通信机房温湿度检测及控制

------------------------------------------作者xxxx------------------------------------------日期xxxx通信机房温湿度检测及控制【精品文档】【精品文档】【精品文档】【精品文档】【精品文档】【精品文档】目录TOC\o"1-3"\h\z\uHYPERLINK\l"_Toc232919905"第一章概述PAGEREF_Toc232919905\h3HYPERLINK\l"_Toc232919906"、课题来源及意义PAGEREF_Toc232919906\h3HYPERLINK\l"_Toc232919907"、国内外机房温湿度控制的发展现状PAGEREF_Toc232919907\h3HYPERLINK\l"_Toc232919908"、机房环境要求PAGEREF_Toc232919908\h5HYPERLINK\l"_Toc232919909"、 论文 政研论文下载论文大学下载论文大学下载关于长拳的论文浙大论文封面下载 的主要研究内容PAGEREF_Toc232919909\h5HYPERLINK\l"_Toc232919910"第二章系统 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 论证PAGEREF_Toc232919910\h8HYPERLINK\l"_Toc232919911"、中央控制单元的确定PAGEREF_Toc232919911\h8HYPERLINK\l"_Toc232919912"、单片机方案PAGEREF_Toc232919912\h8HYPERLINK\l"_Toc232919913"、DSP方案PAGEREF_Toc232919913\h9HYPERLINK\l"_Toc232919914"、温湿度传感器的选择PAGEREF_Toc232919914\h9HYPERLINK\l"_Toc232919915"第三章系统硬件设计PAGEREF_Toc232919915\h13HYPERLINK\l"_Toc232919916"、系统的工作过程PAGEREF_Toc232919916\h13HYPERLINK\l"_Toc232919917"、单片机最小系统PAGEREF_Toc232919917\h13HYPERLINK\l"_Toc232919918"、温度传感器PAGEREF_Toc232919918\h18HYPERLINK\l"_Toc232919919"、湿度传感器PAGEREF_Toc232919919\h19HYPERLINK\l"_Toc232919920"、A/D转换PAGEREF_Toc232919920\h21HYPERLINK\l"_Toc232919921"、显示、键盘接口电路PAGEREF_Toc232919921\h23HYPERLINK\l"_Toc232919922"、串行通讯接口电路PAGEREF_Toc232919922\h26HYPERLINK\l"_Toc232919923"3.8控制执行电路的设计PAGEREF_Toc232919923\h28HYPERLINK\l"_Toc232919924"第四章PID控制算法PAGEREF_Toc232919924\h31HYPERLINK\l"_Toc232919925"、PID控制算法PAGEREF_Toc232919925\h31HYPERLINK\l"_Toc232919926"、PID参数的整定PAGEREF_Toc232919926\h32HYPERLINK\l"_Toc232919927"第五章软件设计PAGEREF_Toc232919927\h36HYPERLINK\l"_Toc232919928"、主程序流程图PAGEREF_Toc232919928\h36HYPERLINK\l"_Toc232919929"、湿度转换子程序图PAGEREF_Toc232919929\h38HYPERLINK\l"_Toc232919930"、PID算法流程图PAGEREF_Toc232919930\h39HYPERLINK\l"_Toc232919931"结束语PAGEREF_Toc232919931\h40HYPERLINK\l"_Toc232919932"致谢PAGEREF_Toc232919932\h41HYPERLINK\l"_Toc232919933"参考文献PAGEREF_Toc232919933\h42HYPERLINK\l"_Toc232919934"附录二：程序PAGEREF_Toc232919934\h45第一章概述、课题来源及意义现代社会，在生产过程和科学实验中,温度、湿度、电流、电压、流量、流速等都是普遍而且重要的物理参数。其中温湿度的准确测量和有效控制是保证生产过程优质，高产，低耗和安全生产的重要条件。由于电子技术、通信技术的高度发展及电子设备的普及，使得通信机房大量增加。而许多现代化的通信设备对环境、温湿度等都有特殊要求，并且通信设备都是24小时不间断运行，从而不可能腾出如此多的人力物力来对通信设备进行看护，造成很多电气设备无人值守。这就需要在其上级局进行集中控制。本文是关于环境监测系统，是为适应对温湿度有特殊要求的通信设备而进行的设计。本设计的作用主要是改善通信机房的温湿度，防止因温湿度的变化而造成通信设备的故障，使通信设备保持在良好的运行状态，达到生产的不间断和安全运行。本文结合生产实际和科研工作，运用PID算法和单片机对温湿度进行控制，以求达到较好的控制效果。1.2、国内外机房温湿度控制的发展现状近年来，温湿度检测系统又有了很大改善和提高，系统在布线上采用了矩阵式布线技术，简化了数据采集部分的线路；在传感器方面采用了半导体，热电偶等器件；在数据传输上采用了串行传输方式，从而节省了传输线，采用单板机进行数据处理，提高数据传输与检测速度，通过软硬件技术的结合，检测精度与可靠性较前期又有了很大提高。但温度传感器的线性度差，测量精度仍不理想。与国内相比，以美国日本等科技发达国家在温湿度监控技术已经发展到了成熟的地步，高科技数字式温度产感器广泛应用于机房温湿度监测系统。该传感器采用了半导体集成电路誉为控制器的最新技术，在一个管芯上集成了半导体温度测量芯片，数据信号转换芯片，计算机接口芯片，存储器芯片等多个功能模块。除了完成温湿度检测功能外，一些数字温度传感器还可以同时完成预知温湿度范围报警，多路A/D转换，温度补偿等功能。由于数字温湿度传感器直接输出数字量从而解决了温湿度信号的长距离传输问题及传输过程中因干扰和衰减导致的精度降低问题。由AnalogDevice公司生产的AD7418数字式温度传感器，集成了A/D转换器，参考电源，采样保持器，多路开关及温度监控报警电路。温度敏感器件采用带隙式半导体温度传感器（BandgapTemperatureSensor）,具有较好的稳定性和精度。该器件可以在片内将温度传感器的模拟量通过A/D转换器转换成数字量。片内具有可预置的温度报警寄存器，可以通过外部程序控制来设定报警的上限温度和下限温度，当传感器温度超出该温度范围时，OTI引脚输出报警信号 通知 关于发布提成方案的通知关于xx通知关于成立公司筹建组的通知关于红头文件的使用公开通知关于计发全勤奖的通知 控制系统或直接用于控制。NationalSemiconducor公司生产的LM74数字式温度传感器，集成了带隙式温度传感器，Delta-Sigma型数模转换器，并具有SPI/Microwrite兼容总线接口。在传感器通电工作后，自动按一定速率对温度进行检测，并在片内寄存器中存储转换的温度值，可以在任意时刻读出传感器的温度值。LM74具有休眠模式，在休眠时消耗的电流不超过10uA，功率消耗低。LM74的数模转换器为12位外加符号位，因此在其有效工作范围内可以达到0.0625摄氏度的分辨率。由于采用了SPI/microwrite兼容总线接口，可以将多个传感器挂接在总线上，通过片选信号对特定器件进行读写操作。由美国DallasSemiconductor公司推出的单线数字化测温集成电路——数字温度传感器DS1820，采用单线接口式，可通过数据线直接供电，具有超低功耗工作方式，测温范围-55~125摄氏度，温度转换值以九位数字方式串行输出。微控制器与DS1820仅需一条线，每一DS1820在出厂时已给出了唯一序号，因此，在同一条单总线上可挂接任意多个DS1820.DS1820的序号值存放在内部ROM中。传感器内部还有两个八位的用于存放温度数据的RAM，1号存放温度数据的正负符号，0号存放温度值的补码，采用塑封的DS1820易于封装在测温电缆中。与外国同类产品相比较，国内的温湿度检测系统还有很大差距，系统采用的温湿度传感器的测量精度和灵敏度，温湿度传感器测得的环境温度模拟量信号转换成数字量信号时产生的误差，信号在长距离传输过程中因干扰和信号衰减导致的精度降低。不可否认，国内电子元器件的制造技术水平和国外电子元器件的过高价格制约了环境检测系统向更高精度的发展。单片微型计算机是随着超大规模集成电路的技术的发展而诞生的。由于它具有体积小，功能强，性价比高等优点，所以广泛应用于电子仪表，家用电器，节能装置，军事装置，机器人，工业控制等诸多领域，使产品小型化，智能化，既提高了产品的功能和质量又降低了成本，简化了设计。本文主要涉及AT-89C51单片机在温湿度控制中的应用。应用单片机实现PID控制算法和PID参数的整定。PID控制是最早发展起来的控制策略之一,由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点,被广泛应用于工业过程控制。当用计算机实现后,数字PID控制器更显示出参数调整灵活、算法变化多样、简单方便的优点。随着生产的发展,对控制的要求也越来越高,随之发展出许多以计算机为基础的新型控制算法,如自适应PID控制、模糊PID控制、智能PID控制等等。1.3、机房环境要求根据YD5003－94《电信专用房屋设计 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 》的有关规定。第10条：机房室内温湿度应符合设计环境指标要求，并且配备温湿度计、温度、湿度告警设备。其中机房温度湿度要求：1.机房温度：21±3℃，相对湿度：40%～60%2.温度、湿度的测量点为空调回风口处。其主要控制参数如下：温度传感器工作指标：温度：0oC--60oC精度：2oC制冷加热指标：当温度降至5oC时，启动加热器；加热至10oC时停止加热。当温度升至25oC时，启动制冷机；制冷至15oC时停止制冷。湿度传感器工作指标：相对湿度：40%～60%精度：2%干燥增湿指标：当湿度降至20%时，启动增湿器；加热至30%时停止增湿。当湿度升至80%时，启动干燥机；干燥至30%时停止干燥。1.4、论文的主要研究内容本论文主要是完成一种低成本、低价格、功能齐全、及温湿度测量、显示、控制于一体的单片机温湿度控制系统的理论设计。该设计主要包括硬件电路和主要的控制算法。研究的关键问题是：通信机房温湿度的精确测量；双向可控硅控制的温湿度控制电路设计；温湿度控制算法的选择,本设计采用PID控制算法；以及温湿度标度转换、数字滤波环境温湿度采样等软件设计。根据本设计所要完成的任务完成了如下工作：1介绍了研究和设计的背景和意义,调查并综述了当前温湿度控系统市场的国内外现状。2提出了符合设计要求的高精度温湿度控制系统方案,并阐述了其工作原理。3完成了硬件电路的设计,它包括：温湿度检测放大传送电路；包含MCS-51系列单片机AT-89C51,外围扩展并行接口8155,程序存储扩展2732,模数转换器ADC8089，数模转换器DAC0832等芯片的接口电路；输入信号口采用光电耦合器，使抗干扰能力增强；输出信号设计有两路继电器控制；通过双向可控硅管实现的温湿度控制电路；键盘接口和两位7段数码显示管用来显示温度。图1.1系统的原理图4基本完成了软件部分设计,它包括：键盘扫描；温湿度控制显示；温湿度采样；数字滤波；数据处理；PID计算；第二章系统方案论证本设计是环境温度实时监测控制系统，其中通信机房内的监控单元为主要设计目标。2.1、中央控制单元的确定、单片机方案单片机已成为电子系统中进行数据采集、信息处理、通信联络和实施控制的重要器件。通常利用单片机技术在各种系统、仪器设备或装置中，形成嵌入式智能系统或子系统。中央处理器的选择直接关系到所做系统的性能，要选择既便宜又实用的单片机款型。常见几种单片机的比较：Intel公司早期的产品8031/8051/8751。8031片内不带程序存储器ROM，使用时用户需外接程序存储器和一片逻辑电路373，外接的程序存储器多为EPROM的2764系列。用户若想对写入到EPROM中的程序进行修改，必须先用一种特殊的紫外线灯将其照射擦除，之后再可写入。写入到外接程序存储器的程序代码没有什么保密性可言。8051片内有4K的ROM，无须外接外存储器和373，更能体现“单片”的简练。但是你编的程序你无法烧写到其ROM中，只有将程序交芯片厂代你烧写，并是一次性的，今后你和芯片厂都不能改写其内容。8751与8051基本一样，但8751片内有4k的EPROM，用户可以将自己编写的程序写入单片机的EPROM中进行现场实验与应用，EPROM的改写同样需要用紫外线灯照射一定时间擦除后再烧写。由于上述类型的单片机应用的早，影响很大，已成为事实上的工业 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。后来很多芯片厂商以各种方式与Intel公司合作，也推出了同类型的单片机，如同一种单片机的多个版本一样，虽都在不断的改变制造工艺，但内核却一样，也就是说这类单片机指令系统完全兼容，绝大多数管脚也兼容；在使用上基本可以直接互换。我们统称这些与8051内核相同的单片机为“51系列单片机”。在众多的51系列单片机中，要算ATMEL公司的AT89C51更实用，因他不但和8051指令、管脚完全兼容，而且其片内的4K程序存储器是FLASH工艺的，这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，一般专为ATMELAT89Cx做的编程器均带有这些功能。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。重要的一点AT89C51目前的售价比8031还低，市场供应也很充足。从多方的因素考虑论证。硬件的核心选用Atmel公司生产的AT89C51单片机。它是一种低功耗、低电压、高性能的8位单片机，片内带有一个数KB的FLASH可编程、可擦除、只读存储器；它采用了CMOS工艺和Atmel公司的高密度非易失性存储器技术,而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容。、DSP方案如果采用TMS320F240DSP实现，其主要优点有：1.速度快，执行速度达到20MIPS，几乎所有的指令可以在50µs的单周期内完成，如此高的性能非常适合实时数据采集。2.硬件结构简单，DSP片内具有十位A/D转换器，不需要外接A/D转换器，并且还具有丰富的可编程多路复用I/O引脚。3.软件编程灵活，可采用C语言与汇编语言混合编程。本设计仅仅是简单的温度检测控制，不需要功能太强大的控制单元，单片机已经足够用，而且单片机的价格便宜，容易购买，所以决定用AT89C51单片机。2.2、温湿度传感器的选择百年来，温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段；(1)传统的分立式温度传感器(含敏感元件)；(2)模拟集成温度传感器／控制器；(3)智能温度传感器。温敏传感器中最主要的元件就是热电阻，热电阻是利用导体的电阻值随温度变化的特性而制成的测温元件。所以，要求导体的温度系数尽可能地大和稳定，电阻率大，电阻与温度之间最好呈线性关系，并在较宽的范围内有稳定的物理化学性质。目前用的较多的热电阻材料有铂、铜等。铂电阻的物理化学性质能在高温和氧化性介质中最稳定，它能用做工业测温元件和作为温度标准。很多检测电路中采用铜电阻，是因为测量精度要求不高（2oC），测量范围不大（0oC-60oC）时，可用铜热电阻代替铂热电阻，这样可以降低成本。在-50oC-150oC时，铜电阻与温度呈线性关系：Rt=R010-3-4.28x10-3/oC,为铜的温度系数。但是铜电阻经测量后还要经过ADC的模数转化，给设计本身增加了成本，还造成一定的繁琐。本设计采用了智能温度传感器DS1820系列。DS1820是美国达拉斯(DALLAS)公司研制的单线数字温度计。它采用单线总线结构,用一根I/O线传送数据与命令,并可兼作电源线。DS1820内含集成温度传感器、CPU、ROM、RAM和I/O接口,属于新一代智能传感器。它具有微型化(外形尺寸仅为4.6mm×9.0mm×3.0mm)、低功耗、高性能、抗干扰能力强、易配微处理器(μP)等优点,适于构成多路温控仪或大型分布式温度测控系统,是一种有推广价值的新型器件。并且，和传统的采集模拟量通过外接A/D转换电路采集数据的方式相比，DS1820自己本身就可以完成温度模拟量的A/D转换，不需要外接A/D转换电路。这就在设计时大大简化了电路及外围器件的数量，使设计简单并可靠。空气湿度是表示空气干湿程度的物理量。空气湿度是反映空气中水蒸汽含量多少的尺度，对空气湿度的测量，也就是对空气中水蒸汽含量的测量。空气湿度常用相对湿度和露点温度来表示。相对湿度是指空气中水蒸汽的分压了与同温度下饱和水蒸汽压力之比。常用的湿度测量方法有:毛发测湿法毛发的长度会随着所处环境的湿度而变化。这种变化在机械意义方面指为相对湿度。该方法简单，成本低，但是维修费用高，要频繁地对毛发进行长度还原;最大相对湿度测量范围只为15%RH-85%RH，最大测量温度只为50℃;高误差，测量慢。2、露点镜法一面镜子降温并达到露点时，其表面上将出现水凝滴。于是通过监视镜面上的凝滴即可测得露点。这种方法测量范围宽、测量准确，但是费时、昂贵、笨重、时间适应慢。3、湿度传感器测湿湿度传感器分为电阻式和电容式两种，产品的基本形式都为在基片涂覆感湿材料形成感湿膜。空气中的水蒸汽吸附于感湿材料后，元件的阻抗、介质常数发生很大的变化，从而制成湿敏元件.湿度传感器要达到土2%-13%RH的精度是比较困难的，通常产品资料中给出的特性是在常温(20℃士10'C)和洁净的气体中测最的。在实际使用中，由于尘土、油污及有害气体的影响，使用时间长了，会产生老化，精度下降，湿度传感器的精度水平要结合其长期稳定性去判断，一般说来，长期稳定性和使用寿命是影响湿度传感器质量的头等问题，年漂移量控制在1%RH水平的产品很少，一般都在土2%左右，甚至更高。湿敏元件除了对环境湿度敏感外，对温度亦十分敏感，其温度系数一般在0.2-O.8%RH的范围内，而且有的湿敏元件在不同的相对湿度下，其温度系数又有差别。温漂非线性，这需要在电路上加温度补偿式。采用单片机软件补偿，或无温度补偿的湿度传感器是保证不了全温范围的精度的，湿度传感器温漂曲线的线性化直接影响到补偿的效果，非线性的温漂往往补偿不出较好的效果，只有采用硬件温度跟随性补偿才会获得真实的补偿效果。湿度传感器工作的温度范围也是重要参数。多数湿敏元件难以在40℃以上正常工作。金属氧化物陶瓷，高分子聚合物和氯化铿等湿敏材料施加直流电压时，会导致性能变化，甚至失效，所以这类湿度传感器不能用直流电压或有直流成份的交流电压。必须是交流电供电。国内市场上出现了不少国内外湿度传感器产品，电容式湿敏元件较为多见。感湿材料种类主要为高分子聚合物，氯化铿和金属氧化物.电容式湿敏元件的优点在于响应速度快、体积小、线性度好、较稳定，国外有些产品还具备高温工作性能。但是达到上述性能的产品多为国外名牌，价格都较昂贵。市场上出售的一些电容式湿敏元件低价产品，往往达不到需求的水平，线性度、一致性和重复性都不甚理想，30%RH以下及80%RH以上感湿段变形严重。有些产品采用单片机补偿修正，使湿度出现“阶跃’性的跳跃，使精度降低，出现一致性差、线性差的缺点。无论高档次或低档次的电容式湿敏元件，长期稳定性都不理想，多数长期使用漂移严重，湿敏电容容值变化为pF级，1%RH的变化不足0.5pF，容值的漂移改变往往引起几十RH%的误差，大多数电容式湿敏元件不具备40℃以上温度下工作的性能，往往失效和损坏。电容式湿敏元件抗腐蚀能力也较欠缺，往往对环境的洁净度要求较高，有的产品还存在光照失效、静电失效等现象，金属氧化物为陶瓷湿敏电阻，具有湿敏电容相同的优点，但尘埃环境下，陶瓷细孔被封堵元件就会失效，往往采用通电除尘的方法来处理，但效果不够理想，且在易燃易爆环境下不能使用，氧化铝感湿材料无法克服其表面结构“天然老化，的弱点，阻抗不稳定，金属氧物陶瓷湿敏电阻也同样存在长期稳定性差的弱点。4、干湿球测湿法该方法利用干、湿球温度差效应来测量空气相对湿度。选用线性度好的热敏元件，能够实现宽范围、高精度测量，而且性价比高，反映也很快。在本设计中，湿度传感器选择了HM1500。HM1500是专门适用于需要精确可靠检测湿度的OEM用户。它的特点是有很小的易于安装的接头可以非常节省成本的机械自动安装。由于它是线性的电压输出湿度检测模块，因此能直接与微控制器相接。第三章系统硬件设计、系统的工作过程控制过程如下：温度传感器采集数据后，将数据送入单片机中，因为温度传感器DS1820是数字传感器，所以，其输出量为数字量，可直接由中央处理器处理。一个湿度传感器通过多路开关CD4051接到A/D转换器AD574上，经过模/数转换，将数字量送入单片机。这样，单路温度和单路湿度的测量数据就被采集到了中央处理器中。通过显示电路，经LED数码管直观地显示给观测人。这是温室智能控制系统的数据采集部分，但在本设计中，加入了RS-232电路，即和上位机的通讯串口电路，这样，此系统就可以和PC机相连，便于直接控制。并且，在本设计中还加入了键盘，这是给控制部分设置的，在和上位机发生通讯故障时，可以手动输入控制量，以达到要求。3.2、单片机最小系统1、单片机(1)主要性能参数：·与MCS-51产品指令系统完全兼容·4K字节可重擦写Flash闪速存储器·1000次擦写中期·全静态操作：0Hz——24MHz·三级加密程序存储器·128*8字节内部RAM·32个可编程I/O口线·2个16位定时/计数器·6个中断源·可编程串行UART通道·低功耗空闲和掉电式(2)功能特性概述：AT89C51提供以下标准功能：4K字节Flash闪存存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容。但振荡器停止工作并禁止其它所有不见工作直到下一个硬件复位。(3)AT89C51引脚及说明：图89C51双列直插封装方式的引脚图（一）电源引脚：（1）Vcc（40脚）：电源端，接+5V。（2）Vss（20脚）：接地端。（二）时钟引脚：（1）XTAL1（19引脚）：接外部晶体的一个引脚。该引脚内部是1个反相放大器的输入端。这个反相放大器构成了片内振荡器。如果采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。（2）XTAL2（18引脚）：接外部晶体的另一端，在该引脚内部接至内部反相放大器的输出端。若采用外部时钟振荡器时，该引脚接收时钟振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。（三）控制引脚：（1）RST/Vpd(9脚)：RST（RESET）是复位信号输入端，高电平有效。当单片机运行时，在此引脚加上持续时间大于2个机器周期（24个时钟振荡周期）的高电平时，就可以完成复位操作。Vpd为本引脚的第二功能，即备用电源的输入端。（2）ALE/PROG非（30引脚）：ALE引脚输出为地址锁存允许信号。PROG非为本引脚的第二功能。在对片内EPROM型单片机编程写入时，此引脚作为编程脉冲输入端。（3）PSEN非（29引脚）：程序存储器允许输出控制端。（4）EA非/Vpp(31引脚)：EA非功能为内外程序存储器选择控制端。Vpp在对EPROM型单片机8751片内EPROM固化编程时，用于施加较高的编程电压（例如+21V或+12V）。对于89C51，则加在Vpp引脚的编程电压为+12V或+5V。（四）I/O口引脚：（1）P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对断口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时，P0接受指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。（2）P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号来低时会输出一个电流（I）。Flash编程和程序校验期间，P1口接受底8位地址。（3）P2口：P2口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号来低时会输出一个电流（I）。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR指令）时，P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX@RI指令）时，P2口行上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中R2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。Flash编程或校验时，P2亦接受高位地址和其它控制信号。（4）P3口：P3是一组带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口。作输入口使用时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（I）。P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能：(1)P3.0RXD(串行输入端口)(2)P3.1TXD(串行输出端口)(3)P3.2/INT0(外部中断0)(4)P3.3/INT1(外部中断1)(5)P3.4T0(记数器0外部输入)(6)P3.5T1(记数器1外部输入)(7)P3.6/WR(外部数据存储器写选通)(8)P3.7/RD(外部数据存储器读选通)(9)P3端口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。P3口还接受一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。·XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。·XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。2、时钟振荡器:AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图3-3。外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容C1、C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路，对外电容C1、C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30pF+/-10pF，而如使用陶瓷谐振器建议选择40pF+/-10F。用户也可以采用外部时钟。采用外部时钟的电路如下图所示。这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，XTAL2则悬空。由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，电脑最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。图时钟振荡电路3、Flash闪速存储器的编程:AT89C51单片机内部有4K字节的FlashPEROM,这个Flash存储阵列出厂时已处于擦除状态（即所有存储单元的内容均为FFH），用户随时可对其进行编程。编程接口可接受高电压（+12V）或低电压（）的允许编程信号。低电压编程模式适合于用户在线编程系统，而高电压编程模式可与通用EPROM编程器兼容。AT89C51单片机中，有些属于低电压编程方式，而有些则是高电压编程方式，用户可从芯片上的型号而后读取芯片内的签名字节获得该信息。AT89C51的程序存储器阵列是采用字节写入方式编程的，每次写入一个字节，要对整个芯片PERROM程序存储器写入一个非空字节，必须使用片擦除的方式将整个存储器的内容清除。AT89C51的程序存储器阵列是采用字节写入方式编程的，每次写入一个字节，要对整个芯片PERROM程序存储器写入一个非空字节，必须使用片擦除的方式将整个存储器的内容清除。3.3、温度传感器1、DS1820的主要特性DS1820数字温度器件可提供9个二进制位的温度信号指示,无论输入或输出DS1820的信息都是通过一根接口线实现的,因此,在DS1820和中央CPU处理器之间只需一根连线。在读、写和执行温度转换期间所需要的电能可通过数据线自身获取,也可由外部电源来提供,因此,使DS1820的外部电源输入是可选的。由于每个DS1820包含唯一的数字系列,所以使多个DS1820的数据可同时在一根公共线上存在。这样允许我们将温度传感器放在不同的地点实现分布式的温度控制,如楼宇自控系统中的温控,某个工业过程的温控以及设备和机器内部的温控等。DS1820有两种封装形式,其三脚封装的管脚图如图所示,该器件的主要特性是:(1)唯一的一个管脚线用于与计算机的通讯。(2)不需要任何外围器件。(3)多测点性能简化了分布式温度的测量。(4)测温范围从-55℃到+125℃,温度分度为0.5℃。(5)温度值以92bit数字量输出。(6)被测温度每一秒钟完成一次转换。(7)用户可定义固定的温度点报警。图3.3DS1820封装图图3.4DS1820与单片机的接线图DS1820的管脚功能说明如下:(1)管脚1——GND:地端。(2)管脚2——DQ:数据输入输出端。(3)管脚3——VDD:外部+5V电源输入端。2、DS1820的组成及工作原理DS1820的内部结构框图如图所示,图中表明DS1820主要是由三部分组成:(1)642bit的激光ROM;(2)温度传感器;(3)温度报警触发器TH和TL。3、DS1820和AT89C51的接口DS1820寄生电源电路当I/O或VDD引脚为高电平时这个电路便取得.电源只要符合指定的定时和电压要求，I/O将提供足够的功率为单总线系统供电。3.4、湿度传感器图湿度传感器实物图和其的表示符号1、其主要的特点是（1）尺寸小（2）浸水无影响（3）互换性好（4）可靠性高、漂移小（5）在5VDC供电时，0～100%RH典型输出1～4VDC（6）标定±2%RH@55%RH（7）极低的温度依赖性（8）比例输出于电源电压（9）适合3～7V供电2、湿度传感器的特点（1）在长时间处于饱和状态后快速脱湿（2）专利固态聚合物结构（3）对化学品的高抵抗性（4）响应时间短3、测量环境（1）HM1500特别适用于10～95%RH环境的精确测量（2）超过上述范围（<10%或>95%RH，包括饱和）将不会对HM1500的稳定性造成影响。9、HM1500和AT89C51的接口因为HM1500是线性的电压输出湿度检测模块，因此，需要将其输出的模拟量转换为数字量，才能送到单片机中进行处理，所以，在其与单片机的接口电路中，需要A/D转换器，其接口电路图如下所示：图单片机与HM1500接线图3.5、A/D转换在本设计中，我采用了AD574转换器，它可以将多路转换器输入的模拟量进行A/D转换。AD574是美国AnalogDevice公司生产的12位逐次逼近式模数转换器，其主要特点是：①有参考电压基准和时钟电路，不需外部时钟就可以工作；②转换速率高，12位转换25us，8位转换16us；③8位或16位微处理器接口，自带三态输出缓冲电路，可直接与各种典型的8位或16位的微处理器相连而无需附加逻辑接口电路，且能与CMOS及TTL兼容；④温度适应范围大，在-55至+125摄氏度范围内满足线性要求。是目前我国应用最为广泛，价格适中的A/D转换器，加之内部含有三态输入缓冲电路，可直接与各种微处理器连接，且无须附加逻辑接口电路，内部设置的高精参考电压源和时钟电路，使它不需要任何外部电路和时钟信号，就能完成A/D转换功能，应用非常方便。1、AD574简介AD574为28脚双列直插式封装，其管脚排列如图所示。图AD574的管脚排列AC：模拟地DC：数字地：片选信号，低电平有效CE：片使能，高电平有效R/：读/启动信号，高电平读数据，低电平转换12/：数据格式选择，高电平12位数据同时有效，低电平时第一次输出高8位，第二次输出低四位有效，中四位为零。A0：字节选择控制线。在转换期间：A0=0,AD574进行全12位转换，转换时间为25μs；当A0=1时，进行8位转换，转换时间为16μs。在读出期间：当A0=0时时，高8位数据有效；A0=1时，低4位数据有效，中间4位为“0”，高4位为三态，因此当采用两次读出12位数据时，应遵循左对齐原则，如下所示：表3.1AD574地址表高8位低4位+4位尾0MSBLSB0000(4位)STS：工作状态输出端。转换开始时，STS达到高电，转换过程中保持高电平，转换完成时返回低电平STS可以作为状态信息被CPU查询，也可以用它的下降沿向CPU发出中断申请，通知A/D转换已完成，CPU可以读取转换结果。2、222AD574的状态由CE、、R/、12/、A0五个控制信号决定。表AD574控制信号真值表CER/12/A0操作0××××无操作×1×××无操作100×0初始化为12位转换器100×1初始化为8位转换器1015V×允许12位并行输出101接地5\0允许高8位输出101接地1允许低4位+4位尾0输出由表可见，当CE=1，=0同时满足时，AD574才能处于工作状态。当AD574处于工作状态时，R/=0时启动A/D转换；R/=1时进行数据读出。12/和A0端用来控制转换字长和数据格式。A0=0时启动转换，则按完整的12位A/D转换方式工作，如果按A0=1启动转换，则按8位A/D转换方式工作。当AD574处于数据读出工作状态时，A0和12/成为数据输出格式控制端。12/=1，对应12位并行输出；12/=0则对应8位双字节输出。其中A0=0时输出高8位。A0=1时输出低4位，并以4个0不足尾随的4位。必须指出12/端与TTL电平不兼容，只能直接接至+5V或0V上。另外A0在数据输出期间不能变化。如果要求AD574以独立方式工作，只要将CE、12/端接入+5V，和A0接至0V，将R/作为数据读出和数据转换启动的控制。当R/=1时，数据输出端出现被转换后的数据，R/=0μs后STS=1表示转换正在进行。经过一次转换周期后STS跳回低电平表示A/D转换完毕，可以从数据输出端读取新的数据。4、AD574与AT89C51的接线图AD574与单片机的接线图由于AD574片内有时钟，故无须外加时钟信号。采用单极性输入，可对0—10V或0—20V模拟信号进行转换。转换结果的高8位从DB11—DB4输出，低4位从DB3—DB0输出，并直接和单片机的数据总线相连，如果遵循左对齐原则，DB3—DB0应接单片机数据总线的高半字节。为了实现启动A/D转换和转换结果的读出，AD574的片选信号由地址总线的次低位A1提供，在读写时，A1设置为低电平；AD574的CE信号由单片机和A7经一级或非门产生，可见在读写时，A7也应为低电平。输出状态信号STS接P3.2端供单片机查询，以判断A/D转换是否结束。12/端接地，AD574的A0由地址总线最低位A0控制，以实现A/D全12位转换，并将12位数据分为两次送入数据总线上。接口电路如图所示。3.6、显示、键盘接口电路1、芯片介绍HD7279A是一种管理键盘和LED显示器的专用智能控制芯片。它能对8位共阴极LED显示器或64个LED发光管进行管理和驱动，同时能对多达8×8的键盘矩阵的按键情况进行监视，具有自动消除键抖动并识别按键代码的功能，从而可以提高CPU工作的效率。HD7279A和微处理器之间采用串行接口，其接口电路和外围电路简单，占用口线少，加之它具有较高的性能价格比，因此，在微型控制器、智能仪表、控制面板和家用电器等领域中日益获得广泛的应用。HD7279A是一片具有串行接口的，可同时驱动8位共阴式数码管的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可以连接多达64键的键盘矩阵，单片即可完成LED显示、键盘接口的全部功能。HD7279A内部含有译码器，可直接接受BCD码或者16进制码，并同时具有2种译码方式，此外，还具有多种控制指令，如消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等。HD7279A具有片选信号可方便地实现多于8位的显示或多于64位的键盘接口。特点：·串行接口，无需外围元件可直接驱动LED·各位独立控制译码、不译码、消隐以及闪烁等属性·左右移动指令·具有段寻址指令，方便控制独立的LED·64键键盘控制器，内含去抖动电路。图HD7279A管脚示意图2、管脚说明HD7279A的硬件电路如图3-21所示，它共有28个引脚。RC引脚用于连接HD7279A的外接振荡元件，其典型值为R=1.5kΩ,C=15pF。RESET为复位端。该端由低电平变成高电平并保持25ms即复位结束。通常，该端接+5V即可。DIG0～DIG7分别为8个LED管的位驱动输出端。SA～SG分别为LED数码管的A段～G段的输出端。DP为小数点的驱动输出端。HD7279A片内具有驱动电路，它可以直接驱动1英吋及以下的LED数码管，使外围电路变得简单可靠。DIG0～DIG7和SA～SG同时还分别是64键盘的列线和行线端口，完成对键盘的监视、译码和键码的识别。在8×8阵列中每个键的键码是用十六进制表示的，可用读键盘数据指令读出，其范围是00H～3FH。HD7279与微处理器仅需4条接口线，其中CS为片选信号（低电平有效）。当微处理器访问HD7279A（读键号或写指令）时，应将片选端置为低电平。DATA为串行数据端，当向HD7279A发送数据时，DATA为输入端；当HD7279A输出键盘代码时，DATA为输出端。CLK为数据串行传送的同步时钟输入端，时钟的上升沿表示数据有效。KEY为按键信号输出端，在无键按下时为高电平；而有键按下时此引脚变为低电平并且一直保持到键释放为止。表3.3HD7279A的电特性参数符号测试条件最小值典型值最大值电源电压Vcc/V.工作电流Icc/mA不接LED.35工作电流Icc/mALED全亮，ISEG=10mA.60100逻辑输入高电平Vih/V..逻辑输入低电平Vil/V.0.按键响应时间Tkey/ms含去抖时间101840KEY引脚输入电流Iki/mA...10KEY引脚输出电流IKO/mA...73、显示电路图显示电路连接图显示电路由显示芯片HD7279A和5个LED数码管组成，显示电路如图所示。5个共阴极LED数码管用于显示温度和湿度，第5位为温度十位数字，第4位为温度个位数字，第3位为温度小数位数字，第2位为湿度十位数字，第1位为湿度个位数字。3.7、串行通讯接口电路随着计算机系统的应用和微机网络的发展，通信功能越来越显的重要。这里所说的通信是只计算机与外界的信息交换。因此，通信既包括计算机与外部设备之间，也包括计算机和计算机之间的信息交换。由于串行通信是在一根传输线上一位一位的传送信息，所用的传输线少，并且可以借助现成的电话网进行信息传送，因此，特别适合于远距离传输。对于那些与计算机相距不远的人－机交换设备和串行存储的外部设备如终端、打印机、逻辑分析仪、磁盘等，采用串行方式交换数据也很普遍。在实时控制和管理方面，采用多台微机处理机组成分级分布控制系统中，各CPU之间的通信一般都是串行方式。所以串行接口是微机应用系统常用的接口。许多外设和计算机按串行方式进行通信，这里所说的串行方式，是指外设与接口电路之间的信息传送方式，实际上，CPU与接口之间仍按并行方式工作。1.串行通信的概念所谓“串行通信”是指外设和计算机间使用一根数据信号线(另外需要地线,可能还需要控制线),数据在一根数据信号线上一位一位地进行传输，每一位数据都占据一个固定的时间长度。如图所示。这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本，当然，其传输速度比并行传输慢。由于CPU与接口之间按并行方式传输，接口与外设之间按串行方式传输，因此，在串行接口中，必须要有“接收移位寄存器”（串→并）和“发送移位寄存器”（并→串）。典型的串行接口的结构如图所示。在数据输入过程中，数据1位1位地从外设进入接口的“接收移位寄存器”，当“接收移位寄存器”中已接收完1个字符的各位后，数据就从“接收移位寄存器”进入“数据输入寄存器”。CPU从“数据输入寄存器”中读取接收到的字符。（并行读取，即D7～D0同时被读至累加器中）。“接收移位寄存器”移位速度由“接收时钟”确定。在数据输出过程中，CPU把要输出的字符（并行地）送入“数据输出寄存器”，“数据输出寄存器”的内容传输到“发送移位寄存器”，然后由“发送移位寄存器”移位，把数据1位1位地送到外设。“发送移位寄存器”的移位速度由“发送时钟”确定。接口中的“控制寄存器”用来容纳CPU送给此接口的各种控制信息，这些控制信息决定接口的工作方式。“状态寄存器”的各位称为“状态位”，每一个状态位都可以用来指示数据传输过程中的状态或某种错误。例如，用状态寄存器的D5位为“1”表示“数据输出寄存器”空，用D0位表示“数据输入寄存器满”，用D2位表示“奇偶检验错”等。此设计就采用了RS232通讯接口，电路采用MAX3221芯片，其原理图如图所示。通过以上的电路PC机就可以自由的和单片机进行信息交换了。图RS232通讯接口控制执行电路的设计当检测到温度超过给定值时，要及时地进行调节，以达到控制温度的目的[4][17][21]。由单片机的输出来控制加热机或制冷机。本设计采用光电耦合器进行强电和弱电的隔离，但要考虑到输出信号要对晶闸管进行触发，以便接通加热机或制冷机电路，所以晶闸管选用了既有光电隔离又有触发功能的MOC3041，其中使用引脚P1.1控制制冷机电路，P1.2控制加热机电路，如图所示。图单片机的控制执行电路MOC3041是常用的双向晶闸管输出的光电耦合器，带过零触发电路，输入端的控制电流为15mA，输出端额定电压为400V，最大重复浪涌电流为1A，输入输出端隔离电压为7500V。MOC3041的5引脚是器件的衬底引出端，使用时不需要接线。MOC3041输入端限流电阻的计算：（3-1）为留一定的余量，限流电阻选180Ω。3.9带看门狗和电源监控功能的复位芯片IPM813L几乎所有的单片机都需要复位电路，对复位电路的基本要求是：在单片机上电时能可靠复位，在下电时能防止程序乱飞导致EPROM中的数据被修改；另外，单片机系统在工作时，由于干扰等各种因素的影响，有可能出现死机现象导致单片机系统无法正常工作，为了克服这一现象，除了充分利用单片机本身的看门狗定时器(有些单片机无看门狗定时器)外，还需外加看门狗电路；除此以外，有些单片机系统还要求在掉电瞬间单片机能将重要数据保存下来，因掉电的发生往往是根随机的，因而此类单片机系统需要电源监控电路，在掉电刚发生时能告知单片机。MAXIM公司推出的MAX813L刚好能满足这些要求，下面具体介绍该芯片的性能特点及使用方法。3MAX813L的封装及引脚功能MAX813L有双列直插和贴片两种封装形式，其双列直插如图所示，引脚功能如下：第①脚为手动复位输入，低电平有效；第②、②脚分别为电源和地；第④脚为电源故障输入；第⑤脚为电源故障输出；第⑥脚为看门狗输入，第⑦脚为复位输出，第⑧脚为看门狗输出。MAX813L的性能特点：MAX813L的内部结构框图如图所示，具有以下主要性能特点：由图可知该芯片具有以下主要性能特点：(1)复位输出。系统上电、掉电以及供电电压降低时，第⑦脚产生复位输出，复位脉冲宽度的典型值为200ms，高电平有效，复位门限的典型值为4.65V。(2)看门狗电路输出。如果在1.6s内没有触发该电路(即第⑥脚无脉冲输入)，则第⑧脚输出一个低电平信号。(3)手动复位输入，低电平有效，即第①脚输入一个低电平，则第⑦脚产生复位输出。(4)1.25V门限值检测器，第④脚为输入，第⑤脚为输出。当第④脚电压低于1.25V时，第⑤脚输出一个低电平信号。MAX813L的典型应用电路：MAX813L的典型应用电路如所示。MAX813L的第①脚与第⑧脚相连。第⑦脚接单片机的复位脚(AT89C51的第⑨脚)；第⑥脚与单片机的相连。在软件设计中，P3.2不断输出脉冲信号，如果因某种原因单片机进入死循环，则P3.2无脉冲输出。于是1.6s后在MAX813L的第⑧脚输出低电平，该低电平加到第①脚，使MAX813L产生复位输出，使单片机有效复位，摆脱死循环的困境。另外，当电源电压低于门限值4.65V时，MAX813L也产生复位输出，使单片机处于复位状态，不执行任何指令，直至电源电压恢复正常，可有效防止因电源电压较低时单片机产生错误的动作。电源故障输入PFI通过一个电阻分压器监测未稳压的直流电源。当PFI低于1.25V时，电源故障输出脚第⑤脚PF0变低，可引起AT89C51中断，进行电源故障处理，或将重要数据保存下来。把分压器接到未稳压的直流电源是为了更早地对电源故障告警。4MAX813L的典型应用电路MAX813L是一体积小、功耗低、性价比高的带看门狗和电源监控功能的复位芯片；它使用简单、方便，它所提供的复位信号为高电平，因而是应用于复位信号为高电平场合的单片机系统的理想芯片。第四章PID控制算法4.1、PID控制算法比例、积分调节消除系统误差需要经过较长的时间，为进一步改进控制器，可以通过检测误差的变化率来预报误差，根据误差变化趋势，产生强烈的调节作用，使偏差尽快地消除在萌芽状态，数学上描述这个概念就是微分，因此在PI调节器上加上微分调节，就构成了比例积分微分调节器，其控制规律为：（1）式中为微分常数，为越大微分作用越强。在PID三作用调节器中，微分调节主要用来加快系统的响应速度，减小超调，克服振荡。将P、I、D三种调节器规律结合在一起，既快速敏捷，又平稳准确，只要三者强度配合适当，便可获得满意的调节效果。PID调节器的传递函数为：（2）在工业过程中，模拟PID调节器的执行机构有电动、气动、液动等类型，PID调节规律硬件实现。而在微机控制系统中采用数字控制器，即用软件来实现PID控制，因此要将模拟PID调节器离散化为数字PID控制算法。标准数字PID控制算法为了实现微机控制生产过程变量，必须将公式1表示的模拟PID算法离散化，变为数字PID算式，为此，在采用周期T远小于信号变化周期时，作如下近似（T足够小时，如下逼近相当准确，被控过程与连续系统十分逼近）：（3）式子中T为采样周期，k为采样序号，k=0，1，2，…j，…，k。将式3，带入式子1，于是有：位置式：（4）其中，u（k）为调节器第k次输出值；e（k），e（k-1）分别为第k次，第k-1次采样时刻的