基于51单片机的温室大棚温湿度测控系统设计

摘 要 摘 要 我国作为一个人口大国，农业问题是一个非常重要的问题，而我国的农业 要想取得好的发展就必须走现代化的农业道路。随着经济与科技的迅猛发展， 我国对农业的研究和应用技术越来越重视。而在现代化农业技术中，很重要的 一环就是对农业生产环境的一些重要指标进行自动化检测与控制。 这里我们谈到的是以温室大棚为例的一种种植方式，温室大棚的环境系统 是一个非线性、多变量、滞后、时变的系统。而其中温度与湿度又是基本的变 化因子。所以本系统的设计就是以 AT89C51 为核心，然后再加上 74LS373、湿 度传感器 HS1101、温度传感器 DS1820、LED 显示器、报警电路、键盘输入电 路、固态继电器等，从而能够实现对温室大棚温湿度的检测与控制，有效的提 高农作物产物。硬件部分设计了温湿度传感器模块、A/D 转换模块、显示模块、 控制模块，软件部分则根据设计思想设计出了主程序和子程序流程图，并通过 汇编语言和 C 语言编程实现。文中的各部分也将给出方案论证，并给出电路图， 整体设计因为利用了单片机以及数字控制系统的优点，系统的各方面性能得到 了显著的提高。 关键词：AT89C51，温度传感器，湿度传感器，测控系统 Abstract I Abstract As a large population in China, agriculture is a very important issue，and the de velopment of Chinas agriculture to achieve good must be taking the road of modernization of agriculture. In modern agricultural technologies, the most important part of agricultural production is on automatic detection and control of some important indicators of the environment. We talk about here is an example of greenhouse cropping patterns , greenhouse environment system is a non-linear, multivariable, delay, time-varying systems. And the change of temperature and humidity are the basic factors. And the change of temperature and humidity are the basic factors. So this design is AT9C51 as the core of the system, and then add 74LS373 、temperature sensor DS18B20, humidity sens or HS1101, LED display, alarm circuit, keyboard input circuit, solid state relays, to be able to achieve the greenhouse temperature and humidity measurement and control, effectively improve crop production. The hardware part design includes temperature and humidity sensor module, A/D conversion module, display module, the control module. Part of the software is based on the design concept design for the main program and the subroutine flow chart, which is realized by assembly language and language C programming. Parts of the article will also give a demonstration, and gives the circuit diagrams, overall design because the use of the advantages of single- chip microcomputer and digital control system, various aspects of system performance has been significantly improved. Key words: AT89C51, temperature sensors, humidity sensors, measuring and controlling system 目 录 I 目 录 摘 要 .I ABSTRACTII 目 录 . 第一章 引 言 .1 1.1 课题的目的和意义 .1 1.2 植被栽培技术 .1 1.3 温湿度检测与控制的研究和进展 .2 1.4 本设计的主要内容 .3 第二章 系统的总体设计方案选择与工作原理 .4 2.1 系统总设计方案概述 .4 2.1.1 基本功能 4 2.1.2 主要技术参数 .4 2.2 系统各模块的选择与论证 .4 2.3 系统的工作原理 .6 第三章 系统的硬件设计 .8 3.1 单片机型号的确定 .8 3.2 传感器的确定及温湿度采集电路 . 11 3.2.1 温度传感器的确定 11 3.2.2 温度采集电路设计 13 3.2.3 湿度传感器的确定 14 3.2.4 湿度采集电路设计 15 3.3 电源电路 . 17 3.4 A/D 转换 17 3.4.1 模数转换器的确定 17 3.4.2 A/D 转换器与单片机电路连接 19 3.5 显示电路设计 . 19 3.6 键盘输入与报警电路 . 21 目 录 II 3.6.1 键盘输入电路 . 21 3.6.2 报警电路 22 3.7 执行机构电路 . 24 3.8 单片机与 PC 机接口电路 25 第四章 软件设计 . 28 4.1 设计思想 . 28 4.2 编程语言 . 28 4.3 控制程序流程图 . 29 4.3.1 主控制程序设计 29 4.3.2 键盘子程序设计 . 29 4.3.3 数据采样子程序设计 31 4.3.4 数据通信子程序设计 32 总 结 . 34 参考文献 . 35 致 谢 . 36 附录一 整机电路图 . 37 附录二 程序 . 38 第一章 引 言 - 1 - 第一章 引 言 1.1 课题的目的和意义 温室大棚种植一直是获取良好农作物的重要渠道，且在我国已经有很广泛 的应用，尤其是随着科技的日益进步，人们生活质量的显著提高，对鲜花以及 一些植被的需求也逐渐增加。这就为温室大棚种植提出了更高的要求，当然这 更是一个机遇。 在温室大棚环境要求的各项指标中，温湿度无疑是最基本的变化因子。它 们直接影响到农作物的生长和产量,所以为了能给作物提供一个良好的生长环 境,首要解决的问题就是实现对温室温湿度的实时检测与控制。我们都知道传 统的温湿度检测方法是利用和温度表、湿度表、金属式测量计或者是湿度试纸 进行人工检测，然后再根据检测结果对相应的大棚采取加热、通风、灌溉等一 系列措施。显然在农作物需求广泛的现代化社会中，这种检测方法是费时又费 力的，最主要的是效率低、检测精度不高。因此为了充分利用温室种植这一高 效技术，设计一套自动检测温湿度的方案就显得尤为重要。将单片机应用到温 湿度检测系统中将会带来很大的方便，不同植被在不同时期所需的温湿度是不 同，所以温湿度的控制对于单片机的应用具有很实际的意义，它代表着一类自 动化生产，而且必将得到广泛的应用。 1.2 植被栽培技术 植被“设施栽培”即“保护地栽培”。它是指在一些的保护设施内(如温室、大 棚等)，人为设置适合植被生长的环境，在不同季节内，尤其是不利于植被生长 的季节内进行植被栽培的一种方法。设施栽培是人类利用自然、改造自然的一 种创造。由于设施内种植条件是可以人工控制的，所以我们就可以实现在一年 内长期种植。玻璃和塑料薄膜温室出现后，植被生产就出现了很大的变化。现 在我们完全可以根据自己的意愿，随时栽培出所需要的不同植被。而这正是“设 施栽培”的功劳。 温室环境的调节主要包括日光、温度、湿度三个方面。 第一章 引 言 - 2 - (1)温度：根据植被生长的适宜温度进行温室温度设置与调节，若低于下限 温度则采取升温措施，通常采取继电器控制加温设备进行加温，如电热增温和 火力增温等。若高于上限温度则采取降温措施，通常通过通风散热。 (2)日光：遮荫是调节日照强度最好的办法，其具体做法是加盖遮阳网或草 席，这种方法兼有降低温度的效果。 (3)湿度：为满足温室植被对湿度的要求，我们可以在地上、台阶或者棚壁 上洒些水，也可以在空中悬挂湿布，以增加水分的蒸发，最好的办法是设置自 动喷雾装置，自动调节湿度。但是如果湿度很大的话就可能导致作物生病，我 们可以采用通风的办法来降低湿度，而且最好在室温与气温相差不大的时候进 行。本系统主要是考虑温湿度的检测与控制，日光则不作考虑。 1.3 温湿度检测与控制的研究和进展 国外多数采用的是一种全自控喷滴灌温室大棚控制系统，它不需要人的看 管。比较人工的控制来说，这种智能控制最大的好处就是能够相对恒定的控制 温室内部的环境，更能避免因为人为因素造成的损失。北京的一家公司曾经也 研制开发了一种应用于温室大棚的环境测温控系统。它是采用 PLC 与各式的侦 测器连接，管理人员需要在现场监控，温室的温度、湿度及亮度侦测器与连结， 当回传的资料超过或低于设定值时，监控主机将报警资料以短消息形式传给相 关管理人员，管理人员可以及早采取措施解决问题。相比之下本设计同国外先 进设备相比还是存在一定差距的，但是也有电路简单、调试方便、省成本等优 点。 传统的温度控制电路是采用继电器进行动作的，这种方法是简单又实用的， 但是由于继电器动作的频繁且经常会出现触点接触不良现象从而会导致无法正 常工作 。所以有的控制领域就大量采用了 PID 的控制方式，但是这种控制方 式会有建模困难且在干扰因素不明确时参数调整不方便这些缺点。所以比较下 来，采用数字式的温度传感器如 DS18B20 就好很多,因其内部有集成 A/D 转换 器，使得电路结构更加的简化方便，且能够使温度检测的精度大大提高，有效 地减少了温度测量转换时的精度损失。而且温度传感器 DS18B20 使用起来也非 常方便，只用它的一个引脚和单片机直接相连便可，这样能够减少接线的麻烦， 第一章 引 言 - 3 - 从而使单片机的引脚节省下来可以扩展更多电路。同时由于 DS18B20 身形小巧， 我们可以将其做成小的探头至于大棚中需要的位置，有效的增加了它的实用性。 1.4 本设计的主要内容 本设计最终可以实现用户可以根据不同植被的不同生长需求通过键盘输入 温湿度的上下限值，并进行实时显示。系统设计完成后可以通过温度传感器 DS18B20 和湿度传感器 HS1101 对大棚温室内的温湿度进行实时检测，单片机 AT89C51 作为控制器对采集到的数据进行处理，用 LED 显示出当前环境的温 湿度状况，用户也可以根据作物的不同或者环境的变化键入或改变温湿度的要 求值。当环境检测到的温湿度与设置的温湿度要求之差大于 4时，报警装置 即会启动，并通过执行器采取相应的处理。 本设计主要内容包括以下几个方面： (1)选择适合的温湿度传感器，设计与之对应的信号采集、处理电路。 (2)掌握 AT89C51 单片机的主要性能，并以之为核心设计控制系统。 (3)设计诸如键盘、显示、报警等简单人机对话电路。 (4)系统具有一定的可靠性与抗干扰性。 (5)能够实现单片机与 PC 机的通信。 第二章 系统的总体方案选择与工作原理 - 4 - 第二章 系统的总体方案选择与工作原理 2.1 系统总体设计方案概述 根据题目要求系统的模块可以划分为：温湿度检测模块、显示模块、键 盘模块、报警模块等。由温度、湿度传感器，模拟量输入通道、A/D 转换、报 警电路与显示器等组成。通过对信号的采集、分析、处理，然后输出信号来使 执行部件进行动作，使温室大棚达到所要求指标。 2.1.1 基本功能 (1)温度与湿度的检测 (2)温度与湿度的显示 (3)过限报警 2.1.2 主要技术参数 (1)温度检测范围:0-50 (2)测量精度:0.5 (3)湿度检测范围:0%-100%RH (4)检测精度:2.5% RH (5)参数调整:手动设定/程序控制 2.2 系统各模块的选择与论证 (1)温度检测模块 方案一：可以选用热电阻作为温度检测原件，它的工作原理是热电阻温度 计把温度的变化通过测温元件(热电阻)转换为电阻值的变化来测量温度的。热 电阻温度计适用于测量-200-+500范围内液体、气体、蒸汽及固体表面的温 度.它与热电偶温度计一样，也是有远传、自动记录和实现多点测量等优点， 最常用的是铂电阻感温元件，这是因为它即使在氧化介质中或者高温条件下， 它的物理、化学性质都不变。由铂电阻阻值的变化经小信号变送器 XTR101 将 第二章 系统的总体方案选择与工作原理 - 5 - 铂电阻阻值随温度变化的转换为 420mA 线性变化电流，再将电流信号转化 为电压信号，送到 A/D 转换器，即将模拟信号转换为数字信号。这样电路的结 构比较复杂而且误差也比较大。 方案二：采用数字式的温度传感器 DS18B20，与传统的热电阻或热敏电阻 相比，它可以直接读出所测温度，而且也无需外加电路。而且它采用的是单总 线的结构，DS18B20 只需要一条口线便可实现与主机的双向通讯。它的测温范 围是-55+125，而且可以实现多点测温，多个 DS18B20 可以并联在唯一 的三线上，最多只能并联 8 个，实现多点测温，如果数量过多，会使供电电源 电压过低，从而造成信号传输的不稳定。 相比之下，DS18B20 因为在传输的时间和距离以及检测精度、分辨率等方 面带来了令人满意的效果而在本设计中得到应用。 (2)键盘模块 方案一：矩阵式按键 当按键数量比较多时，我们需采用矩阵式键盘。矩阵式键盘的硬件结构比 较简单，由行输出口和列输入口构成，按键设置在行列线的交叉点上。采用这 种按键形式的好处是在按键数量比较多的情况下可以节省数据线，但是需要有 键盘扫描程序，占用的空间就比较大1。 方案二：独立式按键 当按键数量比较少时，可以采用独立式按键的硬件结构。此种按键形式就 是指每个按键电路可以直接由一根 I/O 口线构成，而且每一路的按键状态都不 会影响其他路的，独立式按键接口电路的软件结构比较简单，而且配置也方便。 所以在按键数量不多时，我们常常采用这种方法2。 在本设计中只用到了 3 个按键，所以可以选用独立按键。 (3)显示模块 方案一：静态显示 所谓静态显示就是当显示器显示某一个字符时，相应的二极管恒定的导通 第二章 系统的总体方案选择与工作原理 - 6 - 或截止，公共端接固定的电平。在这种显示方式中，每一位显示器都要一个 8 位输出口控制，所占用的硬件多，一般适用于显示器位数比较少的场合。 方案二：动态显示 动态显示就是一位一位的轮流点亮各位显示器，对每位显示器每隔一定时 间点亮一次。即在段口上按位次分别送所要显示的段码，在位控制口上也按相 应的次序分别选通对应的显示位码。使用动态显示，节省了 I/O 输出口，但是 此方法需额外加外部驱动以此增加输出电流来更好的驱动数码管显示，电路简 单，成本稍高，需要特定的编程来完成动态刷新3。 因为没有太多的输出口来完成静态显示，故本设计中选用动态显示。 (4)报警模块 当温湿度值超过系统所设计的上下限时，就要有报警功能。蜂鸣报警电路 的优点是能通过不断的发出声音使人便于及时断定线路的通断，发音元件主要 就是蜂鸣器，只要将报警电路接到 35V 直流电源上就能产生 3HZ 左右的震荡 声响。 2.3 系统的工作原理 温室大棚温度和湿度测控系统最后要完成数据采集、处理、显示、串行通 信、输出且控制执行器执行等各种功能。由数据采样、数据处理、单片机控制、 执行器等 4 个大的部分组成。主要硬件包括温度传感器，湿度传感器， AT89C51 单片机、数据采集电路、LED 显示器、A/D 转换器等。该测控系统具 有实时采样(对温室大棚的温湿度检测)、实时处理(把检测到的数据进行对比 分析以便决定控制方法)、实时控制(根据分析结构控制执行器采取相应措施) 的功能。首先要充分考虑温室大棚植被生长环境的要求，以及其他因素的影响。 预先将植被生长所需的正常生长状态下的温湿度值存于单片机内，然后就是把 作为数据采集部分的温度或湿度传感器置于温室大棚中对温湿度敏感的位置区 域，测出室内的温湿度值，经过数据放大处理后转换为数字量送入 AT89C51 单片机中。单片机处理后可以通过 LED 动态显示测量值，用户也可以通过键盘 输入或随时改变温湿度上下限，单片机将预设的参考值与测量值进行比较，根 第二章 系统的总体方案选择与工作原理 - 7 - 据比较结果作出判断。系统的基本框图如图 2-1 所示。 图 2-1 系统基本框图 第三章 系统的硬件设计 AT89C51 单片机 复位电路 键盘与显示 报警电路 湿度传感器 器器 A/D 转 换 执 行 机 构 光 电 隔 离 温度传感器器 第三章 系统的硬件设计 - 8 - 3.1 单片机型号的确定 单片机的型号是根据设计的内容而定的，一方面要考虑选用的单片机能否 在不需要再扩展芯片的情况下就可以满足要实现的功能。比如说要考虑单片机 的存储器空间的大小、单片机的 I/O 口数等。另一方面还要考虑单片机的性价 比，是否容易买到等一些外部因素。 单片机的全称是单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)。它是把组成 计算机的主要部件如中央处理器(CPU)、数据存储器(RAM)、程序存储器 (ROM、EPROM、E2PROM 或 FLASH)、定时/计数器和各种输入/输出接口电 路等都集成在一块半导体芯片上，构成了一个完整的计算机系统4。与通用的 计算机不同，单片机的指令功能是按照工业控制的要求设计，因此它又被称为 微控制器(Microcontroller)。 8031 片内不带程序存储器的，使用时用户需外接程序存储器和逻辑电路芯 片，外接的程序存储器以 EPROM 的 2764 系列最常见 5。用户若想修改一些 已经写入的程序，可以采取紫外线照射的方法将修改的程序写入，但是并没有 保密性可言。8051 片内有 4K 的 ROM，也无须外接外存储器和逻辑电路芯片， 更能体现出单片机的简练。但是我们编写的程序无法直接写入到它的 ROM 中， 只能将程序交芯片厂代为烧写，而且是一次性的，今后使用者和芯片厂都不能 改写其内容。 以上所述单片机因为应用的早、影响大，已经成为工业标准。后来很多芯 片生产厂商和 Intel 公司合作推出了同类型的单片机，我们统称这些与 8051 内 核相同的单片机为“51 系列单片机” 。 在众多 51 系列单片机内，要数ATMEL 公司的AT89C51 更为实用。因为实 现系统功能的程序不会超过 4K，而 AT89C51单片机内部有 4K 的 FlASH 程序存储器和 2K 的数据存储器，因而不需要外扩程序存储器和数据存储器。 重要的一点是 AT89C51 目前的售价也比较低，市场供应充足。AT89C51 单片 机引脚排列及功能见图 3-1 所示。 由图可知 AT89C51 共有四十个引脚，有 2 条专用于主电源的引脚，4 条控 第三章 系统的硬件设计 - 9 - 制和其他电源复用的引脚，32 条输入/输出引脚6。 各引脚功能简单介绍如下 (1)主电源引脚 VCC 和 GND VCC：接+5V 电源。 GND：接地。 (2)时钟电路引脚 XTAL1 和 XTAL2 外接晶振时与片内的反相放大器构成一个振荡器，它提供单片机的时钟控 制信号。时钟引脚也可以外接振荡器。按图 3-2 所示接上晶振和电容就够成了 单片机的时钟电路。本设计考虑系统的独立完整性，选用内部时钟方式，石英 震荡频率选用 12MHZ，ALE 信号频率为 2MHZ。 (3)控制信号引脚 RST、PSEN、ALE、 EA/VPP。 RST：复位引脚。该引脚为单片机的复位引脚，当单片机振荡器工作时， 该引脚只要出现持续两个机器周期的高电平，就可以实现复位操作7。 ALE/PROG：在访问外部存储器时，地址锁存允许的输出脉冲的下降沿锁 存 8 位或 16 位地址。即使在不访问外部程序是，ALE 也是有周期性的脉冲输 出的。且它的频率是振荡频率的 1/6,但是我们要注意的是：每当用作外部数据 存储器时，将跳过一个 ALE 脉冲。如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上 置 0。此时， ALE 只有在执行 MOVX，MOVC 指令是 ALE 才起作用。另外， 该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的读选通信号输出端8。它是低电平有效的，在 从外部程序存储器取指的时候此引脚在每个机器周期内要两次有效，而从外部 数据存储器取指的时候，这两次的信号将不再出现，可以驱动 8 个 TTL 负载。 /EA/VPP：此引脚为片外程序选用段，当它保持高电平时，单片机就会访 问内部的存储器，但是当程序计数器的值超过一定值时，就会转向去执行外部 存储器的内容，当到此引脚为低电平时则不管是否有内部存储器都会去访问外 部的。 第三章 系统的硬件设计 - 10 - 图 3-1 AT89C51 管脚图 (4)输入/输出(I/O)引脚 P0、P1、P2 和 P3 P0 口：P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8TTL 门电流。 当 P0 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/地址的低八位。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 图 3-2 时钟电路 第三章 系统的硬件设计 - 11 - 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9。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 口输出特殊功能寄存器 中的内容。 P3 口：P3 口管脚是 8 位的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 TTL 门电流。每 个引脚既可用于第一功能也可用于第二功能。 P3 口的第二功能定义如表 3-1 所示。 表 3-1 P3 口第二功能定义 口线 第二功能 P3.0RXD(串行口输入) P3.1TXD(串行口输出) P3.2 (外部中断 0 输入)0INT P3.3 (外部中断 1 输入)1INT P3.4T0(定时器 0 的外部输入) P3.5T1(定时器 1 的外部输入) P3.6 (外部数据存储器“写”信号输出)WR P3.7(外部数据存储器“写”信号输出)RD 3.2 传感器的确定及温湿度采集电路设计 3.2.1 温度传感器的确定 第三章 系统的硬件设计 - 12 - 本系统的设计是采用的 DS18B20 单总线可编程数字温度传感器，用它来实 现对温度的采集和转换可以直接与单片机的一个端口相连，大大的简化了电路 的复杂程度。 DS18B20是 DALLAS(达拉斯)公司生产的一款超小体积、超低硬件开销， 抗干扰能力强、精度高、附加功能强的温度传感器， 可直接将温度转化成串 行数字信号供处理器处理。DS18B20温度传感器具有以下几个优点： (1)单总线接口是指微处理器和 DS18B20的只有一个口线便可以方便实现连 接，单总线结构抗干扰能力强，而且价格便宜，适合于恶劣环境的温度测量， 易用性优势，使用户能够轻松地设置传感器网络、 也为测量系统的构建引入 了新的概念10。 (2)测量温度范围广，精度高。DS18B20的测量范围为-55125，精度 为0.5。 (3)使用时不需要其他的外围组件。 (4)具有更多网络的功能。并行连接的多个 DS18B20可以只在单独的一根口 线上，很方便地实现了多点测温。 (5)灵活的电源供应。由内部寄生回路可以为 DS18B20提供电源，所以当 满足某些要求，可以无需外接电源，使得系统具有更简单的结构，可靠性也高。 (6)测量参数可配置。通过程序设定可以是 DS18B20分辨率设定为9到12位。 (7)负压特性。当电源极性接反时，传感器不会因为过热而烧毁但是无法正 常工作 (8)掉电保护功能。因为DS18B20内部含有EEPROM，系统在掉电之后仍可 以保存之前的分辨率和报警值 DS18B20 有两种封装：三脚TO-92直插式和八脚 SOIC 贴片式，封装引脚 见图 3-3 所示。 第三章 系统的硬件设计 - 13 - DS18B20引脚定义如下： (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)。 DS1820因为它结构的简单、连接方便、检测精度高等优点而具有较为广泛 的应用，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题： (1)硬件开销较少所以需要软件进行补偿，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，如果不遵循严格的读写 时序将无法测取温度值。 (2)在DS1820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，在进行多点测温 的时候一定要考虑此问题。 (3) 连接DS18B20的总线电缆要受到长度限制。所以在用DS18B20进行测 温时，一定要考虑电缆线位置的分配，以及使用到的阻抗和电容的匹配问题11。 (4)在DS18B20检测温度的程序设计中，在主机向DS18B20发出转换命令的 图 3-3 DS18B20 引脚封装图 第三章 系统的硬件设计 - 14 - 时候，程序在等到DS18B20的应答信号后才会做出相应的举措，但是如果某个 测温元件发生故障如接触不良或者断线，在程序读取该DS18B20时，就会没用 应答信号，程序进入死循环。所以在硬件连接或是软件设计时要考虑此问题。 3.2.2 温度采集电路设计 由于 DS18B20 只有一个串行通信接口，它和单片机的连接方法十分简单， 只要单片机的一个端口直接与传感器 DQ 引脚连接即可，在这个设计中我选择 与 P2.0 端口相连，其连接电路图如图 3-4 所示。 DS18B20 内部本身含有寄生 电源，时可以选择寄生电源作为供电源的，也可以采用外部电源供电，为了方 便实用，这里我们采用外部电源供电。DS18B20 的输出口在外接上拉电阻时是 呈现高电平的。 图3-4 温度传感器电路连接图 首先我们理解单总线的概念，目前常用的单片机与外设之间进行数据传输 的串行总线主要有 IC 总线以同步串行二线方式进行通信，SPI 总线则以同步 串行三线方式进行通信，而 SCI 总线是以异步方式进行通信的(一条数据输入 线，一条数据输出线)。这些总线至少需要两条或以上信号线，而 DS18B20 使 用的单总线技术与上述总线不同，它采用单条信号线，即可传输时钟，又可传 输数据，而且数据传输是双向的，具有线路简单，硬件开销少的优点。 3.2.3 湿度传感器的确定 第三章 系统的硬件设计 - 15 - 本系统也需要检测温室大棚的湿度，现在广泛应用的湿度检测湿敏器件按 其材料可以分为：半导体陶瓷，电解质，高分子和其它型式。因为温室内的湿 度变化比较缓慢，所以不需要高的响应时间，但是对线性度和稳定度要求比较 高。所以我们可以采用电容式集成湿度传感器 HS1101 来检测温室大棚内部的 湿度。电容式湿度传感器 HS1101，它是基于独特工艺设计的电容元件。精度 高达2%RH；极好的线性输出；199%RH 湿度量程；-40100的温度工作范 围，响应时间 5 秒；所测湿度输出基本上不受温度的影响，在常温下使用即可， 无需进行温度补偿，而且器件也不受腐蚀性气体的腐蚀，也不需要校准；电容 与湿度变化 0.34pf/%RH；能长期保持稳定和可靠；年漂移量 0.5RH/年 。电容 式湿敏元件， 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,适用于线性电压输出和频率输出两 种电路12。 图 3-5 湿敏电容工作的湿、温度范围 图 3-6 电容湿度响应曲线 由图可知对湿度在 1%100%RH 范围内；电容量由 16pF 变到 200pF，其误 差不大于2%RH；响应时间小于 5S；温度系数为 0.04pF/。由此可知精度 是比较高的，故本设计采用此器件进行湿度检测。 3.2.4 湿度采集电路设计 HS1101 湿度传感器，在电路构成中等效于一个电容元件，其电容量随着 所测空气湿度的增大而增大。如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接 第三章 系统的硬件设计 - 16 - 受的信号，常有两种方法：一是可以将湿敏器件置于运放和阻容所组成的桥式 振荡电路中，产生的正弦波电压信号再经整流、直流放大后 A/D 转换为数字信 号交予单片机处理；另一种是将该湿敏电容置于 555 振荡电路中，将电容值的 变换转换为电压频率信号的变化，而此信号是与其电容值成反比的13。这种信 号可直接被计算机所采集。在此次设计中采用将湿度传感器置于 555 振荡电路 中，采用这种方法结构较为简单，使用起来也方便，得到了很广泛的应用。具 体测量电路见图 3-7。 集成定时器 NE555 既可以形成单稳态电路，也可以形成多谐振荡电路，本 系统选用的是 NE556，它内部含有两个 NE555 定时器，其中 R1，R2,C1,C2 和 NE556 组合起来构成了多谐振荡器，而外接电阻 R1,R2 和湿敏电容 C1 则构 成了对湿敏电容 C1 的充电回路，7 端对地短路，而且能通过内部的芯片又构 成了对 C1 的放电回路并将 2，6 端相连引入到片内比较器。该振荡电路的两个 暂稳态过程则出现如下的交替： 114 213 312 411 510 69 78 NE556 R1 100k C1 0.22u R2 15k C2 0.1u C3 1u R4 10k R3 1M +5V C4 1u HS1101 T1 图3-7 湿度采集电路 首先是电源 Ucc 通过 R1,R2 向 C2 充电，经 T1 充电时后，Uc2 充至内比 较器的高触发电平，约 2/3Ucc，此时输入引脚 3 端的电平突然由高降为低，然 第三章 系统的硬件设计 - 17 - 后通过 R2 放电，经 T2 放电时间后，Uc2 下降到比较器的低触发电平，约 1/3Ucc，此时输入引脚 3 端又由低电平跃升为高电平，这样一直反复并输出方 波，这个过程中的充电时间为: (3-1)2ln 2111 RRCt (3-2) 2ln 122 CRt 因为输出的方波频率为： (3-3) 2ln2 11 21121 RRCtt f 我们可以改变定时元件 R1 和 R2 来改变脉冲频率，多谐振荡器引出来的信 号再接入到单稳态触发器，单稳态触发器有稳定和暂稳定两个触发状态，在触 发脉冲作用下，能够由稳定状态过渡到暂稳定状态，而暂稳定状态维持一段时 间后，再自动的返回到稳定状态，且暂稳定状态持续时间长短取决与电路本身 参数，图中，R3,C3 和传感器 HS1101 是外接地定时元件，触发脉冲由 5 端 i U 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： P T (3-4)3ln23CXCRTP 下面我们分析一下电容与适度的关系，图3-8为HS1101的典型输出曲线， 相对湿度在1%-99%RH范围内，电容量有16pF到20pF,根据输出曲线以及湿度传 感器的参数，我们可以近似得到湿度和电容值的关系： (3-5) 39 . 0 )163x( C RH 所以我们就可以根据 NE556 的脉宽输出值求出相应电容值，代入上式就可 得出对应的湿度值14。 3.3 电源电路 为了得到所需要的电压我们可以使用转换芯片 LM7805、LM7812，经转换 后输出端即可输出我们所需要的+5V、+12V 电压15。具体电路如图 3-9 所示。 第三章 系统的硬件设计 - 18 - 3.4 A/D 转换 3.4.1 模数转换器的确定 实现模拟量向数字量转换的器件称为模数转换器，我们需要根据系统所需 的精度以及检测的范围来确定模数转换器的位数，所选位数要和其他环节相匹 配，不必太高，且对于 51 系列单片机，选取八位以下的模数转换器接口电路 最 图 3-8 HS110 典型输出曲线 图 3-9 电源电路图 为简单，再者因为温室大棚的湿度变化比较缓慢，我们也不需转换速率很快的 第三章 系统的硬件设计 - 19 - 器件。 本设计采用 ADC0809 模数转换器，它具有 8 位的采样分辨率，采用逐次 逼近式的方法实现模数转换。它内部有多路开关且为 8 通道的，地址锁存码在 译码后只选通 8 路模拟输入信号中的一个进行 A/D 转换16。 主要特性： (1)8 位分辨率； (2)具有转换起停控制端； (3)100s 的转换时间； (4)具有锁存控制的 8 路多路开关； (5)05V 的模拟电压输入范围，也不需要零点和满刻度校准； (6)工作的要求温度范围为4085 ； (7)低功耗，输出与 TTL 兼容。 内部结构主要包括两部分，第一部分是 8 路模拟选择开关及相应的通道地 址锁存电路，可以实现 8 路模拟信号分时采集，三个地址信号 A、B、C 决定 哪一路模拟信号被选中。第二部分主要是一逐次逼近式 D/A 转换器，它由比较 器、定时与控制、三态输出锁存器、主次逼近时寄存器和 D/A 转换器组成。地 址锁存信号 ALE 在上升沿时将三位通道地址锁存，相应通道的模拟量经过多路 开关送到 A/D 转换器。启动 START 上升沿将复位内部电路，START 信号的下 降沿启动 A/D 转换17。此时 EOC 呈现低电平，此期间模拟信号应保持不变， 直到转换结束。EOC 此时为高电平，若 CPU 发出输出允许信号 OE，则可读出 数据。 3.4.2 A/D 转换器与单片机连接电路 单片机与 ADC 的连有中断和查询两种方式，本设计采用都是中断方式。 中断方式是指当启动 ADC 后单片机可以运行其他程序，直到 ADC 向单片机发 出中断请求时，单片机才会响应并读出转换数据，然后又返回原程序，单片机 与 ADC 的连接如图 3-10 所示。 第三章 系统的硬件设计 - 20 - ADC0809 作为一片扩展芯片，可直接由单片机的 P2.0 和脉冲进行启动。WR 模拟量输入端 A、B、C 与单片机的 P0.0、P0.1、P0.2 直接相连18。为了提高 整个系统的效率我们采用中断的方法，只有在需要转换的时候才向单片机提出 请求，单片机再进行处理。由单片机的 ALE 为 ADC 提供时钟信号。转换的输 出允许信号 OE 由单片机的 RD 和 P2.7 口控制。 3.5 显示电路设计 单片机的显示按显示方法有静态和动态之分，静态显示就是显示器显示某 一个字符时，相应的发光二级管恒定的导通或截止，公共端接固定的电平。这 种显示方式每一位显示都需要一个 8 位输出控制口，所占硬件多，仅适合位数 少的场合。动态显示就是一位一位地轮流点亮各位显示器，对每一位显示器隔 一定时间点亮一次。即从段口上按位次送所要显示字符的段码，在位端口上也 送上相应的显示位码，选通的位就显示相应字符，并保持几毫秒延时，对各位 显示就是一个循环过程，在某一瞬间只有一位显示字符，但因为人的视觉滞留 和显示余晖，这种动态变化是察觉不到的。本设计我们选用的便是动态显示。 图 3-10 ADC0809 与单片机的接口电路 第三章 系统的硬件设计 - 21 - 本系统的显示部分我还选用了带有高速串行接口的 8 位 LED 显示驱动器 MAX7219 芯片，采用 1 片 MAX7219 即可，每轮检测完温度后显示新的值19。 图 3-11 为 MAX7219 与单片机的连接图。 MAX7219 是 MAXIM 公司生产的串行接口方式 7 段共阴极 LED 显示驱动 器，其片内包含有一个 BCD 码到 B 码的译码器、字段和字位驱动器、多路复 用扫描电路以及存储每个数字的 88 RAM，每位数字都可以被更新，对每一 位数字允许选择 B 码译码或不译码。三线串行方式与单片机连结，电路结构简 单，只需要一个 10k 的外接电阻来设置所有 LED 的段电流。MAX7219 与单片 机的连接只需要 3 条线：LOAD(CS)片选引脚、CLK 串行时钟引脚、DIN 串行 数据引脚。其中 C1 为电源滤波电容，R1 用来设置段电流。 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberRevisionSize B Date:3-Jun-2010 Sheet of File:D:My Documentslang.ddbDrawn By: DIG0DIG7 SEGAG ISET 18 DIN 1 LOAD 12 CLK 13 GND 9 SEGDp 8位LED位位位 8位 8位 10K P1.0 P1.1 P1.2 AT89C51 图 3-11 显示连接图 3.6 键盘输入与报警电路 3.6.1 键盘输入电路 我们所设计的系统是需要人工干预的，键盘便是人工干预的最简单途径。 利用键盘我们可以方便地实现数据输入或是让系统去执行某项操作。所以，键 盘接口技术在单片机应用中也是一样重要开发内容。 第三章 系统的硬件设计 - 22 - 根据系统的实际情况，我们选用独立式键盘即可。按照设计特点与要求， 本文用到四个键，采用查询的方式，下文是各按键的详细功能介绍： 参数控制键 K1 ：持续按住该键 3 秒，数码管便会呈闪烁状态，这表示仪 表已进入控制值设置状态，在此时按下加一键 K2 或者减一键 K3 该数码管的数 值呈连续递增或递减状态，直至达到所需的数值，然后再按下参数控制键 K1 进入下一个参数的设置，依次类推，直到完成对温湿度控制参数的设置，当所 有参数都设置完成后， 可点按复位键 K4 来退出该状态，数码管会显示当前温 湿度值。 加一键 K2 ：(1)在正常状态下点按该键，所有的数码呈闪烁状态，表示仪 表正在进入查看控制值状态，数码管此时显示的数值便为温度控制设定值，再 次点按该按键将会依次显示湿度控制值，此时也可点按复位键 K4,便会立即退 出此状态，恢复显示当前温湿度值。(2)在控制值设定状态下时，该键可对被选 状态(闪烁状态)数码管进行数值增加设置。每按一次该按键，设定值的末尾位 便会加一。持续按住 3 秒以上，设定值会迅速增加。 减一键 K3 ：如加一键一样，每按一次该按键，设定值的末尾位就会自动 减一。连续按住 3 秒以上，设定值会迅速减少。 复位键 K4：在控制值设定和查看状态时，按下该键可立即恢复到正常的显 示状态。 键盘在实质就上是一种按键开关的集合，它是利用触点的闭合或断开实现 其功能的。当某按键按下时，由于大部分按键都是利用机械触点的合、断作用 实现，机械触点由于弹性的作用在闭合或断开瞬间会有抖动现象产生，所以它 输出电平也不会立马上降为零，而是出现抖动的现象。按键松开时，在这段过 程中也会出现信号抖动，键盘的机械特性和操作者的不同就会有不同的抖动时 间，一般为十分之几秒。 CPU的操作是很快的，所以按键的抖动现象给键盘的识 别带来了很大的影响，为了防止这种因为按键抖动而引起的误操作，可以采取 某种方法实现键盘的“去抖动”功能。去抖动的方法有多种，通常去抖动有硬 件和软件两种方法。在硬件上采取在键输出端加 R-S 触发器或单稳态电路构成 去抖动电路；在软件上采取的措施是当检测到有按键按下时，执行一个 10ms 第三章 系统的硬件设计 - 23 - 左右的延时程序，再确认该电平是否保持按下状态，若仍保持这种闭合状态， 则确认该按键按下，从而去除了抖动的影响，本设计正是采用了软件去抖动的 方法。具体的键盘电路如图 3-12 所示。 3.6.2 报警电路 在微机控制系统中，为了安全生产，对于一些重要的系统部位或重要参数， 都要设有紧急状态时的报警电路，以便提醒操作人员注意或采取紧急措施。采 用的方法就是把计算机将采集到的数据经过数据的处理、滤波、标度变换之后， 与设定的参数进行比较，如果比设定的值高，且超过设定的阀值就要进行报警， 如果没有就进行正常的显示或控制。 图 3-12 键盘输入电路 本设计采用的报警电路是峰鸣音报警，峰鸣音报警电路的接口设计比较简 单，可以直接从市场上购买压电式蜂鸣器，然后经驱动器驱动后与单片机的一 根口线相连蜂鸣音即可被驱动发音。图 3-13 就是一个简单的使用三极管驱动的 峰鸣音报警电路。 第三章 系统的硬件设计 - 24 - 图 3-13 三极管驱动的蜂鸣音报警电路 压电式蜂鸣器大约需 10mA 的驱动电流，可使用 TTL 系列集成芯片 7406 或 7407 低电平驱动，也可以用一个晶体三极管驱动。当单片机输出高电平 “1”时，晶体三极管导通，压电蜂鸣器两端获得约+5V 电压而鸣叫；当输出 为低电平“0”时，三极管截止，蜂鸣器停止发声。 图 3-13 就是一个简单的使 用三极管驱动的峰鸣音报警电路。 3.7 执行机构电路 对温室大棚的温湿度检测出以后，如未达到设定