[免费论文]仓库温湿度的监测系统设计(一)信(2)

3.2信号分析与处理

3.2信号分析与处理

3.2.1 A/D转换

（1）A/D转换器的特点

为了把温度、湿度检测电路测出的模拟信号转换成数字量送CPU处理，本系统选用了双积分A/D转换器MC14433，它精度高，分辨率达1/1999。由于MC14433只有一路输入，而本系统检测的多路温度与湿度信号输入，故选用多路选择电子开关，可输入多路模拟量。

（2）MC14433A/D转换器件简介

MC14433是三位半双积分型的A/D转换器，具有精度高，抗干扰性能好的优点，其缺点是转换速率低，约1—10次/秒。在不要求高速转换的场合，例如，在低速数据采集系统中，被广泛采用。MC14433A/D转换器与国内产品5G14433完全相同，可以互换。MC14433A/D转换器的被转换电压量程为199.9mV或1.999V。转换完的数据以BCD码的形式分四次送出。

3.2.2单片机8031 

为了设计此系统，我们采用了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。

由于8031中无片内ROM，且数据存储器也不能满足要求，经扩展2762和6264来达到存储器的要求，其结果通过显示器来进行显示输出。

（1） 8031的片内结构

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，8031就是MCS-51系列单片机中的一种。基本组成如图7所示。

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图7  8031基本组成

① CPU中央处理器：

中央处理器是8031的核心，它的功能是产生控制信号，把数据从存储器或输入口送到CPU或CPU数据写入存储器或送到输出端口。还可以对数据进行逻辑和算术的运算。 

② 时钟电路：

8031内部有一个频率最大为12MHZ的时钟电路，它为单片机产生时钟序列，需要外接石英晶体做振荡器和微调电容。

③ 内存：

内部存储器可分做程序存储器和数据存储器，但在8031中无片内程序存储器 。

④ 定时/计数器：

8031有两个16位的定时/计数器，每个定时器/计数器都可以设置成定时的方式和计数的方式，但只能用其中的一个功能，以定时或计数结果对计算机进行控制。

⑤ 并行I/O口：

MCS-51有四个8位的并行I/O口，P0，P1，P2，P3，以实现数据的并行输出。

⑥ 串行口：

它有一个全双工的串行口，它可以实现计算机间或单片机同其它外设之间的通信，该并行口功能较强，可以做为全双工异步通讯的收发器也可以作为同步移位器用。

⑦ 中断控制系统：

8031有五个中断源，既外部中断两个，定时计数中断两个，串行中断一个，全部的中断分为高和低的两个输出级。

（2） 8031程序存储器

MCS-51系列单片机的内部ROM是不同的，8051有4K的ROM，而8751则是4K光可擦写EPROM，而我们所采用的8031则没有片内的ROM，但是无论那种型号的芯片都可以在片外扩展多达64K的片外程序存储器，外部程序存储器扩展的大小以满足系统要求即可，或有特殊要求或为了以后升级方便采用大容量的片外程序存储器。当外接程序存储器的时候，单片机通过P2口和P0口输出16位的地址，即可寻址的外部程序存储器单元的地址，使用ALE作为低8位地址锁存器信号，再由P0口读回指令的代码，用PSEN非作为外部程序存储器的选通信号。

单片机有一个程序计数器PC，它始终存着CPU要读取的机器码的所在地址，单片机工作时，PC自动加一，此时程序开始顺序执行，因为单片机程序 访问空间是64K，故需要16条地址线，当 接“0”则8031在片外程序存储器中读取指令，此时片外程序存储器从0000H开始编址，因为8031无片内程序存储器，故在此系统中 必须接地使CPU到外部ROM中去寻址。

在程序存储器中有六个单元有特定的含义：

0000H单元：单片机复位后，PC=0000H即从此处开始执行指令；

0003H单元：外部中断0入口地址；

000BH单元：定时器0溢出中断入口地址；

0013H单元：外部中断1入口地址；

001BH单元：定时器溢出中断入口地址；

0023H单元：串行口中断入口地址。

（3）8031数据存储器

数据存储器用于存放运算中间的结果、数据暂存、缓冲、标志位、待测程序等功能。

片内的128B的RAM地址为00H～7FH，供用户做RAM用，但是在这中间的前32单元，00H～1FH即引用地址寻址做用户RAM用，常常做工作寄存器区，分做四组，每组由8个单元组成通用寄存器R0～R7，任何时候都由其中一组作为当前工作寄存器，通过RS0，RS1的内容来决定选择哪一个工作寄存器。

低128字节中的20H～2FH共16字节可用位寻址方式访问各位，共128个位地址，30H～7FH共80个单元为用户RAM区，作堆栈或数据缓冲用，片内RAM不够用时，须扩展片外数据存储器。此时单片机通过P2口和P0口选出6位地址，使用ALE作低8位的锁存信号，再由P0口写入或读出数据。写时用 ，读时用 做外部数据存储器的选通信号。

（4） 特殊功能寄存器SFR

8031有21个专用寄存器，他们是用来管理CPU和I/O口以及内部逻辑部件的，在指令中专用寄存器是以存储单元方式被读写的，专用寄存器虽有名称，但寻址时都做专用寄存器用，它们的地址是与片内RAM的地址相连的。下面就专用寄存器作以简单的介绍：

累加器A：在绝大多数情况下它参与运算的一方并存放运算的结果。

寄存器B：进行乘除运算时，寄存器B有特定的用途，在乘时存放一个乘数以及积的最高位，A中存放另一个乘数以及积的低位。除法时，B中存放除数及余数，而在A中存放被除数和商，其他情况可作为普通寄存器用。

堆栈指针SP：在子程序调用或中断时，用来暂存数据和地址，它按先进后出的原则存储数据，它是一个八位寄存器它指出堆栈顶部在片内RAM中的位置，系统复位后，SP变成07H，使堆栈从00单元开始。；

数据指针DPTR：由两个字节组成，DPH字地址由83H，DPL由82H，存放一个16位的二进制数做地址用。

程序状态PSW：七位用来表征各种标志，另一位无意义。

        C  AC  FO  RS1  RS0  OV   P

C：进位标志位，用于表示加减运算时最高位有无进位和借位，在加法运算中，若累加器最高位有进位则CY=1，否则CY=0，在减法时则有借位CY=1，否则CY=0，在执行算术逻辑运算时可以被硬件或软件置位或清除，CPU在进行移位操作也会影响该位。

AC：当进行加法或减法运算时并产生由低四位向高四位的进位或借位时，AC置1，否则清0。若AC=0时则在加减过程中A3没有向A4进位或借位，否则正好相反。

F0：F0常不是由机器来指令执行中形成的，而是用户根据程序的需要进行设置的，这个位一经确定就可通过软件测试来决定用户程序的流向。

RS1，RS0：8031有四个8位工作寄存器R0～R7，用户可以改变RS1和RS0的状态来决定R0～R7的物理地址。

OV：用以指示运算是否发生溢出，由机器执行指令自动形成，若机器在执行指令过程中累加器A超过8位，则OV=1否则为0。

P：用来来表示累加器A中的值为1的二进制位的奇偶数，若‘1’的个数为奇数P=1，为偶数P=0。在串行通信中常用奇偶校验数据传输结果的正确性。

（5） 工作方式

它的工作方式可以分做复位，掉电和低功耗方式等。本设计采用的是复位方式。

当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。

 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 8(a)中左图所示。图中电容C1和电阻R1对电源十5V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 8(a)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8(b)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。当单片机已在运行当中时，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。

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         （a）上电复位电路              (b)上电或开关复位电路

图8 单片机的复位电路

根据实际操作的经验，下面给出这两种复位电路的电容、电阻参考值。

图8（a)中：Cl ＝10-30uF，R1＝1kΩ

图8（b)中：C ＝1uF，Rl＝lkΩ，R2＝10kΩ

3.3显示与报警的设计

3.3.1 显示电路

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。

3.3.2 报警电路

本设计采用峰鸣音报警电路。峰鸣音报警接口电路的设计只需购买市售的压电式蜂鸣器，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，可以使用TTL系列集成电路7406或7407低电平驱动，也可以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。三极管驱动的峰鸣音报警电路如图9所示。

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图9  三极管驱动的峰鸣音报警电路

4 软件设计

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

这里所需要注意的是标度变换，下面简单的介绍一下标度变换：

标度变换：目的是要把实际采样的二进制值转换成BCD形式的温度值，然后存放到显示缓冲区34H-3BH。对一般线性仪表来说，标度变换公式为：

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式中：A0为一次测量仪表的下限；Am为一次测量仪表的上限；AX为实际测量值；

N0为仪表下限所对应的数字量；Nm为仪表上限所对应的数字量；NX为测量所得数字量。

主程序流程图：

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5 结语

随着电子科技的迅速发展，对仓库温湿度监测系统的要求不断增高，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。证明出其具有较高的工作效率和良好的可靠性，是一种性价比较高的产品。通过这次我学到了很多,把我这几年所学的知识又系统的复习了一遍。

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]   沈德金，陈粤初．MCS-51系列单片机接口电路与应用程序实例．北京航空航天大学出版社,1990

[3]   李志全等.智能仪表设计原理及应用.国防工业出版社,1998.6

[4]   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

 [5]   潘其光.常用测温仪表技术问答.国防工业出版社,1989

 [6]   潘立民,王燕芳.微型计算机控制技术.人民邮电出版社,1990

 [6]   潘立民,王燕芳.微型计算机控制技术.人民邮电出版社,1990

[7]   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                     

[8]   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                  

[9]   杨振江等.智能仪器与数据采集系统中的新器件及应用.西安电子科技大学出版社，2001.12