基于单片机的智能温室大棚湿度检测仪设计与仿真

1、本科毕业论文题 目 基于单片机的多功能农田 湿度控制系统设计与仿真 学 院 信息科学技术学院 专 业 电子信息工程 毕业届别 2013届 姓 名 黄保斐 指导教师 聂志刚 职 称 讲师 甘肃农业大学教务处制二一三年三月基于单片机的多功能农田温湿度环境监测系统设计与仿真黄保斐（甘肃农业大学信息科学技术学院09电子信息工程）摘 要:室外温湿度检测属于监控系统的范畴。近年来由于传感器技术，计算机技术。超大规模的集成电路技术和网络通信技术的发展，使监控、自动控制系统广泛应用于家居生活等领域。 本文研究设计了一款基于单片机的多功能农田温湿度监测系统。该多功能农田温湿度监测系统由AT89C51单片机、湿度

2、传感器、A/D转换、声光报警电路以及电源等部分组成。温湿度传感器把采集到的农田的空气湿度转换成电信号，经过A/D 转换电路传送到单片机控制电路处理，再通过LCD1602 液晶显示器直观的显示被测农田的温湿度。可通过编程设定适合各类作物在不同环境下的阈值，超过或者低于所设定的阈值即进行声光报警。并将此系统在Keil中编程，Protues中仿真其硬件电路，仿真结果表明，运行良好，对实际应用有很好的利用价值。关键词：温湿度检测；湿度传感器；单片机；A/D转换；LCD显示Design of greenhouse humidity detection instrument based on single

3、 chip microcomputerHuang baofei(2009 Electronic Information Engineering, College of Information Science Technology, Gansu Agricultural University)Abstract: The indoor temperature and humidity monitoring system belongs to the scope of testing. In recent years, the sensor technology, computer technolo

4、gy. Ultra large scale integrated circuit technology and network communication technology, to make monitoring, automated control systems are widely used in home life and other fields. In this paper, the design of a microcontroller-based intelligent greenhouse humidity detector. The detector by the AT

5、89C51 microcontroller, humidity sensor, A / D conversion, sound and light alarm circuit and power supply components. Humidity sensor the collected air humidity inside the greenhouse into electrical signals, after A / D conversion circuit to the chip control circuit processing, and then through the L

6、CD1602 LCD visual display of the humidity in the room temperature. Can be programmed for all types of crops in different environments threshold above or below the set threshold value that is sound and light alarm. This system will be programmed in Keil, Protues in its hardware circuit simulation, si

7、mulation results show that, well, for the practical application of good value in use.Keywords: humidity detection；humidity sensor；SCM; A / D converter；LCD display目录摘 要IAbstractII1引言11.1多功能农田温湿度环境监测系统设计背景与意义11.2多功能农田温湿度环境监测系统性能11.2.1 实现功能11.2.2国内外设备通用的指标21.3多功能农田温湿度环境监测系统整体结构设计21.3.1设计思路21.3.2整体框图设计3

8、1.4多功能农田温湿度环境监测系统设计预期达到的目标32多功能农田温湿度环境监测系统硬件设计52.1 AT89C51单片机52.2输入通道92.2.1湿度传感器92.2.2A/D转换芯片122.2.3键盘电路142.3输出通道152.3.1LCD液晶显示152.3.2指示灯192.3.3报警装置202.3.4继电器202.3.5主要设计电路解析213多功能农田温湿度环境监测系统软件设计253.1编程语言介绍253.2软件设计步骤与模块化设计方法263.2.1软件设计步骤263.2.2模块化设计的方法263.3软件开发环境263.4系统软件设计方案及流程图274系统仿真与分析294.1系统仿真2

9、94.1.1仿真工具介绍294.1.2联机调试294.1.3测试分析294.2误差分析315总结与展望33参考文献34附录一35附录二36致谢541引言1.1多功能农田温湿度环境监测系统设计背景与意义随着现代科技的飞速发展和普遍应用，高性能的设备越来越多，各行各业对温度和湿度的要求也越来越高。传统的温度与湿度监测模式是以人为基础，依靠人工轮流值班，人工巡回查看等方式来测量和记录环境的温度与湿度信息。这种模式，不仅效率低下不利于人力资源的充分利用，而且缺乏科学性，许多重大事故的产生都是人为因素造成的，人工维护缺乏完整的管理系统。而温室监控系统就可以解决这样人才资源浪费，管理不科学的问题，这是由于

10、它的智能化设计所决定的。其工作步骤如下：传感器感应环境温度及湿度；单片机判断感应到的温度与湿度是否异常；若感应到的温度与湿度异常，实行措施进行调节；判断异常是否超过预先设定时间，若超过预设时间，则输出异常信号报警；判断异常是否处理完毕，若处理完毕，报警解除。这样就可以利用控制器对机房温度与湿度进行监控，从而实现环境温度与湿度管理的实时性和有效性。本次设计对于类似项目还具有普遍意义。随着现代化的实现，很难找出一个与温湿度无关的领域来。例如，食品行业：对于食品储存来说至关重要，温湿度的变化会带来食物变质，引发食品安全问题；档案管理：纸制品对于温湿度极为敏感，不当的保存会严重降低档案保存年限；农田：

11、植物的生长对于温湿度要求极为严格，不当的温湿度下，植物会停止生长、甚至死亡；动物养殖：各种动物在不同的温度下会表现出不同的生长状态，高质高产的目标要依靠适宜的环境来保障；药品储存：根据国家相关要求，药品保存必须按照相应的温湿度进行控制。所以说对湿度监控有着重要意义。1.2多功能农田温湿度环境监测系统性能多功能农田温湿度环境监测系统完成的是多功能农田内的环境湿度检测系统的开发。该系统需要实现的基本功能是设定并检测多功能农田内部环境湿度并显示其值。当农田土壤里面的湿度值超过提前所设定的农田的最高湿度值或者低于所设定的最低湿度值时，报警系统启动进行报警，同时提醒工作人员打开水阀进行灌溉，从而进行湿度

12、调节，使农田内部环境的湿度保持在所设定的范围以内。1.2.1 实现功能(1)键盘电路设定农田内的湿度范围；(2)湿度传感器采集农田内的湿度数据并通过A/D转换器将数据输入单片机控制系统； (3)LCD1602液晶显示器显示农田内的即时湿度数据；(4)当农田内的湿度超过所设定湿度范围的最高值或者低于所设定湿度范围的最小值时，报警电路工作，同时湿度调节电路工作对农田内的湿度进行调节，使农田内的湿度维持在所设定的湿度范围内；1.2.2国内外设备通用的指标(1)选择测量范围：与测量重量和温度一样，选择湿度传感器首先要确定测量范围。除气象部门与科研部门外，湿度测控一般不需要满量程(0-100%RH)测量

13、。在当今信息时代，随着传感器技术与计算机技术、自动控制技术的紧密结合。测量的目的主要在于控制，测量范围与控制范围合称使用范围。当然，对于不从事测控系统的应用者来说，直接选择通用型湿度仪就可以了。(2)选择测量精度：与测量范围一样，测量精度也是传感器最重要的指标之一。数据精度每提高个百分点，对传感器来说就是上了一个台阶。因为要达到不同的测量精度，其制造成本相差很大，售价也相差甚远。例如，进口的一个廉价的湿度传感器只有几美元，而一个供标定用的全湿程湿度传感器要几百美元，相差近百倍。所以设计者在选用传感器时一定要量体裁衣，不宜盲目的追求“高、精、尖”。湿度传感器的精度是分段表示的，如中、低湿段(0一

14、80%RH)为2%RH，而高湿段(80100%RH)为4%RH。而且精度是指在一定温度下(如25)的值。在不同温度下使用湿度传感器，其示值还要考虑温度漂移产生的影响。众所周知，相对湿度是一个有关温度的函数，温度对指定空间内的相对湿度有很大的影响。温度每变化0.1就会产生0.5%RH的湿度变化(误差)。若使用场合难以做到恒温，则提出过高的测湿精度是不合适的。所以控制湿度首先要控制好温度，这就是大量的应用往往是对温湿度体化传感器而不单纯是湿度传感器的缘故。在大多数情况下，如果没有精确的控制温度的手段，或者被测的空间是非密封的，5%RH的精度就足够了。对于要求精确控制恒温、恒湿的局部空间的湿度测量，

15、或者需要跟踪记录湿度变化的场合，应选用3%RH1-2。1.3多功能农田温湿度环境监测系统整体结构设计1.3.1设计思路多功能农田温湿度环境监测系统包括了硬件设计和软件设计，该系统在硬件设计上主要是通过湿度传感器对农田的湿度进行采集，将采集到的湿度数据通过A/D转换器传输到系统的核心的器件AT89C51单片机中，将采集到的湿度数值经分析，送到LCD1602液晶屏上显示，以数字形式直观的显示农田内的湿度数据。硬件电路还包括报警电路，湿度调节电路，对农田内的湿度进行监测与调节。系统的软件编程是通过C语言对AT89C51单片机实现其控制功能。整个系统结构紧凑，简单可靠，操作灵活，功能强大，性能价格比高

16、，较好的满足了现代生产和科研的需要。1.3.2整体框图设计低高TLC1543转换芯片单片机LCD数码显示管耦合继电器指示灯报警装置湿度传感器人工灌溉人工喷水多功能农田多功能农田温湿度环境监测系统以AT89C51单片机为主控芯片，用湿度传感器测量农田内的湿度，输出模拟信号，然后通过A/D转换，将模拟信号转换为数字信号，结合LCD1602液晶显示模块，共同完成了对环境温湿度的监控，测量到湿度信号后，通过单片机处理，实现控制，湿度低于所设定湿度范围的最小值时控制继电器打开加湿装置，湿度高于所设定湿度范围的最大值时控制继电器打开烘干装置，由此完成了湿度的监控显示和控制如图1.1所示3: 图1.1 本设

17、计整图框图1.4多功能农田温湿度环境监测系统设计预期达到的目标多功能农田温湿度环境监测系统就是针对农田内的湿度，研究基于单片机的农田温湿度的自动监测，综合考虑系统的精度、效率以及经济性要求等多方面因素之后，设计一种多功能农田温湿度环境监测系统。通过系统实时采集农田的湿度，经过含有单片机的检测系统的进一步分析处理，显示农田的即时湿度，用户可以通过单片机键盘输入适合作物生长的湿度的上下限值和预置值，从而实现对农田作物生长的控制。如果环境的实时参数超越上下限值，系统启动报警系统并通过湿度调节电路对农田内的湿度状态进行调节，直到湿度状态处于上下限值内为止。如果有预置初值，且与当前状态不相等时，系统也会

18、报警并启动执行机构实时动态调节湿度状态，直到所处的平衡状态与预置值相等为止。2多功能农田温湿度环境监测系统硬件设计 多功能农田温湿度环境监测系统硬件设计部分主要由AT89C51单片机、输入通道和输出通道三大部分组成。单片机是对采集到的湿度数据进行分析和处理；输入通道中的湿度传感器用来采集农田内的湿度信息并将模拟信号传输至A/D转换器，将其转换为数字信号，输入单片机中。输出通道包括LCD1602液晶显示电路，报警电路中的信号灯的显示以及湿度调节电路。该多功能农田温湿度环境监测系统的硬件系统包括以下几个部分：(1)单片机：通过单片机接收A/D转换器中的数字信号，对数据进行处理，此处理过程主要是对采

19、集的数据进行初值定义、使用线形变换计算出实际压力值以及相应的移位处理，并且把处理好的数据送入相应的缓冲区，为后面的显示及控制作好准备。(2)输入通道包括：湿度传感器，通过湿度传感器获得农田内的湿度与之相对应的模拟电压值，并将测得的数据输出到A/D转换芯片；A/D转换芯片，经过A/D转换芯片将湿度传感器输出的模拟信号转换成数字信号，并将该数字信号传递给单片机；键盘电路，通过键盘电路改变输入键值来设定农田湿度范围，将农田内的湿度控制在一个合理的范围。(3)输出通道：LCD1602液晶显示器，本设计采用LCD动态显示农田内的湿度值；指示灯，红灯示警由单片机端口输出的高低电平控制。红灯表示湿度过高或湿

20、度过低，调湿设备开始工作；耦合电路，耦合电路采用从电到光，再从光到电转换信号的方式来隔离干扰源对控制信号的影响；报警装置，采用电铃与信号显示灯相结合进行报警，湿度过高或过低信号灯发光并且发出报警声音，使操作者能够及时调整湿度；继电器，继电器由单片机控制，实现系统中调湿装备的自动控制。把单片机和输入通道、输出通道三部分有机的结合在一起，构成湿度检测系统的硬件结构，如图2.1所示。2.1 AT89C51单片机AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的

21、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，内置功能强大的微型计算机AT89C51提供了高性价比的解决方案。AT89C51是一个低功耗、高性能的单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本4。AT89C51单片机管脚图如图2.2所示。耦合湿度高湿度低湿度传感器A/D转换单片机指示灯LED数码

22、显示继电器加湿除湿设备报警图2.1 硬件设计整体结构图图2.2 AT89C51单片机示意图(1)单片机管脚功能：VCC为其供电电压,GND为接地；P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电

23、平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口

24、管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指钟写入07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作

25、寄存器R0-R7）的状态如表2.1所示：表2. AT89C51的初始态特殊功能寄存器 初始态 特殊功能寄存器 初始态 ACC 00H B 00H PSW 00H SP 07H DPH 00H TH0 00H DPL 00H TL0 00H IP xxx00000B TH1 00H IE 0xx00000B TL1 00H TMOD 00H TCON 00H SCON xxxxxxxxB SBUF 00H P0-P3 B PCON 0xxxxxxxB ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端

26、以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不

27、管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1为反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入；XTAL2为来自反向振荡器的输出。(2)振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。(3)芯片擦除：整个PEROM阵列

28、和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89S51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止5。2.2输入通道2.2.1湿度传感器(1)传感器的选择由于作物生长的不确定性和温室环境的可变性，传统的自动化控制手段已不能满足于现代农业的发展需要。随着

29、多功能农田技术的普及，农田数量不断增多，温室环境内要求有适合于作物生长的湿度，保证作物生长所需的水分，当湿度偏高或偏低时有调节的能力，所以湿度传感器在整个控制系统中起到至关重要的作用。而传感器的选择要根据农田的环境、土壤环境、种植植物对湿度的要求等因素来选择。日常生活中所提及的湿度，实际上就是指相对湿度。相对湿度是指空气中水蒸气的含量与同一温度下的饱和水蒸气含量的比值，并用百分比表示。它是一个量纲为1的量，在很多与大气湿度有关的现象里，如农作物的生长、棉纱的断头以及人们的感觉等，这些都与大气的绝对湿度没有直接关系，而主要与大气中的水气离饱和状态的远近程度有关。相对湿度决定于空气的含水量和温度，

30、在空气含水量不变的情况下，随着温度的增加，其相对湿度也就相应地降低；当温度降低时，空气的相对湿度增加。在农田内，夜间蒸发量下降，但空气湿度反而增加，主要就是由于温度降低的原因。相对湿度计算公式：其中： 绝对湿度，单位：克/立方米（g/）； 最高湿度，单位：克/立方米（g/）； e 蒸汽压，单位：帕斯卡（）； E 饱和蒸汽压，单位：帕斯卡（）； s 比湿，单位：克/千克 （g/kg）；S 最高比湿，单位：克/千克（g/kg）。温度相对湿度露点的对应关系如图2.3所示：图2.3 温度相对湿度露点的对应关系综合考虑最终选用法国Humirel的HS1101LF湿敏电容制成的防护棒式封装的湿度传感器。H

31、M1500LF它的特点是价位低廉、封装严密、稳定性好以及简单的三线制线性电压输出，方便与微控制器相接。基于独特的湿度感应晶片，随着环境湿度值的变化有着稳定的容值变化的湿敏电容为基检测元件。通过带补偿校准过的转换电路，利用电容量与相对湿度的函数关系直接输出线性的电压值，直观的反映出湿度值7。HM1500LF湿度传感器的实用性分析:(a)尺寸比较小；(b)可以在长时间处于饱和状态后快速脱湿；(c)可靠性高并且可在长时间内维持稳定，保证测量到的数据有很高的准确性；(d)具有非常低的温度依赖性；(e)反应时间快；(f)对化学品具有很高的抵抗性；(g)专利的固态聚合物结构，质量很高；HM1500LF湿度

32、传感器的主要性能参数；(a)采用专利电容HS1101LF设计制造，带防护棒式封装；(b)5VDC恒压供电，1-4VDC放大线形电压输出，便于用户使用(c)宽量程：0100RH，工作温度范围3060(d)精度3RH（1095RH范围）(e)抗静电，防灰尘，有效抵抗各种腐蚀性气体物质HM1500LF湿度传感器特性如表2.2所示：表2.2 HM1500LF湿度传感器特性参数符号最小值典型值最大值单位湿度量程RH199%RH相对湿度精度（10-95%）RH+/-3+/-5%RH供电电压Vs4.755.005.25VDC典型输出RH=55%Vout2.422.482.54V消耗电流Ic0.40.8mA温

33、度效应（0-60）Tcc+/-0.1%RH/平均灵敏度（33-75%RH）mV/%RH+25mV/%RH吸收电流容量Is300微安150小时结露的恢复时间t10S湿度迟滞+/-1.5%RH长时间稳定性0.5%RH/yr输出阻抗Z70欧反应时间（33-76%RHstatic63%）t5SHM1500LF湿度传感器的结构图和引脚定义图如图2.4所示：图2.4 HM1500LF湿度传感器的结构图和引脚定义图HM1500LF湿度传感器的外观结构如图2.5所示：图2.5 HM1500LF湿度传感器(2)传感器电路设计本系统通过湿度传感器HM1500LF采集湿度，经过含有单片机的检测系统的进一步分析处理，

34、通过通信线路将信息上行到PC机，在PC机上可对温湿度信号进行任何分析、处理7。具体设计如图2.6所示：图2.6 湿度传感器连接示意图2.2.2A/D转换芯片目前生产AD/DA的主要厂家有ADI、TI、BB、PHILIP、MOTOROLA等，而AD转换器的主要技术指标有以下七个方面来衡定：(1)分辩率(Resolution) 指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，定义为满刻度与2n的比值。分辩率又称精度，通常以数字信号的位数来表示。(2)转换速率(Conversion Rate)是指完成一次从模拟转换到数字的AD转换所需的时间的倒数。积分型AD的转换时间是毫秒级属低速AD，逐次比较型AD是微

35、秒级属中速AD，全并行/串并行型AD可达到纳秒级。采样时间则是另外一个概念，是指两次转换的间隔。为了保证转换的正确完成，采样速率(Sample Rate)必须小于或等于转换速率。因此有人习惯上将转换速率在数值上等同于采样速率也是可以接受的。常用单位是ksps和Msps，表示每秒采样千/百万次（kilo / Million Samples per Second）。(3)量化误差(Quantizing Error) 由于AD的有限分辩率而引起的误差，即有限分辩率AD的阶梯状转移特性曲线与无限分辩率AD（理想AD）的转移特性曲线（直线）之间的最大偏差。通常是1 个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为

36、1LSB、1/2LSB。(4)偏移误差(Offset Error) 输入信号为零时输出信号不为零的值，可外接电位器调至最小。(5)满刻度误差(Full Scale Error) 满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。(6)线性度(Linearity) 实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上三种误差。(7)他指标：绝对精度(Absolute Accuracy) ，相对精度(Relative Accuracy)，微分非线性，单调性和无错码，总谐波失真（Total Harmonic Distotortion缩写THD）和积分非线性8。本设计选用TLC1543美国TI司生产的多通

37、道、低价格的模数转换器。采用串行通信接口，具有输入通道多、性价比高、易于和单片机接口的特点，可广泛应用于各种数据采集系统。 TLC1543为20脚DIP装的CMOS 10位开关电容逐次A/D逼近模数转换器，引脚排列如图2.7所示：图2.7 TLC1543引脚排列图其中A0A10（19 、11、12脚）为11 个模拟输入端，REF+（14脚，通常为VCC）和REF-（13脚，通常为地）为基准电压正负端，CS（15脚）为片选端，在CS端的一个下降沿变化将复位内部计数器并控制和使能ADDRESS、I/O CLOCK （18脚）和DATA OUT（16脚）。ADDRESS（17脚）为串行数据输入端，是

38、一个1的串行地址用来选择下一个即将被转换的模拟输入或测试电压。DATA OUT 为A/D换结束3态串行输出端，它与微处理器或外围的串行口通信，可对数据长度和格式灵活编程。I/O CLOCK数据输入/输出提供同步时钟，系统时钟由片内产生。芯片内部有一个14通道多路选择器，可选择11个模拟输入通道或3个内部自测电压中的任意一个进行测试。片内设有采样-保持电路，在转换结束时，EOC（19脚）输出端变高表明转换完成。内部转换器具有高速（10S转换时间），高精度（10分辨率，最大1LSB不可调整误差）和低噪声的特点9。TLC1543的引脚如图2.8所示：图2.8 TLC1543引脚图A/D转换芯片的连接

39、如图2.9所示：图2.9 A/D转换芯片连接图2.2.3键盘电路键盘电路实际是多个按键组合而成的电路，通过输入键值的变化达到设定湿度范围的目的，将实际湿度控制在适宜植物生长的湿度范围内，使植物能够高效的生长。键盘电路设计如图2.10所示：图2.10 键盘电路设计图2.3输出通道2.3.1LCD液晶显示(1)液晶显示LCD1602简介字符型液晶显示模块是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块。下面以长沙太阳人电子有限公司的1602字符型液晶显示器为例，介绍其用法。一般LCD1602字符型液晶显示器实物如图2.11所示： 图2.11

40、 LCD1602字符型液晶显示器实物图(2)1602LCD的基本参数及引脚功能LCD1602分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图2.12所示：图2.12 LCD1602尺寸图(3)1602LCD主要技术参数显示容量:162个字符；芯片工作电压:4.55.5V；工作电流:2.0mA(5.0V)；模块最佳工作电压:5.0V字符尺寸:2.954.35(WH)mm；(4)引脚功能说明1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表2.3所示:表2.3 引脚接口说明表编号符号引脚

41、说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和

42、R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。(5)1602LCD的指令说明及时序LCD1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表2.4所示：表2.4 控制命令表序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或

43、字符移位000001S/CR/L*6置功能00001DLNF*7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写数到CGRAM或DDRAM）10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数11读出的数据内容LCD1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1为高电平、0为低电平）指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。指令2：光标复位，光标返回到地址00H。指令3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏幕上所有文字是否左移或者右移

44、。高电平表示有效，低电平则无效。指令4：显示开关控制。 D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示 C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标 B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。指令5：光标或显示移位 S/C：高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。指令6：功能设置命令 DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线 N：低电平时为单行显示，高电平时双行显示 F: 低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。指令7：字符发生器RAM地址设置。指令8：DDRAM地址设置。指令9：读忙信号和光标地址 BF：为忙标志位，高电平表示忙，此

45、时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。指令10：写数据。指令11：读数据。与HD44780相兼容的芯片时序表如表2.5下：表2.5 基本操作时序表读状态输入RS=L，R/W=H，E=H输出D0D7=状态字写指令输入RS=L，R/W=L，D0D7=指令码，E=高脉冲输出无读数据输入RS=H，R/W=H，E=H输出D0D7=数据写数据输入RS=H，R/W=L，D0D7=数据，E=高脉冲输出无读写操作时序如图2.13和2.14所示：图2.13 读操作时序图2.14 写操作时序(6)1602LCD的RAM地址映射及标准字库表液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块

46、的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，8是1602的内部显示地址。图2.15 1602LCD内部显示地址例如第二行第一个字符的地址是40H，那么是否直接写入40H就可以将光标定位在第二行第一个字符的位置呢？这样不行，因为写入显示地址时要求最高位D7恒定为高电平1所以实际写入的数据应该是B（40H）+B(80H)=B(C0H)。在对液晶模块的初始化中要先设置其显示模式，在液晶模块显示字符时光标是自动右移的，无需人工干预。每次输入指令前都要判断液晶模块是否处于忙的状态。1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了

47、160个不同的点阵字符图形，如图10-58所示，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A” 10。2.3.3报警装置本设计采用常用的报警方式-电铃报警，直观高效又节省成本。报警装置如图2.17所示：图2.17 报警装置2.3.5主要设计电路解析(1)单片机复位电路当AT89C51系列单片机的复位引脚RST出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。本系统的复位电路如

48、图2.20所示：图2.20 复位电路(2)时钟电路由2个30pF的电容和一个12MHz的晶体振荡器构成。在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器，就构成了内部震荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器并产生震荡时钟脉冲。内部震荡方式的外部电路如图2.21所示：图2.21 晶振电路(3)稳压电源稳压电路中通过芯片7805对电源稳压到5V，具体电路如图2.22所示图2.22 稳压电路(4)湿度测量电路A/D转换器运用TLC1543,其工作过程分为两个周期：访问周期和采样周期。工作状态由CS使能或禁止，工作时CS必须置低电平。CS为高电平时，I/O CLOCK

49、、ADDRESS被禁止，同时DATA OUT为高阻状态。当CPU使CS变低时，TLC1543开始数据转换，I/O CLOCK、ADDRESS使能，DATA OUT脱离高阻状态。随后，CPU向ADDRESS提供4位通道地址，控制14个模拟通道选择器从11个外部模拟输入和3个内部自测电压中选通1 路送到采样保持电路。同时，I/O CLOCK输入时钟时序，CPU从DATA OUT 端接收前一次A/D转换结果。I/O CLOCK从CPU 接收10时钟长度的时钟序列。前4个时钟用4位地址从ADDRESS端装载地址寄存器，选择所需的模拟通道，后6个时钟对模拟输入的采样提供控制时序。模拟输入的采样起始于第4

50、个I/O CLOCK下降沿，而采样一直持续6个I/O CLOCK周期，并一直保持到第10个I/O CLOCK下降沿。转换过程中，CS的下降沿使DATA OUT引脚脱离高阻状态并起动一次I/O CLOCK工作过程。CS上升沿终止这个过程并在规定的延迟时间内使DATA OUT引脚返回到高阻状态，经过两个系统时钟周期后禁止I/O CLOCK和ADDRESS端。TLC1543三个控制输入端CS、I/O CLOCK、ADDRESS和一个数据输出端DATA OUT遵循串行外设接口SPI协议，要求微处理器具有SPI口。但大多数单片机均未内置SPI口（如目前国内广泛采用的MCS52和PIC列单片机），需通过软

51、件模拟SPI协议以便和TLC1543接口。TLC 1543芯片的三个输入端和一个输出端与51系列单片机的I/O口可直接连接，具体连接方式如图2.23所示12：图2.23 湿度采集模拟效果图3多功能农田温湿度环境监测系统软件设计3.1编程语言介绍多功能农田温湿度环境监测系统设计中所用到的编程语言是C语言。C语言，是一种通用的、过程式的编程语言，广泛用于系统与应用软件的开发。提供一种能以简易的方式编译、处理低级存储器、产生少量的机器码以及不需要任何运行环境支持便能运行的编程语言。C语言有以下几方面的优点：(1)简洁紧凑、灵活方便，C语言一共只有32个关键字，9种控制语句，程序书写形式自由，区分大小

52、写。把高级语言的基本结构和语句与低级语言的实用性结合起来。可以像汇编语言一样对位、字节和地址进行操作，而这三者是计算机最基本的工作单元。(2)运算符丰富，C语言的运算符包含的范围很广泛，共有34种运算符。C语言把括号、赋值、强制类型转换等都作为运算符处理。从而使C语言的运算类型极其丰富，表达式类型多样化。灵活使用各种运算符可以实现在其它高级语言中难以实现的运算。(3)数据类型丰富，C语言的数据类型有：整型、实型、字符型、数组类型、指针类型、结构体类型、共用体类型等。能用来实现各种复杂的数据结构的运算。并引入了指针概念，使程序效率更高。(4)表达方式灵活实用，C语言提供多种运算符和表达式值的方法

53、，对问题的表达可通过多种途径获得，其程序设计更主动、灵活。它语法限制不太严格，程序设计自由度大，如对整型量与字符型数据及逻辑型数据可以通用等。(5)允许直接访问物理地址，对硬件进行操作。由于C语言允许直接访问物理地址，可以直接对硬件进行操作，因此它既具有高级语言的功能，又具有低级语言的许多功能，能够像汇编语言一样对位（bit）、字节和地址进行操作，而这三者是计算机最基本的工作单元，可用来写系统软件。(6)生成目标代码质量高，程序执行效率高。C语言描述问题比汇编语言迅速，工作量小、可读性好，易于调试、修改和移植，而代码质量与汇编语言相当。C语言一般只比汇编程序生成的目标代码效率低10%20%。(

54、7)可移植性好，C语言在不同机器上的C编译程序，86%的代码是公共的，所以C语言的编译程序便于移植。在一个环境上用C语言编写的程序，不改动或稍加改动，就可移植到另一个完全不同的环境中运行。(8)表达力强，C语言有丰富的数据结构和运算符。包含了各种数据结构，如整型、数组类型、指针类型和联合类型等，用来实现各种数据结构的运算。C语言的运算符有34种，范围很宽，灵活使用各种运算符可以实现难度极大的运算。C语言能直接访问硬件的物理地址，能进行位（bit）操作。兼有高级语言和低级语言的许多优点。它既可用来编写系统软件，又可用来开发应用软件，已成为一种通用程序设计语言。另外C语言具有强大的图形功能，支持多种显示器和驱动器。且计算功能、逻辑判断功能强大13-14。3.2软件设计步骤与模块化设计方法3.2.1软件设计步骤(1)分析问题，确定问题的需求；(2)分析问题，建