此電流引至負載電阻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線電阻的影響。圖3中的電阻R是在硅板上形成的薄膜電阻，該電阻已用激光修正了其電阻值，因而在基準溫度下可得到1AK的I值。圖4所示是AD590的內部電路，圖中的T1T4相當于圖3-3中的T1、T2，而T9，T11相當于圖3-3中的T3、T4。R5、R6是薄膜工藝制成的低溫度系數電阻，供出廠前調整之用。T7、T8，T10為對稱的Wilson電路，用來提高阻抗。T5、T12和T10為啟動電路，其中T5為恒定偏置二極管。T6可用來防止電源反接時損壞電路，同時也可使左右兩支路對稱。R1，R2為發射極反饋電阻，可用于進一步提高阻抗。T1T4是為熱效應而設計的連接防式。而C1和R4則可用來防止寄生振蕩。該電路的設計使得T9，T10，T11三者的發射極電流相等，并同為整個電路總電流I的13。T9和T11的發射結面積比為8：1，T10和T11的發射結面積相等。T9和T11的發射結電壓互相反極性串聯后加在電阻R5和R6上，因此可以寫出： UBE（R62 R5）I3R6上只有T9的發射極電流，而R5上除了來自T10的發射極電流外，還有來自T11的發射極電流，所以R5上的壓降是R5的23。根據上式不難看出，要想改變UBE，可以在調整R5后再調整R6，而增大R5的效果和減小R6是一樣的，其結果都會使UBE減小，不過，改變R5對UBE的影響更為顯著，因為它前面的系數較大。實際上就是利用激光修正R5以進行粗調，修正R6以實現細調，最終使其在250之下使總電流I達到1AK。二 基本應用電路圖3-5是AD590用于測量熱力學溫度的基本應用電路。因為流過AD590的電流與熱力學溫度成正比，當電阻R1和電位器R2的電阻之和為1k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，因此應對電路進行調整，調整的方法為：把AD590放于冰水混合物中，調整電位器R2，使V0=273.2+25=298.2（mV）。但這樣調整只保證在0或25附近有較高的精度。圖3-5 AD590應用電路三 攝氏溫度測量電路如圖3-5所示，電位器R2用于調整零點，R4用于調整運放LF355的增益。調整方法如下：在0時調整R2，使輸出V0=0，然后在100時調整R4使V0=100mV。如此反復調整多次，直至0時，V0=0mV，100時V0=100mV為止。最后在室溫下進行校驗。例如，若室溫為25，那么V0應為25mV。冰水混合物是0環境，沸水為100環境。四 多路檢測信號的實現 本設計系統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3-6所示圖3-6 為八路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，其原理是根據某種物質從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學性質的變化，間接地獲得該物質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其高分子材料吸濕后的介電常數、電阻率和體積隨之發生變化而進行濕度測量的。下面 介紹HS1100/HS1101濕度傳感器及其應用。一、特點不需校準的完全互換性，高可靠性和長期穩定性，快速響應時間，專利設計的固態聚合物結構，由頂端接觸（HS1100）和側面接觸（HS1101）兩種封裝產品，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3-7a為濕敏電容工作的溫、濕度范圍。圖3-7b為濕度-電容響應曲線。圖3-7a、濕敏電容工作的溫、濕度范圍圖3-7b、濕度-電容響應曲線。相對濕度在1%-100%RH范圍內；電容量由16pF變到200pF，其誤差不大于2%RH；響應時間小于5S；溫度系數為0.04 pF/。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確地轉變為計算機易于接受的信號，常有兩種方法：一是將該濕敏電容置于運方與租蓉組成的橋式振蕩電路中，所產生的正弦波電壓信號經整流、直流放大、再A/D轉換為數字信號；另一種是將該濕敏電容置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉為與之成反比的電壓頻率信號，可直接被計算機所采集頻率輸出的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，構成了對C的充電回路。7端通過芯片內部的晶體管對地短路又構成了對C的放電回路，并將引腳2、6端相連引入到片內比較器，便成為一個典型的多諧振蕩器，即方波發生器。另外，R3 是防止輸出短路的保護電阻，R1 用于平衡溫度系數。圖3-7、頻率輸出的555振蕩電路該振蕩電路兩個暫穩態的交替過程如下：首先電源Vs通過R4、R2 向C充電，經t充電時間后，Uc達到芯片內比較器的高觸發電平，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t放電時間后，Uc下降到比較器的低觸發電平，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）Ln2 t放電=CR2 Ln2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測量電路就轉變為與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。濕度%RH0102030405060708090100頻率HZ73517224711069796853672866006468633061696033三 多路檢測信號的實現本設計系統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 多路開關多路開關，有稱“多路模擬轉換器”。多路開關通常有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，實現有n線到一線的接通功能。反之，當模擬信號有公共輸出端輸入時 ，作為信號分離器，實現了1線到n線的分離功能。因此，多路開關通常是一種具有雙向能力的器件。在本設計中，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，這時選用多路開關就是很必要的。我選用的是CD4051多路開關，它是一種單片、COMS、8通道開關。該芯片由DTL/TTL-COMS電平轉換器，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TG組成。CD4051的內部原理框圖如圖3-9所示。圖中功能如下：通道線IN/OUT（4、2、5、1、12、15、14、13）：該組引腳作為輸入時，可實現8選1功能，作為輸出時，可實現1分8功能。XCOM（3）：該引腳作為輸出時，則為公共輸出端；作為輸入時，則為輸入端。A、B、C（11、10、9）：地址引腳INH（6）：禁止輸入引腳。若INH為高電平，則為禁止各通道和輸出端OUT/IN接至；若INH為低電平，則允許各通道按表3-2關系和輸出段OUT/IN接通。VDD（16）和VSS（8）：VDD為正電源輸入端，極限值為17V；VSS為負電源輸入端，極限值為-17V。VGG（7）；電平轉換器電源，通常接+5V或-5V。CD4051作為8選1功能時，若A、B、C均為邏輯“0”（INH=0），則地址碼00013經譯碼后使輸出端OUT/IN和通道0接通。其它情況下，輸出端OUT/IN輸出端OUT/IN和各通道的接通關系如下輸入狀態接通通道 輸入狀態接通通道INH C B AINH C B A000000101500011011060010201117001131xxx均不顯示010043.2 信號分析與處理3.2.1 A/D轉換一A/D轉換器的特點為了把溫度、濕度檢測電路測出的模擬信號轉換成數字量送CPU處理，本系統選用了雙積分A/D轉換器MC14433，它精度高，分辨率達1/1999。由于MC14433只有一路輸入，而本系統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，可輸入多路模擬量。MC14433 A/D 轉換器由于雙積分方法二次積分時間比較長，所以A/D轉換速度慢，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，國內外雙積分A/D轉換器集成電路芯片很多，大部分是用于數字測量儀器上。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轉換器ICL7135二MC14433A/D轉換器件簡介MC14433是三位半雙積分型的A/D轉換器，具有精度高，抗干擾性能好的優點，其缺點是轉換速率低，約110次/秒。在不要求高速轉換的場合，例如，在低速數據采集系統中，被廣泛采用。MC14433A/D轉換器與國內產品5G14433完全相同，可以互換。MC14433A/D轉換器的被轉換電壓量程為199.9mV或1.999V。轉換完的數據以BCD碼的形式分四次送出（最高位輸出內容特殊，詳見表3-3）。圖3-10 MC14433A/D轉換器的內部邏輯框圖 圖3-11 MC14433引腳圖MC14433 的框圖（圖3-10）和引腳（圖3-11）功能說明各引腳的功能如下：電源及共地端VDD： 主工作電源+5V。VEE: 模擬部分的負電源端，接-5V。VAG： 模擬地端。VSS： 數字地端。VR： 基準電壓。外界電阻及電容端RI： 積分電阻輸入端，VX=2V時，R1=470；VX=200Mv時，R1=27K。C1： 積分電容輸入端。C1 一般為0.1F。 C01、C02： 外界補償電容端，電容取值約0.1F。 R1/C1： R1 與C1的公共端。CLKI、CLKO ： 外界振蕩器時鐘調節電阻Rc，Rc一般取 470 K左右。轉換啟動/結束信號端EOC：轉換結束信號輸出端，正脈沖有效。DU： 啟動新的轉換，若DU與EOC相連，每當A/D轉換結束后，自動啟動新的轉換。過量程信號輸出端/OR ：當|Vx|VR，過量程/OR 輸出低電平。位選通控制線DS4-DS1： 選擇個、十、百、千位，正脈沖有效。DS1 對應千位，DS4 對應個位。每個選通脈沖寬度為18個時鐘周期，兩個相應脈沖之間間隔為2個時鐘周期。 圖3-12 MC14433選通脈沖時序圖BCD碼輸出線Q0-Q3： BCD碼輸出線。其中Q0為最低位，Q3 為最高位。當DS2、DS3和DS4選通期間，輸出三位完整的BCD碼數，但在DS1選通期間，輸出端Q0-Q3 除了表示個位的0或1外，還表示了轉化值的正負極性和欠量程還是過量程其含意見表3-3表3-3、DS1選通時Q3Q0表示的結果Q3Q2Q1Q0表示結果1XX0千位數位00XX0千位數位1X1X0結果為正X0X0結果為負0XX1輸入過程量1XX1輸入欠由表可知Q3 表示1/2位，Q3=“0”對應1，反之對應0。 Q2 表示極性，Q2=“1”為正極性，反之為負極性。 Q0=“1”表示超量程：當Q3=“0”時，表示過量程；當Q3=“1”時，表示欠量程；一 MC14433與8031單片機的接口設計由于MC14433的A/D轉換結果是動態分時輸出的BCD碼，Q0Q3HE DS1DS4都不是總線式的。因此，MCS-51單片機只能通過并行I/O接口或擴展I/O接口與其相連。對于8031單片機的應用系統來說，MC14433可以直接和其P1口或擴展I/O口8155/8255相連。下面是MC14433與8031單片機P1口直接相連的硬件接口，接口電路如圖3-13所示 圖3-13 MC14433與8031單片機P1口直接相連的硬件接口3. 2. 2單片機8031為了設計此系統，我們采用了8031單片機作為控制芯片，在前向通道中是一個非電信號的電量采集過程。它由傳感器采集非電信號，從傳感器出來經過功率放大過程，使信號放大，再經過模/數轉換成為計算機能識別的數字信號，再送入計算機系統的相應端口。由于8031中無片內ROM，且數據存儲器也不能滿足要求，經擴展2762和6264來達到存儲器的要求，其結果通過顯示器來進行顯示輸出。3. 2. 2. 1 8031的片內結構8031是有8個部件組成，即CPU，時鐘電路，數據存儲器，并行口（P0P3）串行口，定時計數器和中斷系統，它們均由單一總線連接并被集成在一塊半導體芯片上，即組成了單片微型計算機，8031就是MCS-51系列單片機中的一種CPU中央處理器：中央處理器是8031的核心，它的功能是產生控制信號，把數據從存儲器或輸入口送到CPU或CPU數據寫入存儲器或送到輸出端口。還可以對數據進行邏輯和算術的運算。 時鐘電路：8031內部有一個頻率最大為12MHZ的時鐘電路，它為單片機產生時鐘序列，需要外接石英晶體做振蕩器和微調電容。內存：內部存儲器可分做程序存儲器和數據存儲器，但在8031中無片內程序存儲器 。定時/計數器：8031有兩個16位的定時/計數器，每個定時器/計數器都可以設置成定時的方式和計數的方式，但只能用其中的一個功能，以定時或計數結果對計算機進行控制。并行I/O口：MCS-51有四個8位的并行I/O口，P0，P1，P2，P3，以實現數據的并行輸出。串行口：它有一個全雙工的串行口，它可以實現計算機間或單片機同其它外設之間的通信，該并行口功能較強，可以做為全雙工異步通訊的收發器也可以作為同步移位器用。 中斷控制系統：8031有五個中斷源，既外部中斷兩個，定時計數中斷兩個，串行中斷一個，全部的中斷分為高和低的兩個輸出級。3. 2. 2. 2 8031的引腳圖3-15 8031引腳圖8031的制作工藝為HMOS，采用40管腳雙列直插DIP封裝，引腳說明如下：VCC（40引腳）正常運行時提供電源。VSS（20引腳）接地。XTAL1（19引腳）在單片機內部，它是一個反向放大器的輸入端，該放大器構成了片內的震蕩器，可以提供單片機的時鐘信號，該引腳也是可以接外部的晶振的一個引腳，如采用外部振蕩器時，對于8031而言此引腳應該接地。XTAL2（18引腳）在內部，接至上述振蕩器的反向輸入端，當采用外部振蕩器時， 對MCS51系列該引腳接收外部震蕩信號，即把該信號直接接到內部時鐘的輸入端。RST/VPD（9引腳）在振蕩器運行時，在此引腳加上兩個機器周期的電平將單片機復位，復位后應使此引腳電平保持不高于0.5V的低電平以保證8031正常工作。在掉電時，此引腳接備用電源VDD，以保持RAM數據不丟失，當BVCC低于規定的值時，而VPD在其規定的電壓范圍內時，VPD就向內部數據存儲器提供備用電源。ALE/PROG（30引腳）當8031訪問外部存儲器時，包括數據存儲器和程序存儲器，ALE9地址鎖存允許0輸入的脈沖的下沿用于鎖存16位地址的低8位，在不訪問外部存儲器的時候，ALE仍有兩個周期的正脈沖輸出，其頻率為振蕩器的頻率的1/6，在訪問外存儲器的是候，在兩個周期中，ALE只出現一次，ALE斷可驅動8個LS TTL負載，對于有片內EPROM的而言，在EPROM編程期間，此腳用于輸入編程脈沖PROG。（29引腳）此腳輸出為 單片機內訪問外部程序存儲器的讀選通信號，在讀取外部指令期間， PSEN非有兩次在每個周期有效，在此期間，每當訪問外部存儲器時，兩個有效的PSEN非將不再出現，同樣這個引腳可驅動8個LSTTL負載。/VPP（31引腳）當保持高電平時，單片機訪問內部存儲器，當PC值超過0FFFH時，將自動轉向片外存儲器。當保持低電平時，則只訪問外部程序存儲器，對8031而言，此腳必須接地。P0，P1，P2，P3：8031有四個并行口，在這四個并行口中，可以在任何一個輸出數據，又可以從它們那得到數據，故它們都是雙向的，每一個I/O口內部都有一個8位數據輸出鎖存器和一個8位數據輸入緩沖器，各成為SFR中的一個，因此CPU數據從并行I/O口輸出時可以得到鎖存，數據輸入時可以得到緩沖，但他們在功能和用途上的差異很大，P0和P2口內部均有個受控制器控制的二選一選擇電路，故它們除可以用做通用I/O口以外還具有特殊的功能，P0口通常用做通用I/O口為CPU傳送數據，P2口除了可以用做通用口以外，還具有第一功能，除P0口以外其余三個都是準雙向口。8031有一個全雙工串行口，這個串行口既可以在程序下把CPU的8位并行數據變成串行數據一位一位的從發送數據線發送出去，也可以把串行數據接受進來變成并行數據給CPU，而且這種串行發送和接收可以單獨進行也可以同時進行。8031的 串行發送和接收利用了P3口的第二功能，利用P3.1做串行數據接收線，串行接口的電路結構還包括了串行口控制寄存器SCON，電源及波特率選擇寄存器PCON和串行緩沖寄存器SBUF，他們都屬于SFR，PCON和SCON用于設置串行口工作方式和確定數據發送和接收，SBUF用于存放欲發送的數據起到緩沖的作用。 3. 2. 2. 3 8031程序存儲器MCS-51系列單片機的內部ROM是不同的，8051有4K的ROM，而8751則是4K光可擦寫EPROM，而我們所采用的8031則沒有片內的ROM，但是無論那種型號的芯片都可以在片外擴展多達64K的片外程序存儲器，外部程序存儲器擴展的大小以滿足系統要求即可，或有特殊要求或為了以后升級方便采用大容量的片外程序存儲器。當外接程序存儲器的時候，單片機通過P2口和P0口輸出16位的地址，即可尋址的外部程序存儲器單元的地址，使用ALE作為低8位地址鎖存器信號，再由P0口讀回指令的代碼，用PSEN非作為外部程序存儲器的選通信號。單片機有一個程序計數器PC，它始終存著CPU要讀取的機器碼的所在地址，單片機工作時，PC自動加一，此時程序開始順序執行，因為單片機程序 訪問空間是64K，故需要16條地址線，當接“0”則8031在片外程序存儲器中讀取指令，此時片外程序存儲器從0000H開始編址，因為8031無片內程序存儲器，故在此系統中必須接地使CPU到外部ROM中去尋址。在程序存儲器中有六個單元有特定的含義：0000H單元：單片機復位后，PC=0000H即從此處開始執行指令。0003H單元：外部中斷0入口地址。000BH單元：定時器0溢出中斷入口地址。0013H單元：外部中斷1入口地址。001BH單元：定時器溢出中斷入口地址。0023H單元：串行口中斷入口地址。使用時常在這些入口外安放一條絕對跳轉指令，使程序跳轉到擁護安排的中斷處理程序的起始地址，或從0000H外執行一跳轉指令，跳轉到用戶設計的初始程序入口。3. 2. 2. 4 8031數據存儲器數據存儲器用于存放運算中間的結果、數據暫存、緩沖、標志位、待測程序等功能。片內的128B的RAM地址為00H7FH，供用戶做RAM用，但是在這中間的前32單元，00H1FH即引用地址尋址做用戶RAM用，常常做工作寄存器區，分做四組，每組由8個單元組成通用寄存器R0R7，任何時候都由其中一組作為當前工作寄存器，通過RS0，RS1的內容來決定選擇哪一個工作寄存器。低128字節中的20H2FH共16字節可用位尋址方式訪問各位，共128個位地址，30H7FH共80個單元為用戶RAM區，作堆棧或數據緩沖用，片內RAM不夠用時，須擴展片外數據存儲器。此時單片機通過P2口和P0口選出6位地址，使用ALE作低8位的鎖存信號，再由P0口寫入或讀出數據。寫時用，讀時用做外部數據存儲器的選通信號。3. 2. 3數據存儲器的掉電保護單片機系統內的RAM數據是非常容易丟失的，特別是一些珍貴的科研數據，一旦丟失后果不堪設想，因此掉電保護是必須要做的，一旦電源發生掉電現象，在掉電的瞬間系統能自動保護RAM中的數據和系統的運行狀態，當電源恢復正常供電后能恢復到掉電前的工作狀態。3. 2. 4系統時鐘的設計時鐘電路是用來產生8031單片機工作時所必須的時鐘信號，8031本身就是一個復雜的同步時序電路，為保證工作方式的實現，8031在唯一的時鐘信號的控制下嚴格的按時序執行指令進行工作 ，時鐘的頻率影響單片機的速度和穩定性。通常時鐘由于兩種形式：內部時鐘和外部時鐘。我們系統采用內部時鐘方式來為系統提供時鐘信號。8031內部有一個用于構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的電容，便構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、穩定性和快速性。晶振頻率為在1.2MHZ12MHZ