毕业设计（论文）-智能喷灌系统的设计.doc

毕业设计(论文)说明书题 目： 智能喷灌系统的设计 系 别： 机电工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 学 号： 指导教师： 职 称： 题目类型： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发2011年 5 月 27 日摘 要随着传感技术日新月异的发展，产品功能智能化逐渐成熟，自动化控制也就成了提高资源利用率的关键。 本设计采用单片机控制技术为核心，系统主要由温度传感模块，湿度传感模块，液晶显示模块，键盘模块组成；其中系统采用DS18B20数字型温度传感器采集并处理温度数据，并且利用DHT11数字型湿度传感器采集湿度数据，然后将输出的数字信号经过单片机进行处理，从而达到传感器采集数据的准确性以及快速性；利用单片机对各个模块的控制，实现了对环境温度、湿度参数的实时监测功能，从而控制水泵抽水完成喷灌动作，达到喷灌系统智能化控制的目的。智能喷灌系统具有节能性、高效性和低成本的特点，在不同的喷灌场合具有很大的实用空间。关键词：单片机；湿度传感器；温度传感器；实时控制AbstractWith the sensor technology changes with each passing day,the intelligence of product features become more mature,and automation is the key to improving resource utilization.This design use the micro controller as the central processor,the system including temperature and humidity measurement module, LCD module keyboard module and so on. This system uses DS18B20 digital temperature sensor to collect and process the data ,and make use of the DHT11 digital humidity sensor to collect the data of humidity, then the output of the digital signal for processing by microcontroller,in order to achieve the accuracy and rapidity by sensors collect the data.Through control each module and deal with the collection of data by the micro controller,in order to measure the temperature and humidity in real time,So as to control the pumps and achieve pumping action.So the system carry out the spray gun infuses in intelligent control.The intelligent irrigation system has energy-saving,high efficiency and low cost.the system has great practical space in different place.Key words：Micro controller; Humidity sensor; Temperature sensor; The real time controls目 录引言 11 任务要求与总体设计方案 11.1 设计任务要求 11.2 总体设计方案 11.2.1 硬件设计方案 11.2.2 软件设计方案 32 系统硬件电路设计 32.1 单片机主控制模块 32.1.1 单片机方案选择 32.1.2 AT89S51芯片功能 32.1.3 单片机主控电路设计 52.2 数字温度模块设计分析 62.2.1 DS18B20内部结构及工作原理 62.2.2 DS18B20硬件接口电路 82.3 湿度模块电路设计分析 82.3.1 DHT11传感器内部结构及工作原理 82.3.2 DHT11硬件接口电路 102.4 时钟模块电路设计分析 102.4.1 DS1302芯片结构及工作原理 102.4.2 DS1302电路设计 122.5 液晶显示模块电路设计分析 132.6 矩阵键盘电路设计及其功能介绍 142.7 电源电路设计及其功能 152.7.1电源稳压器的选择与特点 152.7.2 LM2576稳压器的硬件电路 162.7.3 LM2576应用的注意事项 172.8 水泵模块控制电路分析 172.8.1水泵的选型与技术指标 172.8.2继电器工作原理与特性 172.8.3光电耦合器的原理特性 182.8.4水泵驱动电路原理图 183 系统软件设计 193.1 主程序流程设计 193.2 执行功能模块 193.2.1 测温控制模块 193.2.2 测湿度控制模块 213.2.3 按键控制模块 223.2.4 时钟芯片控制模块 234 系统调试 244.1 硬件电路调试 244.2 软件程序调试 255 结论 26谢辞 27参考文献 28附录 29V 桂林电子科技大学信息科技学院毕业设计(论文)说明书 第 50 页 共 48 页 引言 随着经济快速地发展，国家大力推进农业的改革，调整农业结构，从而在农业灌溉，园林喷灌自动化技术上要求也在不断提高。同时，随着人工智能技术的发展，模糊控制，神经网络等控制技术为智能化控制开辟了宽广的前景。目前，国内在灌溉控制器的研制方面还没有形成规模大、应用范围广的成套灌溉控制产品；因此，根据我国国情和各地经济情况，以及技术发展的实际情况，应采取简单可行的节水喷灌控制措施及相应的排灌机械和设备。大力发展可靠性高、实用性强、成本低、操作简便的节水喷灌控制器，不仅具有广阔的市场，而且具有巨大的社会经济效益。单片机是一种特殊的计算机，它是在一块半导体芯片上集成了CPU，存储器RAM，ROM以及输入输出接口电路，由于单片机的集成度高，功能强，通用性好，特别是它具有体积小，重量轻，能耗低、价格便宜、可靠性高、抗干扰能力强、使用方便等独特优点，促使单片机得到迅速的推广和运用。目前单片机已成为测量控制应用系统中的优选机种和新电子产品的关键部件。传感器技术在这十年中也得到了迅猛的发展，随着人们生活水平的提高，在日常生活中对环境温度、湿度的采集和监控越来越重视，不仅是在工业生产、农业生产还是在日常的生活中运用也越来越广泛。智能化监测和控制温湿度的要求也越来越高，而传统的温湿度检测准确度不高，测量的电路设计复杂，调试不方便，而且传感器输出的信号需要经过模/数转换处理，导致数据在校准时不好控制。本系统设计利用单片机为核心进行实时监测与控制环境温度、湿度，实现对园林智能喷灌等功能，从而达到喷灌系统设备的体积小，功耗低，功能强，成本低的目的。1 任务要求与总体设计方案1.1 设计任务要求本设计利用AT89S51单片机进行系统控制，通过接收和处理系统中各个模块的数据，利用C语言编程完成整个系统不同模块的控制。系统以一段历史记录数据为参考比较，并且根据当天的实时环境状态，来确定喷灌量。在自动模式下，当环境在合适的温度下而湿度低于所设置的参数时，单片机控制继电器开/关，通过水泵抽水到喷头实现喷灌动作；在手动模式下，可以通过手动模式按键控制，完成喷灌任务。1.2 总体设计方案1.2.1 硬件设计方案本系统为实现智能喷灌任务，通过控制器接收、处理数据，只要一旦满足喷灌的条件，控制器控制继电器的闭合而驱动水泵实现喷灌动作。本设计是基于单片机AT89S51控制为核心，采用模块化设计方法，由温度传感模块电路，湿度传感模块电路，时钟模块电路，液晶显示模块电路，4X4矩阵模块电路和系统电源组成。系统原理框图如图1-1所示。 图1-1 系统原理框图（1） 温度传感模块电路方案设计 方案一：传统的测温方式是采用热电偶或热电阻，一般用来测量中高温度，输出的是电压信号，需要经过模/数转换，外围硬件电路较复杂，软件调试难度高，造价成本高。 方案二：DS18B20数字型温度传感器采用的是单总线接口方式，可以直接输出数字信号，外围硬件连接电路简单，体积小，适用电压更宽、更经济、可选更小的封装方式。 因此，在温度测量模块中选择方案二。（2） 湿度传感模块电路方案设计方案一：利用土壤的介电特性可以测量土壤的湿度值，同时，探针式电容传感器是介电常数传感器的一种，电容式水分传感器的精度高，量程宽，响应的速度较快；但是输出的信号需要经过AD转换处理，而且成本很高，不合适本系统设计的要求。方案二：DHT11集成温湿度测量的数字式传感器可以输出数字信号，DHT11单线制串行接口，使集成系统变得简易快捷，它具有超小的体积，极低的功耗，快速的响应，较强的抗干扰能力，适合本系统的设计要求。在本系统只采用其中测湿度功能。因此，在测湿度模块中选择方案二。 （3） 时钟模块电路方案设计本模块方案设计采用DS1302时钟芯片，DS1302时钟芯片与单片机连接，通过单片机控制使系统具有实时性，时钟芯片DS1302可以提供时钟信号（年，月，日，时，分，秒），通过I/O口的连接方式，单片机可以对DS1302写入数据和读取数据。（4） 液晶显示模块电路方案设计 方案一：采用普通的数码管显示，功能单一，显示的信息量少，连接的电路复杂，耗电量大，不符合本系统设计要求。方案二：LCD1602液晶显示，只能显示字母和数字，显示分辨率只有1616,显示的信息量有限，操作功能单一，不利于功能扩展。方案三：LCD12864液晶是带字库的具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，其显示分辨率为12864。LCD12864具有灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互的图形界面，界面操作友好、简洁、直观。因此，液晶显示模块选择方案三。（5） 键盘模块电路方案设计 方案一：独立式键盘结构简单，占用较多的I/O口资源，功能扩展有限。方案二：44矩阵键盘占用I/O资源少，扩展功能强大，接线简单，控制方便。因此，键盘模块电路设计选择方案二。（6） 系统电源电路方案设计本模块电源电路设计采用LM2576开关型降压稳压器，可驱动3A电流的负载，能够输出固定直流电压5V、12V。电路简单，操作方便。1.2.2 软件设计方案本系统软件设计采用的是C语言编程，运用Keil uVision2软件平台进行编程及编程查错，再通过编程器下载程序（系统总设计程序如附录4）。对于硬件的模块设计方式，软件部分也采取分模块编程，再通过主程序调用子函数从而实现系统整个软件功能。使用模块化结构形式是为了使程序的编写、调试及控制变得更方便，也为了便于推广到其他过程控制对象。程序控制共有5部分子程序，分别为测温控制程序、测湿度控制程序、液晶显示程序、时钟控制程序和键盘控制程序。主程序在初始化完成后，依次循环执行上述子程序，分别实现其相应功能。2 系统硬件电路设计2.1 单片机主控制模块2.1.1 单片机方案选择方案一：选择Microchip公司的PIC系列单片机PIC单片机是一种简单指令型的单片机，指令数量比较少，如果使用汇编语言编写程序，在PIC中低档单片机中比较麻烦且需要翻页，而且性价比不高，价格昂贵。方案二：选择Atmel公司的AT89S52单片机AT89S51是一个低功耗，高性能八位CMOS单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，功能强大的微型计算机的AT89S51为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。因此单片机芯片选择方案二。2.1.2 AT89S51芯片功能介绍AT89S51是一种低功耗/低电压、高性能的八位CMOS单片机，片内有一个4KB的FLASH可编程可擦除只读存储器（FPEROM-Flash ProgrammAble and Erasable Read Only Memory），它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统都与MSC-51兼容。片内置通用8位中央处理器（CPU）和FLASH存储单元，片内的存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程。其引脚图如图2-1所示 图2-1 AT89S51引脚图AT89S51单片机主要引脚功能如下： （1）P0口8位、开漏极、双向I/O口。 P0口可作为通用I/O口，但必须外接上拉电阻；作为输出口，每个引脚可吸收8个TTL的灌电流。作为输入时，首先应将引脚置“1“。 P0口也可用作外部程序存储器和数据存储器是的低八位地址/数据总线的复用线。在该模式下，P0口含有内部上拉电阻。 （2）P1口8位、准双向I/O口、内部含有上拉电阻。 P1可作为普通I/O口。输出缓冲器可驱动4个TTL负载；用作输入时，先将引脚置1，有片内上拉电阻将其抬到高电平。P1口的引脚可由外部负载拉到低电平，通过上拉电阻提供上拉电流。 在串行编程和校验时，P1.0/MOSI，P1.6/OSI和P1.7/SCK分别是串行数据输入、输出和移位脉冲引脚。 （3）P2口准双向口，具有通用I/O接口或8位地址总线输出 P2口用作输出口时，可驱动四个TTL负载；用作输入口时，先将引脚置1，由内部上拉电阻将其提高到高电平。若负载为低电平，则通过内部上拉电阻向外输出电流。 当单片机系统外部扩展时，P2端口可用于输出高8位地址线，与P0端口传送的低8位地址一起组成16位地址总线，由于访问外部存储器的操作是不断的，此时P2端口不可能再作通用I/O接口使用。（4）P3口双重功能的8位准双向端口。 P3口是一个多功能的端口，除作为准双向I/O接口使用外，还可以将每一位用于第二功能，而且P3端口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入/输出或第二功能。P3端口能驱动4个TTL负载。P3端口的第二功能如表2-1所示。表2-1 单片机引脚功能表端口引脚第二功能P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD（串行输出口）P3.2INT0（外中断0）低电平有效P3.3INT1（外中断1）低电平有效P3.4T0（定时/计数0）输入端P3.5T1（定时/计数1）输入端P3.6WR（外部数据存储器与选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）（5）XTAL1和XTAL2XTAL1是片内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端，XTAL2是片内振荡器反相放大器的输出端。 （6）RST复位输入端，高电平有效。 当单片机振荡器工作时，RST端维持两个机器周期的高电平，便可实现复位操作，使单片机回复到初始状态。上电时，该引脚上高电平持续10ms以上才能保证有效复位。 2.1.3 单片机主控电路设计单片机主控电路设计是以AT89S51为核心，外接数字温度传感器模块，数字湿度传感器模块，时钟模块，液晶显示模块、电源等硬件电路。AT89S51工作在12MHZ的频率下，采用+5V的直流电源供电，根据单片机各个引脚功能，P1口接矩阵键盘 ，用于人机界面输入参数。P0口连接12864液晶显示，P2.0P2.2为时钟信号接口，P3.0为温度传感器数据接口，P3.4为湿度传感器数据接口。如图2-2为单片机主控电路图。 图2-2 单片机主控电路图2.2 数字温度模块设计分析2.2.1 DS18B20内部结构及工作原理（1） DS18B20的引脚图功能及性能特点 DS18B20与微处理器连接时仅需要一根数据线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。 可用数据线供电，电压范围：+3.0V到+5.5 V。 测温范围：-55 +125。固有测温分辨率为0.5。 通过编程可实现912位的数字读数方式。 用户可自设定非易失性的报警上下限值。 负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。 （2）DS18B20引脚功能如图2-3所示：引脚1为GND端：该引脚接地。引脚2为DQ端： 该引脚是数据的输入/输出端，对于单线传输是漏极开路。引脚3为VDD端：该引脚接+5V，为电源输入端。 图2-3 DS18B20引脚图 （3）数字温度传感器内部结构DS18B20内部结构主要有四部分组成：温度传感器，64位光刻ROM，非挥发的温度报警触发器TH和TL,高速暂存器。如图2-4所示。 图2-4 DS18B20内部结构图（4） DS18B20工作原理DS18B20其内部含有两个温度系数不同的温敏振荡器，其中低温度系数振荡器相当于标尺，高温度系数振荡器相当于测温元件，通过不断比较两个温敏振荡器的振荡周期得到两个温敏振荡器在测量温度下的振荡频率比值。根据频率比值和温度的对应曲线得到相应的温度值。这种方式避免了测温过程中的A/D转换，提高了温度测量的精度。低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，是很敏感的振荡器，它所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，为计数器2提供一个频率随温度变化的计数脉冲。器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数，进而完成温度测量。计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55所对应的一个基数值。减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器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，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值。（5）DS18B20时序图单片机芯片通过发命令字对DS18B20进行控制。命令字分为二种：ROM命令字和RAM命令字。不同的命令字代表不同的操作。在发送每一个ROM命令字和RAM命令字之前，都要先发送初始化时序。 DS18B20复位时序如图2-5所示 图2-5 DS18B20的复位时序图 图2-6 DS18B20的读时序图 DS18B20的读时序如图2-6所示 对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在15 微秒之内就得释放单总线，好让DS18B20把数据传输到单总线上。DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。 DS18B20的写时序如图2-7所示 图2-7 DS18B20的写时序图对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us，保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样IO总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就得释放单总线。 2.2.2 DS18B20硬件接口电路DS18B20采用3脚PR-35封装，接线图如图2-8所示，如图电路采用外接电源工作方式，其中DS18B20是采用单总线进行数据传输，外接一个4.7K的上拉电阻与单片机的P3.0口相接，通过P3.0端口进行双向传输。 图2-8 DS18B20硬件接线图2.3 湿度模块电路设计分析2.3.1 DHT11传感器内部结构及工作原理DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器,传感器内部是由一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件组成。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，其中信号传输距离可达20米以上。（1） DHT11引脚功能如图2-9所示：引脚1为VDD： 接3V-5.5V的直流电源。引脚2为DATA：该引脚为单总线串行数据传输脚。引脚3为NC： 该引脚为空脚，悬空。引脚4为GND： 该引脚为接低端，接电源负极。 （2）DHT11时序原理分析 图2-9 DHT11引脚图 DHT11数字型温湿度传感器的测量分辨率分别为 8bit（温度）、8bit（湿度）。直接与微控制器的端口P3.4连接。微控制器模拟传感器DHT11的工作时序，读取其寄存器的湿度值，微控制器是采取主动的方式与传感器DHT11进行通信，并且DHT11传感器不需要进行相关的寄存器设置。 DATA的通讯方式DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯和同步、采用单总线数据格式，一次通讯时间4ms左右，数据分小数部分和整数部分，小数部分用于扩展，在本系统读出为零。一次完整的数据传输为40bit，高位先出。数据格式：8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和。数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。单片机发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号送出40bit的数据，并触发一次信号采集，用户可选择读取部分数据。在从模式下，DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集, 如果没有接收到主机发送开始信号，DHT11不会主动进行温湿度采集。采集数据后转换到低速模式。时序图如图2-10所示。图2-10 DHT11读时序图 DHT11写时序如图2-11所示总线空闲状态为高电平，主机把总线拉低等待DHT11响应，主机把总线拉低必须大于18毫秒，保证DHT11能检测到起始信号。DHT11接收到主机的开始信号后，等待主机开始信号结束,然后发送80us低电平响应信号。主机发送开始信号结束后，延时等待20-40us后，读取DHT11的响应信号，主机发送开始信号后，可以切换到输入模式，或者输出高电平均可，总线由上拉电阻拉高。如图2-11所示。图2-11 DHT11写时序图 DHT11结束时序图如图2-12所示总线为低电平,表明DHT11发送响应信号,DHT11发送响应信号后,再把总线拉高80us,准备发送数据,每一bit数据都以50us低电平时隙开始,高电平的长短决定了数据位是0还是1。如果读取响应信号为高电平,则DHT11没有响应,请检查线路是否连接正常。当最后一bit数据传送完毕后，DHT11拉低总线50us，随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。数字“0”信号表示方法如图2-12所示，数字“1”信号表示方法如图2-13所示。图2-12 DHT11结束时序图 DHT11信号表示时序图如图2-13所示 图2-13 DHT11信号表示图2.3.2 DHT11硬件接口电路 图2-14 DHT11硬件接线电路图本模块电路设计VCC端供电电压为3V-5.5V，数据连接线长度小于20米时，用5K的上拉电阻，大于20米时根据实际情况使用合适上拉电阻，通过上拉电阻使控制总线处在高电平状态。电源引脚（VCC,GND）之间加一个100nF的电容，用于去耦滤波。在引脚1上加正向二极管用以预防电源接反而烧传感器。如图2-14所示。2.4 时钟模块电路设计分析在本模块设计中，为了使系统具有实时性，采用DS1302时钟芯片给系统提供时钟信号（年，月，日，时，分，秒），然后通过I/O口连接方式，单片机对DS1302写入数据和读取数据。通过控制单片机也可以实现计时功能，但是如果单片机掉电后就麻烦了，实时时钟数据会丢失，而外加DS1302时钟芯片可以解决掉电问题，从而防止数据丢失。2.4.1 DS1302芯片结构及工作原理DS1302是一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟芯片，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V5.5V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302比DS1202增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓绢细电流充电的能力。DS1302内部结构图如图2-15所示。 图2-15 DHT11内部结构图（1） DHT11引脚功能DS1302的引脚排列,其中VCC1为后备电源，VCC2为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由VCC1或VCC2两者中的较大者供电。当VCC2大于VCC10.2V时，VCC2给DS1302供电。当VCC2小于VCC1时，DS1302由VCC1供电。X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。RST是复位/片选线,通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。RST输入有两种功能：首先，RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次，RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对DS1302进行操作。如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此次数据传送，I/O引脚变为高阻态。上电运行时，在VCC2.5V之前，RST必须保持低电平。只有在SCLK为低电平时，才能将RST置为高电平。I/O为串行数据输入输出端(双向)。SCLK始终是输入端。DS1302引脚图如图2-16所示：管脚2、3为X1,X2：该引脚接32.768KHZ晶振管脚。管脚4为GND：该管脚为接地端。管脚5为RST：该管脚为复位端管脚6为I/O口：该管脚为数据输入/输出脚。管脚7为SCLK：为串行时钟输入端 图2-16 DS1302引脚图 （2）DS1302工作原理 DS1032的控制字DS1302 的控制字如图2-17所示。控制字节的最高有效位(位7)必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入DS1302中，位6如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据；位5至位1指示操作单元的地址；最低有效位(位0)如为0表示要进行写操作，为1表示进行读操作，控制字节总是从最低位开始输出。 图2-17 DS1302控制字 DS1302的寄存器DS1302有12个寄存器，其中有7个寄存器与日历时钟相关，存放的数据位为BCD码形式,其日历、时间寄存器和控制字。此外，时钟突发寄存器可一次性顺序读写除充电寄存器外的所有寄存器内容。DS1302还有年份寄存器、控制寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与RAM相关的寄存器，与RAM相关的寄存器分为两类：一类是单个RAM单元，共31个，每个单元组态为一个8位的字节，其命令控制字为C0HFDH，其中奇数为读操作，偶数为写操作；另一类为突发方式下的RAM寄存器，此方式下可一次性读写所有的RAM的31个字节，命令控制字为FEH(写)、FFH(读)。 DS1302数据传输时序DS1302有单字节传送方式和多字节传送方式。通过把RST复位线驱动至高电平来启动所有的数据传送。RST输入线有两种功能,首先RST接通控制逻辑,允许地址命令序列送入移位寄存器；其次RST提供了中止单字节或多字节数据传送的手段。数据输入时,时钟的上升沿数据必须有效,数据的输出在时钟的下降沿。如果RST为低电平,那么所有的数据传送将被中止且I/O引脚变为高阻状态。上电时在VCC2.5V前,RST必须为逻辑0。当把RST驱动至逻辑1状态时,SCLK必须为逻辑0。单字节数据输入跟随在写命令字节的8个SCLK周期之后,在随后的8个SCLK周期的上升沿输入数据字节,数据从0位开始输入。数据传送时序如图2-18所示。 图2-18 数据传输时序图2.4.2 DS1302电路设计本模块电路设计中DS1302与单片机的连接只需要三条线，即SCLK(7)、I/O(6)、RST(5)。SCLK与单片机的P2.2连接，I/O口与P2.1连接传送数据,复位脚与P2.0相连接，其中VCC端接电容用于滤波，时钟显示采用LCD12864液晶显示,其中8管脚外接掉保护的3V锂电池，如图2-19所示。图2-19 DS1302硬件电路2.5 液晶显示模块电路设计分析（1）12864液晶介绍本显示模块设计是采用12864 点阵的汉字图形型液晶显示器，它可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM），可与CPU直接接口。它与微处理机有两种连接方式：8位并行及串行两种连接方式。8位并行的连接方式数据传输速度快，控制方便；串行的连接方式占用单片机I/O口资源少，但数据处理的速度慢。它具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式等，并且该模块构成的液晶显示与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论是在硬件电路结构还是在软件程序都相较简洁得多，且该液晶的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。（2）LCD12864液晶显示的优点LCD12864是点阵式液晶显示器，它可以显示字符、数字，还可以显示各种图形、曲线及汉字，并且可以实现屏幕上下左右滚动，动画功能，分区开窗口，反转，闪烁等优点；而且该液晶显示器具有功耗低、体积小、重量轻、超薄等多种优点，它被广泛用于单片机控制的智能仪表、仪器和低功耗的电子产品。（3）12864液晶8位并行连接时序图分析 MPU写资料到模块如图2-20所示 图2-20 12864写时序 在该时序中RS置低电平为写指令状态，RW端电平始终拉低，当EN端置高电平时，开始写入指令数据，并延时一段时间，写指令结束后，EN置低电平。 MPU从模块读出资料如图2-21所示 图2-21 12864读时序在该时序中RS置高电平为读数据状态，RW端电平始终拉低，当EN使能端置高电平时，开始读出数据，并延时一段时间，读数据结束后，EN置低电平，数据读出完毕。（4）12864管脚功能 引脚号 符 号 名 称 功 能 1 VSS 接地 0V 2 VDD 电路正极 5V 3 VEE 液晶驱动电压保证VDD-VEE=4.5到5V电压差 4 RS 寄存器选择信号H：数据寄存器 L：指令寄存器 5 R/W 读/写信号H：读 L：写 6 E 片选信号使能信号（串行移位脉冲输入） 7-14 DB 数据线 数据传输 15 PSBH:并行模式 L:串行模式 16 NC 空脚 17 RST 复位端 L:复位 18 NC 空脚 19 BLA 背光源正极 5V 20 BLK 背光源负极 0V表2-2 12864管脚功能（5）12864液晶显示模块电路本显示模块设计采用LCD12864，可以显示采集到的温度、湿度、时间。R/W口与单片机的P2.6连接用于读/写的选择，EN使能端与单片机P2.7连接，DB0-DB7口与单片机的P0.0-P0.6口通过上拉排阻（P0口作为I/O输出口时，由于输出级为漏极开路电路，引脚上应外接上拉电阻驱动），液晶采用+5V电源供电，电位器R4用来调节液晶的对比度。 LCD12864液晶显示模块电路图如附录1所示。2.6 矩阵键盘电路设计及其功能介绍（1）电路设计的优点一般键盘通常可分为编码键盘和非编码键盘两种基本类型。编码键盘：键盘本身带有实现主要功能所需的接口硬件电路，编码键盘接口简单、使用方便，但由于硬件电路较复杂，而且价格较贵，不符合设计要求；而非编码键盘是通过软件来识别键盘上的闭合键，它具有结构简单，使用灵活等特点，因此被广泛应用于单片机控制系统。键盘结构可以分为独立式键盘和行列式键盘两类。本系统设计中选择4x4矩阵式键盘。（2）矩阵键盘原理介绍矩阵式结构键盘显然比独立式结构要复杂一些，识别也要复杂一些，图2-22中4根I/O口接线（P1.0-P1.3）作为行线，另外4根I/O口接线（P1.4-P1.7）作为列线，按键跨接在行线和列线上，当按键按下时，行线与列线发生短路,列线被拉低，确定列号；然后开始扫描行信息，确定行号，从而根据行号的值和列号的值相加得出所按下的键值，完成矩阵键盘的行列式扫描。若没有按键按下，则高位、低位全为1返回。行扫描法又称为逐行(或列)扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法，如2-22图所示键盘，行列式扫描的详细过程如下。判断键盘中有无键按下将全部行线P1.0-P1.3置低电平，然后检测列线的状态。只要有其中一列的电平变低，则表示键盘中有键被按下，而且闭合的按键位于低电平列线与4根行线相交叉的4个按键之中。若所有列线均为高电平，则键盘中无键按下。在确认有按键按下之后，即可进入判断具体键值。其方法是：依次将行线置为低电平，当其中一根行线出现低电平，而其它行线为高电平时，再逐列检测各列线的电平状态。若其中一列为低电平，则该列线与行线交叉处的按键就是闭合的按键，而行值与列值相加得出键值。（3） 矩阵键盘模块电路 图2-22 4x4矩阵键盘电路本矩阵键盘模块设计中，一共有16个按键，其中P1.0-P1.3为行线，P1.4-P1.7为列线，S0按键为时钟功能调整按键，按下S0可以修改时、分、秒，年、月、日；S1为右移功能键，在S0状态模式下，按下此键光标可以向右逐位移动；S2为左移功能键，在S1状态模式下，按下此键光标可以向左逐位移动：S5为加“1”按键，在S1状态模式下，每按下此键一次，数值就加“1”一次；S6为“1”按键，在S1状态模式下，每按下此键一次，数值就“1”一次；不在S1状态下，其他按键无效。S3按键为喷灌系统手动切换功能健，按住该按键，水泵会一直工作，直到手松开按键，水泵停止工作。2.7 电源电路设计及其功能2.7.1电源稳压器的选择与特点LM2576系列的稳压器是单片集成电路，能提供降压开关稳压器的各种功能，能驱动3A的负载，有优异的线性和负载调整能力。这些稳压器内部含有频率补偿器和一个固定频率振荡器，将外围电路元器件的数目少，使用方便。LM2576的效率比一般的三段线性稳压器要高的多，一般情况下不需要或只需很小尺寸的外加散热片。（1）LM2576的特点： 有3.3V、5V、12V、15V和可调电压输出多种系列； 输出电压可调的范围为1.23V37V，负载电压的输出容差最大为4； 最少只需要4个外围元件，可达3A的输出电流； 内部振荡器产生52KHz的固定频率； 可用TTL电平关闭输出，低功耗待机模式，待机电流为50A； 使用现成可用的标准电感； 热关断及电流限制保护。稳压器如图2-23所示 图2-23 LM2576管脚图 （2）LM2576的管脚功能说明如表2-3所示表2-3 LM2576管脚功能 符 号 名 称 功能（说明） VIN输入电压端为减少瞬间输入瞬态电压为调节器提供开关电流，应接旁路电容 OUTPUT稳压输出端 输出高电压为（VINVSAT）输出低电压为-0.5V