基于AT89C51的湿度检测系统设计与研究

0 前言

人工气候室是在环境试验、科学研究（诸如种养殖、植保、组培、生物工程）等领域应用广泛的实验设备。它能模拟自然界的各种气象条件，按照实验要求精确控制 室内的温度、湿度、光照以及CO2等指标，复现各种气候环境。为研究不同物种的生长、发育、生理、生化过程创造了环境条件。因此，人工气候室广泛应用在科 研、现代农业、医药、冶金、化工、林业、环境科学及生物遗传工程等领域。

在人的日常生活中，人的居住空间也是一个人工环境。空气污染，直接威胁人的身体健康；噪音污染，影响人的情绪、工作、休息、饮食，可以导致神经衰弱；温度 过热、过冷，导致人的不适，耗费电能；空气过湿，将使人们感到沉闷和窒息；空气过燥，又会使人的口腔感到不适，甚至可能发生咽喉炎等疾病。如果能系统自动 控制这个最常见的空间，人的生活将更舒适。所以说，这是一个很有发展前途的课题，国内外学者已经进行了相关系统的研制[3]、 [5]。本文也就其中最难测量的物理量——湿度进行研究。

1湿度检测的原理无线

本系统通过单片机AT89C51[1] 及其各种接口电路来实现湿度的检测。其工作原理是: 电容式相对湿度传感器的容值随着湿度的变化而线性的变化，通过信号检测和转换电路将变化的电容转换成与之对应的变化的电压，再由A/D转换器把模拟电压信 号转换为数字信号并送入到单片机中，单片机对采集到的信号进行滤波处理并通过查表得到实际测量的湿度值，之后通过单片机的各外部接口电路显示该湿度值，或 通过其与上位机的接口把此值送入到上位机进行保存及打印等操作。

2 系统的硬件构成及功能设计

图1是系统结构原理图，其中下位机以单片机AT89C51为核心，配以湿度检测和传送电路、A/D转换电路、存储器电路、时钟电路、看门狗复位电路、串行通信电路、键盘和LED显示电路及电源电路等组成。

图1系统结构原理图

本系统的湿度传感器采用高精度的HS11000电容式相对湿度传感器[2]，它采用电容式湿度敏感元件，其特点是尺寸小、响应时间快、线性度好、温度系数 小、可靠性高和稳定性好。在相对湿度为0％~100％RH范围内，电容量由162pF变到200pF时，其误差不大于±2％RH，而且响应时间小于5s， 温度系数为0.04pF/℃，可见该湿度传感器受温度的影响是很小的。为了保存数据的原始记录，

AT89C51单片机作为检测仪的核心部分。主要负责将A/D转换模块采集到的数据进行处理并送至LED显示模块实时显示；响应键盘输入，查看或修改用户 设定的湿度上限值。文献[4]采用DSP实现了温湿度控制器的设计，但是由于DSP的价格较高，不宜应用在各种场合中。

2.1 A/D转换

A/D转换电路负责把模拟电压信号转换为数字信号，本系统采用了以10位开关电容逐次逼近A/D转换器为基础而构造的CMOS A/D转换器TLC1549,它具有片内采样-保持电路，还有差分高阻抗基准电压输入，抗干扰，可按比例量程校准转换范围，总不可调整误差达到±1LSB Max（4.8mV）等特点。它通过一个三态输出端（DATAOUT）和2个输入端（包括I/OCLOCK（I/O时钟）和CS（片选））与 AT89C51的P10～P12接口相连，这样不仅简化系统的设计，减少电路板的占用面积，而且提高了可靠性，分辨率也较高。

2.2 看门狗复位

看门狗复位电路选用X25045芯片。它集断电数据保存功能、看门狗功能、上电掉电复位功能、电源电压监控功能于一身，这种组合大大简化了硬件设计，降低 了成 本和系统功耗。当系统故障时，在选定的超时时间之后，X25045的看门狗将以RESET信号作为响应，利用X25045低VCC检测电路，可以保护系统 使之免受低电压的影响；当VCC降到最小VCC转换点以下时，系统复位一直到VCC返回规定值且稳定为止。

2.3 串口通信

为了对采集到的数据进行进一步的处理，需要将数据从单片机传送至计算机。AT89C51具有串行通讯接口（SCI） , SCI是为能与CRT终端及计算机等外设通讯的全双工异步系统，本系统采用RS-232-C接口方式，传送波特率为9600比特。接口芯片采用 MAX232，这种芯片可以实现TTL电平和RS-232C接口电平之间的转换，也就是可以把5V电平表示为“1”，0V电平表示“0”的逻辑，转换成 －3～15V电平表示“1”，＋3～15V电平表示“0”的逻辑，从而解决了由于PC机的串行口是RS-232C标准的接口，其输入输出在电平上和采用 TTL电平的AT89C51在接口时会产生电平不同的问题。因此PC机和AT89C51单片机串行通信便可以顺利进行。

2.4 键盘控制

键盘电路是单片机应用系统最常用的人机接口电路，用它可以完成湿