土壤温湿度采集器设计毕业论文.doc

摘 要 适宜的土壤温湿度是农作物生长的重要环境条件 它不仅直接影响农作物根系的生 长发育以及土壤微生物的活动 而且土壤温湿度的变化还可以改变土壤中水分的运动 造成灌溉的困难 因此人们必须对土壤温湿度进行采集并加以控制 使之保持在一定 范围之内 以适应农作物的生长 采用单片机系统来设计的土壤温湿度采集器 不仅 具有控制方便 简单 灵活性大等优点 而且较之使用人工分别检测温度和湿度再进 行分析处理的方法可以大幅度提高被控温湿度的技术指标 减小中间过程的人为因素 误差 从而能够大大提高数据的质量 进而使系统做出正确的判断和进一步的控制动 作 本设计主要是针对现代农业生产中的大棚温室种植的土壤温湿度进行采集和显示 并有简单的预置功能和报警功能 本设计以单片机为处理核心 对土壤 也可以是周围的环境比如是空气 进行温 度和湿度的测量并进行采集 通过数码管显示出来 在系统的硬件部分主要是采集电 路和显示电路 采集电路主要是通过温湿度传感器 DHT11 将采集到的温湿度数值以数 字信号的形式送入单片机中进行处理 显示电路主要是将已经数据处理的温湿度数值 利用数码管进行显示出来 配合系统的其他硬件部分如按键系统可以选择显示模式 软件部分的主要工作是使温湿度传感器得到的温湿度数值与单片机之间正确的进行信 号的周期性采集与输送 之后进行各种判断来控制硬件电路的显示模式和报警电路 关键词 温湿度参数 单片机 温湿度传感器 Abstract The suitable temperature and humidity of soil are very important for the crop growth the conditions of soil not only effect the crop root and the microorganism in growing but also can effect the moisture movement in the soil So to keep the moisture in the soil is difficult Therefore people should get the soil temperature and humidity in time to control the system so that it remains within a certain range in order to adapt to the growth of crops The single chip microcomputer for controling the soil temperature and humidity systern not only has control of the convenience simplicity flexibility advantages but also were used to detect than the artificial temperature and humidity can greatly increase the technical indicators of temperature and humidity to reduce the middle man error factors which can greatly enhance the quality of the data the design of agricultural production is mainly directed against the greenhouse temperature and humidity system for collecting and display and features a simple preset The single chip design to address the core of the surrounding environment temperature and humidity measurements and acquisition digital tube display Part of the hardware in the system is collected and displayed by temperature and humidity sensors DHT11 be processed into the single chip and then to the display circuit Software is part of the main collection and distribution of signals and a variety of hardware circuit judge to control the display mode and alarm circuit Keywords temperature and humidity parameters scm temperature and humidity sensors 目目 录录 引言 1 1 概述 2 1 1 温湿度传感器 2 1 2 模拟信号输出的温度传感器 3 1 3 湿度传感器 3 1 4 数字信号输出的温湿度传感器 4 1 5 系统元件的选择 4 2 硬件设计 5 2 1 硬件设计思路 5 2 2 AT89S51 单片机的相关电路 5 2 2 1 单片机芯片简介 5 2 2 2 晶振电路与复位电路的连接 8 2 3 温湿度采集电路 9 2 3 1 温湿度传感器介绍 9 2 3 2 温湿度采集与单片机的连接电路 10 2 3 3 温湿度采集数据的传送 11 2 4 键盘电路 13 2 5 显示和报警电路 15 2 6 简单的接口电路 16 3 软件设计 19 3 1 设计主流程图 19 3 2 温湿度采集子函数 21 3 3 显示程序 22 3 4 数据处理子函数 22 3 5 按键扫描程序 23 电路制作设计过程 25 1 设计流程 25 2 电路图的设计 25 2 1 电路原理图的设计 25 2 2 PCB 的设计 25 3 电路板的制作 25 结论 27 谢 辞 28 参考文献 29 附 录 30 程序 30 原理图 44 PCB 图 45 引言 适宜的温 湿度是人类及一切动植物生存生长所必需的两个最基本的环境参数 在现代生产生活中 温度和湿度的监测与控制有着十分重要的意义 传统的测试温度 和湿度的方法是通过一定的测试仪器人工逐点进行检测 这种方法费时费力 效率低 而且误差大 随着社会的不断进步和科学技术 经济的不断发展 人们对各种仪器功能的要求 也在不断的升高 在温度和湿度的采集方面也出现了许多新的高科技产品 有的传感 器已经能够通过一个传感器就能采集到温度和湿度 大大提高了采集的效率 而且精 度也比传统的采集器有明显的提高 本文将对这种采集器做出介绍 本文介绍的土壤温湿度检测装置不仅具有可以自动检测温度和湿度的功能 而且 还可以通过键盘选择检测点的温湿度的显示模式 另外还具有初值设定及报警等功能 相对于旧方法这种采集器不仅提高了传统温度和湿度的检测性能 而且还可以进行软 硬件的扩展 通过扩展实现可以实现控制室内或者生产环境的温湿度处于一定范围之 内 有利于农业的生产 因此这种采集器可以使用于各种农业的生产过程 该采集测量系统以 AT89S51 单片机为核心 配合数字式温湿度传感器 以及相关 的显示以及报警电路组成 通过采集电路可以检测所属环境的温度和湿度数值 这些 数值可以通过动态显示的数码管显示出来 实现实时采集并显示所处环境或者是土壤 的温度和湿度变化情况 所有的数据采集和数据传送都可以通过单片机控制软件来实 现 由温湿度传感器得到的温湿度数值 经串行数据线输送到单片机进行处理 经软 件分析处理后送显示电路 单片机根据检测到的温度和湿度结果 判断温度是否在界 定的范围之内 以此来决定是否启动系统的报警 以方便工作人员能够及时的采取相 应的措施使温度保持在一定的范围以内 1 概述 在人们现实的生活中 温度和湿度是一个极为重要的参数 对生活的各个方面多 有着很重要的影响 正如每天的天气预报提醒人们提前做好准备一样 在各种农作物 的生长环境中土壤的温湿度指标亦是一组相当重要的参数 特别是为适应新世纪发展 高科技现代农业的要求 农业生产中温湿度的精确控制在促进农作物的生长 提高农 产品的产量尤其重要 要做到对温湿度的精确控制 最基础的工作首先是要对土壤的 温湿度进行采集 在传统的方法当中 对土壤的温湿度进行采集一般是采用人工检测 先对待检查点的温湿度进行采集 然后用人工方法对所采集的数据进行整理分析 根 据分析的情况对所控制的对象进行特定的处理 这种对温湿度采集和处理的方法显然 与当前高科技发展的要求不符 针对这一情况 研制性能优良 效能高 可靠而实用 的土壤温湿度采集器显得更加有必要 目前市场上设计土壤温湿度采集器 大多数都是以采用单片机作为处理核心 配合 各种温度和湿度传感器进行采集 通过相应的报警 显示电路和控制电路进行数据显 示和达到实时的监控 本设计也遵循了这一设计的思想 为此在设计的初始阶段需要对各个功能模块中 所需要用到的元件类型进行了解 之后根据实际情况选择元件 根据其功能要求需要 确定 首先是处理核心单片机的选择 其次是温湿度传感器的选择 当然还有显示元 件的选择 在单片机的选择当中 现在市面上各种型号的单片机基本上都具有相同的 强大的处理功能 只是在存储和处理速度方面有所差别 而这又不影响其功能应用 显示元件的选择 现在主要是有两个方向的选择 普通的数码管的显示 液晶 LCD 显 示 鉴于编程和经济方面的考虑选择利用数码管显示是一个最优选择 温湿度传感器 的选择也是很关键的 选择适当的温湿度传感器可以使硬件的设计简单 1 1 温湿度传感器 温湿度传感器 现在基本上分为两大类型 一 模拟信号输出的传感器 二 集成 数字信号输出的传感器 这两个类型的传感器基本上是现今温湿度采集系统的选择 而这当中这两个类型的传感器又各有特点 温湿度传感器 有集温度和湿度为一体的 传感器 而更多的是分别的温度传感器和湿度传感器 集温湿度为一体的传感器几乎 都是数字型的 集成的数字信号输出的传感器有其重要的特点 在采集温湿度之后其 输出就是单片机能够识别处理的数字信号 而不需要中间的信号放大 A D 转换等环节 而且有些集成的数字温湿度传感器已经对在常规环境下的输出已经做好校准 在一般 的使用当中无需调试和重新设定 但是这种集成数字温湿度传感器的输出较之用模拟 信号输出再进行模数转换的温湿度传感器其精度就有所降低 而这些区别就是模拟输 出与数字输出传感器间的区别 模拟输出的传感器在使用过程当中 因数据传送线的 关系 需要做好补偿措施 并且需要放大和转换电路的配合 1 2 模拟信号输出的温度传感器 温度的检测方法有多种 采用的温度传感器常用的有电阻式 热电偶式 PN 结型 辐射型及石英谐振型等 它们都是基于温度变化引起其物理参数 如电阻值 热电势 等 的变化的原理 再通过一定的函数关系式将电信号的变化转化为温度的变化 下 面介绍几种常见的温度传感器 电阻温度传感器 这种传感器以电阻作为温度敏感元件 根据敏感材料不同又可 分成热电阻式和热敏电阻式 热电阻式一般用金属材料制成 如铂 铜 镍等 热敏电 阻是以半导体材料制成的陶瓷器件 如锰 镍 钴等金属的氧化物与其它化合物按不同 配比烧结而成 热敏电阻具有体积小 灵敏度高 反应速度快 分辩率高等优点 在各 个领域广泛用作测温控温及温度补偿的敏感元件 热敏电阻温度传感器的缺点是线性 度低 稳定性差 热电偶温度传感器 热电偶测温是基于 热电动势效应 的原理 所谓热电动势 效应是指 A B 两种不同的导体组成闭合回路 若两结点温度不同则在回路中产生电动势 形 成热电流 若 A B 两导体的结点 热端 温度为 T 而另一端 冷端 温度为 T0 则热电动 势为 E T T0 T T0 lnNA Nb k e 其中 k 为波尔兹曼常数 e 为电子电荷 NA Nb 为与材料有关的常数 测量 E T T0 的 大小便能确定被测温度 T PN 结型及集成电路式温度传感器 半导体 PN 结测温是近几年来发展起来的一种新 型测温手段 集成电路温度传感器具有体积小 重量轻 精度高等特点 测温范围在 50 150 也正好是最常见的温度范围 文献报导的一种电流输出型温度传感器在 0 20 内灵敏度可达 1 06 A 线性误差不超过 0 2 稳定性为 0 02 4h 1 3 湿度传感器 湿度传感器 基本上可分为电阻式和电容式两种 电容式湿敏元件的优点在于响应 速度快 体积小 线性度好 较稳定 国外有些产品还具备高温工作性能 但是达到上 述性能的产品多为国外名牌 价格都较昂贵 市场上出售的一些电容式湿敏元件低价产 品 往往达不到上述水平 线性度 一致性和重复性都不甚理想 30 RH 以下 80 RH 以 上感湿段变形严重 有些产品采用单片机补偿修正 使湿度出现 阶跃 性的跳跃 使 精度降低 出现一致性差 线性差的缺点 无论高档次或低档次的电容式湿敏元件 长 期稳定性都不理想 多数长期使用漂移严重 湿敏电容容值变化为 pF 级 1 RH 的变化不 足 0 5pF 容值的漂移改变往往引起几十 RH 的误差 大多数电容式湿敏元件不具备 40 以上温度下工作的性能 往往失效和损坏 电容式湿敏元件抗腐蚀能力也较欠缺 往往 对环境的洁净度要求较高 有的产品还存在光照失效 静电失效等现象 金属氧化物为 陶瓷湿敏电阻 具有湿敏电容相同的优点 但尘埃环境下 陶瓷细孔被封堵元件就会失效 往 往采用通电除尘的方法来处理 但效果不够理想 且在易燃易爆环境下不能使用 氧化铝 感湿材料无法克服其表面结构 天然老化 的弱点 阻抗不稳定 金属氧物陶瓷湿敏电 阻也同样存在长期稳定性差的弱点 电阻型的湿敏温度传感器重要的一种是氯化锂湿敏电阻 具有最突出的优点是长期 稳定性极强 因此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 精密度及一致性 是长期使用寿命的可靠保证 以上所述的温度传感器和湿度传感器都有一个共同的特点 那就是它们的数据信 号的输出都是微弱的模拟信号电流或者电压 即是电流型的或者是电压型的 一般情 况下温度和湿度的变化都是很微小的 因此需要进行发大和进行模数转换才能与单片 机系统进行必要的数据交换 1 4 数字信号输出的温湿度传感器 现在市场上使用较多的单一的集成的数字式温度传感器以 DS18B20 居多 这是一 种集成的数字式温度传感器 DS18B20 是美国达拉斯 DALLAS 半导体公司推出的应用单 总线技术的数字温度传感器 该器件将半导体温敏器件 A D 转换器 存储器等做在一 个很小的集成电路芯片上 使用这种温度传感器可以对系统的硬件设计带来许多方便 使系统的硬件部分大大的 单一的数字式的湿度传感器在市面上还是很少 数字型的湿度传感器多为是与温 度一起的 即检测为温度与湿度一起进行检测的 因此这样的才是切合实际中的需要 的 数字式温湿度传感器有 SHT 系列 以及 DHT 系列 这些集成型的温湿度传感器都有很好的线性效果 在一般的环境下无需进行校正 就可以输出单片机能够处理和接收的数字式信号 在精度允许的范围内 省却了许多 复杂的放大和转换电路 因此可以很方便的进行应用 1 5 系统元件的选择 综上进行考虑 智能的土壤温湿度采集系统的设计处理核心单片机有多种选择 在此选择了具有闪存的 而且运算处理速度很好的 AT89S51 单片机 这种单片机的稳 定性以及性价比都很高 而对于温湿度传感器的选择 为了使整个系统更加的简单和便于调试 在此选择 了集成的数字式温湿度传感器 DHT11 传感器 这种传感器有着一般的数字温湿度传感 器的特点 而且其线性度更好 对于显示电路的设计 基于整个系统的考虑 只需要用到了一般的数字显示即可 可以选择普通的数码管就能满足设计显示的要求 因此本设计以 AT89S51 单片机为处理核心 简单的可分为以下几个模块温湿度采 集模块 单片机工作模块 按键控制模块 状态显示灯模块 数据显示模块 报警模 块 系统中主要的器件有核心处理器单片机 AT89S52 集成温湿度传感器 DHT11 MAX232 芯片 4LED 共阴数码管 2 硬件设计 根据所选的各个元件的型号 确定硬件设计的主体部分 硬件系统以单片机为核心 集成的温湿度传感器 DHT11 作为系统的数据信号输入 为了很好的为单片机的程序下 载和系统数据与外部计算机的通信 还需要设计一个相应的串口电路 整个系统中温 湿度传感器将采集到的数据以串行的方式输送到单片机进行数据处理 单片机通过扫 描键盘电路以确定显示模式 可以用扫描电路进行温度的初值设定 这是作为报警电 路的一个基准 当其温度超过这个设定值时可以驱动报警电路 在实际的应用当中可 以将其改为控制电路 通过外界的设备来实施相应的控制 从而使控制对象的温度能 够保持到适当的范围之内 2 1 硬件设计思路 图 2 1 硬件系统总体设计 对于硬件部分的设计 按照简单可靠的设计原则 尽量使得系统调试简单和软件 编程简单 本次设计的对象是一个简单的智能应用系统 即对土壤温度和湿度的采集 和控制 其总的系统构图如图 1 示 系统中的电路主要用有 AT89S51 单片机的晶振 电路 复位电路 温湿度传感器 DHT11 采集电路 串口电路部分 显示及报警电路 采集电路通过检测采集到数值并将已经校准的数字化的温湿度数据输送到单片机进行 处理 单片机通过扫描键盘电路选择显示的模式 温度和湿度同时显示 单独显示温 度 单独显示湿度 温度初始值设置 当传送到单片机的数据在系统进行处理与初始 值进行比较 当超过设定值后发出一个低电平驱动报警电路工作 使蜂鸣器发声报警 2 2 AT89S51 单片机的相关电路 2 2 1 单片机芯片简介 AT89S51 是一种低功耗 高性能的 CMOS 八位微控制器 具有 8K 的系统可编程 采 集 部 分 键盘部分 显示 部分 单 片 机 报警 部分 接 口 部 分 Flash 存储器 使用 ATMEL 公司高密度非易失性存储器技术制造 与工业 80C51 产品指 令和引脚完全兼容 片上 Flash 允许 ROM 在系统可编程 亦适于常规编程器 在单芯 片上 拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash 使其为众多嵌入式控制应用系统提 供灵活的解决方案 其主要特性为 与 MCS 51 单片机产品兼容 8K 字节在系统可编程 Flash 存储器 1000 次擦写周期 全静态操作 0Hz 33Hz 三级加密程序存储器 32 个可编程 I O 口线 三个 16 位定时器 计数器 八个中断源 全双工 UART 串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 双数据指针 掉电标识符 AT89S51 芯片的引脚图见下图 P1 0 1 P1 1 2 P1 2 3 P1 3 4 P1 4 5 P1 5 6 P1 6 7 P1 7 8 RST 9 3 0 RXD 10 3 1 TXD 11 P3 2 INT0 12 P3 3 INT1 13 P3 4 T0 14 P3 5 T1 15 P3 6 WR 16 P3 7 RD 17 XTAL1 18 XTAL2 19 Vss 20 P2 0 21 P2 1 22 P2 2 23 P2 3 24 P2 4 25 P2 5 26 P2 6 27 P2 7 28 PSEN 29 ALE 30 EA 31 P0 7 32 P0 6 33 P0 5 34 P0 4 35 P0 3 36 P0 2 37 P0 1 38 P0 0 39 Vcc 40 图 2 2 AT89S51 的引脚图 其中 VCC电源为的接入脚 20 引脚 Vss 为接地脚 和其他的单片机一样 其供电 电压为 3 3 5V 的 DC 供电 其范围更广 使系统的稳定运行性能更好 其本身具有 4 个并行的 I O 端口 作为系统与外界进行数据交换和电路扩展的端 口操作 其各自的功能如下 P0 口 8 位漏极开路的双向 I O 口 作为输出口 每位能驱动 8 个 TTL 逻辑电平 对 P0 端口写 1 时 引脚用作高阻抗输入 当访问外部程序和数据存储器时 P0 口 也被作为低 8 位地址 数据复用 在这种模式下 P0 具有内部上拉电阻 在 Flash 编程时 P0 口也用来接收指令字节 在程序校验时 输出指令字节 程 序校验时 需要外部上拉电阻 P1 口 具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑 电平 对 P1 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以作为输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因 将输出电流 IIL 此外 P1 0 和 P1 2 分别作定时器 计数器 2 的外部计数输入 P1 0 T2 和定时器 计数器 2 的触发输入 P1 1 T2EX 具体如下表所示 在 Flash 编程和校验时 P1 口接收低 8 位地址字节 表 2 1 P1 口引脚的第二功能 P2 口 具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 输出缓冲器能驱动四个 TTL 逻辑 电平 对 P2 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以作为输入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因 将输出电流 IIL 在方位 外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器时 P2 口送出高八位地址 在这种 应用中 P2 口使用很强的内部上拉发送 1 在使用 8 位地址访问外部数据存储器时 P2 口输出 P2 锁存器的内容 在 Flash 编程和校验时 P2 口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号 P3 口 P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 输出缓冲器能驱动四 个 TTL 逻辑电平 对 P3 端口写 1 时 内部上拉电阻把端口拉高 此时可以作为输 入口使用 作为输入使用时 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因 将输出电流 IIL 引脚号第二功能 P1 0T2 定时器 计数器 T2 的外部计数输入 时钟输出 P1 1T2EX 定时器 计数器 T2 的捕捉 重载触发信号和方向控制 P1 5MOSI 在系统编程用 P1 6MISO 在系统编程用 P1 7SCK 在系统编程用 P3 口亦作为 AT89S52 特殊功能 第二功能 使用 如下表所示 在 Flash 编程和校验 时 P3 口也接收一些控制信号 表 2 2 P3 口引脚的第二功能 引脚号第二功能 P3 0RXD 串行输入 P3 1TXD 串行输出 P3 2 外部中断 0 0INT P3 3 外部中断 1 1INT P3 4T0 定时器 0 外部输入 P3 5T1 定时器 1 外部输入 P3 6 外部数据存储器写选通 WR P3 7 外部数据存储器读选通 RD RST 复位输入 晶振工作时 RST 脚持续 2 个机器周期高电平将使单片机复位 看门狗计时完成后 RST 脚输出 96 个晶振周期的高电平 特殊寄存器 AUXR 地址 8EH 上的 DISRTO 位可以使此功能无效 DISRTO 默认状态下 复位高电平有效 ALE 控制信号 ALE 是访问外部程序存储器时 锁存低 8 位地址的输出PROG 脉冲 在 Flash 编程时 此引脚 也用作编程输入脉冲 PROG 在一般情况下 ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲 可用来作为外部定时器 或时钟使用 然而 特别强调 在每次访问外部数据存储器时 ALE 脉冲将会跳过 如果需要 通过将地址为 8EH 的 SFR 的第 0 位置 1 ALE 操作将无效 这一位置 1 ALE 仅在执行 MOVX 或 MOVC 指令时有效 否则 ALE 将被微弱拉高 这个 ALE 使能标志 位 地址为 8EH 的 SFR 的第 0 位 的设置对微控制器处于外部执行模式下无效 外部程序存储器选通信号 是外部程序存储器选通信号 当PSENPSEN 89S51 从外部程序存储器执行外部代码时 在每个机器周期被激活两次 而在访PSEN 问外部数据存储器时 将不被激活 PSEN VPP 访问外部程序存储器控制信号 为使能从 0000H 到 FFFFH 的外部程序存EA 储器读取指令 必须接地 EA 为执行内部程序指令 应该接 VCC EA 在 Flash 编程期间 也接收 12 伏 VPP电压 EA XTAL1 振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端 XTAL2 振荡器反相放大器的输出端 2 2 2 晶振电路与复位电路连接 AT89S51单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器 XTAL1 和 XTAL2 分别是 放大器的输入 输出端 石英晶体和陶瓷谐振器都可以用来一起构成自激振荡器 从 外部时钟源驱动器件的话 XTAL2 可以不接 而从 XTAL1 接入 在本设计系统中采用的 是外部振荡电路连接法 其电路接法如下图所示 2 3 晶振电路连接图与复位电路 石英晶振 C1 C2 30PF 10PF 2 3 温湿度采集电路 2 3 1 温湿度传感器简介 在本设计当中参数采集部分采用了集成度较高的数字化的温湿度传感器 DHT11 在 精度允许的范围内省却了信号放大和模数转换的诸多外围电路 整个系统就显得更加 的简单 因此可以方便的进行电路的调试 而且简单的硬件电路可以使软件编程变得 更加方便 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 它 应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术 确保产品具有极高的可靠性与卓越 的长期稳定性 传感器包括一个电阻式感湿元件和一个 NTC 测温元件 并与一个高性 能 8 位单片机相连接 因此该产品具有品质卓越 超快响应 抗干扰能力强 性价比 极高等优点 每个 DHT11 传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准 校准系数以 程序的形式储存在 OTP 内存中 传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准 系数 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 信号 传输距离可达 20 米以上 使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则 产 品为 4 针单排引脚封装 连接方便 特殊封装形式可根据用户需求而提供 DHT11 的特点 相对湿度和温度测量 全部校准 数字输出 卓越的长期稳定性 无需额外部件 超长的信号传输距离 超低能耗 4引脚安装 完全互换 图2 4 DHT11的实际封装 表2 3 DHT11参数 型号测量范围测湿精度测温精度分辨力封装 DHT1120 90 RH 0 50 5 RH 1 14脚单排直插 封装信息 表2 4 DHT11引脚说明 Pin名称注释 1VDD供电3 5 5V DC 2DATA串行数据 单总线 3NC空脚 可悬空 4GND接地 电源负极 DHT11的供电电压为 3 5 5V 传感器上电后 要等待 1s 以越过不稳定状态 此 期间无需发送任何指令 电源引脚 VDD GND 之间可增加一个100nF 的电容 用以 去耦滤波 2 3 2温湿度采集与单片机的连接电路 图2 5 温湿度采集电路 这是采集部分的电路 此时的温湿度传感器1脚连接到电源 4脚为接地 在数据 端的2脚需要有个上拉电阻 2脚直接与单片机的I O口相连作为数据的传送端口 而3 脚可以悬空 采集部分是一个很简单的连接电路 但是作为检测部分需要将其置于被 测的坏境中才能保证其准确性 但是系统的核心部分单片机不可以置于外部的变化环 境当中 会影响到系统的工作性能和工作寿命 因此需要将其与系统核心分开 需要 使用比较长的数据线将其分离 此时的上拉电阻则需根据数据端线的长度有所不同 在数据端的上拉电阻的选择中建议连接线长度短于20米时用5K上拉电阻 大于20米 时根据实际情况使用合适的上拉电阻 这个简单的采集电路直接与单片机连接通过单 总线的数据传输 由软件控制其采集的频率和数据的传送 高集成的温湿度传感器如 何顺利的向处理中心单片机输送数据 需要根据其特定的传送方式对采集部分进行编 程 这就需要了解它的工作方式 2 3 3 温湿度采集数据的传送 DHT11的工作方式和数据传送 DATA 脚用于微处理器与 DHT11之间的通讯和同步 采用单总线数据格式 一次通讯 时间最大3ms 数据分小数部分和整数部分 具体格式在下面说明 当前小数部分用于以 后扩展 现读出为零 操作流程如下 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 8bi温度整数数据 8bit温度小数数据 8bit校验和 校验和数据为为前四个字节相加 用户MCU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 从模式下 DHT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 数据采集和传送 单片机发送起始信号如下图 图2 6 信号起始图 DATA线空闲状态为高电平 主机把DATA线拉低等待DHT响应 主机把DATA线拉低必须 大于18毫秒 保证DHT能检测到起始信号 DHT11发送响应信号如下图 图2 7 响应信号过程图 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DHT的回应信号 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 DATA线由上拉电阻拉高 DHT11开始发送数据如下图 图2 8 数据发送图 主机发送开始信号后 延时等待20us 40us后读取DHT的回应信号 读取DATA线为 低电平 说明DHT发送响应信号 DHT发送响应信号后 再把DATA线拉高 准备发送数据 每 一bit数据都以低电平开始 格式见下面图示 如果读取响应信号为高电平 则DHT没有响 应 则检查线路连接是否通畅 数字1信号表示方法 图2 9 数字信号1的表示方法 数字0信号的表示方法 图2 10 数字信号0的表示方法 本系统中采用DHT 11作为温湿度的采集芯片 有着很好的数字输出无需外加放大 和转换模块 与单片机进行的是单总线的串行数据传输 硬件电路简单 方便进行调 试和更换 2 4 键盘电路 本系统的键盘控制按键很少 只有四个按键因此不需要选用专门的键盘控制扩展 芯片8279 电路图如下 图2 11 按键电路 本设计共有 4 个按键分别为 复位键 模式选择键 加键 减键 在左边的图中与 P1 0 相连键作为模式选择按键 通过对其按键可以在几个模式当中循环的改变 连接 P1 2 和 P1 3 的键是加减键 当模式键位于设定模式时 此时显示电路会显示出设定的初始 值 这时可以通过加减键来进行重新的设定其中的模式键和加减键直接与单片机的 I O 口相连接 对此 I O 口进行扫描就可判断所需进行的模式显示或者是初值的设定和改 变 工作模式有如下几种 1 开机后 开始显示温度 2 当按下模式键一次 显示湿度 3 按下第二次后 显示温度的设定值 4 按下第二次后 可通过加减键调节设定值 相应按下按键后除了显示部分中的 4 个数码管有相应的变化 还有相应的指示灯进行 显示 电路如下图 图2 12 模式显示电路 其中LED GREEN和LED RED分别接到相应的I O口 当在开机后首先显示模式为温度 这时LED RED亮了 显示湿度 尔后 当我们第一次按下模式键的时候 LED GREEN亮 这个时候显示湿度 按下第二次后 进入调整模式 此时LED GREEN和LED RED两个灯 均亮 这时利用加减键可进行设置 复位电路是单片机应用的一种常见的掉电保护电路 在突然断电或其他的情况下 可以有很好的保护作用 2 5 显示和报警电路 在单片机系统中 发光二极管 LED 常常作为重要的显示手段 它既可以显示系 统的状态 又可以显示数字和字符 由于LED显示器的驱动电路简单 易于实现且价格 低廉 因此是工业仪表和实验室仪器常用的一种输出显示设备 LED显示器是LED显示 器的一种 它是将多个发光二极管集中在一块 构成阿拉伯数字笔画的形状 这些发 光二极管共用一个或两个公共极 为数字信息的显示提供了方便 LED显示器的驱动方 法分静态和动态两种 所谓动态是指LED显示器上的信息是通过不断地刷新 即周期性 的驱动 维持的 由于人的视觉的延时 此时看到各个数码管均是点亮的 动态驱动的 优点是连线比静态方式大为减少 它是数码显示器常用的一种方式 静态驱动编程简 单 但占用I O口较多 本设计采用I O口软件控制4位LED的动态显示温湿度 其电路 如下图 图2 13 显示电路图 单片机将温湿度传感器传送过来的温湿度数据进行处理 温湿度传感器传送过来的 是温度和湿度的40bit的数据 单片机将其转为十进制的数据并判断其大小以确定是否 将其显示 例如如果十位数字是0则可以将其不显示 判断后将其送到P0口显示出来 4位的LED数码管采用共阴型 并利用三极管进行驱动 其动态显示由P2口控制输出 显示的各种模式则由键盘电路中的按键进行选择 通过输送到P0口不同的参数配合P2 口的动态选择则可实现不同的显示 在本设计选用的数码管的型号是4个数码管的共阳型BT A5461BH 数码管分为共阴 和共阴的两种型号 一般的在同一种类型的即是共阳的或者是共阴的数码管中是可以 互相替代的 因此这对一般的替代或者修补来说是很方便的 作为7段的数码管的驱动 在一般的情况下需要使用上拉电阻 而作为动态显示功能实现的一个重要的条件是4个 数码管的轮流显示 即在4个使能端的控制信号需要安排其频率符合人的视觉效果 而 这则要在系统的软件设计当中使用恰当的延时 在硬件设计方面 三极管的选用决定了通过蜂鸣器电流或者电压的大小 在此使 用了三极管进行数码管的驱动 选用的三极管型号是PNP型的8550 其引脚图如下 图2 14 三极管8550引脚 当温湿度传感器将测量数值送到单片机 系统将其与设定值进行比较 若超过初 始值则向P3 7口输送驱动信号以使蜂鸣器发声 蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器 采用直流电压供电 广泛应用于计算机 打印机 复印机 报警器 电子玩具 汽车电子设备 电话机 定时器等电子产品中 作发声器件 蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型 电磁式蜂鸣器由振荡器 电磁线圈 磁铁 振动膜片及外壳等组成 接通电源后 振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈 使电磁线圈产生磁场 振动膜片在电磁线 圈和磁铁的相互作用下 周期性地振动发声 其发声的频率则由驱动信号的频率决定 这是一个简单的驱动电路 在实际的应 用当中可以外接继电器 作为控制电路启动专门的如水闸或者是加热降温装置的启动 2 6 简单的接口电路 系统中所用到的是具有很强的处理能力的AT89S51单片机 可以很好的与外界进行 数据交换 可以进行进一步的分析和控制 亦可以对软件的部分重新进行编辑 实现 新的功能 因此需要一个接口电路与外界进行连接 现在流行的单片机与外部进行接 口交换的是RS232的串口通信 本设计即选择了这种接口方式 其中用到了MAX232芯片 这是专门为RS232标准串口设计的接口电路芯片 MAX232是一种双组驱动器 接收器 片内含有一个电容性电压发生器以便在单5V电源供电时提供EIA TIA 232 E电平 每个 接收器将EIA TIA 232 E电平输入转换为5V TTL CMOS电平 这些接收器具有1 3V的典 型门限值及0 5V的典型迟滞 而且可以接收 30V的输入 每个驱动器将TTL CMOS输入 电平转换为TMEIA TIA 232 E电平 MAX芯片的引脚图如下 图2 15 MAX引脚图 MAX232 芯片使用 5v 单电源供电 其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 接口电路图如下 图2 16 接口电路图 其中T2IN和R2OUT相应的与单片机的端口相连接 3 软件程序设计 在单片机系统中 硬件与软件紧密结合 由于硬件电路的设计不具有通用性 所 以必须根据具体的硬件电路来设计对应的软件 硬件设计的优劣直接影响到软件设计 的难易 软件设计的优劣又直接影响到硬件的发挥 软件程序的设计是根据硬件电路图的连接和各个元器件的功能进行设计 在编写 软件时 可以按各个程序的功能将软件细分为各个功能模块 再通过主程序的调用来 实现整个软件系统 单片机的编程语言常用的有二种 一种是汇编语言 一种是C语言 汇编语言的机器代码生成效率很高但可读性却并不强 复杂一点的程序就更是难读懂 而C语言在大多数情况下其机器代码生成效率和汇编语言相当 但可读性和可移植性却 远远超过汇编语言 而且C语言还可以嵌入汇编来解决高时效性的代码编写问题 对于 开发周期来说 中大型的软件编写用C语言的开发周期通常要小于汇编语言很多 相比 较而言 在本设计中C语言应用起来更得心应手 在研制单片机应用系统时 汇编语言是一种常用的软件工具 它能直接操作硬件 指令的执行速度快 但其指令系统的固有格式受硬件结构的限制很大 且难于编写与 调试 可移植性也差 随着单片机硬件性能的提高 其工作速度越来越快 因此在编 写单片机应用系统程序时 更着重于程序本身的编写效率 C语言是一种高级程序设计语言 它提供了十分完备的规范化流程控制结构 因此 采用C语言设计单片机应用系统程序时 首先要尽可能地采用结构化的程序设计方法 这样可使整个应用系统程序结构清晰 易于调试和维护 对于一个较大的程序 可将 整个程序按功能分成若干个模块 不同的模块完成不同的功能 对于不同的功能模块 分别指定相应的入口参数和出口参数 而经常使用的一些程序最好编成函数 这样既 不会引起整个程序管理的混乱 还可增强可读性 移植性也好 本设计就采用了c语言 来进行设计 3 1 设计主流程图 本系统是土壤温湿度的采集 主要有温湿度的采集 温湿度的显示 按键处理 报警处理等相关模块 系统每隔0 5秒对温湿度进行实时的采集 并将其送到单片机中 进行数据转换并放到相应的存储单元 将数据与设定值进行比较来确定是否发出报警 的驱动信号 此时单片机亦对与按键相连的I O口进行扫描 判断显示模式 在这当中 亦有一些延时程序 数据转换处理程序等子程序 在主程序当中进行调用 主流程图如下 图3 1 主程序流程图 开 始 初 始 化 设置定 时 0 5s 调用按键 程序 调用读取 程序 报警 程序 模式判断 显示 1显示 2显示 3 结束 是 否 是否超额定 值 3 2 温湿度采集子函数 在程序设计中温湿度作为一个子程序可以方便的进行调用和数据的处理判断 其 中由采集子程序开始 并在当中调用了读取的存储程序 其流程如下 拉底数据线 延时大于 18ms 拉高数据线 延时 40us 调用读取函数 子程序返回 否 是 是 否 判断是否 响应 是否 完毕 图3 2 温湿度参数传送子函数 温湿度采集电路中 温湿度传感器DHT11是数字信号输出可以与单片机直接由数据 口进行串行的数据输送 在传输过程中需要单片机先向温湿度的输入口发送一个大于 18毫秒的低电平的信号作为数据接受的起始信号 发送的低电平信号必须维持到一定 的时间以保证DHT11能够检测到起始信号 当DHT11接收到单片机数据接收的开始信号 后 并等这个低电平信号结束 然后发送低电平响应信号 单片机输送起始信号之后 延时等待20 40us后 读取DHT11的回应信号 当读取到的为低电平信号时 表明DHT11 已经做好输送数据的准备 此时温湿度传感器的DATA线是高电平 准备发送数据后每 一位bit数据都是以低电平开始 每一次传送数据传送40bit的数据 其数据分别为 8bit的湿度整数数据 8bit的湿度小数数据 温度的整数小数的16bit的数据 以及 8bit的校验和 这个校验和是前四个字节的相加 可作为检测一次传送准确与否和是 否结束的判断 在这个子函数当中 其中调用了读取函数 传送函数的实际是设置了系统的正确 的采集频率 即系统是多长时间开始采集一次当前温湿度的值 采集的频数过低 则 不能很好的体现土壤温湿度的变化趋势 若是采集频率过快 这时的采集频率的最高 值要受到系统整体的处理的快慢和一次完整的采集过程所需要的时间的影响 过高的 采集频率是不必要的 而且影响整个系统的运行性能 造成数据的繁冗 在希这个程序当中 一个重要的任务是完整的准确无误的将采集到的数据输送到 单片机中进行数据处理 这就需要严格的按照温湿度传感器数据传送的方式进行数据 采集 正确的安排每一采集步骤的时间 以免使系统产生误判 3 3 显示程序 本设计系统采用共阴型的4个LED数码管进行动态的显示所采集到的土壤的温湿度 值 其各自使能端的控制端口分别是P2 3 P2 4 P2 5 P2 6 而且模式由两个发光二极 管的亮灭来表示不同的显示模式 数码管的显示采用动态显示模式 在此程序过程当 中将调用了数据处理子程序产生的结果作为P0口的输出 数码管的显示数据就由P0口 输出 其流程图如下 选择模式 送 P0 口 延时 返回 图3 3 显示程序流程图 3 4 数据处理子函数 数据处理子程序主要是将温湿度采集的程序采集到的数据进行进一步的判断和转 变 流程如下 定义数值 高低位 采集数据 10 定高低位 判断数值是 否符合 送显示 返回 是 报警 调 用 否 图3 4 数据处理程序流程图 在这个程序当中 将温湿度传感器传送过来的数值进一步的处理 将其转变为10 进制数值 作为数显管的显示数据 3 5 按键扫描程序 本系统中按键的作用主要是进行显示模式的选择和初值的设定 因此准确的进行 按键的扫描对系统的显示有着确定的作用 单片机首先对按键连接的I O口进行扫描并 给予模式的确定以确定显示模块中swich的选择 流程图如下 扫描读取 I O 口 确定是哪个按键 确定模式显示 返回 图3 5 按键处理程序 另外整个软件程序当中还有其他的延时程序 在显示和数据接收当中均用到这些 延时程序 电路制