辽宁工业大学
单片机原理及接口技术课程设计（论文）题目：药品库湿度监控器设计
院（系）：电气工程学院
专业班级：电气101
学号： 100303026
学生姓名：郭永江
指导教师：（签字）
起止时间：2013.06.24-2013.07.12
课程设计（论文）任务及评语
院（系）：电气工程学院教研室：Array
注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算
摘要
本系统以AT89C51单片机为主控器，通过扩展A/D接口，键盘输入，数据处理，数据显示以及系统报警等相关设备实现多路数据采集和监测的原理与结构。本设计为药品库房提供了精确的湿度控制，更有利于药品的长期存储。实践证明，系统设计是可行的，并且系统性能可靠, 实时性好, 实用性强。该系统对于实现机务段的科学管理、保证检修质量、降低检修成本都起到了关键的作用。
关键词：AT89C51；A/D转换器；键盘输入
目录
第1章绪论 (1)
1.1药品库湿度监控器设计概况 (1)
1.2本文研究内容 (1)
第2章 CPU最小系统设计 (2)
2.1药品库湿度监控器总体设计方案 (2)
2.2CPU的选择 (3)
2.3数据存储器扩展 (4)
2.4复位电路设计 (5)
2.5时钟电路设计 (6)
2.6CPU最小系统图 (7)
第3章药品库湿度监控器输入输出接口电路设计 (8)
3.1药品库湿度监控器传感器的选择 (8)
3.2药品库湿度监控器检测接口电路设计 (9)
3.3人机对话接口电路设计 (11)
第4章药品库湿度监控器软件设计 (13)
4.1软件实现功能综述 (13)
4.2流程图设计 (13)
4.3原件清单 (16)
第5章系统设计与分析 (17)
5.1系统原理图 (17)
5.2系统原理综述 (18)
5.3程序清单 (18)
第6章课程设计总结 (21)
参考文献 (22)
第1章绪论
1.1药品库湿度监控器设计概况
我国在“开办药品批发企业验收实施标准(试行)”里的规定--企业有适宜药品分类保管和符合药品储存要求的常温库、阴凉库、冷库。这就需要企业要有相关的在线监测控制系统来保证达到药品储存规定的湿度要求。为了更好地测量、控制湿度影响药品储存的因素,本文设计了以AT89C51单片机为控制器的智能测控系统,通过该系统可以对环境湿度等观测值进行自动控制和适时监测,并利用声音和灯光进行越限报警及相应的处理。药品库的建立对于建立国家的节约型战略计划具有积极意义，有效的降低了储存药品过程中的成本，同时还保证了药品的安全，所以本次设计还是具有实际意义的。
1.2本文研究内容
系统以AT89C51单片机为主控器，通过扩展A/D接口，键盘输入，数据处理，数据显示以及系统报警等相关设备实现多路数据采集和监测的原理与结构。湿度检测点8点，并配有4个晶闸管输出控制点，可控制加湿设备，湿度检测范围0%RH~95%RH，精度3%RH。
单片机最小系统由复位电路、晶振电路组成。本设计为药品库房提供了精确的湿度控制，更有利于药品的长期存储。
第2章CPU最小系统设计
2.1药品库湿度监控器总体设计方案
为完成上述系统功能，选择和设计电源电路、晶振电路、复位电路、显示电路、接口电路、传感器电路、A/D转换电路、开关量输出电路。就此设计的核心模块来说，单片机就是设计的中心单元，所以此系统也是单片机应用系统的一种应用。单片机应用系统也是有硬件和软件组成。硬件包括单片机、输入/输出设备、以及外围应用电路等组成的系统，软件是各种工作程序的总称。单片机应用系统的研制过程包括总体设计、硬件设计、软件设计等几个阶段。
其系统组成框图如图2.1所示。
图2.1 系统组成框图
因为要求对湿度进行测量显示，所以首先采用湿度传感器，将湿度变化转换成相应的电信号，并通过放大、滤波后送A/D转换器变成数字信号，然后进行译码显示。若要求湿度被控制在设定值附近，则要求将实际测量湿度的信号与湿度的设定值(基准电压)进行比较，根据比较结果（输出状态）来驱动执行机构，实现自动地控制、调节系统的湿度。测量的湿度可以与另一个设定的湿度上限比较器相比较，当湿度超过上限湿度值时，比较器产生报警信号输出。该系统还是集网络通信技术、单片机技术、数据库技术和汇编语言程序设计于一体的工程，这些技术相互联系，相互交叉共同作用于此项任务。
本次设计的主要任务是为了实现机务设备检修数据采集。设备数据采集部分要求采集的数据分三类：1. 开关量的检测；2. 脉冲量的检测；3. 模拟量的检测。
2.2CPU的选择
根据设计内容，本设计选择AT89C51。硬件的核心选用Atmel公司产生的AT89C51单片机。它是一种低功耗、低电压、高性能的8位微控处理器，具有8K 在系统可编程FLASH存储器，采用的工艺是Atmel允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器；P0口控制引脚，P3口为湿度监测引脚
图2.2 AT89C51引脚图
2.3数据存储器扩展
AT89C51与存储器芯片6116的扩展
扩展图如图2.3所示：
图2.3 AT89C51与存储器芯片6116的扩展图
如上图所示，通过线选法实现了6116扩展成的2KB数据存储器,6116的地址线A0～A7与AT89C51地址线的P0.0～P0.7对应相连，6116的A8～A10与AT89C51的P2.1～P2.3相连，6116的地址线与数据总线P0.0～P0.7对应相连， 6116的输出允许控制线连在一起与AT89C51的P3.7连在一起，6116的片选信号OE非与AT89C51的地址线的P3.6相连。
2.4复位电路设计
时钟电路单片机在开机时都需要复位，以便于中央处理器以及其他功能部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。单片机的复位后时靠外部电路实现的，再时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚时出现24个时钟振荡脉冲以上的高电平，单片机便可以实现初始化状态复位。51单片机的RST引脚是复位信号的输入端。例如AT89C51单片机时钟频率为12MHZ，则复位脉冲宽度至少应该为1us.
当AT89C51系列单片机的复位引脚RST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。图中电容C4和电阻R5对电源+5V来说构成微分电路。上电后，保持RST一段电平时间，由于单片机内的等效电阻作用，不用图中电阻R5也能达到上电复位的操作功能。
上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且再单片机运行时间，用开关操作也能确定使单片机复位。常用的是上电或开关复位电路时上电后，由于C4的充电和反门作用时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SW10复位操作使单片机进入初始化状态，其中使程序计数器PC=0000H，这表明程序从0000H地址单元开始执行，单片机冷机启动后，片内RAM为随机值。运行中复位操作不改变片内RAM区中的内容，复位电路采用按钮电平复位电路如图2.4：
图2.4 按钮电平复位电路
2.5时钟电路设计
时钟电路是用来产生AT89C51单片机工作时所必须的时钟信号，AT89C51本身就是一个复杂的同步时序电路，为保证工作方式的实现，AT89C51在唯一的时钟信号的控制下严格的按时执行指令进行工作，时钟的频率影响单片机的速度和稳定性。通常时钟由于两种形式：内部时钟和外部时钟。
我们系统采用内部时钟方式来为系统提供时钟信号。AT89C51内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，该放大器的输入输出引脚为XTAL1和XTAL2，他们跨接在晶体振荡器的用于微调的电容，便构成了一个自激励振荡器。
电路中的C1,C2的选择在30PF左右，但电容太小会影响振荡的频率，稳定性和快速性。晶振频率为在1.2MHZ~12MHZ之间，频率越高单片机的速度就越快，但对存储器要求就高。为了提高稳定性我们采用温度稳定性好的HUMIREL电容，采用晶振频率为12MHZ.
本次系统的时钟电路设计如图:
图2.5 时钟电路图
2.6CPU最小系统图
图2.6最小系统图
3.1药品库湿度监控器传感器的选择
在自然界中，凡是有水和生物的地方，在其周围的大气里总是含有或多或少的水汽。大气中含有水汽的多少，表示大气中的干、湿程度，用湿度来表示，也就是说，湿度表示大气干湿程度的物理量。
大气湿度有两种表示方法：绝对湿度与相对湿度。
绝对湿度绝对湿度表示单位体积空气里所含水汽的质量，
其表示为ρ=M V/V (3.1)
式中：ρ――被测空气的绝对（g/m3，mg/m3）；
M V――被测空气中水汽的质量（g，mg）；
V――被测空气的体积（m3）。
相对湿度：相对湿度是气体的绝对湿度（ρv）与同一温度下，水蒸汽已达到饱和的气体的绝对湿度（ρw）之比，常用%RH来表示。
即相对湿度=(P V/P W)T*100%RH (3.2)
式中：P v――待测气体的水汽分压；
P w――同一温度下水蒸汽的饱和水汽压。
湿度传感器HS1101是基于独特工艺设计的电容元件，这些相对湿度传感器可以大批量生产。可以应用于办公室自动化，车厢内空气质量控制，家电，工业控制系统等。它有以下几个显著的特点：
1、全互换性，在标准环境下不需校正
2、长时间饱和下快速脱湿
3、可以自动化焊接，包括波峰或水浸
4、高可靠性与长时间稳定性
5、专利的固态聚合物结构
6、可用于线性电压或频率输出回路
7、快速反应时间
图3.1 HS1101
3.2药品库湿度监控器检测接口电路设计
3.2.1A/D转换器选择
A/D转换部分是整个设计的关键，这一部分处理不好，会使得整个设计毫无意义。ADC0809/0809系列是现今速度最快的模/数转换器，采样速率在1GSPS以上，通常称为“闪烁式”ADC。它由电阻分压器、比较器、缓冲器及编码器四种分组成这种结构的ADC所有位的转换同时完成，其转换时间主取决于比较器的开关速度、编码器的传输时间延迟等。片内有多路模拟开关及通道地址译码及锁存电路，可对多路模拟信号进行采集与转换；片内配置了三态输出数据缓冲器，提供了与微处理器兼容接口；ADC0808的最大不可调误差小于+1/2LSB，而ADC0809为+1LSB。缺点是：并行比较式A/D转换的抗干扰能力差，由于工艺限制，其分辨率一般不高于8位。
图3.2 ADC0809与89C51单片机对的接口电路
3.2.2模拟量检测接口电路图
图3.3 模拟量检测接口电路图
3.3人机对话接口电路设计
键盘与显示器接口设计
（1）键盘接口设计
本设计采用4×4非编码键盘，运用可编程芯片98C51控制键盘扫描。在该设计的键盘接口电路中，89C51的P1.0—P1.3口接键盘的行，P1.4—P1.5口接键盘的列。在89C51初始化时，把P1.4—P1.7口设为输出口，把P1.0—P1.3口设为输出口，通过非编码键盘的行扫描发进行扫描得到键码值。当PC口输出全部为低电平时，若无键按下，则P1.4—P1.7口输入全是高电平；若有键按下，P1.4—P1.7口必须有一个输入为低电平。
图3.4 单片机与键盘的接口电路
（2）显示器接口设计
此设计的显示器接口电路采用共阴极LED数码管，该显示器件由八个发光二极管构成，通过不同的组合可以显示0~9，A~F及小数点。数码管的公共端相当于一个总开关，一般称为位码开关，当它为高时，数码管全灭；当它为低时，根据发光二极管的状态，高电平，该段亮；低电平，该段不亮。输出一个断码就可以控制LED显示器的字形。a,b,c,d,分别对应4个管脚。
图3.5 单片机和LED接线图
第4章药品库湿度监控器软件设计
4.1软件实现功能综述
根据设计任务简要说明软件要完成的任务等等该系统软件主要由主程序、中断子程序、数据采集与A /D转换子程序、显示子程序、报警子程序等模块组成,因为C语言编写的软件易于实现模块化,生成的机器代码质量高、可读性强、移植好,所以本系统的软件采用C语言编写。系统软件实现的功能:
1) 通过LCD 显示湿度值;
2) 比较监测到的湿度值和报警设置值,发现超限则蜂鸣器报警提示;
3）系统定期把相关湿度数据通过串行通信传给上位机PC机。
3) 根据相应的湿度值控制湿度调节系统运行。
4）显示子程序对每次由传感器所采集的数值经量化处理后所得到的标准值进行显示。
5）报警子程序是当出现异常情况时输出报警信号
4.2流程图设计
4.2.1主程序流程图设计
用监控器可无人值班,在线实时24小时连续的采集和记录监测点位的湿度变化情况，以数字、图形和图像等多种方式进行实时显示和记录存储监测信息，监测点为8个。可设定监控点位的湿度报警上下限值，当出现被监控点位数据异常时可自动发出报警信号。上传报警信息并进行本地及远程监测，系统可在不同时刻同志不同的值班人员……
先用湿度传感器检测出药品库内的湿度,读取成功后显示在监视器内,然后监视器会和程序内的设定值,即湿度检测范围0%RH~95%RH，若不在其范围之内,则监控器会发生报警,使值班人员来处理药品库内的湿度,可用加湿装备对药品库加湿,或者降低药品库内的湿度;报警1.2秒,若没有超过限度,也延迟1.2秒,然后重新检测湿度,循环下去.如图4.1：
图4.1 主程序流程图设计
4.2.2模拟量检测流程图设计
湿度量模拟量信号的处理包括回路断线检测、数字滤波、误差补偿、数据有效性合理性判断、标度换算、梯度计算、越复限判断及越限报警，最后经格式化处理后存入实时数据库。
数据采集系统一般由数据输入通道、数据存储与管理、数据处理、数据输出及显示这五个部分组成。输入通道要实现对被测对象的检测、采样和信号转换等工作。数据存储与管理要用存储器把采集到的数据存储起来，建立相应的数据库，并进行管理和调用。数据处理就是从采集到的原始数据中，删除干扰噪声、无关信息和不必要的信息，提取出反映被测对象特征的重要信息。另外，就是对数据进行统计分析，以便于检索；或者把数据恢复成原
来的物理量形式，以可输出的形态在输出设备上输出，如打印、显示、绘图等。数据输出及显示就是把数据以适当的形式进行输出和显示
图4.2 模拟量检测流程图
4.3原件清单
表4.3 原件清单