翠叶金丝(桑叶桑黄)发酵温、湿度控制系统设计说明书

翠叶金丝（桑叶桑黄）发酵温、湿度控制系统设计说明书 1前言1.1翠叶金丝（桑叶桑黄）发酵温、湿度控制系统的发展防潮通风等对温湿度的基本控制是仓库日常工作的重要内容，用来衡量仓库管理水平的重要指标。这直接关系到储备物资的使用寿命以及工作可靠性。为保证其日常工作的顺利开展，首要问题就在于加强关注仓库内温湿度的检测工作。因此我们需要一种使用方便并且测量准确的温湿度测控系统。以往传统的检测方法是用温度计、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试工具，通过人工进行逐项检测，对超过设定温湿度范围的仓库进行通风、除湿和升降温等工作。像这种简单的人工测试方法费时费力然而效率又比较低，此外测试的温湿度误差比较大，随机性也比较大。目前，我们国家大中型的库房在仓库管理中由于技术和资金上等多方面的原因，大多数还仅限于只对温度实施监测，当温度超过设定的范围时进行通风或者翻仓，有时处理不及时或者由于人工设备条件有限仍会造成极大损失。此外仓库温度的升高主要还有可能是湿度引起的，仓库储藏物本身的水分过高或连续的高湿天气加上通风条件较差将导致储藏物发霉变质等一系列不必要的损失。诸如此类的恶性循环一旦形成很难再对其进行有效控制和管理。特别是在一些仓库的管理上，对温湿度的综合检测尤为重要，因此，仓库在进行温度监测的同时，必须重视对空气湿度的检测，以利于提前采取有效措施控制仓库储藏物霉变。本次所设计的温湿度智能检测控制系统是基于AT89C52单片机和上位机为控制核心，结合传感器、通讯和数字电子电路技术，实现了温度和湿度检测与仓库温湿度的有效检测报警，降低经济损失和劳动强度。温湿度传感器在工农业生产、气象、环保、医学等领域都得到越来越广泛的应用。1.2 设计的主要内容综上所述，设计一个简易的翠叶金丝（桑叶桑黄）发酵温、湿度控制系统，旨在设计方便全面的检测仓库温湿度控制系统，来达到保持仓库内温湿度在一个精准范围的目的。系统使用单片机配合上位机根据设定温湿度范围对当前温湿度进行检测控制，实现温湿度的显示报警和调节。此次设计应该达到以下几点要求：1.具有实时检测温湿度并显示的功能。2.具有可以设定温湿度范围和报警功能。3.配合上位机进行实时传输实时调控的功能。2总体方案设计2.1 方案论证2.1.1 方案一在方案一中，利用了DS18B20作为温度传感器，利用了湿敏电容HS1101和555定时器组成的多谐振荡器作为湿度传感电路，采用了实时温湿度和设定温湿度范围同液晶屏同上位机显示，利用简单按键和上位机虚拟仪器按键都能对设定温湿度的范围进行调节，当温湿度超出所设定的温湿度范围时各子单片机将报警并控制外部设备进行调节。方案硬件结构框图如图2.1所示。PC机（主机）at89c52单片机模块（子机0）温度传感模块（DS18B20）外设模块湿度传感模块（HS1101）声光报警模块液晶显示模块图2.1 方案一硬件结构框图2.1.1 方案二在方案二中，采用了温度传感器AD590对环境进行测温，再由AD0809进行模数转换，其他部分与方案一相同。方案硬件结构框图如图2.2所示。PC机（主机）at89c52单片机模块（子机0）温度传感模块（AD590）外设模块湿度传感模块（HS1101）声光报警模块数模转换模块AD0809液晶显示模块图2.2 方案二硬件结构框图2.2方案比较经过理论分析和实际测试，发现两种方案都可以实现相同的功能。在方案一中，温度传感器DS18B20将温度信号直接输入单片机，单片机将实际温度与设定温度范围相比较，当温度温度超出设定范围进行报警并操作外设进行调控。而在方案二中，温度传感器AD590将检测到的温度信号经过模数转换器AD0809转换，然后输入给单片机AT89C52，其也具有显示实时温度并监控报警的功能。2.3方案选择在方案二中，采用 “AD590+AD0809”的温度检测模块，使得检测效率没有直接输出数值信号的DB18B20温度传感器高，精度不如DS18B20高，实际成本也高于DS18B20。而在方案一中，实现了对于温度的精确设定，可以精确到一摄氏度。综上所述，从电路设计的难易程度，成本和人性化等方面看，方案一明显优于方案二，所以我选择了方案一作为自己的设计方案。3单元模块设计3.1 单元模块功能及电路设计3.1.1 单片机最小系统模块一个典型的单片机最小系统一般由时钟电路，复位电路，外部扩展接口等部分组成。如图3.1所示为本系统单片机最小系统。图3.1 单片机最小系统时钟源电路：单片机内部具有一个高增益反相放大器，用于构成振荡器。通常在引脚XTAL1和XTAL2间跨接石英晶体和两个补偿电容构成自激振荡器，结构如图3.1 中C1，C2，C3。根据情况可以选择12MHz或24MHz等频率的石英晶体，本系统为了使得串口通信时比较容易分频成常见的标准波特率，我选择了11.0592MHz的石英晶体，而补偿电容通常选择10到30pF左右的电容。 复位电路：本单片机最小系统采用手动复位要求在电源接通的条件下，在单片机运行期间，用按钮开关操作使单片机复位。复位是完成单片机内电路的初始化，使单片机从一种确定的状态开始工作。单片机的复位引脚RST保持两个时钟周期的高电平将使单片机复位，复位后片内各寄存器的状态如表3.1所示。表3.1复位后片内各寄存器的状态专用寄存器复位状态专用寄存器复位状态PC0000HTMOD00HACC00HTCONOOHB00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL100HP0-P30FFHSCON00HIPXXX0 0000BSBUFXXXX XXXXBIE0XX0 0000BPCON0XXX 0000B注：X代表随机状态另外，在复位有效期间（即高电平），单片机的ALE引脚为高电平，且内部RAM不受复位的影响。3.1.2 湿度传感模块把HS1101和555定时器同时接入电路中构成多谐振荡器的电路设计原理图如图3.2所示。图3.2湿度传感模块电路NE555电路功能的简单概括为:当6端和2端同时输入为“1”时,3端输出为“0”；当6端和2端同时输入为“0”时，3端的输出为“1”。在本电路，555定时器就是根据这一功能用做多稳态触发器并输出频率信号的。 在电源接通时，由于6端和2端的输入为“0”，则定时器3脚输出为“1”；又由于C1 两端的电压为0，故Vcc 通过R4 和R5 对C1充电，当C1 两端的电压达到2ccV/3 时，定时电路翻转，输出变为“0”。该时刻555定时器内部的放电BJT的基极电压为“1”，放电BJT导通，从而使湿敏电容C4 通过R5 和内部的放电BJT 进行放电，当C4 两端的电压降到ccV/3 时，定时器再次翻转，让输出变为“1”，内部的放电BJT 截止，VCC 又开始通过R4和R5对C4充电，如此往复，形成振荡，成为一个典型的多谐振荡器即方波发生器。R3是防止输出短路的保护电阻，R6用于平衡温度系数。其工作循环中的充电时间为hT=0.7(R4+R5)C4；放电时间为1T = 0.7R3*C4；因而，输出的方波频率为：f=1/(hT+1T)=1/0.7C4(R4+R5),输出脉冲占空比为q =(R4+R5)/(R4+2R5)，为了让输出的脉冲占空比大约为50，R4应该远小于R5。而外界的湿度变化时，HS1101电容值发生变化，继而改变该电路的输出频率。所以只要能测出该部分电路的输出频率，根据湿度和输出频率之间的关系，便可求得环境的湿度。如表3.2为空气湿度与电压频率的典型值。表3.2空气湿度与电压频率的典型值湿度频率湿度频率%RHHz%RHHz0735160660010722470646820710080633030697690618640685310060335067283.1.3 温度传感模块单片机的P1.7口和DS18B20的引脚DQ连接，作为单一数据线。本设计虽然只使用了一片DS18B20，但由于不存在温度测量与子单片机距离远的考虑，所以为了简单起见，采用外部供电的方式，如下图3.3所示。测温电缆采用屏蔽4芯双绞线，其中一对线接地线与信号线，另一对接VCC和地线，屏蔽层在电源端单点接地。图3.3 温度传感器模块结构图3.1.4 单片机与上位机串口通信模块AT89C52单片机内部含有一个可编程全双工串行通信接口。其接口的电路不但能同时进行数据的接收和发送，还可以作为一个同步的移位寄存器来使用。在进行异步的通信时，数据的接收和发送分别在各自的时钟（TCLK和RCLK）控制下进行的，但是他们都必须与字符位数的波特率保持一致。MCS-51串行口的接收和发送时钟可由两种方式产生，一种是由主机频率的晶振频率经过分频后产生，另一种方式则由内部的定时器T1或者T2的溢出频率经过16分频以后提供。由于上位机上只有传统的9针D型串口，要和多个下位机节点组成数据通信网络，需要将RS-232通信协议转换，RS-485协议方式，需要用到MAX232和MAX485芯片各一块，其电路原理图如图3.4所示。串行口在发送过程用一条写发送缓冲器的指令把数据（字符）写入到串行口的发送缓冲器SBUF（发）中，再通过硬件电路自动在该字符的始末加上起始位（低电平）、停止位（高电平）及其他另外的控制位（奇偶位等），之后在移位脉冲SHIFT的控制下，低位在前，高位在后，从TXD端（方式0除外）一位一位的向外发送。串行口的接收与否受制于允许接收位REN的状态，若REN被置“1”，允许接收器的接收。接收端RXD一位一位地接收数据，直到接收到一个完整的字符数据以后，控制电路进行最后一次的移位，自动删除掉起始位，让接收的中断标志RI置“1”，同时向CPU申请中断。TI和RI是由硬件置位的，但需要用软件复位。图3.4 单片机串口连接电路RS-232-485转换电路主要涵盖了电源、RS-232电平转换、RS-485电平转换三个部分。此电路的RS-232电平转换电路运用了很常见的MAX232集成电路，而RS-485电平转换电路则采用了MAX485集成电路。为了方便，电源部分被设计成了无源的方式，整个部分的电路供电直接从PC机的RS232接口中的DTR（4脚）和RTS（7脚）取出。PC 串口每条线大约可以提供9mA电流，所以两条线供给的电流也就足以供给本块电路使用。经实验，电路仅用一条线就已经能正常工作。使用该电路要注意PC的程序必需让串口的DTR和RTS输出高电平，经过Z1稳压后得到VCC，经过实际测试，VCC电压大约在4.9V左右。因此，电路中要说Z1起的作用是稳压和限压功能。AT89C52的内部RAM只有256字节，不能存储太多的数据包；其次，单片机的外接晶振选用11.0592MHz，片内CPU的速度不理想，控制多个时钟，CPU资源消耗太多，会大大降低系统性能。因此，取消了停止等待协议有发送窗口这一机制，而采用发送一个数据包就等待当前数据包的确认包，超时再发。从机通信协议如下：置SM2=1，接收主机发来的地址，若不符合本机地址，则返回；若符合本机地址，则回送本机地址作为响应。关串口中断，置SM2=0准备接收命令。接收到主机发来的命令，先判断，若不是合法命令则置SM2=1并返回；若为合法命令则继续。将命令分类，若为0x00则发送本机接收就绪信号转（5），若为0x01则发送本机发送就绪信号转（4）。发送数据，等待发送结束，转到（6）。接收数据，等待接收完成。接收主机号，发送收发长度，等待主机的响应。收到主机发来的响应后，做些处理后，返回置SM2=1,开串口中断。从机状态字如下表：表3.3 从机状态字ERR00000TRDYRRDYERR0时为合法命令，ERR1时为非法命令；TRDY0时表示从机发送未就绪，TRDY1表示从机发送就绪。RRDY0表示从机接收未就绪；RRDY=1表示从机接收已经就绪。单片机串口的四种工作方式：方式0：同步移位寄存器方式，他的波特率为固定振荡频率fosc的1/12。在此工作方式下，接收和发送的串行数据都要通过RXD（P3.0）进行，从TXD（P3.1）输出移位脉冲，控制外部的移位寄存器移位。1帧信息为8位，没有起始和停止位。方式1：8位UART，1帧的信息为10位，其中一位起始位“0”、八位数据位（先低位后高位）和一个停止位“1”，波特率可以改变，通过定时器1的溢出率计算。方式2：9位UART，1帧信息为11位，其中一位起始位“0”、八位数据位（先低位后高位），一位控制位（第九位）和一个停止位“1”。波特率是振荡频率的1/64或1/32方式3：9位UART，1帧信息为11位，其中一位起始位“0”、八位数据位（先低位后高位），一位控制位（第九位）和一个停止位“1”。波特率可以改变，根据定时器1的溢出率计算。附加的第9位数据为SCON中的TB8的值，它由软件置位或清零，可作为多机通信中地址/数据信息的标志位，也可作为数据的奇偶校验位。单片机的串行通信传输方式有三种：单工制式、半双工制式和全双工制式。3.1.5 按键控制模块采用独立按键接口，这种方式是各种按键相互独立，每个按键接一根输入线，一根输入线按键的工作状态不会影响到其他的输入线上的工作状态。所以，检测输入线上的电平状态就可以很轻易的判断哪个按键按下。独立方式按键的电路设置灵活，软件简单。但每个按键要占用一条的输入口线，在按键数量较多时，需要较多的输入口线且电路结构复杂，故此种键盘用于按键比较少的场合。独立方式按键电路按键直接与单片机的I/O口连接，通过读I/O口，判定每个I/O口电平状态，即可识别按下的键如图3.5。图3.5 单片机按键电路K键，按此键系进入设定温度模式的按键。K2键，按此键系上调设定温度的按键。K3键，按此键系下调设定温度的按键。3.1.6 声光报警模块本设计采用峰鸣器报警电路，其工作过程就是把传感器采集的数据通过单片机处理后，与该参数上下限给定温湿度值进行比较，如果高于上限温湿度值（或低于下限温湿度值）则进行报警，否则就作为采样的正常值进行显示。在本系统中通过AT89C52的P2.6口控制导线经驱动器驱动蜂鸣音发声。蜂鸣器大约需10mA的驱动电流，即可用一个晶体三极管来驱动，如下图3.6所示。在该图中，P2.6接晶体管的基极输入端。当P2.6输出低电平“0”时，晶体管导通，蜂鸣器的两端获得大约+5V电压而鸣叫；而当P2.6输出高电平“1”时，三极管截止，蜂鸣器便停止发声。液晶显示电路正常显示表示正常工作。图3.6 声光报警电路3.1.7 直流稳压电源模块本设计采用三端式稳压集成元件LM7809和LM7805构成的电源电压输出串联型稳压电源的实验电路图如图3.7所示，用以给单片机，继电器和蜂鸣器等供电。其滤波电容C17、C15一般选取几百几千微法。当稳压器距离整流滤波电路比较远时，在输入端必须接入电容器C14（数值为470F），以抵消线路的电感效应，防止产生自激振荡。输出端电容C16(2200F)用以滤除输出端的高频信号，改善电路的暂态响应。图3.7 直流稳压电源电路3.1.8 继电器开关模块本设计由继电器开关操作外部电机等设备对仓库的温湿度进行调节，实现了由弱电控制强电的设计，当单片机给一个低电平时，三级管导通，从而使常开继电器开关闭合，使得外部电机工作，如图3.8所示。图3.8 继电器开关电路3.1.9 液晶显示模块如图3.9所示为本系统的液晶显示电路，采用LCD1602芯片，显示出当前所测得的温湿度及所设定的温湿度范围。图3.9 液晶显示电路3.2 单元模块的连接如图3.10为各单元模块连接图。图3.10 单元模块连接图3.3 理论分析和计算温度：DS18B20温度传感器完成对温度的测量，以12位转化为例:用16位符号扩展的二进制补码读数的方式提供，以0.0625 / LSB形式表达，其中S是符号位。如下图3.11所示。图3.11 16位的符号扩展成二进制补码图这是12位转化后所得到的12位数据，存储在18B20的两个8bite的RAM中，二进制中的前面5位是符号位，若测得温度大于0，这5位为0，只需将所测到的数据乘于0.0625就可得到当前的实际温度，若温度小于0，这5位为1，所测的数值要取反再加1再乘于0.0625即可得到实际温度。例如+125的数字输出为07D0H，+25.0625的数字输出为0191H，-25.0625的数字输出为FF6FH，-55的数字输出为FC90H。湿度：由湿度模块的多谐振荡器输入的频率f，根据f和湿度的线性关系即可求得当前湿度。不同频率对于不同相对湿度，相对湿度的有效范围为（0%RH100%RH），如果f6033,7351则可以分段求出其所对应的湿度值。当频率f1（7224,7351则湿度h1 =(7351-f)/12.7(%RH)；当f2（6600,7224则湿度h2=10+(7224-f)/12.4(%RH)；当f3（6186,6600则湿度h3=60+(6600-f)/13.8(%RH)；当f4（6033,6186则湿度h4=90+(6186-f)/15.3(%RH)。波特率：AT89C52用T2计时器作串口波特率发生器时，波特率9600，各寄存器设置方法为:串行口方式一方式三波特率，定时器T2模式2的初始值X：。SCON = 0x50;（SM1=1串口工作方式1,REN=1允许接收10URART,T1控制波特率,1位起始,1位停止,无奇偶校验） PCON = 0x80; （SMOD=1,波特率加倍） TMOD = 0x20; （M2=1,定时器2模式2,8位自动重载时间） TH1 = TL1= 0xFA; （波特率:9600 晶振:11.0592MHz ）3.4 特殊元器件介绍3.4.1 AT89C52AT89C52是一个低电压且高性能的CMOS8位单片机，片内含8k bytes的可以反复擦写的Flash只读程序存储器与256 bytes随机存取数据存储器（RAM），兼容标准的MCS-51 指令系统，其内置通用8位的中央处理器与Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。下图3.12为单片机内部结构。 图3.12 单片机内部结构图其功能特性为： 8kB可以反复擦写的Flash ROM，32个双向I/O口，256x8bit内部RAM，3个16位的可编程的定时/计数器，时钟频率为0-24MHz，2个串行中断，可编程UART串行通道，2个外部的中断源，共8个中断源，2个读写中断口线，3级加密位。另外 AT89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持两种软件可选择节电模式。空闲情况下，CPU 停止工作，允许串口、定时/计数器、RAM、中断继续工作。在掉电保护模式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个的中断或硬件复位为止。表3.4 单片机管脚功能名称序号管脚说明P1口1-88 位准双向I/O 口RST9复位信号输入端，高电平有效P3 口10-178 位准双向I/O 口，有第二功能XTAL2，XTAL118,19时钟引脚GND20接地引脚P2 口21-288 位准双向I/O 口，与地址总线高8 位复用PSEN29程序存储器允许输出控制端ALE30地址锁存允许信号（第二功能为片内EPROM 编程脉冲输入端EA31内外程序存储器选择控制端（第二功能为对片内EPROM固化编程的编程电压输入）P0 口32-39双向8 位三态I/O 口，地址总线低8 位和数据总线分时复用口VCC 40 电源引脚（+5V）表3.5 P3口复用功能P3 口引脚第二功能P3.0RXD(串行口输入端)P3.1TXD(串行口输出端)P3.2INT0 (外部中断0 输入端)P3.3INT1 (外部中断1 输入端)P3.4T0(计数器0 计数输入)P3.5T1(计数器1 计数输入)P3.6WR (外部数据存储器“写”控制输出信号)P3.7RD (外部数据存储器“读”控制输出信号)单片机串口控制寄存器：1.SBUF是两个在物理上相互独立的发送和接收的缓冲器，可以同时接收和发送数据。两缓冲器仅用一个字节的地址 99H，可以用指令对SBUF读写来区别是对发送缓冲器的操作或者是对接收缓冲器的操作。串行口对外有两条独立的收发信号线RXD（P3.0）、TXD（P3.1），因而可同时接收和发送数据，来实现完成全双工。2SCON寄存器被用来控制其串行口的运行状态和方式，可以按位来寻址，他的字节地址是98H。用于设定串行口的各工作方式以及实施接收与发送控制。字节地址是98H，各位的定义如表3.6。表3.6 SCON寄存器的各位功能定义D7D6D5D4D3D2D1D0SM0SM1SM2RENTB8RB8TIRI表3.7 串行口工作方式选择位定义SM0SM1工作方式功能描述波特率00方式08位移位寄存器Fosc/1201方式110位UART可变10方式211位UARTFosc/64或fosc/3211方式311位UART可变SM2：多机通讯的控制位。若在方式0时，SM2一定要为0。若在方式1中，当SM2=1时，就只有在接收得到有效的停止位时，RI才被置1。若是方式2或者方式3下，当SM2=1并且接收到第9位数据RB8=1时，RI才被置1。REN：接收允许的控制位。用软件来置位来允许接收，又要由软件清零以禁止接收。TB8: 是要发送出数据的第九位。在方式2或是方式3中，要发送的第9位数据，根据需要由软件置1或清0。RB8：接收到的数据第9位。在方式0中不使用RB8。在方式1中，若SM2=0，RB8为接收到的停止位。在方式2或者方式3中，RB8为接收到的第9位数据。TI：发送中断标志。方式0中，第八位发送的结束时，用硬件置位。在其它另外方式的发送停止位前，由硬件置位。TI置位既表示一帧信息发送结束，同时也是申请中断，可根据需要，用软件查询的方法获得数据已发送完毕的信息，或用中断的方式来发送下一个数据。TI必须用软件清0。RI：接收中断标志位。在方式0，当接收完第8位数据后，由硬件置位。在其它方式中，在接收到停止位的中间时刻由硬件置位（例外情况见于SM2的说明）。RI置位表示一帧数据接收完毕，可用查询的方法获知或者用中断的方法获知。RI也必须用软件清0。3.PCON中的SMOD用来控制波特率加倍。4. TMOD设置定时器1的工作方式，用来产生波特率。5. 如果用到中断，则还需要用到中断相关的寄存器IE，IP等。3.4.2 HS1101湿敏电容HS1101湿度传感器采用专利设计的固态聚合物结构，具有响应时间快、高可靠性和长期稳定性特点，不需要校准的完全互换性。湿度传感器HS1101是基于独特工艺设计的电容元件，这些相对湿度传感器可以大批量生产。可以应用于办公室自动化，车厢内空气质量控制，家电，工业控制系统等。它有以下几个显著的特点： 1、全互换性，在标准环境下不需校正 2、长时间饱和下快速脱湿 3、可以自动化焊接，包括波峰或水浸 4、高可靠性与长时间稳定性 5、专利的固态聚合物结构 6、可用于线性电压或频率输出回路 7、快速反应时间图3.13 HS1101湿度传感器实物图HS1101湿度传感器在电路中等效于一个电容器Cx，其电容随所测空气的湿度增大而增大，其误差不大于2%RH，响应时间小于5s，温度系数为0.04pF/。由此可知其精准度还是比较好的。图3.14 湿敏电容正常工作区在相对湿度为0%-100%RH的范围内，该电容的容量由162pF变化到200pF。图3.15 湿度响应曲线多项式响应： C（PF）= C 55*（1.2510-7RH3-1.3610-5RH22.1910-3RH 9.010-1）测量频率的影响：在此数据表中，所有的电容测量 10kHz的。然而，传感器可以不受任何限制，从为5kHz到100kHz。要计算电容测量的频率的影响： fkHz = C 10KHZ（1.027-0.01185Ln（fkHz）3.4.3 555定时器555定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。一般用双极型工艺制作的称为 555，用 CMOS 工艺制作的称为 7555，除单定时器外，还有对应的双定时器 556/7556。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC/3 和 2VCC/3。555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制RS 触发器和放电管的状态。在电源与地之间加上电压，当 5 脚悬空时，则电压比较器 C1 的反相输入端的电压为 2VCC/3，C2 的同相输入端的电压为VCC/3。若触发输入端 TR 的电压小于VCC/3，则比较器 C2 的输出为 0，可使 RS 触发器置 1，使输出端 OUT=1。如果阈值输入端 TH 的电压大于 2VCC/3，同时 TR 端的电压大于VCC/3，则 C1 的输出为 0，C2 的输出为1，可将 RS 触发器置0，使输出为0电平。如图3.16所示：图3.16 NE555内部结构及管脚图555定时器引脚功能如下：1脚：外接地或接电源的负端VSS，一般的情况下接地。2脚：低触发端3脚：输出端Vo4脚：是直接清零端。当此端接到低电平，时基电路就不工作，该时刻不论TR、TH处于什么电平，时基电路的输出都为“0”，此端不用时应该接到高电平。5脚：VC是控制电压端。如此端外接电压，就可改变内部的两个比较器的基准电压，若该端不用时，应将此端串接入一只0.01F的电容接地，用以避免引入干扰。6脚：TH高触发端。7脚：放电端。此端和放电管的集电极连接，作为定时器时电容的放电。8脚：外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5 V 到16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3 V到18V。一般用5V。3.4.4 DS18B20温度传感器温度检测传感器我们选择DS18B20。美国Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS18B20为世界上的第一片支持 “一线总线”接口的温度传感器，其内部使用了在板（ON-B0ARD）专利技术。全部的传感元件和转换电路集成在一只形如三极管的集成电路内。“一线总线”独特并且经济实用的特点，让用户可以轻松的组建传感器的网络，并为测量系统构建引入了全新概念。当前，新一代的DS18B20体积更小、更灵活、更经济，让我们可以充分发挥这“一线总线”的优点。 DS18B20测量的温度范围是-55 +125，在-10 +85范围内，精度为0.5。当前温度直接以“一线总线”的数字方式来传输，极大增强了系统抗干扰能力，适用于恶劣环境的当前温度检测。DS18B20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图3.17所示。图3.17 ds18b20内部结构图DS18B20引脚定义为： (1)DQ是数字信号的输入/输出端；(2)GND是接地端；(3)VDD是外接的供电电源输入端。DS18B20工作原理为：DS18B20的测温原理如图3.18所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响较小，用来产生固定频率的脉冲信号传送给计数器1。而高温度系数的晶振伴随温度的变化该振荡率会有明显改变，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。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，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。图3.18中的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。图3.18 DS18B20测温原理框图3.4.5 MAX485芯片MAX485芯片是来自Maxim公司的一种RS485芯片。采用单一电源+5 V工作，额定的电流为300A，运用半双工通讯方式。它用来将TTL电平转换成RS485电平。其引脚结构图如图3.19所示。从图中可以看出，MAX485芯片的引脚和结构都比较简单，里面含有一个接收器和驱动器。DI和RO端分别是驱动器的输入和接收器的输出端，与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可；图3.19 MAX485接口芯片引脚结构图下面是MAX485的引脚定义：RO（引脚1）：接收信号的输出引脚。可以把来自A和B引脚的总线信号，输出给单片机。是COMS电平，可以直接连接到单片机。RE（引脚2）：接收信号的控制引脚。当这个引脚低电平时，RO引脚有效，MAX485通过RO把来自总线的信号输出到单片机；当这个引脚高电平时，RO引脚处于高阻状态。DE（引脚3）：输出信号的控制引脚。当这个引脚低电平时，输出驱动器无效；当这个引脚高电平时，输出驱动器有效，来自DI引脚的输出信号通过A和B引脚被加载到总线上。是COMS电平，可以直接连接到单片机。DI（引脚4）：输出驱动器的输入引脚。是COMS电平，可以直接连接到单片机。当DE是高电平时，这个引脚的信号通过A和B脚被加载给总线。GND（引脚5）：电源地线。A（引脚6）：连接到RS485总线的A端。B（引脚7）：连接到RS485总线的B端。Vcc（引脚8）：电源线引脚。MAX485是通过RE（2脚）和DE（3脚）这两个引脚来打到控制数据的输入和输出方向。当DE为高电平时，MAX485数据输出有效；当RE为低电平时，MAX485数据输入有效。在半双工使用中，经常能够把这两个脚连接在一起，然后由PC或者单片机输出的高低电平就可以让MAX485在发送和接收的状态之间相互转换了。因为本电路DTR和RTS都用于了电路的供电，所以使用TX线和MAX232的另外一个通道及Ql来控制MAX485的状态切换。平时MAX232的9脚输出的电平为高电平，经过Ql倒相后，使MAX485的RE和DE都为低电平而处于数据接收状态。当PC机发送数据时，MAX232的9脚输出低电平，经Ql倒相后，使MAX485的RE和DE为高电平而处于数据发送状态。A端和B端分别为接收和发送的差分信号端,当A引脚的电平高于B引脚时，代表发送的数据为1；当A端的电平低于B端时，代表发送的数据为0。在与单片机连接时接线较为简单。只需要一个信号来控制MAX485的发送和接收即可。同时要在A和B端之间加入匹配电阻，经常选100的电阻。3.4.6 MAX232芯片MAX232是个人计算机上的通讯接口之一，由电子工业协会(Electronic Industries Association，EIA) 所制定的异步传输标准接口。通常 RS-232 接口以9个接脚 (DB-9) 或是25个接脚 (DB-25) 的型态出现，一般个人计算机上会有两组 RS-232 接口，分别称为 COM1 和 COM2。其芯片引脚和结构图如图3.20所示。图3.20 MAX232芯片引脚结构图内部结构基本可分三个部分： 第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。 第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。 其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。 8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。 TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DP9插头；DP9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。 第三部分是供电。15脚DNG、16脚VCC（+5v）。3.4.7 LM7805芯片三端稳压集成电路lm7805和lm7809。电子产品中，常见的三端稳压集成电路有正电压输出的lm78 系列和负电压输出的lm79系列。顾名思义，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端，如图3.21所示。图3.21 lm7805芯片引脚图3.4.8 LCD16021602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。1602LCD是指显示的内容为16*2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。其管脚图如图3.22所示。图3.22 液晶芯片引脚图1602采用标准的16脚接口，其中：第1脚：VSS为电源地第2脚：VCC接5V电源正极第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会 产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端,高电平（1）时读取信息，负跳变时执行指令。第714脚：D0D7为8位双向数据端。第1516脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。4 软件设计4.1 软件设计原理及设计工具4.1.1 Altium DesignerAltium Designer是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化的电子开发系统， 这套软件通过把原理图设计、电路仿真、拓扑逻辑自动布线、PCB绘制编辑、设计输出和信号完整性分析等各种技术的完美融合，熟练使用这一软件必将使电路设计的质量和效率大大提高。图4.1 Altium Designer使用截图Altium Designer 除了全面继承包括Protel 99SE、Protel DXP在内的先前一系列版本的功能和优点外，还增加了许多改进和很多高端功能。该平台拓宽了板级设计的传统界面，全面集成了FPGA设计功能和SOPC设计实现功能，从而允许工程设计人员能将系统设计中的FPGA与PCB设计及嵌入式设计集成在一起。 由于Altium Designer 在继承先前Protel软件功能的基础上，综合了FPGA设计和嵌入式系统软件设计功能。4.1.2 ProteusProteus软件是来自英国Labcenter Electronics公司的EDA工具软件，Proteus软件除了拥有与其它EDA工具同样的原理布图，PCB自动或人工布线和电路仿真的功能以外，该革命性的功能是，他的电路仿真是互动的。如图4.1为其使用截图。实用的PCB设计平台；支持引脚交换/门交换功能使PCB设计更为合理；支持器件的自动/人工布局；完整的PCB设计功能；支持无网格自动布线或人工布线；可以输出多种格式文件。如图4.2为该软件使用界面：图4.3 软件使用界面4.1.3 Keil uVision4开发工具Keil uVision4是德国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件而开发的系统，使用接近于传统c语言的语法来开发，和汇编相比，C语言在结构性、可读性、功能上有明显的优势，所以容易使用，且极大增强了工作的效率和项目的开发周期并能使我们可以更加贴近CPU本身，及其它的衍生产品。图4.4 KEIL软件的使用界面该软件功能特点：提供软件调试功能。在该软件仿真系统中具有单步、全速等调试功能，同时能够观察各变量、寄存器等的当前状态；支持主流单片机系统的仿真。实现了单片机仿真和SPICE电路仿真相结合。该软件是一款集单片机和SPICE分析于一体的仿真软件，其功能非常强大。4.1.2 LabVIEW与 C 和BASIC一样，LabVIEW也是通用的编程系统，有一个完成任何编程任务的庞大函数库。LabVIEW（Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench）是一种用图标代替文本行创建应用程序的图形化编程语言。传统文本编程语言根据语句和指令的先后顺序决定程序执行顺序，而 LabVIEW则采用数据流编程方式，程序框图中节点之间的数据流向决定了VI及函数的执行顺序。VI指虚拟仪器，是 LabVIEW的程序模块。LabVIEW提供很多外观与传统仪器类似的控件，可用来方便地创建用户界面这种前面板。运用图标连线，能够由编程对前面板上的对象进行控制。这就是图形化源代码，又称G代码。图4.5 labvIEW软件的使用界面虚拟仪器（virtual instrument）是基于计算机的仪器。虚拟仪器实际上是一个按照仪器需求组织的数据采集系统，使用较为广泛的计算机语言是美国NI 公司的 LabVIEW。4.2 软件设计流程图根据软件设计的思想，设计了程序的主流程图如图4.6所示。主流程图包括系统上电后，各个模块初始化，然后进入温湿度检测及显示程序。判断上位机是否给出温湿度范围及当期温湿度是否在所给范围之内，并将当前所测得的温湿度数据反馈给上位机。图4.6 程序的主流程图上位机程序流程图如图4.7所示。上位机通信首先由上位机位机向子单片机开启传送命令，然后子单片机向上位机传送当前温湿度数据，并在接收到当前温湿度数据时给出设定的温湿度上下限范围，在虚拟仪器界面部分显示并报警。图4.7 上位机程序的流程图单片机串行口中断流程时序，由于RS-485通信是一种半双工通信，RS-485标准只制定了物理层电气标准，对上层通信协议没有规定,发送和接受共用同一物理通道，在任意时刻只允许一台单片机处于发送状态，因此要求应答的单片机必须在侦听到总线上呼叫信号己经发送完毕，并且在没有其他单片机应答信号的情况下才能应答。图4.7串口中断流程图温湿度采集子程序流程，温度采集时需注意以下操作:1.开始初始化DS18B20(触发一个不少于480s的低脉冲)；2.执行ROM命令，主要用来定位；3.执行DS18B20的存储器控制命令，用于转换和读温度数据；4.数据处理，从DS18B20读出的二进制数据必须先转换成十进制数据，才能用来字符的显示。本系统为了提高转换的精度采用12位，但温度寄存器中的数据是以0.0625为步进的，即温度数据是温度寄存器中的二进制数据乘以0.0625，就是当前实际的十进制温度值。湿度采集时计数出20ms内输入的脉冲个数乘以50即实现1s的定时，该脉冲的个数即为555定时器的脉冲频率，因此，根据测得的脉冲频率即可求出湿度值。温湿度采集子程序的流程图如图4.8和图4.9所示。 图4.8 温度采集子程序图 图4.9 湿度采集子程序图本系统在设计上考虑到在子单片机处的实际情况，设计了可以设定温湿度上下限范围的按键电路和显示当前温湿度和所设定的温湿度上下限范围的液晶电路，其按键扫描子程序和液晶显示子程序如图4.10和4.11所示。图4.10 按键扫描子程序图 图4.11液晶显示子程序图5 系统调试5.1 硬件调试及仿真1. 打开PROTEUS 操作界面。 2选择“P”，从元件库中提取需要的元器件（选中双击），选择完点OK。 3在编辑区画电路图,修改元件参数。 4进行电路仿真。 5保存文件。文件保存完后，在画好的proteus仿真图里面，双击单片机，弹出如下图5.1所示的界面。图5.1 程序加载界面单击program file后面选定此HEX文件，如图所示，点击OK，程序就加载到单片机里面了，点击左下角run按钮，单片机执行编译的程序，即可实现仿真。5.2 仿真结果5.2.1系统要求实现的功能按照设计方案，本系统能实现以下功能：1.各单片机能进行实时监测温湿度。2.上位机通过串口与子单片机进行实时通信。3.对于温湿度都能进行精确设定，设定温度范围23到28，湿度范围42%RH到47%RH。4.温湿度超过设定的温湿度范围时能进行报警并启动相关外设。5.2.2 调试结果1、打开已经设计好的电路图文件，运行仿真。首先，数码管显示设定好的温度湿度与当前的湿度和温度。当前的温度为26，湿度为45%RH，设定温度范围23到28，湿度范围42%RH到47%RH，如图5.2所示。图5.2 初始温度显