盆花自动浇水系统设计毕业设计.doc

浙江理工大学科技与艺术学院本科毕业设计 论文 I 盆花自动浇水系统设计盆花自动浇水系统设计毕业设计毕业设计 目目 录录 摘 要 I ABSTRACT II 目 录 III 第 1 章 绪论 1 1 1 选题的目的和意义 1 1 2 自动浇花器的诞生背景及国内外发展现状 1 1 3 毕业设计所采用的研究方法和手段 3 第 2 章 AT89C52 单片机 4 2 1 AT89C52 主要特性 4 2 2 管脚说明 4 2 3 振荡电路和时钟 7 2 4 AT89C52 的中断系统 8 2 4 1 中断系统结构和中断控制 8 2 4 2 中断响应过程 11 2 5 定时器 计数器 11 2 5 1 定时器 计数器 0 和 1 简介 11 2 5 2 与定时器 计数器 0 和 1 相关的特殊功能寄存器 12 第 3 章 复位及电源设计 14 3 1 复位电路 14 3 1 1 DS1232 的结构及特点 15 3 1 2 DS1232 的功能 16 3 1 3 使用注意事项 17 3 2 电源电路 17 II 3 2 1 LM2576 的特性 18 3 2 2 外围元件的选择 19 第 4 章 温湿度传感器 21 4 1 数字温湿度传感器 SHT 11 21 4 2 SHT 11 的传感器输出 22 4 2 1 湿度值输出 23 4 2 2 温度值输出 24 4 2 3 露点计算 24 4 2 4 非线性校正及温度补偿 25 4 3 SHT 11 的特性 25 4 3 1 SHT 11 的特点 25 4 3 2 SHT 的详细规格 26 4 4 SHT 11 的引脚 27 4 5 SHT 11 的的内部命令与接口时序 27 4 5 1 SHT 11 的内部命令 27 4 5 2 SHT 11 的命令顺序及命令时序 28 4 4 3 SHT 11 的状态寄存器 29 4 6 硬件接口 30 4 7 恢复处理 30 第 5 章 DS12887 时钟芯片 32 5 1 DS12887 时钟芯片特点 32 5 2 引脚 32 5 3 命令字节 36 5 3 1 DS12887 内部 RAM 各专用寄存器地址功能 36 5 3 2 寄存器 A 37 5 3 3 寄存器 B 38 浙江理工大学科技与艺术学院本科毕业设计 论文 III 5 3 4 寄存器 C 39 5 4 硬件接口 40 第 6 章 液晶显示器 LCD 41 6 1 液晶显示器的分类 41 6 2 OCMG128 64 41 6 2 1 OCMG 128 64 引脚功能 42 6 2 2 液晶主要器件介绍 43 6 2 3 应用说明 44 第 7 章 盆花自动浇水系统的设计 45 7 1 土壤温湿度检测与控制 45 7 1 1 硬件电路设计 45 7 2 蓄水箱自动供水系统 47 7 2 1 基本的导电理论 48 7 2 2 系统工作原理 49 7 2 3 系统硬件组成 50 7 2 4 系统电路连接 53 7 2 5 参数计算 54 7 2 6 水箱水位控制系统检测 54 第 8 章 致谢 57 参考文献 58 附录 60 浙江理工大学科技与艺术学院本科毕业设计 论文 1 第第 1 章章 绪论绪论 1 1 选题的目的和意义选题的目的和意义 随着社会进步 人们生活质量的提高 精神享受得到人们的关注 从古 至今 养盆花可以陶冶情操 还可以净化空气 但是盆花适时适量的浇水仍 然是成败的关键 但是 生活中人们总是会有无暇顾及的时候 尤其对于年 轻人 上班 出差 旅游等 盆花生长问题 80 以上是由浇灌问题引起 浇水不及时及量使美化家园的花草成了 漏洞 还影响家庭装饰效果 虽 然目前市面上有盆花自动浇水器的 不但价格昂贵 并且大多只能设定一个 定时浇水的时间 很难做到给盆花适时适量浇水 也有较经济的盆花缺水报 警器 可以提醒人们及时的给盆花浇水 可是这种报警器只能报警 浇水还 是需要人亲自动手 因此 我想通过设计一种集盆花土壤湿度检测 自动浇 水以及蓄水箱自动供水于一体的盆花自动浇水系统 让盆花在人们无暇照顾 时也能得到及时的浇灌 1 1 2 自动浇花器的诞生背景及国内外发展现状自动浇花器的诞生背景及国内外发展现状 微喷系统是近几年利用国内外先进技术组装的新型灌溉设施 主要是利 用水流通过低压管道系统以一定速度从特制的喷头喷出 在空气中分散成细 小的水滴 着落在花草植物 作物及周围的地面上 从而达到及时补充水分 的目的 该系统具有用水量少 冲击力小的灌溉特性 适用于栽培密度大 植株柔软细嫩的植物 自动浇花器的诞生是随着人们生活水平的提高和生活 节奏的加快而诞生的一种懒人园艺用品 它把微喷的概念应用于家庭盆花浇 灌中 通过相应的改进 达到合理给盆花自动浇水的目的 2 早在很多年前 国外就已经开始普及 国内使用的电子类自动浇花器多 数从国外进口的 价格昂贵 但质量比较可靠 不过这并不太适用于国内 目前国内外比较流行的是玻璃制作的自动浇花器 这种类型的浇花器多数在 我国山西和浙江一带加工生产的 价格比较低廉 实用性没有电子类自动浇 花器好 随着国内居民消费水平和生活质量的提高 居家园艺市场异常火爆 2 但是由于生活节奏加快 种花容易养花难的问题暴露出来 而养花最重要的 问题就是浇水问题 研究表明花草 80 以上的死亡由于浇水不及时引起 因此国内商家已经看到了这种需求潜力 目前这类小居家用品的厂家主要集 中在广东 上海 浙江一带 现在市面上所出售的自动浇花器主要有以下几 类 电子类自动浇花器 电子类自动浇花器又叫时控喷淋装置 系统构成为 主机 或者控制器 主管 可以是花园管也可以是 4 7mm 的微喷淋管 分水接头 3 通 4 通 5 通 6 通 分水器 副管 3 5mm 喷淋管 雾化喷头 旋转喷头 折射雾 化喷头等 电子类自动浇花器根据电源的不同分为交流电自动浇花器和电池自动浇 花器两种 控制器的一般性能有 电磁阀控制 智能时控电路 微电脑芯片 控制 适用电源为 AC220V 50HZ 最适宜水压 0 3 0 6Mpa 待机功率 4VA 浇水时 12VA 可控制连续作业时间是 1 分钟至 168 个小时 可 每天自动完成十次以上浇水作业 可每天 隔天 隔多天自动循环进行浇水 手动自动两用 每天计时误差小于正负 3 秒 电器适应环境温度为 10 50 相对湿度 90 RH 3 玻璃 陶瓷类自动浇花器 玻璃 陶瓷类自动浇花器又叫自动渗水装置 它由本身材质的物理结构 构成 根据器具的物理渗水原理完成自动浇灌 当自动浇水器内部存水 自 身形成一定的压力 当遇到干燥的土壤 水就会自上而下的流出 当土壤湿 润以后 会形成一个堵塞压力 从而导致水流速度变慢或者停止 器具工不 同 效果也不一样 当然也因土壤的疏松情况决定器具内水流的速度 4 当前传感器技术与单片机技术发展迅速 其应用逐步由工业 军事等领 域向其他领域渗透 已经和我们的日常生活息息相关 而且智能家居概念也 越来越受人们的推崇 因此 微电脑控制的电子类自动浇花系统有很好的发 展前景 浙江理工大学科技与艺术学院本科毕业设计 论文 3 1 3 毕业设计所采用的研究方法和手段毕业设计所采用的研究方法和手段 本次毕业设计是设计一种单片机控制的自动浇水系统 实现室内盆花浇 水的自动化系统 该系统可对土壤的温湿度进行监控 并对作物进行适时 适量的浇水 其核心是单片机和温湿度传感器以及浇水驱动电路构成的检测 控制部分 主要研究土壤湿度与浇水量之间的关系 浇灌控制技术及设备系 统的硬件 软件编程各个部分 检测部分 单片机选用 AT89C52 单片机 温湿度传感器选用 SHT11 温湿度传感器 SHT 11 采用 COMSens 专利传感 器技术将温度湿度传感器 A D 转换器 数字接口 校准数据存储器 标准 I2C 总线等电路全部集成在一个芯片内 软件选用 C51 语言编程 土壤温湿 度传感器可将检测到的土壤温湿度模拟量放大转换成数字量通过单片机内程 序控制精确的将温度与湿度分别显示在 LCD 显示屏上 同时通过单片机内 的中断服务程序判断是否要给盆花浇水 若需浇水 则单片机系统发出浇水信 号 并经放大驱动设备 开启电磁阀进行浇水 若不需浇水 则进行下一次循环检 测 在浇水系统中也同时设计一个手动浇水部分 系统工作时通过设置键的 按下与否来选择浇水系统的工作方式 土壤浇水驱动电路采用继电器开关电 路 蓄水箱水位报警以及自动上水部分采用纯硬件控制 4 第第 2 章章 AT89C52 单片机单片机 AT89C52 是 51 系列单片机的一个型号 它是 ATMEL 公司生产的 AT89C52 是一个低电压 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 8k bytes 的可 反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 bytes 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 功 能强大的 AT89C52 单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合 5 2 1 AT89C52 主要特性主要特性 1 AT89C52 主要特性有 2 兼容 MCS51 指令系统 3 8k 可反复擦写 大于 1000 次 Flash ROM 4 32 个双向 I O 口 5 256x8bit 内部 RAM 6 3 个 16 位可编程定时 计数器中断 7 时钟频率 0 24MHz 8 2 个串行中断 可编程 UART 串行通道 9 2 个外部中断源 共 8 个中断源 10 2 个读写中断口线 3 级加密位 11 低功耗空闲和掉电模式 软件设置睡眠和唤醒功能 12 有 PDIP PQFP TQFP 及 PLCC 等几种封装形式 以适应不同产品 的需求 2 2 管脚说明管脚说明 AT89C52 的引脚图如图 2 1 所示 各引脚的具体说明如下 浙江理工大学科技与艺术学院本科毕业设计 论文 5 图图 2 1 AT89C52 的引脚图的引脚图 P0 口 P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I O 口 也即地址 数据总 线复用口 作为输出口用时 每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门 电路 对端口 P0 写 1 时 可作为高阻抗输入端用 在访问外部数据存储 器或程序存储器时 这组口线分时转换地址 低 8 位 和数据总线复用 在访问期间激活内部上拉电阻 在 Flash 编程时 P0 口接收指令字节 而 在程序校验时 输出指令字节 校验时 要求外接上拉电阻 P1 口 P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 的输出缓 冲级可驱动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对端口写 1 通过 内部的上拉电阻把端口拉到高电平 此时可作输入口 作输入口使用时 因 为内部存在上拉电阻 某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流 IIL 与 AT89C51 不同之处是 P1 0 和 P1 1 还可分别作为定时 计数器 2 的外 部计数输入 P1 0 T2 和输入 P1 1 T2EX 参见表 1 Flash 编程和 程序校验期间 P1 接收低 8 位地址 表表 1 P1 0 和和 P1 1 的第二功能的第二功能 引脚号功能特性 P1 0T2 时钟输出 P1 1T2EX 定时 计数器 2 P2 口 P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 的输出缓 冲级可驱动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对端口 P2 写 1 6 通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平 此时可作输入口 作输入口使用时 因为内部存在上拉电阻 某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流 IIL 在访问外部程序存储器或 16 位地址的外部数据存储器 例如执行 MOVX DPTR 指令 时 P2 口送出高 8 位地址数据 在访问 8 位地址的外部数 据存储器 如执行 MOVX RI 指令 时 P2 口输出 P2 锁存器的内容 Flash 编程或校验时 P2 亦接收高位地址和一些控制信号 P3 口 P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P3 口输出 缓冲级可驱动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻 辑门电路 对 P3 口写入 1 时 它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口 此时 被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流 IIL P3 口除了作为一般的 I O 口线外 更 重要的用途是它的第二功能 P3 口还接收一些用于 Flash 闪速存储器编程 和程序校验的控制信号 RST 复位输入 当振荡器工作时 RST 引脚出现两个机器周期以上高 电平将使单片机复位 ALE PROG 当访问外部程序存储器或数据存储器时 ALE 地址锁存 允许 输出脉冲用于锁存地址的低 8 位字节 一般情况下 ALE 仍以时钟 振荡频率的 1 6 输出固定的脉冲信号 因此它可对外输出时钟或用于定时目 的 要注意的是 每当访问外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲 对 Flash 存储器编程期间 该引脚还用于输入编程脉冲 PROG 如有必要 可通过对特殊功能寄存器 SFR 区中的 8EH 单元的 D0 位置位 可禁止 ALE 操作 该位置位后 只有一条 MOVX 和 MOVC 指令才能将 ALE 激 活 此外 该引脚会被微弱拉高 单片机执行外部程序时 应设置 ALE 禁 止位无效 PSEN 程序储存允许 PSEN 输出是外部程序存储器的读选通信号 当 AT89C52 由外部程序存储器取指令 或数据 时 每个机器周期两次 PSEN 有效 即输出两个脉冲 在此期间 当访问外部数据存储器 将跳过 浙江理工大学科技与艺术学院本科毕业设计 论文 7 两次 PSEN 信号 EA VPP 外部访问允许 欲使 CPU 仅访问外部程序存储器 地址为 0000H FFFFH EA 端必须保持低电平 接地 需注意的是 如果加密 位 LB1 被编程 复位时内部会锁存 EA 端状态 如 EA 端为高电平 接 Vcc 端 CPU 则执行内部程序存储器中的指令 Flash 存储器编程时 该引脚 加上 12V 的编程允许电源 Vpp 当然这必须是该器件是使用 12V 编程电 压 Vpp XTAL1 振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端 XTAL2 振荡器反相放大器的输出端 2 3 振荡电路和时钟振荡电路和时钟 在 AT89C52 芯片内部 有一个振荡电路和时钟发生器 引脚 XTAL1 和 XTAL2 之间接入晶体振荡器和电容后构成内部时钟方式 也可以使用外 部振荡器 由外部振荡器产生的信号直接加载到振荡器的输入端 作为 CPU 的时钟源 称为外部时钟方式 采用外部时钟方式时 外部振荡器的 输出信号接至 XTAL1 XTAL2 悬空 两种方式的电路连接如图 2 2 所示 大多数的单片机采用内部时钟方式 本次设计亦然 6 a 使用片内振荡器接法 b 使用片外振荡器接法 图图 2 2 AT89C51 振荡器的连接方式振荡器的连接方式 8 在 AT89C51 单片机内部 引脚 XTAL2 和引脚 XTAL1 连接着一个高增 益反相放大器 XTAL1 引脚是反相放大器的输入端 XTAL2 引脚是反相放 大器的输出端 芯片内部的时钟发生器是一个二分频触发器 振荡器的输出为其输 osc f 入 输出为两相的时钟信号 状态时钟信号 频率为振荡器输出信号频率 的 1 2 状态时钟经三分频后为低字节地址锁存信号 ALE 频率为振荡 osc f 器输出信号频率的 1 6 经六分频后为机器周期信号 频率为 osc f 12 一般取 20 30pF 的陶瓷电容器 osc f 1 C 2 C 2 4 AT89C52 的中断系统的中断系统 为了提高系统的工作效率 AT89C52 单片机设置了中断系统 采用中 断方式与外设进行数据传送 所谓 中断 是指单片机在执行某一段程序 的过程中 由于某种原因 如异常情况或特殊请求 单片机暂时中止正在 执行的程序 而去执行相应的处理程序 待处理结束后 再返回到被打断的 程序处 继续执行原程序的过程 2 4 1 中断系统结构和中断控制中断系统结构和中断控制 AT89C52 共有 6 个中断向量 两个外中断 INT0 和 INT1 3 个定 时器中断 定时器 0 1 2 和串行口中断 所有这些中断源如图 9 所示 这些中断源可通过分别设置专用寄存器 IE 的置位或清 0 来控制每 一个中断的允许或禁止 IE 也有一个总禁止位 EA 它能控制所有中断的允 许或禁止 注意表 5 中的 IE 6 为保留位 在 AT89C51 中 IE 5 也是保留位 程序员不应将 1 写入这些位 它们是将来 AT89 系列产品作为扩展用的 定时器 2 的中断是由 T2CON 中的 TF2 和 EXF2 逻辑或产生的 当转向中断服务程序时 这些标志位不能被硬件清除 浙江理工大学科技与艺术学院本科毕业设计 论文 9 事实上 服务程序需确定是 TF2 或 EXF2 产生中断 而由软件清 除中断标志位 定时器 0 和定时器 1 的标志位 TF0 和 TF1 在定时器溢出那个机器周 期的 S5P2 状态置位 而会在下一个机器周期才查 询到该中断标志 然而 定时器 2 的标志位 TF2 在定时器溢出的那个 机器周期的 S2P2 状态置位 并在同一个机器周期内查询到该标志 引起 6 个中断源的符号 名称及产生的条件如下 外部中断 0 由 P3 2 端口线引入 低电平或下降沿引起 INT0 外部中断 1 由 P3 3 端口线引入 低电平或下降沿引起 INT1 T0 定时器 计数器 0 中断 由 T0 记满回零引起 T1 定时器 计数器 1 中断 由 T1 记满回零引起 TI RI 串行口 I O 中断 串行端口完成一帧字符发送 接收后引起中断 T2 定时器 计数器 2 中断 由 T2 记满回零引起 在本次设计中采用了定时器 计数器 0 中断 它的中断控制寄存器包括 定时器 计数器 0 1 控制寄存器 TCON 和中断允许控制寄存器 IE 定时器控制寄存器 TCON TCON 是定时器 计数器和外部中断两者合用的一个可位寻址的特殊功 能寄存器 它的格式如下 D7D6D5D4D3D2D1D0 TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0 各控制位定义如下 TF1 定时器 计数器 1 溢出中断请求标志位 当定时器 计数器 1 计数 产生溢出时 由内部硬件置位 TF1 向 CPU 响应中断并转向该中断服务程 序执行时 由硬件内部自动 TF1 清 0 TR1 定时器 计数器 1 启动 停止位 由软件置位 复位控制定时器 计数 10 器 1 的启动或停止计数 TF0 定时器 计数器 0 溢出中断请求标志位 当定时器 计数器 0 计数 产生溢出时 由内部硬件置位 TF0 向 CPU 响应中断并转向该中断服务程 序执行时 由硬件内部自动 TF1 清 0 TR0 定时器 计数器 0 启动 停止位 由软件置位 复位控制定时器 计数 器 0 的启动或停止计数 IE1 外部中断请求标志位 当 CPU 检测到 INT0 低电平或下降沿且 IT1 1 时 由内部硬件置位 IE1 标志位 IE1 1 向 CPU 请求中断 当 CPU 响应中断并转向该中断服务程序执行时 由硬件内部将 IE1 清 0 IE0 外部中断请求标志位 当 CPU 检测到 INT0 低电平或下降沿且 IT0 1 时 由内部硬件置位 IE0 标志位 IE0 1 向 CPU 请求中断 当 CPU 响应中断并转向该中断服务程序执行时 由硬件内部将 IE0 清 0 IT1 用软件置位 复位 IT1 来选择外部中断 INT1 是下降沿触发还是电 平触发中断请求 当 IT1 置 1 时 则外部中断 INT1 为下降沿触发中断请求 即 INT1 端口由前一个机器周期的高电平跳变为下一个机器周期的低电平 则触发中断请求 当 IT1 复位清 0 则 INT1 的低电平触发中断请求 IT0 由软件置位 复位 IT0 来选择外部中断 INT0 是下降沿触发还是低 电平触发中断请求 其控制原理同 IT1 中断允许控制寄存器 中断允许控制寄存器 IE 的格式如下 D7D6D5D4D3D2D1D0 EAET2ESET1EX1ET0EX0 各控制位定义如下 EA 中断总控制为 EA 1 CPU 开中断 它是 CPU 是否响应中断的 前提 在此前提下 如果某中断源的中断允许位置 1 才能响应该中断源的 中断请求 如果 EA 0 无论哪个中断源有请求 CPU 都不予回应 浙江理工大学科技与艺术学院本科毕业设计 论文 11 ET2 定时器 计数器 T2 中断控制位 ET2 1 允许 T2 计数溢出中断 ET2 0 禁止 T2 中断 ES 串行口中断控制位 ES 1 允许串行口发送 接收中断 ES 0 禁 止串行口中断 ET1 定时器 计数器 T1 中断控制位 ET1 1 允许 T1 计数溢出中断 ET1 0 禁止 T1 中断 EX1 外部中断 1 控制位 EX1 1 允许中断 EX1 0 禁止外部中断 1 中断 ET0 定时器 计数器 T0 中断控制位 ET0 1 允许 T0 计数溢出中断 ET0 0 禁止 T0 中断 EX0 外部中断 0 控制位 EX0 1 允许中断 EX0 0 禁止外部中断 0 中断 1 2 4 2 中断响应过程 CPU 中断处理从响应中断 控制程序转向对应的中断矢量地址入口处 执行中断服务程序 到执行返回 RETI 指令为止 中断响应可分为以下 几个步骤 保护断点 即保存下一个将要执行的指令的地址 把这个地址送入 堆栈 寻找中断入口 根据 6 个不同的中断源所产生的中断 中断系统必 须能够正确地识别中断源 查找 6 个不同的入口地址 以上工作是由单片机 自动完成的 与编程者无关 在 6 个入口地址处存放有中断处理程序 执行中断处理程序 中断返回 执行完中断指令后 从中断处返回到主程序 继续执行 2 2 5 定时器定时器 计数器计数器 AT89C52 单片机内部设有两个 16 位可编程定时器 计数器 即定时器 12 计数器 0 和定时器 计数器 1 除此之外还有一个可编程定时器 计数器 2 2 5 1 定时器定时器 计数器计数器 0 和和 1 简介简介 定时器 计数器 0 和 1 内部有一个计数寄存器 和 它实际上 THxTLx 是一个累加寄存器进行加 1 计数 定时器和计数器共用这个寄存器 但定时 器 计数器同一时刻只能工作在其中一种方式下 不可能既工作在定时器方 式 同时又工作在计数器方式 这两个工作方式的根本区别是在于计数脉冲 的来源不同 工作在定时器方式时 对振荡源 12 分频的脉冲计数 即每过 一个机器周期 1 个机器周期在时间上和 12 个振荡周期的时间相等 计数 寄存器中的值就加 1 工作在计数器方式时 计数脉冲不是来自内部的机器 周期 而是来自外部输入 对定时器 计数器 0 定时器 计数器 1 计数脉冲 分别来自 T0 T1 引脚 当这些引脚上输入的信号产生高电平至低电平的负 跳变时 计数寄存器的值就加 1 单片机每个机器周期都要对对外部输入进 行采样 如果在第一个周期采得的外部信号为高电平 在下一个周期采得的 信号为低电平 则在再下一个机器周期 即第三个机器周期计数寄存器的值 才增加 1 2 5 2 与定时器与定时器 计数器计数器 0 和和 1 相关的特殊功能寄存器相关的特殊功能寄存器 计数寄存器 TH0 TL0 和 TH1 TL1 计数寄存器是 16 位的 再启动定时器时需要对它设定初始值 是 THx 计数寄存器的高 8 位 是计数寄存器的低 8 位 TH0 TL0 对应 TLx T C0 TH1 TL1 对应 T C1 定时器 计数器控制寄存器 TCON 定时器 计数器控制寄存器 TCON 的格式如下 TF1TR1TF0TR1IE1IT1IE0IT0 TF1 为 T C1 的溢出标志 溢出时由硬件置 1 进入中断后又由硬件自 动清 0 浙江理工大学科技与艺术学院本科毕业设计 论文 13 TR1 为 T C1 的启动和停止位 由软件控制 置 1 时启动 T C1 清 0 时 停止 T C1 TF0 和 TR0 的功能和使用方法以 TF1 TR1 类似 只是它们针对的是 T C0 定时器 计数器方式控制寄存器 TMOD 定时器 计数器方式控制寄存器 TMOD 的格式如下所示 它的控制位都 是由软件控制的 其中高 4 位是针对 T C1 的 低 4 位是针对 T C0 的 其 功能和使用方法相似 GATE TC M1M0GATE CT M1M0 现在以 T C0 来说明各控制位的使用方法 GATE 是一个选通位 当 GATE 位置 1 时 T C0 受到双重控制 只有为高电平且 TR0 位置 1 是 INT0 T C0 才开始工作 当 GATE 位清 0 时 T C0 仅受到 TR0 的控制 用来 TC 选择工作在定时器方式还是计数器方式 当该位置 1 时工作在计数器方式 清 0 时工作在定时器方式 M1 和 M0 联合起来用于选择操作模式 一共有 四种操作模式 如表 2 2 所示 表表 2 2 操作模式操作模式 M1M0操作模式计数器配置 00模式 013 位计数器 10模式 2自动重转载的 8 位计数器 10模式 2自动重转载的 8 位计数器 11模式 3T0 分为两个 8 位计数器 T1 停止计数 14 第 3 章 复位及电源设计 复位 时钟和电源管理电路构成最基本的单片机外围电路 一般也称为 最小系统或者核心系统 最小系统的各个部分的正常运行是单片机芯片能够 工作的必要条件 因此在设计这个部分的时候 应该给予特别的重视 单片 机最小系统逻辑图如图 3 1 所示 电源管 理电路 单片机 复位电路晶振 图图 3 1 单片机最小系统逻辑图单片机最小系统逻辑图 3 1 复位电路复位电路 对于实际的单片机应用系统 特别是产品化的单片机系统 其可靠性是 一个不容忽视的问题 由于单片机系统运行时钟频率高 在运行时极有可能 发生干扰和被干扰的现象 严重时系统可能会出现死机现象 为了克服这一 情况 除了在软件上做一些保护措施外 硬件上也必须做相应的处理 硬件 上最有效的保护措施就是采用具有看门狗功能的自动复位和手动复位电路相 结合的方式 7 自动复位电路除了具有上电复位功能外 还具有监视运行并在系统发生 故障或死机时再次进行复位的能力 其基本原理就是通过电路提供的一个用 于监视系统运行的监视线 当系统正常运行时 应在规定的时间内给监视线 提供一个高电平变化的信号 如果在规定的时间内这个信号不发生变化 自 浙江理工大学科技与艺术学院本科毕业设计 论文 15 动复位电路就认为系统运行不正常并对系统进行复位 自动复位的功能可以 通过 看门狗 芯片实现 图 3 2 为用 DS1232 芯片搭建的 看门狗 电路 8 图图 3 2 看门狗电路看门狗电路 3 1 1 DS1232 的结构及特点的结构及特点 1 引脚功能 PBRST 按钮复位输入端 TD 看门狗定时器延时设置端 TOL 5 或 10 电压监测选择端 GND 电源地 RST 高电平有效复位输出端 RST 低电平有效复位输出端 ST 周期输入端 Vcc 电源 2 主要特点 具有 8 脚 DIP 封装和 16 脚 SOIC 贴片封装两种形式 可以满足不同设 计要求 在微处理器失控状态下可以停止和重新启动微处理器 16 微处理器掉电或电源电压瞬变时可自动复位微处理器 精确的 5 或 10 电源供电监视 不需要分立元件 适应温度范围宽 40 85 3 1 2 DS1232 的功能的功能 1 电源电压监视 DS1232 能够实时监测向微处理器供电的电源电压 当电源电压 VCC 低于预置值时 DS1232 的第 5 脚和第 6 脚输出互补复位信号 RST 和 RST 预置值通过第 3 脚 TOL 来设定 当 TOL 接地时 RST 和 RST 信号在电源 电压跌落至 4 75V 以下时产生 当 TOL 与 VCC 相连时 只有当 VCC 跌落 至 4 5V 以下时才产生 RST 和 RST 信号 当电源恢复正常后 RST 和 RST 信号至少保持 250ms 以保证微处理器的正常复位 2 按键复位 在单片机产品中 最简单的按键复位电路是由电阻和电容构成的 如果 系统扩展存在需要和微处理器同时复位的其他接口芯片 这种简单的阻容复 位电路往往不能满足整体复位的要求 DS1232 提供了可直接连接复位按键 的输入端 PBRST 第 1 脚 在该引脚上输入低电平信号 将在 RST 和 RST 端输出至少 250ms 的复位信号 3 看门狗定时器 在 DS1232 内部集成有看门狗定时器 当 DS1232 的 ST 端在设置的周 期时间内没有有效信号到来时 DS1232 的 RST 和 RST 端将产生复位信号 以强迫微处理器复位 这一功能对于防止由于干扰等原因造成的微处理器死 机是非常有效的 看门狗定时器的定时时间由 DS1232 的 TD 引脚确定 看门狗定时器的周期输入信号 ST 可以从微处理器的地址信号 数据信 号或控制信号中获得 不论哪种信号都必须能够周期性的访问 DS1232 对 于 MCS51 系列单片机 推荐使用 ALE 信号 浙江理工大学科技与艺术学院本科毕业设计 论文 17 3 1 3 使用注意事项使用注意事项 DS1232 虽然具有与微处理器接口简单的特点 但在使用中也应注意以 下几点 1 ST 除了可以和 MCS51 单片机的 ALE 相连接外 也可以和其它信号 线相连 但是必须保证在看门狗定时器计数溢出前复位看门狗定时器 2 DS1232 内部第 6 引脚没有上拉电阻 如果单片机的其它外围接口芯 片需要用到低电平复位信号 那么 必须在该引脚上外接一个上拉电阻 3 如果用仿真器调试用户目标板 并且 ST 端与单片机的 ALE 相连 那么最好先不要插上 DS1232 芯片 因为在仿真器与 PC 机相连单步运行程 序时 单片机的 ALE 信号并不是连续供给的 容易造成非正常复位 影响 调试工作的进行 9 3 2 电源电路电源电路 设计中所有器件都是 5V 供电 虽然有些器件可以设计成低功耗 但是 如果采用低电压供电的话 会使其与单片机接口不匹配 所以为了统一一律 采用 5V 供电 但是对于有些环境中使用最多的是 24V 电源 因此为了统一 设计中设计了 24V 转 5V 转换电路 10 电路如图 3 3 所示 图图 3 3 24V 转转 5V 电路电路 嵌入式控制系统的 MCU 一般都需要一个稳定的工作电压才能可靠工作 而设计者多习惯采用线性稳压器件 如 78xx 系列三端稳压器件 作为电压 调节和稳压器件来将较高的直流电压转变 MCU 所需的工作电压 18 这种线性稳压电源的线性调整工作方式在工作中会大的 热损失 其值 为 V 压降 I 负荷 其工作效率仅为 30 50 加之工作在高粉尘等恶劣 环境下往往将嵌入式工业控制系统置于密闭容器内的聚集也加剧了 MCU 的 恶劣工况 从而使嵌入式控制系统的稳定性能变得更差 而开关电源调节器件则以完全导通或关断的方式工作 因此 工作时要 么是大电流流过低导通电压的开关管 要么是完全截止无电流流过 因此 开关稳压电源的功耗极低 其平均工作效率可达 70 90 1 在相同电 压降的条件下 开关电源调节器件与线性稳压器件相比具有少得多的 热损 失 因此 开关稳压电源可大大减少散热片体积和 PCB 板的面积 甚至在 大多数情况下不需要加装散热片 从而减少了对 MCU 工作环境的有害影响 采用开关稳压电源来替代线性稳压电源作为 MCU 电源的另一个优势是 开关管的高频通断特性以及串联滤波电感的使用对来自于电源的高频干扰具 有较强的抑制作用 此外 由于开关稳压电源 热损失 的减少 设计时还可 提高稳压电源的输入电压 这有助于提高交流电压抗跌落干扰的能力 LM2576 系列开关稳压集成电路是线性三端稳压器件 如 78xx 系列端 稳压集成电路 的替代品 它具有可靠的工作性能 较高的工作效率和较强 的输出电流驱动能力 从而为 MCU 的稳定 可靠工作提供了强有力的保证 3 2 1 LM2576 的特性的特性 1 有 3 3V 5V 12V 15V 和可调电压输出多种系列 2 输出电压可调的范围为 1 23V 37V HV 型号的可达 57V 负载电压 的输出容差最大为 4 3 最少只需要 4 个外围元件 可达 3A 的输出电流 4 宽的输入电压范围 HV 型号甚至可达 40V 60V 5 内部振荡器产生 52KHz 的固定频率 浙江理工大学科技与艺术学院本科毕业设计 论文 19 6 可用 TTL 电平关闭输出 低功耗待机模式 典型待机电流为 50 A 7 BUCK 式降压器 较高的转换效率 8 过热和过流保护 9 可实现 Buck Boost 式正 负电压转换器 3 2 2 外围元件的选择 外围元件的选择 1 输入电容 CIN 要选择低 ESR 的铝或钽电容作为旁路电容 防止在输入端出现大的瞬 间电压 还有 当你的输入电压波动较大 输出电流有较高 容量一定要选 用大些 470 F 10000 F 都是可行的选择 电容的电流均方根值至少要为 直流负载电流的 1 2 基于安全考虑 电容的额定耐压值要为最大输入电压 的 1 5 倍 千万不要选用陶瓷电容 会造成严重的噪音干扰 Nichicon 的铝 电解电容不错 2 肖特基二极管 首选肖特基二极管 因为此类二极管开关速度快 正向压降低 反向恢 复时间短 千万不要选用 1N4000 1N5400 之类的普通整流二极管 JUE838 电子 技术资料 电子元件 电路图 技术应用网站 基本知识 原理 维修 作用 参 数 电子元器件符号 3 储能电感 可以看 datasheet 中的电感选择曲线 要求有高的通流量和对应的电感 值 也就是说 电感的直流通流量直接影响输出电流 为什么呢 LM2576 既可工作于连续型也可非连续型 流过电感的电流若是连续的为连续型 电 感电流在一个开关周期内降到零为非连续型 4 输出端电容 COUT JUE838 电子 技术资料 电子元件 电路图 技术 应用网站 基本知识 原理 维修 作用 参数 电子元器件符号 推荐使用 1 F 470 F 之间的低 ESR 的钽电容 若电容值太大 反而会 在某些情况 负载开路 输入端断开 对器件造成损害 COUT 用来输出滤 20 波以及提高环路的稳定性 如果电容的 ESR 太小 就有可能使反馈环路不 稳定 导致输出端振荡 这几乎是稳压器的共性 包括 LDO 等也有这一现 象 11 浙江理工大学科技与艺术学院本科毕业设计 论文 21 第 4 章 温湿度传感器 传统的模拟式湿度传感器需设计信号调理电路并要经过复杂的校准 标 定过程 测量精度难以得到保证 且在线性度 重复性 互换性 一致性等方 面往往不尽人意 为解决这些问题 瑞士 Sensirion 公司推出了新一代基于 CMOSensTM 技术的数字式温湿度传感器 它很好地解决了温湿度传感器存 在的上述问题 实现了数字式输出 免调试 免标定 免外围电路及全互换 功能 12 4 1 数字温湿度传感器数字温湿度传感器 SHT 11 数字温湿度传感器 SHT 11 采用 COMSens 专利传感器技术将温度湿度 传感器 A D 转换器 数字接口 校准数据存储器 标准 I2C 总线等电路全部集成在 一个芯片内 其内部结构如图 4 1 所示 图图 4 1 数字温湿度传感器数字温湿度传感器 SHT 11 的内部结构图的内部结构图 22 由它的内部结构可看出 SHT 11 具有不同保护的 微型结构 检测电极 系统与聚合物覆盖层组成了传感器芯片的电容 这样除保持了电容式湿敏器 件的原有特性外还可抵御来自其它方面的影响 将温度传感器与湿度传感器 结合在一起构成了一个单一的个体 这就使得测量精度提高并且可以精确得 出露点 而不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化而引起的误 差 而且将传感器元件 信号放大器 模 数转换器 OTP 校准数据存储 器 I2C 工业标准串行总线等 电路功能部件全部采用 CMOS 技术与温湿 度传感器一起放置在一个芯片内 这不仅使信号强度增加 更重要的是长期 稳定性也得到增强 这对传感器系统是极为重要的 同时 模 数转换也在一 个芯片内同时完成 这可使信号对噪声不敏感 尤其重要的是 在传感器芯片数 据存储器内装载的针对每一只传感器的校准数据保证了每一只传感器都有相 同的功能 可以实现 100 的互换 此外 该传感器还具有 I2C 二线串行总 线接口 这可使传感器方便的与任何类型的微处理器 微控制器接口相连 为 温湿度的微机化测试带来极大的方便 这不仅能减少温湿度测试系统的开发 时间 还可节约数字化接口的软硬件成本 该传感器还有反应迅速 高精度 低功耗等优点 13 4 2 SHT 11 的传感器输出的传感器输出 SHT 11 的相对湿度绝对精度 温度精度和 25 露点精度如图 4 2 a c 所示 浙江理工大学科技与艺术学院本科毕业设计 论文 23 a 湿度绝对精度 b 温度精度 24 C 25 露点精度 图图 4 2 相对湿度 温度和露点的精度曲线相对湿度 温度和露点的精度曲线 4 2 1 湿度值输出湿度值输出 SHT 11 可通过 I2C 总线直接输出数字量湿度值 其相对湿度输出特性曲 线如图 3 2 所示 从中可以看出 SHT11 的输出特性呈一定的非线性 为了补 偿湿度传感器的非线性以获取准确数据 可按式 4 1 修正湿度值 linearRH 2 321RHRH SOcSOcc 14 式中 SORH 表示传感器相对湿度测量值 系数取值分别如下 12 位时 6 321 108 2 0405 0 4 ccc 8 位时 4 321 102 7 648 0 4 ccc 4 2 2 温度值输出温度值输出 SHT 11 温度传感器的线性非常好 可用下列公式 4 2 将温度数字输出 转换成实际温度值 T T SOddT 21 24 式中 表示传感器温度测量值 当电源电压为 5V 温度传感器的 T SO 分辨率为 14 位时 当温度传感器的分辨率为 12 位时 40 1 d01 0 2 d 40 1 d04 0 2 d 浙江理工大学科技与艺术学院本科毕业设计 论文 25 图图 4 3 相对湿度输出特性曲线相对湿度输出特性曲线 4 2 3 露点计算露点计算 空气的露点值可根据相对湿度和温度值由下面公式计算 2lg 3 237 5 766077 0 lg RHTTEW 34 16077 8 lg 3 237lg66077 0 EWEWDP 44 式中 饱和水蒸气压强 mmHg EW 4 2 4 非线性校正及温度补偿非线性校正及温度补偿 式 4 1 为相对湿度的非线性补偿计算公式 对于单片机系统而言 计算 量大而过复杂 下面给出简化的计算方法 1 线性 当系统对湿度测量精度要求不高时 可采用以下的线性计算 公式 RH SOccsimpleRH 21 54 式中 5 0 21 cc 2 2 线性 当系统对湿度测量精度要求较高时 可采用以下的 2 线 性计算公式 即用最小的计算复杂性来提高精确度 256 bSOarealRH 64 式中 为 8 位湿度传感器输出湿度值 SO 26 当时 当时 1070 SO143 a512 b255108 SO 143 a512 b 3 温度补偿 上述湿度计算公式是按环境温度为 25 进行计算的 而 实际的测量温度值则在一定的范围内变化 所以应考虑湿度传感器的温度系 数 可按式对环境温度进行补偿 53 linearRHSOttTtureRH RH 21 25 74 当为 12 位时 当为 8 位时 RH SO01 0 1 t00008 0 2 t RH SO01 0 1 t 00128 0 2 t 4 3 SHT 11 的特性的特性 4 3 1 SHT 11 的特点的特点 SHT 11 传感器的特点如下 1 相对湿度和温度一体测量 2 精确露点测量 3 全量程标定 无需重新标定即可互换使用 4 超快响应时间 5 两线制数字接口 最简单的系统集成 较低的价格 6 超小尺寸 7 5 5 2 5mm 7 高可靠性 工业 CMOS 工业 8 优化的长期稳定性 9 可完全浸没水中 10 基于请求式测量 因此低能耗 11 具有湿度传感器元件的自检测能力 12 传感器元件加热应用 亦可获得极高的精度和稳定性 4 3 2 SHT 的详细规格的详细规格 1 相对湿度传感器 RH 的性能参数如下 浙江理工大学科技与艺术学院本科毕业设计 论文 27 范围 0 100 RH 精度 3 RH 20 80 RH 响应时间 4s 复现性 0 1 RH 分辨率 0 03 RH 工作温度 40 120 2 温度传感器 T 的性能参数如下 范围 40 120 精度 0 5 在 25 时 0 9 在 0 40 时 响应时间 20s 复现性 0 1 分辨率 0 01 3 电器数据 能耗 典型 30uW 5V 12 bit 测量周期 2 秒 典型 1uW 2 4V 8 bit 测量周期 2 分 供电范围 2 4V 5 5V 检测电流 0 5mA 待机电流 0 3uV 4 4 SHT 11 的引脚的引脚 SHT 11 的引脚图如图 4 4 所示 28 图图 4 4 SHT 11 的引脚图的引脚图 引脚简介 引脚 1 GND 接地端 SHT 11 的供电电压为 0 4 5 5V 传感器上电 后要等待 11ms 以越过 休眠 状态 在此期间无需发送任何指令 电源引 脚 VDD GND 之间可增加一个 100uF 的电容 用以去耦滤波 引脚 2 DATA 双向串行数据线 SHT 11 的串行接口 在传感器的读 取及电源损耗方面都做了优化处理 DATA 三态门用于数据的读取 引脚 3 SCK 串行时钟输入 用于微处理器与 SHT 11 之间的通讯同步 由于接口包含了完全静态逻辑 因而不存在最小 SCK 频率 引脚 4 VDD 电源端 0 4 5 5V 电源 14 4 5 SHT 11 的的内部命令与接口时序的的内部命令与接口时序 4 5 1 SHT 11 的内部命令的内部命令 SHT 11 传感器共有 5 条用户命令 具体命令格式见表 4 1 在程序编程 时根据命令编号来设定 SHT 11 的工作状态 例如 0 x03 设置 SHT 11 为温 度测量 0 x05 是设置 SHT 11 为湿度测量 表表 4 1 SHT 11 传感器命令列表传感器命令列表 命令编号说明 测量温度 00011 温度测量 测量湿度 00101 湿度测量 读寄存器 00111 读 状态寄存器 写寄存器 00110 写 状态寄存器 软启动 11110 重启芯片 清除状态记录器的错误 记录 11 毫秒后进入下一个命令 浙江理工大学科技与艺术学院本科毕业设计 论文 29 4 5 2 SHT 11 的命令顺序及命令时序的命令顺序及命令时序 1 传输开始 初始化传输时 应发出 传输开始 命令 具体为 SCK 是高电平时 DATA 高电平变为低电平 并在下一个 SCK 为高时将 DATA 升高 接着传输开始 下一个命令 包含