基于C8051F020的濕度信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

閔振輝

（黑龍江科技學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150027)

C8051F系列單片機(jī)是集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)SOC(Systemonchip),具有與MCS-51內(nèi)核及指令集完全兼容的微控制器，除具有標(biāo)準(zhǔn)8051的數(shù)字外設(shè)部件之外,片內(nèi)還集成數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設(shè)及功能部件。正是由于其體積小、集成度高、功能多、配置容易、使用方便等特點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于智能儀表、數(shù)據(jù)采集、自動(dòng)化控制等領(lǐng)域。本文所討論的濕度檢測(cè)系統(tǒng)就是以C8051F020單片機(jī)、HM1500集成濕度傳感器為核心構(gòu)成的。

1 C8051F020簡(jiǎn)介

C8051F020是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MCU芯片,有64個(gè)數(shù)字I/O引腳,主要特性有：

高速流水線結(jié)構(gòu)、與8051兼容的CIP-51內(nèi)核(可達(dá)25MIPS)；全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口(片內(nèi))；真正12位、100ksps的8通道ADC,帶PGA和模擬多路開關(guān)；真正8位500ksps的ADC；兩個(gè)12位DAC,可編程更新時(shí)序；64K字節(jié)可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器；4352(4096+256)字節(jié)的片內(nèi)RAM；硬件實(shí)現(xiàn)的SPI、SMBus/I2C和兩個(gè)UART串行接口；具有5個(gè)通用的16位定時(shí)器；片內(nèi)看門狗定時(shí)器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器；獨(dú)立運(yùn)行的時(shí)鐘發(fā)生器,時(shí)鐘源可在運(yùn)行時(shí)切換到外部時(shí)鐘源。

C8051F020是真正能夠獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)，每個(gè)MCU都能有效地管理模擬和數(shù)字外設(shè)，可以關(guān)閉單個(gè)或全部外設(shè)以節(jié)省功耗。應(yīng)用程序可以使用MOVC和MOVX指令對(duì)FLASH進(jìn)行讀或改寫，每次讀或?qū)懸粋€(gè)字節(jié)。這一特性允許將程序存儲(chǔ)器用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及在軟件控制下更新程序代碼。片內(nèi)JTAG調(diào)試支持功能允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進(jìn)行非侵入(不占用片內(nèi)資源)、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器,支持?jǐn)帱c(diǎn)、單步、運(yùn)行和停機(jī)命令。每個(gè)MCU都可在工業(yè)溫度范圍（-45℃～+85℃）內(nèi)用2.7～3.6V的電壓工作。端口I/O、RST和JTAG引腳都容許5V的輸入信號(hào)電壓。

C8051F系列單片機(jī)采用流水線結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)的8051結(jié)構(gòu)相比指令執(zhí)行速度有很大的提高。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，最大系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為12-24MHz。而對(duì)于C8051F系列單片機(jī)，70%的指令的執(zhí)行時(shí)間為1或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，只有4條指令的執(zhí)行時(shí)間大于4個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。

2 HM1500集成濕度傳感器及工作原理

線性電壓輸出式集成濕度傳感器HM1500是國(guó)外生產(chǎn)集成濕度傳感器的主要廠家HUMIREL公司的典型產(chǎn)品，采用HUMIREL專利濕敏電容HS1101，帶防護(hù)棒式封裝。其主要技術(shù)指標(biāo)如下:

濕度測(cè)量范圍:5%～99%RH；相對(duì)濕度精度:±3%RH；工作溫度:-30～60?C；工作濕度范圍：0%-100%RH；供電電壓：5V(最大電壓：16VDC)；輸出：1-4VDC；響應(yīng)時(shí)間：5s；外形尺寸：外徑小于12mm，長(zhǎng)度約58mm。HM1500有三根引線：藍(lán)色線接電源正極，白色線接地，黃色線接輸出。HM1500主要應(yīng)用：HAVC、環(huán)境監(jiān)控、潔凈空間、蔬菜大棚、糧食倉(cāng)貯等濕度檢測(cè)與控制。

HM1500采用恒壓供電，內(nèi)置放大電路，能輸出與相對(duì)濕度呈線性關(guān)系的伏特級(jí)電壓信號(hào)，響應(yīng)速度快，重復(fù)性好，抗干擾能力強(qiáng)。

測(cè)濕元件選用的是HUMIREL專利濕敏電容HS1101。常溫條件下，濕敏電容的動(dòng)態(tài)響應(yīng)較迅速。在一個(gè)有機(jī)玻璃或玻璃片上首先用擴(kuò)散法制做兩個(gè)電極，然后涂上有機(jī)膜作為介質(zhì)，形成一個(gè)電容器件。當(dāng)外界相對(duì)濕度變化時(shí)，感濕膜能吸附和釋放水汽分子，引起其介電常數(shù)發(fā)生變化，從而使元件電容量改變。利用電容量與相對(duì)濕度的函數(shù)關(guān)系即可測(cè)量濕度。

3 系統(tǒng)硬件接口

圖1為系統(tǒng)硬件框圖。

因要求的濕度精度并不高，所以HM1500與C8051F020的8位ADC相連，以完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)化，并可達(dá)到1%RH的步長(zhǎng)。顯示采用青云創(chuàng)新科技生產(chǎn)的LCMl2232A圖形點(diǎn)陣式液晶顯示模塊，它的顯示內(nèi)容為7.5×2行，實(shí)時(shí)顯示濕度值，顯示的位數(shù)足夠本系統(tǒng)使用。通訊接口采用RS-232C標(biāo)準(zhǔn)，以向上位機(jī)傳輸采集到的濕度信息。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序采用C語(yǔ)言編寫，包括主程序和各相關(guān)子程序。因?yàn)椴捎密浖绞綄?duì)濕度傳感器進(jìn)行補(bǔ)償，故采用式1進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

5 結(jié)束語(yǔ)

基于單片機(jī)的濕度檢測(cè)系統(tǒng),通過溫度補(bǔ)償修正,測(cè)量精度基本可以達(dá)到要求。采用C8051F020單片機(jī)，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜程度。由于它的測(cè)量可靠、容易控制,可以適用于不同場(chǎng)所的濕度檢測(cè)的應(yīng)用。

[1]潘琢金(譯).C8051F020/1/2/3混合信號(hào)ISP FLASH微控制器數(shù)據(jù)冊(cè).www.Laogu.com,2004.

[2]潘琢金,孫德龍,夏秀峰.C8051F單片及應(yīng)用解析,北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002.

[3]王仲生.智能檢測(cè)與控制技術(shù),西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2002.

[4]濱琦,陳紅偉,姜廣文.C8051F020中的ADC應(yīng)用要素.單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng),2002,(11).