本科毕业设计--蔬菜大棚参数控制小模型设计.doc

吉林农业大学学士学位论文56吉 林 农 业 大 学学 士 学 位 论 文 论文题目： 蔬菜大棚参数控制小模型设计 学生姓名： 专业年级： 电子信息科学与技术 指导教师： 职称 副教授 2007年06月09日目 录题目i摘要及关键词i1 前 言11.1 题目的来源与开发的意义11.2 课题功能概述12 系统硬件设计22.1 系统硬件总体设计概述22.2 方案论证22.2.1 方案一22.2.2 方案二32.3 系统各个模块的设计32.3.1 at89c51单片机的简介32.3.2 器件及芯片介绍52.3.2.1 温度传感器ds18b20简介52.3.2.2 湿敏电容hs110192.3.2.3 tlc555定时器92.3.2.4 光耦112.3.2.5 电磁继电器112.3.3 温湿度采集模块122.3.3.1 温度采集模块122.3.3.2 湿度采集模块132.3.4 键盘显示132.3.5 报警电路152.3.6 控制模块163 系统软件设计163.1 系统软件总体设计思路163.2 各功能模块软件程序的设计173.2.1温度检测模块173.2.2 湿度检测模块183.2.3 键盘扫描194 结论20参考文献21致 谢22附录一 系统总体硬件原理图23附录二 系统程序流程24附录三 资源分配26附录四 系统程序清单27附录五 外文科技文献阅读41蔬菜大棚参数控制小模型设计 学 生： 专 业：电子信息科学与技术指导老师： 摘 要：本设计是以单片机at89c51为核心，利用温度传感器ds18b20和湿度传感器hs1101采集模拟的温度信号和湿度信号，单片机对采集到的温度和湿度数据进行转换和处理，送入串行静态显示电路中进行显示。温度和湿度传感器对测得的数据进行报警检测，如果满足报警条件，则响应单片机发出的报警查询命令，进入相应的报警。进入报警状态后，针对不同的报警状态有相应的补偿操作，高温时启动风扇降温，低温时启动加热炉升温，超过湿度下限时启动洒水增加湿度，从而实现温度和湿度的自动循环控制。关键词：单片机 温湿度传感器 温度测量 湿度测量 自动控制a small model design on the vegetable canopy parameter control name：ma qiaojuan major：electronics information science and technology tutor：shi huanzhiabstract：this design takes the microprocessor at89c51 as coreby taking use of the temperature sensor ds18b20 and the humidity sensor hs1101 to collect the signal of the analog temperature and humidity，single chip microcomputer will convert and deal with themthese data are displayed in the string static display circuitthe temperature and the humidity sensor refer the alarming check to the data which have measuredif the alarming state has get，single chip microcomputer will send the alarming check demand to the alarming circuitas soon as it is the alarming state，the compensating operation will correspond with the statewhen the temperature is high，it is going to set up the fan to decrease itif it is the opposite state，it will start up the heating ovenwhen the humidity gets over the bottom data，it will water to increase humiditythen the temperature and the humidity realize the automatic cycle controlkeyword：single chip microcomputer temperature and humidity sensor temperature measurement humidity measurement automatic control 1 前 言 1.1 题目的来源与开发的意义近几年来，单片机应用广泛，生产量大，在单片机领域里具有重要的影响。其它新型单片机产品的出现，使单片机领域出现了日新月异的景象。单片机是为满足工业控制而设计的，具有良好的实时控制性能和灵活的嵌入品质，近年来在智能仪器仪表、机电一体化产品、实时工业控制、分布系统的前端模块和家用电器等领域都获得了极为广泛的应用。单片机作为一片集成电路芯片，它自身没有开发功能，必须借助开发机完成应用系统的硬件故障和软件错误的排除，调试完的程序还要固化到单片机内部或外部程序存储器芯片中。新的单片机应用系统开发技术在近年来也有了较快的发展。此外，温度和湿度的高低对我们的生活和工作有很大的影响，也是各门学科与工程研究设计中经常遇到的和必须精确测量的物理量。因此温度和湿度传感器的应用也尤为广泛，随着应用范围的扩大，人们对温湿度传感器的要求日益提高1。本设计基于教学，源于生产，受应于科学技术的发展。在生活中因大棚蔬菜产量高，投入大，对水、温度要求高，菜农对棚内这些因素方便观察，但很难做到适时控制，进而会影响到蔬菜的生长和品质。因此，菜农需要了解蔬菜对水、温度以及养分需求知识，并且做到合理控制913。为了满足这一生产需求，该小模型就针对蔬菜在棚内的生长因素，建立了蔬菜光合作用的数学模型，并结合环境控制成本综合分析，应用相应的计算机软件，智能器件进行周年环境优化控制。欲将大棚作物生长模型与环境控制的经济模型结合起来，开发出环境优化控制的系统。该系统以微型计算机为核心，通过单片机系统采集大棚湿度/温度参数，实现自动监控，其具有简单、低功耗、高可靠性、易于实现和维护等诸多优点，使其广泛适用于各种类型的农业种植大棚。1.2 课题功能概述 该蔬菜大棚小模型试验其主要内容是基于计算机技术及单片机技术的温室监控系统，以设定的温度/湿度参数为基准，通过传感器将现场采集的信息通过i/o口发送到微处理器，同时接受微处理器传来的控制信息，使其实时监测和控制棚内的二因素，自动调节大棚气候因子，为种植作物提供最佳生长发育环境。首先，该设计采用滴灌技术，它不仅具有节水、节能、降温、增产、高效的性能。同时还可以调节小气候，改善作物生长环境，且其价廉，抗堵塞性能好等优点广泛受到菜农欢迎；其次，采用智能化器件温度传感器ds18b20和湿敏电容hs1101将采集到的棚内气候因子参数通过串口去显示；同时运用了光电隔离器降低了输入输出信号之间的干扰，提高了输出信号的信噪比；此外，在该小模型中棚内的温度是靠继电器控制风扇，加热棒，雨刷的开与断来实现的 ，加热棒来升温风扇来降温，同时若棚内水分过多风扇还用于吹走多余的水分，然而在投入真正的种植大棚时，采用电热线加温的环境调控技术，具有低功耗，高效的优点。诸如在江南地区一般蔬菜大棚冬季夜间保温效果差，喜温作物不能越冬栽培，夏季高温条件下，不能使用因而周年生产水平较低。因此，该模型为以后更大规模的普及蔬菜等农作物的大棚种植打下坚实的基础。2 系统硬件设计2.1 系统硬件总体设计概述 以微处理器at89c51为核心，有温度和湿度的采集和控制模块，静态显示电路，报警电路，键盘输入等模块。将温度传感器ds18b20和湿度传感器hs1101采集到的温湿度值经转换后送入单片机的i/o口中，在七段数码管中实时显示采集到的温湿度值。同时可以通过功能键查看已设定的初值，并且将实时值和初值比较，开启控制模块。硬件框图如图2-1所示。单片机at89c51温度传感器555定时器湿敏传感器洒水模块风扇加热模块显示模块报警模块键盘模块图2-1 硬件框图fig.2-1 the hardware frame drawing2.2 方案论证2.2.1 方案一 该方案中，在采集温湿度数据方面，用数字温度传感器ds18b20和湿敏电容hs1101。ds18b20是美国dallas半导体公司继ds1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，他能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。可以分别在93.75 ms和750 ms内完成9位和12位的数字量，并且从ds18b20读出的信息或写入ds18b20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的ds18b20供电，而无需额外电源。因而使用ds18b20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较ds1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。但是湿度电容hs1101在不同的相对湿度中的电容值不同，而hs1101容值的改变，使输出的频率发生相应的变化，它和tlc555定时器相连，然后再和单片机的定时器t0相接。在控制模块，将单片机先和光耦相连，以防模数信号之间的干扰，然后接继电器，控制风扇，加热炉，雨刷的通断。2.2.2 方案二该方案中，在温湿度采集上，运用由瑞士公司生产的集成数字温湿度传感器sht11。sht11的湿度检测运用电容式结构，并采用具有不同保护的“微型结构”检测电极系统与聚合物覆盖层来组成传感器芯片的电容，除保持电容式湿敏器件的原有特性外，还可抵御来自外界的影响。由于它将温度传感器与湿度传感器结合在一起而构成了一个单一的个体，因而测量精度较高且可精确得出露点，同时不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化引起的误差。comsenstm技术不仅将温湿度传感器结合在一起，而且还将信号放大器、模数转换器、校准数据存储器、标准i2c总线等电路全部集成在一个芯片内。sht11的每一个传感器都是在极为精确的湿度室中校准的。sht11传感器的校准系数预先存在otp内存中。经校准的相对湿度和温度传感器与一个14位的a/d转换器相连，可将转换后的数字温湿度值送给二线i2c总线器件，从而将数字信号转换为符合i2c总线协议的串行数字信号。该方案中控制模块的设计和方案一相同。将以上两方案对比，前者在硬件实现上较后者麻烦，控制部分设计的相同，结合实际情况从各个方面考虑之后本设计采用了方案一，方案二可作为改进型。2.3 系统各个模块的设计2.3.1 at89c51单片机的简介该系列单片机是采用高性能的静态80c51设计。由先进cmos工艺制造并带有非易失性flash程序存储器。全部支持12时钟和6时钟操作。p89c51x2和p89c52x2/54x2/58x2分别包含128字节和256字节ram、32条i/o口线、3个16位定时/计数器、6输入4优先级嵌套中断结构、1个串行i/o口（可用于多机通信、i/o扩展或全双工uart）以及片内振荡器和时钟电路。at89c51是一种带4k字节闪烁可编程可擦除只读存储器（fperomfalsh programmable and erasable read only memory）的低电压，高性能cmos8位微处理器，俗称单片机。at89c2051是一种带2k字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用atmel高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的mcs-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位cpu和闪烁存储器组合在单个芯片中，atmel的at89c51是一种高效微控制器，at89c2051是它的一种精简版本。at89c51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。一 主要特性：1. 80c51核心处理单元4k字节flash（89c51x2）8k字节flash（89c52x2）16k字节flash（89c54x2）32k字节flash（89c58x2）128字节ram（89c51x2）256字节ram（89c52x2/54x2/58x2）布尔处理器全静态操作2. 12时钟操作，可选6个时钟（通过软件或并行编程器）3. 存储器寻址范围64k字节rom和64k字节ram二管脚说明：p0口：p0口为一个8位漏极开路双向i/o口，每脚可吸收8ttl门电流。当p1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。p0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在fiash编程时，p0 口作为原码输入口，当fiash进行校验时，p0输出原码，此时p0外部必须被拉高。p1口：p1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，p1口缓冲器能接收输出4ttl门电流。p1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，p1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在flash编程和校验时，p1口作为第八位地址接收。 p2口：p2口为一个内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2口缓冲器可接收，输出4个ttl门电流，当p2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，p2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。p2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，p2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，p2口输出其特殊功能寄存器的内容。p2口在flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。p3口：p3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向i/o口，可接收输出4个ttl门电流。当p3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，p3口将输出电流（ill）这是由于上拉的缘故。rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持rst脚两个机器周期的高电平时间。/ea/vpp：当/ea保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000h-ffffh），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/ea将内部锁定为reset；当/ea端保持高电平时，此间内部程序存储器。在flash编程期间，此引脚也用于施加12v编程电源（vpp）。xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。xtal2：来自反向振荡器的输出。三振荡器特性： xtal1和xtal2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，xtal2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。四、定时器0和1的操作定时和计数功能由特殊功能寄存器tmod的控制位c/t进行选择。这两个定时/计数器有4种操作模式，通过tmod的m1和m0选择。两个定时/计数器的模式0、1和2都相同，模式3不同。如下所述：模式0将定时器设置成模式0时类似8048定时器，即8位计数器带32分频的预分频器。此模式下，定时器寄存器配置为13位寄存器。当计数从全为“1”翻转为全为“0”时，定时器中断标志位tfn置位。当trn=1同时gate=0或intn=1时定时器计数。置位gate时允许由外部输入intn控制定时器，这样可实现脉宽测量。trn为tcon寄存器内的控制位。该13位寄存器包含thn全部8个位及tln的低5位。tln的高3位不定，可将其忽略。置位运行标志（trn）不能清零此寄存器。模式0的操作对于定时器0及定时器1都是相同的。两个不同的gate位（tmod.7和tmod.3）分别分配给定时器0及定时器1。2.3.2 器件及芯片介绍2.3.2.1 温度传感器ds18b20简介 ds18b20是美国dallas半导体公司继ds1820之后最新推出的一种改进型智能温度传感器。与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现912位的数字值读数方式。可以分别在93.75 ms和750 ms内完成9位和12位的数字量，并且从ds18b20读出的信息或写入ds18b20的信息仅需要一根口线（单线接口）读写,温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的ds18b20供电，而无需额外电源。因而使用ds18b20可使系统结构更趋简单，可靠性更高。他在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较ds1820有了很大的改进，给用户带来了更方便的使用和更令人满意的效果。1.ds18b20主要性能（1）独特的单线接口方式：ds18b20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与ds18b20的双向通讯。 （2）在使用中不需要任何外围元件。 （3）可用数据线供电，电压范围：+3.0+5.5 v。 （4）测温范围：-55+125 。固有测温分辨率为0.5 。 （5）通过编程可实现912位的数字读数方式。 （6）用户可自设定非易失性的报警上下限值。 （7）支持多点组网功能，多个ds18b20可以并联在惟一的三线上，实现多点测温。 （8）负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。2.ds18b20的内部结构 ds18b20采用3脚pr35封装或8脚soic封装，其内部结构框图如图2-2所示。 图2-2 ds18b20内部结构fig.2-2 the chart of ds1820 interior structure (1) 64 b闪速rom的结构如下：8b检验crc48b序列号8b工厂代码(10h) msb lsb msb lsb msb lsb开始8位是产品类型的编号，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，最后8位是前56位的crc校验码，这也是多个ds18b20可以采用一线进行通信的原因。 (2) 非易市失性温度报警触发器th和tl，可通过软件写入用户报警上下限。 (3) 高速暂存存储器 ds18b20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存ram和一个非易失性的可电擦除的e2ram。后者用于存储th，tl值。数据先写入ram，经校验后再传给e2ram。而配置寄存器为高速暂存器中的第5个字节，他的内容用于确定温度值的数字转换分辨率，ds18b20工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。该字节各位的定义如下：tmr1r011111低5位一直都是1，tm是测试模式位，用于设置ds18b20在工作模式还是在测试模式。在ds18b20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动，r1和r0决定温度转换的精度位数，即是来设置分辨率，如表2-1所示（ds18b20出厂时被设置为12位）。表2-1 r1和r0模式表table2-1 the mode list of r1 and r0 r1r0分辨率温度最大转换时间/mm009位93.750110位187.51011位275.001112位750.00由表2-2可见，设定的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间就越长。因此，在实际应用中要在分辨率和转换时间权衡考虑。 高速暂存存储器除了配置寄存器外，还有其他8个字节组成，其分配如下所示。其中温度信息（第1，2字节）、th和tl值第3，4字节、第68字节未用，表现为全逻辑1；第9字节读出的是前面所有8个字节的crc码，可用来保证通信正确。温度低位温度高位thtl配置保留保留保留8位crclsb msb 当ds18b20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1，2字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后，数据格式以0.062 5 /lsb形式表示。温度值格式如下：232221202-12-22-32-4msb lsbsssss262524msb lsb对应的温度计算：当符号位s=0时，直接将二进制位转换为十进制；当s=1时，先将补码变换为原码，再计算十进制值。表22是对应的一部分温度值。表2-2 部分温度值table2-2 the part temperature data温度/二进制表示十六进制表示+12500000111 1101000007d0h+25.062500000001 100100010191h+0.500000000 000010000008h000000000 000000000000h0.511111111 11111000fff8h25.062511111110 01101111fe6fh5511111100 10010000fc90h ds18b20完成温度转换后，就把测得的温度值与th，tl作比较，若tth或ttl,则将该器件内的告警标志置位，并对主机发出的告警搜索命令作出响应。因此，可用多只ds18b20同时测量温度并进行告警搜索。 (4) crc的产生 在64 b rom的最高有效字节中存储有循环冗余校验码（crc）。主机根据rom的前56位来计算crc值，并和存入ds18b20中的crc值做比较，以判断主机收到的rom数据是否正确。图2-3 ds18b20的内部测温电路结构fig.2-3 the interior circuit structure of the temperature measurement in ds18b203.ds18b20的测温原理 ds18b20的测温原理如图2-2所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其震荡频率明显改变，所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，图中还隐含着计数门，当计数门打开时，ds18b20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲后进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55 所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55 所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置值将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图2-2中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值，这就是ds18b20的测温原理。 另外，由于ds18b20单线通信功能是分时完成的，他有严格的时隙概念，因此读写时序很重要。系统对ds18b20的各种操作必须按协议进行。操作协议为：初始化ds18b20（发复位脉冲）发rom功能命令发存储器操作命令处理数据。4.ds1820使用中注意事项 ds1820虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题： (1)较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于ds1820与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对ds1820进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。在使用pl/m、c等高级语言进行系统程序设计时，对ds1820操作部分最好采用汇编语言实现。 (2)在ds1820的有关资料中均未提及单总线上所挂ds1820数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个ds1820，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂ds1820超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。 (3)连接ds1820的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用ds1820进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。 (4)在ds1820测温程序设计中，向ds1820发出温度转换命令后，程序总要等待ds1820的返回信号，一旦某个ds1820接触不好或断线，当程序读该ds1820时，将没有返回信号，程序进入死循环。这一点在进行ds1820硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。2.3.2.2 湿敏电容hs1101 hs1101型湿度传感器是humirel公司生产的变容式相对湿度传感器，该传感器具有检测速度快、高精度、高可靠性、长期稳定性和使用方便、体积小等特点。hs1101型传感器在不同的相对湿度中的电容值不同，而hs1101容值的改变，使输出的频率发生相应的变化，hs1101的容值随着相对湿度值的变大而变大，因此，输出频率将随着相对湿度值的增大而减小，即频率降低。输出频率的典型值见表2-3。 表2-3 典型频率值table2-3 the type frequency data（参考点：25，相对湿度：50，输出频率：6366khz）相对湿度值/01020304050输出频率值/khz7.3517.2247.1006.9766.8536.278相对湿度值/60708090100输出频率值/hz6.6006.4686.3306.1866.03通过测量输出频率值，由公式算出相对湿度值。fmes(hz)=f55(hz)(1.10381.9368103rh3.0114106rh23.4403108rh3)相对而言，公式比较麻烦，也可由查表的方法计算相对湿度值，将2个对应相邻相对湿度值的频率值的变化当作线性变化，从而算出相对湿度值。2.3.2.3 tlc555定时器 555定时器是一种功能强大的模拟数字混合集成电路，其组成电路框图如图2-3所示。图2-4 555内部电路框图fig.2-4 the inside circuit frame picture of 555它的各个引脚功能如下：1脚：外接电源负端vss或接地，一般情况下接地。8脚：外接电源vcc，双极型时基电路vcc的范围是4.516v，cmos型时基电路vcc的范围为318v。一般用5v。3脚：输出端vo2脚：低触发端6脚：th高触发端4脚：是直接清零端。当端接低电平，则时基电路不工作，此时不论、th处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。5脚：vc为控制电压端。若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01f电容接地，以防引入干扰。7脚：放电端。该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器a1、a2基准电压分别为的情况下，555时基电路的功能表如表2-4所示： 表2-4 功能表table2-4 the function list清零端高触发端th低触发端qn+1放电管t功能00导通直接清零10导通置011截止置11qn不变保持555定时器有二个比较器a1和a2，有一个rs触发器，r和s高电平有效。三极管vt1对清零起跟随作用，起缓冲作用。三极管vt2是放电管，将对外电路的元件提供放电通路。比较器的输入端有一个由三个5kw电阻组成的分压器，由此可以获得 和 两个分压值，一般称为阈值。555定时器的1脚是接地端gnd，2脚是低触发端tl，3脚是输出端out，4脚是清除端rd，5脚是电压控制端cv，6脚是高触发端th，7脚是放电端dis，8脚是电源端vcc。555定时器的输出端电流可以达到200ma，因此可以直接驱动与这个电流数值相当的负载，如继电器、扬声器、发光二极管等。2.3.2.4 光耦 光耦隔离是采用什么原理？光耦隔离就是采用光耦合器进行隔离,光耦合器的结构相当于把发光二极管和光敏(三极)管封装在一起。发光二极管把输入的电信号转换为光信号传给光敏管转换为电信号输出，由于没有直接的电气连接，这样既耦合传输了信号，又有隔离作用。只要光耦合器质量好，电路参数设计合理，一般故障少见。如果系统中出现异常，使输入、输出两侧的电位差超过光耦合器所能承受的电压，就会使之被击穿损坏。光耦合器（optical coupler，英文缩写为oc）亦称光电隔离器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（led），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电光电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。 光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。光耦合器是70年代发展起来产新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离 、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器(ssr)、仪器仪表、通信设备及微机接口中。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。2.3.2.5 电磁继电器 电磁继电器是自动控制电路中常用的一种元件。实际上它是用较小电流控制较大电流的一种自动开关，广泛应用于电子设备中。电磁继电器一般由一个线圈、铁芯、一组或几组带触点的簧片组成。触点有动触点和静触点之分，在工作过程中能够动作的称之为动触点，不能动作的称为静触点。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。继电器的主要特性参数：额定工作电压或额定工作电流：这是指继电器工作时线圈需要的电压或电流。一种型号的继电器的构造大体是相同的。为了适应不同的电压的电路应用，一种型号的继电器通常有多种额定工作电压或额定工作电流，并用规格型号加以区别。直流电阻：这是指线圈的直流电阻。有些产品说明书中给出额定工作电压和直流电阻，这时可根据欧姆定律求出额定工作电流。若已知额定工作电流和直流电阻，亦可求出额定工作电压。吸合电流：它是指继电器能够产生吸合动作的最小电流。在实际使用中，要使继电器可靠吸合，给定电压可以等于或略高于额定工作电压。一般不要大于额定工作电压的1.5倍，否则会烧毁线圈。释放电流：它是指继电器产生释放动作的最大电流。减小处于吸合状态的继电器的电流，当电流减小到一定程度时，继电器恢复到未通电时的状态，这个过程称为继电器的释放动作。释放电流比吸合电流小得多。2.3.3 温湿度采集模块2.3.3.1 温度采集模块ds18b20是dallas公司生产的1款可编程，使用1-wire协议的数字化温度传感器。通过编程，可以选择9位12位精度的温度值输出。电源电压范围是3v5.5v，测量的温度范围为55125，在1085测量范围内，测量精度为0.5。当选用12位测量精度时，传感器完成1次温度值转换的时间最多为750ms；此外，传感器内还具有掉电时数据不丢失的可擦写的存储单元，可用该单元存储设定的报警温度值。ds18b20型传感器的供电方式有2种，分别是寄生供电方式和外部供电方式，如图2-4和2-5所示。但当所测温度超过100时，最好用外部供电方式，因为温度高于100时，ds18b20的漏电流增大，这样，传感器从i/o线上获取的电流就不足以维持ds18b20的通讯所需的电流，因此，此时应选用外部供电方式。 图2-5 寄生供电方式 图2-6 外部供电方式fig.2-5 the mode of depending on power supply fig.2-6 the mode of exterior power supply 采用寄生电源供电方式，p1.1口接单线总线为保证在有效的ds18b20时钟周期内提供足够的电流，可用一个mosfet管和89c51的p1.0来完成对总线的上拉。当ds18b20处于写存储器操作和温度a/d变换操作时，总线上必须有强的上拉，上拉开启时间最大为10 s。采用寄生电源供电方式是vdd和gnd端均接地。由于单线制只有一根线，因此发送接收口必须是三态的。主机控制ds18b20完成温度转换必须经过3个步骤：初始化、rom操作指令、存储器操作指令。假设单片机系统所用的晶振频率为12mhz，根据ds18b20的初始化时序、写时序和读时序，分别编写3个子程序：init为初始化子程序，write为写（命令不用这种方式，只要在数据线上加一个上拉电阻4.7 k,另外2个脚分别接电源和地。本设计中采用了外部供电方式。2.3.3.2 湿度采集模块hs1101型湿度传感器是humirel公司生产的变容式相对湿度传感器，该传感器具有检测速度快、高精度、高可靠性、长期稳定性和使用方便、体积小等特点。该传感器的典型应用电路如图2-6所示。 图2-7 湿度采集电路fig.2-7 the circuit on gathering humidity 由于hs1101和tlc555相连，在不同的湿度环境中，湿敏电容hs1101因感应湿度电容值发生改变，使555振荡的频率也随之变化1819，27，这样就将湿度相应转化成容易测量的频率值，然后和单片机的定时器t0相连，每隔一定的时间读一次采集到的数据。2.3.4 键盘显示44键盘： 把每个键都分成水平和垂直的两端接入，比如说扫描码是从垂直的入，那就代表那一行所接收到的扫描码是同一个bit，而读入扫描码的则是水平，扫描的动作是先输入扫描码，再去读取输入的值，经过比对之后就可知道是哪个键被按下。 比如说扫描码送入01111111，前面的0111是代表此时扫描第一行p1.0列，而后面的1111是让读取的4行接脚先设为vdd，若此时第一行的第三列按键被按下，那读取的结果就会变成01111101（注意1111变成1101），其中lsb的第三个bit会由1变成0，这是因為这个按键被按下之后，会被垂直的扫描码电位short，而把读取的lsb的bit电位拉到0，此即为扫描原理。 由于这种按键是机械式的开关，当按键被按下时，键会震动一小段时间才稳定，为了避免让89c51误判为多次输入同一按键，我们必须在侦测到有按键被按下，就delay一小段时间，使键盘以达稳定状态，再去判读所按下的键，就可以让键盘的输入稳定。静态显示接口 在单片机应用系统中，显示器显示常用两种方法：静态显示和动态扫描显示。所谓静态显示，就是每一个显示器都要占用单独的具有锁存功能的i/o接口用于笔划段字形代码。这样单片机只要把要显示的字形代码发送到接口电路，就不用管它了，直到要显示新的数据时，再发送新的字形码，因此，使用这种方法单片机中cpu的开销小。可以提供单独锁存的i/o接口电路很多，这里以常用的串并转换电路74ls164为例，介绍一种常用静态显示电路，以使大家对静态显示有一定的了解。mcs-51单片机串行口方式押为移们寄存器方式，外接6片74ls164作为6位led显示器的静态显示接口，把89c51的rxd作为数据输出线，txd作为移位时钟脉冲。74ls164为ttl单向8位移位寄存器，可实现串行输入，并行输出。其中a、b（第1、2脚）为串行数据输入端，2个引脚按逻辑与运算规律输入信号，公一个输入信号时可并接。t（第8脚）为时钟输入端，可连接到串行口的txd端。每一个时钟信号的上升沿加到t端时，移位寄存器移一位，8个时钟脉冲过后，8位二进制数全部移入74ls164中。r（第9脚）为复位端，当r=0时，移位寄存器各位复0，只有当r=1时，时钟脉冲才起作用。q1q8（第3-6和10-13引脚）并行输出端分别接led显示器的hg-a各段对应的引脚上。关于74ls164还可以作如下的介绍：所谓时钟脉冲端，其实就是需要高、低、高、低的脉冲，不管这个脉冲是怎么来的，比如，我们用根电线，一端接t，一端用手拿着，分别接高电平、低电平，那也是给出时钟脉冲，在74ls164获得时钟脉冲的瞬间（再讲清楚点，是在脉冲的沿），如果数据输入端（第1，2引脚）是高电平，则就会有一个1进入到74ls164的内部，如果数据输入端是低电平，则就会有一个0进入其内部。在给出了8个脉冲后，最先进入74ls164的第一个数据到达了最高位，然后再来一个脉冲会有什么发生呢？再来一个脉冲，第一个脉冲就会从最高位移出，就象车站排队买票，栏杆就那么长，要从后面进去一个人，前面必须要从前面走出去一个人才行。下面是具体的电路，6片7ls164首尾相串，而时钟端则接在一起，这样，当输入8个脉冲时，从单片机rxd端输出的数据就进入到了第一片74ls164中了，而当第二个8个脉冲到来后，这个数据就进入了第二片74ls164，而新的数据则进入了第一片74ls164，这样，当第六个8个脉冲完成后，首次送出的数据被送到了最左面的164中，其他数据依次出现在第一、二、三、四、五片74ls164中。有个问题，在第一个脉冲到来时，除了第一片74ls164中接收数据外，其他各片在干吗呢？它们也在接收数据，因为它们的时钟端都是被接在一起的，可是数据还没有送到其他各片呢，它们在接收什么数据呢？。其实所谓数据不过是一种说法而已，实际就是电平的高低，当第一个脉冲到来时，第一片164固然是从单片机接收数据了，而其它各片也接到前一片的q8上，而q8是一根电线，在数字电路中它只可能有两种状态：低电平或高电平，也就是“0”和“1”。所以它的下一片74ls164也相当于是在接收数据。只是接收的全部是0或1而已。图2-8 静态显示电路fig.2-8 the circuit of static display入口：把要显示的数分别放在显示缓冲区60h-65h共6个单元中，并且分别对应各个数码管led0-led5。出口：将预置在显示缓冲区中的6个数成相应的显示字形码，然后输出到显示器中显示。2.3.5 报警电路在简易自动报警器中，常常采用蜂鸣器发声或发光二极管发光产生示警信号，如图