毕业设计（论文）-温度、湿度以及CO2浓度测控仪的设计.doc

兰州工业高等专科学校毕业设计（论文）题目 温度、湿度以及co2浓度测控仪的设计 系 别 电气工程系 专 业 电气自动化技术 班 级 电自09-2班 姓 名 学 号 指导教师（职称）（教授） 日 期 摘要随着蔬菜大棚的迅速增多，人们对其性能要求也越来越高，特别是为了提高生产效率，对大棚的自动化程度要求也越来越高。随着单片机及各种电子器件性价比的迅速提高，使得这种要求变为可能。本文介绍了一种以at89s52单片机为控制核心的测控仪，主要是为了对蔬菜大棚内的温湿度，以及二氧化碳浓度进行有效、可靠地检测与控制而设计的。该测控仪具有检测精度高、使用简单、成本较低和工作稳定可靠等特点，所以具有一定的应用前景。 关键词:二氧化碳浓度 蔬菜大棚 测控仪 温湿度检测自动化程度 性能要求abstractwith the rapid increase of the awning vegetables, people on its performance requirements also more and more high, especially in order to increase the production efficiency, to shed the automation degree of demand more and more is also high. with the single chip microcomputer and various kinds of electronic device performance to price ratio increased quickly, make such a request possible. this paper introduces a kind of at89s52 scm in as control core and control the device, mainly is for vegetables in the trellis of temperature and humidity, and carbon dioxide concentration is effective and reliable to detect and control and of the design. the measurement and control instrument has high accuracy, easy to use and low cost and stable and reliable, and other characteristics, so has certain application prospect. keywords: carbon dioxide concentration measurement instrument testing temperature and humidity awning vegetables automation degree of performance requirements1.概 述1.1课题的提出和意义课题名称：温度、湿度、二氧化碳浓度测控仪的设计课题内容性质：工程设计课题来源性质：教师收集的结合生产实际的课题目前，在仓库、图书馆、蔬菜大棚等许多场合需要温度、湿度、二氧化碳浓度的控制。为此要求设计一种基于单片机的温度、湿度、二氧化碳浓度控制器进行二十四小时实时检测，可以提高劳动效率，减轻劳动强度，促进了科学技术的发展。通过对“温度、湿度、二氧化碳浓度测控仪的设计”的设计，使我们进一步学习和掌握电子技术、单片机、传感器、微机控制技术、电气控制技术等知识的综合应用，培养理论联系实际，解决实际工程问题的能力。本课题主要是针对农业大棚内的温度、湿度和二氧化碳浓度等参数提出的一种由单片机控制的检测方法，最终实现对温、湿度、二氧化碳浓度的低成本、高精度的测量与控制。1.2设计的要求 温度检测范围 ： -40 - +40 测量精度 ： 2湿度检测范围 ： 10%-90%rh检测精度 ： 2%rh显示方式 ： 温度：二位显示 湿度：二位显示报警方式 ： 三极管驱动的蜂鸣音报警 2. 方案论证2.1二氧化碳传感器的选择温室是一个相对封闭的环境，作物在温室内不断进行着的吸收与释放过程，因此，温室内的浓度与外界环境有明显的差异。一般来说，白天温室内绿色植物光合作用旺盛，浓度急剧下降；夜间光合作用停止，作物呼吸作用释放，室内浓度逐渐升高。高浓度二氧化碳传感器是一系列安装方便、操作简 单、成本低廉的传感器。高浓度二氧化碳浓度传感器是专门为二氧化碳培养箱以及其他需要检测高二氧化碳浓度的产品、场所而设计的传感器。它能在线检测空气中二氧化碳浓度，其出厂设定标准测量是 0-2,00000ppm co2 (根据特殊的要求，测量的 范围可以更高)。高浓度二氧化碳传感器带有标准的线性输出：0-10v.将高浓度二氧化碳传感器用于二氧化碳培养箱，能很精确地检测箱内的二氧化碳浓度，k33高浓度二氧化碳传感器是新加坡telasia倾心打造的一款用于培养箱的高性价比传感器，作为telasia中国区总代，欢迎各级经销商与本司洽谈。 高浓度二氧化碳传感器用于测定生物或化学实验中产生的气态二氧化碳浓度。它通过测量二氧化碳分子吸收的红外线，测二氧化碳浓度，不能放入液体中。该传感器的测量范围为0200000ppm。该传感器采用热金属丝为红外线光源（ir）。金属丝位于传感器的末端，在传感器的另一个端口，有一个红外线探针，用于测量没有被二氧化碳分子吸收的辐射量。该监测器测量被吸收在4.26m狭窄带域里的红外线辐射量，二氧化碳的浓度越大，到达ir监测器的辐射量就越小。随温度上升，红外线探针产生电压。二氧化碳气体通过6个气孔扩散到传感器里。当传感器收集数据时，ir光源开始闪烁。 作物群体的来源包括空气和土壤。假定温室面积为（），空间容积为v（），则其室内的浓度对时间的变化率可用下式表示 式中 _计算施用量，g/h; -室内空气设定的目标浓度，g/,在常温常压下，1g/相当于531ml/; -室外空气浓度，g/； n-换气次数，次/h; -净光合作用强度，一般1-8g/(.h）.基于浓度对时间的变化率，设计了红外吸收型二氧化碳传感器来监测温室内的浓度。co2传感器选用红外线气敏传感器，此传感器具有精度高，选择性好，浓度检测范围大等特点，此传感器将质量分数范围在0-100010-6浓度的co2转换为0-5电压输出。传感器输出的电压信号，直接送至a/d转换器，经a/d转换后由单片机进行相应的运算、显示和储存。2.2 温度传感器的选择 温度传感器是指能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。方案一：采用热电阻温度传感器。热电阻是利用导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件，现应用较多的有铂、铜、镍等热电阻。其主要的特点为精度高、测量范围大、便于远距离测量。铂的物理、化学性能极稳定，耐氧化能力强，易提纯，复制性好，工业性好，电阻率较高。因此，铂电阻用于工业检测中高精密测温和温度标准。缺点是价格贵，温度系数小，受到磁场影响大，在还原介质中易被玷污变脆。测量时，铜电阻与铂电阻相比温度系数大，价格低，也易于提纯和加工，但其电阻率小，在腐蚀性介质中使用稳定性差，在工业中用于（-50180）测温。方案二：采用ds18b20，温度测量范围从（-55+125），（-10+85）时测量精度为0.5，测量分辨率为0.0625，电源电压范围从（3.35）v。它支持“一线总线”的数字方式传输，可组建传感器网络。而且无需进行线性校正，使用非常方便，接口简单，成本低廉。与传统的热敏电阻温度传感器不同，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93.75ms和750ms内将温度值转化9位和12位的数字量。它具有体积小、接口方便、传输距离远等特点，内含寄生电源。系统有如下特点：(1)不需要备份电源，可通过信号线供电；(2)送串行数据，不需要外部元件；(3)零功耗等待；(4)系统的抗干扰性好，适合于恶劣环境的现场温度测量，如环境控制、设备过程控制、测温类消费电子产品等。综合比较方案一与方案二，成本相差不多，方案二具有更高的抗干扰能力和精度，电路结构简单，选择方案二作为本设计的温度传感器。2.3 湿度传感器的选择测量空气湿度的方式很多，其原理是根据某种物质从其周围的空气吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度值。电容式、电阻式和湿涨式湿敏原件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。方案一：采用chr-01湿敏电阻。chr-01湿敏电阻适用于阻抗型高分子湿度传感器，它的工作电压为交流1v，频率为50hz2khz，测量湿度范围为（20%90%）rh，测量精度5%rh，工作温度范围为（0+85），最高使用温度120，阻抗在60%rh（25）时为30（2140.5）k。采用555时基或rc振荡电路，将湿度传感器等效为阻抗值，测量振荡频率输出，振荡频率在1khz左右。方案二：电容式湿度传感器hs1101，它是基于独特工艺设计的电容元件，固态聚合物结构，精度高达土2%rh；极好的线性输出；(1-99)%rh湿度量程；(-40100)的温度工作范围；响应时间5秒；湿度输出受温度影响极小；防腐蚀性气体；常温使用无需温度补偿，无需校准；电容与湿度变化0.34pf/%rh；典型值180pf55%rh；长期稳定性及可靠性；年漂移量0.5%rh/年。电容式湿敏元件，具有最突出的优点是长期稳定性极强，通过严格的工艺制作，制成的仪表和传感器产品可以达到较高的精度。稳定性强是产品具备良好的线性度、精密度、一致性、长期稳定性的可靠保证。综合比较方案一与方案二，方案一成本低廉且能满足测量需求，且调试电路简单，但精度不高，应用不广。方案二采用电容式湿度传感器hs1101，hs1101湿度传感器可以大批量生产，可以广泛应用于办公自动化，车厢内空气质量控制，工农业控制系统等场合，在需要湿度补偿的其他场合也可以得到很大的应用。所以，本设计采用方案二。2.4 单片机的选择在多数电子设计当中，基于性价比的考虑，8位单片机仍是首选。目前，8位单片机在国内外仍占有重要地位。在8位单片机中又以mcs51系列单片机及其兼容机所占的份额最大。mcs51的硬件结构决定了其指令系统不会发生变化，设计人员可以很容易地对不同公司的单片机产品进行选型，他们只需将重点放在芯片内部资源的比较上。方案一：采用at89c51芯片作为硬件核心，采用flash rom，内部具有4kb rom存储空间，能于3v的超低压工作，而且与mcs-51系列单片机完全兼容，但是运用于电路设计中时由于不具备isp在线编程技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，对芯片的多次拔插会对芯片造成一定的损坏。方案二：采用at89s52,片内rom全都采用flash rom；能以3v的超底压工作；同时也与mcs-51系列单片机完全该芯片内部存储器为8kb rom存储空间，同样具有at89c51的功能，且具有在线编程可擦除技术，当在对电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片多次拔插，所以不会对芯片造成损坏。ta89s系列单片机相对于at89c系列单片机新增加以下功能:isp在线编程功能，这个功能的优势在于改写单片机存储器内的程序不需要把芯片从工作环境中剥离，这是一个强大易用的功能。最高工作频率为33mhz，而89c系列单片机的极限工作频率是24m，就是说89s系列单片机具有更高工作频率，从而具有了更快的计算速度。具有全双工uart串行通道。内部集成看门狗计时器，不再需要像89c系列单片机那样外接看门狗计时器单元电路。双数据指示器。电源关闭标识。全新的加密算法，这使得对于89c系列单片机的解密变为不可能，程序的保密性大大加强，这样就可以有效的保护知识产权不被侵犯。兼容性方面:向下完全兼容51全部字系列产品。比如8051、89c51等等早期mcs一51兼容产品。综上所述，at89s52相对于at89c51新增加了许多功能，并且性能也有了较大的提升，价格基本不变，甚至比at89c51更低。所以本设计选用at89s系列的at89s52单片机。2.5 显示器的选择电子设计中常用的输出显示设备有两种：数码管led和lcd。方案一：数码管是现在电子设计中使用相当普遍的一种显示设备，每个数码管由7个发光二极管按照一定的排列结构组成，根据七个发光二极管的正负极连接不同，又分为共阴极数码管和共阳极数码管两种，选择的数码管不同，程序设计上也有一定的差别。数码管显示的数据内容比较直观，通常显示从0到f中的任意一个数字，一个数码管可以显示一位，多个数码管就可以显示多位，在显示位数比较少的电路中，程序编写，外围电路设计都十分简单。方案二：而液晶显示屏具有体积小、功耗低、显示内容丰富等特点，用户可以根据自己的需求，显示自己所需要的、甚至是自己动手设计的图案。当需要显示的数据比较复杂的时候，它的优点就突现出来了，并且当硬件设计完成时，可以通过软件的修改来不断扩展系统显示能力。外围驱动电路设计比较简单，显示能力的扩展将不会涉及到硬件电路的修改，可扩展性很强。字符型液晶显示屏已经成为了单片机应用设计中最常用的信息显示器件之一。不足之处在于其价格比较昂贵，驱动程序编写比较复杂。本设计需要显示温度值，湿度值及二氧化碳浓度值，考虑到经济性及简单性，采用方案一。2.4 信号采集通道的选择在本设计系统中，温度输入信号为8路的模拟信号，这就需要多通道结构。方案一：采用多路并行模拟量输入通道。这种结构的模拟量通道特点为：1.可以根据各输入量测量的饿要求选择不同性能档次的器件。总体成本可以作得较低。2.硬件复杂，故障率高。3.软件简单，各通道可以独立编程。方案二、采用多路分时的模拟量输入通道。 这种结构的模拟量通道特点为：1.对adc、s/h要求高。2.处理速度慢。3.硬件简单，成本低。4.软件比较复杂。综合比较方案一与方案二，方案二更为适合于本设计系统对于模拟量输入的要求，比较其框图，方案二更具备硬件简单的突出优点，所以选择方案二作为信号的输入通道。图2-1 多路并行模拟量输入通道图2-2 多路分时的模拟量输入通道2.6 整体方案设计系统总体方案框图见图2-1。温度传感器湿度传感器co2浓度传感器放大电路a/d转化at89s52执行机构报警8155显示键盘图2-1系统总体方案框图说明：温度传感器采用ds18b20，湿度传感器采用hs1101，二氧化碳传感器采用tgs4160，放大电路采用差动运放，a/d转化器采用adc0809，单片机采用at89s52，并用8155扩展单片机的i/o口用来接键盘和显示，键盘选用6个独立式键盘，采用6个led数码管显示温度，湿度，二氧化碳值，采用蜂鸣器和发光二极管作为报警电路，并用固态继电器带负载工作。3硬件设计3.1微控制器概述及选用3.1.1 at89s52单片机的特点数码显示使用at89s52的串行口工作方式0(即同步移位寄存器方式)，用6片串入并出移位寄存器74ls164作为静态显示器的输出接口。本系统将大棚划分为8个小区(根据需要可以划分为若干个小区)，巡回检测并显示每个小区的空气温度、湿度、二氧化碳含量共3个量，每个量用4个数码管分时显示(2位整数2位小数)，共用同一个小区号，将温湿度、二氧化碳含量用不同的字符区分，共用6个数码管。欲显示的8位段码即字型码，通过软件译码产生，并由rxd串行口发送出去，既充分利用了单片机的硬件资源，又节省了cpu时间。at89s52单片机的特点：现场程序调试和修改更加方便灵活；方便了对片外ram的访问过程；提高了系统的抗干扰能力；断电标志；掉电状态下的中断恢复模式强。3.1.2 at89s52单片机的主要特征（1）8位微处理器（cpu）；（2）数据存储器（128b ram）；（3）程序存储器（4kb flash rom）；（4）4个8位可编程并行i/o口（p0口、p1口、p2口、p3口）；（5）1个全双工的异步串行口；（6）2个可编程的16位定时器/计数器；（7）1个看门狗定时器；（8）中断系统具有5个中断源、5个中断向量；（9）特殊功能寄存器（sfr）26个；（10）低功耗模式有空闲模式和掉电模式，且具有掉电模式下的中断恢复模式；（11）3个程序加密锁定位。3.2二氧化碳数据的采集与处理3.2.1二氧化碳传感器的介绍co2传感器选用红外线气敏传感器，此传感器具有精度高，选择性好，浓度检测范围大等特点，此传感器将质量分数范围在0-100010-6浓度的co2转换为0-5电压输出。传感器输出的电压信号，直接送至a/d转换器，经a/d转换后由单片机进行相应的运算、显示和储存。二氧化碳传感器是由红外光源、测量气室、可调干涉滤光镜、光探测器、光调制电路、放大系统等组成。红外光源采用镍铬丝，其通电加热后可发出310m的红外线，其中包含了4.26m处co2气体的强吸收峰。在气室中，二氧化碳吸收光源发出特定波长的光，经探测器检测则可显示出二氧化碳对红外线的吸收情况。干涉滤光镜是可调的，调节他可改变其通过的光波波段，从而改变探测器探测到信号的强弱。红外探测器为薄膜电容，吸收了红外能量后，气体温度升高，导致室内压力增大，电容两极间的距离就要改变，电容值随之改变。co2气体的浓度愈大，电容值改变也就愈大。3.2.2二氧化碳传感器的工作原理 红外吸收型co2气体传感器是基于气体的吸收光谱随物质的不同而存在差异的原理制成的。不同气体分子化学结构不同，对不同波长的红外辐射的吸收程度就不同，因此，不同波长的红外辐射依次照射到样品物质时，某些波长的辐射能被样品物质选择吸收而变弱，产生红外吸收光谱，故当知道某种物质的红外吸收光谱时，便能从中获得该物质在红外区的吸收峰。同一种物质不同浓度时，在同一吸收峰位置有不同的吸收强度，吸收强度与浓度成正比关系。因此通过检测气体对光的波长和强度的影响，便可以确定气体的浓度。根据比尔朗伯定律，输出光强度 、输入光强度 和气体浓度 之间的关系为：（1）式中 am为摩尔分子吸收系数；c 为待测气体浓度；l 为光和气体的作用长度（传感长度）。对上式进行变换得：（2）通过检测相关数据就可以得知气体的浓度 。二氧化碳传感器探头结构如图1所示图1 二氧化碳传感器探头结构红外二氧化碳传感器探头结构如图1所示。是由红外光源、测量气室、可调干涉滤光镜、光探测器、光调制电路、放大系统等组成。红外光源采用镍铬丝，其通电加热后可发出310m的红外线，其中包含了4.26m处co2气体的强吸收峰。在气室中，二氧化碳吸收光源发出特定波长的光，经探测器检测则可显示出二氧化碳对红外线的吸收情况。干涉滤光镜是可调的，调节他可改变其通过的光波波段，从而改变探测器探测到信号的强弱。红外探测器为薄膜电容，吸收了红外能量后，气体温度升高，导致室内压力增大，电容两极间的距离就要改变，电容值随之改变。co2气体的浓度愈大，电容值改变也就愈大。3.2.3二氧化碳测量电路采用tgs4160型co2传感器测量co2,它是一种电化学型气体的敏感元件,当该元件暴露在co2气体环境中时,就会产生电化学反应,通过监测s(+),s(-)2个电极之间所产生的电势值emf,就可以测量co2的含量值。为使传感器保持在最敏感的温度上,需要给加热器提供加热电压进行加热,加热电压稳定在(50.2)v内。为了保证co2含量的准确测量,除了保证加热电压稳定及对环境温度的变化进行温度补偿外,更主要的是要测量两电极之间变化的电势值,而不是绝对电势值。在（-10+50）温度范围内,基本不受温度的影响保持常量。传感器测量范围是(3501000)mll-1,但根据温室大棚co2含量的实际情况,在此设定所测量的co2含量在(350900)mll-1之间,在这个范围内可以满足测试系统的实际需要。但要把tgs4160的输出信号转换成(05)v的电压,需要把传感器的输出信号co2含量对应的绝对电势值转换到传感器两极之间变化的电势值,然后再放大，设计采用2级减法运算放大电路实现。检测电路设计的原理框图如图2所示。检测电路由红外二氧化碳传感器、数字滤波电路、放大电路、稳流电路、单片机系统、温度补偿等组成。设计的基本原理是红外二氧化碳传感器将检测到的二氧化碳气体浓度转换成相应的电信号，输出的电信号分别经过滤波、放大处理，输入到单片机系统，并经温度和气压补偿等处理后，由单片机系统输出送显示装置显示其测量值。图3 二氧化碳检测电路图按照上述设计原理，设计的二氧化碳检测电路如图3所示。工作原理是首先由红外传感器将探测到二氧化碳气体的浓度并转换成电信号，滤波电路提取电信号并输出到放大电路，经过单片机系统处理后输出，再送入显示电路，以实现对二氧化碳气体浓度的检测。电路中由r1、r2、r3、r4、c1、c2和运放组成滤波电路，当信号频率趋于零时，由于c1的电抗趋于无穷大，因而正反馈很弱；当信号频率趋于无穷大时，c2的电抗趋于零。这样就保证了当信号频率在趋于零和无穷大之间的任何一个值，滤波电路都可以正常提取相应的电信号。滤波电路之后的放大电路，其作用是将滤波电路输出的信号放大到一定的程度，以便驱动负载。r6和c4串联构成校正网络用来对电路进行相位补偿。单片机系统主要由a/d转换、输入或者中断系统组成，表明单片机既可采用中断方式读入a/d转换的结果，也可以采用查询方式，最后的结果数码管显示具体数值。开始相关寄存器初始设定计时器初值启动a/d转换读a/d取平均值数据处理数据修正存储数据输出显示n=n-1输入中断或开启是有中断请求否n=0?否是3.3温度数据的采集与处理3.3.1温度传感器ds18b20简介 dallas半导体公司的数字化温度传感器ds1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，使用户可轻松组建传感器网络。新一代的“ds18b20”体积更小、更经济、更灵活。1适应电压范围更宽，电压范围：（3.05.5）v，在寄生电源式下可由数据线供电。2独特的单线接口方式，ds18b20在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。3ds18b20支持多点组网功能，多个ds18b20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。4ds18b20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。5测温范围（55125），在（-10+85）时精度为0.5。6编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0.5、0.25、0.125和0.0625，可实现高精度测温。79位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。8测量结果直接输出数字温度信号，以一线总线串行传送给cpu，同时可传送crc校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。9负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。3.3.2温度测量电路1. ds18b20的外形及管脚图3-2 ds18b20的外形及管脚排列ds18b20的外形及管脚排列如图3-2ds18b20引脚定义：(1)dq为数字信号输入/输出端； (2)gnd为电源地； (3)vdd为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。2. ds18b20内部结构ds18b20内部结构如图3-3。图3-3 ds18b20内部结构ds18b20内部结构主要由四部分组成：64位光刻rom、温度传感器、非挥发的温度报警触发器th和tl、配置寄存器。ds18b20的管脚排列如下：dq为数字信号输入/输出端；gnd为电源地；vdd为外接供电电源输入端（在寄生电源接线方式时接地）。ds18b20依靠一个单线端口通讯。在单线端口条件下，必须先建立rom操作协议，才能进行存储器和控制操作。因此，控制操作必须首先提供下面5个rom操作指令之一：(1)读rom；(2)匹配rom；(3)搜索rom；(4)跳过rom；(5)报警搜索。这些指令操作作用在没有一个器件的64位光刻rom序列号，可以在挂在一线上多个器件选定某一个器件，同时，总线也可以知道总线上挂有多少什么样的设备。若指令成功地使ds18b20完成温度测量，数据存储在ds18b20的存储器。3. ds18b20的工作原理ds18b20的测温原理如图3-4所示，图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在-55所对应的一个基数值。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计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1计数器1的预置将重新被装入，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。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。图3-4 ds18b20的测温原理图3.4湿度数据的采集与处理3.4.1湿度传感器hs1101简介湿度传感器hs1101如下图所示湿度传感器hs1101hs1101的主要特性：（1）全互换性在标准环境下不需要校正。（2）长时间饱和下快速脱湿。（3）高可靠性与长时间稳定性。（4）专利的固态聚合物结构。（5）可用于线性电压和频率输出。（6）快速反映时间。3.4.2湿度测量电路如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号，常用的有两种处理方法：一是将该湿敏电容置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再经a/d转化变为数字信号；另一种是将湿敏电容置于555定时器或施密特触发器组成的振荡电路中，将电容值的变化转为与之成反比的电压频率信号，可直接被计算机所采集。本系统采用的是将hs1101接入555定时器组成的振荡电路中，输出一定频率的方波信号。这种方法具有结构简单，使用方便，因此被广泛应用，具体的测量电路如图3-6所示。集成定时器ne555芯片一方面可以形成单稳态电路，另一方面可以形成多谐振荡电路。本文选用的是ne556芯片，它内部含有两个555定时器。其中，,和ne556组成多谐振荡器，外接电阻，与湿敏电容构成了对电容的充电回路，7端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对的放电回路，并将引脚2,6端引入到片内比较器。该振荡电路两个暂稳态的交替过程如下：首先电源通过，向充电，经充电时间后，充至芯片内比较器的高触发电平，约2/3，此时输出引脚3端由高电平突降为低电平，然后通过放电，经放电时间后，下降到比较器的低触发电平，约1/3,此时输出引脚3端又由低电平跃升为高电平。如此翻来覆去，形成方波输出。只要改变定时元件或即可改变触发脉冲的频率从多谐振荡器出来的信号又接入到单稳态触发器。单稳态触发器它有两个输出状态，一个稳定状态，一个暂稳态状态，在外来触发脉冲作用下，能够由稳定状态翻转到暂稳定状态，而暂稳定状态维持一段时间后，在自动地返回稳定状态，且暂稳定状态持续的时间长短完全取决于电路本身的参数。图中，和传感器hs1101是外接地定时元件，触发脉冲由5端输出，由8端输入，下降沿有效，从9端输出一个幅度、宽度都一定的矩形波信号 ，虽然从ne556出来的信号是标准的脉冲信号，为了减小外界对脉冲的干扰所以本设计采用低通滤波器，过滤掉高频信号的干扰，然后直接用单片机的定时计数器来测量的脉宽。通过脉宽值，我们可以得到相应的传感器的电容值。3.5 a/d转化器及其接口电路3.5.1 adc0809的主要性能逐次比较型cmos工艺制造单电源供电无需零点和满刻度调整具有三态锁存输出缓冲器，输出与ttl兼容易与各种微控制器接口具有锁存控制的8路模拟开关分辨率：8位功耗：15mw最大不可调误差小于1lsb转换时间128us转换精度：0.4%adc0809没有内部时钟，必须由外部提供，其范围为101280khz，典型的时钟频率为640khz。3.5.2 adc0809的管脚adc0809八位逐次逼近式a/d转换器是一种单片cmos器件，包括8位模拟转换器、8通道转换开关和与微处理器兼容的控制逻辑。8路转换开关能直接联通8个单端模拟信号中的任意一个。adc0809的引脚图：图5-4-1adc0809管脚图adc0809模数转换器的引脚功能： in0in7:路模拟量输入。 a、b、c:位地址输入，个地址输入端的不同组合选择八路模拟量输入。 ale:地址锁存启动信号，在ale的上升沿，将a、b、c上的通道地址锁存到内部的地址锁存器。 d0d7:八位数据输出线，a/d转换结果由这根线传送给单片机。 oe:允许输出信号。当oe=1时，即为高电平，允许输出锁存器输出数据。 start:启动信号输入端，start为正脉冲，其上升沿清除adc0808的内部的各寄存器，其下降沿启动a/d开始转换。 eoc:转换完成信号，当eoc上升为高电平时，表明内部a/d转换已完成。 clk:时钟输入信号，0809的时钟频率范围在101200khz，典型值为640khz。当ale为高电平时，通道地址输入到地址锁存器中，下降沿将地址锁存并译码，在start上升沿时所有的内部寄存器清零，在下降沿时，开始进入a/d装换，此期间start应保持低电平。在start下降沿后10us左右，转换结束信号变为低电平，eoc为低电平时，表示正在转换，在高电平时，表示转换结束。oe为低电平时，表示正在转换，为高电平时，允许转换结果输出。3.5.3 adc0809的接线图如下电路图主要接线将八路输入模拟信号转换为数字信号，为数据处理及监控模块提供输入信号。3.5.4 adc0809与单片机的连接adc0809与单片机的连接如图3-12所示：图3-12 adc0809与单片机的连接3.6 8155简介3.6.1 8155产品介绍 可对 155mhz带宽以内的任何线缆标准（3、5、5e、6）进行认证； 可存储 1500条自动测试记录； 配便携软工具包。inter 8155是常用的扩展单片机资源的芯片，8155原理是只利用单片机的一个并行口来扩展出几个并口，使得单片机可以接入更多的设备，如打印机等。8155的结构和引脚：8155有40个引脚，采用双列直插封装，其引脚如图3-13所示, 引脚功能如表3-3所示。图3-3 8155引脚图引脚功能rst：复位信号输入端ad0ad7：三态的地址/数据总线：读选通信号:写选通信号:片选信号线:8155的ram存储器或i/o选择线ale:地址锁存信号pa0pa7:8位通用i/o口pb0pb7:8位通用i/o口pc0pc5:既可作为通用的i/o口，也可作为pa口和pb口的控制信号线timer in:定时/计数器脉冲输入端timerout:定时/计数器输出端vcc:5v电源3.6.2 8155的地址编码和工作方式在单片机应用系统中，8155是按外部数据存储器统一编址的，为16位地址，其高8位由片选线 提供，ce0，选中该片。当ce0， 0时，选中8155片内ram，这时8155只能作片外ram使用，其ram的低8位编址为00hffh；当 ce0，io/m 1时，选中8155的i/o口，其端口地址的低8位由ad7ad0确定，如表4所示。这时，a、b、c口的口地址低8位分别为01h、02h、03h（设地址无关位为0）。8155的a口、b口可工作于基本i/o方式或选通i/o方式。c口可工作于基本i/o方式，也可作为a口、b口在选通工作方式时的状态控制信号线。当c口作为状态控制信号时，其每位线的作用如下：pc0：aintr（a口中断请求线）pc1：abf（a口缓冲器满信号）pc2：（a口选通pc3：信号）pc3：bintr（b口中断请求线）pc4：bbf（b口缓冲器满信号）pc5：（b口选通信号）8155的i/o工作方式选择是通过对8155内部命令寄存器设定控制字实现的。命令寄存器只能写入，不能读出。3.6.3 at89s52的扩展及与8155的接口电路at89s52与8155的接口电路如图3-14所示。图3-14 at89s52与8155的接口电路3.7 执行机构电路 3.7.1 固态继电器简介1.固态继电器的类型和原理:固体继电器是一种无触点通断电子开关，它利用电子元件如开关三极管、双向可控硅等半导体器件的开关特性，可达到无触点无火花地接通和断开电路的目的。单相ssr为四端有源器件，其中两个端子为输入控制端，另外两端为输出受控端。为实现输入与输出之间的电气隔离，器件中采用了高耐压的专业光电耦合器，它使控制回路与负载回路之间没有任何电磁关系，而实现隔离。当施加输入信号后，其主回路呈导通状态，无信号时呈阻断状态。整个器件无可动部件及触点，可实现相当于常用电磁继电器一样的功能，其封装形式也与传统继电器基本相同。由于它的无触点工作特性，使其在许多领域的电控及计算机控制方面得到日益广泛的应用。固态继电器按负载电源类型分为交流型和直流型两种。ac-ssr以双向晶体管或两只反并联的单向晶体闸管做开关元件，dc-ssr以功率晶体管作开关元件，分别用以接通和断开交流和直流负载电源。2.固态继电器的主要性能特点和参数：:1）.驱动功率小，光电隔离的输入驱动电流仅需要10ma左右，便于与ttl和cmos等数字成电路连接，无需另外加接口电路。2）.无触点，无动作噪音，无火花干扰，耐振动，寿命长，开关速度快，可靠性高。3）.应用范围广。交流大功率1-40a，电网电压110-380v。直流：电流1-5a，负载电压3-50v。4）.对电源电压适应能力强，一般低于电源电压20%仍能正常工作。承受浪涌电流大，一般能达到额定值的6-10倍。5）.绝缘耐压高，输入与输出间的绝缘耐压可达2.5kv以上。6）.与普通继电器相比，固态继电器没有辅助触点。固态继电器是近年发展起来的一种新型电子继电器，它与普通电磁式继电器或者磁力开关相比具有很多突出优点：体积小、重量轻、工作频率高、稳定可靠、控制开关速度快、寿命长等。所以在声控、光控、温控等方面应用能与前级控制信号和负载合在一起，特别是微机接口、数控系统电路，仪器仪表的微电机控制以及一些需要防潮、防腐和防爆场合中应用更有显著的特点。综合比较一下交流继电器和直流继电器，本文选用的是西德公司生产的交流固态继电器。它的输入为（3-32）vdc，输出为（220-480）vdc。3.7.2 执行机构电路 当温湿度、二氧化碳浓度任何一个参数超过预先设定的范围时，单片机控制固态继电来打开相应的执行机构，补偿相应的参数，直到该参数恢复到规定的范围内，则停止该行机构的运行，执行机构的电路图具体如图3-18所示：执行机构是实际控制农业大棚内温湿度、二氧化碳浓度的具体措施。本文通过单片机控制固态继电器，从而实现对加热器开关、风扇开关、喷淋开关和二氧化碳容器电磁阀等的控制。具体工作流程如下，单片机在相应引脚输出低电平信号，经同向驱动器加到光电隔离器tlp521-4的输入引脚，此时光藕上加载的电压一旦超过3v，就开始产生光信号，而输出引脚将光信号转为电信号，再经三极管放大后控制继电器打开执行机构，如加热器、开关、风扇开关、喷淋开关和二氧化碳罐电磁阀等，然后执行机构开始工作，在电路中接入接触器的主要目的是保护用电器。选用的时候可以选择额定电流大的接触器，这样不仅可以实现过压保护，也可以实现过流保护。由图可以看出，同相驱动器的低电平使得led二极管两端产生电压差，能够点亮相应的led，表明该执行机构正在工作，补偿相应的参数，直到单片机检测到该信号己经在期望的范围时，单片机发出高电平信号，停止执行机构的运行。3.8 电源电路的设计采用全桥整流电路将交流电压转化为直流电压,系统硬件电路要求电源额定电压为5 v ,单片机系统要求电源电压的纹波系数尽可能小,基于以上要求,选用固定输出线形稳压集成器lm78h05。该稳压器的输入电压vin 在7 v35 v 的范围变化,输出电压可保证为5v输出和a/d转换芯片adc0809的电源电压。该稳压器还具有过热保护和过压保护功能,线性稳压结构可使电源纹波系数降低。电源电路如图3-19所示：3.9 报警电路若温湿度、二氧化碳浓度三个变量中有一个参数超标时，则启动蜂鸣器报警，然后单片机控制红色发光二极管在指定的区域附近闪烁，同时单片机通过控制固态继电器打开相应的执行机构，工作人员也可以根据此情况来查看相应的区域或者采取相应的措施。33.9.1 蜂鸣器简介蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。（1）压电式蜂鸣器压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱外壳等组成。有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。多谐振荡器由晶体管或集成电路构成，当接通电源后直流工作电压，多谐振荡器起振，输出的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。（2）电磁式蜂鸣器电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性的振动发声。本文选用的是xy系列压电式蜂鸣器，xy系列压电式蜂鸣器具有耐高温、低潮、防湿、防污染、音动听乐耳、性能稳定可靠等优点。.3.9.2 报警电路3 蜂鸣器报警电路及发光二极管报警电路如图3-17所示。图3-17 报警电路在单片机后接发光二极管led输出显示，发光二极管是智能化测控仪表中简单而常用的输出设备，通常用来指示机器的状态或其他信息。它的优点是价格低，寿命长，对电压电流要求极容易实现多路等，因此在智能化测量控制仪表中获得了广泛的应用。led是近似于恒压的元件，导电时的正向压降一般为1.6v或2.4v左右，反向击穿电压一般大于等于5v,工作电流通常在10-20ma左右，故电路中需串联适当的限流电阻。发光强度基本上与正向电流成正比。发光效率和颜色取决与制造的材料，这里如果正常工作时，单片机驱动绿色的led二极管发光，如果超过指定的上限值或者低于指定的下限值，则驱动红色led二极管发光，同时单片机驱动蜂鸣器报警。蜂鸣器的工作电流一般为30ma，所以也需要加限流电阻。本文采用的是带报警记忆功能的报警设计，带报警记忆功能指的是巡测至当前通道时有报警则输出报警，巡测至下通道如无报警但报警输出继续，直至所有通道均无报警方停止输出报警。3.10 键盘显示电路设计3.10.1 键盘电路设计当一个单片机应用系统的运行需要人工干预时，键盘往往是一种最简单的干预途径。利用键盘，人们可以很方便的实现向系统输入数据或让系统去执行某一项命令。因此，键盘接口技术也是单片机应用系统开发中的一项重要内容。根据系统特点及要求，本文共设置了6按键，采用查询方式的独立按键，下文详细介绍各按键所对应的功能，具体如下:启动键k1：按下该键，表示仪表进入显示准备状态。停止键k2：按下该键，表示仪表停止显示状态。参数控制键k3:持续按住该键3秒，数码管呈闪烁状态，表示仪表已进入控制值设置状态，若此时按下加一键k4或者减一键k5则该数码管数值呈连续递增或递减，直至达到需要的数值，然后再按下参数控制键进入下一个参数的设置，依次类推，完成对温湿度、二氧化碳浓度的控制参数设置，当所有的参数都设置完成后，可按复位键k6则立即退出该状态，恢复显示当前温湿度、二氧化碳浓度值。加一键k4:(1)正常状态下按该键，全部数码呈闪烁状态，表示仪表已进入控制值查看状态，数码管显示的数值为温度