精品毕业论文基于at89c52单片机的温室控制系统设计

目 录1. 引 言11.1 温室控制系统设计背景11.2 本设计的内容及意义21.2.1本设计的主要内容21.2.2本设计的意义32. 温室控制系统总体设计42.1 测控系统的设计要求42.2 设计目标42.3 测控系统的组成及控制原理43. 硬件设计63.1 单片机的选择及其特性63.2 AT89C52系列单片机介绍63.2.1 AT89C52基本特性63.2.2 AT89C52单片机的内部组成结构73.2.3 AT89C52的引脚功能83.2.4 AT89C52的存储器103.3 传感器的选型及其性能特征133.3.1温度传感器AD590133.3.2相对湿度传感器HIH3610153.4 单片机外围控制电路设计173.4.1电子狗电路173.4.2电源电路183.4.3信号采集电路183.4.4 LED显示电路213.4.5执行机构电路223.4.6键盘输入与报警电路233.4.7与上位机通信的接口电路254. 温室控制系统软件设计284.1 C语言284.2 控制程序设计284.2.1主控制程序设计284.2.2信号数据采集子程序设计34总 结38致 谢39参考文献401. 引 言1.1 温室控制系统设计背景中国农业的发展必须走现代化农业这条道路，随着国民经济的迅速增长，农业的研究和应用技术越来越受到重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成部分。现代化农业生产中的重要一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行检测和控制。例如:空气的温度、湿度、二氧化碳含量、土壤的含水量等。在农业种植问题中，温室环境与生物的生长、发育、能量交换密切相关，进行环境测控是实现温室生产管理自动化、科学化的基本保证，通过对监测数据的分析，结合作物生长发育规律，控制环境条件，使作物达到优质、高产、高效的栽培目的。以蔬菜大棚为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用。大棚内的温度和湿度参数，直接关系到蔬菜和水果的生长。国外的温室设施己经发展到比较完备的程度，并形成了一定的标准，但是价格非常昂贵，缺乏与我国气候特点相适应的测控软件。而当今大多数对大棚温度、湿度的检测与控制都采用人工管理，这样不可避免的有测控精度低、劳动强度大及由于测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失，结果不但大大增加了成本，浪费了人力资源，而且很难达到预期的效果。因此，为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性，推动我国农业的发展，必须大力发展农业设施与相应的农业工程，科学合理地调节大棚内温度、湿度，使大棚内形成有利于蔬菜，水果生长的环境，是大棚蔬菜和水果早熟、优质、高效益的重要环节。影响作物生长发育的环境条件主要包括:温度、湿度、光照、CO2浓度、土壤等。所有这些环境条件之间是相互作用、相互联系、相互耦合的，某个控制变量发生改变，会影响其它控制变量的变化。作物的生长发育是所有这些环境条件综合作用的结果。温度和湿度一直是人类关注的对象，这两种环境因素时刻影响着人们的生产和生活，下面主要就温度和湿度对作物的影响进行简略说明。1.温度 温室内气温、地温对作物的光合作用、呼吸作用、根系的生长和水分、养分的吸收有着显著的影响，因此影响作物生长发育的环境条件中，以温度最为敏感，也最为重要，对温室环境控制的研究也是最先从温度控制开始的。不同种类的作物对温度的要求是不同的，同一作物在不同发育阶段对温度的要求亦有所不同，而且在同一发育期阶段内对温度的要求也会随着昼夜变化而呈周期性地变化。一般说来在白天作物进行光合作用需要的温度较高，晚上维持呼吸作用所需的温度要低一些。作物生长发育适宜的温度，随种类、品种、生育阶段及生理活动的变化而变化。为了增加光合产物的生成，抑制不必要的呼吸消耗，在一天中，随着光照强度的变化，实行变温管理是一种很有效的管理方法。2.湿度 温室内作物对水分的要求体现为对温室内空气湿度和土壤湿度的要求。空气湿度用相对湿度来表示，因为相对湿度更能反应事实。根据有关研究记载，除了阴雨天以外，温室内午后过低的空气湿度会导致作物发生光合作用的午休现象，因此空气相对湿度的大小直接影响到作物的光合作用，这时就需要增加温室内的空气湿度。当温室内的空气湿度较高时，可能会诱发一些病虫害。温室中空气湿度的管理包括增湿和降湿。土壤湿度对作物的影响也很大。如果土壤中水分过剩，湿度过高，导致土壤中的氧气含量减少，作物根部呼吸困难，进而危害作物的生长发育。相反，当土壤中含水量减少时，作物根部吸收的水分就相应的减少，从而阻碍作物的生长，严重时作物出现萎蔫现象。不同的作物对湿度的要求不同，即使是同一种类在不同发育阶段对湿度的要求也不尽相同。 土壤湿度的管理就是把包括渗灌、滴灌、微灌等灌溉技术应用到温室中来。传统的大水漫灌既浪费水资源，又容易使土壤发生板结，提高了室内湿度。在温室中应用渗灌技术具有灌水均匀，提高地温，保持土壤疏松，降低室内湿度，减轻病害发生，生育期提前等优点。从很久以前人类就想出各种方法控制温度和湿度，以满足人们生产生活的需要。从古代人们通过扇子、雨伞、毛巾等试图去控制温度和湿度到今天高科技发展迅速的社会所发明出的各种工具，如风扇、空调、加热器等，表明人类一直努力去控制这两种和人类密切相关的环境因素。现代科技的发展，使得温度和湿度的控制更容易，更高效，特别是传感器和单片机的应用，使得温度和湿度控制系统性能有了根本性的提高，精度更高，而且实现了自动化。人们使用温度计、湿度计来采集温度和湿度，通过人工操作加热、加湿、通风和降温设备来控制温湿度，这样不但控制精度低、实时性差，而且操作人员的劳动强度大。即使有些用户采用半导体二极管作温度传感器，但由于其互换性差，效果也不理想。在某些行业中对温湿度的要求较高，特别是在大型的电力系统中，由于温度过高或过低引起的元器件失效或由于环境湿度过高而引起的漏电事故时有发生。对电力系统的可靠运行造成影响，甚至危及到电力系统局部及操作人员的安全。为了避免这些故障，需要在电力设备柜体内安装控温、除湿设备。1.2 本设计的内容及意义1.2.1本设计的主要内容本设计以AT89C52单片机的温度、湿度测量和控制系统为核心来对温湿度进行实时巡检。单片机能独立完成各自功能，同时能根据主控机的指令对温度进行定时采集。测量结果不仅能在本地显示，而且可以利用单片机的串行口和 RS-232总线通信协议能把温室中的温度、湿度等参数及时上传至上位机，并与设定值进行比较，与设定值不符时采取相应的处理措施，以实现恒温恒湿环境。在设计的过程中充分考虑到性价比和精度，在选用低价格、通用元件的的基础上，尽量满足设计要求，并使系统具有高的精度。本控制系统以单片机的控制为核心，实时监测环境的温度和湿度，并设定了这两个参数的上下限定值，并具有相应的报警系统，当超过设定的限定值时，单片机控制报警系统进行报警，而且同时驱动继电器打开相应的开关使相应的执行机构运行。当参数值恢复到设定值范围内时，单片机控制执行机构停止运行。从而使环境的温湿度在一定的范围内得到控制。本设计主要内容包括以下几个方面：1、 选择适合的两种传感器，设计相应的信号采集和处理电路。2、 掌握AT89C52单片机的主要功能和特性，以其为核心设计控制系统。3、 设计简单的人机对话接口系统，如键盘、显示、报警等。4、 利用RS232实现单片机与上位机的通信。5、 实现系统的可靠性和抗干扰性。1.2.2本设计的意义传统的方法，人们主要采用温度计、湿度计来采集温度值和湿度值，通过人工操作加热、加湿、通风和降温设备来控制温湿度。但是由于温度计、湿度计精度比较低，以及人工读数的人为因素等原因，温湿度检测不仅速度慢，精度低，实时性差，而且操作人员的劳动强度大。随着科技的发展，采用各种传感器、模数转换器、报警器等组成的温湿度监测系统的出现，可对环境内的各个测点进行巡回检测，检测速度、精度有了一定的提高，降低了劳动强度，但由于所采用的传感器灵敏度比较低、稳定性比较差，致使检测精度、系统可靠性还不够理想，同时在农业生产和农业科研过程中的很多场合需要对上面提到的物理量进行精确的检测和控制。由于现在基本沿用人工的测控方法，这就不可避免的存在着劳动强度大、繁琐、测量精度低，并且由于检测报警不及时，给生产和科研工作造成了一定的损失。近年来，随着单片机功能的日益强大和计算机的广泛应用，人们对参数监测的准确性、稳定性要求也越来越高。本设计就是针对此问题，设计相对精度高、性能稳定的、的温度湿度控制装置。该仪器可广泛应用于大棚、仓库、体育场等领域。2. 温室控制系统总体设计2.1 测控系统的设计要求1. 能够实时采集与显示室内环境温度、湿度等参数。主要参数的监测范围和检测精度如表2.1所示：表2.1 主要环境参数参数名检测范围检测精度温度-10+500.5相对湿度5%95%RH3.0%RH2. 能够根据每天各个阶段以及季节等的外部环境变化通过键盘输入改变对参数的设置，以满足不同的要求达到最佳效益；3. 声音报警功能；4. 根据检测到的信号，实时控制执行机构的开启与关断。5. 自带+5 V和+12 V直流稳压电源。2.2 设计目标本设计是基于AT89C52单片机的温湿度智能控制采集系统，主要完成一下主要任务：选择AT89C52单片机，了解其基本特性和功能，使用AT89C52实现对温湿度的智能控制。使用温度传感器测量环境的温度，进行数据的采集并传送到单片机进行数据处理，实现范围为-55+125温度采集和控制。使用湿度传感器对现场环境湿度数据采集，由单片机进行数据处理和控制，实现范围为1%99%RH的湿度控制。采用串行总线RS-232实现单片机和上位机通讯。设计人机对话接口，键盘、显示和报警系统。设计执行机构电路，使单片机能自动控制执行机构工作。使系统完成特定功能的同时，要保证系统的可靠性和稳定性，使系统能够长期稳定的工作。还要尽量实现系统的低成本、低功耗和高精度。2.3 测控系统的组成及控制原理本设计是以AT89C52单片机为核心的自动控制系统，硬件系统由键盘输入电路、LED显示电路、传感器和A/D转换电路、光电隔离和执行电路、报警电路等组成。硬件系统原理框图如图2.1所示：键盘输入温度传感器湿度传感器A/D转换MCUAT89C52显示报警电路光电隔离执行机构1执行机构3执行机构2图2.1 测控系统硬件组成原理框图传感器一般输出的为模拟量，需要通过A/D转换，转换为单片机能够接收的数字信号，若模拟信号太弱，还需经过运算放大器放大信号。键盘输入的是系统参数的上、下限极限值，若检测到的信号值出现不在此极限区间的情况，单片机就会驱动蜂鸣器产生报警，此时就需要执行机构控制室内环境相应的改变，使得环境参数重新回到设定的理想区间。3. 硬件设计硬件元器件的选择，必须考虑到功能的实现、器件的适时性、价格和通用性等几个方面。在电路的设计中，在实现所要求功能的基础上，尽量使电路简单。3.1 单片机的选择及其特性计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟体积庞大。单片机（微控制器）就是在这种情况下诞生的。微控制器，亦称单片机或者单片微型计算机。它是把中央处理器(CPU)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入/输出端口(1/0) 等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。它的结构与指令功能都是按照工业控制的要求设计的，在智能控制系统中，微控制器得到了广泛的应用。单片机目前己被广泛地应用于家电、医疗、仪器仪表、工业自动化、航空航天等领域。市场上比较流行的单片机种类主要有Intel公司、Atmel公司和Philip公司的8051系列单片机，Motorola公司的M6800系列单片机，Intel公司的MCS96系列单片机,Microchip公司的PIC系列单片机等。各个系列的单片机各有所长，在处理速度、稳定性、I/O能力、功耗、功能、价格等方面各有优劣。这些种类繁多的单片机家族，给我们单片机的选择也提供了很大的余地。本设计选用AT89C52单片机，它是一种低功耗、低价格，高性能8位微处理器。3.2 AT89C52系列单片机介绍AT89C52 是美国ATMEL 公司生产的低电压，高性能CMOS 8 位单片机，片内含8k bytes 的可反复擦写的Flash 只读程序存储器和256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51 指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8 位中央处理器（CPU）和Flash 存储单元，功能强大的AT89C52 单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。3.2.1 AT89C52基本特性AT89C52系列单片机主要性能参数如下：与MCS-51产品指令和引脚完全兼容8k字节可重擦写Flash闪速存储器1000次擦写周期全静态操作：0Hz-24MHz三级加密程序存储器256字节内部RAM32个可编程I/O口线3个16位定时/计数器8个中断源可编程串行UART通道低功耗空闲和掉电模式。AT89C52 提供以下标准功能：8k字节Flash 闪速存储器，256字节内部RAM，32 个I/O 口线，3 个16 位定时/计数器，一个6 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，AT89C52 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部件工作直到下一个硬件复位。 3.2.2 AT89C52单片机的内部组成结构AT89C52单片机的内部结构如图3.1所示：图3.1 AT89C52 内部结构3.2.3 AT89C52的引脚功能引脚功能说明如图3.2：Vcc：电源电压GND：地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，对端口P0写“1”时，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口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。图3.2 AT89C52单片机封装图P1口：P1口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拉低时会输出一个电流(IIL)。与AT89C51 不同之处是，P1.0 和P1.1 还可分别作为定时/计数器2 的外部计数输入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX），参见表3.1。表3.1 引脚P1.0和P1.1的第二功能引脚号功能特性P1.0T2(定时计数器2外部计数脉冲输入),时钟输出P1.1T2EX（定时计数器2捕获重装载触发和方向控制Flash 编程和程序校验期间，P1 接收低8位地址。P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的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P2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，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拉低时会输出一个电流(IIL)。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（如执行MOVX RI 指令）时，P2口输出P2 锁存器的内容。Flash 编程或校验时，P2亦接收高位地址和一些控制信号。P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL 逻辑门电路。对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。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，如表3.2所示：表3.2 引脚P3口的第二功能端口引脚号第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INTO（外中断0）P3.3/INT1（外中断1）P3.4T0（定时/计数器0）P3.5T1（定时/计数器1）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）此外，P3 口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。RST：复位输入。当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ALE/PROG： 当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。对Flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH 单元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只有一条MOVX 和MOVC指令才能将ALE 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE 禁止位无效。PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C52 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。EA/VPP：外部访问允许。欲使CPU 仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA 端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU 则执行内部程序存储器中的指令。Flash 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V 编程电压Vpp。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。3.2.4 AT89C52的存储器中断寄存器：AT89C52有6个中断源，2个中断优先级，IE寄存器控制各中断位，IP寄存器中6个中断源的每一个可定为2个优先级。数据存储器：AT89C52有256个字节的内部RAM，80H-FFH高128个字节与特殊功能寄存器（SFR）地址是重叠的，也就是高128字节的RAM和特殊功能寄存器的地址是相同的，但物理上它们是分开的。当一条指令访问7FH 以上的内部地址单元时，指令中使用的寻址方式是不同的，也即寻址方式决定是访问高128 字节RAM还是访问特殊功能寄存器。如果指令是直接寻址方式则为访问特殊功能寄存器。例如，下面的直接寻址指令访问特殊功能寄存器0A0H（即P2 口）地址单元。MOV 0A0H，#data间接寻址指令访问高128 字节RAM，例如，下面的间接寻址指令中，R0 的内容为0A0H，则访问数据字节地址为0A0H，而不是P2口（0A0H）。MOV R0，#data堆栈操作也是间接寻址方式，所以，高128 位数据RAM 亦可作为堆栈区使用。定时器0和定时器1：AT89C52的定时器0和定时器1的工作方式与AT89C51的相同。定时器2：定时器2 是一个16 位定时/计数器。它既可当定时器使用，也可作为外部事件计数器使用，其工作方式由特殊功能寄存器T2CON的C/T2 位选择。定时器2 有三种工作方式：捕获方式，自动重装载（向上或向下计数）方式和波特率发生器方式，工作方式由T2CON 的控制位来选择。波特率发生器：当T2CON中的TCLK 和RCLK 置位时，定时/计数器2 作为波特率发生器使用。如果定时/计数器2 作为发送器或接收器，其发送和接收的波特率可以是不同的，定时器1 用于其它功能。若RCLK 和TCLK 置位，则定时器2工作于波特率发生器方式。波特率发生器的方式与自动重装载方式相仿，在此方式下，TH2 翻转使定时器2 的寄存器用RCAP2H 和RCAP2L 中的16位数值重新装载，该数值由软件设置。中断：AT89C52 共有6 个中断向量：两个外中断（INT0 和INT1），3 个定时器中断（定时器0、1、2）和串行口中断。这些中断源可通过分别设置专用寄存器IE 的置位或清0 来控制每一个中断的允许或禁止。IE 也有一个总禁止位EA，它能控制所有中断的允许或禁止。定时器2 的中断是由T2CON 中的TF2 和EXF2 逻辑或产生的，当转向中断服务程序时，这些标志位不能被硬件清除，事实上，服务程序需确定是TF2 或EXF2 产生中断，而由软件清除中断标志位。定时器0 和定时器1 的标志位TF0 和TF1 在定时器溢出那个机器周期的S5P2 状态置位，而会在下一个机器周期才查询到该中断标志。然而，定时器2 的标志位TF2 在定时器溢出的那个机器周期的S2P2 状态置位，并在同一个机器周期内查询到该标志。AT89C52的直流参数有一定的温度适用范围，见表3.3：表3.3 T=-40+85 和 Vcc=5.0V20%下的直流参数符号参数条件最小值最大值单位输入低电压(Except EA)-0.50.2VCC-0.1V输入低电压-0.50.2VCC-0.3V输入高电压(Except XTAL1,RST)0.2VCC+0.9VCC+0.5V输入高电压(XTAL,RST)0.7VCCVCC+0.5V输出低电压(P1,2,3)I=1.6mA0.45V输出低电压(P0,ALE/PSEN)I=32mA0.45V输出高电压I=-25uA0.75VCCV输出高电压I=-300uA0.75VCCV逻辑0输入电流（P1，2，3）V=0.45V-50uA逻辑1到0转换电流(P1,2,3)V=2V-650uARST复位下拉电阻50300K引脚电容1MHz,pF消耗电流Active Mode,12MHz25mAFlash存储器的编程：AT89C52单片机内部有8k字节的Flash PEROM，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。编程接口可接收高电压（+12V）或低电压（Vcc）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。AT89C52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和读取芯片内的签名字节获得该信息，见表3.4。表3.4 顶面标记及签名字节Vpp=12VVpp=5V顶面标记AT89C52XxxxyywwAT89C52xxxx-5yyww签名字节(030H)=1EH(031H)=52H(032H)=FFH(030H)=1EH(031H)=52H(032H)=05HAT89C52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，要对整个芯片内的PEROM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图3.3 AT89C52编程电路程程序序校验：如果加密位LB1、LB2没有进行编程，则代码数据可通过地址和数据线读回原编写的数据，采用如图3.3的电路。加密位不可直接校验，加密位的校验可通过对存储器的校验和写入状态来验证。编程方法：1在地址线上加上要编程单元的地址信号。2在数据线上加上要写入的数据字节。3激活相应的控制信号。4在高电压编程方式时，将EA/Vpp端加上+12V编程电压。5每对Flash存储阵列写入一个字节或每写入一个程序加密位，加上一个ALE/PROG编程脉冲。每个字节写入周期是自身定时的，通常约为1.5ms。重复15步骤，改变编程单元的地址和写入的数据，直到全部文件编程结束。Ready/Busy：字节编程的进度可通过“RDY/BSY输出信号监测，编程期间，ALE变为高电平“H”后，P3.4（RDY/BSY）端电平被拉低，表示正在编程状态（忙状态）。编程完成后，P3.4变为高电平表示准备就绪状态。芯片擦除：利用控制信号的正确组合并保持ALE/PROG引脚10mS的低电平脉冲宽度即可将PEROM阵列（4k字节）和三个加密位整片擦除，代码阵列在片擦除操作中将任何非空单元写入“1”，这步骤需再编程之前进行。3.3 传感器的选型及其性能特征用于测温的传感器种类繁多，但大多是模拟传感器，在以往组建温度采集系统时，由于经传感器输出的是模拟信号，系统必须接入A/D转换器，由此增加了构件系统的复杂性且成本较高。温度的检测方法，一般采用热电偶、热敏电阻以及集成温度传感器等测温元件。热电偶的工作原理: 两种不同成份的导体两端经焊接，形成回路，直接测温端叫工作端 ，接线端叫冷端，也称参比端。当工作端和参比端之间存在温差时，就会在回路中产生热电动势，接上显示仪表，仪表上就会指示出热电偶所产生的热电动势的对应温度值。热敏电阻的工作原理:热敏电阻的阻值随温度的升高而成非线性急剧变化，一般具有负的温度系数，其阻值随温度升高而急剧减小，只有少数具有正的温度系数。集成温度传感器的工作原理:集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b一e结压降的不饱和值Vbe与热力学温度T和通过发射极电流I的关系实现对温度的检测。热电偶和热敏电阻的测量精度都比较高，成本比较低，而且测量的范围也比较宽，但是它容易受到测量场所以及环境的限制，高温或长期使用时由于环境的影响会使其性能下降，需要定期检查与更换，给实际应用带来了很大不便。经过论证及多次实验，本设计决定采用由AD公司生产的AD590集成温度传感器，它具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便、价格比较低，并且具有长期稳定性等优点，因此，得到广泛应用。所以，经过论证及多次实验，本设计决定采用AD 公司生产的AD590 集成温度传感器。3.3.1温度传感器AD590 一、温度传感器AD590简介AD590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。是利用PN结正向电流与温度的关系制成的电流输出型两端温度传感器。AD590具有线性好、性能稳定、灵敏度高、无需补偿、热容量小，抗干扰能力强、可远距离测温并且使用方便等优点。这种器件在被测温度一定时，相当于一个恒流源，测量精度高，并具有消除电源波动的特性。它的电源电压可以在4V6V范围变化，电流Ir变化luA，相当于温度变化1K。AD590可以承受44V正向电压和20V反向电压，因而器件反接也不会被损坏。集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的b一e结压降的不饱和值V与热力学温度T和通过发射极电流I的下述关系实现对温度的检测:V=lnI ，K-波尔兹常数; q-电子电荷绝对值 (3.1)集成温度传感器的输出形式分为电压输出和电流输出两种。电压输出型的灵敏度一般为10mV/K，温度0时输出为0，温度25时输出2.982v;电流输出型的灵敏度一般为luA/K，本文选用的是电流输出型温度传感器。AD59O的主要特性如下: 流过器件的电流(uA)等于器件所处环境的热力学温度(开尔文)度数，即:Ir/T=luA/K； AD590的测温范围为-55+150； AD590的保存温度为-65+175； AD590的电源电压范围为4V30V 输出电阻为710M； 响应时间仅为20us； 精度高。AD590共有I、J、K、L、M五档，其中M档精度最高，在-5+l50范围内，非线性误差为0.3。二、 温度测量电路1、 基本应用电路图3.4（a）是AD59O的封装形式，图3.4(b)是AD590用于测量热力学温度的基本应用电路。因为流过AD590的电流与热力学温度成正比，当电阻R1和电位器R2的电阻之和为1K时，输出电压V0随温度的变化为1mV/K。图3.4 AD590的封装形式及基本应用电路2、 温度测量电路要想克服简单电路的缺陷，就要使得增益调整和补偿调整相互独立。本文设计了具有独立调节功能的测温电路，电路图见图3.5。AD59O的输出电流I=(273+T)uA (T为摄氏温度)，因此测得电压UO1=(273+T)uAl0K=(273+T)0.01V。但由于AD590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。调整的方法为:把AD590放于冰水混合物中，调整电位器R1，使UO1=2.732V;或者在室温(25) 的条件下通过调节电位器R2，使电压Uoz=-2.73V，调整电位器R3，使U0=l.25v。这种调整的方法，可以保证在0或25附近有较高精度。图3.5 温度测量电路3.3.2相对湿度传感器HIH3610本系统的湿度传感器选用Honeywell公司的集成湿度传感器HIH3610，该传感器内部集成了信号处理功能电路，可完成将相对湿度值变换成电容值，再将电容值转换成线性电压输出的任务输出电压为： （3.2）在本系统中固定为+5V，则其输出电压值正比于湿度测量值，因此可由测试现场的温度值决定。送LM258，在此处LM258起电压跟随作用，以与采集现场隔离和提高带负载能力。然后信号送带8路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件AD转换器ADC0809,经转换后送单片机I/O口。在该设计中温度的极限参数为：-5OT7O；湿度的极限参数为lH99；温度的显示分度为01；湿度的显示分度为05；芯片特点：低成本，大批量OEM设计精度2%，激光修正互换性至5%线性电压输出对应%RH低功耗设计：200A驱动电流快速反应：15秒稳定性好、低漂移、抗化学腐蚀性能HIH-3610有许多性能指标，能性能指标见表3.5表3.5 HIH-3610性能指标RH精度（1）2%RH，0-100%RH非凝结，25，供电电压=5VDCRH互换性5%RH，0-60%RH；8%90%RHRH线性0.5%RH典型值RH迟滞1.2%RH满量程(最大值)RH重复性0.5%RHRH反应时间1/e255秒，慢流动的空气中RH稳定性1%RH(典型值)，在50%RH环境，（5年时间内）供电电源供电电压消耗电源4到5.8VDC，传感器在5VDC下标定0.2mA5VDC输出电压供电电压=5VDC驱动限制Vout=Vsupply0.0062(Sensor RH)+0.16,典型值25(所附的工厂标定数据提供类似的、每个传感器单独标定的数据25）0.8到3.9VDC输出25典型值对称的拉/推：50A典型值，20A最小值，100A最大值开启90%RH时，将引起3%RH的漂移2、当供电电压处于5V时，上限可提高3、传感器对光敏感，为得到最好的测量结果，应避免传感器接收亮光。3.4 单片机外围控制电路设计 在本系统中单片机的外围电路较多，可分为以下几部分：看门狗电路、系统电源、温湿度信号采集电路、执行机构电路LED显示电路、键盘输入及报警电路、与上位机通信的接口电路图等。3.4.1电子狗电路工控系统在运行时，通常都会遇到各种各样的现场干扰，抗干扰能力是衡量工控系统性能的一个重要指标。看门狗(Watchdog)电路是自行监测系统运行的重要保证，几乎所有的工控系统都包含看门狗电路。在8096系列单片机和增强型8051系列单片机中，该系统已经做在芯片内部，用户只要用软件开放它就可以，使用很方便。但目前工控系统仍在使用廉价的普通型8051系列单片机，则看门狗电路必须由用户自己建立。看门狗电路一般有软件看门狗和硬件看门狗两种。软件看门狗不需外接硬件电路，但系统需要出让一个定时器资源，这在许多系统中很难办到，而且若系统软件运行不正常，可能导致看门狗系统也瘫痪。硬件看门狗是真正意义上的“程序运行监视器”，如计数型的看门狗电路通常由555多谐振荡器、计数器以及一些电阻、电容等组成，分立元件组成的系统电路较为复杂，运行不够可靠。本设计电子狗电路采用单片机开关复位电路，开关复位电路包含了上点复位电路。其电路图如图3.6： 图3.6 开关复位电路3.4.2电源电路在本设计中主要用到+5V，+12V，15V。为得到所需电压，系统采用了电压转换芯片LM7815、LM7805和LM7812，三个芯片的输入分别取+19V、+23V和+12V，经转换后输出端输出分别为系统所需的+15V、+5V和+12V电压，电源电路图见图3.7.图3.7 电源电路3.4.3信号采集电路1.温度信号采集AD590的输出电流I=(273+T)A(T为摄氏温度),因此量测的电压V为(273+T)A10K= (2.73+T/100)V。为了将电压量测出来又需使输出电流I不分流出来,我们使用电压跟随器，其输出电压V2等于输入电压V。图3.8 温度信号采集由于一般电源供应较多零件后，电源是带杂讯的，因此我们使用齐纳二极管作为稳压零件，再利用可变电阻分压，其输出电压V1需调整至2.73V。接下来我们使用差动放大器其输出V0为（200K/10K）（V2-V1）=T/10V。如果现在为摄氏28度，输出电压为1.4V，电路图见图3.8.这个电路的主要作用是把温度传感器的感应信号经过放大处理后输出，关系是当环境温度是100C时电压输出为5v。2.湿度信号采集图3.9为湿度信号采集图，在此处LM258起电压跟随作用，以与采集现场隔离和提高带负载能力。输出模拟电压信号OUT1信号送AD转换器ADC0809。图中电容103即10000皮法。图3.9 湿度信号采集4. A/D转换电路ADC0809是带有8位A/D转换器、8路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑的CMOS组件。它是逐次逼近式A/D转换器，可以和单片机直接接口。（一）ADC0809的内部逻辑结构见图3.10。由图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。图3.10 ADC0809的内部逻辑结构（二） 引脚结构IN0IN7：8条模拟量输入通道。ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。地址输入和控制线：4条。ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如下表3.8所示。数字量输出及控制线：11条ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线。CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，VREF（），VREF（）为参考电压输入。 ADC0809芯片的引脚图见图3.11图3.11 ADC0809芯片引脚图表3.6 模拟量输入通道选择表CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4101IN5110IN6111IN7在此系统中ADC0809接的是模拟信号湿度电压信号，模拟量输入通道选择表见表3.6。为了使ADC0809的CLK引脚接上500KHZ脉冲，从单片机ALE/P引脚（2MHZ）出来接上一个四分频计数器CD4013得到500KHZ脉冲，如图3.12所示Q端接至CLK。图3.12 CD4013接线图3.4.4 LED显示电路 本设计采用LED显示电路，LED与8255的接口电路如图3.13：图3.13 LED与8255的接口电路3.4.5执行机构电路常用的温室环境调控设备主要有以下几种:加热系统降温系统加湿系统降湿系统其电路图相似，现仅示加热系统的电路，电路图分别如图3.14：图3.14 加热电路图3.14中，当反向驱动器7404左边输入为高电平时，经7404变为低电平，使发光二极管发光，从而使光敏三极管导通，同时是三极管9013导通，因而使继电器J的线圈通电，继电器的触点闭合，使交流220V电源接通。反之当反向驱动器7404左边输入为低电平时，使继电器触点断开。图中电阻为限流电阻，二极管D的作用是保护晶体管T。当继电器J吸合时，二极管D截止，不影响电路工作。继电器释放时，由于继电器线圈存在电感，这时晶体管T已经截止，所以会在线圈的两端产生较高的感应电压。此电压的极性为上正下负，正端接在晶体管的集电极。当感应电压与与12V之和大于晶体管T的集电结反向电压时，晶体管T有可能损坏。加入二极管D后，继电线圈产生的感应电流由二极管D流过，因此，不会产生很高的感应电压，因而使晶体管T得到保护。3.4.6键盘输入与报警电路 单片机的按键输入一般可分为简单的独立式按键输入及行列式键盘输入两种。独立式键盘输入适合于按键输入不多的情况，具有占用口线较少、软件编写简单容易等特点。通常所用的按键为轻触机械开关，正常情况下按键的接点是断开的，当我们按压按钮时，由于机械触点的弹性作用，一个按键开关在闭合时不会马上稳定地接通，在断开时也不会一下子断开。因而机械触点在闭合及断开的瞬间均伴随有一连串的抖动，抖动时间的长短由按键的机械特性及操作人员按键动作决定，一般为5ms20ms；按键稳定闭合时间的长短是由操作人员的按键按压时间长短决定的，一般为零点几秒至数秒不等。本设计中输入按键只有5个，一个为“输入使能键”，一个为“模式设定键”，一个为“左移键”，另两个为“加法键”、“减法键”。欲输入设定值时，按一下“输入使能键”， 程序进入设定状态，再按“模式设定键”，可选择不同的参数，即可以选择输入温度值、湿度值、CO2浓度值；按下“左移键”可以选择各值的各个位数进行输入；再按下“加法键”或“减法键”，即可输入对应位的值；点按一下“左移键”，输入输入另一位这样可完成各个环境参数的设定。完成输入后，再按一下“输入使能键”，程序即退出设定状态，进入工作运行。报警采用单片机外接一个三极管驱动蜂鸣器来实现。图3.15 键盘输入电路图3.16 报警电路3.4.7与上位机通信的接口电路 微型计算机中的中的信号电平是TTL电平，即=2.4V表示“1”，=0.5V表示“0”。在通信过程中如果DTE(数据终端设备)和DCE(数据通信设备)之间仍采用这个电平传送数据,那么在两者距离增大时很可能会使信号源点的逻辑“1”电平在到达目的点时衰减到0.5V以下，从而使通行失败。因此，为了提高数据通信的可靠性并消除线路上各种早噪声影响，RS-232C标准中规定信号源点的逻辑“0”（空号）电平范围为+5V+15V，逻辑“1”（传号）电平范围为-5V-15V；目的点的逻辑“0”为+3V+15V，逻辑“1”为-3V-15V。噪声容量为2V。RS-232C由于发