毕业设计（论文）-闭锁式人工气候室光控系统研究.doc

东北农业大学学士学位论文 学号： 闭锁式人工气候室光控系统研究 学生姓名： 指导教师： 所在院系：工程学院 所学专业：农业机械化及其自动化 研究方向：机电一体化 东 北 农 业 大 学 中国哈尔滨 2015 年年 5 月 Northeast Agricultural University Bachelors Degree Thesis ID: Research on Closed Phytotron light Control System Student Name: Supervising Teacher: Department: College of Engineering Speciality: Agricultural Mechanization and Automatization Research Direction: Mechanical and electrical integration Northeast Agricultural University Harbin China May 2015 闭锁式人工气候室光控系统研究 I 摘 要 人工气候室是一种自动化设备，能控制气候环境，根据人的需求控制气候因素。目前 国内人工气候室的光源耗电量高、产生的热量大、光能利用率低的特点，因此无法满足科 研人员针对植物生长所需要的光这一环境因素的研究。 本设计利用闭锁式人工气候室的控制系统控制温度、湿度、CO2浓度等环境因素不变 的情况下合理选择硬件和软件并设计外接电路形成光控系统，主要研究内容如下： （1）针对植物生长的农艺要求，合理选择光源、光照时长。 （2）选择单片机做为控制器件。用单片机技术驱动继电器，实现控制 LED 植物生长 灯的定时控制。同时用单片机控制 6 位数码管倒计时显示时间、驱控制 1602 液晶显示状态。 （3）研究电路工作的原理，并用 Altium Designer 软件设计控制电路图。正确合理选 择控制系统的硬件，并动手制作电路板，完成控制系统的硬件部分。 （4）选择合适的编程语言编写程序，通过试验验证并调试程序，完成控制系统的软件 部分。 关键词关键词 人工气候室；Led 植物生长灯；单片机；光控系统 闭锁式人工气候室光控系统研究 II Research on Closed Phytotron light Control System Abstract Phytotron is an automated control equipment to control the climate and environment, according to the needs of people controlling environmental factors. It is the ideal equipment to achieve agricultural modernization. Currently light phytotron domestic consumption is high, a large amount of heat generated, the characteristics of light energy utilization rate is low, the study researchers for the light of the environmental factors required for plant growth can not be met. This design uses latching artificial climate chamber control system to control temperature, humidity, CO2 concentration and other environmental factors remain unchanged reasonable choice of hardware and software and design the external circuit to form a light control system, the main contents are as follows: (1) Agronomic requirements for plant growth, a reasonable choice light source, light duration. (2) Select the MCU as the core control device, control theory research. Drive relay with MCU technology, control LED Grow Lights timing control. MCU control while six digital countdown time, drive control 1602 LCD status. (3) The principle of operation of the circuit, and with Altium Designer software design of the control circuit. Select the correct and reasonable control system hardware, and also make a circuit board, the hardware part of the control system. (4) Select the appropriate programming language program, verify and debug the program by testing, complete the software part of the control system. Key words：phytotron; Led Grow Lights; MCU; light control system 闭锁式人工气候室光控系统研究 III 摘 要 .I Abstract .II 1 引言.1 1.1 研究背景与意义.1 1.2 闭锁式人工气候室的研究近况. 2 1.2.1 人工气候室简介.2 1.2.2 人工气候室的应用.4 1.2.3 国外发展研究和现状.4 1.2.4 我国发展研究和现状.6 1.3 研究内容. 7 1.4 总体研究方案. 7 2 闭锁式人工气候室光控系统总体方案设计.8 2.1 光对作物的影响.8 2.2 光源的选择.8 2.2.1 植物生长灯分类与优缺点.8 2.2.2 LED 植物生长灯简介.9 2.3 光控系统总体电路设计.10 3 基于单片机控制系统的硬件设计.11 3.1 选用硬件的部分介绍.11 3.1.1 单片机模块介绍.11 3.1.2 1602 液晶显示模块介绍.12 3.1.3 LED 数码管模块介绍.13 3.1.4 继电器模块介绍.13 3.2 基于 Altium designer 控制系统原理图设计.14 3.2.1 软件 Altium designer 简介.14 3.2.2 原理图设计方案.15 3.2.3 单片机最小系统的设计.15 3.2.4 6 位 LED 数码管的设计.16 3.2.5 1602 液晶接口的设计.16 3.2.6 电源模块设计.18 3.3 焊接控制系统万能板.18 4 基于单片机控制系统的软件设计.20 4.1 软件总体设计方案.20 4.2 软件主要模块设计.22 4.2.1 主函数模块程序设计.22 4.2.2 LED 数码管显示模块程序设计.23 4.2.3 中断模块程序设计.24 闭锁式人工气候室光控系统研究 IIII 4.2.4 延时子程序设计.25 5 总结.26 附录 光控系统全部程序.27 参考文献.33 致 谢.36 闭锁式人工气候室光控系统研究 - 1 - 1 引言 1.1 研究背景与意义 21 世纪是科技、经济迅猛发展的时代，同时面临资源枯竭、环境污染、雾霾等问题。 可持续发展是解决这些问题的必要途径，其中农业的可持续发展是其中的重要组成部分1。 选择合理的农艺方法，农业装备、农业设施尤为重要。 与此同时，我国正面临自然灾害频发、水资源短缺、耕地面积的问题。合理使用现有 的资源保证农业的可持续发展迫在眉睫2-3。所以，开发、研制一种能满足可持续发展的农 业设备是现代化农业的必经之路4。 人工气候室是继大棚栽培后发展的一种高机械化、高自动化，实现机电一体化相结合 的现代化农业设备5。用人工气候室栽培作物可实现立体式栽培，增加了栽培空间的利用 率。人工气候室还能模拟动物、微生物生长的气候环境，为濒临灭绝的动物提供栖息地， 还可供研究人员研究适合动物的生长环境、研究生活习性、培养微生物等科研活动提供硬 件基础6。 光是作物生产的基本条件之一。作物的绝大部分干物质都是光合作用产生的。光合作 用的产物为作物的生长发育所需的如蛋白质、糖类等有机物。光还能促进作物器官的成长， 如光能促进种子的萌发、植物的分化、根的生长等7。 现今，人工气候室的人工光源首要采取荧光灯。荧光灯的主要特点是耗电量大，产生 的能量以热效应方式传递到环境中，使得周围环境温度上升，需用用空调降温致使成本提 高，直接影响了经济效益的提高8。随着科学技术的发展，人工气候室正在大范围推广应 用，其中 LED(light emitting diode,发光二极管)光源的研发占主导因素。LED 光源具有所占 空间小、节能、发光强度高的优点，是植物生长的首选光源9。 2014 年东北农业大学工程学院引进浙江托普仪器有限公司生产的小型智能人工气候箱。 其功能可任意控制各个实验段、温度、湿度、光照值并且可显示实验周期（天数）和剩余 时间。并具有周期转换功能。但由于其光源为全光谱的植物生长灯不足以满足科研人员的 要求，所以需要另购光源外接电路单独控制光。因此本研究旨在设计智能人工气候箱光控 系统电路，满足韭菜生长 8 小时有光照，8 小时没有光照这样周期循环的农艺需要，基于 单片机弱电技术控制继电器的强电，进而实现电路的通和断，控制 LED 植物生长灯的亮和 灭。 终究实现光控的自动化。 闭锁式人工气候室光控系统研究 - 2 - 1.2 闭锁式人工气候室的研究近况 1.2.1 人工气候室简介 1.2.1.1 人工气候室的概念 人工气候室凭借自动化设备，模拟自然气候10，人工控制光照温度、湿度、气体和风 速等气候环境，根据需要选择个别环境因素重复进行同一条件下的试验11，或进行有目的 的组合试验，模拟出自然界可能出现的各种气候类型来研究气候因素与研究对象的特性之 间的关系以探索生物生长发育过程中环境因素的作用规律，及彼此的因果关系，从而进一 步改造植物，使之有效地适应环境条件，最后得到规律性的结果来指导生产研究为农业生 产服务的精密设施（如图1-1a、图1-1b） 。图1-2为人工气候室的一种实体图。其结构主要包 括实验箱体制冷系统加热系统加湿系统光照系统及控制器等。工作原理为在人工气候 室内放置温湿度和光强传感器，测定并感知温湿度和光照强度，传感器把检测到的数据传 给控制器，控制器根据事先编好的程序控制制冷设备加热设备加湿设备或光照设备等以 不同的方式工作，进而实现各参数的精准控制12。 图1-1a 图1-1b 图1-1 人工气候室 闭锁式人工气候室光控系统研究 - 3 - 图1-2 人工气候室的实体结构 1.制冷器；2.光照灯组；3.加热器；4.加湿器；5.实验箱体；6.控制器 1.2.1.2 人工气候室的分类 目前在各行业应用的人工气候室，如表1-1所示。不同种类的人工气候室在农业、工业、 科学研究方面得到广泛应用。 表1-1 人工气候室部分分类 名称 按容积大小分1000 L 以下的小型人工气候室10005000L的大 型人工气候室5000L或5000L以上的人工气候室 按光源分采用自然光源的人工气候箱基于传统人工光源的 人工气候室基于新型人工光源的人工气候室 按控制参数分低温人工气候室高温人工气候室光照培养室恒 温恒湿培养室等 按供应对象分微生物培养室植物培养室防水材料人工气候老化 室等 按智能化程度分非智能型人工气候室智能型人工气候室 1.2.2 人工气候室的应用 1.2.2.1 人工气候室在农业方面的运用 在农业方面，可以使用人工天气室模拟植物生长所需的气候环境，彻底摆脱对外界自 1 5 26 3 4 闭锁式人工气候室光控系统研究 - 4 - 然环境的依靠。可以帮助科研人员完成育苗、育种、微生物培养等工作，适当的温湿度、 充足的光环境使作物、微生物等按照人们的培养方式快速的生长，节约了许多宝贵时间。 如今，随着城市化、农业现代化进程的加快，许多小型的人工气候箱也进入部分家庭中， 无土栽培技术的发展应用在人工气候箱更使其“如虎添翼”。在家里经过短时间的栽培就 能吃上安全、放心的食物。近几年人工气候室应用于科研取得的成果也硕果累累。如1981 年吴景科13利用人工天气箱完成麦类植物多代繁殖的试验。2004年裴孝伯等14 利用人工 天气箱研究光照强度对黄瓜生长速度影响的试验。2005年谭垦等15将进利用人工气候箱研 究温度对蜜蜂发育的影响。2012年毛金柱等16利用人工气候箱进行LED光源下光照时间的 长短对生菜生长的影响的试验，研究结果表明，延长LED光照时长，可以使生菜生长加快， 同时产量和品质提高。目前，东北农业大学工程学院的103实验室利用最近购进的小型人工 气候箱控制环境因素的变化，研究适合韭菜生长的最佳环境。 1.2.2.2 人工气候室在工业方面的应用 在工业方面,人工气候室可作为研究机械工程材料的试验设备。如探究铁的腐蚀环境， 可利用气候室模拟空气中的水蒸气浓度、酸度、温度等因素。人工气候室的特殊气候环境 还可应用于金属加工等制造业领域，使材料耐用，寿命更长。2006年高瑾等17利用人工气 候室中的紫外光模拟大气中的紫外光对塑料进行老化分析试验。 1.2.2.3 人工气候室在考古方面的应用 人工气候室在考古方面也起着至关重要的作用。由于文物大多都是埋藏在地下，因此 与空气隔绝，出土后的文物所处的环境气候改变，暴露在空气中极易损毁，导致文物的色 彩、形状等发生变化，严重影响了文物的观赏价值。所以利用人工气候室对考古方面彩绘 类文物的保护以及近代重要彩绘类作品的保存防止老化。如2006年赵静等18利用人工气候 室做哪些元素有利于保护文物的试验,比拟得出硅在文物保护上能起到最佳效果的结论。 1.2.3 国外发展研究和现状 美国于 1933 年在加利福利亚技术研究所组建了空调温室19-21。是人工气候室的雏形。 1949 年 6 月通过对空调式温室的深入研究，该研究所在哈特植物园建立了世界上第一座的 人工气候室。此人工气候室不仅继承了原空调温室的功能，还能控制光照、温度、湿度、 气体成分等因素。该人工气候室的建成立刻对植物学界、生物学界产生了巨大轰动。 20 世纪 50 年代到 80 年代,各国陆续建立人工气候室。1953 年日本国立遗传研究所建 立了日本第一座工气候室。前苏联在 1957 年建立了苏联第一座人工气候室。60 年代法国、 德国等欧洲国家也分别建立了各自的人工气候室，其主要特点是面积较小，有的采用箱体 结构，成为现今人工气候箱的雏形。进入 70 年代荧光灯照明技术迅速发展，并普及千家万 户，因此也成为人工气候室的主要光源。为了让灯的光谱曲线更加接近于植物的光合作用 饱和曲线，在该时期的美国研究出专门的荧光灯供植物生长照明使用22。进入 80 年代高压 闭锁式人工气候室光控系统研究 - 5 - 金属蒸气放电灯如高压汞灯、氙灯等开始在箱体中尝试运用。这种灯具有发光去强度大的 优点，但其设防热量过大，容易造成植物的损伤灯23。 从 20 世纪 90 年代开始至今是国外人工气候室发展的黄金时期。该时期随着计算机等 领域的发展温度、湿度、CO2浓度等到了精确的控制。如图 1-2 所示为 90 年代美国研发的 植物人工气候室。图 1-3 所示的 APT.line 内腔预热调节技术和图 1-4 所示 DCT 直冷技术分 别在加热和制冷等温度控制箱中得到广泛的应用。为保证培养温度的精准和恒定，由 Binder 公司生产开发的 KBW720 培养箱便采用这两项技术。新型光源技术的开发取代了原 来广泛使用的传统光源和传统控制技术。采用 LED 新型光源应用于植物生长箱中24,从而 实现蓝光红光远红外三种光源比例的任意组合。随着半导体制冷技术的不断发展,生产出 大批压缩制冷机,从此半导体制冷机开始应用于大、中、小型人工气候室。其中半导体制冷 的典型应用是德国 Memmert 生产研发的 HPP108 恒温恒湿箱。随着通信技术的发展,人工 气候室的各参数可实现终端移动设备的控制，可以通过手机软件控制各种变量 25。现在人 工气候箱不仅能独立控制湿度、温度、光照度等参数,也实现了对更多参数的控制。 图1-2 植物生长箱 图1-3 APT.line内腔预热调节技术图1-4 DCT直冷技术 闭锁式人工气候室光控系统研究 - 6 - 1.2.4 我国发展研究和现状 我国第一座人工气候室于 1969 在中科院上海植物生理研究所建成。共 25 个实验室， 总面积 3200m2，分自然光和人工光两部分21。这是我国建立的首座大型人工气候室。 1986 年 12 月我国第一座自然光照人工气候室在中国农科院生物植物保护研究所落成并 投入使用，该气候室造价低、运行费用低、实用达到了当时国际先进水平为我国发展人 工气候室奠定了技术基础26。 我国的小型人工气候箱发展则更晚，因为人工气候箱需要先进的控制技术和自动化 设备。1976 年我国哈尔滨理化仪器厂研制了第一台人工气候箱,以后较小型的人工气候 箱在我国有着突飞猛进的发展。 二十世纪 90 年代，我国在人工气候箱的芯片技术上突破关键的技术瓶颈,由 8 位单 片机控制发展到 32 位高速处理器。早期的人工气候室光源大多选择荧光灯、高压金卤灯、 汞灯，由于这些光源均存在光照强度强不可调、发射光谱分布不均、缺少光谱具体成分 的分析、汞污染等缺点。随着照明技术的发展 LED 光源的应用解决了这一问题。由于光 的波长可以自由组合，光的频率可以调节，同时光密度、光周期的调节、这样的多参数 组合调节等，实现了光源在光谱柔性可调控制。从此，我国 LED 光源控制系统技术的空 白由这项技术所填补27。目前，我国的许多科研人员正广泛的把 LED 作为光源从事试验 研究。 随着 matlab 等编程技术的发展，其湿度控制可以精确到3%RH，温度控制可以精 确到0.3。目前采用的神经控制算法和模糊控制算法,取代了传统的 PID 算法，将神 经网络控制和模糊控制的结合成为现实,使控制精度得到巨大的改善。除湿效果和加湿性 能的提高，得益于分流式内除湿技术在除湿方面应用。28利用变频技术控制压缩机,出现 了无级变速压缩机29 ，并应用于制冷方向。使得人工气候箱的体积减小、噪音减小。同 时部分人工气候箱也尝试使用半导体制冷技术来代替压缩机制冷30，成为制冷技术开发 的新领域。 目前国内尖端的人工气候室还实现了太空环境模拟，超低温模拟，以及核辐射模式 的试验环境31，使模拟程度更加复杂。不同控制变量的调整完成后稳定下来的时间缩短、 所需的建设成本下降实验消耗的成本、科研经费在不断减少是现在人工气候室的优点。 同时我们也清楚的了解到我国目前模拟控制因素的精度方面与发达国家还存在较大的差 距。 1.3 研究内容 本文研究植物生长对光这一单一因素的农艺要求，对闭锁式人工气候室光控电路进行 设计研究。主要研究内容如下： 闭锁式人工气候室光控系统研究 - 7 - （1）合理选择植物生长的光周期，为闭锁式人工气候室光控系统设计提供理论支持。 （2）合理选择控制器件设计控制系统原理图，为控制系统提供技术支持。 （3）设计控制系统硬件部分，并制作电路板，接好电路。 （4）设计控制系统的软件部分，并编写程序，使控制系统运行。 1.4 总体研究方案 本文的总体研究方案如流程图 1-5 所示。 明确研究内容 查阅国内外 文献资料 作物光周期的选择控制核心部件的选择 控制系统原理图设计 控制系统软件设计控制系统硬件设计 撰写论文 实验验证 N Y 图 1-5 总体研究方案流程图 闭锁式人工气候室光控系统研究 - 8 - 2 闭锁式人工气候室光控系统总体方案设计 2.1 光对作物的影响 光对作物生长受到光照度、日照长度和光谱成分的影响。 光照度经由过程影响作物器官的构成和发育和光合作用的强度而影响作物的生长发育。 不同作物的光合速率有较大的差异，对光照度的要求一般用光补偿点和光饱和点两个指标 表示。 一般情况下，日照长度增涨，作物光合作用的时间延长，作物干物质的积累增涨。太 阳光的波长分为紫外区（770） 。光谱中的不同成分对作物的生长也 有不同的影响，如表 2-1 所示。 植物的光合作用利用最多的主要是红光和橙光，然后是蓝光和紫光。太阳能是作物光 合作用的重要来源，其有效辐射占总辐射量的 40%左右。其中，碳水化合物的合成红光主 要靠红光；蛋白质的合成主要靠蓝光；紫外光能促进果实的成熟7。 表 2-1 植物对于太阳波长辐射的反应 波长范围（nm）植物的反应 1000对植物无效 1000720引起植物的伸长反应，有光周期的反应 720610为植物叶绿素所吸收，具有光周期反应 610510无特别意义影响 510400为强烈的叶绿素吸收带 400310具有矮化植物与增厚叶片的作用 310280对植物具有损害作用 280对植物具有致死作用 2.2 光源的选择 2.2.1 植物生长灯分类与优缺点 目前荧光灯、高压钠灯、金属卤灯等光源在植物生长中广泛应用。但由于植物光合作 用吸收的光谱与其光谱线状谱不匹配。只有少部分波段的光能够被植物吸收，其他波段的 光都被浪费，不能节能。另外，由于耗电量大，发光时产生大量的热辐射。植物长时间接 收照射极易受损，不能对近距离照射植物。这是大部分植物生长灯存在的缺点。 闭锁式人工气候室光控系统研究 - 9 - 2.2.2 LED 植物生长灯简介 LED 又称发光二极管，由半导体材料制成，其核心是 PN 结(图 2-1 所示)。它的发光材 料是固体半导体芯片，发光原理是当电压加在半导体芯片两端时，产生复合的载流子，放 出大量的能量从而使光子发射，即出现人眼能看到的可见光32。 图 2-1 LED 结构原理图 LED 的光谱宽度在(20)nm 之间，其波长非常有利于作物对光的吸收，促进植物的 生长发育 33。随着 LED 光源研究者不断在作物培养方面的专研，在人工气候室以广泛应 用，如图（2-2a、b 所示） 。LED 植物生长灯光能利用率达到 80%以上，不同类型的植物生 长灯不仅能独立控制光质和光强，还能发出植物生长所需的不同单色光光谱。这样改变其 光谱组合，可对植物生长的光质进行研究。目前市场上一些高级的 LED 对太阳光的强度 具有感知能力，可调节光的强度；可根据植物生长到哪个时期间断控制有无光照，并对光 波、光谱进行控制探究明期和暗期的时间，节约成本34。因此闭锁式人工气候室用 LED 植 物生长灯并外接电路。 闭锁式人工气候室光控系统研究 - 10 - 图 2-2 a 图 2-2b 图 2-2 LED 植物生长灯在种植领域的应用 2.3 光控系统总体电路的设计 本文的总体电路设计如图 2-3 所示。其中，数码管、单片机、液晶显示为弱电部分， 工作电压为 5V。继电器既有强电也有弱电，强电为 220V 交流电压，弱电为 5V 电压。 单 片 机 液 晶 显 示 继电器 电源 数码管 图 2-3 光控系统总体电路图 闭锁式人工气候室光控系统研究 - 11 - 3 基于单片机控制的硬件设计 3.1 选用硬件的部分介绍 3.1.1 单片机模块介绍 3.1.1.1 STC89C52 单片机内部结构 STC89C52 单片机（如图 3-1 所示）是由 STC 公司生产的，芯片为 8051 内核芯片， MCS-51 系列中的一个典型品种35。内部含 Flash E2PROM 存储器，芯片内部能贮存程序的 空间为 8KB。其内部 RAM(随机读写存储器)为 512B36。内部结构如图 3-2 所示。 图3-1 STC89C52单片机 图3-2 8051内部结构框图 3.1.1.2 STC89C52 单片机各引脚及功能 STC89C52单片机是一种低功耗高性能单片机，共有40引脚封装37。其中外部双向输入 /输出（I/O）引脚有32个，串行通信口有2个，外中断口有2个，可编程定时计数器有2个38。 图33是STC89C52单片机的引脚示意图。按功能可将引脚分成三类39： （1）电源和时钟引脚(18、19、20、40 脚)：单片机的电源引脚为 40 脚（正极） 、 20（负极）40。外接时钟引脚为 19 脚和 18 脚，分别为片内振荡电路的输入端和输出端。 （2）编程控制引脚(9、29、30、31 脚)：RST(9 脚)为单片机的复位引脚。 （3）I/O 引脚(1-8、21-28、32-39 脚)：P0 口(32-39 引脚)为双向 8 位 I/O 口，每个口可 独立控制。 闭锁式人工气候室光控系统研究 - 12 - 图3-3 STC89C52管脚示意图 3.1.2 1602 液晶显示模块介绍 液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD）的主要原理是靠电流刺激液晶分子生成的 点并配合内部的背光灯生成图案41。本设计选用 1602 液晶（如图 3-4 所示） 。其含义是每 行显示 16 个字符，一共可以显示两行。1602 液晶只能显示英文和阿拉伯数字，不能显示 中文42。其技术参数如表 3-1 所示。 图 3-4 1602 液晶显示模块 闭锁式人工气候室光控系统研究 - 13 - 1602 液晶采用标准的 16 脚接口，其中：第 1 脚为 VSS 为地电源。第 2 脚为 VDD 接 5V 正电源。第 3 脚为对比度调整端。第 4 脚为寄存器端43。第 5 脚是读写信号端。第 6 脚 为使能端。第 1516 脚为空脚。第 714 脚为双向数据线端。 表3-1 1602LCD技术参数表 显示容量 162个字符 芯片工作电压4.55.5V 工作电流2.0mA（5.0V） 模块最佳工作电压5.0V 字符尺寸 2.954.35（WH）mm 3.1.3 LED 数码管模块介绍 数码管的的显示原理是内部排列成的发光二极管发光。如图 3-5 可显示出一位数码管 有 10 个的引脚，其内部共有 8 个发光二极管。如果要显示一个 8 字共有 7 个二极管发光。 一般码管都有 10 个引脚， 其中 3 和 8 引脚并联在一起，dp 引脚是小数点。本设计选择共 阴极数码管44。如图 3-6 所示。在数码管内部，阳极之间相互独立，阴极接在一起独立全 部连接在一起。阳极端送高电平则发光二极管亮，如果要显示一个 3 字，则给 a,b,c,d 这 4 个引脚高电平，其余引脚送低电平。所以要显示数字先要给 09 这些数编写程序，把这个 编码送到它的阳极后显示出亮什么数字。由于本设计是多个数码管共同显示，其内部的公 共端是独立的，而显示什么数字的段线需要并联在一起，连接在一起的段线叫做“段选线” 。 哪一位数码管点亮由独立的公共端控制，我们把公共端叫做“位选线”45。 3.1.4 继电器模块介绍 由于能正常工作的电压小于 5V，电流小于 1A，是弱电器件。如果驱动大功率设备， 如控制 LED 植物生长灯的量灭，需要要有一个继电器这样的功率驱动环节。本设计选用的 SRD-05VDC-SL-C 型继电器，其内部零件主要零件有铁芯、线圈、衔铁。原理是当继电器 线圈通过电流后，由于电磁感应，产生磁力衔铁被吸引46。 在单片机系统中继电器的控制必须要有一个三极管来驱动，原理如图 3-7 所示。由于 继电器线圈断电时会出现反电势使电路的信号受到干扰，因此一个二极管加在继电器线圈 的两端。本设计中单片机 P2.0 脚与一个 PNP 型三极管基极连接，三极管具有电流放大的作 用，驱动了继电器，三极管的基极电平控制继电器的开和关。当继电器是不工作的状态时， 闭锁式人工气候室光控系统研究 - 14 - PNP 型三极管断开，单片机 P2.0 口输出高电平；当继电器得电闭合时，PNP 型三极管导通， 单片机 P2.0 口输出低电平。 图 3-5 数码管引脚原理图 图 3-6 共阴极数码管连接 图 3-7 继电器模块 3.2 基于 Altium designer 控制系统原理图设计 3.2.1 软件 Altium designer 简介 Altium Designer 软件由澳大利亚 Altium 公司开发的电子产品设计软件。其前身是 Protel 系列，2004 年后更名为 Altium Designe。这套软件的出现减轻了设计者的劳动强度， 将多个模块集成在一起47。 其主要模块包括：原理图设计模块、PCB 模块、FPGA 开发模块、嵌入式开发模块。 本设计用 Altium Designer 的原理图设计模块设计控制系统电路图48。 闭锁式人工气候室光控系统研究 - 15 - 3.2.2 原理图设计方案 由于本设计项目中有多个原理图文件。所以把设计分割，将一个完整的设计项目分成 多个字块，每一个子块放在一个图纸上，最后将多个子块连接起来，构成一个总的设计。 分层次设计，从上而下。通过网络标号（Net Label） 、端口（Port） 、工作簿入口（Sheet Entry） 、电源端口（Power Port） 、隐藏引脚（Hidden Pin）共六种网络标识符实现。其模块 包括：80C52 最小系统、1602 液晶、数码管、电源、继电器共 5 个模块。 图 3-8 分层次设计模块原理图 3.2.3 单片机最小系统的设计 单片机最小系统能够运行的必要条件为：电源、晶振、复位电路49。 晶振是维持单片机正常工作的必要硬件之一。连接方法为 18、19 引脚分别接晶振的两 端，然后接 2 个 20p 的电容后接地，如图 3-9 所示。本设计选择 12MHz 的晶振，其时钟周 期为 1/12us，一个机器周期是 1us，因此能实现精准定时50。 单片机复位电路跟电脑的重启电路相似，按下复位键时，程序重新启动。单片机系统 有手动按钮复位和上电复位 2 种方式，本设计采用手动按钮复位，当给 9 引脚加一高电平 既可实现此功能。如图 3-9 所示。复位电路的原理是单片机 RST 引脚(9 引脚)接收到 2us 以 上的电平信号，当按下复位键时，电阻两端的电压增加，电容电路中短路，释放电能，引 起复位。 闭锁式人工气候室光控系统研究 - 16 - 图 3-9 单片机正常工作最小系统原理图 3.2.4 6 位 LED 数码管的设计 本设计数码管选择 LG3911AH 共阴极数码管。因为倒计时为 8 小时，所以需要 6 个。 6 个数码管的 a 引脚并联后与 U1 元件 74HC573 锁存器的数据输出端连接，同理 b，c，d，e，f，g，DP 引脚也是如此。元件 U1 的数据输入端（D0D7 端）接上拉电阻分 别单片机的 P0 口相连，每个段选加 1K 的上拉电阻，加上拉电阻的目的是因为单片机 I/O 口输出的电流非常小，发光二极管点亮需要 5-10mA 的电流，而 I/O 口输出的电流不足 1mA，无法点亮发光二极管。U1 元件 1，10 引脚分别接 GND，20 引脚接 VCC。U1 元件 也是段选锁存器，因此 11 引脚接单片机的 P2.6 端，控制数码管显示什么数字。6 个数码管 的 SEG_DS 端并联后与 U2 元件 74HC573 锁存器的数据输出端连，元件 U2 的数据输入端 （D0D7 端）同样接上拉电阻分别单片机的 P0 口相连。U2 元件也是位选锁存器，因此 11 引脚接单片机的 P2.7 端，控制哪个数码管显示。锁存器的原理上面已经介绍。用单片机通 过控制锁存器的锁存端，从而控制数据的输出。设计原理如图 3-10 所示。 3.2.5 1602 液晶接口的设计 本液晶模块接口设计，液晶 1 端接 GND（负极）端，液晶 2 端接 VCC（正极）端； 1、16 端都接 GND；为防止单片机 5V 电压把背光灯烧坏，15 引