基于单片机的温室控制系统设计.doc

目 录1 绪论12方案论证12.1 整体方案12.2 温度检测部分12.3 湿度检测部分13 系统总体方案23.1 系统概述23.2 系统设计技术指标34 系统硬件电路设计34.1 温度检测电路34.1.1 DS18B20的测温原理44.1.2 多路温度检测的实现44.2 湿度检测电路54.2.1 HS1101测量原理54.2.2 多路湿度检测的实现74.3多路开关74.4 A/D转换电路94.5AT89C51单片机的介绍114.6 电源电路134.7 辅助电路144.7.1 键盘控制电路144.7.2 LED显示电路154.7.3 掉电存储电路164.7.4 复位电路174.7.5 报警电路184.7.6 驱动电路184.8 串口通信195结束语20致谢20参考文献20附录：系统整体电路图22211 绪论随着社会的进步，人们的生活水平得到了很大的提高，现在温室栽培的反季节蔬菜成了人们餐桌上的新宠，人们不再苦于因季节的改变而要变换饮食搭配。当然在提高人们生活水平的同时，智能化温室种植还能提高土地利用率，便于大规模集约化生产，彻底摆脱了传统农业对自然环境的高度依赖。这对现代农业科技向产业化的转化有着十分积极的推进意义。本课题将针对温度和湿度这两个蔬菜大棚中影响蔬菜生长的关键因素的测控来进行设计。目前市场上的温度检测仪器多为单点测量，误差较大且温度信息传递不及时；而湿度传感器多精度不高，稳定的工作范围小。为此，本课题设计了一种实时性强，精确度高，自动化程度较高，成本较低，能够同时测量多点的温度和湿度，并能及时自动采取相应改善措施的基于单片机的温室控制系统。2方案论证2.1 整体方案方案一：采用传统的数字模拟电路，功能可以实现，但电路复杂，测量误差大，稳定性差。方案二：采用单片机控制，集成度高，结构简单，性能稳定，功能齐全，精确度高。弱电控制强电，使用更安全。方案二与方案一比较，有着明显的优势，所以采用方案二。2.2 温度检测部分方案一：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。其主要的特点为测量范围大、便于远距离测量。但电压输出与温度并非成线性，在高温上的电压变化率比较小，不易分辨，温度变化的准确度误差却较大，稳定性差。方案二：采用温度传感器DS18B20。DS18B20可以满足从-55到+125的测量范围，且DS18B20测量精度高，增值量为0.5，在一秒内把温度转化成数字，测得的温度值的存储在两个八位的RAM中，单片机直接从中读出数据转换成十进制就是温度，使用方便。综合比较方案一与方案二，在此选取DS18B20来检测温度。2.3 湿度检测部分方案一：采用HOS-201湿敏传感器。HOS-201湿敏传感器为高湿度开关传感器，它的工作电压为交流1V以下，频率为50HZ1KHZ，测量湿度范围为0100%RH，工作温度范围为050，阻抗在75%RH（25）时为1M。这种传感器多用于开关的传感器，不能在宽频带范围内检测湿度。方案二：采用HS1101湿度传感器。HS1101在电路构成中等效于一个电容器件，其电容量随着所测湿度的增大而增大。不需校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物结构，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，测量湿度范围在1%100%RH范围内；工作温度范围为-40100，响应时间小于5S；温度系数为0.04 pF/，测量精度较高。综合比较方案一与方案二，我们选择HS1101来作为本设计的湿度传感器。 3 系统总体方案3.1 系统概述本系统选用AT89C51单片机为控制核心来对温度、湿度进行实时检测和控制。用数字温度计DS18B20完成对各检测点温度的采集，用电容式相对湿度传感器HS1101进行湿度部分的检测，并选用了双积分A/D转换器MC14433把温度、湿度检测电路测出的模拟信号转换成数字量送入单片机去处理。当检测点较多时，可采用多路开关CD4051组成多路分时的模拟量信号采集电路。为了对采集到的数据进行进一步的分析处理，可以将数据从单片机传送至计算机，单片机AT89C51具有串行通信接口，而串行通信接口采用的是TTL电平，因此系统采用RS232C接口方式，选用MAX232芯片组成电平转换电路来完成单片机与计算机的通信。系统的整体结构框图如图1所示。图1 系统整体结构框图外设控制执行设备由加热器、风机、水帘、除湿机等组成，当检测到的各点温湿度在设定的范围内时，电路正常工作。一旦检测到的温湿度超过设定值，单片机内的程序扫描到这些信号时，就会在单片机的相应管脚产生控制信号，通过驱动电路来自动启动相应的控制设备。当温度过低时，通过开大加热器的加热阀门来升温；当温度偏高时，可开启风机来降温；当湿度较低时，可开启湿帘来增加湿度；湿度较高时，可打开除湿机来降低湿度。温湿度的上下限值可通过键盘电路来设置。LED显示能够将所测温湿度值直接醒目地显示，以便于随时了解当前温室系统的状态。报警电路可在检测值超出所设数值时提示工作人员注意。 断电存储电路可以保存设定的温湿度值在断电后不会丢失，提高了电路的可靠性。另外可通过RS-232C接口电路来完成单片机与计算机的通信。3.2 系统设计技术指标本系统能够同时检测多路温湿度，可以进行温湿度上下限设置，并能在温湿度检测值超出设定范围时报警，同时自动启动外部设备来改善温室环境。大棚温室环境是非线性、时变、大时延、多变量耦合的复杂控制系统，温室中栽培不同作物则需要不同的生长环境。根据大棚蔬菜的生长特点，本系统的设计技术指标如下：温度：在15 45之间；测量精度1；湿度：在75%95%RH之间；误差：3%.4 系统硬件电路设计4.1 温度检测电路本设计选用DS18B20做为温度传感器。DS18B20数字温度计提供9位(二进制)温度读数，指示器件的温度。信息经过单线接口送入DS18B20或从DS18B20送出，因此从主机CPU到DS18B20仅需一条线(和地线)。DS18B20的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。因为每一个DS18B20在出厂时已经给定了唯一的序号，因此任意多个DS18B20可以存放在同一条单线总线上。这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件。DS18B20的测量范围从-55到+125，增量值为0.5，可在l S(典型值)内把温度变换成数字。图2 DS18B20管脚排列序号值存放在DS18B20内部的ROM(只读存贮器)中。开始8位是产品类型编码(DS18B20编码均为10H)。接着的48位是每个器件唯一的序号。最后8位是前面56位的CRC(循环冗余校验)码。DS18B20中还有用于存储测得的温度值的两个8位存贮器RAM，编号为0号和1号。1号存贮器存放温度值的符号，如果温度为负()，则1号存贮器8位全为1，否则全为0。0号存贮器用于存放温度值的补码LSB(最低位)的1表示0.5。将存贮器中的二进制数求补再转换成十进制数并除以2就得到被测温度值(-55+125)。DS18B20的引脚排列如图2所示。其中DQ为数字信号输人输出端；GND为电源地；VDD为外接供电电源输入端。4.1.1 DS18B20的测温原理DS18B20的测温原理如图3所示，图中，低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，主要用于产生固定频率的脉冲信号并送给减法计数器1，高温度系数晶振在温度变化时，其振荡频率有明显改变，它所产生的信号可作为减法计数器2的脉冲输入，图中隐含着的计数门打开时，DS18B20即对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数，进而完成信号采集。图3 DS18B20的测温原理DS18B20的温度检测电路如图4所示。图中集成块1脚为外接供电电源输入端，接5V电源；2脚为信号的输人输出端，检测到的模拟温度数据经其内部电路处理之后，转换为数字信号，直接送入单片机处理；3脚为接地端。图4 温度检测电路4.1.2 多路温度检测的实现为了实现对温度的多点监测，根据DS18B20的特点，可以将多个DS18B20存放在同一条单线总线上，一般可以挂接10片，下面画出了两路检测的电路，可根据实际需要自行增加。图5 多路温度信号采集电路4.2 湿度检测电路本设计在湿度检测部分选用的是基于电容原理的HS1101湿度传感器。HS1101是法国Humirel公司推出的一款电容式相对湿度传感器，侧面接触封装。该传感器与其他同类产品相比，有着显著的优点：无需校准的完全互换性：长期饱和状态，瞬间脱湿：具有高可靠性和长期稳定性：专利设计的固态聚合物结构，适用于线性电压输出和频率输出两种电路，响应时间快。其基本参数如下：测量范围是（199）RH，工作温度范围为40100；在55RH时的电容量为180pF（典型值）。当相对湿度从0变化到100时，电量的变化范围是163pF202pF。温度系数为0.04pF/，湿度滞后量为1.5，响应时间为5S（默认测量温度为25，测量时HS1101工作频率为10KHz）。其特性曲线如下图所示。 图6 湿敏电容工作的温、湿度范围 图7 湿度-电容响应曲线4.2.1 HS1101测量原理HS1101湿度传感器是一种基于电容原理的湿度传感器，相对湿度的变化和电容值呈线性规律。在自动测试系统中，电容值随着空气湿度的变化而变化，因此将电容值的变化转换成电压或频率的变化，才能进行有效地数据采集。用555集成电路组成振荡电路，HS1101湿度传感器充当振荡电容，从而完成湿度到频率的转换，其电路如图8所示。图8 湿度检测电路集成定时器555芯片外接电阻R4、R5与湿敏电容C，构成了对C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C的放电回路，并将引脚2、6端相连引入到片内比较器，便成为一个典型的多谐振荡器，即方波发生器。其中，R3 用于平衡温度系数，R6是防止输出短路的限流保护电阻。具体电路分析如下。利用一片CMOS定时器TLC555，配上HSll01和电阻R4、R5构成单稳态电路，将相对湿度值变化转换成频率信号输出。输出频率范围是73516033Hz，所对应的相对湿度为0100。输出的频率信号可送至数字频率计或控制系统，经整理后送显示。通电后，电源沿UcR5R4C对HSl101充电。经过t1时间后湿敏电容的压降Uc就被充电到TLC555的高触发电平(Uh=0.67Vcc)，使内部比较器翻转，OUT的输出变成低电平。然后C开始放电，放电回路为CR4D内部放电管地。经过t2时间后，Uc降到低触发电平(Ul=0.33Vcc)，内部比较器再次翻转，使OUT端的输出变成高电平。这样周而复始的进行充、放电，形成了振荡。充电、放电时间计算公式分别为：t1=C(R4+R5)ln2；t2=CR4ln2；输出波形的频率(f)和占空比(D)的计算公式如下：f=1T=1(t1+t2)=1C(2R4+R5)ln2；D=t1T=t1(t1+t2)=R4+R5(2R4+R5)；通常取R4R2，使D50，输出接近于方波。例如，取R4=567k，R5=49.9k。湿度传感器只是保证传感探头的精度，在实际使用中，综合精度除了与湿度传感器本身元件有关，还与外围电路的器件选择相关。为了与HS1101温度系数相匹配，R3数值应取为1精度，且最大温漂不超过100ppm(ppm：百万分之一，表示当温度变化1，所对应的电阻相对变化量)。当RH=55、TA=+25时，典型输出方波频率与相对湿度的数据对照见表1。表1 空气湿度与频率的典型值湿度RH/()0102030405060708090100频率f/Hz735172247100697668536728660064686330618660334.2.2 多路湿度检测的实现为了实现湿度信号的多路采集，根据HS1101的测湿原理，需要多路开关来参与完成。由于HS1101输出的是模拟的频率信号，因而采集后的信息需要经过A/D转换后才能被单片机识别处理。在此选用多路开关CD4051组成多路分时的模拟量信号采集电路，其硬件接口如图9所示。有关CD4051的工作原理将在后面做详细的介绍。图9 八路分时的湿度信号采集电路4.3 多路开关多路开关，也称“多路模拟转换器”。多路开关通常有n个模拟量输入通道和一个公共的模拟输入端，并通过地址线上不同的地址信号把n个通道中任一通道输入的模拟信号输出，实现有n线到一线的接通功能。反之，当模拟信号有公共输出端输入时 ，作为信号分离器，实现了1线到n线的分离功能。因此，多路开关通常是一种具有双向能力的器件。在本设计中，为了实现多点温湿度检测，选用多路开关就是很必要的。在此选用的是CD4051多路开关，它是一种单片、COMS、8通道开关。该芯片由DTL/TTL-COMS电平转换器，带有禁止端的8选1译码器输入和由该译码器对各个输出分别加以控制的8个COMS双向模拟开关TG组成。CD4051的内部原理框图如图10所示。图10 CD4051的内部原理框图CD4501的管脚功能如下：IN/OUT（4、2、5、1、12、15、14、13）：该组引脚作为输入时，可实现8选1功能，作为输出时，可实现1分8功能。XCOM（3）：该引脚作为输出时，则为公共输出端；作为输入时，则为输入端。A、B、C（11、10、9）：地址引脚INH（6）：禁止输入引脚。若INH为低电平，则允许各通道按表2关系和输出段OUT/IN接通；若INH为高电平，则为禁止各通道和输出端OUT/IN接通。 VDD（16）和VSS（8）：VDD为正电源输入端，极限值为17V；VSS为负电源输入端，极限值为-17V。VGG（7）；电平转换器电源，通常接+5V或-5V。CD4051作为8选1功能时，若A、B、C均为逻辑“0”（INH=0），则地址码00013经译码后使输出端OUT/IN和通道0接通。其它情况下，输出端OUT/IN和各通道的接通关系如表2所示。 表2 输出端OUT/IN和各通道的接通关系输 入 状 态接 通通 道输 入 状 态接 通通 道INHCBAINHCBA000000101500011011060 010201117001131均不显示010044.4 A/D转换电路为了把温度、湿度检测电路测出的信号送入单片机处理，需要A/D转换电路把检测的模拟信号转换成单片机可以识别的数字量。本系统选用了双积分A/D转换器MC14433。图11 MC14433的引脚排列MC14433是三位半双积分型的A/D转换器，全部转换电路用CMOS大规模集成电路技术设计，具有功耗低、精度高、抗干扰性能强、功能完整、使用简单及与微机或其他数字电路兼容等优点。它电压量程分1.999V和199.9mV两档，量程的扩展通过外加控制电路实现。转换速率为410Hz，相应时钟频率变化范围为50150kHz。输入阻抗大于100M。工作电压范围为4.58V或916V。当电压为5V时，典型功耗为8mW。片内具有自动极性转换和自动调零功能。有过量程和欠量程标志信号输出，配上控制电路可以完成自动量程切换。片内提供时钟脉冲发生电路，使用时只需外接一电阻，也可以使用外部输入时钟。时钟频率范围为50150kHz。外接单一正电压基准，基准电压值和量程有关。当量称为1.999V时，基准电压为2V;当量程为199.9mV时，基准电压为200mV。各管脚排列如图11所示。MC14433的管脚功能如下：VDD：主工作电源+5V。VEE:模拟部分的负电源端，接-5V。VAG：模拟地端。VSS：数字地端。VR：基准电压。RI：积分电阻输入端，VX=2V时，R1=470；VX=200Mv时，R1=27K。C1：积分电容输入端。C1 一般为0.1F。C01、C02：外界补偿电容端，电容取值约0.1F。 R1/C1：R1 与C1的公共端。CLK1、CLKO:外界振荡器时钟调节电阻Rc，Rc一般取 470 K左右。EOC：转换结束信号输出端，正脉冲有效。DU：启动新的转换，若DU与EOC相连，每当A/D转换结束后，自动启动新的转换。/OR：当|Vx|VR，过量程/OR 输出低电平。DS4DS1： 选择个、十、百、千位，正脉冲有效。DS1 对应千位，DS4 对应个位。每个选通脉冲宽度为18个时钟周期，两个相应脉冲之间间隔为2个时钟周期。MC14433选通脉冲时序如图12所示。图12 MC14433选通脉冲时序图Q0Q3：BCD码输出线。其中Q0为最低位，Q3 为最高位。当DS2、DS3和DS4选通期间，输出三位完整的BCD码数，但在DS1选通期间，输出端Q0Q3 除了表示个位的0或1外，还表示了转化值的正负极性和欠量程还是过量程。具体情况如表3所示。由表可知：Q3表示1/2位，Q3=0对应1，反之对应0。 Q2表示被测信号的极性，Q2=1为正极性，反之为负极性。Q0指示量程是否合适，若输出为“0”，表示量程合适，若输出为“1”，说明VX超出量程范围，当与Q3一起使用时，就可以指示出过量程或欠量程。过量程时Q3为“0”，Q0为“1”；欠量程时Q3 与Q0均为“1”。表3 DS1选通时Q3Q0表示的结果DS1Q3Q2Q1Q0表示结果110千位数为0100千位数为1110结果为正100结果为负101输入过量程111输入欠量程由于MC14433的A/D转换结果是动态分时输出的BCD码，对于89C51单片机的应用系统来说，MC14433可以直接和其P2口或扩展I/O口8155/8255相连。MC14433与AT89C51单片机P2口直接相连的硬件接口电路如图13所示。图13 MC14433与89C51单片机的硬件接口电路该电路采用中断方式管理MC14433的操作，由于引脚EOC与DU连接在一起，所以，MC14433能自动连续转换，每次转换结束便在EOC脚输出正脉冲，经反相后作为89C51的外部中断请求信号/INT1。4.5AT89C51单片机的介绍AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k字节的可反复擦写的Flash只读程序存储器（PEROM）和128 字节的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。AT89C51单片机有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器图14 AT89C51的管脚排列和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。其引脚排列如图14所示。各管脚功能描述如下：VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每个管脚可吸收8TTL门电流。当P1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/地址的第八位。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。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口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：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：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 4.6 电源电路电源电路是给电子设备提供必要的电源能量的电路，在集成电路中主要使用的是由交流（AC）220V，50/60Hz的市电转换成的直流电。其电路图如图15所示。该部分电路由降压、整流、滤波、稳压四部分组成。220V、50Hz的市电经变压器降压后产生12V的交流电，经D1D4桥式整流、电容滤波后，由不同稳压集成块产生12V和5V三种电压，供不同的外围设备使用。其中稳压块78L05输出的+5V电压作为系统的主要电源向电路供电，78L12输出的+12V电源专用于向驱动电路的图15 电源电路继电器供电，稳压块79L05输出的-5V专用于A/D转换的负电源。LED为电源指示，R15、R16为限流保护电阻。4.7 辅助电路4.7.1 键盘控制电路键盘电路是单片机应用系统最常用的人机接口电路，用它可以完成温、湿度值的设定、清零等功能。本设计采用简单的独立式键盘。独立式按键是指各按键相互独立地接通一条输入数据线，电路如图16所示。图16 键盘电路这是最简单的键盘结构，该电路为查询方式电路。当任何一个键按下时，与之相连的输入数据线即被清0（低电平），而平时该线为1（高电平），要区别是否有键按下，用单片机处理指令十分方便。这种键盘结构占用的I/O线较多，但电路简单。本设计使用的按键不多，因而采用此种结构。 根据本设计的要求，设置4个按键即可满足要求。K1为功能键，用于温度、湿度等功能的转换；K2、K3为数值增减键，用于设定和修改温湿度值；K4键为数据复位键，当数据偏离设定值过多，不易修改时，来恢复到设定初值。4.7.2 LED显示电路在本系统中，为了对采集的信息的实时显示，所以要设计显示电路。显示电路有较大的选择余地，既可以用并口进行数据传送，也可以使用串口传送数据。在本电路中我们选择串口显示电路。单片机复位时串行口为方式0状态，即工作在移位寄存器方式，波特率为fosc/12。在这种方式下，收/发的数据为8位，低位在前，无起始位、奇偶校验位及停止位。执行任何一条将SBUF作为目的寄存器的命令时，数据便开始从RXD端发送。在写信号有效时，相隔一个机器周期后发送控制端SEND有效，即允许RXD发送数据，同时，允许从TXD端输出移位脉冲。其电路图17所示。图17 LED显示电路图18 74HC164管脚排列图中用6个共阳的8段数码管来显示温湿度测量值，其中三位显示温度值，三位显示湿度值。移位寄存器74HC164用来驱动，D1D3用于降压。该显示控制电路选用串行输入、并行输出的移位寄存器74HC164来驱动LED显示器，带有清除端。其引脚入图18所示。各管脚功能如下：Q0Q7：并行输出端B：串行输入端/C/L/R：清除端，零电平时，使74HC164输出清0。CLK：时钟脉冲输入端，在脉冲的上升沿实现移位。当CLK=0、CLR=1时，74HC164保持原来的数据状态。由于74HC164无并行输出控制端，在串行输入过程中，其输出端的状态会不断变化，故在某些使用场合，在74HC164与输出装置之间还应加上可控的缓冲级，以使串行输入过程结束后再输出。由于74HC164在低电平输出时，允许通过的电流可达8mA，故不需要再加驱动电路。通过三个二极管降压后，可使LED的显示亮度均匀，而且可以节约大量限流电阻。4.7.3 掉电存储电路单片机系统内的RAM数据是非常容易丢失的，因此掉电保护是必须要做的。一旦电源发生掉电现象，在掉电的瞬间系统能自动保护RAM中的数据和系统的运行状态，当电源恢复正常供电后能恢复到掉电前的工作状态。本电路以掉电存储芯片AT24C02A为核心元件，配以适当的外围器件，与控制芯片相结合，在断电时保存已设定的数据。其电路如图19所示。图19 掉电存储电路其中AT24C02A是美国ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM，它是内含2568位存储空间，具有工作电压宽（2.55.5V）、擦写次数多（大于10000次）、写入速度快（小于10mS）等特点。AT24C02A的1、2、3脚是三条地址线，用于确定芯片的硬件地址。第8脚和第4脚分别为正、负电源。第5脚SDA为串行数据输入/输出，数据通过这条双向I2C总线串行传送。第6脚SCL为串行时钟输入线，在AT89C51试验开发板上和单片机的P3.6连接。SDA和SCL都需要和正电源间各接一个5.1K的电阻上拉。第7脚需要接地。24C02A中带有片内地址寄存器。每写入或读出一个数据字节后，该地址寄存器自动加1，以实现对下一个存储单元的读写。所有字节均以单一操作方式读取。为降低总的写入时间，一次操作可写入多达8个字节的数据。AT24C02A的管脚功能描述如下：SCL：串行时钟输入管脚，用于产生器件所有数据发送或接收的时钟，这是一个输入管脚。SDA；双向串行数据/地址，用于器件所有数据的发送或接收，SDA是一个开漏输出管脚，可与其它开漏输出或集电极开路输出进行线或（Wire-OR）。A0、A1、A2：器件地址输入端。这些输入脚用于多个器件级联时设置器件地址。当这些脚悬空时默认值为0。使用24WC02时，最大可级联8个器件。如果只有一个24WC02被总线寻址，这三个地址输入脚A0、A1、A2可悬空或连接到Vss。WP：写保护。如果WP管脚连接到Vcc，所有的内容都被写保护只能读，当WP管脚连接到Vss或悬空，允许器件进行正常的读/写操作。4.7.4 复位电路复位电路是在单片机运行的程序出现错误或其他情况时，按下复位键，即可快速实现复位初始化。只要电源Vcc的上升时间不超过1mS，就可以实现单片图20 复位电路机的上电复位，即接通电源就完成了系统的复位初始化。尽管复位电路很简单，但其作用是非常重要，一个单片机系统能否正常运行，首先要检查功能就是是否能复位成功。4.7.5 报警电路当电路检测到蔬菜大棚内温湿度超出设定值时，就需要报警电路工作，来提示工作人员注意。其方法就是把单片机采集到的数据与设定的上下限数值进行比较，如果高于上限值（或低于下限值）则进行报警，否则就作为采样的正常值，进行显示。本设计的报警电路采用压电式蜂鸣器PB2130，它能产生3KHz左右的蜂鸣振荡音响。该蜂鸣器约需10mA的驱动电流，可以用一个晶体三极管驱动发声，电路如图21所示。图21 三极管驱动的报警电路当判断到检测值高于所设上限值或低于下限值时，单片机的P1.0脚输出高电平“1”，晶体管导通，压电蜂鸣器两端获得约+5V电压而鸣叫报警；当温湿度值正常时，P1.0脚输出低电平“0”，三极管截止，蜂鸣器失压而停止发声，表明温室内温湿度正常。 4.7.6 驱动电路当检测到温室中的温湿度值超出设定范围时，就需要启动外部的控制设备来改善环境参数。而外部的改善设施的启动与否可以用电磁式继电器来控制。由于单片机输出高电平的电压和电流不足以驱动12V的继电器，所以需要将其通过三极管放大后来驱动继电器工作。电路如图22所示。在继电器两端并联二极管的IN4007，主要是为了保护晶体管等驱动元器件。当图中三级管BU406由导通变为截止时，流经继电器线圈的电流将迅速减小，这时线圈会产生很高的自感电动势与电源电压叠加后加在三级管的C、E两极间，可能会使晶体管击穿，并联上二极管后，即可将线圈的自感电动势钳位于二极管的正向导通电压，此值硅管约0.7V，锗管约0.3V，从而避免击穿三级管等驱动器件。由于继电器常常安装在电器设备的内部，其工作状态不能直观瓜，故在线圈两端接图22 外部设备驱动电路发光二极管LED，当控制电压为正时，三极管导通，继电器J吸合，同时发光二极管被点亮，表明继电器线圈已加上电源。J1、J2、J3、J4分别为加热器、风机、水帘和除湿机的控制继电器，T1、T2、T3、T4分别为相应控制的驱动三级管。原理分析如下：当分析到检测的温度小于15时，P1.1置低电平，T1导通，J1闭合，开大加热阀门，开始加热升温；当检测到的温度大于45时，P1.2置低电平，T2导通，J2闭合，开启风机进行降温；当湿度小于75时，P1.3置低电平，T3导通，J3闭合，开启水帘开始加湿；当分析到湿度大于95%时，P1.4置低电平，T4导通，J4闭合，启动除湿机等设备来进行除湿。4.8 串口通信为了对采集到的数据进行进一步的处理，可以将数据从单片机传送至计算机。AT89C51具有串行通信接口（SCI），SCI是为能与计算机+等外设通信的全双工异步系统，但串行通信接口采用的是TTL电平，因此必须用电平转换电路来完成控制系统与PC机的通信。本系统采用RS232C接口方式，传送波特率为9600比特。接口芯片采用MAX232。MAX232内部含有电源电压变换器，可以把的+5V电源电压变换成为RS232C输出电平所需的10V电压。因而采用此芯片接口的串行通信系统只需一个+5V的电源就可以了。它可以实现TTL电平和RS232C接口电平之间的转换，也就是可以把5V电平表示为“1”，0V电平表示“0”的正逻辑，转换成315V电平表示“1”，3+15V电平表示“0”的负逻辑，从而解决了由于PC机的串行口是RS232C标准的接口，其输入输出在电平上和采用TTL电平的AT89C51在接口时会产生电平不同的问题。这样AT89C51单片机和PC机串行通信便可以顺利进行。5结束语本设计以