大棚花卉自动补光系统(硬件).doc

论文题目：大棚花卉自动补光系统（硬件）专 业：测控技术与仪器学 生： 签名：指导教师： 签名：摘 要本文以大棚花卉为设计背景，设计一种以数字温度传感器DS18B20、温湿度传感器DHT11、光敏电阻为敏感元件，对于大棚的温度湿度和光照情况加以采集分析和控制，保证了花卉的正常生长的自动化控制系统。重点对DSl8B20测温技术及DHT11传感器和光敏电阻在本系统中的具体应用进行了讨论。总体上，本系统具有功能完善和操作方便的特点，有很强的实用性。关键词：大棚花卉,检测,自动化，控制 Subject: Greenhouse Flower automatically fill light system（Hardware）Specialty：Measure and Control Technology and InstrumentName: (Signature）Instructor: (Signature）ABSTRACTGreenhouse Flower design background，Introduce a digital temperature sensor DS18B20 temperature and humidity sensor HS1101 photoelectric resistance for sensitive components，Analysis and control of greenhouse temperature and humidity and light to be collected，To ensure the normal growth of the flower automation and control systems.Focus on DSl8B20 temperature and DHT11 sensor and photoresistor in this system are discussed.Overall, this system has a full-featured and easy to operate, there is a strong practicality.Keywords: Greenhouse Flower, testing, automation, controlII目录摘 要IABSTRACTII目录1第一章 前言31.1研究的背景和意义31.1.1 大棚花卉监控技术发展概况31.1.2 研究意义41.2研究的任务和要求5第二章 总体方案设计72.1整体方案初步对比72.2最终方案确定92.3大棚监控系统的系统框图9第三章 系统硬件设计113.1最小系统设计113.1.1 STC89C52单片机介绍113.1.2 引脚说明113.1.3单片机最小系统133.1.4 复位电路143.1.5 晶振153.2数据采集模块163.2.1 温度传感器163.2.2 湿度传感器193.2.3 光照传感器243.3显示模块273.4 控制模块30第四章 系统软件设计344.1 软件设计的总体思想344.2 Keil软件介绍344.3 系统主程序说明及流程图35第五章 系统调试375.1 电路板初步调试375.2 功能模块调试375.3 系统联调37总结39致谢40参考文献41附录42第一章 前言1.1研究的背景和意义随着国民经济的迅速发展，现代农业得到了长足的进步，温室工程已成为高效农业的一个重要组成部分。计算机自动控制的智能温室自问世以来，已成为现代农业发展的重要手段和措施。它的功能在于以先进的技术和现代化设施，人为控制作物生长的环境条件，使作物生长不受自然气候的影响，做到常年工厂化，进行高效率，高产值和高效益的生产。1.1.1 大棚花卉监控技术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。 从国内外温室控制技术的发展状况来看，温室环境控制技术大致经历三个发展阶段:（1）手动控制这是在温室技术发展初期所采取的控制手段，其时并没有真正意义上的控制系统及执行机构。生产一线的种植者既是温室环境的传感器，又是对温室作物进行管理的执行机构，他们是温室环境控制的核心。通过对温室内外的气候状况和对作物生长状况的观测，凭借长期积累的经验和直觉推测及判断，手动调节温室内环境。种植者采用手动控制方式，对于作物生长状况的反应是最直接、最迅速且是最有效的，它符合传统农业的生产规律。但这种控制方式的劳动生产率较低，不适合工厂化农业生产的需要，而且对种植者的素质要求较高。（2）自动控制这种控制系统需要种植者输入温室作物生长所需环境的目标参数，计算机根据传感器的实际测量值与事先设定的目标值进行比较，以决定温室环境因子的控制过程，控制相应机构进行加热、降温和通风等动作。计算机自动控制的温室控制技术实现了生产自动化，适合规模化生产，劳动生产率得到提高。通过改变温室环境设定目标值，可以自动地进行温室内环境气候调节，但是这种控制方式对作物生长状况的改变难以及时做出反应，难以介入作物生长的内在规律。目前我国绝大部分自主开发的大型现代化温室及引进的国外设备都属于这种控制方式。（3）智能化控制这是在温室自动控制技术和生产实践的基础上，通过总结、收集农业领域知识、技术和各种试验数据构建专家系统，以建立植物生长的数学模型为理论依据，研究开发出的一种适合不同作物生长的温室专家控制系统技术。温室控制技术沿着手动、自动、智能化控制的发展进程，向着越来越先进、功能越来越完备的方向发展。由此可见，温室环境控制朝着基于作物生长模型、温室综合环境因子分析模型和农业专家系统的温室信息自动采集及智能控制趋势发展。1.1.2 研究意义植物的生长和自然环境中的各项要素有密不可分的关系。如这些要素中的任何一项不利于某种植物的生长，那么它就可能衰败甚至死亡。所以不论园休应用或苗圃生产，都必须选用适合当地自然环境的植物，才符合适者生存的规律，取得较大的社会效益和经济效益。否则就要采用人工环境来栽培那些不适应当地自然环境的植物。除在大城市附近有必要兴建一些有限的人工设施外，一般无此必要。对于花卉生长主要的影响因素有光照强度、光照时间、温度和湿度。光照时间：影响花卉生长发育的光照时间，是指在一天中，从日出到日没，太阳所照射的时间。北半球，夏半年（410月）昼长夜短，越趋北方，白昼越长。夏至日昼最长，夜最短；冬半年（1l3月）昼短夜长，越近北方，昼越短。冬至日昼最短，夜最长。这种昼夜长短交替变化的规律，称为光周期现象。在自然界中，春兰秋菊，开花季节各有定期，主要是受光周期所制约。花期对光周期的反应，主要取决于它对黑夜的长短临界值的反应。根据花卉的光周期特性，可分为长日照、短日照和中日照等三类花卉。光照强度：光照强度是指单位面积上所接受可见光的能量。简称照度，单位勒克斯（Lax）。一天中以中午照度最大，早晚最小；一年中以夏季最大，冬季最小。例如，夏季晴天的中午，露地的照度约为10万勒克斯，冬季约为2而勒克斯，而阴雨天的照度仅占晴天的2025。叶片在照度光为30005000勒兑斯时即开始光合效应，但一般植物生长需在1800020000勒克斯。如阳光不足，可用人造光源代替。一般，光合作用的强度随着照度的加强而增大，但不能超过一定的限值，否则光合作用会停止或减弱。光照可分为直射光和散射光。直射光是指太阳以平行光线直接投射到地面上的光。敬射光则是阳光经过空气分子、尘埃和水滴等物质后，自天空漫射到地面上的光。晴天，地面上的光照中直射光约占63，散射光约占37。故在阴天或遮荫的地方，叶片仍可利用散射光进行光合作用。根据花卉对光照强度的要求不同，可分为阳性、阴性和中性花卉三类。温度：温度分气温和土温，气温日较差影响花卉的生长发育。白天气温高，利于花卉进行光合作用和制造有机物质；夜间气温低，减少了呼吸作用所耗的能量，使有机物质积累加快。但气温日较差的变化幅度，以不超过花卉所能忍受的范围为好。土温对种子发芽、根系发育、幼苗生长等，均有很大的影响。不同花卉的种子所需发芽的最适温度也不同。如一些不耐寒的花卉种子发芽需要较高的温度，最适温度为2030。而耐寒性宿根花卉及露地二年生花卉的种子发芽最适温度为1520。一般地温比气温高36时，扦插苗成活率最高。因此，大部分的繁殖床安有提高地温的装置。只有当土壤中有足够热量时根系才能较好地吸收土壤的水分和溶解于水中的营养物质。如月季的根系发育，以保持士温620”最宜。地温对花卉不利的影响有霜冻，寒害和灼伤。所以控制大棚温湿度和光照是制约花卉生长的重要环节，必须加以严格控制，使得花卉正常生长。1.2研究的任务和要求本次设计的题目是大棚花卉补光系统，以大棚花卉为设计背景，设计分为采集和控制两个部分。采集是分别用温湿度传感器和光敏电阻采集温度湿度和光照三种与花卉生长息息相关的信息并加以分析控制。 其主要技术指标：三种传感器准确的采集并显示，通过最小系统的分析传输到控制端达到自动控制。（1）基本要求系统自动运行、初始化各模块，并实时检测大棚光照； 单片机对于数据进行处理； 与设定值比较； 系统可实现自动补光； 对单片机系统设计的要求如下:设计光照监控系统的设计方案； 各环节的器件的选型；根据技术要求用STC89C52单片机进行软件设计； 实现对光照检测信号采集，单片机具有数据采集和处理能力。需要注意以下方面： 大棚进行光照的测量,并可显示检测结果。可将检测到的环境光照强度与规定的温湿度和光照进行比较,当低于规定值时,自动启动灯泡补光;当控制一段时间后,光照达到规定要求时停止控制端。（2）发挥部分增加温湿度检测控制。其检测数据经过单片机控制单元，显示并分析与设定值比较。可同光照检测设计一样，进行自动控制。（3）拓展部分对于这次的毕业设计，我们曾经有过很多构想，不过由于很多原因没法实现，比如说连接上位机，实行多点采集，上位机对于每个点的每个采集量进行分析记录，并画出趋势曲线图。对一年四季不同时候的温湿度及光照进行分析，更有机的根据每种花卉不同的生长需要进行控制，然后对于设定值的设计中我也曾想过用按键进行设定，这样可以省去每次都要从程序中修改重新下载程序的麻烦，这些问题我是想到了的，可是由于时间等原因在这次毕设中没有涉及。我们只是做了个简易的模拟式的监控系统，离实用还差很多，拓展部分我会继续研究，学更多东西。第二章 总体方案设计2.1整体方案初步对比我们的题目是大棚花卉自动补光系统，所以方案设定由此展开，自动补光系统包括采集和控制两个部分，而采集部分有直接采集和间接采集两种。所谓直接采集就是用光敏元件直接对于光照进行采集，间接采集是由于花卉的特性，由于植物对于光的需求大多体现在光合作用上，所以二氧化碳的浓度是光照需求的一个重要参数。采集二氧化碳浓度就成了是否补光的条件，这就是间接采集。而控制部分我考虑的就是单片机和PLC两种。这就是对于这次设计的整体方案的一个初步设想。采集方案一：直接对于光信号进行检测，光照对于生物的生长有这极其重要的作用，是大棚花卉控制的重要参数，光强是描述光照强弱的基本量，常见的检测光照强弱的有照度计，光度计，光敏二极管，光敏三极管，光敏电阻等。采集方案二：对二氧化碳的浓度进行采集，通过二氧化碳的浓度确定光合作用强弱间接反映光照的强弱。常用方法包有，一，色谱法，可以测定低含量的二氧化碳，需要有标准气。二，奥氏气体分析仪法，但是含量太高或太低都不准确。三，有专用的二氧化碳分析仪，用于测定高浓度二氧化碳气体。最常用的就是红外检测。控制方案一：单片机控制，单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。应用范围：目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。控制特点：单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、电流、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。控制方案二：PLC控制，编程序控制器简称为PLC，它的应用面广、功能强大、使用方便，已经成为当代工业自动化的主要支柱之一。PLC已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动控制系统中，PLC在其它领域，例如在民用和家庭自动化设备中的应用也得到了迅速的发展。PLC控制特点是编程方法简单易学：梯形图是使用的最多的PLC编程语言，其电路符号和表达方式与继电器电路原理图相似，梯形图语言形象直观，易学易用，熟悉继电器电路图的电气技术人员只需花几天时间就可以熟悉梯形图语言，并用来编制用户程序。PLC功能强，性能价格比高：一台小型的PLC内有成百上千个可供用户使用的编程元件，可以实现非常复杂的控制功能。与相同功能的继电器系统相比，具有很高的性能价格比。PLC可以通过通信联网，实现分散控制，集中管理。PLC硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强：PLC产品已经标准化、系列化、模块化，配备有品种齐全的硬件装置供用户选用，用户能灵活方便地进行系统配置，组成不同功能、不同规模的系统。PLC的安装接线也很方便，一般用接线端子连接外部接线。硬件配置确定后，通过修改用户程序，就可以方便快速地适应工艺条件的变化。PLC可靠性高，抗干扰能力强：PLC用软件取代了继电器控制系统中大量的中间继电器和时间继电器，接线可减少到继电器控制系统的十分之一以下，大大减少了因触点接触不良造成的故障。S7-300有极强的故障诊断能力。PLC使用了一系列硬件和软件抗干扰措施，具有很强的抗干扰能力，可以直接用于有强烈干扰的工业生产现场，PLC已被公认为最可靠的工业控制设备之一。系统的设计、安装、调试工作量少：PLC用软件功能取代了继电器控制系统中大量的中间继电器、时间继电器、计数器等器件，使控制柜的设计、安装、接线工作量大大减少。PLC的梯形图程序可以用顺序控制设计法来设计。这种设计方法很有规律，容易掌握。可以在实验室模拟调试PLC的用户程序，用小开关来模拟输入信号，通过个输出点对应的发光二极管的状态来观察输出信号的状态，调试的时间比继电器系统少的多。PLC的维修工作量小，维修方便：PLC的故障率很低，并且有完善的故障诊断功能。PLC或外部的输入装置和执行机构发生故障时，根据PLC上的发光二极管或编程软件提供的信息，可以很方便地查明故障的原因，用更换模块的方法可以迅速地排除故障。PLC的体积小，能耗低：对于复杂的控制系统，使用PLC后，由于减少了大量的中间继电器和时间继电器，开关柜的体积比继电器控制系统小的多。通过对于不同方案的对比，我最后采用了直接测光和单片机为控制核心的方案，因为光敏元件更为常见，价格上和难度上都比测二氧化碳浓度要好。对于PLC毕竟不像单片机那么熟悉，单片机在我们以前的学习和实习中接触的更多一些，做起来也更得心应手，所以我最终确定了单片机控制的直接采集光信号的方案。2.2最终方案确定考虑到花卉生长除了光照还受温度和湿度的影响，所以在方案中加入了对于温湿度的采集。最终确定了通过单片机为控制核心的三路采集三路控制完整的大棚花卉自动化监控系统。硬件系统设计：单片机芯片：.通过比较，选用AT89C52单片机来构造本系统。需要与显示模块、温湿度和光照采集模块、控制等模块相连接。所以，要对单片机进行I/O口分配。采集模块：大棚内部的温湿度和光照数据采集。显示模块：温湿度和光照采用液晶显示，使测量结果更直观，便于做出决策。控制模块：采集得到的数据通过单片机分析与设定值比较的结果使控制模块做出相应的动作。 2.3大棚监控系统的系统框图本设计的方案以AT89C52为控制核心，电源模块为整个系统供电。数据采集模块将所采集到的数据送入单片机控制单元中，通过显示模块将其显示出来，同时单片机通过与其设定值进行比较，判断是否开启控制设备。直到工作状态恢复正常。通过温湿度和光电传感器，在大棚内部采集相关的各种数据，送入单片机。单片机插上电源就会开始工作。对数据进行编设识别，经过单片机处理后，显示器将其显示出来，对数据进行比较，当测量值超出预定值则自动启动控制端，并采取相应措施。原理框图如图2.1所示。单片机显示模块温度采集模块加热器湿度采集模块光照采集模块喷雾器开关灯泡开关 图2.1 系统原理框图第三章 系统硬件设计3.1最小系统设计单片机即单片机微型计算机，是将计算机主机(CPU、内存和I/O接口)集成在一小块硅片上的微型机。单片机种类繁多，都可以作为本系统控制部分的选择对象。对此本系统选择了常用的AT公司的89系列52单片机，即AT89C52单片机。3.1.1 STC89C52单片机介绍STC89C52内部有8 KB可重复编程的闪烁存储器,并有256个字节8位RAM,选择它即不需要再外扩RAM和ROM,可以简化电路,减小电路板的体积。同时,它的指令系统与51 完全兼容,使用非常方便。3.1.2 引脚说明STC89C52单片机是以双列直插式塑料封装为主，共有40个引脚，其中有2条专用于主电源的引脚，2条外接的引脚，4条控制或与其他电源复用的引脚，32条输入/输出引脚。系统扩展用控制线有、ALE和，片外信号对单片机的控制线有、T0、T1和RESET。图3.1为AT89C52单片机的引脚图11。图3.1 AT89C52单片机的引脚图P0口（3932脚）：双向8位三态I/O端口。在访问外存储器时，它分时用于低8位地址总线和8位双向数据总线。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（18脚）：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)。需要注意，P1.0和P1.2还可以分别用作定时器/计数器2的外部计数输入和定时器/计数器2的触发输入。在编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。P2口（2128脚）：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”，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（1017脚）：是8位准双向I/O端口。P3口管脚是8个带内部上拉的双向I/O口，可接收或输出4个TTL门电流。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，是复用双功能口。当P3口写入1时，被内部上拉为高电平，并用作输入。P3口同时为闪速编程和编程校验接收一些控制信号，如下所列：P3.0（RXD）：串行输入口；P3.1（TXD）：串行输出口；P3.2（）：外部中断输出线（外部中断0）；P3.3（）：外部中断输出线（外部中断1）；P3.4（T0）：计数器0外部输入端，既可用作内部定时器，也可用作外部计数器；P3.5（T1）：计数器1外部输入端，既可用作内部定时器，也可用作外部计数器；P3.6（）：片外数据存储器写选通；P3.7（）：片外数据存储器读选通。XTAL1（19脚）：接外部晶振的一个引脚。当单片机采用外部时钟信号时，此脚应接地。反向振荡器放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2（18脚）：接外部晶振的另一个引脚。当单片机采用外部时钟信号时，外部信号由此引脚接入。来自反向振荡放大器的输出。RESET（9脚）：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（30脚）：地址锁存允许端。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。（29脚）：外部程序存储器的选通信号。用于片外程序存储器的读数（取指）控制。在从外部程序存储器取指令期间，在每个机器周期两次有效，其频率为振荡频率的1/6；但若此期间有访问外部数据存储器，则两次有效的信号将不出现。（31脚）：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），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（器件允许使用12V编程电压Vpp）。 VCC（40脚）：电源端，接+5V。VSS（20脚）：接电源地。3.1.3单片机最小系统虽然单片机芯片本身已构成一个最小系统，但作为一个最小应用系统来说，仍需要在片外加接一些晶体振荡器、复位电路等没有集成在片内功能的器件。STC89C52是片内有程序存储器的单片机，因此，要构成STC89C52单片机的最小应用系统，只需将单片机接上晶振电路和复位电路即可。STC89C52单片机的最小应用系统如图3.2所示。图3.2 STC89C52最小系统3.1.4 复位电路复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期(即二个机器周期)以上。若使用颇率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。复位操作有上电自动复位相按键手动复位两种方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图3.3（a）所示。这佯，只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的，其电路如图3.3（b）所示；而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的，其电路如图3.3（c）所示。（a）上电复位 （b）按键电平复位 （c）按键脉冲复位图3.3 复位电路上述电路图中的电阻、电容参数适用于6MHz晶振，能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期。本系统的复位电路采用图3.3（b）上电复位方式。3.1.5 晶振晶振是电路中常用用的时钟元件,全称是叫晶体振荡器，在单片机系统里晶振的作用非常大，他结合单片机内部的电路，产生单片机所必须的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在这个基础上的，晶振的提供的时钟频率越高，那单片机的运行速度也就越快。晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。给单片机提供工作信号脉冲的，这个脉冲就是单片机的工作速度。比如12M晶振.单片机工作速度就是每秒12M。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。STC89C52单片机内有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1 和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方式的时钟电路如图3.4 (a) 所示，把放大器与作为反馈元件的晶振连接，就构成了内部自己振荡器并产生振荡时钟脉冲。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在1.212MHz之间选择，电容值在530pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。内部振荡方式所得的时钟信号比较稳定，实用电路中使用较多。外部方式的时钟电路如图3.4（b）所示，XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。（a）内部方式时钟电路 （b）外部方式时钟电路图3.4 时钟电路3.2数据采集模块3.2.1 温度传感器温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量的。不少材料、元件的特性都随温度的变化而变化，所以能作温度传感器的材料相当多。温度传感器随温度而引起物理参数变化的有：膨胀、电阻、电容、电动势、磁性能、频率、光学特性及热噪声等12。温度传感器的选择市场上测温的元器件种类很多，这里以热敏电阻和DS18B20测温器件作对比。方案一：热敏电阻由于本设计是测温电路，可以使用热敏电阻之类的器件利用其感温效应，在将随被测温湿度变化的电压或电流采集过来，进行A/D转换后，就可以用单片机进行数据的处理，在显示电路上，就可以将被测温湿度显示出来，这种设计需要用到A/D转换电路，感温电路比较麻烦。热敏电阻如图3.5所示。图3.5 热敏电阻方案二：温度传感器DS18B20 进而考虑到用温度传感器。在设计中，大多都是使用传感器，所以这是非常容易想到的，所以可以采用数字式温度传感器DS18B20，此传感器，可以很容易直接读取被测温湿度值，进行转换，就可以满足设计要求13。温度传感器如图3.6所示。图3.6DS18B20温度传感器从以上两种方案，很容易看出，采用方案二，电路比较简单，软件设计也比较简单，故采用了方案二。DS18B20简介及主要特性：DS18B20是DALLAS公司生产的一线式数字温湿度传感器。一线是一种简单的信号交换方式，它是指在主机与外围器件之间通过一条线路进行双向通信。其具有3引脚TO92小体积封装形式；温湿度测量范围为55125,可编程为9位12位A/D转换精度，测温分辨率可达0.0625，被测温湿度用符号扩展的16位数字量方式串行输出；其工作电源既可在远端引入，也可采用寄生电源方式产生；多个DS18B20可以并联到3根或2根线上，CPU只需一根端口线就能与诸多DS18B20通信，占用微处理器的端口较少，可节省大量的引线和逻辑电路。以上特点使DS18B20非常适用于远距离多点温湿度检测系统。DS18B20工作原理：DS18B20器件主要由部分组成：64位ROM、温度传感器、非挥发的温湿度报警触发器TH和TL、配置寄存器，存储和控制逻辑部分。器件从单线的通信线取得其电源，其内部结构如图3.7所示。 图3.7 DS18B20内部结构图在信号线为高电平的时间周期内，把能量贮存在内部的电容器中，在单信号线为低电平的时间期内断开此电源，直到信号线变为高电平重新接上寄生（电容）电源为止。作为另一种可供选择的方法，DS18B20也可用外部5V电源供电。与DS18B20的通信经过一个单线接口。在单线接口情况下，在ROM操作未定建立之前不能使用存贮器和控制操作。主机必须首先提供五种 ROM 操作命令之一：Read ROM（读ROM）、Match ROM（符合ROM）、Search ROM（搜索ROM）、Skip ROM（跳过ROM）和Alarm Search（告警搜索）。这些命令对每一器件的64位激光ROM部分进行操作。 一个控制操作命令指示DS18B20完成温度测量。该测量的结果将放入DS18B20的高速暂存（便笺式）存贮器（Scratchpad memory），通过发出读暂存存储器内容的存储器。操作命令可以读出此结果。每一温湿度告警触发TH和TL构成一个字节的EEPROM。如果不对DS18B20施加告警搜索命令，这些寄存器可用作通用用户存储器。使用存储器操作命令可以写TH和TL。对这些寄存器的读访问通过便笺存储器。所有数据均以最低有效位在前的方式被读写。DS18B20内部有一个64位的ROM区，其中前8位为该器件的序列号，接下来48是该器件的编号，每个器件都不一样，用于在一线总线上连接多传感器时进行对象识别，第8位是前56位的CRC校验码。接下来是RAM区和EERAM区。RAM前五个字节分别表示温湿度测量值的低位字节、高位字节、温度高温低温报警和使用传感器分辨率设置位。EERAM分别用于TH和TL的数据保存。在DS18B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动（DS18B20出厂时被设置为12位）。R1和R0用来设置分辨率，如表4.1所示。表3.1 DS18B20温湿度测量分辨率表 R1R0分辨率温湿度最大转换时间009位93.75ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750msDS18B20的设计应用：DS18B20三个管脚，1管脚接地2管脚为输出接单片机的P2.2口，3管脚接VCC。如图3.8图3.8 温度采集截图3.2.2 湿度传感器由于温度与湿度不管是从物理量本身还是在实际人们的生活中都有着密切的关系，所以温湿度一体的传感器就会相应产生。 温湿度传感器是指能将温度量和湿度量转换成容易被测量处理的电信号的设备或装置。 市场上的温湿度传感器一般是测量温度量和相对湿度量。湿度的相关概念 相对湿度：在计量法中规定，湿度定义为“物象状态的量”。日常生活中所指的适度为相对湿度，用RH%表示。总之，即气体中（通常为空气中）所含水蒸气量（水蒸气压）与其空气相同情况下饱和水蒸气量（饱和水蒸汽压）的百分比。 绝对湿度：指单位容积的空气里实际所含的水汽量，一般以克为单位。温度对绝对湿度有着直接影响，一般情况下，温度越高，水蒸气发得越多，绝对湿度就越大；相反，绝对湿度就小。 饱和湿度：在一定温度下，单位容积，空气中所能容纳的水汽量的最大限度。如果超过这个限度，多余的水蒸气就会凝结，变成水滴，此时的空气湿度变称为饱和湿度。空气的饱和湿度不是固定不变的，它随着温度的变化而变化。温度越高，单位容积空气中能容纳的水蒸气就越多，饱和湿度就越大。 露点：指含有一定量水蒸气（绝对湿度）的空气，当温度下降到一定程度时所含的水蒸气就会达到饱和状态（饱和湿度）并开始液化成水，这种现象叫做凝露。水蒸气开始液化成水时的温度叫做“露点温度”简称“露点”。如果温度继续下降到露点以下，空气中超饱和的水蒸气就会在物体表面上凝结成水滴。此外，风与空气中的温湿度有密切关系，也是影响空气温湿度变化的重要因素之一。湿度传感器的选择根据选择温湿度传感器的原则，可有以下两种方案：方案一：SH1101传感器SH系列产品是一款高度集成的温湿度传感器芯片，提供全标定的数字输出。它采用专利的CMOSens技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。因此，该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、极高的性价比等优点。测湿精度：3.5%RH，测温精度：0.5（在25），封装为SMD形式。如图3.8所示。它的特点如下：图3.8 SHT系列温湿度传感器（1）相对湿度和温度测量；（2）兼有露点；（3）全标定输出，无需标定即可互换使用；（4）卓越的长期稳定性；（5）两线制数字接口，无需额外部件；（6）基于请求式测量，因此低能耗；（7）表面贴片或4针引脚安装，超小尺寸；（8）自动休眠；（9）超快响应时间。每个传感器芯片都在极为精确的湿度腔室中进行标定，以镜面冷凝式湿度计为参照。校准系数以程序形式储存在OTP内存中，在标定的过程中使用。两线制的串行接口与内部的电压调整，使外围系统集成变得快速而简单。微小的体积、极低的功耗，使其成为各类应用的首选。产品提供表面贴片LCC或4针单排引脚封装。特殊封装形式可根据用户需求而提供。方案二：DHT11传感器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。测量范围2090RH ，050；测湿精度5RH；测温精度2；分辨力1；封装为4针单排直插。传感器如图3.9所示。图3.9 DHT系列温湿度传感器每个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。其特点如下：（1）相对湿度和温度测量；（2）全部校准，数字输出；（3）卓越的长期稳定性；（4）无需额外部件；（5）超长的信号传输距离；（6）超低能耗；（7）4引脚安装；（8）完全互换。经比较， HS1101系列不管从温度还是湿度测量方面精度都比DHT11要精确，但是由于价格较高，所以此次设计选用DHT11传感器。DHT11温湿度传感器简介：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。传感器基本信息如表3.2所示，引脚说明如表3.3所示。表3.2 DHT11产品信息型号 测量范围 测湿精度测温精度分辨力 封装 HS1101 2090RH 0505RH 2 1 4针单排直插 表3.3 引脚说明引脚名称注释1VDD供电35.5VDC2DATA串行数据，单总线3NC空脚，悬空4GND接地，电源负极性能说明在DHT11温湿度传感器中，湿度与湿度的参数要求及精度是不同的。具体如表3.4所示。表3.4 HS1101的参数参数条件MinTypMax单位湿度分辨率111%RH8Bit重复性1%RH精度254%RH0-505%RH互换性可完全互换量程范围03090%RH252090%RH502080%RH响应时间1/e(63%)25，1m/s空气61015S迟滞1%RH长期稳定性典型值1%RH/yr温度分辨率111888Bit重复性1精度12量程范围050响应时间1/e(63%)630S电气特性 VDD=5V，T = 25，采样周期间隔不得低于1秒钟。其电气特性如表3.5所示。表3.5 DHT11的电气特性参数条件MinTypeMax单位供电DC355.5V供电电流测量0.52.5mA平均0.21mA待机100150uA采样周期秒次DHT11的设计应用：DHT11的1管脚接VCC，2管脚接单片机P3.7口为输出4管脚接地。如图3.10所示： 图3.10 DHT11截图3.2.3 光照传感器光照强度对人和生物都有很大影响，人们的生活离不开光，所以对于光强的检测和控制就成了有必要研究的方向，光照度，光电二极管和光敏电阻就是我们很熟悉的测光强的元件。光照是物体被照明的程度，也即物体表面所得到的光通量与被照面积之比，单位是Ix(l勒克斯是l流明的光通量均匀照射在l平方米面积上所产生的照度)或英尺烛光(1英尺烛光是1流明的光通量均匀照射在1平方英尺面积上所产生的照度)，1英尺烛光=10.761x。光照强度的测量用照度计。夏季在阳光直接照射下，光照强度可达6万10万lx，没有太阳的室外0.1万1万lx，夏天明朗的室内1005