温室自动监控及低温预警系统毕业论文.doc

山东科技大学学士学位论文 摘要 摘摘 要要 本文设计了一种基于 89C51 单片机控制技术的日光温室实时环境监 测与控制系统 系统分别由 DS18B20 数字温度传感器 IH3605 湿度传感 器来获取和控制温度 湿度的信号 并利用 A D 转换器 ADC0809 将其湿 度转换为数字信号 当温室温度低于正常温度时能及时的启动报警装置 用户可以通过 LED 数码管显示读出温度和湿度值 系统为基于单片机的测试系统 含采样电路设计 A D 转换器与单 片机接口电路设计 单片机电路设计 显示电路设计 报警电路设计及 看门狗电路设计等硬件电子电路 系统软件编程设计包括系统主程序设 计 数据采集子程序设计 低温预警子程序设计 显示子程序设计等 均采用 51 系列利汇编语言编程实现 该系统可实时测试 控制 且稳定 性好 操作简单 可广泛用于农业 林业等部门的相关控制部分 关键词 关键词 单片机 温度 湿度 低温预警 上下位机通信 山东科技大学学士学位论文 摘要 ABSTRACT This paper presents a greenhouse environment monitoring and control system which is based on 89C51 microcontroller The system used digital temperature sensor DS18B20 and humidity sensors IH3605 to access and control temperature humidity and signal And this system also using A D converter ADC0809 to convert the humidity into digital signal When the temperature of greenhouse is lower than normal it can start alarm device on time Users can read the temperature and humidity values by LED This system is a test system which is based on SCM including the sampling circuit design A D converter and the microcontroller interface circuit design microcontroller and memory circuit design display circuit design alarm and watchdog circuit design and other hardware electronic circuits The software programming includes system main program design data collection program design low temperature warning program design display program design And all of them were compiled by 51 programming language This system not only can make real time testing and control but also be very stability and operation simple So it can be widely used in the control section of agriculture forestry and other sectors Key words SCM temperature humidity low temperature warning upper and lower computer communication 山东科技大学学士学位论文 目录 目录目录 1 1 绪论绪论 1 1 1 课题的提出和意义 1 1 2 国内外研究发展概况 2 1 3 本课题的主要研究内容 4 2 2 系统总体设计系统总体设计 6 2 1 总体设计思路 6 2 2 系统功能设计 7 2 3 系统原则设计 8 2 4 系统组成与工作原理 9 3 3 系统硬件设计系统硬件设计 11 3 1 温度传感器连接电路设计 11 3 2 集成湿度传感器 IH3605 24 3 3 A D 转换电路设计 26 3 4 单片机连接电路设计 30 3 5 外设电路设计 33 3 6 上下位机通信 35 4 4 系统软件设计系统软件设计 41 4 1 软件主体设计 41 4 2 温度测量程序设计 42 4 3 I O 端口的扩展程序设计 46 4 4 显示子程序设计 46 4 5 AD 转换程序设计 48 5 5 总结总结 49 参考文献参考文献 50 山东科技大学学士学位论文 目录 致谢致谢 51 附录附录 A A 重要程序重要程序 52 附录附录 B B 外文文献外文文献 61 附录附录 C C 中文翻译中文翻译 77 附录附录 D D 总体电路图总体电路图 90 山东科技大学学士学位论文 绪论 0 1 1 绪论绪论 1 11 1 课题的提出和意义课题的提出和意义 随着社会的发展 各种园艺温室和农作物温室的数量在不断增加 这 些温室有的也安装有各种加热 加湿 通风和降温的设备 但对于相应设 备的操作大多还是由人工来完成 当温室的面积达到上千平米甚至更大 时 操作人员的劳动强度会变的很大 并且光靠人工也已经无法完成温室 内的温度和湿度的调节 该课题研究的温室控制系统可完成对温室内温湿度的自动测量和调 节 大大降低了操作人员的劳动强度 并且使温室达到了比较先进的管理 水平 并且在我国的发展过程中 我国的温 湿度自动调节及报警系统经 历了从无到有 从简单到复杂的发展过程 其智能化程度也越来越高 在我国的一些中小城市 就日光温室的现状来看 许多地方依然靠开关 门窗来调节温湿度 这种方法不仅费时费力 效率低 准确度也不高 随机性大 当然也就不够科学 因此 需要研制一种结构简单 价格低 廉的测控系统来达到自动调节温湿度调节及报警的目的 随着科技的迅猛发展 我国逐渐实现日光温室系统管理智能化 但 是智能化程度与普及率过低 虽然有些也引进了一些国外的计算机智能 控制系统 如温室环境控制系统 也真正实现了数字化 智能化 自动 化 但投资过大 系统故障维护不便 且经济效益过低 因此实现开发 低价位实用型日光温室系统已迫在眉睫 对于推进我国日光温室智能化 管理以及最大限度的减少仓库火灾进程具有极为重要的意义 同时也具 有很大的市场商机 日光温室以其低成木 节能耗的优点被大而积推广 成为我国现阶 山东科技大学学士学位论文 绪论 1 段主要农业设施类型 近年来 单片机在我国的许多领域均得到了广泛 的应用 其优良的性价比特别适合于日光温室的建设要求 因此 利用 单片机实现日光温室内环境与水肥灌溉的自动控制 营造作物适宜的生 长环境 是使日光温室生产能够持续快速发展和解决实际生产管理问题 的重要手段 我国农业正处在从传统农业向以优质 高效 高产为目的的现代化 农业转化的新阶段 农业环境控制工程作为农业生物速生 优质 高产 手段是农业现代化的重要标志 农业设施的自动检测与控制是我国急待 发展的项目 我国目前大多数温室内的环境仍靠人工根据经验来管理 从某种程度上也影响了其效益和发展 同时微型计算机强大的软 硬件 逻辑功能 高性能价格比 高可靠性 为温室自动管理提供了强有力的 手段 也为实现温室的标准化 自动化奠定了基础环境控制对作物生产 的重要作用己为国内外大量的科学实验和生产实践所证实 只有在适宜 的环境条件下 作物才能充分发挥其高产潜力 几十年来 有关作物生 理和其生长环境的研究 不仅指导了农业生产 而且为温室环境工程及 控制的研究提供了依据和参数 但如何把这类系统用计算机来实现监控 从而为作物提供最佳的生长环境 一直是研究者面临的一项重要的任务 鉴于上述 本文提出了温室自动控制系统的设计 系统以 89C51 单 片机为中心 编制出一套温室自动控制系统 1 21 2 国内外研究发展概况国内外研究发展概况 温室是一种可以改变植物生长环境 为植物生长创造最佳条件 避 免外界四季变化和恶劣气候对其影响的场所 它以采光覆盖材料作为全 部或部分结构材料 可在冬季或其他不适宜露地植物生长的季节栽培植 山东科技大学学士学位论文 绪论 2 物 温室生产以达到调节产期 促进生长发育 防治病虫害及提高质量 产量等为目的 而温室设施的关键技术是环境控制 该技术的最终目标 是提高控制与作业精度 国外对温室环境控制技术研究较早 始于 20 世纪 70 年代 先是采 用模拟式的组合仪表 采集现场信息并进行指示 记录和控制 80 年代 末出现了分布式控制系统 目前正开发和研制计算机数据采集控制系统 的多因子综合控制系统 现在世界各国的温室控制技术发展很快 一些 国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化 无人化的方向发展 像 园艺强国荷兰 以先进的鲜花生产技术著称于世 其玻璃温室全部由计 算机操作 日本研制的蔬菜塑料大棚在播种 间苗 运苗 灌水 喷药 等作业的自动化和无人化方面都有应用 日本利用计算机控制温室环境 因素的方法 主要是将各种作物不同生长发育阶段所需要的环境条件输 入计算机程序 当某一环境因素发生改变时 其余因素自动作出相应修 正或调整 一般以光照条件为始变因素 温度 湿度和 CO2 浓度为随变 因素 使这四个主要环境因素随时处于最佳配合状态 美国和荷兰还利 用差温管理技术 实现对花卉 果蔬等产品的开花和成熟期进行控制 以满足生产和市场的需要 英国伦敦大学农学院研制的温室计算机遥控 技术 可以观测 50km 以外温室内的光 温 湿 气和水等环境状况 并 进行遥控 我国对于温室控制技术的研究较晚 始于 20 世纪 80 年代 我国工 程技术人员在吸收发达国家温室控制技术的基础上 才掌握了人工气候 室内微机控制技术 该技术仅限于温度 湿度和 CO2浓度等单项环境因 子的控制 之后 我国的温室控制技术得到了迅速发展 20 世纪 80 年代 由于当时只注重引进温室设备 而忽略了温室的管理技术和栽培技术 且引进的温室能耗过高 致使企业相继亏损或停产 90 年代初 我国大 山东科技大学学士学位论文 绪论 3 型温室跌入了发展的低谷 九五 初期 以以色列温室为代表的北京中以 示范农场的建立 拉开了我国第二次学习和引进国外现代温室技术的序 幕 到 90 年代中后期 在对国外温室设备配置 温室栽培品种 栽培技 术等各个方面进行研究的基础上 我国自主开发了一些研究性质的环境 控制系统 1995 年 北京农业大学研制成功了 WJG 1 型实验温室环境监 控计算机管理系统 此系统属于小型分布式数据采集控制系统 1996 年 江苏理工大学毛罕平等研制成功了使用工控机进行管理的植物工厂系统 该系统能对温度 光照 CO2 浓度 营养液和施肥等进行综合控制 是 目前国产化温室控制技术比较典型的研究成果 中国农业机械化科学研 究院研制成功了新型智能温室系统 该系统由大棚本体及通风降温系统 太阳能贮存系统 燃油热风加热系统 灌溉系统 计算机环境参数测控 系统等组成 1997 年以来 中国农业大学在温室环境的自动控制技术方 面也取得了一定的成果 90 年代末 河北职业技术师范学院的闰忠文研 制了蔬菜大棚 其能够对温 湿度进行实时测量与控制 但由于我国农 业现代化水平较低 农业劳动力大量过剩 温室的一次性投资大 资金 短缺以及对操作人员的素质要求比较高等因素 限制了温室控制技术在 温室系统的扩展 1 31 3 本课题的主要研究内容本课题的主要研究内容 本设计主要做了如下几方面的工作 一是进行毕业设计课题相关资 料的收集 二是确定系统的总体功能设计方案 三是硬件主体设计 包 括采样电路设计 A D 转换器与单片机接口电路设计 单片机电路设计 显示电路设计 报警电路设计及看门狗电路设计等 四是软件主题设计 包括系统主程序设计 数据采集子程序设计 低温预警子程序设计 显 示及报警子程序设计等 山东科技大学学士学位论文 绪论 4 本文将温室环境多种参数监测和单片机控制理论相结合 提出一种 切实可行的温室环境监测系统 可全面 实时 自动地对监测数据进行 自动记录 存储和处理 并将有关信息采用最有效的方式送入计算机 满足了对温室实行全面 实时 长期监测的要求 本毕业设计主要内容包括以下几个方面 1 用下级机 89C51 单片机和上级机 PC 微机组成温室自动控制系统 中的硬件部分即两级微型计算机数据采集系统 它们能进行数据采集 通讯和监控 2 对温室自动控制系统编程 构成温室自动控制系统中的软件部分 3 利用数字温度传感器对温度信号进行采集 采集到的信号被送到单 片机中 每隔一段时间进行温度刷新 将采集到的温度值与初始设定好的 最高温度和最低温度进行比较 如果小于最低温度或大于最高温度则进行 报警 4 利用湿度传感器 IH3605 对湿度信号进行采集 通过 ADC0809 进 行模数转换 送入单片机 并对湿度值进行显示 5 利用 Protel 进行原理图设计 选择器件 计算各器件的参数 并 完成元器件的封装 山东科技大学学士学位论文 系统总体设计 0 2 2 系统总体设计系统总体设计 2 12 1 总体设计思路总体设计思路 本设计的总体思路是分别采用 DS18B20 数字温度传感器 IH3605 集 成湿度传感器将外部测得的信号分别转化为数字信号和电压信号 然后 电压信号输入到 A D 转换器 送入单片机进行数据的分析和处理 以达 到控制系统自动报警与控制的目的 当电压的数字信号送入单片机后 根据电压与湿度的关系计算出湿度值 将测得的温度值与设定的温度范 围比较 如果超过 则转到报警模块进行报警 然后每隔一段时间把温 度和湿度刷新一下并将刷新的湿度和温度用数码管显示出来 并实时的 利用 NRF401 无线收发芯片进行上下机通信 把单片机中得到的温度与 湿度数据送入 PC 机进行显示 具体的方案见图 2 1 集成湿度传感器 IH3605 数字温度传感器 DS18B20 ADC0809 模 数转换器 89C51 单片机系统 执行 报警设备显示 NRF401 无线收发芯片 NRF401 无线收发芯片 PC 机 山东科技大学学士学位论文 系统总体设计 1 图 2 1 系统具体方案 2 22 2 系统功能设计系统功能设计 该系统的主题构架 以主控制器 89C51 为核心 利用其接口的扩展 功能 外接温度传感器 显示电路 外部存储器 A D 转换器和 NRF401 芯片 具体功能的实现 依靠程序编写人员的设置 各模块功能 数字温度传感器 DS18B20 实现对温度的测量转换及存 储 输出数字信号给单片机 集成湿度传感器 IH3605 实现对湿度的采集 并通过 ADC0809 把模拟量转化成数字量 送入单片机 显示电路实现对 温度与湿度的实时显示 有助于进行数值的设置和人员的观测 外部存 储器实现数据的存储与读取 有助于缓解主控制器存储单元不足的压力 通信模块利用 NRF401 实现了下位机主控制器 89C51 和上位机之间的无 线通信 使该设计的应用范围更广泛 使用更便捷 系统要完成的设计功能如下 1 实现对温室温度和湿度的实时采集 由数字温度传感器 DS18B20 集成湿度传感器 IH3605 进行测量 由 89C51 单片机对数据进 行监测 数据处理 存储 实现温湿度的智能的测量 2 实现数据的及时报警 3 现场监测设备应具有较高的灵敏度 可靠性 并具有存储 通信 功能 4 通信系统具有较高的可靠性 较好的实时性和较强的抗干扰能力 与计算机通讯功能 采用 NRF401 无线通信 5 长时间测量数据记录功能 可以根据需要设置数据记录时间间隔 数据存入数据存储器 6 监控计算机软件设计管理程序需要具有完成数据采集 处理的功 山东科技大学学士学位论文 系统总体设计 2 能 其软件编程具有功能强大 便于操作和执行速度快等特点 7 达到的技术指标 测温范围 55 100 测温精度 0 5 测湿范围 0 100 RH 测湿精度 2 RH 2 32 3 系统原则设计系统原则设计 要求单片机系统应具有可靠性高 操作维护方便 性价比高等特点 1 可靠性 高可靠性是单片机系统应用的前提 在系统设计的每一个环节 都 应该将可靠性作为首要的设计准则 提高系统的可靠性通常从以下几个 方面考虑 使用可靠的元器件 设计电路板时布线和接地要合理 对供 电电源采用抗干扰措施 输入输出通道抗干扰措施 系统自诊断功能等 2 操作维护方便 在系统的软硬件设计时 应从操作者的角度考虑操作和维护方便 尽量减少对操作人员专用知识的要求 以利于系统的推广 因此在设计 时 要尽可能减少人机交互接口 多采用内置或简化的方法 同时系统 应配有故障诊断程序 一旦发生故障可对系统进行重启 3 性价比 单片机除体积小 功耗低等特点外 最大的优势在于高性能价格比 因此 在设计时 除了保持高性能外 尽可能降低成本 如简化外围硬 件电路 在系统性能和速度允许的情况下尽可能用软件功能取代硬件功 能 山东科技大学学士学位论文 系统总体设计 3 2 42 4 系统组成与工作原理系统组成与工作原理 以 89C51 单片机为控制核心 采用温度测量 湿度测量 通信技术 误差修正等关键技术 以 DS18B20 数字温度传感器和 IH3605 作为测量 元件 构成智能温湿度测量系统 该系统可分为温度测量电路 湿度测 量电路 A D 转换器与单片机接口电路 单片机及存储器电路 显示电路 报警电路及看门狗电路 见图 2 2 选用的器件有 单片机 89C51 温度 传感器 DS18B20 湿度传感器 IH3605A D 转换器 ADC0809 编程 I O 口扩展 芯片 8155 看门狗芯片 X25045 无线通信芯片 NRF401 MAX232 等 图 2 2 硬件结构图 本系统以单片机 89C51 为核心 数据采集 存储 显示 报警 数 据处理以及上传至计算机都要通过单片机 数据采集通过单总线的智能 温度传感器 DS18B20 和集成湿度传感器 IH3605 完成 当采集数据超出 预警值时 由报警模块蜂鸣器进行报警 然后进行相应处理 数据存储 可以在单片机的数据存储器内完成 由数码管实时显示接受的数值 在整个系统中采用了多种总线 协议技术 如智能数字温度传感器 DS18B20 的单总线技术 存储扩展的 I O 总线技术 NRF401 和计算机连 89C51 单片机 数据采集 报警指示 数据存储 数据显示 数据处理 山东科技大学学士学位论文 系统总体设计 4 接的 RS232 协议技术等 在这个系统中采用的语言是 51 系列汇编语言编程 山东科技大学学士学位论文 系统硬件设计 0 3 3 系统硬件设计系统硬件设计 3 13 1 温度传感器连接电路设计温度传感器连接电路设计 3 1 13 1 1 传感器的基本特性传感器的基本特性 传感器是指能感受规定的物理量 并按一定规律转换成可用输入信 号的器件或装置 简单地说 传感器是把非电量转换成电量的装置 传感器通常由敏感元件 转换元件和测量电路三部分组成 1 敏感元件是指能直接感受 或响应 被测量的部分 即将被测量 通过传感器的敏感元件转换成与被测量有确定关系的非电量或其它量 2 转换元件则将上述非电量转换成电参量 3 测量电路的作用是将转换元件输入的电参量经过处理转换成电 压 电流或频率等可测电量 以便进行显示 记录 控制和处理的部分 传感器的静态特性参数指标 1 灵敏度 灵敏度是指稳态时传感器输出量 和输入量 之比 或输出量 的 增量 y 和输入量 的增量 x 之比 用 So 表示为 y So x 式中So 灵敏度 y 输出量的变化量 x 输入量的变化量 对于线性传感器来说 其灵敏度是个常数 山东科技大学学士学位论文 系统硬件设计 1 2 分辨力 传感器在规定的测量范围内能够检测出的被测量的最小变化量称为 分辨力 3 测量范围和量程 在允许误差限内 被测量值的下限到上限之间的范围称为测量范围 4 线性度 非线性误差 在规定条件下 传感器校准曲线与拟合直线间的最大偏差与满量程 输出值的百分比称为线性度或非线性误差 即 max 100 Yfs max 最大非线性绝对误差 线性度 Yfs 输出满度值 5 迟滞 迟滞是指在相同的工作条件下 传感器的正行程特性与反行程特性 的不一致程度 Hm H 100 yFs 式中 H 迟滞 Hm 输出值在正 反行程间的最大差值 6 重复性 重复性是指在同一工作条件下 输入量按同一方向在全测量范围内 连续变化多次所得特性曲线的不一致性 重复性误差用满量程输出的百分数表示 即 山东科技大学学士学位论文 系统硬件设计 2 近似计算 Rm yR 100 yFs 精确计算 2 3 R yi y n 1 yFs 式中 Rm 输出最大重复性误差 Yi 第 i 次测量值 y 测量值的算数平均值 n 测量次数 7 零漂 传感器在无输入或输入为另一值时 每隔一定时间 其输入值偏离 原示值的最大偏差与满量程的百分比为零漂 8 温漂 温度每升高 1 传感器输出值的最大偏差与满量程的百分比 称为 温漂 3 1 23 1 2 DS18B20DS18B20 温度传感器概述温度传感器概述 DSI8B20 是 DALLAS 公司的最新单线数字温度传感器 它体积小 经 济 是世界上第一片支持 一线总线 接口的温度传感器 一线总线独 特而且经济的特点 使用户可轻松地组建传感器网络 为测量系统的构建引 入全新概念 它的测量温度范围为 55 125 现场温度直接以 一线 总线 的数字方式传输 大大提高了系统的抗干扰性 适合于恶劣环境的 山东科技大学学士学位论文 系统硬件设计 3 现场温度测量 如环境控制 设备或过程控制 测温类消费电子产品等 与前一代产品不同 新的产品支持 3 5 5 V 的电压范围 使系统设计更灵 活 方便 而且新一代产品更便宜 体积更小 DSI8B20 可以程序设定 9 12 位的分辨率 精度为 0 5 可以选择更小的封装方式 更宽的电 压适用范围 分辨率设定及用户设定的报警温度存储在 EPROM 中 掉电 后依然保存 DS18B20 的性能是新一代产品中最好的 性能价格比也非常 出色 继 一线总线 的早期产品后 DSI8B20 开辟了温度传感器技术的新 概念 DS18B20 和 DS18B22 使电压特性及封装有更多的选择 让用户可以 构建适合自己的经济的测温系统 S18B20 内部结构主要由 4 部分组成 64 位光刻 R O M 温度传感器 非挥发的温度报警触发器 T H 和 TL 配置寄 存器 DSI8B20 的管脚排列如图 3 1 所示 图 3 1 DS18B20 管脚 DS18B20 的管脚排列 1 GND 为电源 地 山东科技大学学士学位论文 系统硬件设计 4 2 DQ 为数字信号输入 输出端 3 VDD 为外接供电电源输入端 在寄生电源接线方式时接地 3 1 33 1 3 DS18B20DS18B20 温度传感器特点温度传感器特点 DS18B20 单线数字温度传感器 即 一线器件 其具有独特的优 点 1 采用单总线的接口方式 与微处理器连接时 仅需要一条口线即可 实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯 单总线具有经济性好 抗干扰 能力强 适合于恶劣环境的现场温度测量 使用方便等优点 使用户可 轻松地组建传感器网络 为测量系统的构建引入全新概念 2 测量温度范围宽 测量精度高 DS18B20 的测量范围为 55 125 在 10 85 C 范围内 精度为 0 5 C 3 在使用中不需要任何外围元件 4 持多点组网功能 多个 DS18B20 可以并联在惟一的单线上 实 现多点测温 5 供电方式灵活 DS18B20 可以通过内部寄生电路从数据线上获取 电源 因此 当数据线上的时序满足一定的要求时 可以不接外部电源 从而 使系统结构更趋简单 可靠性更高 6 测量参数可配置 DS18B20 的测量分辨率可通过程序设定 9 12 位 7 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 8 掉电保护功能 DS18B20 内部含有 EEPROM 在系统掉电以后 它仍可保存分辨率及报警温度的设定值 DS18B20 具有体积更小 适用电压更宽 更经济 可选更小的封装 山东科技大学学士学位论文 系统硬件设计 5 方式 更宽的电压适用范围 适合于构建自己的经济的测温系统 因此 也就被设计者们所青睐 3 1 43 1 4 DS18B20DS18B20 内部结构内部结构 DS18B20 内部结构主要由 4 部分组成 64 位 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 ROM 中的 64 位序列 号是出厂前被光刻好的 它可以看作 是该 DS18B20 的地址序列码 每 个 DS18B20 的 64 位序列号均不相同 64 位 ROM 的排的循环冗余校验 码 CRC X 8 X 5 X 4 1 ROM 的作用是使每一个 DS18B20 都 各不相同 这样就可以实现一根总线上挂接多个 DS18B20 的目的 DS18B20 内部结构见图 3 2 I O C GND VDD 图 3 2 DS18B20 内部结构 64 位 ROM 和 单总线接口 电源 检测 存储器与控制逻辑 高 速 缓 存 温度传感器 高温触发器 低温触发器 配置寄存器 8 位 CRC 发生 器 山东科技大学学士学位论文 系统硬件设计 6 3 1 53 1 5 DS18B20DS18B20 测量操作测量操作 DS18B20 中的温度传感器完成对温度的测量 用 16 位二进制形式提 供 形式表达 其中 S 为符号位 DS18B20 的输出温度数据为标准摄氏 度 对于华氏温度的应用 必须通过查表或运用转换方法 温度数据在温 度寄存器存储为一个 16 位符号扩展位和 2 位的补码 见表 3 1 该标志 位 S 表示温度的正负符号位 为正数时 S 0 为负数时 S 1 如果 是 DS18B20 配置为 12 位分辨率 在温度寄存器的所有位将包含有效数 据 对于 11 位分辨率 位 0 是未定义的 对于 10 位分辨率 位 1 和 0 是未定义的 对于 9 位分辨率 位 2 1 和 0 是未定义的 表 3 1 温度寄存器 Bit7 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 bit0 2 2 2 2 2 2 2 2 4 Bit15 bit14 bit13 bit12 bit11 bit10 bit9 bit8 SSSSS262524 高速暂存存储器由 9 个字节组成 当温度转换命令发布后 经转换 所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第 0 和第 1 个 字节 单片机可通过单线接口读到该数据 读取时低位在前 高位在后 对应的温度计算 当符号位 S 0 时 直接将二进制位转换为十进制 当 S 1 时 先将补码变为原码 再计算十进制值 高速暂存器的结构如表 3 2 所示 表 3 2 高速暂存器 温度 低位 温度 高位 THTL配置保留保留保留8 位 CRC 山东科技大学学士学位论文 系统硬件设计 7 3 1 63 1 6 DS18B20DS18B20 的工作时序的工作时序 1 初始化时序 主机首先发出一个 480 960 微秒的低电平脉冲 然后释放总线变为 高电平 并在随后的 480 微秒时间内对总线进行检测 如果有低电平出 现说明总线上有器件已做出应答 若无低电平出现一直都是高电平说明 总线上无器件应答 做为从器件的 DS18B20 在一上电后就一直在检测总线上是否有 480 960 微秒的低电平出现 如果有 在总线转为高电平后等待 15 60 微秒后将总线电平拉低 60 240 微秒做出响应存在脉冲 告诉主机本器 件已做好准备 若没有检测到就一直在检测等待 图 3 3 初始化时序 2 对 DS18B20 的写和读操作时序 接下来就是主机发出各种操作命令 但各种操作命令都是向 DS18B20 写 0 和写 1 组成的命令字节 接收数据时也是从 DS18B20 读取 0 或 1 的过程 因此首先要搞清主机是如何进行写 0 写 1 读 0 和读 1 山东科技大学学士学位论文 系统硬件设计 8 的 写周期最少为 60 微秒 最长不超过 120 微秒 写周期一开始做为主 机先把总线拉低 1 微秒表示写周期开始 随后若主机想写 0 则继续拉低 电平最少 60 微秒直至写周期结束 然后释放总线为高电平 若主机想写 1 在一开始拉低总线电平 1 微秒后就释放总线为高电平 一直到写周期 结束 而做为从机的 DS18B20 则在检测到总线被拉底后等待 15 微秒然 后从 15us 到 45us 开始对总线采样 在采样期内总线为高电平则为 1 若 采样期内总线为低电平则为 0 写时序如图 3 4 所示 图 3 4 写时序 对于读数据操作时序也分为读 0 时序和读 1 时序两个过程 读时隙 是从主机把单总线拉低之后 在 1 微秒之后就得释放单总线为高电平 以让 DS18B20 把数据传输到单总线上 DS18B20 在检测到总线被拉低 1 微秒后 便开始送出数据 若是要送出 0 就把总线拉为低电平直到读周 期结束 若要送出 1 则释放总线为高电平 主机在一开始拉低总线 1 微 秒后释放总线 然后在包括前面的拉低总线电平 1 微秒在内的 15 微秒时 间内完成对总线进行采样检测 采样期内总线为低电平则确认为 0 采样 山东科技大学学士学位论文 系统硬件设计 9 期内总线为高电平则确认为 1 完成一个读时序过程 至少需要 60us 才 能完成 读时序总线图如 3 5 所示 图 3 5 读时序 3 1 73 1 7 DS18B20DS18B20 使用方法步骤使用方法步骤 DS18B20 单线通信功能是分时完成的 他有严格的时隙概念 如果 出现序列混乱 1 WIRE 器件将不响应主机 因此读写时序很重要 系 统对 DS18B20 的各种操作必须按协议进行 根据 DS18B20 的协议规定 微控制器控制 DS18B20 完成温度的转换必须经过以下 4 个步骤 1 每次读写前对 DS18B20 进行复位初始化 复位要求主 CPU 将 数据线下拉 500us 然后释放 DS18B20 收到信号后等待 16us 60us 左右 然后发出 60us 240us 的存在低脉冲 主 CPU 收到此信号后表示 复位成功 2 发送一条 ROM 指令 ROM 指令集见表 3 3 表 3 3 ROM 指令 指令代码指令功能 山东科技大学学士学位论文 系统硬件设计 10 读 ROM33H读 DS18B20ROM 中的编码 即读 64 位地址 ROM 匹配 符合 ROM 55H 发出此命令后 接着发出 64 位 ROM 编码 访问 单总线上与编码相对应 DS18B20 使之做出响应 为下一步对该 DS18B20 的读写做准备 搜索 ROM0F0H用于确定挂接在同一总线上 DS18B20 的个数和识 别 64 位 ROM 地址 为操作各器件做准备 跳过 ROM0CCH忽略 64 位 ROM 地址 直接向 DS18B20 发温度 变换命令 适用于一片 DS18B20 工作 警报搜索0ECH该指令执行后 只有温度超过设定值上限或下限 的片子才做出响应 3 发送存储器指令 指令集见表 3 4 表 3 4 存储器指令 指令功能描述代码一线总线指令运行后的状态 温度转换 温度转换初始化 44h DS18B20 转换状态控制 不 适用于寄生电源 读暂存器 读取整个暂存器 包 括 CRC 字节 BEh 读内部 RAM 中 9 字节的内 容 写暂存器 写数据到暂存器 2 3 4 字节 TH TL 配置寄存器 4Eh 传送三字节内容到 DS18B20 复制暂存 器 将暂存器中 TH TL 配置寄存器的内容复 制到 E2PRAM 中 48h无 重调 E2PRAM 将 E2PRAM 中恢复到 RAM 中的第 23 4 字 节 B8h 重调 DS18B20 数据传递 读供电方 式 控制 DS18B20 信号供 电模式 B4h 控制 DS18B20 信号供电传输 状态 山东科技大学学士学位论文 系统硬件设计 11 现在我们要做的是让 DS18B20 进行一次温度的转换 那具体的操作 就是 1 主机先作个复位操作 2 主机再写跳过 ROM 的操作 CCH 命令 3 然后主机接着写个转换温度的操作命令 后面释放总线至少一秒 让 DS18B20 完成转换的操作 在这里要注意的是每个命令字节在写的时 候都是低字节先写 例如 CCH 的二进制为 11001100 在写到总线上时要 从低位开始写 写的顺序是 零 零 壹 壹 零 零 壹 壹 整个 操作的总线状态如图 3 6 读取 RAM 内的温度数据 同样 这个操作也要接照三个步骤 1 主机发出复位操作并接收 DS18B20 的应答 存在 脉冲 2 主机发出跳过对 ROM 操作的命令 CCH 图 3 6 温度的转换总线状态 3 主机发出读取 RAM 的命令 BEH 随后主机依次读取 DS18B20 发出的从第 0 一第 8 共九个字节的数据 如果只想读取温度 数据 那在读完第 0 和第 1 个数据后就不再理会后面 DS18B20 发出的数 据即可 同样读取数据也是低位在前的 整个操作的总线状态如下图 山东科技大学学士学位论文 系统硬件设计 12 图 3 7 读 RAM 温度数据总线状态 在这里说明一下 第二步跳过对 ROM 操作的命令是在总线上只有一 个器件时 为节省时间而简化的操作 若总线上不止一个器件 那么跳 过 ROM 操作命令将会使几器件同时响应 这样就会出现数据冲突 3 1 83 1 8 温度检测电路温度检测电路 本次设计智能温度报警系统的温度采集就由 DSI8B20 完成 将 DSI8B20 的 GND 脚接地 VDD 脚接高电平 而单总线 DQ 脚接单片机的 P1 4 口 具体的采集电路如图 3 8 所示 山东科技大学学士学位论文 系统硬件设计 13 图 3 8 温度采集电路 在主程序中设定一个循环 通过 P1 4 口对将温度传感器发送转换命 令进行转换并由单片机的 P1 4 口读取转换后的数据 然后由数据转换子 程序将读入的数据转换成温度 最后将温度存入存储器 如此不断循环 以实现实时温度转换功能 3 23 2 集成湿度传感器集成湿度传感器 IH3605IH3605 3 2 13 2 1 集成湿度传感器概述及特点集成湿度传感器概述及特点 湿度测量采用 IH3605 IH3605 是一种电容式湿度传感器 其内部集 成有信号调理电路 具有精度高 线性度好 互换性强及输出电压范围 大等优点 由于 IH3605 内部的两个热化聚合体层之间形成的平板电容器电容量 的大小可随湿度是不同发生变化 从而可以完成对湿度信号的采集 IH3605 集成湿度传感器的测量湿度范围为 0 100 RH 固有精度 为 2 RH 工作温度范同为 40 85 工作电压为 4 5 8 V 它的输 出电压是供电电压 湿度 温度的函数 电源电压升高 输出电压将成 比例升高 在实际应用中 可通过以下步骤计算出实际的相对湿度值 1 计算在 25 条件下的相对湿度值 VOUT VDC 0 062RH0 0 16 式中 VOUT为传感器输出电压值 VDC为传感器供电电压值 RHo 为 25 时相对湿度值 本系统中传感器供电电压值为 5 V 因此相对湿度值 RH 在 O 100 之间变化时 传感器输出电压值在 0 3 9 V 之间变化 2 温度对湿度补偿 计算当前温度 T 下的实际相对湿度值 RHo 山东科技大学学士学位论文 系统硬件设计 14 RH RH0 1 0546 0 00216T 其中 RH 为实际的相对湿度值 T 为当前的温度值 单位为 C IH3605 的输出电压与相对湿度的关系曲线如图 3 9 所示 图 3 9 输出电压与湿度关系曲线 3 2 23 2 2 湿度测量电路 IH3605 的输出电压较高且线性度较好 可以将 IH3605 的输出信号直 接接到 A D 转换器上 完成模拟量到数字量的转换 湿度范围为 0 100 RH 的变化对应了 A D 转换器 ADC0809 的模拟量输入范围 山东科技大学学士学位论文 系统硬件设计 15 为 0 5 V 湿度测量电路图如图 3 10 所示 图 3 10 湿度监测电路 3 33 3 A DA D 转换电路设计转换电路设计 3 3 13 3 1 ADC0809ADC0809 概述概述 ADC0809 是典型的 8 位 8 通道逐次逼近式 A D 转换器 片内有 8 路模 拟选通开关 以及相应的通道抵制锁存用译码电路 其转换时间为 100 s 左右 可和单片机直接接口 ADC0809 芯片为 28 引脚双列直插式封装 其引脚排列如图 3 11 所示 对 ADC0809 主要信号引脚的功能说明如下 IN7 IN0 模拟量输入通道 ALE 地址锁存允许信号 对应 ALE 上跳沿 A B C 地址状态送 入地址锁存器中 山东科技大学学士学位论文 系统硬件设计 16 图 3 11 ADC0809 引脚图 START 转换启动信号 START 上升沿时 复位 ADC0809 START 下 降沿时启动芯片 开始进行 A D 转换 在 A D 转换期间 START 应保持 低电平 本信号有时简写为 ST A B C 地址线 通道端口选择线 A 为低地址 C 为高地址 引脚图中为 ADDA ADDB 和 ADDC 其地址状态与通道对应关系见表 9 1 CLK 时钟信号 ADC0809 的内部没有时钟电路 所需时钟信号由 外界提供 因此有时钟信号引脚 通常使用频率为 500KHz 的时钟信号 EOC 转换结束信号 EOC 0 正在进行转换 EOC 1 转换结束 使 用中该状态信号即可作为查询的状态标志 又可作为中断请求信号使用 D7 D0 数据输出线 为三态缓冲输出形式 可以和单片机的数 据线直接相连 D0 为最低位 D7 为最高 山东科技大学学士学位论文 系统硬件设计 17 OE 输出允许信号 用于控制三态输出锁存器向单片机输出转换 得到的数据 OE 0 输出数据线呈高阻 OE 1 输出转换得到的数据 Vcc 5V 电源 Vref 参考电源参考电压用来与输入的模拟信号进行比较 作为 逐次逼近的基准 其典型值为 5V Vref 5V Vref 5V ADC0809 的内部逻辑结构图如图 3 12 所示 图 3 12 ADC0809 内部逻辑结构 图中多路开关可选通 8 个模拟通道 允许 8 路模拟量分时输入 共 用一个 A D 转换器进行转换 这是一种经济的多路数据采集方法 地址 锁存与译码电路完成对 A B C 3 个地址位进行锁存和译码 其译码输 出用于通道选择 其转换结果通过三态输出锁存器存放 输出 因此可 以直接与系统数据总线相连 表 3 5 为通道选择表 表 3 5 通道选择表 C B A 被选择的通道 山东科技大学学士学位论文 系统硬件设计 18 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 3 3 23 3 2 ADC0809ADC0809 与单片机连接设计 ADC0809 与 MCS 51 单片机的连接如图 3 13 所示 图 3 13 电路连接主要涉及两个问题 一是 8 路模拟信号通道的选择 二是 山东科技大学学士学位论文 系统硬件设计 19 A D 转换完成后转换数据的传送 如图 3 13 所示模拟通道选择信号 A B C 分别接最低三位地址 A0 A1 A2 而地址锁存允许信号 ALE 由 P2 7 控制 则 8 路模拟通道的 地址为 7FF8H 7FFFH 此外 通道地址选择以作写选通信号 从图中 可以看到 把 ALE 信号与 START 信号接在一起了 这样连接使得在信号 的前沿写入 锁存 通道地址 紧接着在其后沿就启动转换 启动 A D 转换只需要一条 MOVX 指令 在此之前 要将 P2 7 清零并将最低三位与 所选择的通道好像对应的口地址送入数据指针 DPTR 中 例如要选择 IN0 通道时 可采用如下两条指令 即可启动 A D 转换 MOV DPTR 7FF8H 送入 ADC0809 的口地址 MOVX DPTR A 启动 A D 转换 IN0 注意 此处的 A 与 A D 转换无关 可为任意值 3 43 4 单片机连接电路设计单片机连接电路设计 3 4 13 4 1 I OI O 口的扩展口的扩展 虽然 89C51 本身具有 I O 口 但是已经被系统总线 P0 口和 P2 口用 作 16 位地址总线占用了一部分 真正用作 I O 口线已经不多 只有 P1 口的 8 位 I O 线和 P3 口的某些位线可作为输入输出线使用 因此 在本 系统中 需要外扩 I O 接口电路来连接外部设备 如显示器 AD 转换器 等 在本设计中 就直接利用单片机扩展接口芯片 8155 通过芯片 8155 就可以外扩 3 个 8 位的并行 I O 口 这样就可以基本满足外设的 要求 本毕业设计的 I O 口扩展如图 3 14 所示 8155 的命令状态寄存器地 址为 DF00H PA 口为 DF01H PB 口为 DF02H PC 口为 DF03H 山东科技大学学士学位论文 系统硬件设计 20 图 3 14 I O 口扩展 3 4 23 4 2 看门狗电路设计看门狗电路设计 X25045 是带有串行 E2PROM 的 CPU 监控器 现在型号改为 X5045 性 能相同 图 3 15 是它的引脚图 图 3 15 看门狗芯片引脚图 引脚功能如下 CS WDI 片选输入 看门狗复位输入 SO 串行输出 山东科技大学学士学位论文 系统硬件设计 21 WP 写保护输入 Vss 地 Vcc 电源 RESET 复位输出 SCK 同步时钟输入 SI 串行输入 X25045 的状态寄存器描述器件的当前状态 各位意义如表 3 6 所列 表 3 6 状态寄存器 76543210 00WD1WD0BL1BL0WELWIP 其中 WD1 WD0 是看门狗定时时间设置位 BL1 BL0 是存储单元写 保护区设置位 WEL 是只读标志 1 表明写使能开关打开 WIP 也是只读标 志 1 代表芯片内部正处于写周期 电复位时 各位都被清零 芯片内部状态寄存器的 WD1 WD0 是看门狗定时设置位 通过状态寄 存器写指令 WRSR 修改这 2 个标志位 就能在 3 种定时间隔中进行选择或 关闭定时器 对看门狗的复位由 CS 输入电平的下降沿完成 AT89C2051 内部没有 SPI 接口硬件 因此本系统利用了单片机的 4 根 口线和软件模拟