基于单片机的温湿度检测系统的设计.doc

题 目 基于单片机的温湿度检测系统的设计 学 院 信息电子技术学院 年 级 07 级 专 业 电气工程及其自动化 姓 名 樊成龙 学 号 0709034225 指导教师 樊廷栋 摘 要 现代农业生产离不开环境控制 本文在对国内外温室智能控制进行深入分析的基础 上 针对温室智能化控制存在的诸多因子 将智能传感器监测和单片机控制相结合 提 出了基于单片机的温湿度检测系统设计方案 本系统采用层次化 模块化设计 整个系 统由数据采集系统 单片机控制系统 计算机监控系统组成 本设计主要做了如下几方面的工作 一是确定系统的总体设计方案 包括系统要完 成的设计功能 达到的技术指标 系统的设计原则 由此简要介绍系统的整个组成和系 统工作原理 二是进行智能传感器的硬件电路和软件系统的设计 包括传感器的静动态 特征介绍 采用单总线技术的 DS1820 数字温度传感器测温时序 测温原理 测温电路以 及测温系统软件设计 湿敏电容传感器 HS1101 的湿度测量电路 为防止模拟传感器采集 湿度数据的失真 采用了线形插值算法 三是单片机及通信接口的硬件电路及软件系统 设计 内容包括采用的 AT89ssl 单片机的介绍 IZC 总线的 AT24C04 的存储扩展 4 数 码管显示输出 超限数据的语音报警 模拟 SPI 总线辅助数据存储 四是对计算机软件系 统的设计思路 工作原理和实现方法进行了阐述 首先通过 RS 232C 协议实现单片机和 计算机的连接 借助 Windows 下串行通信编程的 ActiveX 控件通过串行接口收发数据 然后计算机作为监控机实现数据的显示 存储 查询 打印和系统设置功能 本系统将信息采集 信息传输 信息处理等多种信息技术相互融合 采用了多种总 线技术 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 可以全面 实时 自动地对监测数据进行自动记录 存储和处理 并将 有关信息根据现场实际情况 采用最有效方式送入计算机进行处理 并可对监测系统进 行远程控制 满足了对作物生长状态实行全面 实时 长期监测的要求 实现了对温室 环境的温湿度实时监测和控制 实现了温室环境温湿度检测的自动化和智能化 关键字关键字 AT89S51 总线技术 DS1820 HS1101 ISD2560 Abstract Modern agrieultural Produetion 15 inscparable from the environmentaleontrol in the light of the causes of greenhouse intelligent control Based on thorough analysis about our national and abroad greenhouse intellignt control combining intelligent sensors test with mcu control This thesis proposes a designseheme on mcu temperature and humidity testing system This system adopts hierarehieal modulardesign It consists of data acquisition system meu eontrol system computer monitoring system and centers around the mcu with many temperature humidity sensors as measurement components It collects and stores intelligent sensor measurement data by connecting mcu with intelligent sensors In mcu system some functions of the expansion storage of procedures real time disp1ay of data overrun auto alarm and auxiliary data storage are realized As the center of the monitoring computerand software design of intelligent sensor Including the introduetion of the static and dynamic characteristies of sensors the software designing of temperature measurement phase temperature measurement principle temperature measurement circuit and temperature measurement system of digital temperature sensor DS1820 which adopts one wirebus technology humidity sensor circuit of sensor HS1101 in order to prevent the distortion of humidity data gathered by mock sensor the 1inear inter polation algorithm is adopted Thirdly it designs hardware circuit of eommunication interface and software system including the introduction of adopted AT89551SCM storage expansion of AT24C04 of l CBus display out put of 4 digital tubes audio alarm of overrun data auxiliary data storage of mock SPIBus The last it elaborates the working principle designing thoughts and realizing methods of computer software system At first throughRS 232C protocol SCM and computer are connected and data is received and sent by serial inferface with the help of active X programmed by serial communication in widows enviorment Computer can display store inquire and print the data and setting as a monitor This system integrates modern signal gathering technology signal transmitting technology information proeessingtechnology combines many parameters in greenhouse environment monitoring and control theory of SCM and by many bus technologies Proposes one kind of praetieal feasible greenhouse environmental monitoring system which can automatically record storge and handle data completely real time and automaticly and in put the relative information into the computer in an effeetive way according to reality Besides it can control the monitoring system long distace It meets the equirement of monitoring on crop growth state completely real time long term It can monitor and control the greenhouse environment timely and realize automation and intelligentize of temperature and humidity testing in greenhouse Keywords AT89S51 Bus technology DS1820 HS1101 ISD2560 目 录 摘 要 ii Abstract iii 第 1 章 绪 论 1 1 1 课题的提出和意义 1 1 2 国内外研究现状 1 1 2 1 国外温室环境控制 1 1 2 2 我国温室控制技术 1 1 2 3 温室环境控制技术三个发展阶段 2 1 2 4 温室控制存在的问题 2 1 3 主要研究内容 3 第 2 章 系统总体设计 4 2 1 系统功能设计 4 2 2 系统设计原则 4 2 3 系统组成与工作原理 5 第 3 章 传感器设计 6 3 1 传感器的基本特性 6 3 1 1 传感器的静态特性 6 3 1 2 传感器的动态特性 7 3 2 DS1820 温度传感器 7 3 2 1 DS1820 温度传感器概述 7 3 2 2 DS1820 的读写时序 8 3 2 3 DS1820 的测温原理 9 3 2 4 温度检测电路 10 3 2 5 提高 DS1820 测温精度的方法 11 3 2 6 软件设计 12 3 3 HS1101 湿度传感器 13 3 3 1 HS1101 湿度传感器特点 13 3 3 2 湿度测量电路 14 第 4 章 单片机设计 16 4 1 AT89S51 单片机 16 4 1 1 单片机引脚 16 4 1 2 时钟晶振电路和复位电路 17 4 1 3 89551 看门狗功能的使用方法 17 4 2 存储扩展 17 4 2 1 I2C 总线的基本结构 17 4 2 2 双向传输的接口特性 17 4 2 3 I2C 总线上的时钟信号 18 4 2 4 数据的传送 18 4 2 5 总线竞争的仲裁 18 4 2 6 I2C 总线接口器件 19 4 3 数码管输出 19 4 3 1 8 位数码管 20 4 3 2 数码管数据显示 20 4 4 语音报警电路 22 4 4 1 语音芯片 1SD2560 22 4 4 2 1SD2560 工作原理 22 4 4 3 硬件电路设计 23 4 4 4 软件设计 23 第 5 章 计算机软件系统 25 5 1 上下位机通信 25 5 1 1 RS 232 C 接口 25 5 1 2 单片机和 PC 通信连接 26 5 2 系统组成与工作原理 27 致 谢 29 参考文献 30 附录 A 31 第 1 章 绪 论 1 1 课题的提出和意义 目前我国农业正处于从传统农业向以优质 高产 高效益为目标的现代农业转化的 新阶段 环境控制工程作为农业生物速生 优质 高产的手段 是农业现代化的重要标 志 温室大棚中的环境由多个因子组成 如温度 光照 湿度及二氧化碳浓度等 我国 温室环境控制目前仍靠人工经验来管理 严重影响了农业生产的效益 阻碍了农业生产 的发展 因此 采用先进的人工智能技术 科学 合理地控制影响作物的环境因子 通 过计算机控制设备进行环境控制 以便给作物生长创造一个最佳的环境条件 做到既提 高产品的质量 产量 经济价值和社会效益 同时尽量降低生产成本 这对温室环境施 行自动检测和控制是非常必要的 温室设施的关键技术是环境控制 其目的是提高控制 及作业精度 温室环境控制技术是随自动化检测技术 过程控制技术 通讯技术 计算 机技术的发展而发展起来的 1 2 国内外研究现状 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 而温室设施术的最终目标是提高控制与作业精 度 1 2 1 国外温室环境控制 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 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 1 2 2 我国温室控制技术 我国对于温室控制技术的研究较晚 始于 20 世纪 80 年代工程技术人员在吸收发达 国家温室控制技术的基础上 才掌握气候室内微机控制技术 该技术仅限于温度 湿度 和 CO2浓度环境因子的控制 我国温室设施计算机应用 在总体上正从消化简单应用阶 段向实用化 综合性应用阶段过渡和发展 在技术单片机控制的单参数单回路系统居多 尚无真正意义上的多参控制系统 与发达国家相比 存在较大差距 我国温室现状还有 达到工厂化农业的境地 生产实际中仍然有许多问题困扰着存在着温室装备配套能力差 产业化程度低 环境控制水平落硬件资源不能共享和可靠性差等缺点 1 2 3 温室环境控制技术三个发展阶段 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 其当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 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 2 自动控制 利用计算机技术及现代控制理论对温室内的各种环境因子如温度 光照 湿度 CO2浓度和施肥等 进行自动控制和调节成为温室控制的主要方式 人为创造适 宜作物生长最佳环境的自动控制技术手段成为主流 此时的温室有比较完整的控制系统 有各种传感器采集温室环境数据 监控系统实时监测环境变化及控制执行机构的动作 良好的人机界面使种植者的操作过程形象而且简便 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 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 智能化的控制技术将农业专家系统与温室自动控制技术有机结合 以 温室综合环境因子作为采集与分析对象 通过专家系统的咨询与决策 给出不同时期作 物生长所需要的最佳环境参数 并且依据此最佳参数对实时测得的数据进行模糊处理 自动选择合理 优化的调整方案 控制执行机构的相应动作 实现温室的智能化管理与 生产 能够根据温室环境条件和作物生长状况 应用适当的知识表达和规则化 推理决 策出最适合作物生长的温室环境 这种控制方式既能体现作物生长的内在规律 发挥农 业专家在农业生产中的指导作用 又可充分利用计算机技术的优势 使系统的调控非常 方便和有效 实现温室的完全智能化控制 1 2 4 温室控制存在的问题 首先是农业专家系统自身的问题 农业专家系统的技术还不十分成熟 各种专家系 统在收集 整理农业专家知识时并没有把专家是如何学习和获得这些知识的过程整理出 来 这样开发的专家系统并不具有真正的学习能力 其次是采集数据的束缚 温室控制 技术主要停留在对温室环境因子的监控上 并没有考虑温室作物本身的生理过程 还有 就是农业专家系统在温室实时控制中的应用的局限性 农业专家系统对温室环境因子进 行实时监控 不同于开发单纯的农业专家系统 其中涉及与控制系统的 接口 问题 在开发温室农业专家控制系统时 对农业知识的表达及推理策略等要认真考虑 同时 将更多的 农业知识用于温室生产的实时控制中 不仅仅局限于对环境因子的专家指导 总之 随着计算机技术 农业应用电子技术 传感器智能化技术 机械电子一体化 技术和计算机网络技术研究的发展 温室技术体系己经成为各个国家为合理利用农业资 源 提高农产品产量 降低生产成本 保护生态环境 提高农产品在国际市场竞争力的 前沿性研究领域 1 3 主要研究内容 本设计主要做了如下几方面的工作 一是确定系统的总体功能设计方案 二是进行 智能传感器的硬件电路和软件系统的设计 三是单片机及通信接口的硬件电路及软件系 统设计 四是对连接单片机的上位管理计算机软件系统的设计思路 工作原理和实现方 法进行了阐述 本文将信息采集技术 信息传输技术 信息存储技术及信息处理技术等相互融合 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 可以全面 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 根据现场实际情况 采用最有效方式送入计算机进行处理 并可对监测系统进行远程控 制 满足了对作物生长状态实行全面 实时 长期监测的要求 与传统监测系统相比 本系统具有以下优点 传感器设计成智能型 可以增加系统数据采集速度 减轻监控计算机的负担 增加了辅助存储功能 在监控计算机不工作的时候 采用多媒体存储卡存储采集数据 单片机的设计提高了系统的监测速度 系统的可靠性 实时性都有很大提高 对模拟设备采集到的数据 为防止失真 采用了数据插值算法 利用语音芯片 超限报警 实现了人性化管理 第 2 章 系统总体设计 2 1 系统功能设计 系统要完成的设计功能如下 1 实现对温室温湿度参数的实时采集 测量空间多点的温度和湿度 根据测量空间或设备 的实际需要 由多路温度 湿度传感器对关键温 湿度敏感点进行测量 由单片机对各 路数据进行循环检测 数据处理 存储 实现温湿度的智能 多空间点的测量 2 实现超限数据的及时报警 3 现场监测设备应具有较高的灵敏度 可靠性 抗干扰能力并具有存储 远程通信功能 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 RS232 串行通讯方式 最远传输距离为 20 米 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软件既要具有完成数据采集 处理的功能 其软件编程应具 有功能强大 界面友好 便于操作和执行速度快等特点 要求达到的技术指标 测温范围 20 100 测温精度 0 5 测湿范围 0 100 RH 测湿精度 2 5 RH 2 2 系统设计原则 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 使用可靠性高的元器 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 进行软硬件滤波 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 多采用操作内置或简化的方法 同时系统应配有现场故障诊断程序 一旦发生故障能保 证有效地对故障进行定位 以便进行维修 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 一个单片机应 用系统能否被广泛使用 性价比是其中一个素 因此 在设计时 除了保持高性能外 尽可能降低成本 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代硬件 功能等 2 3 系统组成与工作原理 以单片机为控制核心 采用温湿度测量 通信技术 误差修正等关键技术 以温湿 度传感器作为测量元件 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 转换及滤波电路 数据存储及显示电路 语音报警电路 见图 2 1 选用 的主要器件有温度传感器 DS1820 湿度传感器 HSll01 At89S51 A D 转换器 TLCO834 数据存储器 AT24CO4 MMC 存储卡 4 数码管显示模块 语音报警芯片 ISD2560 MAX23 定时器 555 芯片等 数据处理 数据采集 报警指示 数据储存 数据显示 AT89S51 单片机 图 2 1 硬件结构图 在整个系统中采用了多种总线 协议技术 如智能温度传感器 DS1820 的单总线技术 存储扩展的 IZC 总线技术 MMC 的模拟 SPI 总线技术 单片机和计算机连接的 RS232 协议技术等 为防止模拟传感器数据采集的失真 采用了线形插值算法 在这个系统中单片机部分采用语言为汇编和 C 语言混合编程 计算机部分采用 VC 第 3 章 传感器设计 3 1 传感器的基本特性 在监控系统中有各种不同的物理量需要监测和控制 这就要求传感器能感受被测非 电量并将其转换成与被测量有一定函数关系的电量 传感器所测量的非电量是处在不断 的变化之中 传感器能否将这些非电量的变化不失真地转换成相应的电量 取决于传感 器的输入一输出特性 传感器这一基本特性可用静态特性和动态特性来描述 3 1 1 传感器的静态特性 1 线性度 传感器的线性度是指传感器实际输出 输入特性曲线与理论直之间的最大偏差与输 出满度值之比 即 式中 线性度 max 最大非线性绝对误差 yFS 输出满度值 2 灵敏度 传感器的灵敏度是指传感器在稳定标准条件下 输出量的变化量与输入量的变化量 之比 即 XYS 0 式中 S0 灵敏度 Y 输出量的变化量 X 输入量的变化量 3 迟滞 传感器在正 输入量增大 反 输入量减小 行程中 输入特性曲线不重合的程度称为迟 滞 迟滞误差一般以满的百分数表示 即 式中 输出值在正 反行程间的最大差值 m H 迟滞特性一般由实验方法确定 4 重复性 传感器在同一条件下 被测输入量按同一方向作全量重复测量时 所得输出 输 入曲线的不一致程度 称重性误差用满量程输出的百分数表示 即 近似计算 式中 输出最大重复性误差 m R 5 分辨力 传感器能检测到的最小输入增量称分辨力 在输入零点附近的分辨力称为阂值 6 零漂 传感器在零输入状态下 输出值的变化称为零漂 零漂可用相对误差表示 也可用 绝对误差表示 3 1 2 传感器的动态特性 过程不受时间限制 而实际中大量的被测量是随时间变化的动态信号 传感器的输 出不仅需要精确地显示被测量的大小 还要显示被测量随时间变化的规律 即被测量的 波形 传感器能测量动态信号的能力用动态特性表示 动态特性是指传感器测量动态信 号时 输出对输入的响应特性 传感器动态特性的性能指标可以通过时域 频域以及试 验分析的方法确定 其动态特性参数如 最大超调量 上升时间 调整时间 频率响应范 围 临界频率等 动态特性好的传感器 其输出量随时间的变化规律将再现输入量随时 间的变化规律 即它们具有同一时间函数 但是 除了理想情况以外 实际传感器的输 出信号与输入信号不会具有相同的时间函数 由此引起动态误差 3 2 DS1820 温度传感器 3 2 1 DS1820 温度传感器概述 美国 DALLAS 公司生产的 DS1820 数字温度传感器 可以直接将被测温度转化为串 行数字信号供微机处理 通过简单的编程实现 9 位的温度读数 并且多个 DS1820 可以并 接到多个地址线上与单片机实现通信 由于每一个 DS1820 出厂时都刻有唯一的一个序列 号并存入其 ROM 中 因此 CPU 可用简单的通信协议就可以识别 从而节省大量的引线 和逻辑电路 与其它温度传感器相比 DS1820 具有以下特性 独特的单线接口方式 DS1820 在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理 器与 DS1820 的双向通讯 DS1820 支持多点组网功能 多个 DS1820 可以并联在唯一的三线上 实现多点测温 DS1820 在使用中不需要任何外围元件 温范围一 55 125 固有测温分辨率 0 5 测量结果以 9 位数字量方式串行传送 单线总线 即 1 wire 技术是 DS1820 的一个特点 该技术采用单根信号线 既可 传输时钟 又能传输数据 而且数据传输是双向的 因而这种单总线技术具有线路简单 硬件开销少 成本低廉 便于总线扩展和维护等优点 单总线适用于单主机系统 能够 控制一个或多个从机设备 主机可以是微控制器 从机可以是单总线器件 它们之间的 数据交换只通过一条信号线 当只有一个从机设备时 系统可按单节点系统操作 当有 多个从设备时 系统则按多节点系统操作 单总线即只有一根数据线 系统中的数据交 换 控制都由这根线完成 主机或者从机通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线 以允许设备在不发送数据时能够释放总线 而让其他设备使用总线 其内部等效电路如 图 3 2 所示 单总线通常要求外接一个约为 4 7k 的上拉电阻 这样 当总线闲置时 其状态为高电平 3 2 2 DS1820 的读写时序 对 DS1820 的使用 多采用单片机实现数据采集 处理时 将 DS1820 信号线与单片 机一位口线相连 单片机可挂接多片 DS1820 从而实现多点温度检测系统 无论是单点 还是多点温度检测 在系统安装及工作之前 应将主机逐个与 DS1820 挂接 读出其序列 号 另外 由于 DS1820 单线通信功能是分时完成的 遵循严格的时隙概念 因此 系统 对 DS1820 和各种操作必须按协议进行 即初始化 DS1820 发复位脉冲 发 ROM 功能命 令 发存储器操作命令 处理数据 DS1820 要求严格的协定来确保数据的完整性 协议 由几种单线上信号类别型组成 复位脉冲 存在脉冲 写 0 写 1 读 0 和读 1 所有 这些信号除了存在脉冲之外均由总线主机产生 3 2 3 DS1820 的测温原理 DS1820 的内部框图如图 3 1 所示 它主要包括寄生电源 温度传感器 64 位激光 ROM 单线接口 存放中间数据的高速暂存器 用于存储用户设定的温度上下限值 触发 器存储与控制逻辑 8 位循环冗余校验码发生器等 7 部分 64位 ROM及环 线接口 供电力 式检测 存储器与控制逻辑 暂存寄存器 8位CRC发 生器 温度传感器 上线寄存器TH 下线寄存器TL I O VDD GND 内部VDD 图 3 1 DS1820 的内部框图 测温原理见图 3 2 低温度系数振荡器是一个振荡频率随温度化很小的振荡器 为计 数器 1 提供一频率稳定的计数脉冲 高温度系数振荡器是一个振荡频率对温度很敏感的 振荡器 为计数器 2 提供一个频率随温度变化的计数脉冲 初始时 温度寄存器被预置 成 550C 每当计数器 1 从预置数始减计数到 0 时 温度寄存器中寄存的温度值就增加 10C 这个过程重复进行直到计数器 2 计数到 0 时便停止 斜率累加器 计数器1 0 计数器2 计数器2 0 计数器1 预置 低温振荡器 高温振荡器 比较器 温度寄存器 停止 预置 INC LSB 置位 清除 图 3 2 DS1820 的测温原理图 初始时 计数器 1 预置的是与 55 像对应的一个预置值 以计数器 l 每一个循环的 预置数都由斜率累加器提供 为了补偿振荡温度特性的非线性性 斜率累加器提供的预 置数也随温度相应变化计数器 1 的预置数也就是在给定温度外使温度寄存器存值增加 1 数器所需的计数个数 图中比较器的作用是以四舍五入的量化方式确定温度寄存器最低有效位 在计数器 2 停止计数后 比较器将计数器 1 中的计数余值转换为温度值后与 0 25 进行比较 若低 于 0 25 温度寄存的最低位就置 0 若高于 0 25 就置 1 若高于 0 75 温度寄存 器的最低位就进位后置 0 这样 经过比较后所得的温度寄存器的值就是最终读取的温度 值了 其最末位代表 0 5 四舍五入最大量化误差为士 l ZLSB 即 0 25 温度寄存器中的温度值以 9 位数据格式表示 最高位为符号位 其余 8 位以二进制 补码形式表示温度值 测温结束时 这 9 位数据转存到暂存寄存器的前两个字节中 符 号位占用第 1 字节 8 位温度数据占用第 2 字节 DS1820 测量温度时使用特有的温度测量技术 DS1820 内部的低温度系数振荡器能 产生稳定的频率信号 同样的 高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号 当计数 门打开时 DS1820 进行计数计数门开通时间由高温度系数振荡器决定 芯片内部还有斜 率累加器 可对频率的非线性度加以补偿 测量结果存入温度寄存器中 一般情况下的 温度值应为 9 位 包含一位符号 但因符号位扩展成高 8 位 故以 16 位补码形式读出 3 2 4 温度检测电路 温度检测系统原理图如图 3 3 所示 采用寄生电源供电方式 为保证在有效的 DS1820 时钟周期内 提供足够的电流 用一个 MOSFET 管和单片机的一个 I O 口 Pl 0 来完成对 DS1820 总线的上拉 当 DS1820 处于写存储器操作和温度 A D 变换操作时 总 线上必须有强的上拉 采用寄生电源供电方式时 VDD 必须接地 由于单线制只有一根线 因此发送接收口必须是三态的 为了操作方便用单片机的 Pl 1 口作发送口 TX Pl 2 口作 接收口 Rx 通过试验发现此种方法可挂接 DS1820 数十片 距离可达到 50 米 而用一个 口时仅能挂接 10 片 DS1820 距离仅为 20 米 同时由于读写在操作上是分开的故不存在 信号竞争问题 图 3 3 是采用寄生电源供电方式的 DS1820 与单片机的实际系统连接图 GHD DQ VOC DALLAS DS1820 GHD DQ VOC DALLAS DS1820 GHD DQ VOC DALLAS DS1820 31 19 18 9 17 16 12 13 14 15 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 30 11 10 20 A5 RST VPD RXD P3 0 TXD P3 1 INTO P3 2 INTI P3 3 T0 P3 4 T1 P3 5 WR P3 6 RD P3 7 XTAL2 XTAL1 VSS 40 VCC EA VPP ALE PROG AT89S51 1 2 3 4 5 6 VCC VCC R2 10K C2 10UF SCL SDA MISO SS SPIC MOSS 4 7K DQ 1819 20 A2 30P A3 30P GND A1 12M U3U2U1 图 3 3 采用寄生电源供电的 DS1820 与单片机的连接图 3 2 5 提高 DS1820 测温精度的方法 DS1820 正常使用时的测温分辨率为 0 5 在对 DS1820 测温原理详细分析的基础上 可以采取直接读取 DS1820 内部暂存寄存器的方法 将 DS1820 的测温分辨率提高到 0 1 0 01 DS1820 内部暂存寄存器的分布如表 3 1 所示 其中第 7 字节存放的是当温 度寄存器停止增值时计数器 1 的计数剩余值 第 8 字节存放的是每度所对应的计数值 这样可以通过下面的方法获得高分辨率的温度测量结果 首先用 DS1820 提供的读暂存寄存器指令 BEH 读出以 0 5 为分辨率的温度测量结 果 然后切去测量结果中的最低有效位 LSB 得到所测实际温度整数部分 T 整数 然后 再用 BEH 指令读取计数器 1 的计数剩余值 M 剩余和每度计数值 M 每度 考虑到 DS1820 测量温度的整数部分以 0 25 0 75 为进位界限的关系 实际温度 T 可用下式计算得到 T 实际 T 整数 0 25 M 每度 M 剩余 M 每度 通过上述方法可以大大的提高 DS1820 的测温分辨率 表 3 1 DS1820 暂寄存器分布 寄存器内容字节地址 温度最低位字位0 温度最高位字位1 高温限值2 低温限值3 保留4 保留5 计数剩余值6 每度计数值7 CRC 校验8 3 2 6 软件设计 温度测量的主程序主要完成对 DS1820 的调用中断管理 测量温度值的计算及温度值 的显示等问题 DS1820 允许中断的产生以修正温度值 实现及时的温度测量 对于图 3 9 系统的 DS1820 操作的总体流程图如图 3 10 所示 它分三步完成 系统通过反复操 作 搜索 DS1820 序列号 启动所有在线 DS1820 做温度 A D 变换 逐个读出在线 DS1820 变换后的温度数据 当有更多的检测点需要测温时 可利用单片机的其它口进行 扩展 同时 也可利用单片机的串行通信口 RXD TXD 与上位计算机进行通信 从而构 成微机温度测量系统网 初始化DS1820 初始化DS1820 检测DS1820 存在 发送跳过ROM指令 温度转换 I 1 等待 DS1820复位 读取温度数据 开始 N Y 发送DS1820编码 图 3 4 DS1820 操作的总体流程图 3 3 HS1101 湿度传感器 测量空气湿度的方式很多 其原理是根据某种物质从其周围的空气中吸收水分后引 起的物理或化学性质的变化 间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度 电容式 电阻式和湿涨式湿敏元件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数 电阻率和体积随 之发生变化而进行湿度测量的 3 3 1 HS1101 湿度传感器特点 不需校准的完全互换性 高可靠性和长期稳定性 快速响应时间 专利设计的固态聚合 物结构 侧面接触封装 适用于线性电压输出和频率输出两种电路 适宜于制造流水线 上的自动插件和自动装配过程等 相对湿度在 0 100 RH 范围内 电容量由 162pF 变到 200pF 其误差不大于 2 RH 响应时间小于 5s 温度系数为 0 01pF 可见精度是较高的 3 3 2 湿度测量电路 HS1101 电容传感器 在电路构成中等效于一个电容器件 其电容量随着所测空气湿 度的增大而增大 如何将电容的变化量准确地转变为计算机易于接受的信号 常用两种 方法 一是将该湿敏电容置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中 所产生的正弦波电压信 号经整流 直流放大 再 A D 转换为数字信号 另一种是将该湿敏电容置于 555 振荡电 路中 将电容值的变化转为与之呈反比的电压频率信号 可直接被计算机所采集 频率输出的 555 测量振荡电路如图 3 5 所示 集成定时器 555 芯片外接电阻 R4 R2 与湿敏电容 C 构成了对 C 的充电回路 7 端通过芯片内部的晶体管对地短路又构成了对 C 的放电回路 并将引脚 2 6 端相连引入到片内比较器 便成为一个典型的多谐振荡器 即方波发生器 另外 R3是防止输出短路的保护电阻 Rl用于平衡温度系数 TLC555 1 2 3 4 5 6 87 576K R4 R2 1K Vs C HS11 R1 R3 Fout 图 3 5 频率输出的 555 振荡电路 该振荡电路两个暂稳态的交替过程如下 首先电源 VS通过 R4 R2向 C 充电 经 t 充 电时间后 Uc 达到芯片内比较器的高触发电平约 0 67VS 此时输出引脚 3 端由高电平突 降为低电平 然后通过 R2放电 经 t 放电时间后 U0下降到比较器的低触发电平 约 0 33VS 此时输出引脚 3 端又由低电平跃升为高电平 如此翻来覆去 形成方波输出 其中 充放电时间为 t充电 C R4 R2 InZ t放电 CR2InZ 因而 输出的方波频率为 f 1 t充电 t放电 1 C R4 2R2 InZ 可见 空气湿度通过 555 测量振荡电路就转变为与之呈反比的频率信号 湿敏电容经振荡电路变换后的脉冲频率信号 经滤波 整形 光藕 放大等信号处理后 送入单片机的定时 计数器 T1 Tl 工作于方式 1 为 16 位计数器 定时记录脉冲数并存 入内存缓冲区 T0 工作于方式 2 为自动重装方式的定时器 由于采用了性能优良的 Hsl101 电容式湿度传感器及其振荡测量电路 获得了频率信号与湿度值的近似线性关系 通过软件的分段线性与查表计算等数据处理 可以校准补偿频率 漂移以及元器件的误 差 因而所构成的湿度测量仪具有结构简单 成本低 测量精度高 响应时间快 性能 稳定的优点 A D 转换器采用 8 位串行控制模数转换器 TLC0834 TLC0834 是低价格 8 位逐次逼 近型 A D 转换器 其多路器可用软件配置为单端或差分输入 也可配置为伪差分输入 基准电压的大小可调 在全 8 位分辨率下允许任意小的模拟电压编程间隔 A D 转换电 路是用于将检测到的温湿度模拟电压转换成数字量输送到微处理器 AT89551 通常取 R4 R2 576kQ R4 远小于 R2 使 D 50 输出接近方波 例如 取 R4 49 9kQ 时 D 52 当 C C0 181spF 时求出 f 6668Hz 这与 6660Hz 典型值 非常接 近 31 19 18 9 17 16 12 13 14 15 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 30 11 10 20 A5 RST VPD RXD P3 0 TXD P3 1 INTO P3 2 INTI P3 3 T0 P3 4 T1 P3 5 WR P3 6 RD P3 7 XTAL2 XTAL1 VSS 40 VCC EA VPP ALE PROG AT89S51 1 2 3 4 5 6 5 2 1 36 7 8 4 RESET OUT TRIG GNDVDD DISCH THRES CONT TLC555 9 4 5 3 2 KS CLK D0 D1CH2 CH1 CHO RD TLC0834 13 10 12 VCC 5 VCC VCC VCC 图 3 6 湿度测量电路 第 4 章 单片机设计 4 1 AT89S51 单片机 本系统采用的 AT89S51 是一个低功耗 高性能 CM058 位单片机片内含 4kBytesISP 的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器 器件采用 ATMEL 公司的高密度 非易 失性存储技术制造 兼容标准 MCS 51 指令系统及 80C51 引脚结构 芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISPFlash 存储单元 AT89S51 具有如下特点 40 个引脚 4kBytesFlash 片内程序存储器 128bytes 的随机存取数据存储器 RAM 32 个外部双向输入 输出 I O 口 5 个中断优先级 2 层中断嵌套中断 2 个 16 位可编程定时计数器 2 个全双工串行通 信口 看门狗 WDT 电路 片内时钟振荡器 4 1 1 单片机引脚 单片机有 4 个 I O 端口 每个端口都是 8 位双向口 共占 32 根引脚 每个端口都包 括一个锁存器 即专用寄存器 P0 P3 一个输入驱动器和输入缓冲器 通常把 4 个端口称 为 P0 P3 见图 4 1 在无片外扩展的存储器的系统中 这 4 个端口的每一位都可以作为 双向通用 I O 端口使用 在具有片外扩展存储器的系统中 P2 口作为高 8 位地址线 P0 口分时作为低 8 位地址线和双向数据总线 在作为一般的通用 I O 输入时 都必须先向锁 存 写入 1 使输出驱动场效应管 FET 截止 以免误读数据 31 19 18 9 17 16 12 13 14 15 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 3011 10 20 A5 RST VPD RXD P3 0 TXD P3 1 INTO P3 2 INTI P3 3 T0 P3 4 T1 P3 5 WR P3 6 RD P3 7 XTAL2 XTAL1 VSS 40 VCC EA VPP ALE PROG AT89S51 1 2 3 4 5 6 VCC R2 10K C2 10UF SCL SDA MISO SS SPIC MOSS 1819 20 A2 30P A3 30P GND A1 12M 图 4 1 单片机 AT89S51 引脚及连接晶振电路和复位电路 4 1 2 时钟晶振电路和复位电路 时钟电路用于产生时钟信号 时钟信号是单片机内部各种微操作的时间基准 在此 基础上 控制器按照指令的功能产生一系列在时间上有一定次序的信号 控制相关的逻 辑电路工作 实现指令的功能 复位对单片机来说 是程序还没有开始执行 在做准备 工作 4 1 3 89551 看门狗功能的使用方法 看门狗复位电路监控程序的运行状态 在死机或 程序走飞 时可使系统自动恢复 到正常工作状态 看门狗具体使用方法如下 在程序初始化中向看门狗寄存器 WDTRST 地址是 OA6H 中先写入 OlEH 再写入 OEIH 即可激活看门狗 89551 的看门狗必须由程 序激活后才开始工作 所以必须保证 CPU 有可靠的上电复位 否则看门狗也无法工作 看门狗使用的是 CPU 的晶振 在晶振停振的时候看门狗也无效 89551 只有 14 位计数器 在 16383 个机器周期内必须至少喂狗一次 而且这个时间是固定的 无法更改 当晶振 为 12M 时每 16 个毫秒需喂狗一次 4 2 存储扩展 I2C 总线是一种由 PHILIPS 公司开发的两线式串行总线 用于连接微控制器及其外围 设备 I2C 总线最主要的优点是其简单性和有效性 由于接口直接在组件之上 因此 I2C 总线占用的空间非常小 减少了电路板的空间和芯片管脚的数量 降低了互联成本 总 线的长度可高达