一種濕度檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

摘要：濕度是工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民日常生活非常重要的環(huán)境因素，為了達(dá)到穩(wěn)定、高亮度和快速的顯示，采用電容式濕度傳感器和單片機(jī)結(jié)合的方法設(shè)計(jì)了濕度檢測(cè)電路，給出了傳感器、單片機(jī)、A／D轉(zhuǎn)換、顯示等元器件和單元電路選擇和設(shè)計(jì)的依據(jù)。檢測(cè)時(shí)，濕度傳感器HM1500感受濕度變換成電信號(hào)送ADC0809轉(zhuǎn)換后經(jīng)單片機(jī)C51處理，由MAX7219控制顯示。檢測(cè)電路具有原理清楚、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、穩(wěn)定性好以及高亮度數(shù)碼顯示等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：濕度；傳感器；檢測(cè)電路；ADC0809

0 引言
    隨著現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)技術(shù)發(fā)展以及人們對(duì)生活環(huán)境和質(zhì)量要求的提高，濕度的測(cè)量和控制顯得日益重要起來。如在具有粉塵作業(yè)和電子產(chǎn)品生產(chǎn)的車間里當(dāng)濕度小而產(chǎn)生靜電時(shí)，常會(huì)發(fā)生爆炸事故；在大規(guī)模集成電路生產(chǎn)過程中，當(dāng)濕度低于30％時(shí)，容易產(chǎn)生靜電而影響生產(chǎn)；倉庫濕度過大，會(huì)使存放的物資變質(zhì)或變壞；在農(nóng)業(yè)的育苗、栽培、生產(chǎn)、保鮮等方面也都需要對(duì)濕度進(jìn)行測(cè)量與控制。另外，為了使人們的生活環(huán)境舒適，必須對(duì)濕度進(jìn)行檢測(cè)和控制。
    濕度常用相對(duì)濕度來表示。它是指空氣中實(shí)際所含水蒸氣的分壓Pw和同溫度下飽和水蒸氣的分壓Pw的百分比，即：
   

1 電路組成及工作原理
    濕度檢測(cè)電路由濕度傳感器、A／D轉(zhuǎn)換電路、主機(jī)電路、顯示電路組成，原理框圖如圖1所示。

    濕度傳感器HM1500將檢測(cè)到的濕度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)放大后送入A／D轉(zhuǎn)換器，并通過A／D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)需要的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)單片機(jī)處理后，通過顯示電路顯示。

2 單元電路選擇與設(shè)計(jì)
2．1 濕度傳感器
    這里，濕度傳感器采用美國Humirel公司生產(chǎn)的HM1500，它是電壓輸出式集成傳感器，有GND，Ucc(+5 V電源端)、Uo(電壓輸出端)3個(gè)引腳。內(nèi)部包含由HS1101型濕敏電容構(gòu)成的橋式振蕩器、低通濾波器和放大器，能輸出與相對(duì)濕度成線性關(guān)系的直流電壓信號(hào)。輸出阻抗為70 Ω，適合與ADC單片機(jī)相連。測(cè)量范圍的0～100％RH，輸出電壓范圍為1～4V，精度為±3％RH，靈敏度為25mV／RH，溫度系數(shù)為0．1RH／℃。
    輸出電壓的計(jì)算公式：
    Uo=1.079+0.2568 RH     (2)
2．2 A／D轉(zhuǎn)換電路
    A／D轉(zhuǎn)換器采用ADC0809，它是8位8通道逐次逼近式轉(zhuǎn)換器，由一個(gè)8路模擬開關(guān)，一個(gè)地址鎖存與譯碼器，一個(gè)8位轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。它有八路模擬量輸入端，在多路開關(guān)的控制下，任一瞬間只能由一路模擬量經(jīng)模擬通道輸入到A／D轉(zhuǎn)換器中的比較器。對(duì)輸入電壓范圍要求為0～5 V，HM1500的電壓輸出范圍在1～4 V，因此電路中不需要設(shè)置放大電路。
    ADC0809與AT89C51的連接如圖2所示，連接時(shí)需要地址鎖存器74LS373。

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2．3 單片機(jī)
    單片機(jī)選用MCS-51系列單片機(jī)AT89C51。AT89C51是一種帶4 KB閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器、高性能的CMOS 8位微處理器，具有軟件編程靈活、自由度大、性價(jià)比高的特點(diǎn)。AT89C51芯片時(shí)鐘可達(dá)12 MHz，運(yùn)算速度快，控制功能完善。
2．4 顯示電路
    顯示電路采用LED顯示器動(dòng)態(tài)顯示。動(dòng)態(tài)顯示采用分時(shí)的方法，輪流控制各個(gè)顯示器的COM端，使各個(gè)數(shù)碼管輪流點(diǎn)亮。但由于點(diǎn)亮的時(shí)間短暫和人的視覺及二極管的余輝效應(yīng)，給人視覺是一組穩(wěn)定的顯示數(shù)據(jù)。同時(shí)動(dòng)態(tài)顯示還具有節(jié)省I／O口、硬件電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
    顯示電路由MAX7219芯片控制實(shí)現(xiàn)，它是一種高集成化的串行輸入／輸出的共陰極LED顯示驅(qū)動(dòng)器，每位可驅(qū)動(dòng)8位7段加小數(shù)點(diǎn)的共陰極數(shù)碼管，與微處理器連接只需3根線。

    MAX7219與51單片機(jī)串行接口連接圖如圖3所示。MCS-51單片機(jī)串行口工作于方式0，通過RXD(P3．0)引腳發(fā)送／接收串行數(shù)據(jù)，通過TXD(P3．1)引腳發(fā)送移位時(shí)鐘脈沖。發(fā)送順序?yàn)榈臀辉谇案呶辉诤?，與MAX7219的接收相反。
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3 總體檢測(cè)電路
    濕度檢測(cè)總體電路圖如圖4所示。濕度傳感器HM1500接收到濕度信號(hào)，將其轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，經(jīng)內(nèi)部放大器放大后，通過模擬通道IN1送入A／D轉(zhuǎn)換器ADC0809。

    要使ADC0809工作，先對(duì)其進(jìn)行初始化，使ST，OE信號(hào)全部為低電平。把模擬通道IN1的地址送入A，B，LabVIEWC端口上。ADC0809通道選擇引腳A，B，C的地址由地址鎖存器74LS373提供。將單片機(jī)P2．7作片選信號(hào)，只有P2．7為低電平時(shí)，才能對(duì)ADC0809進(jìn)行操作。啟動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換時(shí)，由單片機(jī)的寫信號(hào)WR和P2．7共同控制ADC地址鎖存和轉(zhuǎn)換啟動(dòng)，ALE和START連在一起，ADC0809在鎖存通道地址的同時(shí)，啟動(dòng)并進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A／D轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字量需單片機(jī)讀取并進(jìn)行處理，單片機(jī)讀取結(jié)果時(shí)采用中斷方式。轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)EOC經(jīng)非門與89C51的INT1相連。A ／D轉(zhuǎn)換結(jié)果的讀取需要對(duì)A／D轉(zhuǎn)換是否完成進(jìn)行確認(rèn)。確認(rèn)完成才可讀取數(shù)據(jù)。用單片機(jī)的讀信號(hào)RD和P2．7經(jīng)一級(jí)或非門后，產(chǎn)生的正脈沖作為OE信號(hào)，用于打開三態(tài)輸出鎖存器，就能讀出模擬通道IN1的轉(zhuǎn)換結(jié)果。A／D轉(zhuǎn)換完成后，EOC變?yōu)楦唠娖?，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束，產(chǎn)生中斷。中斷服務(wù)程序中，將轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)送入指定的存儲(chǔ)單元。
    單片機(jī)把A／D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)通過RXD(P3．0)引腳送入MAX7219的串行數(shù)據(jù)輸入端DIN，當(dāng)CLK為上升沿時(shí)，數(shù)據(jù)被載入16位移位寄存器。LOAD為片選端，當(dāng)LOAD為低電平時(shí)，芯片接收送來的數(shù)據(jù)，當(dāng)LOAD為高電平時(shí)，接收的數(shù)據(jù)被鎖定，然后通過數(shù)碼管顯示出來。

4 軟件設(shè)計(jì)
    檢測(cè)電路的軟件部分采用模塊化程序設(shè)計(jì)，系統(tǒng)各個(gè)模塊的具體功能都是通過子程序調(diào)用實(shí)現(xiàn)的，主要包括數(shù)據(jù)采集子程序、顯示子程序等模塊，主程序流程圖如圖5所示。

    系統(tǒng)的初始化包括對(duì)A／D轉(zhuǎn)換器的初始化、MAX7219的初始化等。ADC0809的初始化使ST和OE全部為低電平。MAX7219初始化時(shí)將5個(gè)工作狀態(tài)寄存器，即譯碼方式選擇、亮度調(diào)節(jié)、掃描位數(shù)設(shè)定、待機(jī)開關(guān)和顯示器檢測(cè)全部為零。
    數(shù)據(jù)采集部分的子程序設(shè)計(jì)是單片機(jī)對(duì)A／D轉(zhuǎn)換器ADC0809的操作。驅(qū)動(dòng)ADC0809的IN1進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，單片機(jī)接收轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)，存入指定內(nèi)存單元，由INT1中斷服務(wù)程序完成。每次驅(qū)動(dòng)A／D轉(zhuǎn)換后等待外部中斷1，中斷到來說明A／D轉(zhuǎn)換已經(jīng)完成，通過中斷服務(wù)程序讀取轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。
    顯示子程序是指單片機(jī)通過中斷方式對(duì)MAX7219的控制，傳送16位數(shù)據(jù)的地址位和數(shù)據(jù)位。它還包括對(duì)串行方式的設(shè)置、顯示緩沖單元和各控制寄存器的地址碼及數(shù)據(jù)單元的分配等。

5 結(jié)語
    本設(shè)計(jì)創(chuàng)新地利用電容式濕度傳感器和單片機(jī)結(jié)合，使設(shè)計(jì)的濕度檢測(cè)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、穩(wěn)定性好以及數(shù)碼顯示亮度高。