农业大棚智能控制技术.docx

第一章 绪 论1.1 课题背景及意义在我国农业还处于传统阶段因此生产效率低、品质低且需人们付出的体力劳动量大，要想提高劳动生产率，提高农业产品的质量和产量，把人民从繁重的体力劳动中解放出来，就需要将传统的农业生产与现代的科学技术相结合，这就需要环境控制。环境控制工程能够大大的缩减农作物的生长周期，提高农作物的质量和产量，减少所需的人力，提高劳动生产率。农业大棚中农作物的生长受诸多因素的影响，比如空气温度、空气湿度、光照强度、土壤的湿度、空气中二氧化碳的浓度等等，目前我国农业大棚的管理主要是凭借人工经验，这样就使农业生产的效率得不到提高，严重的阻碍了农业生产的发展。因此，这就需要我们将传统的农业生产技术与先进的科技技术相结合，科学的恰当的控制影响农作物生产的各种环境因素，借用计算机来控制仪器对农业大棚内的环境进行控制，从而使大棚内的环境达到农作物生长所需的最佳条件，提高农作物的质量和产量。在我国对农业大棚的智能控制技术的研究还处发展阶段，特别是在将传统农业与现代的自动控制技术相结合这一方面的研究成果较少，因此研究一种成本低、操作简单、持久耐用的大棚环境智能控制系统对现在和将来都具有十分重要的意义。实现对大棚内环境的自动控制有以下社会和经济意义：（1）实现了农业生产管理的准确化。借用环境控制器对大棚内的环境进行实时检测，这与传统的简单的测量技术相比准确度高、可靠性高，工作人员借用这些实时准确的了解大棚内环境的状况，并且对相关的设备做适当的调节，这样就避免了由传统的检测技术所带来的检测误差、检测滞后等问题。（2）实现了农业大棚土壤灌溉的自动化。利用湿度控制器，通过固态继电器对土壤喷灌电磁阀进行控制，这样就避免了由传统的灌溉技术所带来的水资源浪费、所需劳动力大等问题，实现了对土壤灌溉的自动化。（3）实现了对农业生产管理的科学化。可以组建一个管理操作站，对几十个甚至上百个农业大棚进行集中管理，这样就可以对农业生产进行科学的管理和指导。从而提高农作物的质量和产量。（4）使人们从传统的繁重的体力劳动中解放出来，人们有更多的时间和精力从事其他的劳动，提高了劳动生产率。控制系统具有自动控制的功能，与传统的农业生产相比大大减轻了劳动强度。1.2 大棚环境控制技术的三个发展阶段 从国内外发展状况来看，可分为：（1）传统的手动阶段。可是最初阶段，大棚内的劳动者既是大棚内环境的传感器又是控制器，劳动者通过对农作物生长状况的观察，对室内环境的观察，凭借以往的经验做出相应的判断，对大棚内的环境进行人工调节。采用这种生产方式，农业生产率低且农作物的质量得不到提高。（2）现代自动控制阶段。计算机的普遍使用使大棚内环境的自动控制成为可能，计算机技术与现代控制理论相结合，自动调节和控制大棚内影响农作物生长的各种环境因素，达到作物生长所需的最佳值。（3）现代智能化控制阶段。智能化控制技术是自动控制技术与农业专家系统相结合，通过传感器对大棚内的影响作物生长的各种环境因素进行采集，结合农业专家系统的数据，做出相应的处理，进行自动的调节，实现农业生产的智能化控制。1.3 本设计研究的主要内容本设计主要是对农业大棚内空气的温度、土壤的湿度进行采集、显示，与此同时给出越线报警，同时与PC机相连，控制执行机构做出相应的动作，实现对温湿度的自动控制。第二章 系统总体设计2.1 系统功能设计2.1.1 设计思想 （1）单片机核心处理。（2）设置温湿度的上下限，为了尽量减少所用的I/O端口采用独立式按键设置的方式。（3）测量温度使用DS18B20，直接输出数字信号，测量湿度时使用电阻式湿度传感器，输出的是模拟信号。（4）显示温湿度时，考虑到成本问题，采用数码管。（5）温度高时，步进电机正转开窗通风，达到要求时步进电机反转，关闭天窗。（6）温度低时，固态继电器导通，加热丝开始加热，达到要求时固态继电器截至，加热丝停止加热。（7）土壤湿度低时，步进电机正传，打开阀门进行喷灌，达到要求时步进电机反转，关闭阀门。（8）温湿度超限时，蜂鸣器报警。2.1.2 本设计要实现的功能（1）实现对大棚内空气温度、土壤湿度进行实时采集，且测量空间内多点的温湿度，利用LED数码管显示。（2）当大棚内的温湿度超限时，实现及时报警。（3）与上位机相连，控制执行机构针对大棚内当前的情况及时采取措施，使其达到作物生长的最佳环境。2.1.3本设计要达到的技术指标（1）测温范围：050（2）测温精度： 0.5（3）测湿范围：0100RH（4）测湿精度：2.5RH2.2系统结构设计本设计选用了最常见的硬件和软件，实现了设计的合理性和经济性，能够简单的完成硬件的连接和生产。本设计以单片机AT89S52为核心，以DS18B20数字温度传感器、电阻式湿度传感器作为测量元件进行数据采集，LED数码管显示设定数值和测量数值，当采集数据超出预设值时，有蜂鸣器实时报警，同时单片机控制执行机构做出相应的处理。温度传感器DS18B20输出的是数字信号，可直与单片机相连，电阻式湿度传感器输出的是模拟信号，经ADC0809转换为数字信号后送单片机。同时单片机与上位机通过接口芯片MAX232相连，实现通信。本系统由温度与湿度的采集电路、实时显示电路、报警电路、功能键盘、数据通讯电路组成，选用的主要器件有：温度传感器DS18B20、电阻式湿度传感器、AT89S52单片机、A/D转换器ADC0809、8255、数码管显示模块、ULN2003、固态继电器、MAX232电平转换芯片等。图2-1为该部分的结构。 上位PC机A/D转换器湿度传感器1湿度传感器2湿度传感器3接口芯片MAX232 单片机 报警电路温湿度显示键盘温度传感器2温度传感器2温度传感器2执行机构图2-1 系统硬件框图第三章 硬件设计3.1 AT89S52单片机 本设计采用AT89S52单片机，AT89S52是一种8位微处理器，它的内存非常大，为8K，且具有低功耗、高性能等优点，同时与MCS-51在指令和引脚方面兼容，不仅支持传统的编程方法，还支持ISP在系统编程技术，AT89S52芯片的内部还集成了看门狗定时器，使用时更加方便，因此在各个方面得到了广泛的应用。 图3-1 AT89S52单片机的内部结构方框图3.1.1 AT89S52主要工作特性:字长为8位，与51系列产品在指令和引脚方面兼容。可实现多达10万次的擦写次数，因为其内部具有内存为2KB的EEPROM程序存储器。具有片内数据存储器RAM，内存为256字节。可编程的I/O口线有32个。具有全双工串行通信口，并且可以编程。具有两种工作模式，分别为低功耗“空闲”和“掉电”。工作电压为4.5V5.5V。3.1.2 AT89S52的内部结构该芯片的结构：（1） 中央处理器 （2） 存储器（3） I/O端口（4） 定时器（5） 计数器（6） 中断系统（7） 时钟电路中央处理器是单片机的核心，主要由运算器、控制器和布尔处理器组成，以字节为单位对数据进行处理。存储器有片内存储器和片外存储器之分，同时片内和片外存储器又有ROM和RAM之分。AT89S52有P0P3四个端口，可并行的输入输出数据，这四个端口都具有双向数据传输的功能，且P1口和P3口具有第二功能，P0口可以传送数据的低8位地址，传送地址的高8位时可用高8位，图3-1为该芯片内部结构。3.1.3 AT89S52的引脚AT89S52采用双列直插式封装，有4个I/O端口，共32根，6条控制线，2根电源线，P0P3作为准双向口使用，输入数据时，需先向输出锁存器写入高电平。当接片外存储器时，P0口可作为低8位地址线，P2口可作为高8位地址线。AT89S52的40根引脚如图3-2所示。 图3-2 AT89S52引脚图（1）P0口：8位双向数据通信口，当访问外部存储器时可以用来存储低8位地址。作为通用I/O口用时，要外接上拉电阻；访问外部存储器时，P0口具有内部上拉电阻，因此不必再接上拉电阻。（2）P1口：8位双向数据通信口，具有内部上拉电阻，作为通用的I/O口使用时无需接上拉电阻，当进行写操作输入高电平时端口内部的上拉电阻把端口拉高，且具有第二功能如表3-1所示。表3-1P1口具有的第二功能（3）P2口：8位双向数据通信口，具有内部上拉电阻，作为通用的I/O口使用时无需接上拉电阻，当进行写操作输入高电平时端口内部的上拉电阻把端口拉高，当访问外部存储器时可以用来存储高8位地址。（4）P3口：8位双向数据通信口，具有内部上拉电阻，作为通用的I/O口使用时无需接上拉电阻，当进行写操作输入高电平时端口内部的上拉电阻把端口拉高，且具有第二功能如表3-2所示。表3-2 P3口具有的第二功能（5）VCC:接+5V电源。（6）GND:接地。（7）RST:复位端，使用单片机时，首先要复位，此引脚高电平时工作，使其工作的前提是保持2个机器周期以上的高电平。（8）ALE:地址锁存允许线，此引脚在高电平时工作，其下降沿用于把片外存储器的低8位和高8位锁存。（9）PSEN:片外ROM选通线，要使用时使其为低电平，通常是当用到指令MOVC时使用。（10）EA/VPP:允许访问片外存储器，低电平时有效，此时允许访问片外ROM，高电平时，只允许访问片内ROM。（11）XTAL1、XTAL2:外接晶振，XTAL1作为为输入端使用，XTAL2作为为输出端使用。3.1.4 AT89S52的时钟电路AT89S52工作是靠脉冲，要想产生脉冲可以采用两种方式，一种是单片机自己产生，脉冲源来自其内部的振荡电路，它可以产生时钟信号，当然前提是借用晶振；另一种是借用外部产生的脉冲来工作，此时的时钟信号由外部来引入。本设计采用内部方式，图3-3为该部分的电路，XTAL1作为输入端使用，XTAL2作为输出端使用。 图3-3 时钟电路 图 3-4 复位电路利用了来自单片机芯片内部的振荡器，它可产生自激震荡，并连同两边两个电容一起工作，震荡后产生脉冲，为单片机提供用来工作的时钟脉冲。外接晶振时，C1、C2的值通常选择为30pF左右，C1、C2对时钟频率有微调作用，晶振的频率为12MHZ。3.1.5 AT89S52的复位电路本设计采用上电复位与手动复位电路，图3-4为AT89S52的复位电路。要想复位可靠，必须使RST引脚保持一定时间以上的高电平，此时机按机器周期来算就可以。3.2 AT24C02存储单元3.2.1 I2C总线图3-5为该部分的电路，采用AT24C02的目的是当电源掉电时储存已设置测量的数据，避免由重复设置和测量所带来的困扰，从而间接的缩短了耕作周期，提高了工作效率。 图3-5 总线的组成图3-6为该部分电路采用AT24C02的目的是当电源掉电时储存已设置测量的数据，避免由重复设置和测量所带来的困扰，从而间接的缩短了耕作周期，提高了工作效率。， 图3-6 总线的时序3.2.2 AT24C02芯片介绍图3-7为该部分电路，采用AT24C02的目的是当电源掉电时储存已设置测量的数据，避免由重复设置和测量所带来的困扰，从而间接的缩短了耕作周期，提高了工作效率。AT24C02是利用串行通信的方式和单片机进行通信， 该芯片总共有8个引脚。（1）1A、1B、1Y均为地址引脚 图3-7 AT24C02芯片引脚（2）SDA：串行数据地址引脚。 （3）SCL：串行时钟引脚。 （4）WP ：与+5V电源相连。 （5）Vcc：与+5V电源相连。 （6）GND：与地相连。 图3-7为该部分电路,SCL、 SDA与分别与AT89S52的两个通用的I/O口相接。图中两上拉电阻的作用是减少AT24C02的静态损耗，AT24C02采用串行通信的方式传送数据，地址线和数据线是共用的。 图3-8 AT24C02和AT89S51接口电路3.3 电阻式温度传感器的设计本设计采用DS18B20温度传感器进行数据采集，其优点是所测量的数据为数字信号，可以直接传送给单片机。且数据的传送是双向的，只需一根AT89S52的I/O口线便可与多个DS18B20进行通信，因为每个DS18B20内部有一个64位的ROM,其中存有各个器件自身的序列号，作为器件独有的ID号码。3.3.1 DS18B20的性能特点如下：测温范围广，精度高，测量范围为-55+125，测量精度为0.5。转换精度：通过可编程确定转换精度的位数，一般情况下为912位二进制数，本设计采用9位。 测温分辨率：9位精度为0.5，10位精度为0.25，11位精度为0.125，12位精度为0.0625。 仅需单片机的一个I/O端口与其通信。 数据线和电源线可共用，电压范围为3.05.5V。 供电方式有两种，寄生电源供电和外部电源供电。 3.3.2 DS18B20的内部结构图3-9为该部分电路。 图3-9 DS18B20D内部结构框图3.3.3 DS18B20测温原理测温原理如图3-10所示，图中低温振荡器的振荡频率受温度的影响很小，高温振荡器的振荡频率受温度的影响大。低温振荡器产生一个固定的时钟脉冲信号1，高温振荡器产生一个随温度变化的时钟脉冲信号2，信号1在信号2的门周期内计数，若信号1在信号2的周期内完成计数，则温度高于预设值，此时温度寄存器加1，再重复该过程，直到信号2门周期截止。 图3-10 测温原理图本设计采用转换的位数为9，精度为0.5，温度和数字量的关系如表3.1。表3-3 空气的温度和二进制数的关系变量二进制码十六进制码+1250000 0000 1111 101000FAH+850000 0101 0101 00000550H+250000 0000 0011 00100032H+1/20000 0000 0000 00010001H00000 0000 0000 00000000H-1/21111 1111 1111 1111FFFFH-251111 1111 1100 1110FFCEH-551111 1111 1001 0010FF92H3.3.4 DS18B20的引脚DS18B20的引脚如图3-11所示本设图3-11 DS18B20实物图（1）GND：接地。（2）VDD:本设计接电源。（3）DQ:数据输入输出端口，采用寄生电源供电时为设备提供电源。3.3.5 DS18B20与AT89S52的连接 图3-12 外部电源供电图3-2 为该部分电路，可以看出本设计采用了外部电源，因为寄生供电不能提供所需的能量，当采用寄生电源供电时VDD引脚必须接地，当连接多个DS18B20时，一个上拉电阻不能提供足够的能量，因此本设计采用外部电源供电的方式。3.4 土壤湿度传感器的设计常用的湿度传感器有两种，一种是电容式，一种是电阻式。本设计选用电阻式，其工作原理是当湿感材料吸水后阻抗发生变化，从而制成湿感元件。土壤是由固体、液体和气体三部分组成的，物理学中的电压、电流定律同样也适用于土壤，可以把土壤中的气体和固体充当介质，而水不纯净可以导电。两电极直接与土壤接触，可以及时直接测出要测量的值，本设计选用电阻式，其工作原理是当湿感材料吸水后阻抗发生变化，从而制成湿感元件。图3-13土壤湿度传感器的结构经过调查得知土壤含水量与电压的关系如表3-4所示表3-4 土壤含湿度与模拟量的关系实验号平均含水量电压12.66941.3623.09281.3438.45992.8549.64912.55513.37872.88614.94253.15715.47343.18817.92452.60919.61722.561022.54902.611124.06952.551225.94462.541327.87722.531435.50142.563.4.1 土壤湿度传感器结构的设计主要由两根探针组成，探针分为两种，一种是圆柱状，一种是板片状。相对于圆柱状板片状的表面积较大，因此当插入土壤中时容易变形，因此本设计采用圆柱状探针结构。经调查本设计将探针的参数设置为：5mm的直径,15mm的探针间距,150mm的间距。如图3-13所示。1.上外壳 2.下外壳 3.防水层 4.探针 3.4.2 土壤湿度传感器材料的选择制作探针的材料有不锈钢、铜合金、石墨等，不锈钢易腐蚀，铜合金的耐腐蚀性优于不锈钢，石墨的耐腐蚀性较好，但是强度差且导电性无法与金属媲美，因此本设计采用铜合金作为探针的电极材料。3.4.3 变送器的设计ADC0809对输入信号有严格的限制，因此当输入的信号太小时需进行放大；模拟量在输入的过程中需保持不变，因此需加采样保持环节；各个通道之间的信号可能会相互干扰，因此需加滤波电路。变送器的电路原理图如图3-14所示。图3-14 土壤湿度传感器变送器电路3.5 A/D转换电路湿度传感器输出的是模拟信号，而单片机接受的是数字量，因此必须转换成数字量后才能传送。主要由两根探针组成，探针分为两种，一种是圆柱状，一种是板片状。相对于圆柱状板片状的表面积较大，因此当插入土壤中时容易变形，因此本设计采用圆柱状探针结构。即把采集到的湿度信息转换为AT89S52可识别的数字信息，A/D转换种类很多，最为常用的是逐次逼近式A/D转换器，本设计采用ADC0809，测得的模拟信号输入ADC0809的模拟信号输入端，经转换后输入单片机，其时钟频率由单片机提供。3.5.1 ADC0809主要特性（1）该芯片的分辨率较高，为8位。（2）可以用单片机来直接控制该芯片，因为该芯片具有控制端（3）转换时间快，为100us左右（4）接+5V电源（5）模拟输入电压是单极性的，可在0+5V范围内连续变化（6）可以在-40+85范围内进行测量3.5.2 ADC0809内部结构该芯片的结构：（1） 模拟开关（8路）（2） 地址锁存与译码器（3） 比较器（4） 256电阻阶梯（5） 树状开关（6） 逐次逼近式寄存器SAR（7） 控制电路（8） 三态输出锁存器如图3-15所示。当输入模拟信号时，模拟信号输入口，本设计仅用了3个口。用到此芯片时令ALE线为高电平，此引脚锁存地址信息，该芯片能够自己确定到具体的地址。 256电阻阶梯和树状开关用来分压 逐次逼近寄存器SAR用来存放转换过程中的暂态数字量的转换后的数字量 图3-15 ADC0809内部结构3.5.3 ADC0809引脚功能ADC080 图3-16 ADC0809的引脚（1） IN0IN7：输入端。（2） ALE：地址锁存允许线。（3） ADDA、ADDB和ADDC为地址输入端，表3-5显示了该端口的功能。（4） START：启动。（5） EOC：转换结束。（6） CLOCK：时钟信号。 （7） OE：允许输出线。（8） VCC：接+5V电源（9） GND：接地线（10） VREF(+)：接VCC（11） VREF(-)：接地或负电源3.5.4 ADC0809使用时的注意事项（1）输入的信号必须是单极性的，且对电压有一定的要求必须为0+5V；模拟量在输入的过程中需保持不变，否则的话需加采样保持环节；各个通道之间的信号可能会相互干扰，需加滤波电路。表3-5 确定具体路数关系表被选模拟电压路数ADDCADDBADDAIN0000IN1001IN2010IN3011IN4100IN5101IN6110IN7111（2）ADC0809内部没有时钟电路，因此必须由外界来提供，频率为500kHZ640kHZ的时钟信号。一般有两种方式，分别为借助外部晶振和借助单片机的时钟信号。一般情况下选择第二种方式，当单片机的ALE引脚不访问片外存储器时，可为ADC0809提供时钟信号，但是AT89S52的ALE引脚输出的时钟信号为2MHZ，因此需接一个74LS74，经74LS74的2个D触发器进行四分频之后才能获得所需的时钟信号。3.6 74LS74芯片介绍D触发器是广泛应用的一种时序电路，它是构成多种移位寄存器的基本单元电路，74LS74是最常用的双D触发器，引脚如图3-17所示。 图3-17 74LS74引脚CP时钟输入端。D数据输入端。Q、Q数据输出端。RD直接复位端。SD直接置位端。74LS74是双D触发器，D触发器的基本功能之一是构成分频电路，本设计正是利用此功能为ADC0809提供时钟信号。3.7 8255A芯片3.7.1 芯片的组成8255A由数据端口、组控制电路、数据缓冲器、读写控制逻辑四部分电路组成。(1)数据端口：A、B和C。(2)控制电路:用来决定8255A的工作方式。(3)数据总线缓冲器：不仅可以传送数据字，还可以传送状态字，更可以传送控制字。(4)读写和控制逻辑：控制8255A的读写表3-6 控制表CSA1A0RDWR端口地址端口功能00001C0HA口读A口00010C0HA口写A口00101C1HB口读B口00110C1HB口写B口01001C2HC口读C口01010C2HC口写C口01110C3H控制口写控制字1总线高阻3.7.2 控制信号功能（1）RESET：复位线。（2）CS:片选线。（3）WR: 写信号。（4）RD 读信号。表3-6显示了对该芯片控制的详细的信息。 图3-18 8255A的方式控制字3.7.3 8255A的控制字和状态字8255A的控制字有两种，方式控制字和C口单一置复位控制字，本设计采用方式控制字，其格式如图3-18所示，。3.8 键盘接口独立式按键是指直接用I/O口线构成的单个按键电路。每个独立式按键单独占用一根I/O口线，每根I/O口线的工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态，这是一种简单的键盘结构。 图3-19 键盘的结构3.8.1 独立式按键键盘结构图3-19为该部分的电路，本设计采用了独立式按键，当有键按下时，端口为0，无键按下时为1。 3.8.2 键盘的方案选择本设计设置了5个按键，其功能分别为：K1为功能键，K2为温湿度上调键，K3为温湿度下调键,K4为静音键。K1键的具体功能如下0- 显示第一个位置的温湿度；1- 显示第二个位置的温湿度；2- 显示第三个位置的温湿度；3- 对第一个位置的温度进行调节；4- 对第二个位置的温度进行调节；5- 对第三个位置的温度进行调节；6- 对第一个位置的湿度进行调节；7- 对第二个位置的湿度进行调节；8- 对第三个位置的湿度进行调节。3.8.3 注意事项在按键电路的设计中关键部分是按键的去抖问题，一般用两种方式用来去抖，一种是硬件去抖，一种是软件去抖，本设计采用软件去抖。其方法是执行一个10ms左右的延时子程序。3.9 显示器接口在单片机应用系统中，常用的显示器主要有LED数码管显示器和LCD模块。两者相比，LED数码管价格低廉，结构简单，且LED显示更加清晰，因此，本设计选择LED 数码管。3.9.1 LED显示原理 LED显示器是由发光二极管组成，用来显示特定字段的显示器。LED导通时一般有2V的正向电压，10mA电流，而电源为5V，故需串联300欧的限流电阻R，待显示的数字是非压缩的BCD码，必须先经过译码，转换成字型码才能显示，转换的方式有软件译码和硬件译码两种，单片机中常用软件译码，这种方法硬件电路少，灵活性好。LED的每条线段可以是一个或几个发光二极管，其结构图如图3-20所示。LED 数码管根据其内部LED的连接方法不同，有共阴极和共阳极两种接法，本设计选用共阳极如图3-21所示。在共阴极接法中，当某一段发光二极管输入为高电平时，该发光二极管亮，反之则熄灭。而在共阳极接法中，刚好与共阴极接法相反。 图3-20 外形图 图3-21 共阴极3.9.2 LED 显示器驱动方式LED显示器显示接口按驱动方式可分为静态显示和动态显示两种显示方式，静态显示驱动就是数码管每段字符连续通电，每段字符连续发光，动态显示驱动则是利用矩阵扫描方式间断向所需显示的字符笔段轮流施加电压。静态显示驱动只需考虑段选码的问题，而动态驱动除此之外还要考虑位选码的问题。静态驱动最大的优点是CPU响应的速度快，除此之外静态驱动的管理也非常简单，LED显示的亮度高，且工作稳定；其缺点每个LED都需加段码驱动，因此相比动态显示驱动而言需占用更多的硬件电路。动态显示驱动方式最大的优点是所需硬件电路少，因此硬件成本相对较低；其缺点是在显示的过程中需要不断刷新，若采用软件扫描的方式则需占用较多CPU的时间，若采用硬件扫描的方式，则会增加硬件成本，而且当LED显示数位较多时，显示亮度会降低。3.9.3 数据输入接口方式LED显示器显示接口按CPU向显示器接口传送数据的方式则可分为并行传送和串行传送两种传送方式。并行传送接口中传送显示数据时以并行方式进行，它的传送速度快，但占用I/O口接口多。串行传送在传送显示数据时以串行方式进行，优点是占用I/O口接口少，接线简单，缺点是传送速度慢。图3-22 LED 数码管静态显示接口电路3.9.4 LED方案的选择整个设计单元有位置（1）位、温度（2位）、湿度（2）位显示输出，共需要5个数码管。为了节省单片机的端口数，同时考虑到CPU响应速度的问题，本设计选用74LS164驱动数码管采用串行传送的方式，静态显示。本设计采用的是共阳极接法，5个数码管的公共端接+5V电源，可以用 74LS164 驱动LED数码管。要显示某字段，首先要把这个字符转换为相应的字形码，然后再通过串行口发送到164,则相应的移位寄存器输出低电平，驱动LED数码管显示。图3-22为该部分电路。3.10 执行机构电路当温湿度超限时，执行机构采取相应的措施，调整温湿度，使其在预定范围内。温度低时，加热丝开始加热，使温度升高；温度高时，打开天窗，使温度降低；湿度低时，实施喷灌，增加土壤湿度。3.10.1 ULN2003芯片ULN2003芯片的输出电流为200mA，可以用来直接驱动步进电机、固态继电器和低压灯泡。3.10.2 继电器输出接口技术固态继电器主要有两种分别为交流型、直流型，交流型以双向晶体管做开关元件，直流型以功率晶体管做开关元件。固态继电器SSR是一种无触点的通断电子开关，它是利用开关三极管、双向可控硅等半导体器件的开关特性来工作的，工作时无触点、无火花地接通和断开电路。单向SSR为四端有源器件，两个端子为输入控制端，另外两个为输出受控端，当有信号输入时主回路导通，无信号输入时主回路断开。它既有隔离的作用，又有放大驱动的作用，可以用来驱动大功率开关式执行机构。固态继电器的主要性能如下：（1）驱动电流： 10mA；（2）工作时无触点；（3）交流型电网电压为110380V，直流型负载电压为350V（4）输入与输出端可以承受2.5KV以上的高压本设计采用交流型继电器来驱动执行机构,本设计选用HS316Z型，其参数如下：（1）工作电压：DC48（2）输入电流：10mA（3）输出电流：16A（4）负载电压：AC 160430V3.11 上位机3.11.1 串行口UART的结构与控制AT89S52中的串行通信口可用作通用异步收发器接口、同步移位寄存器接口和多机串行通信接口。3.11.2 串行口的控制AT89S52使用时，首先要初始化。3.11.3 串行口的工作方式表3-7 串行口工作方式SM0SM1工作方式功能描述00方式08-bit同步移位寄存器01方式110-bitUART10方式211-bitUART11方式311-bitUARTSM0、SM1决定工作方式，如表3-7所示，可以看出共有4种方式。因为通常情况下选择1、2、3方式，但方式1更普遍，本设计采用方式1。表3-8 DB-9型连接器的信号和引脚分配表DB-9引脚信号功能说明1DCD数据载波检测2RXD接收数据3TXD发送数据4DTR数据终端准备5GND信号地6DSR数据设备准备好7RTS请求发送8CTS清除发送9RI振铃提示3.11.4 RS-232C总线RS-232C总线标准规定电压范围为-3-15V时，控制线上的信号无效，数据线输出“1”；电压范围为+3+15 V时，控制线上的信号有效，数据线输出“0”。RS-232C与TTL之间电平的转换要通过专用集成电路芯片MAX232来完成，因为TTL是以高低电平表示逻辑状态的。 RS-232C未定义连接器的物理特性，因此各种类型的连接器都可用，但DB-9型连接器最为广泛，因为很多设备只用了很少的引脚，为了节省资源和空间而选择DB-9型连接器。DB-9型连接器不支持20mA电流环接口，且只提供异步通信9个信号。DB-9型连接器的信号和引脚分配如表3-8所示3.11.5 MAX232引脚图及引脚说明MAX232的引脚图如图3-23。MAX232内部结构；（1） 电荷泵电路（2） 数据转换通道（3） 供电。 图3-23 MAX232引脚图（1）电荷泵电路由1、2、3、4、5、6脚和四只电容构成。该部分可以产生计算机所需的电平。因为计算机电平与单片机电平不匹配，其中计算机的为负逻辑电平，高电平为-12V,低电平为+12V。（2）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（R1 IN）、12脚(R1 OUT)、11脚（T1 IN）、14脚（T1 OUT）为第一通道。8脚（R2 IN）、9脚（R2 OUT）、10脚（T2 IN）、7脚（T2 OUT）为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1 IN、T2 IN输入数据转换成RS-232数据从T1 OUT、T2 OUT送到电脑DB插头；DB9插头的RS-232数据从R1 IN、R2 IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1 OUT、R2 OUT输出。第三部分是供电。15脚GND接地，16脚VCC接+5V电源。3.11.6 单片机扩展RS-232C总线接口该部分电路如图3-24所示，图中4个1F电容的作用是与MAX232内部的电压变换电路一起产生10V左右的工作电源，单片机AT89S52的RXD、TXD直接与MAX232收发器1的R1OUT、T1IN相连，R1IN、T1OUT即为RS-232C总线的数据接收和数据发送信号。收发器2可用于控制信号或其它单片机UART的信号转换。图3-24 MAX232与上位机的连接电路3.12 报警电路当测量的温湿度不在所设范围内时，启动蜂鸣器报警，同时单片机控制继电器触电动作，以此来打开相应的执行机构。 图3-25 报警电路蜂鸣器主要有两种，分别为压电式、电磁式，工作电压均为1.515V的直流电。压电式蜂鸣器的组成部分：（1）为多懈振荡器（2）压电蜂鸣片（3）阻抗匹配（4）共鸣箱（5）外壳。有的还在外壳上装有发光二极管，工作方式为：接通电源后多谐振荡器起振，输出频率为1.52.5KHZ的音频信号，与此同时阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。电磁式蜂鸣器的组成部分为外壳、振荡器、振动膜片、磁铁和电磁线圈。其工作方式为：接通电源后振荡器起振输出音频信号，其电流通过电磁线圈，且电流是变化的因此电磁线圈周围产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下周期性的振动发出声音本设计采用电磁式蜂鸣器，由于蜂鸣器的工作电流较大，采用三极管进行驱动。该部分如图3-25所示。3. 13 电源设计该部分电路由降压、整流、滤波、稳压四部分组成，如图3-26所示。首先采用变压器将220V交流电降压，然后采用单相整流桥实现整流。稳压部分由一个三端稳压集成块7805、7812、二极管、电容组成，并具有独立的电压过载保护的功能。 】图3-26 电源电路第四章 软件系统设计系统程序共分七个模块，即主程序模块、测温度模块、测湿度模块、键盘扫描程序模块、数据显示程序模块、报警模块、看门狗复位模块。每个模块都有一定的功能，其中的模块还含有一些子模块，既相互独立又相互联系，低级模块可以被高级模块调用。4.1 主程序开始系统初始化调用测温、测湿程序测量湿度值与设定的上下限值比较，超限?Y报警程序N显示控制执行机构键盘扫描有键按下？NY键值处理 图4-1 主程序流程图本系统的智能化核心是AT89S52，其监控程序和应用软件全部固化在E2PROM内。它的工作过程是：（1） 系统上电后；（2） 单片机进入监控状态，同时完成对各端口的初始化工作；（3） 当有键按下时，产生申请中断，进入响应的中断程序，完成键盘处理工作；（4） 当没有外部控制信息输入的情况下，系统自动采集温湿度数据；（5） 当采集到的温湿度在设定的范围之内时用数码管显示；（6） 若超过了设定的上下限时进行语言报警。图4-1为该部分流程图。获取温度 初始化DS18B20ROM匹配启动温度转换N转换结束？Y初始化DS18B20ROM匹配结束返回图4-2 DS18B20操作流程图 4.2 系统各程序模块 本系统的程序模块主要有：（1） DS18B20的测温的程序；（2） 湿度的测量的程序；（3） 键盘部分的处理程序；（4） 显示程序；（5） 报警程序；（6） 控制程序。4.2.1 DS18B20测温程序流程图温度测量的主程序要完成的内容（1）温度中断（2）温度计算（3）显示图4-3，为该部分的流程图。开始湿度传感器初始化N四次数据采集完毕？Y去掉最小值和最大值比较中间两数N两数之差10？Y取两数平均数返回图4-3 湿度测量采集子程序流程图 4.2.2 湿度部分图4-5，为该部分的流程图。完成方法：（1） 集中采集；（2） 分别处理。程序功能：（1） 模拟转化；（2） 存储数据；（3） 取中间值；（4） 测量四次。（5） 取平均值初始化8255A取要显示的数值求显示数据的显示码指向下一位待显示数据送段选码到A口送段选码到B口修改显示缓冲区地址延时1msN显示完了？Y返回循环扫描图4-4 显示程序流程图4.2.3 显示部分 本系统用5个LED数码管对所测得的温湿度进行显示，分配为：（1） 器件位置；（2） 温度值；（3） 湿度值；显示方式（1） 静态（2） 共阳极（3） 串行传送（4） 图4-4，为该部分的流程图。4.2.4 键盘部分图4-5，为该部分的流程图。开始读PC口的值N有中断请求？Y调键盘处理子程序返回图4-5 本设计设置了5个按键，其功能分别为：K1为功能键，K2为温湿度上调键，K3为温湿度下调键,K4为静音键。K1键的具体功能如下0-对第一个位置的温度进行显示；1-对第二个位置的温度进行显示；2-对第三个位置的温度进行显示；3-对第一个位置的温度