基于单片机的二氧化碳浓度器设计.docVIP

基于单片机温、湿度二氧化碳浓度的报警设计第1章 绪论温度是表示物体冷热程度的物理量，微观上来讲是物体分子热运动的剧烈程度。在整个宇宙当中，温度无处不存在。无论在地球上还是在月球上，也无论是在炽热的太阳上还是在阴冷的冥王星上，这一切无不由于空间位置的不同而存在着温度的差别。湿度，表示大气干燥程度的物理量。在一定的温度下在一定体积的空气里含有的水汽越少，则空气越干燥；水汽越多，则空气越潮湿。空气的干湿程度叫做“湿度”。在此意义下，常用绝对湿度、相对湿度、比较湿度、混合比、饱和差以及露点等物理量来表示。湿度表示气体中的水蒸汽含量,有绝对湿度和相对湿度两种表示方法。绝对湿度是一定体积的空气中含有的水蒸气的质量，一般其单位是克/立方米，绝对湿度的最大限度是饱和状态下的最高湿度；相对湿度是绝对湿度与最高湿度之间的比，它的值显示水蒸气的饱和度有多高。现代化农业生产中最重要的一环是对农业生产环境的重要参数进行检测和控制，其中对CO2浓度的检测和控制是温室大棚环境控制及其重要的部分。在农业种植中，CO2浓度与绿色植物的生长、发育、能量交换密切相关，合理的控制CO2浓度，绿色植物的光合作用将发挥很大的潜力，使农作物达到优质、高产、高效的栽培目的。CO2浓度的监控在现代农业设施中发挥着巨大的作用。温度、湿度以及CO2浓度和人类的生产、生活有着密切的关系，同时也是工业生产中最常见最基本的工艺参数，例如机械、电子、石油、化工、农业生产等各类工业中广泛需要对温度、湿度以及CO2浓度的检测与控制。并且随着人们生活水平的提高，人们对自己的生存环境越来越关注，而空气中温湿度的变化与人体的舒适度和情绪都有直接的影响，所以对温度、湿度以及以及CO2浓度的检测及控制就非常有必要了。总之，环境温、湿度以及CO2浓度的检测与调节仪器的设计和开发具有非常大的市场前景和实用价值。第2章 系统方案的提出与论证 本课题设计的是一种以STC89C52单片机为主控制单元，以温度、湿度和CO2浓度传感器的组成测量控制系统。该控制系统可以实时存储相关的数据。其主要包括：电源模块、温度采集模块、湿度传感器模块，二氧化碳浓度传感器模块、按键处理模块、LED显示模块，报警模块、驱动模块以及单片机最小系统。图0.1 设计总体框图当将单片机用作测控系统时，系统总要有被测信号懂得输入通道，由计算机拾取必要的输入信息。对于测量系统而言，如何准确获得被测信号是其核心任务；而对测控系统来讲，对被控对象状态的测试和对控制条件的监察也是不可缺少的环节。传感器是实现测量与控制的首要环节，是测控系统的关键部件，如果没有传感器对原始被测信号进行准确可靠的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。工业生产过程的自动化测量和控制，几乎主要依靠各种传感器来检测和控制生产过程中的各种参量，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率和高质量。本设计采用温度传感器DS18B20温度传感器，本系统采用了DS18B20单总线可编程温度传感器,来实现对温度的采集和转换，大大简化了电路的复杂度，以及算法的要求。 本系统采用的是将HS1101接入555定时器组成的振荡器电路中，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，因此被广泛使用。本设计是利用TGS4160二氧化碳传感器是弗加罗公司生产的固态电化学型气体敏感元件。这种二氧化碳传感器除具有体积小、寿命长、选择性和稳定性好等特点外，同时还具有耐高湿低温的特性，可广泛用于自动通风换气系统或是二氧化碳气体的长期监测等应用场合。利用TGS4160二氧化碳传感器对环境二氧化碳浓度进行采集和处理，从而实现对环境的实时检测和控制，并且可以对数据的存储和读取。本设计采用16位AD7705转换电路，实现精确、准时的检测控制，整个系统主要包括：数字式温度传感器DS18B20模块、湿敏电容湿度传感器HS1101模块、显示电路LED、键盘电路、蜂鸣器报警电路、电源电路、AD7705A/D转换电路。温、湿度和二氧化碳浓度传感器主要完成对周围温、湿度二氧化碳浓度的采集、处理，是整个系统的核心部分；LED用来显示当前实时和存取温度值、湿度值二氧化碳浓度值以及温度预警值、湿度预警值、二氧化碳浓度预警值；蜂鸣器报警电路主要用来报警，当温度、湿度高于预警值时触发蜂鸣器工作；键盘主要控制温、湿度预警值的调整、时间的调整以及时间、温、湿度等信息的保存和调用；电源电路提供5V电压为系统供电。2.1 微机控制系统设计计算机的发展加快了人类改造世界的进程，但是计算机的体积太大。微控制器(单片机)就是在这种情况下诞生的。单片机自20世纪70年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用很广，发展很快。单片机体积小，重量轻，抗干扰能力强，环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。单片机集成里微处理器(CPU)，存储器(RAM,ROM,EPROM)和各种输入、输出接口(定时器/计数器，并行I/O口，串行口)，它的结构与指令功能都是按照工业控制的要求设计的，在智能控制领域，微控制器得到了广泛的应用。单片机目前被广泛应用于医疗、家电、仪器仪表、工业控制、航空航天等多个领域。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，Intel公司的MCS96系列单片机以及Motorola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。本文选用Atmel公司生产的AT89C51单片机作为CPU。AT89C2051是一种低功耗、低价格、高性能的8位微处理器。2.1.1 AT89C51单片机介绍芯片AT89C51是Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS单片机，片内含有4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128bytes的随即存取数字存储器(RAM)，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元，功能强大的AT89C51单片机性价比高，可灵活应用于各种领域。AT89C51的主要性能参数如下：与MCS-51产品指令系统完全兼容4k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128*8字节内部RAM32个可编程I/O接口2个16位定时/计数器6个中断源可编程串行UART通道低功耗空闲和掉电模式低工作电压5V 2.1.2 AT89C51介绍AT89C51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5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，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两个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他所有不见工作直到下一个硬件复位。AT89C51采用Atmel公司的高密非易失存储技术制造的标准型单片机，和工业标准MCS-51指令集和引脚结构兼容。Atmel公司生产的AT89C51是一种功能强劲的微型计算机，它对许多嵌入式控制的应用，提供了一种高度灵活和成本低的解决办法，受到大量用户的亲赖。AT89S52系统设计图如下图1-0所示。图1-0 AT89S52单片机硬件图 2.1.3 AT89C51芯片引脚AT89C51单片机是一个具有40个引脚的芯片，AT89C51引脚图如图1-1所示。引脚功能说明：VCC：电源VSS：接地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，作为输出口使用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写1可以作为高阻抗输入端用在访问外部数据存储器或者程序存储器时，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，要求外界上拉电阻。P1口：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1口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，通过内部上拉电阻吧端口拉到高电平，此时可做输入口。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I。Flash编程和程序校验期间，P1接收低8位地址。图1-1 AT89C51引脚图P2口：P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口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，通过内部上拉电阻吧端口拉到高电平，此时可做输入口。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I。在访问外部程序存储器或者16位地址的外部数据存储器时，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时，P2口线上的内容在整个访问期间不改变。Flash编程或者校验时，P2口亦接收高位地址和其他控制信号。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，作为输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流I。P3口除作为I/O口外，更重要的用途是它的第二功能，如表1-1所示：端口引脚第二功能P3.0RXD 串行输入口P3.1TXD 串行输出口P3.2INT0 外部中断0P3.3INT1 外部中断1P3.4T0 定时/计数器0P3.5T1 定时/计数器1P3.6WR 外部数据存储器写选通P3.7RD 外部数据存储器读选通表1-1 AT89C51单片机P3口第二功能P3口还接收一些用于Flash闪速存储器的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者数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。使不访问外部存储器，ALE仍以时钟震荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，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。如有必要，可通过对待特殊寄存器（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指令才能使ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应该设置ALE无效。PSEN：程序存储允许输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN信号不出现。EA/VPP：外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器，EA端必须保持低电平，需要注意的是：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，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，当然这必须是该期间是使用12V的编程电压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。 2.1.4 AT89C51的时钟振荡器AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入端和输出端，这个放大器与作为反馈元件的篇外石英晶体或者陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路如图3-3所示：图1-2内部震荡电路（左）与外部震荡电路（右）外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路，对外接电容虽然没有十分严格的要求，但是电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，如果使用石英晶体，电容使用30Pf，如使用陶瓷振荡器电容使用40pF。电路也可以使用外部时钟。采用外部时钟电路如图1.1右所示。这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，引脚XTAL2则悬空。由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但是最小高电平持续时间和最大电平持续时间应符合产品技术条件的要求。 2.1.5 AT89C51复位电路复位的作用是使程序自动从0000H开始执行，因此我们只要在AT89C51单片机的RST端加上一个高电平信号，并持续10ms以上即可，RST端接有一个上电复位电路，它是由一个小的电容和一个接地的电阻组成的。按键复位电路另外采用一个按钮来给RST端加上高电平信号。本设计采用放电型的进行人工复位的电路，如图1-3按键复位电路，上电时C3通过R2充电，维持宽度大于10ms的正脉冲，就可以完成复位操作。当C3结束充电后，RST端出现低电平，这是CPU将正常的工作。在本次设计中如果需要按键进行复位，就按下按钮BUTTON3，C3通过BUTTON3和R2放电，RST端电位将会上升到高电平，从而实现人工复位，BUTTON3松开后C3重新充电，当结束充电后，CPU将会重新工作。下图中，R2是限流电阻，阻值不可以过大，否则不能起到复位作用。图1-3复位电路2.2 电源电路AT89C51是低电压工作的单片机，其工作电压范围为5V0.5V，本设计采用220V交流电变压、整流滤波、稳压的电源方案。 2.2.1 滤波稳压电路介绍滤波稳压电路原理图如图2-1所示：图2-1电源电路本电源设计方案采用集成稳压电源原理制作，应用集成稳压器设计稳压电源，使电路元件数目大大的减少，简化了稳压电源的设计。本电源输出电压为5V，采用三端集成稳压器W7805设计，W7805固定输出电压为5V、最大输出电流为1.5A，满足系统的电压稳定及低功耗的要求。W7805内部电路属于串联稳压电路，内部结构由启动电路、取样电路、比较放大电路、基准环节、调整环节和过流保护等组成，此外它还有过热和过压保护电路。稳压器正常工作时，输出的额定电压UO为5V，为了保证稳压器正常工作时所允许的输入与输出电压的差值。(UI UO)min应为2-3V。此值太小，调整管将进入饱和区，因此设定经过变压线圈的电压为10V。因为交流电源由10%的波动，所以UI也有10%的波动。即：UImax=10(1+10%)=11VUImin=10(1-10%)=9VUImin-UO=4V输入电压10V可以保证输出电压的稳定，不会使整管进入饱和区，可以保证输出电压为5V。电源电路如图2.1所示，电路中C6、C5是滤波电容，起平滑作用，降低脉动系数；C5、C8为高频滤波电容，抵消输入导线较长时的电感效应，C5有抑制高频噪声作用。本文所设计的温室大棚二氧化碳自动监控系统，是一个需要长时间工作的系统，对电源的要求较高，在长时间工作的情况下，电源会产生大量的热量，如果不对这些热量做出处理，将会使电源过热，稳压器过热保护，而通知工作。所以，在三端集成稳压器上要加上大功率的散热片，及时的释放热量，以保证系统的正常工作。2.3 外接键盘电路 键盘接口电路是单片机系统设计非常重要的一环，作为人机交互界面里最常用的输入设备。我们可以通过键盘输入数据或命令来实现简单的人机通信。在设计键盘电路与程序前，我们需要了解键盘和组成键盘的按键的一些知识。 2.3.1 按键介绍一般来说，按键按照结构原理可分为两类，一类是触点式开关按键，如机械式开关、导电橡胶式开关等；另一类是无触点式开关按键，如电气式按键，磁感应按键等。前者造价低，后者寿命长。目前，微机系统中最常见的是触点式开关按键（如本学习板上所采用按键）。按键按照接口原理又可分为编码键盘与非编码键盘两类，这两类键盘的主要区别是识别键符及给出相应键码的方法。编码键盘主要是用硬件来实现对键的识别，非编码键盘主要是由软件来实现键盘的识别。全编码键盘由专门的芯片实现识键及输出相应的编码，一般还具有去抖动和多键、窜键等保护电路，这种键盘使用方便，硬件开销大，一般的小型嵌入式应用系统较少采用。非编码键盘按连接方式可分为独立式和矩阵式两种，其它工作都主要由软件完成。由于其经济实用，较多地应用于单片机系统中（本学习板也采用非编码键盘）。 2.3.2 按键的输入原理在单片机应用系统中，通常使用机械触点式按键开关，其主要功能是把机械上的通断转换成为电气上的逻辑关系。也就是说，它能提供标准的TTL 逻辑电平，以便与通用数字系统的逻辑电平相容。此外，除了复位按键有专门的复位电路及专一的复位功能外，其它按键都是以开关状态来设置控制功能或输入数据。当所设置的功能键或数字键按下时，计算机应用系统应完成该按键所设定的功能。因此，键信息输入是与软件结构密切相关的过程。 对于一组键或一个键盘，通过接口电路与单片机相连。单片机可以采用查询或中断方式了解有无按键输入并检查是哪一个按键按下，若有键按下则跳至相应的键盘处理程序处去执行，若无键按下则继续执行其他程序。 2.3.3 按键的特点与去抖机械式按键再按下或释放时，由于机械弹性作用的影响，通常伴随有一定时间的触点机械抖动，然后其触点才稳定下来。其抖动过程如图1 所示，抖动时间的长短与开关的机械特性有关，一般为5 10 ms。从图中可以看出，在触点抖动期间检测按键的通与断状态，可能导致判断出错。即按键一次按下或释放被错误地认为是多次操作，这种情况是不允许出现的。为了克服按键触点机械抖动所致的检测误判，必须采取去抖动措施，可从硬件、软件两方面予以考虑。一般来说，在键数较少时，可采用硬件去抖，而当键数较多时，采用软件去抖。 图3-1按键按下抖动示意图从按键的去抖流程图我们可以知道，检测到有键按下时，应延时等待一段时间（可调用一个5ms-10ms的延迟子程序），然后再次判断按键是否被按下，若此时判断按键仍被按下，则认为按键有效，若此时判断按键没有被按下，说明为按键抖动或干扰，应返回重新判断。键盘真正被按下才可进行相应的处理程序，此时基本就算实现了按键输入，进一步的话可以判断按键是否释放。 2.3.4 电路详解电路图如图3-2 所示。（a）独立键盘 （b）4*4矩阵式键盘图3-2键盘原理图从图3-2 中可知独立式按键采用每个按键单独占用一根I/O 口线结构。当按下和释放按键时，输入到单片机I/O 端口的电平是不一样的，因此可以根据不同端口电平的变化判断是否有按键按下以及是哪一个按键按下。从图2（a） 中可以看出，按键和单片机引脚连接并加了上拉电阻，这样当没有按键按下的时候，I/O 输入的电平是高电平，当有按键按下的时候，I/O 输入的电平是低电平。虽然独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O 口线，因此，在按键较多时，I/O 口线浪费较大。对于比较复杂的系统或按键比较多的场合，可以用到矩阵键盘，图3-2（b） 中所示的为44的矩阵式键盘，其他矩阵式键盘的设计方法类似。44 的矩阵式键盘由4 根行线和4 根列线交叉构成，按键位于行列的交叉点上，这样就构成了16 个按键。其中交叉点的行列线是不连接的，当按键按下的时候，此交叉点处的行线和列线导通。图3-2（b） 行线通过上拉电阻接到VCC 上。当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线在交点导通，此时，行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。这是识别按键是否按下的关键。然而，矩阵键盘中的每条行线与4 条列线相交，交点的按键按下与否均影响该键所在行线和列线的电平，各按键间将相互影响，键分析时必须将行线、列线信号配合起来作适当处理，才能确定闭合键的位置。 2.3.5 键盘功能设置本系统主要是对温度，湿度和二氧化碳浓度进行自动监控，但是为了管理人员的管理，系统设有键盘可对系统人工控制和查看二氧化碳浓度。键盘功能如下：S1：当S1按下第一次时，显示模块显示当前一分钟温度值，当S1按下第二次时，显示模块显示当前湿度的浓度值，当S1按下第三次时，显示模块显示当前二氧化碳的浓度值。S2：当S2按下第一次时，显示上一分钟数值，当S2再次按下时，由回到当前数值。此功能便于对温湿度，二氧化碳浓度的变化经行观察。S3：当S3按下时，命令二氧化碳执行机构放出二氧化碳。S4：当S4按下时，命令执行机构启动鼓风机。S5：当S5按下时，命令执行机构启动喷水机。S6：当S6按下时，命令执行机构启动加热器。S7：当S6按下时，报警停止。2.4 温度检测模块设计美国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，在其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。 2.4.1温度传感器选择DS18B20原理与特性本系统采用了DS18B20单总线可编程温度传感器,来实现对温度的采集和转换，大大简化了电路的复杂度，以及算法的要求。首先先来介绍一下DS18B20这块传感器的特性及其功能: DSl8B20的管脚及特点 DS18B20可编程温度传感器有3个管脚。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的外形及管脚排列如下图4-1图4-1 DS18B20的外形及管脚图GND为接地线，DQ为数据输入输出接口，通过一个较弱的上拉电阻与单片机相连。VDD为电源接口，既可由数据线提供电源，又可由外部提供电源，范围3O55 V。本文使用外部电源供电。图4-2 DS18B20的内部结构 DS18B20内部功能模块图主要特点有：1. 用户可自设定报警上下限温度值。 2. 不需要外部组件，能测量55+125 范围内的温度。 3. 10 +85 范围内的测温准确度为05 。 4. 通过编程可实现9l2位的数字读数方式，可在至多750 ms内将温度转换成12 位的数字，测温分辨率可达00625 。 5. 独特的单总线接口方式，与微处理器连接时仅需要一条线即可实现与微处理器双向通讯。6. 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。7. 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。8. DS18B20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。9.DS18B20的内部结构 DS18B20内部功能模块如图4-2 2.4.2 DS18B20工作原理DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同DS18B20 为9位12位A/D转换精度，而DS1820为9位A/D转换,虽然我们采用了高精度的芯片,但在实际情况上由于技术问题比较难实现,而实际精度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。如下4-3的测温原理图不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。 DS18B20测温原理如图4-3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。则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时。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。图4-3 DS18B20的测温原理框图 2.4.3 DS18B20使用中注意事项 DS18B20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DS18B20与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS18B20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DS18B20操作部分最好采用汇编语言实现。 2) 在DS18B20的有关资料中均未提及单总线上所挂DS18B20数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS18B20，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂DS18B20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DS18B20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DS18B20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DS18B20测温程序设计中，向DS18B20发出温度转换命令后，程序要等待DS18B20的返回信号，一旦某个DS18B20接触不好或断线，当程序读该DS18B20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。 测温电缆线建议采用屏蔽4芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一组接VCC和地线，屏蔽层在源端单点接地。 2.4.4 温度采集数据采集电路如图4-4所示,由温度传感器DS18B20采集被控对象的实时温度,提供给AT89S52的P3.1口作为数据输入。在本次设计中我们所控的对象为温度。当然作为改进我们可以把传感器与电路板分离，由数据线相连进行通，便于测量多种对象。图4-4单片机AT80S52与温度传感器DS18B20的连接图2.5 湿度检测电路设计目前，一般采用湿敏元件检测湿度，湿敏元件分为湿敏电阻和湿敏电容两种情况。常用的有高分子电阻式湿度传感器、高分子电容式湿度传感器等。国内市场上出现了不少国内外湿度传感器产品，电容式湿敏元件较为多见。电容式湿度传感器的动态范围大，动态响应快，几乎没有零漂，结构简单，适应性强。基于以上原因，本设计选用电容式湿度传感器HS1101。 2.5.1 湿度传感器HS1101简介电容式湿度传感器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2RH；极好的线性输出；199RH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；具有最突出的优点是长期稳定性极强。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。HS1101的主要特性如下：全互换性在标准环境下不需校正长时间饱和下快速脱湿高可靠性与长时间稳定性专利的固态聚合物结构可用于线性电压或频率输出快速反应时间图5.1为HS1101的结构及示意图，表5.1是HS1101的特性参数： 图5-1 HS1101结构及示意图 表5.1 HS1101的特性参数特征参数符号MinTypMax单位湿度测量范围RH1995供电电压Vs510V标称电容55%RHC117180183PF 温度效应Tcc0.04平均灵（33%75%RH）C/%R0.34PF/%RH漏电流Ix1nA恢复时间tr10s迟滞%长时间稳定性0.5%RH/yr反应时间ta5s曲线精度（1090） %RH 2.5.3 湿度测量电路本系统采用的是将HS1101接入555定时器组成的振荡器电路中，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，因此被广泛使用。具体的测量电路如图5-2所示： 图5-2 湿度测量电路本文选用的是NE555芯片，它内部含有两个NE555定时器。其中R1，R2，C1，C2和NE555构成多谐振荡器，外接电阻R1，R2与湿敏电容C1构成了对电容C1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C1的放电回路，并将引脚2,6端相连引入到片内比较器。该振荡电路两个暂稳态的交替过程如下：首先电源Ucc通过R1，R2向C2充电，经t1充电时间后，充至芯片内比较器的高触发电平，约2/3Ucc，此时输出引脚3端由高电平突降为低电平，然后通过R2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。其中充放电时间为 因而，输出的方波频率为 只要改变定时元件或即可改变脉冲的。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，在自动地返回到稳定状态，且暂稳定状态持续地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，输出的脉冲宽度为： 为了减少外界对信号的干扰，采用低通滤波器，过滤掉高频信号的干扰，直接用单片机的定时计数器来测量的脉宽。通过脉宽值，可以得到相应的传感器的电容值。其误差不大于；响应时间小于；温度系数为。电容值和湿度值的近似关系为： 前面我们已经通过测量NE555定时器的输出脉宽，求出了相应的电容值，然后，我们可以根据上面的式子，由电容值，求得相应的湿度值。2.6 二氧化碳浓度检测模块的设计本设计主要针对温室大棚中二氧化碳浓度检测与控制设计，二氧化浓度的检测采用二氧化碳浓度传感器TGS4160，TGS4160检测到的二氧化碳浓度信号经过模拟变送模块后，送入A/D转化器转化为数字信号后送入单片机处理。 2.6.1 二氧化碳浓度传感器概述TGS4160二氧化碳传感器是FIGARO（弗加罗）公司生产的固态电化学型气体敏感元件。这种二氧化碳传感器除具有体积小、寿命长、选择性和稳定性好等特点外，同时还具有耐高湿低温的特性，可广泛用于自动通风换气系统或是二氧化碳气体的长期监测等应用场合。但是由于TGS4160的预热时间较长（一般为2小时），所以，该器件比较适合于在室温下长时间通电连续工作。TGS4160传感器的主要参数如下：测量范围：05000ppm使用寿命：2000天加热电压：5.00.2V加热器电流：250mA加热器功耗：1.25W内部热敏电阻：100k5%使用温度：-10+50摄氏度使用湿度：595%RH产品尺寸：最大外径24mm，高24mm，引脚长5.8mm。TGS4160的内部结构TGS4160二氧化碳传感器是一种内含热敏电阻的混合式二氧化碳敏感元件。该元件在两个电极之间充有阳离子固体电解质。它的阴极由锂碳酸盐和镀金材料制成，而阳极只是镀金材料。该敏感元件的基衬是用对苯二酯聚乙烯和玻璃纤维加固，然后采用不锈钢网做圆柱型封装。元件的内层采用100目双层不锈钢网套在镀镍铜环上，并用高强度树脂粘合剂与基衬固定在一起。其外层顶盖上又罩上了一层60目的不锈钢网。为了达到降低干扰气体影响的目的，TGS4160在内外两层不锈钢网之间还填充有吸附材料（沸石）。传感器的6个引脚通过0.1mm的箔导线与内部相连。TGS4160内部等效结构图如图3-5所示。图6.1中，阳极与传感器的第3脚S(+)相连，阴极与传感器的第4脚S(-)相连，Pt加热器与传感器的第1，6脚相连，内部热敏电阻与传感器的第2，5脚相连。内部热敏电阻的作用是通过该电阻探测环境温度，以便对该传感器进行温度补偿，从而使校正后的测量值更加准确。图6-1 TGS4160等效内部结构 2.6.2 TGS4160的工作原理TGS4160型二氧化碳传感器是一种电化学型气体的敏感元件，当该元件暴露在二氧化碳气体环境中时，就会产生电化学反应。其反应式如下：阴极反应方程： 4Li+2 CO2+O2+4e-=2Li2CO3阳极反应方程： 4Na+O2+4e-=2Na2 O总的化学反应方程： Li2 CO3+2Na+=Na2 O+2Li+ CO2作为电化学反应的结果，根据耐斯特方程（Nernst），该过程将产生如下电势（EMF）：EMF=Ec-(RF)/(2F)Ln(P CO2)式中：PCO2为CO2分压；Ec为常数；R是气体常数；F是法拉第常数。从上式看出，通过监测S(+)、S(-)两个电极之间所产生的电势值EMF，就可以测量CO2的浓度值。为了使该传感器保持在最敏感的温度上，一般需要给加热器提供加热电压进行加热，但加热电压的变化将直接影响传感器的稳定性，因此加热电压必须稳定，其范围应在5.00.2V之内。为了保证CO2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EMF，而不是绝对电势值EMF，因为EMF与CO2浓度变化之间有一个较好的线性关系。虽然EMF绝对值随环境温度的上升而上升，EMF却保持常量，而且它在-1050温度范围内，基本不受温度的影响。EMF值可由下式求得：EMFEMF1EMF2其中，EMF1为350ppm的CO2中的EMF值；EMF2为所测量的CO2的EMF值。EMF与二氧化碳浓度的关系如图6-2所示。图6-2EMF与二氧化碳浓度线性图 2.6.3 二氧化碳检测电路设计TGS4160在温度为202、湿度为655RH、加热电压为5.00.05V、预热时间为7天或大于7天的条件下，测得传感器在浓度为350ppm中的EMF值是220490mV，而EMF在3503500ppm的CO2浓度中的值是4472mV，因此在实际测量应用电路中，要根据传感器的特点要求，除使用高输入阻抗（100G）、低偏置电流（1pA）的运算放大器外，还要对测得的信号进行处理。处理该信号选择使用费加罗（FIGARO）公司的FIC98646专用处理器模块,AM-4模块。 图6-3二氧化碳浓度检测电路AM-4二氧化碳传感器模块，则可直接应用于二氧化碳气体监测。该模块内部带有A/D转换器，并已对数据进行了采样并作了处理。它输出的电压信号与二氧化碳浓度值呈线性关系，输出的电压信号为03.0V，相当于03000ppm的二氧化碳浓度。AM-4模块的输出电压为03V，需要经过放大处理变为05V传送给A/D转化器，才能为单片机传送更为准确的数字信号。本设计对处理该信号方案如图6-3所示。2.7 报警模块设计若温室大棚二氧化碳浓度参数超标时，则启动声光报警电路，同时单片机通过控制固态继电器来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。 2.7.1 报警电路介绍 报警电路中光报警采用发光二极管，声报警采用蜂鸣器来设计，采用两个引脚控制。其中，蜂鸣器电路中，9013三极管起开关作用，输出高电平时，管脚输出电压VOH=VCC-0.25V=3.05V，输出电流I=-1mA，经过2K限流电阻R分压后，到达9013基极的电压为1.05V，使得三极管发射结正偏，集电结反偏，晶体管导通，蜂鸣器上电而产生报警声。对与发光二极管，必须采用限流电阻，否则会是二极管电流过大而烧坏。当单片机P1.3和P1.4同时置高时，即可实现声光报警。其硬件电路如图7-1所示。图7-1 声光报警电路2.8 LED显示模块设计显示模块包括两个部分：第一部分为由4个LED组成的数码显示电路，用于显示测量的二氧化碳浓度。第二部分为由3个发光二极管组成的显示电路，用于显示光照条件的高低。 2.8.1 数码管显示原理本设计的显示模块采用了4片LED八段数码管，关于八段数码管的显示方式主要有两种，分别是静态显示方式和动态显示方式。两种显示方式各有各的优缺点，由于本设计中软件设计中语句较多，加置采用扩展芯片来驱动显示电路，采用动态显示会由闪耀感，会造成显示不正常，故采用静态显示。静态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式。静态显示的特点是每个数码管的段选必须接一个8位数据线来保持显示的字形码。当送入一次字形码后，显示字形可一直保持，直到送入新字形码为止。这种方法的优点是占用CPU时间少，显示便于监测和控制。缺点是硬件电路比较复杂，成本较高。数码显示电路。本设计共用到4个八段数码管，用于显示4位当前二氧化碳浓度值，并且可更具键盘输入要求显示前两次的浓度值，采用静态显示方法设计电路。由于本设计元件较多，I/O比较紧张，所以采用锁存器74LS373锁存地址，以锁存数码管的段码，这样采用一个I/O口即可驱动4位数码管。经过74LS373锁存后的段码信号，不足以点亮数码管，所以必须采用驱动器经行驱动。在本设计中采用8路反向驱动器ULA2803来驱动数码管。显示电路如图8-1所示。图8-1 数码显示电路锁存器74LS373的锁存信号由单片机控制，P2.0、P2.1、P2.2、P2.3分别控制四片锁存器。单片机信号不足以使锁存器锁住信号，经过信号处理电路处理后，才可以正常锁存。当单片机送出低电平信号，经过三极管与反相器，传送入锁存器，使锁存器导通，经行段码的读取；当单片机送出高电平，经过三极管放大，在经过反相器，使锁存器得到足够低的锁存信号，使之前所存取的段码信号得以锁存。锁存器控制电路如图8-2所示。图8-2显示电路锁存器控制电路 2.8.2 发光二极管显示电路发光二极管显示电路，用于显示光照条件的强弱。当三个发光二极管同时点亮，代表是晴天；当有两个点亮，代表是阴天；当只有一个点亮，代表是黑天。电路如图8-3所示。图8-3发光二极管显示电路2.9 A/D转换电路模块设计 AD7705 是十六位分辨率的A/D 转换器，两通道全差分模拟输入，使用+5V 单电源,主要应用于低频测量。它利用了-转换技术实现了16位无误码数据输出,三线数字接口，可以通过串行输入接口，由软件配置芯片的增益值、输入信号极性和数据更新速率，非常灵活方便。具有自校准和系统校准功能，能够消除器件本身和系统的增益以及偏移误差。是用于开发智能系统、微控制器系统和基于DSP 系统的理想产品。 2.9.1 AD7705 简介 AD7705二全差分输入通道的ADC ,十六位无丢失代码，0.003 %非线性；可编程增益：1128 ；三线串行接口；具有模拟输入端缓冲器；工作电压： 2.73.3V或4.755. 25V；低功耗，3V 电压时, 最大功耗为1mW；等待电流的最大值为8A； 16 脚DIP、SOIC和TSSOP 封装。引脚功能如下： 1、 SCLK：串行时钟输入。将一个外部的串行时钟加于这一输入端口，以访问 TM7705 的串V行数据。 2 、MCLK IN：为转换器提供主时钟信号。能以晶振或外部时钟的形式提供。晶振可以