浙江工貿(mào)職業(yè)技術學院電子工程系畢業(yè)設計(論文)

1、<p>　　多功能環(huán)境參數(shù)測試儀的設計與制作</p><p>　　摘要： 多功能環(huán)境參數(shù)測試儀的設計采用智能化的測量方法實現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的檢測，包括溫度、濕度、露點和噪音等四個參數(shù)。論文論述了系統(tǒng)的硬件、軟件設計過程及系統(tǒng)的主要功能。該系統(tǒng)以AT89S52單片機作為主控芯片，采用了具有精度高、成本低、體積小、接口簡單等優(yōu)點的SHT11-P溫濕度傳感器實現(xiàn)溫度與濕度的檢測，測量精度可以達到±0.4

2、℃，±3.0%RH；結合溫度、濕度，通過數(shù)學運算計算出露點；采用電容話筒檢測音量，通過信號放大、濾波、檢波、A/D轉換、信號比較等過程實現(xiàn)對噪音的檢測；采用了內(nèi)置128×64漢字圖形點陣模塊顯示字母、數(shù)字、中文字型及自定義圖形，實現(xiàn)四種環(huán)境參數(shù)值的直觀顯示。該系統(tǒng)具有體積小、響應迅速、低能耗等優(yōu)點，可以適應多種場合的應用。</p><p>　　關鍵詞：AT89S52單片機；溫濕度檢測；噪音檢測

3、；液晶顯示</p><p>　　二十世紀跨越了三個“電”的時代，即電氣時代、電子時代和電腦時代。不過，這種電腦，通常是指個人計算機，簡稱PC機。它由主機、鍵盤、顯示器等組成。還有一類計算機，大多數(shù)人卻不怎么熟悉。這種計算機就是把智能賦予各種機械裝置，這種計算機成為單片微型計算機亦稱為微型控制器。顧名思義，這種計算機的最小系統(tǒng)只用了一片集成電路，即可進行簡單運算和控制。因為它體積小，通常都藏在被控機械的“肚子”里。

4、它在整個裝置中，起著有如人類頭腦的作用，它出了毛病，整個裝置就癱瘓了?，F(xiàn)在，這種單片機的使用領域已十分廣泛，如智能儀表、實時工控、通訊設備、導航系統(tǒng)、家用電器等。多功能環(huán)境參數(shù)測試儀（以下簡稱系統(tǒng)）就是基于AT89S52單片機而開發(fā)出來的。</p><p>　　一、系統(tǒng)的主要功能和特點</p><p>　　單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，廣泛應用于儀

5、器儀表中，結合不同類型的傳感器，可實現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。采用單片機控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比采用電子或數(shù)字電路更加強大。</p><p>　　基于以上因素，我們選用ATMEL的AT89S52單片機，系統(tǒng)的硬件部分包含傳感器元件、測量電路、A/D 轉換器、液晶顯示器、鍵盤等。系統(tǒng)采用SHT11作為溫濕度傳感器，話筒作

6、為噪音傳感器，經(jīng)測量電路后送入單片機處理。系統(tǒng)外接128×64液晶顯示器，用來顯示處理后得到的各種環(huán)境參數(shù)。</p><p>　　圖1 系統(tǒng)的硬件組成框圖</p><p><b>　　二、系統(tǒng)的硬件設計</b></p><p>　　系統(tǒng)采用SHT11溫濕度傳感器采集溫濕度數(shù)據(jù)，由電容話筒、運放、電壓比較、A/D轉換等組成的噪音檢測電路

7、，經(jīng)單片機處理后，最終在ST7920液晶屏上顯示溫度、濕度、露點及噪音。系統(tǒng)的硬件組成框圖如圖1所示。</p><p>　　（一）AT89S52單片機</p><p>　　單片機是指在一塊芯片上集成了CPU，RAM，ROM，定時器/計數(shù)器，中斷控制器，串行口等部件的單片微型計算機，字母簡寫為MCU。</p><p>　　由于單片機具備體積小，重量輕，性價比高，功能齊

8、全及運算速度較快等優(yōu)點，使得單片機在測控系統(tǒng)，智能儀表，機電一體化產(chǎn)品，智能接口的各方面具有廣泛的應用。</p><p>　　2．AT89S52單片機資源特征</p><p>　　8k字節(jié)Flash，256字節(jié)RAM，32位I/O 口線，看門狗定時器，2個數(shù)據(jù)指針，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操

9、作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。</p><p>　?。ǘ㏒HT11-P溫濕度傳感器</p><p>　　系統(tǒng)采用的溫濕度傳感器是SHT11-P，它具有體積小、免校正等特點?？蓱糜诟鞣N惡劣環(huán)境的溫濕度測量。<

10、/p><p><b>　　1．技術參數(shù)及特點</b></p><p>　　濕度：0～100%RH；溫度:-40～+123.8℃；精度：±3.0%RH；±0.4℃；響應時間：<4s；低功耗；可完全浸沒。SHT11溫濕度傳感器實物圖如圖2所示。</p><p>　　圖2 溫濕度傳感器實物圖 圖3單片機與SHT1

11、1的接口電路</p><p><b>　　2．電源引腳</b></p><p>　　SHT11的供電電壓為2.4～5.5V。傳感器上電后，要等待11ms以越過“休眠”狀態(tài)。在此期間無需發(fā)送任何指令。電源引腳（VDD，GND）之間可增加一個100nF的電容，以去藕濾波。單片機與SHT11的接口電路如圖3所示。</p><p><b>　

12、　3．串行接口</b></p><p>　　串行時鐘（SCK）：SCK用于微處理器與SHT11的通訊同步。由于接口包含了安全靜態(tài)邏輯，因此不存在最小SCK頻率。</p><p>　　串行數(shù)據(jù)（DATA）：DATA三態(tài)門用于數(shù)據(jù)的讀取。DATA在SCK時鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在SCK時鐘上升沿有效。數(shù)據(jù)傳輸期間，在SCK時鐘高電平時，DATA必須保持穩(wěn)定。為避免信號沖突，微處

13、理器應驅動DATA在低電平。需要一個外部的上拉電阻（例如：10kΩ）將信號提拉至高電平。</p><p><b>　?。ㄈ┰胍魴z測電路</b></p><p>　　正常情況下，聲音強度在30dB以下會感到很悅耳，高于80dB就比較討厭了。在家庭環(huán)境內(nèi)的噪聲強度約為47dB上下，系統(tǒng)設計了一種噪音信號放大和檢測電路和噪聲強度的指示電路，并通過A/D轉換將噪音信號數(shù)字化

14、，由單片機對噪音強度進行識別處理。</p><p><b>　　1．噪音采集</b></p><p>　　噪音通過電筒話筒采集，對電容話筒兩端變化的電壓經(jīng)LM358放大后由音量調(diào)節(jié)電位器R6調(diào)節(jié)后送至檢波電路檢波，一路由LM358電壓跟隨電路送至TCL549A/D轉換后送由單片機處理，另一路則送給由3個LM324組成的10層電壓比較器由發(fā)光二極管顯示。每個發(fā)光二極管代

15、表約1dB。噪音采集電路原理圖如圖4所示。</p><p>　　圖4 噪音采集電路原理圖</p><p>　　電路共有4部分組成，大致可分為電源穩(wěn)壓、噪音采集、信號檢波、電壓跟隨。電源穩(wěn)壓部分給后續(xù)電路提供穩(wěn)定的9V電源。噪音采集部分由噪音對電容話筒的影響產(chǎn)生電壓的變化送入運放反向輸入端與同相輸入端的電壓比較，電位器調(diào)節(jié)后送至后續(xù)電路。信號檢波部分將之前的電壓信號去紋波送給后續(xù)電路。電壓跟

16、隨部分對前面輸入的信號進行紋波處理，輸出直流電壓送至后續(xù)噪音指示電路。</p><p><b>　　2．噪音指示</b></p><p>　　此部分的工作電源來自前面的穩(wěn)壓后的9V直流電源，LM317構成的三端可調(diào)電壓給10個串聯(lián)的分壓電阻提供基準電源，3個LM324中的10個運放反相輸入端連在一起接前面的信號輸入，當信號輸入大于某個運放的正輸入端的電壓時，運放輸出低

17、電平信號，發(fā)光二極管則發(fā)亮。噪音檢測電路圖如圖5所示。</p><p>　　圖5 噪音檢測電路原理圖</p><p><b>　?。ㄋ模┮壕э@示電路</b></p><p>　　系統(tǒng)的顯示部分采用了ST7920液晶顯示模塊。ST7920點陣LCD控制/驅動IC，可以顯示字母、數(shù)字符號、中文字型及自定義圖塊等，可以提供三種控制接口，分別是8位微

18、處理器接口，4位微處理器接口及串行接口。所有的功能，包含顯示RAM，字型產(chǎn)生器，以及液晶驅動電路和控制器，都包含在一個單芯片里面，只要一個最小的微處理系統(tǒng)，就可以操作LCD控制/驅動IC。</p><p>　　ST7920 的字型ROM 包括8192個16×16點的中文字形以及126個16×8點半寬的字母符號字型，另外繪圖顯示畫面提供一個64×256點的繪圖區(qū)域（GDRAM）及240

19、點的ICON RAM，可以和文字畫面混和顯示，而且ST7920內(nèi)含CGRAM提供4組軟件可程序規(guī)劃的16×16造字功能。ST7920 具有低功率電源消耗 (2.7V～5.5V) 可以提供電池操作的攜帶式產(chǎn)品的省電需求。</p><p><b>　　三、系統(tǒng)的軟件設計</b></p><p>　　在單片機的開發(fā)應用中，C語言應用最為廣泛，C語言具有模塊化的特點

20、，容易閱讀和維護。同樣模塊化的特點使其易于移植。它的幾個顯著的特點為：程序模塊化、可讀性好、效率高、可移植性強、數(shù)據(jù)處理能力強等。</p><p>　　鑒于以上原因，系統(tǒng)采用C語言開發(fā)。</p><p><b>　?。ㄒ唬┲鞒绦?lt;/b></p><p>　　系統(tǒng)著重了對溫濕度的檢測，因此在主程序中添加了實時修正，更好的加強溫濕度的準確性。<

21、;/p><p>　　整個程序中有實時向串口發(fā)送數(shù)據(jù)，只要接上串口線聯(lián)機就能在電腦上查看處理后的溫濕度及露點。主程序流程圖如圖6所示。</p><p><b>　　圖6 主程序流程圖</b></p><p><b>　?。ǘ╋@示程序</b></p><p>　　將顯示程序寫成一個頭文件，這樣就能很好的將

22、函數(shù)模塊化，其他地方需要用到液晶模塊只需包含此頭文件即可。以下對ST7920的串行模式數(shù)據(jù)傳輸做詳細介紹。</p><p>　　當PSB腳接低電位時，ST7920將進入串行模式，在串行模式下將使用兩條數(shù)據(jù)傳輸線作串行數(shù)據(jù)的傳送，主控制系統(tǒng)將配合傳輸同步頻率線（SCLK）與接收串行數(shù)據(jù)線（SID），來達成串行傳輸?shù)膭幼鳌?lt;/p><p>　　ST7920的同步頻率線（SCLK）具有獨立的操作

23、頻率，但是當有連續(xù)多個指令需要被傳送時，指令執(zhí)行的時間將需要被考慮，必須確實等到前一個指令完全執(zhí)行完成才能傳送下一筆數(shù)據(jù)，因為ST7920內(nèi)部并沒有傳送/接收緩沖區(qū)。從一個完整的串行傳輸流程來看，一開始先傳輸起始字節(jié)，它需先接收到五個連續(xù)的1（同步位字符串）在起始字節(jié)，此時傳輸計數(shù)將被重置并且串行傳輸將被同步，再跟隨的兩個位字符串分別指定傳輸方向位（RW）及暫存器選擇位（RS），最后的第八位則為0。</p><p&g

24、t;　　在接收到同步位及RW和RS數(shù)據(jù)的啟始字節(jié)后，每一個八位的指令將被分為兩個字節(jié)接收：較高4位（DB7~DB4）的指令數(shù)據(jù)將會被放在第一個字節(jié)的LSB部分，而較低4位（DB3~DB0）的指令數(shù)據(jù)則會被放在第二個字節(jié)的LSB部分，至于相關的另四位則都為0。</p><p>　　串行傳輸信號時序如圖7所示。</p><p>　　圖7 串行模式數(shù)據(jù)傳輸時序圖</p><p

25、>　?。ㄈ貪穸炔杉幚沓绦?lt;/p><p>　　用一組“啟動傳輸”時序來表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟?。它包括：當SCK時鐘高電平時DATA翻轉為低電平，緊接著SCK變?yōu)榈碗娖?，隨后是在SCK時鐘高電平時DATA翻轉為高電平，啟動傳輸?shù)臅r序如圖8所示。啟動傳輸程序s_transstart（）如下：</p><p>　　void s_transstart(void) </p>

26、<p><b>　　{</b></p><p>　　DATA=1；SCK=0；_nop_()；SCK=1；</p><p><b>　　_nop_()；</b></p><p>　　DATA=0；_nop_()；SCK=0；_nop_()；</p><p>　　_nop_()；_nop_(

27、)；SCK=1；_nop_()；</p><p>　　DATA=1；_nop_()；SCK=0；</p><p><b>　　}</b></p><p>　　如果與SHT11通訊中斷，下列信號時序可以復位串口：當DATA保持高電平時，觸發(fā)SCK時鐘9次或更多。在下一次指令前，發(fā)送一個“傳輸啟動”時序。這些時序只復位串口，狀態(tài)寄存器內(nèi)容仍然保留。

28、通訊復位時序如圖9所示。</p><p>　　通訊復位程序s_connectionreset（）如下：</p><p>　　void s_connectionreset(void) </p><p><b>　　{</b></p><p>　　unsigned char i； </p><p>　

29、　DATA=1；SCK=0； </p><p>　　for(i=0；i<9；i++) </p><p>　　{ SCK=1；SCK=0；} </p><p>　　s_transstart()；</p><p><b>　　}</b></p><p>　　圖10 RH測量時序圖</p&g

30、t;<p>　　測量時，發(fā)送一組測量命令（00000101表示相對濕度RH，00000011表示溫度T）后，控制器要等待測量結束。這個過程需要大約20/80/320ms，分別對應8/12/14bit測量。確切的時間隨內(nèi)部晶振速度，最多可能有-30%的變化。SHT11通過下拉DATA至低電平并進入空閑模式，表示測量的結束?？刂破髟谠俅斡|發(fā)SCK時鐘前，必須等待這個“數(shù)據(jù)備妥”信號來讀出數(shù)據(jù)。檢測數(shù)據(jù)可以先被存儲，這樣控制器可

31、以繼續(xù)執(zhí)行其他任務在需要時再讀出數(shù)據(jù)。接著傳輸2個字節(jié)的測量數(shù)據(jù)和1個字節(jié)的CRC奇偶校驗。單片機需要通過下拉DATA低電平，以確認每個字節(jié)。所有的數(shù)據(jù)從MSB開始，右值有效（例如：對于12bit數(shù)據(jù)，從第5個SCK時鐘算做MSB；而對于8bit數(shù)據(jù)，首字節(jié)則無意義）。在測量和通訊結束后，SHT11自動轉入休眠模式。</p><p>　　下面做RH測量時序舉例：“0000’1001’0011’0001”=2353

32、=75.79%，RH測量時序圖如圖10所示。</p><p>　?。ㄋ模┞饵c計算處理程序</p><p>　　露點是一個特殊的溫度值，是空氣保持某一定濕度必須達到的最低溫度。當空氣的溫度低于露點時，空氣容納不了過多的水分，這些水分會變成霧、露水或霜。露點可以根據(jù)當前相對濕度值和溫度值計算得出，具體的計算公式如下：</p><p>　　LogEW=0.66077+7.

33、5×T／(237.3+T)+log10(SORH)-2</p><p>　　Dp=((0.66077-logEW)×237.3)／(logEW-8.16077)</p><p>　　式中：T為當前溫度值，SORH為相對濕度值，Dp為露點。</p><p>　　float calc_dewpoint(float h,float t){</p&

34、gt;<p>　　float logEx，dew_point；logEx=0.66077+7.5*t/(237.3+t)+(log10(h)-2)；</p><p>　　dew_point = (logEx - 0.66077)*237.3/(0.66077+7.5-logEx)；</p><p>　　return dew_point；}</p><p&g

35、t;　　（五）噪音采集處理程序</p><p>　　對于噪音檢測電路的誤差較高，加上沒有精確的噪音計進行對比，在程序中只進行了簡單的修正，加上噪音的突變性及測量的延時，在顯示部分也不能很好的實時顯示。對噪音采集電路采集到的信號要經(jīng)A/D轉換處理后才能使用。</p><p>　　unsigned char TLC549ADC(void)｛</p><p>　　unsi

36、gned char z；</p><p>　　AD_CLK=0；AD_DAT=1；AD_CS =0；</p><p>　　for(z=0；z<8；z++)</p><p>　　{ AD_CLK=1；_nop_()；_nop_()；ADCdata<<=1；ADbit=AD_DAT；AD_CLK=0；_nop_()； }</p><

37、p>　　AD_CLK=1；AD_CS =1；return(ADCdata)；｝</p><p>　　TLC549在讀出前一次數(shù)據(jù)后，馬上進行電壓采樣，ADC轉換，轉換完后就進入HOLD模式，直到再次讀取數(shù)據(jù)時，芯片才會進行下一次A/D轉換。也就是說，本次讀出的數(shù)據(jù)是前一次的轉換值，讀操作后就啟動一次轉換，一次轉換所用的時間最長為17μS，芯片沒有轉換結束信號輸出。TLC549_ADC轉換程序，讀取前一次轉換

38、值并返回，然后再啟動一次ADC轉換。把程序寫入“TCL549ADC.h”，需要用時，調(diào)用一下就可以了。</p><p><b>　　四、結束語</b></p><p>　　畢業(yè)設計是各專業(yè)學生培養(yǎng)的最后一個綜合性、創(chuàng)造性的教學實踐環(huán)節(jié)，是對學生在校期間所學基礎理論、專業(yè)知識和實踐技能的全面總結，是對學生綜合能力和素質(zhì)的全面檢驗，也是對學生畢業(yè)和職業(yè)資格認定的重要依據(jù)。

39、</p><p>　　通過這次畢業(yè)設計，把大學三年學到的知識從頭到尾連貫起來，正所謂“溫故而知新”，經(jīng)過這幾個星期的設計與制作，從知其然提升到知其所以然。</p><p>　　在明確的分工下，不僅加強了對程序的開發(fā)能力，而且極大的加強了電路的設計與排故能力。在老師的指導和幫助及小組的共同努力下，較好的完成了本次畢業(yè)設計。</p><p><b>　　參考文

40、獻</b></p><p>　　[1] 趙景波，薛蘋等．Protel2004電路設計應用范例[M]．清華大學出版社，2006．</p><p>　　[2] 周立功等．單片機實驗與實踐指導書[M]．北京航空航天大學出版社，2004．</p><p>　　[3] 余威明．單片機原理及應用項目式教程[M]，浙江工貿(mào)職業(yè)技術學院,2008．</p>

41、<p>　　[4] 龔運新．單片機C語言開發(fā)技術[M]．北京清華大學出版社，2006.10．</p><p>　　[5] 劉文濤．單片機語言C51典型應用設計[M]．北京人民郵電出版社，2005.10．</p><p>　　[6] 沈紅衛(wèi)．基于單片機的智能系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[M]．電子工業(yè)出版社，2005.1．</p><p>　　[7] 胡宴如．模擬電子技

42、術（第2版）[M]．高等教育出版社，1993.11．</p><p>　　[8] 武昌?。詣訖z測技術[M]．機械工業(yè)出版社，2007.7． </p><p>　　[9] 譚浩強．C語言程序設計[M]．清華大學出版社，2000.1．</p><p>　　[10] 譚浩強．C語言程序設計題解及上機指導[M]．清華大學出版社，2000.11．</p>&l