基于AT89C52的土壤濕度測量系統(tǒng)設(shè)計

摘要摘要土壤的濕度對于農(nóng)作物的生長來說是很重要的，它影響著植物的生長發(fā)育，合理有效地灌溉對農(nóng)作物的生長是非常有利的。同時，也能夠更加有效地使用缺乏的水資源。因此，我們需要測量土壤的濕度，并對其采取措施進行控制，使農(nóng)作物生長在適宜的環(huán)境中。利用單片機來控制土壤的濕度方便、靈活，從根本上提高了濕度測控系統(tǒng)的性能。本論文以單片機AT89C52為核心，結(jié)合其他電子電路技術(shù)，設(shè)計出一種水平較高的土壤測量系統(tǒng)。設(shè)計中利用濕度傳感器SHT11進行數(shù)據(jù)采集，然后將數(shù)據(jù)送入單片機處理，實現(xiàn)濕度顯示、聲光報警、與上位機通訊等功能，SHT11功耗低、體積小、可靠性高。本土壤濕度測量系統(tǒng)操作便捷，精確度高且顯示直觀，用在農(nóng)業(yè)中可以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，給社會帶來更高的經(jīng)濟效益，具有廣闊的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：單片機，土壤測量系統(tǒng)，濕度傳感器AbstractAbstractSoil moisture for the crops is very important, it affects plant growth and development, reasonable and effective irrigation on crop growth is very favorable. It can be more effectively to use water resources. Therefore, we need to measure soil moisture, and take measures to control the growth of crops in a suitable environment. Use microcontroller to control the soil moisture is convenient, flexible and fundamentally, and enhance the performance of the humidity measurement and control system.AT89C52, the paper as the core, in combination with other electronic circuits, design a high level of soil measurement system. Humidity Sensor SHT11 data collection design, low power consumption, system of small, high reliability, and then the data into the microcontroller processing to achieve the humidity display, audible alarm, and PC communication. The soil moisture measurement system is easy to operate, high precision and intuitive display, used in agriculture can increase crop yield and bring greater economic benefits to society, and has broad prospects for development.Keywords: microcontroller, soil measurement system, humidity sensor目錄目錄摘要IAbstractII目錄III第1章 緒論11.1 論文研究的來源11.2 論文研究的目的和意義11.3 近幾年國內(nèi)外研究狀況11.4 本設(shè)計研究內(nèi)容2第2章 土壤濕度測量系統(tǒng)的方案設(shè)計32.1 土壤濕度測量系統(tǒng)的設(shè)計要求和指標32.2 土壤濕度測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理32.3 傳感器的選型42.3.1 傳感器選用需考慮的因素42.3.2 單片智能化濕度傳感器52.4 濕度傳感器SHT1152.4.1 SHT11工作原理6第3章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計103.1 單片機介紹103.1.1 AT89C52簡介103.1.2外部引腳說明11單片機AT89C52的引腳圖如圖3-2所示。113.2單片機的時鐘和復(fù)位電路143.2.1時鐘電路143.2.2復(fù)位電路143.3 電源電路143.4 顯示電路153.4.1 1602液晶顯示153.4.2 1602LCD的控制器接口說明173.4.3 1602LCD液晶顯示的指令183.5 鍵盤接口電路193.5.1 獨立式鍵盤203.5.2 行列式鍵盤203.6 報警電路203.7 無線通信電路213.7.1 PTR2000介紹213.7.2 通信接口電路22第4章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計254.1 主程序流程圖254.2 初始化子程序264.3 鍵盤子程序274.4 濕度程序流程圖284.5 顯示子程序294.6 通信流程圖30總結(jié)31參考文獻32致謝33附錄一34附錄二35附錄三36第1章 緒論第1章 緒論1.1 論文研究的來源土壤的濕度對農(nóng)作物的影響非常大，若土壤中的水過多，就會使土壤中的氧氣減少，農(nóng)作物的根部就很難正常呼吸；而如果土壤濕度過低，農(nóng)作物所需要的水分就得不到滿足。這兩種情況都會嚴重影響植物的生長發(fā)育，使農(nóng)作物產(chǎn)量降低。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，我國越來越重視農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，對農(nóng)作物的環(huán)境參數(shù)進行檢測并控制是非常重要的，而濕度是其中最基本的參數(shù)之一，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)是對環(huán)境參數(shù)的測控。經(jīng)過分析所檢測到的數(shù)據(jù)，再根據(jù)農(nóng)作物生長的規(guī)律，采取有效措施控制植物生長的環(huán)境條件，才能培育出高產(chǎn)量、高質(zhì)量的農(nóng)作物。1.2 論文研究的目的和意義傳統(tǒng)的檢測方法中，人們使用濕度計來獲取土壤的濕度值。然而濕度計精度低，再加上人們讀數(shù)時的誤差，使得傳統(tǒng)的濕度檢測任務(wù)繁瑣、精度低、速度很慢，并且增加了檢測人員的勞動強度。隨著科技的進步，出現(xiàn)了由傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器和報警器構(gòu)成的濕度測量裝置，在一定程度上提高了測量的精度和檢測的速度。但是，因為使用的濕度傳感器不夠靈敏，并且有時會產(chǎn)生誤報、漏報的情況，使得測量系統(tǒng)應(yīng)用起來達不到人們的要求，導(dǎo)致生產(chǎn)損失?，F(xiàn)如今，伴隨計算機的廣泛應(yīng)用以及單片機的越來越強大的功能，使得監(jiān)測系統(tǒng)具有越來越高的穩(wěn)定性和精確性。因此以單片機為核心，配合其他電子電路的土壤測量裝置方便靈活、穩(wěn)定性高、測量精確度高，對提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量具有重大意義。1.3 近幾年國內(nèi)外研究狀況18世紀人們就已經(jīng)發(fā)明出了干濕球濕度計，它的精確度取決于濕球濕度計和干球濕度計自身的精度。干濕球濕度計的精確度僅僅為5%-7%RH，但是干濕球濕度計在使用過程中不會出現(xiàn)精度值降低和老化的現(xiàn)象。后來，測量相對濕度的滴水法出現(xiàn)。最近幾十年，電子濕度傳感器快速發(fā)展，它的測量準確度能夠達到2%-3%RH?，F(xiàn)在，電子式濕度傳感器應(yīng)用廣泛，它具有誤差小、精確度高等優(yōu)點。現(xiàn)如今，國內(nèi)外在研究濕度傳感器方面取得了巨大的進步，制作電子芯片技術(shù)大幅度提高，芯片日益微型化、集成化。濕度傳感器從原來的濕敏元件逐漸朝多參數(shù)檢測智能化的方向發(fā)展，這必將使?jié)穸缺O(jiān)測技術(shù)邁向新的臺階。1.4 本設(shè)計研究內(nèi)容1. 對整個系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和整體思路規(guī)劃。2. 以單片機為核心，進行硬件電路設(shè)計和改進，完成整個土壤測量系統(tǒng)的功能。硬件電路有信號采集電路、報警電路、顯示電路、鍵盤電路、無線通信電路。3.土壤濕度檢測系統(tǒng)的軟件設(shè)計。根據(jù)軟件功能的實現(xiàn)，基本分為主程序、初始化子程序、濕度報警子程序、無線通信子程序。程序編寫時，加上了文字注釋，方便以后維護和改進。 -47-第2章 土壤濕度測量系統(tǒng)的方案設(shè)計第2章 土壤濕度測量系統(tǒng)的方案設(shè)計2.1 土壤濕度測量系統(tǒng)的設(shè)計要求和指標1. 利用濕度傳感器對土壤的濕度采集數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)濕度的實時測量和顯示，檢測范圍1%-99%RH。2. 能夠依據(jù)氣候等影響測量條件的變化改變報警限值的設(shè)置。3. ATMEL公司的AT89C52單片機，理解它的功能與特性，能夠?qū)穸葘崿F(xiàn)智能化控制。4. 設(shè)計報警系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、鍵盤系統(tǒng)和無線通信系統(tǒng)。在土壤濕度測量系統(tǒng)實現(xiàn)其基本能力的同時，還應(yīng)確保裝置的穩(wěn)定性、精確性、可靠性、低功耗以及經(jīng)濟性。2.2 土壤濕度測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理土壤濕度測量系統(tǒng)是能夠?qū)崟r測量土壤的濕度參數(shù)，并具有報警功能的儀器。系統(tǒng)以單片機AT89C52為核心，采用SHT11濕度傳感器采集土壤濕度參數(shù)信息，配合其它外圍電路共同實現(xiàn)土壤濕度測量及報警功能。該系統(tǒng)的基本組成部分包括濕度傳感器、信號采集電路、顯示電路、報警電路、按鍵電路、無線通信電路。系統(tǒng)要求穩(wěn)定性高、精度高、可靠性高、經(jīng)濟實用，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。復(fù)位電路LCD顯示無線發(fā)送AT89C52單片機濕度傳感器上位機無線接收鍵盤輸入報警電路圖2-1 土壤測量系統(tǒng)原理框圖通過濕度傳感器實現(xiàn)濕度的數(shù)據(jù)采集，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的數(shù)字化。系統(tǒng)顯示參數(shù)的上限值與下限值經(jīng)鍵盤輸入，如果檢測量的信號值不在上下限區(qū)間內(nèi)，系統(tǒng)就會啟動報警電路。為了方便檢測，使測量人員能夠直觀地知道土壤中的濕度值，可以把濕度值通過LCD顯示出來，并通過無線通信的方式，將所測得的濕度值傳輸?shù)缴衔粰C。其中，復(fù)位電路可以實現(xiàn)AT89C52單片機的復(fù)位。2.3 傳感器的選型濕度傳感器是土壤濕度測量系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，負責采集濕度信號，根據(jù)這些有關(guān)的濕度信號就可以知道土壤中濕度的相關(guān)信息，實現(xiàn)檢測報警功能。濕度傳感器作為獲取土壤濕度信息的手段，是整個系統(tǒng)的核心部件之一，可靠、精確的濕度傳感器決定了獲取的濕度信息的準確性。2.3.1 傳感器選用需考慮的因素制作工藝、結(jié)構(gòu)和使用材料不同，它的技術(shù)指標和使用性能就會有差異，所以在選擇濕度傳感器時，需要考慮不同的因素。1. 測量精度測量精度是傳感器的一個重要的技術(shù)指標。對于傳感器來說，每提升一個百分點就是提升一個高度，有時甚至是提升到一個更高的檔次。不同精度的傳感器，制作它們的成本差異非常大，價格也差別很大。制造商對于濕度傳感器的精確度通常是分段給出的。例如，在一定溫度下（例如25）的精度值，高溫階段（即80-100%RH）是4%RH，而中低溫度階段（即0-80%RH）是2%RH。假設(shè)在不一樣的溫度下，使用同一濕度傳感器，就需要考慮溫漂對濕度傳感器示值產(chǎn)生的影響。每變化0.1的溫度，將產(chǎn)生濕度誤差0.5%RH。溫度的變化使得濕度漂移不定，如果不能保證環(huán)境的溫度恒定，就要求測量精度過高是不對的。因此溫濕度集于一體的傳感器被廣泛應(yīng)用。2. 測量范圍現(xiàn)今的社會是信息的時代，傳感器技術(shù)同自動控制、計算機技術(shù)緊緊相結(jié)合。測量的最終目的是控制，適用范圍是控制范圍和測量范圍的全稱，因此研究溫度和濕度測量控制時，全濕程測量是不必要的。3. 溫漂和時漂因為濕度傳感器一定會接觸空氣里的水汽，不可以密封，所以傳感器幾乎全部都存在溫漂和時漂的問題，因此這就導(dǎo)致了濕度傳感器有限的壽命和穩(wěn)定性。使用環(huán)境的溫度變化的范圍是在選擇濕度傳感器時需要考慮的，要考慮在指定溫度下所選擇的濕度傳感器能不能正常運作，濕度傳感器的溫漂是不是超過了設(shè)計目標。4. 其他注意的事項因為濕度傳感器是不密封的，所以為確保測量時的穩(wěn)定性和精確度，應(yīng)盡可能的避免在含有有機溶劑、堿性和酸性的環(huán)境中使用。除此之外，也不能把濕度傳感器置于粉塵很大的場所中使用，還不能把濕度傳感器置于空氣不流通（如離墻壁太近）的地方使用，以確保所測環(huán)境的濕度能被正確顯示出來。在應(yīng)用濕度傳感器時，要提供符合其精度的適宜的電源，因為有些傳感器要求很高的電源，否則會對測量精度產(chǎn)生影響。2.3.2 單片智能化濕度傳感器SHT11、SHT15型單片智能化溫濕度傳感器是瑞士森斯瑞（sensirion）公司在2002年研制出的兩種小型、自校準、高精度、多功能的智能傳感器，它的外形尺寸7.5mm5mm2.5mm。出廠之前，研究人員都在非常精密的濕度室里對每一個濕度傳感器做了精確的校準，校準的系數(shù)編寫成對應(yīng)的程序存進校準存儲器里，使得在進行測量時可以自動校準相對濕度。本設(shè)計采用單片機智能化濕度傳感器SHT11，它功耗低、體系小、可靠性高。2.4 濕度傳感器SHT11SHT11是瑞士森斯瑞公司研制的一款多功能智能化濕度傳感器，廣泛應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。其主要性能特點如下：（1）采用CMOSENS專利技術(shù)研制成的高精度智能化傳感器系統(tǒng)，特點是把傳感器技術(shù)和半導(dǎo)體芯片CMOS融合。（2）將溫濕度感測、信號放大調(diào)理、模數(shù)轉(zhuǎn)換和I2C總線接口集成在一個芯片上。（3）SHT11屬于單片且多用途的智能化傳感器，芯片中既含有微型相對濕度傳感器；還含有兩線串行接口和14位A/D轉(zhuǎn)換器，能夠輸出校準的相對濕度值，適于配合各式單片機組成相對濕度測量系統(tǒng)。（4）默認的相對濕度分辨力為12位，可以通過改變寄存器狀態(tài)來降低其分辨力，以降低芯片功耗。（5）超小型器件（長寬高為7.5mm5mm2.5mm），可以表面貼裝。（6）電流的消耗很低，測量階段的電流是550A，工作的平均電流是28A，上電復(fù)位時默認做休眠，電流僅為0.3A。（7）產(chǎn)品保證100%的互換性，抗干擾能力強，響應(yīng)快，外圍電路比較簡單，可以實現(xiàn)低電壓檢測的功能。2.4.1 SHT11工作原理SHT11濕度傳感器的引腳如圖2-2所示，內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖2-3所示，主要由溫濕度傳感器、放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、兩線串行口、RAM、E2PROM、低電壓檢測電路、狀態(tài)存儲器、控制器、循環(huán)冗余校驗碼寄存器（CRC）構(gòu)成。GND1DATA2SCK3VDD4NC5NC6NC7NC8SHT11圖2-2 SHT11濕度傳感器引腳圖校準存儲器EEPROM相對濕度傳感器溫度傳感器SCKDATADATAGNDVDDVDD放大器兩兩串行接口控制單元14位A/D轉(zhuǎn)換器CRC寄存器低電壓檢測電路狀態(tài)寄存器隨機存儲器RAM圖2-3 SHT11濕度傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖引腳功能：VDD和GND：電源和接地引腳，供電的電壓范圍為2.4V2.5V。DATA：串行數(shù)據(jù)輸入/輸出。SCK：串行時鐘輸入，用在SHT11與微處理器的通信同步。SHT11測量濕度的原理為濕度傳感器采集濕度信號，經(jīng)放大器放大，再送進A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換、校準和糾錯，最后由兩線串行口把相對的濕度值傳送給微控制C（即主機），然后再通過C實現(xiàn)非線性補償與溫度補償。1. SHT11的補償(1) 非線性補償SHT11輸出的是相對濕度值（N），而我們想要的被測相對濕度（RH）需要經(jīng)過對讀數(shù)值的非線性補償和溫度補償。N與RH呈現(xiàn)非線性的關(guān)系，可利用以下公式補償非線性：RH=(C1+C2N+C3N2)%，其中C1、C2和C3是線性補償?shù)南禂?shù)，所取值如表2-1。表2-1 濕度轉(zhuǎn)換系數(shù)NC1C2C312bit-40.0405-2.810-68bit-40.648-7.210-4 (2) 溫度補償因為溫度對濕度的測量有非常大的影響，所以當測量環(huán)境的溫度不是25時，應(yīng)該對溫度傳感器采取溫度補償。公式為：RHT=(T-25)(t1+t2N)%+RH，其中，t1和t2是溫度補償系數(shù)，取值如表2-2；T為測量相對濕度時環(huán)境的溫度。表2-2 溫度補償系數(shù)Nt1t212bit0.010.000088bit0.010.001282. 兩線串行接口兩線串行接口包括串行數(shù)據(jù)線（即DATA）及串行時鐘線（SCK）。主機發(fā)出的串行時鐘信號由SCK接收，作用是保持SHT11和主機同步。DATA是三態(tài)輸出端，不使用的時候為高阻態(tài)，它既能輸入測量數(shù)據(jù)，又能輸出數(shù)據(jù)。當SCK處在上升沿并且DATA下降沿已經(jīng)過去的時候，數(shù)據(jù)才能得到更新。為保證數(shù)據(jù)信號的高電平，需要把一上拉電阻接在VDD和數(shù)據(jù)線之間。通常，單片機I/O接口電路中已經(jīng)有此上拉電阻。3. 測量過程上電之后過去10毫秒SHT11就會處于休眠模式，傳送命令不能在休眠模式之前。發(fā)出測量相對濕度的命令（即00000101）之后，芯片休眠結(jié)束，此時主機啟動SCK直到測量完成。對于14位、12位、8位的測量的時間分別是210ms、55ms以及11ms，然后把數(shù)據(jù)線拉為低電平，此時主機再次重新開啟SCK，傳送一個循環(huán)冗余校驗碼數(shù)據(jù)字節(jié)和兩個測量的數(shù)據(jù)的字節(jié)。主機一定要把數(shù)據(jù)線DATA拉為低電平，每一個字節(jié)才可以通過主機發(fā)出應(yīng)答的信號。數(shù)據(jù)的傳送順序從最高位（MSB）到最低位（LSB）。SHT11與單片機的連接如圖2-4所示。圖2-4 SHT11與單片機的連接如圖第3章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計第3章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計3.1 單片機介紹單片機是濕度測量系統(tǒng)的核心，用來接收土壤濕度信號并進行處理，然后啟動報警，并將信號通過無線通信傳給上位機，這些功能的實現(xiàn)，要求單片機的運算速度快，能使用戶和檢測人員及時知道土壤濕度，并作出相關(guān)處理。在滿足以上功能的同時，還要考慮單片機的價格以及體積，使得在確保土壤濕度測量系統(tǒng)的抗干擾性、可靠性和準確性的同時，可以減小體積，不提高成本?，F(xiàn)今單片機技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，在眾多的單片機中，MCS系列單片機擁有著強大處理功能的中央處理器，中央處理器集成了易操作的專用寄存器。MCS系列單片機以它的高性價比和優(yōu)越的性能，迅速占領(lǐng)了國內(nèi)單片機的各個應(yīng)用市場。其中，AT89C52單片機具有經(jīng)濟實用、I/O口多、程序空間大等優(yōu)點。3.1.1 AT89C52簡介AT89C52的性能參數(shù)如下：（1）與MCS-51完全兼容；（2）8KB可擦寫次數(shù)1000次的Flash存儲器；（3）內(nèi)含256字節(jié)的RAM；（4）三級程序鎖定位；（5）3個16位定時器/計數(shù)器； （6）1個全雙工可編程串行通信接口；（7）32根可編程I/O線； （8）8個中斷源，6個中斷矢量，2級優(yōu)先權(quán)的中斷結(jié)構(gòu)；（9）兩種低功耗工作方式 ，掉電方式和空閑方式；（10）靜態(tài)邏輯操作：0HZ24MHZ；外時鐘源外部事件計數(shù)振蕩器和時鐘電路程序存儲器（4KB）數(shù)據(jù)存儲器（128字節(jié)）兩個16位定時器/計數(shù)器CPU內(nèi)部總線總線擴展 控制器并行可編程I/O口可編程串行口中斷控制內(nèi)部中斷外部中斷 擴展控制 P0 P1 P2 P3 RXD TXD圖3-1 AT89C52單片機的基本組成3.1.2外部引腳說明單片機AT89C52的引腳圖如圖3-2所示。VCC：電源電壓輸入引腳。GND：電源地。XTAL1:片內(nèi)振蕩器反相放大器和時鐘發(fā)生線路的輸入端。XTAL2：片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端。P0口：8位、漏極開路的雙向I/O口。編程時，可以用來接收指令代碼字節(jié)，當程序校驗時，可以輸出指令字節(jié)。在使用片外存儲器及外擴I/O口時，P0口是低字節(jié)地址/數(shù)據(jù)復(fù)用線。P0口也可以作為通用I/O口使用，這時需要加上拉電阻，變成準雙向口。P0口可以啟動8個TTL負載。 P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL218XTAL119GND20P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE30EA31P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039VCC40AT89C52圖3-2 單片機AT89C52的引腳圖P1口：8位準雙向I/O口，含有內(nèi)部上拉電阻。用作輸入時，輸出鎖存器必須置1。編程和程序校驗時，用作輸入低8位地址。P1口可以啟動4個TTL負載。P1.0和P1.1可提供第二功能，如表3-1所示。表3-1 P1.0和P1.1的第二功能引腳第二功能P1.0T2 定時器2外部時間輸入P1.1T2EX 定時器2技術(shù)方向的控制端；定時器2的重裝/捕捉觸發(fā)器的輸入端P2口：8位準雙向I/O口，含有內(nèi)部上拉電阻。P2口也可以作為通用I/O口使用.用作輸入的時候，輸出鎖存器必須置1。編程和程序校驗時，可以接收高字節(jié)的地址和一些控制信號。使用外擴I/O口或片外存儲器時，輸出高8位地址。P2口可以啟動4個TTL負載。P3口：8位準雙向I/O口，含有內(nèi)部上拉電阻。P3口可以作為通用I/O口使用.用作輸入的時候，輸出鎖存器必須置1。編程和程序校驗時，接收某些控制信號。P3口可以啟動4個TTL負載。P3口也可提供第二功能，如表3-2所示。表3-2 P3口的第二功能引腳第二功能P3.0RXD 串行數(shù)據(jù)的接收P3.1TXD 串行數(shù)據(jù)的發(fā)送P3.2 外部中斷0請求輸入端P3.3 外部中斷1請求輸入端P3.4T0 定時器/計數(shù)器0計數(shù)脈沖輸入端P3.5T1 定時器/計數(shù)器1計數(shù)脈沖輸入端P3.6 外部數(shù)據(jù)存儲器及I/O口寫選通信號輸出端P3.7 外部數(shù)據(jù)存儲器及I/O口讀選通信號輸出端RST：上電復(fù)位端。當單片機振蕩器工作時，RST腳要保持2個機器周期（即24個晶振周期）的高電平，將器件復(fù)位。：片外程序存儲器讀選通信號，低電平時有效。當訪問外部RAM時，此引腳無效。片外程序存儲器取指期間，有效的時候，程序存儲器的內(nèi)容被送入P0口。/VPP：外部程序存儲器允許訪問信號EA。接VCC時，從內(nèi)部程序存儲器開始，并可延續(xù)到外部程序存儲器對ROM進行讀操作。接地時，限定在外部程序存儲器對ROM進行讀操作，地址:0000HFFFFH。程序校驗時，可以接VCC，編程時，可以編程電壓。ALE/：ALE為低字節(jié)地址鎖存信號。系統(tǒng)擴展時，P0口輸出的低8位地址被ALE的下降沿鎖存在外接的地址鎖存器里，實現(xiàn)數(shù)據(jù)和低字節(jié)地址的分時傳送。另外，ALE端持續(xù)輸出正脈沖，頻率是晶振頻率的1/6，可以用作外部定時脈沖。編程期間，此引腳輸入編程脈沖（）。3.2單片機的時鐘和復(fù)位電路3.2.1時鐘電路AT89C52內(nèi)部有反向放大器組成振蕩器，振蕩電路的輸入端為XTAL1，輸出端為XTAL2。單片機的時鐘有內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式兩種產(chǎn)生方法。系統(tǒng)采用的時鐘方式是采用外接晶體和電容組成并聯(lián)諧振回路。MCS-51單片機允許的晶振頻率范圍是1.2-24MHz，一般為11.0592MHz。電容C1、C2的取值對振蕩頻率的輸出的大小、穩(wěn)定性和振蕩電路起振速度都有一定的影響，可在20-100pF之間選擇，典型值為30pF。本設(shè)計的振蕩頻率選擇12MHz，C2取30pF。圖3-3 單片機時鐘電路3.2.2復(fù)位電路本裝置采用上電自動復(fù)位與按鈕復(fù)位方式，如圖3-4所示。單片機在上電瞬間，C3充電，電源通過C3加在RST引腳上，使單片機有效復(fù)位；在正常的情況下，復(fù)位鍵被按下時單片機就能復(fù)位。圖3-4 單片機復(fù)位電路3.3 電源電路直流穩(wěn)壓電源就是將交流電壓轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定直流電壓的裝置。穩(wěn)壓電源由四部分電路構(gòu)成：電源變壓器、濾波電路、整流電路及穩(wěn)壓電路。穩(wěn)壓電源的組成框圖如圖3-5。電源電路圖如圖3-6所示。交流變壓器整流電路濾波電路穩(wěn)壓電路交流電源負載圖3-5 直流穩(wěn)壓電源組成框圖圖3-6 電源電路圖電路中，電源變壓器可以改變交流電源電壓的大小，把市電壓（220V，50Hz）的降壓，輸出符合要求的交流電。又由于二極管具有單向?qū)щ姷奶匦?，可以把交流電壓整流為單方向的直流脈沖電壓。電容組成的濾波電路的作用是濾掉由整流電路中輸出的直流脈沖中電壓的交流成分，留下直流電壓。集成穩(wěn)壓器W8705能使系統(tǒng)電源電路輸出5V的穩(wěn)定電壓。3.4 顯示電路液晶顯示廣泛使用于儀器、電器設(shè)備中，它具有非常小的體積、較低的功耗、簡便的連接電路、豐富的內(nèi)容顯示等優(yōu)點。液晶顯示有兩種：點陣型和字符型。3.4.1 1602液晶顯示1602LCD液晶是字符型液晶顯示模塊，用于顯示數(shù)字、字母以及符號等。1602LCD顯示的內(nèi)容是162，也就是可以每一行顯示16個字符、共顯示兩行的液晶模塊，其技術(shù)指標如表3-3：表3-3 1602LCD技術(shù)指標工作電流2.0mA芯片的工作電壓4.5V-5.5V模塊最佳的工作電壓5V顯示容量162(字符)字符的尺寸2.95mm4.35mm（WH）1602LCD液晶顯示的特性：+5V，可以調(diào)節(jié)對比度；含有80B的顯示數(shù)據(jù)RAM（即DDRAM）；8個可以由使用人員自己定義的字符發(fā)生器（57）（即CGROM）；內(nèi)部建設(shè)有160個點陣字型的字符發(fā)生器（57）；含有復(fù)位電路；提供控制指令：清屏、顯示、移位等。1602LCD液晶顯示的引腳圖如圖3-7所示，引腳功能如表3-4。圖3-7 1602LCD液晶顯示的引腳圖表3-4 602LCD液晶顯示的引腳功能引腳號引腳名電平輸入/輸出作用1VSS電源接地端2VCC電源接+5V3VEE對比調(diào)整電壓4RS0/1輸入命令/數(shù)據(jù)選擇。指令寄存器在低電平時被選用，數(shù)據(jù)寄存器在高電平時被選用。5R/W0/1輸入讀寫選擇信號線。寫操作在處于低電平時進行，讀操作在處于高電平時進行。6E1,10輸入使能信號端。液晶顯示模塊執(zhí)行命令時，E從高電平變?yōu)榈碗娖健?DB00/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線0位(最低位)8DB10/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線1位9DB20/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線2位10DB30/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線3位11DB40/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線4位12DB50/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線5位13DB60/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線6位14DB70/1輸入/輸出數(shù)據(jù)總線7位15A+VCC背光源正極16K接地背光源負極3.4.2 1602LCD的控制器接口說明1602LCD的DDRAM的作用是寄放待顯的字符的代碼,共80字節(jié),每一行有40個地址,但是在1602LCD中,每一行我們用前面16個地址就可以了。DDRAM地址和顯示的位置的關(guān)系如下：第一行00H01H02H03H04H05H06H07H第二行40H41H42H43H44H45H46H47H第一行08H09H0AH0BH0CH0DH0EH0FH第二行48H49H4AH4BH4CH4DH4EH4FH如果要把數(shù)據(jù)顯示在DDRAM的00H處，那么就需要把00H和80H加起來，即0X00+0X80，才能在00H的地址處顯示想要顯示的數(shù)據(jù)。1602LCD液晶顯示中的CGRAM存有160個各不相同的字符圖形,見附錄二。每一個字符對應(yīng)一個固定的代碼,其中包括:阿拉伯數(shù)字、常用符號、大寫及小寫的英文字母等。例如，如果要想顯示數(shù)字“1”，只需把以“1”的代碼（00110001）為地址的字符顯示出來即可。3.4.3 1602LCD液晶顯示的指令1602LCD液晶顯示的指令如表3-5。表3-5 1602LCD液晶顯示指令表指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清顯示00000000012光標返回000000001X3置輸入模式00000001I/DS4顯示開關(guān)控制0000001DCB5光標或字符移位000001S/CR/LXX6置功能00001DLNFXX7置CGRAM地址0001字符發(fā)生存儲器地址（ACC）8置數(shù)據(jù)存儲器地址001顯示數(shù)據(jù)存儲器地址(ADD)9讀忙標志或地址01BF計數(shù)器地址(AC)10寫數(shù)到CGRAM或DDRAM10要寫的數(shù)11從CGRAM或DDRAM讀數(shù)11讀出的數(shù)據(jù)指令功能如下：指令1：清楚顯示，光標歸位到顯示屏左上方，地址計數(shù)器（即AC）的值為零。指令2：光標復(fù)位。指令3：光標與字符移位設(shè)置。指令4：控制顯示與光標顯示控制。指令5：光標移位或顯示屏移位。指令6：功能設(shè)定指令。指令7：CGRAM地址的設(shè)置。指令8：DDRAM地址的設(shè)置。指令9：讀忙碌信號及讀地址計數(shù)器里的內(nèi)容。指令10：寫字符代碼到DDRAM。指令11：讀CGRAMDDRAM含的內(nèi)容。1602LCD液晶與單片機連接圖如圖3-8。圖3-8 1602LCD液晶與單片機連接圖3.5 鍵盤接口電路在單片機的應(yīng)用系統(tǒng)中往往需人-機對話,包含把數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)和人對系統(tǒng)的干涉,因此系統(tǒng)常常設(shè)置鍵盤.本設(shè)計中,采用43的鍵盤。單片機系統(tǒng)中除了復(fù)位按鍵的其他鍵盤或按鍵輸送數(shù)據(jù)和設(shè)定控制功能全是以開關(guān)的狀態(tài)來實現(xiàn)的，按鍵僅是簡單的電平的輸入。3.5.1 獨立式鍵盤獨立式鍵盤一般是在當按鍵較少（一般小于等于8）的情況下使用。它是直接采用一根I/O線組成的單個按鍵電路，每一個按鍵之間的工作狀況互不影響。獨立式鍵盤配置靈活，結(jié)構(gòu)簡捷，但它要求每一個按鍵獨占一根I/O線，在按鍵量大的情況下，會造成I/O口線的浪費。3.5.2 行列式鍵盤當按鍵量大時，應(yīng)使用行列式鍵盤。行列式鍵盤有簡單的硬件結(jié)構(gòu)，它的組成為：行輸出口和列輸入口，行和列的交點就是所設(shè)置按鍵。其硬件結(jié)構(gòu)如圖3-9。圖3-9 行列式鍵盤硬件結(jié)構(gòu)圖行線P1.0、P1.1、P1.2、P1.3是輸出，列P1.4、P1.5、P1.6是輸入。先使P1.0輸出0，剩余的行全為1，讀P1.4、P1.5、P1.6的狀態(tài)，如果讀得的列值為全1，說明被按鍵不在P1.0行上，再讓下一行為0,否則,說明被按鍵在該行上,此時停止對行線的掃描，轉(zhuǎn)到對列線的掃描，P1.3、P1.4、P1.5、P1.6有為0的列說明被按鍵在該列上，行、列線交叉的鍵即為所找的按鍵。如此，在P1.0、P1.1、P1.2、P1.3之間循環(huán)進行。3.6 報警電路在測控系統(tǒng)中，為了保證生產(chǎn)的安全，都帶有報警系統(tǒng)，已達到提醒操作人員采取措施的目的。工作方式是比較采集到的信號數(shù)據(jù)與設(shè)定值的參數(shù)上下限，如果超出了上下限值就產(chǎn)生報警，反之就作為采樣值，然后正常工作。本設(shè)計使用蜂鳴音報警。電路設(shè)計中只需要使用市場上出售的壓電式蜂鳴器，然后經(jīng)AT89C52的一根I/O口線通過驅(qū)動器驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出聲音。壓電式蜂鳴器可用晶體三極管驅(qū)動，只需加10mA的驅(qū)動電流，如圖3-10所示。P2.5輸出的是高電平時，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器鳴叫并伴隨著狀態(tài)指示燈的閃爍。在P2.5輸出的是低電平時，三極管截止，沒有電流通過蜂鳴器，蜂鳴器不發(fā)出聲音，且狀態(tài)指示燈不亮。圖3-10 報警電路3.7 無線通信電路短距離的無線通信廣泛應(yīng)用在各種領(lǐng)域,它可靠性好,抗干擾性好,可靈活安裝。3.7.1 PTR2000介紹PTR2000的特性如下：收發(fā)一體；FSK調(diào)制/解調(diào)，抗干擾性好；工作頻率是433MHZ（國際通用數(shù)據(jù)傳輸頻段）；應(yīng)用DDS+PLL頻率合成的技術(shù)，具有非常好的穩(wěn)定性；低功耗，具有較低的工作電壓2.7V；且接收時待機狀態(tài)的電流是8A；具有非常高的靈敏度，可高至-105dbm。體積小，尺寸為40275mm；能夠直接與CPU串口相連（例如8031）,也能與PC機的RS232接口相連，且編程簡便。PTR2000的引腳如圖3-11。圖3-11 PTR2000引腳圖引腳說明：VCC、GND：電源和電源地CS：頻道的選擇端DO：數(shù)據(jù)的輸出DI：數(shù)據(jù)的輸入TXEN：發(fā)射和接收的控制端。TXEN=1，發(fā)射；TXEN=0，接收。PWR：節(jié)電控制端3.7.2 通信接口電路PTR2000可以和單片機的I/O口或者串口相連，也能夠和計算機串口實現(xiàn)通信。這時，應(yīng)該在它們之間連接RS232電平轉(zhuǎn)換的芯片。本設(shè)計中采用MAX232。單片機和PTR2000的接口如圖3-12。圖3-12單片機和PTR2000的接口電路PTR2000的DO腳和AT89C51的RXD引腳相連，實現(xiàn)把PTR2000接收并解調(diào)后的數(shù)據(jù)輸送到AT89C52中的功能；DI腳和AT89C52的TXD腳相連，實現(xiàn)AT89C52把數(shù)據(jù)傳送給PTR2000且經(jīng)調(diào)制后發(fā)射到計算機的功能。TXEN腳和AT89C52的P2.0腳相連，通過P2.0引腳的電平來控制PTR2000的接收和發(fā)射，接收時TXEN=1，發(fā)射時TXEN=0。另外，PTR2000的CS腳需和GND腳相連，使頻道1為固定的通信頻道。計算機與PTR2000的接口電路如圖3-13。圖3-13 計算機與PTR2000的接口電路PTR2000的DO腳和MAX232的T2IN相連，工作過程為PTR2000把接到的數(shù)進行解調(diào)之后，輸送給MAX232，實現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換。PTR2000的DI和MX232的R2OUT相連，工作過程為MAX232把準備發(fā)送的數(shù)通過RS232轉(zhuǎn)變，然后傳送給PTR2000，再經(jīng)過解調(diào)之后發(fā)送到計算機端。PTR2000的TXEN和MAX232的R1OUT相連，工作過程為利用PC機串口RTS來控制PTR2000的接收和發(fā)射狀態(tài)。TXEN=1，PTR2000發(fā)射；TXEN=0，PTR2000接收。MAX232的T2OUT和PC機的RXD相連，實現(xiàn)經(jīng)MAX232調(diào)制之后的數(shù)傳送給PC機串口的接收端的功能。MAX232的R2IN和PC機的TXD相連，實現(xiàn)計算機把準備發(fā)送的信號傳給MAX232且通過調(diào)制再輸送給PTR2000發(fā)送端。MAX232的R1IN和PC機串口的RTS相連，控制計算機對于無線收發(fā)的發(fā)射和接收的轉(zhuǎn)變。第4章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計第4章 系統(tǒng)軟件的設(shè)計4.1 主程序流程圖單片機初始化讀取濕度值顯示報警傳入PC機有無越限？NY初始化SHT11開T0中斷鍵盤鍵盤掃描，輸入初始值，完成輸入？等待輸入完成YN開始返回4.2 初始化子程序開始變量初始化SHT11初始化LCD初始化PTR2000初始化返回4.3 鍵盤子程序P1口置位開始讀取P1口值低位清0有鍵按下？延時5ms讀取P1口低位清0有鍵按下？計算鍵值閉合鍵釋放？返回返回鍵值NYNYNY4.4 濕度程序流程圖報警顯示濕度是否超出范圍？N初始化SHT11發(fā)送濕度測量命令讀取濕度值DATA是否為低？Y開始YN結(jié)束4.5 顯示子程序開始LCD發(fā)指令LCD寫數(shù)據(jù)返回4.6 通信流程圖接受命令接收數(shù)據(jù)發(fā)送應(yīng)答信號接收數(shù)據(jù)長度發(fā)送數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)發(fā)送地址和功能碼發(fā)或收？發(fā)收開始結(jié)束結(jié)束總結(jié)總結(jié)土壤濕度測量系統(tǒng)能夠?qū)崟r的測量土壤中的濕度參數(shù)，使人們直觀的了解農(nóng)作物生長發(fā)育的狀況，提醒人們采取措施進行控制，使農(nóng)作物生長在適宜的環(huán)境中。它用在農(nóng)業(yè)中可以提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，給社會帶來更高的經(jīng)濟效益。設(shè)計中，在深入研究了土壤濕度測量技術(shù)和傳感器技術(shù)的前提下，制定了最佳的設(shè)計方案；并且完整地設(shè)計和分析了系統(tǒng)的整體思路和各個單元電路。本設(shè)計中的土壤濕度測量系統(tǒng)有兩大主要電路：信號采集電路、單片機AT89C52控制電路。設(shè)計中利用濕度傳感器SHT11進行數(shù)據(jù)采集，然后將數(shù)據(jù)送入單片機處理，實現(xiàn)濕度顯示、聲音報警、與上位機通訊等功能。濕度傳感器SHT11功耗低、體積小、可靠性高，廣泛應(yīng)用在環(huán)境監(jiān)測工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。設(shè)計中AT89C52單片機作為土壤濕度測量系統(tǒng)的核心，用來接收土壤濕度信號并進行處理，如果所測得的土壤濕度值不在設(shè)定的初始范圍內(nèi)，單片機就會啟動報警，提醒檢測人員采取相應(yīng)的措施，確保農(nóng)作物生長在適宜的環(huán)境中。AT89C52運算速度快、功耗低、抗干擾能力強，是一種性價比較高的產(chǎn)品。系統(tǒng)通過濕度傳感器實現(xiàn)濕度的數(shù)據(jù)采集，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的數(shù)字化。系統(tǒng)顯示參數(shù)的上限值與下限值經(jīng)鍵盤輸入，如果檢測量的信號值不在上下限區(qū)間內(nèi)，系統(tǒng)就會啟動報警電路。為了方便檢測，使測量人員能夠直觀地知道土壤中的濕度值，可以把濕度值通過LCD顯示出來，并通過無線通訊的方式，將所測得的濕度值傳輸?shù)缴衔粰C。編寫程序時使用C語言，它是一種結(jié)構(gòu)和功能都很強的語言。C語言比起匯編語言，可維護性與可讀性以及可移植性更強，它能夠使人盡可能少的去操作硬件。雖然本設(shè)計已完成，但該土壤濕度測量系統(tǒng)還存在許多不足的地方。因為SHT11輸出的是相對濕度值，而我們想要的被測相對濕度需要經(jīng)過對讀數(shù)值的非線性補償和溫度補償才能獲得。因為相對濕度的輸出特性表現(xiàn)出一定的非線性關(guān)系，因此經(jīng)過SHT11采集的濕度值送入LCD顯示的結(jié)果有很大的誤差。參考文獻參考文獻1單成群等，傳感器設(shè)計基礎(chǔ)：課程設(shè)計與畢業(yè)設(shè)計指南，國防工業(yè)出版社，20072徐科軍，傳感器與檢測技術(shù)，電子工業(yè)出版社，20083周真等，傳感器原理與應(yīng)用，清華大學(xué)出版社，20114姜志海等，單片機原理及應(yīng)用，電子工業(yè)出版社，20105 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