基于AT89C51單片機的溫室大棚環(huán)境測控系統(tǒng)設計.doc

煙臺大學畢業(yè)論文（設計）目 錄目錄11 緒論11.1 課題背景11.1.1 大棚環(huán)境對農(nóng)作物生長的影響11.1.2 溫室大棚的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢21.1.3 本課題的研究意義及主要內(nèi)容32 總體方案的設計52.1 實現(xiàn)功能52.2 總體方案設計52.3 詳細設計63 系統(tǒng)硬件設計73.1 單片機的選擇及其特性73.1.1 單片機的概述73.1.2 AT89C51簡介73.2 溫度傳感器的選擇及其電路設計113.2.1 溫度傳感器AD590簡介123.2.2 溫度測量電路123.2.3 A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809簡介153.2.4 分頻器CD4043163.3 濕度傳感器的選擇及其電路設計173.3. 1 濕度傳感器HS1101簡介173.3.2 濕度測量電路183.4 二氧化碳濃度的采集及電路203.4.1 二氧化碳濃度傳感器 TGS4160的簡介203.4.2 傳感器 TGS4160的電路連接213.5 單片機外圍控制電路設計223.5.1 “看門狗”電路223.5.2 電源電路243.6 鍵盤電路與顯示單路設計243.6.1 鍵盤電路設計243.6.2 顯示電路設計253.7 聲光報警系統(tǒng)273.7.1 蜂鳴器簡介273.7.2 報警電路283.8 執(zhí)行機構電路設計293.8.1 固態(tài)繼電器簡介293.8.2 執(zhí)行機構電路304 環(huán)境參數(shù)測控系統(tǒng)軟件設計324.1 編程語言324.1.1 控制程序設計324.1.2 主控制程序設計324.2 系統(tǒng)的各子程序344.2.1 數(shù)據(jù)采集子程序344.2.2 濕度信號采集流程圖354.2.3 鍵盤子程序364.2.4 鍵盤顯示子程序37附錄 系統(tǒng)程序38總結45致謝46參考文獻4749煙臺大學畢業(yè)論文（設計）1 緒 論1.1 課題背景1.1.1 大棚環(huán)境對農(nóng)作物生長的影響作物的生長發(fā)育及產(chǎn)品的最終形成以及其產(chǎn)量與質(zhì)量一方面取決于作物本身的遺傳特性，另一方面取則決于外部環(huán)境條件。在實際生產(chǎn)中，一方面通過育種技術來獲得具有新遺傳性的品種，另一方面要通過先進的栽培技術及適宜的環(huán)境條件來控制其生長和發(fā)育。影響作物生長發(fā)育的環(huán)境條件主要包括:溫度、濕度、光照、CO2濃度、土壤等。所有這些環(huán)境條件之間是相互作用、相互聯(lián)系、相互耦合的，某個控制變量發(fā)生改變，會影響其它控制變量的變化。作物的生長發(fā)育是所有這些環(huán)境條件綜合作用的結果。下面就這些環(huán)境條件對作物的影響進行簡略說明。1.溫度溫室內(nèi)氣溫、地溫對作物的光合作用、呼吸作用、根系的生長和水分、養(yǎng)分的吸收有著顯著的影響，因此影響作物生長發(fā)育的環(huán)境條件中，以溫度最為敏感，也最為重要，對溫室環(huán)境控制的研究也是最先從溫度控制開始的。不同種類的作物對溫度的要求是不同的，同一作物在不同發(fā)育階段對溫度的要求亦有所不同，而且在同一發(fā)育期階段內(nèi)對溫度的要求也會隨著晝夜變化而呈周期性地變化。一般說來在白天作物進行光合作用需要的溫度較高，晚上維持呼吸作用所需的溫度要低一些。作物生長發(fā)育適宜的溫度，隨種類、品種、生育階段及生理活動的變化而變化。為了增加光合產(chǎn)物的生成，抑制不必要的呼吸消耗，在一天中，隨著光照強度的變化，實行變溫管理是一種很有效的管理方法。2.濕度溫室內(nèi)作物對水分的要求體現(xiàn)為對溫室內(nèi)空氣濕度和土壤濕度的要求?？諝鉂穸扔孟鄬穸葋肀硎?，因為相對濕度更能反應事實。根據(jù)有關研究記載，除了陰雨天以外，溫室內(nèi)午后過低的空氣濕度會導致作物發(fā)生光合作用的午休現(xiàn)象，因此空氣相對濕度的大小直接影響到作物的光合作用，這時就需要增加溫室內(nèi)的空氣濕度。當溫室內(nèi)的空氣濕度較高時，可能會誘發(fā)一些病蟲害。溫室中空氣濕度的管理包括增濕和降濕。土壤濕度對作物的影響也很大。如果土壤中水分過剩，濕度過高，導致土壤中的氧氣含量減少，作物根部呼吸困難，進而危害作物的生長發(fā)育。相反，當土壤中含水量減少時，作物根部吸收的水分就相應的減少，從而阻礙作物的生長，嚴重時作物出現(xiàn)萎蔫現(xiàn)象。不同的作物對濕度的要求不同，即使是同一種類在不同發(fā)育階段對濕度的要求也不盡相同。土壤濕度的管理就是把包括滲灌、滴灌、微灌等灌溉技術應用到溫室中來。傳統(tǒng)的大水漫灌既浪費水資源，又容易使土壤發(fā)生板結，提高了室內(nèi)濕度。在溫室中應用滲灌技術具有灌水均勻，提高地溫，保持土壤疏松，降低室內(nèi)濕度，減輕病害發(fā)生，生育期提前等優(yōu)點。3.光照光照是植物環(huán)境中的重要因素，是植物生產(chǎn)有機質(zhì)的能量來源，是作物生長發(fā)育的關鍵條件之一。光照不足，必然影響到植物的生長。對作物生產(chǎn)的影響主要表現(xiàn)在光照強度、光照時間、光質(zhì)三個方面。光質(zhì)即光波的組成，研究表明作物葉片具有對可見光的高吸收率和對紅外線的低吸收率這一習性，這有利于作物在有效的利用光能進行光合作用的同時使光合器官免受高溫的傷害。 光照強度直接影響到光合作用的強度。光照強度過高或過低對作物都有害。當光照強度高于光飽和點時，就需要降低溫室內(nèi)的光照強度。當光照強度低于光補償點時，就需要進行人工補光。溫室中常用的人工光源有白熾燈、鹵鎢燈、高壓水銀熒光燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈等。4.CO2濃度CO2是作物進行光合作用的主要原料。有關研究表明，蔬菜作物產(chǎn)量的90%95%來自光合作用。在露天條件下，空氣中的CO2濃度一般能滿足光合作用的需要，但在溫室環(huán)境中由于光合作用的不斷進行，CO2濃度隨之下降，如不及時補充，盡管光照條件好，水肥充足，作物仍然不能進行旺盛的光合作用，使營養(yǎng)物質(zhì)積累減少，難以實現(xiàn)早熟高產(chǎn)。但是，濃度過高，又可能對作物造成危害，出現(xiàn)葉片周邊焦邊，嚴重時甚至死亡等現(xiàn)象。CO2施肥在國外己經(jīng)發(fā)展到實際應用的水平。人工補充CO2己成為發(fā)展高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效農(nóng)業(yè)的重要措施之一。溫室內(nèi)CO2的控制就是掌握好濃度。使作物獲得最大生長率的CO2濃度，取決于作物的生長階段、光照強度、溫度等因素。為了最大限度的提高施肥效果，施放CO2時，必須控制在溫度、濕度、光照度等條件滿足之后進行。綜上所述，溫室內(nèi)各環(huán)境因子之間存在著強烈的相互作用，作物是在各環(huán)境因子的綜合影響下生長的，而不是單個因素作用的結果，各環(huán)境因子對溫室作物的作用也不是簡單疊加的。因此，單因子控制是不能達到良好效果的。所以設計智能化溫室環(huán)境測控系統(tǒng)時須輔以有關的調(diào)控技術以及各環(huán)境因子之間的相互耦合系數(shù)，控制各參數(shù)因子處在相對最佳組合的水平，這樣才能使種植者獲得最佳的產(chǎn)量與經(jīng)濟效益。1.1.2 溫室大棚的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢現(xiàn)在世界各國的設施園藝發(fā)展很快，一些國家在實現(xiàn)自動化的基礎上正向著完自動化、無人化的方向發(fā)展。發(fā)達國家近二十年來建造的溫室，自動化水平高，都設自動監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集和集中控制系統(tǒng)，包括各種傳感器、計算機及各種電氣裝置等。各國溫室技術研究的核心是溫室復合環(huán)境優(yōu)化控制研究。主要包括:生態(tài)環(huán)境因素控制自動化:生態(tài)環(huán)境因素控制自動化的主要內(nèi)容是溫、濕度的自動調(diào)節(jié)，灌水量、水溫自動調(diào)節(jié)，CO2施肥自動調(diào)節(jié)，溫室通風換氣自動調(diào)節(jié)等。通過控制各種相應的操作設備來控制上述內(nèi)容，以達到給作物創(chuàng)造最佳生長環(huán)境的目的。對環(huán)境影響因素采用的控制方法一般有兩種：(1)單因子控制。這是對溫度、濕度、光照和CO2濃度等進行單獨控制的方法，其中主要是控制溫度，其次是濕度，包括空氣濕度和土壤或基質(zhì)的濕度。其局限性在于外界氣候的變化隨時影響到室內(nèi)的小氣候，靠人工指令隨時進行相應改變是很難辦到的。(2)多因素綜合控制。這是80年代發(fā)展起來的利用計算機控制溫室環(huán)境因素的方法，將各種作物不同生長發(fā)育階段需要的適宜環(huán)境條件要求輸入計算機程序，當某一環(huán)境因素發(fā)生改變時，其余因素自動做出相應修正或調(diào)整。一般以光照條件為始變因素，溫度、濕度和CO2濃度為隨變因素，使這4個主要環(huán)境因素隨時處于最佳配合狀態(tài)。環(huán)境監(jiān)測控制技術:環(huán)境控制技術是溫室技術的核心?，F(xiàn)代大型溫室中，所有環(huán)境因子如室內(nèi)溫、光、氣、濕、熱、營養(yǎng)液養(yǎng)分狀況與溫度、植物根部環(huán)境溫濕度等因子的監(jiān)測、傳感、調(diào)節(jié)，都由計算機進行綜合管理，實行自動控制。國外先進溫室，對室內(nèi)外氣溫、風力、降雨等氣象情況，室內(nèi)空氣溫濕度、土壤溫度和含水量、光照強度、CO2濃度、營養(yǎng)液的酸堿度(PH值)、導電率(EC)和溫度等環(huán)境參數(shù)，可利用計算機自動進行檢測并實施控制。有的系統(tǒng)還可監(jiān)測葉面積指數(shù)、葉溫、蒸騰量和長勢等生物活體信息，對生物體的重量、大小、形態(tài)等進行非接觸式和非破壞性監(jiān)測，從而對溫室溜溉、施肥、加熱、降溫、補光、保溫、遮陽、CO2濃度、加濕、除濕等作業(yè)進行綜合控制.還有人根據(jù)產(chǎn)品市場價格變化的規(guī)律和作物生長規(guī)律，對作物的光合作用條件進行優(yōu)化控制，以期獲得最好的經(jīng)濟效益。 近年來我國的溫室控制取得了長足的進步，首先在溫室群控制方面，進行了初步的探索和理論研究，其次在溫室控制中引入了人工智能和先進的控制算法，如專家系統(tǒng)、遺傳算法、模糊控制等理論和控制策略。當前溫室控制系統(tǒng)研究熱點己由簡單的DDC(直接數(shù)字控制)發(fā)展到分布式控制系統(tǒng)，如DCS(分布式控制)、FCS(柔性控制)等網(wǎng)絡化的控制系統(tǒng)。目前，在相關行業(yè)己經(jīng)有網(wǎng)絡化測量和控制方面的研究，實現(xiàn)網(wǎng)絡化、分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)取代傳統(tǒng)孤立的、信息閉塞的系統(tǒng)，甚至跨越以太網(wǎng)或Internet進行數(shù)據(jù)采集，實施遠程控制。雖然國內(nèi)溫室規(guī)模有限，還沒有形成規(guī)模經(jīng)濟，另外構建的費用也較高，但從長遠來看，溫室監(jiān)控系統(tǒng)分布式和網(wǎng)絡化將是一種必然的趨勢?？偟膩碚f，國外現(xiàn)代溫室環(huán)境控制系統(tǒng)性能先進，產(chǎn)出效益高，但價格昂貴，維護不便，并且也是根據(jù)本國自己國情的不同有所側(cè)重，因此不能全盤照搬用來指導我國的溫室生產(chǎn)。溫室環(huán)境系統(tǒng)是一個多變量的大慣性非線性系統(tǒng)，并且有藕合、延遲等現(xiàn)象，很難對這類系統(tǒng)建立數(shù)學模型及用經(jīng)典控制方法和現(xiàn)代控制方法實現(xiàn)控制。近年來，隨著神經(jīng)網(wǎng)絡、遺傳算法、模糊推理等新的控制理論不斷出現(xiàn)并逐漸應用于溫室控制領域，這一問題得到很好的解決。溫室控制軟件也越來越多，越來越方便與成熟，專家系統(tǒng)也不斷發(fā)展和完善，并成為當前溫室控制技術研究的重要方向。1.1.3 本課題的研究意義及主要內(nèi)容本設計研究內(nèi)容表述如下:(1)控制器以單片機為核心，整個系統(tǒng)包括主控制模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、輸出控制模塊、鍵盤及顯示模塊。數(shù)據(jù)采集與處理模塊能夠完成溫室內(nèi)溫度、濕度和二氧化碳濃度的采集和處理。 (2)監(jiān)控管理軟件的設計為控制器(單片機)軟件的設計和開發(fā)。采用單片機匯編語言編寫。本課題針對于當前我國溫室環(huán)境控制相關技術面臨的一些問題提出一定的方案，希望解決溫室控制系統(tǒng)的高成本低效益的現(xiàn)實困難推進溫室的產(chǎn)業(yè)化和智能化發(fā)展步伐，從而有利于我國現(xiàn)代設施農(nóng)業(yè)向規(guī)范化，低成本、產(chǎn)業(yè)化、智能化方向發(fā)展。2 總體方案的設計2.1 實現(xiàn)功能本設計是基于AT89C51單片機的溫濕度智能控制采集系統(tǒng)，主要完成以下功能：(1) 選擇AT89C51單片機，了解其基本特性和功能，使用AT89C51實現(xiàn)對溫濕度及二氧化碳濃度的智能控制。(2) 使用溫度傳感器測量現(xiàn)場環(huán)境溫度，進行數(shù)據(jù)的采集及傳到單片機處理。(3) 使用濕度傳感器對現(xiàn)場時讀數(shù)據(jù)采集，由單片機進行數(shù)據(jù)處理和控制，實現(xiàn)范圍為1%99%RH的濕度控制。(4) 設計人機對話接口，鍵盤顯示和報警系統(tǒng)。(5) 涉及執(zhí)行機構電路，是單片機能夠自動控制執(zhí)行機構工作。(6) 在完成以上功能時，要確保系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，是系統(tǒng)能夠長期穩(wěn)定的工作。 2.2 總體方案設計本方案以AT89C51單片機系統(tǒng)為核心來對溫度，濕度和二氧化碳濃度進行實時控制和檢測。檢測單元能獨立完成各自功能，并根據(jù)單片機的指令對溫度進行實時或定時采集。單片機負責控制指令的發(fā)送，并控制各機構進行溫度采集，手機測量數(shù)據(jù)，同時對測量結果進行處理及顯示。單片機本系統(tǒng)主要有自動監(jiān)控系統(tǒng)，自動控制系統(tǒng)，人機對話接口這三個部分組成。其原理圖下圖2.1：控制系統(tǒng)檢測系統(tǒng)人機對話濕度執(zhí)行溫度執(zhí)行溫度檢測濕度檢測LED顯示鍵盤系統(tǒng)報警系統(tǒng)CO2濃度檢測圖2.1 系統(tǒng)原理圖2.3 詳細設計經(jīng)過仔細研究和分析，對系統(tǒng)的總體方案進行了詳細設計，采用的芯片主要有：ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51單片機，AD公司生產(chǎn)的AD590集成溫度傳感器，電容式濕度傳感器HS1101。單片機通過AD0809AD轉(zhuǎn)換器把從傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過單片機T。對脈沖寬值的計算得到濕度值。本課題所選用的二氧化碳傳感器是FIGARO(弗加羅)公司生產(chǎn)的固態(tài)電化學型氣體敏感元件TGS4160。通過監(jiān)測S（）、S（）兩個電極之間所產(chǎn)生的電勢值EMF，就可以測量CO2的濃度值。 在這里溫度及二氧化碳濃度需要模數(shù)轉(zhuǎn)換。在執(zhí)行機構中，可以通過單片機直接控制來達到需要的數(shù)值。顯示部分由單片機分時把溫度濕度及二氧化碳濃度值送到數(shù)碼管顯示。通過鍵盤可以設定參數(shù)的上限值下限值，當當前參數(shù)超過設定值時，由單片機控制報警電路報警。同時單片機控制相應的執(zhí)行機構運行相應的動作，使得溫度濕度及二氧化碳濃度恢復到正常水平。單片機AT89C51溫度測點AD590ADC0809驅(qū)動顯示CO2濃度測點TGS4160鍵盤濕度測點HS1101X25045執(zhí)行機構驅(qū)動放大光電隔離報警圖2. 2 總體方案框圖3 系統(tǒng)硬件設計硬件元器件的選擇，必須考慮到功能的實現(xiàn)，必須考慮到到期間的實施性，價格和通用性等幾個方面。在電路的設計中，在實現(xiàn)其所要求的功能基礎上，盡量使電路簡單。3.1 單片機的選擇及其特性3.1.1 單片機的概述單片機又稱單片微控制器它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學習、應用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學習使用單片機是了解計算機原理與結構的最佳選擇。單片機也被稱為微控制器（Microcontroller），是因為它最早被用在工業(yè)控制領域。單片機由芯片內(nèi)僅有CPU的專用處理器發(fā)展而來。最早的設計理念是通過將大量外圍設備和CPU集成在一個芯片中，使計算機系統(tǒng)更小，更容易集成進復雜的而對體積要求嚴格的控制設備當中。INTEL的Z80是最早按照這種思想設計出的處理器，從此以后，單片機和專用處理器的發(fā)展便分道揚鑣。、本設計選用了AT89C51單片機，它是一種低功耗，低價格，高性能8位微處理器。3.1.2 AT89C51簡介AT89C51 是美國ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含8k bytes 的可反復擦寫的Flash 只讀程序存儲器和256 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，與標準MCS-51 指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用8 位中央處理器（CPU）和Flash 存儲單元，功能強大的AT89C51 單片機適合于許多較為復雜控制應用場合。8051單片機包含中央處理器、程序存儲器（ROM）、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、定時計數(shù)器、并行接口、串行接口、和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線。1.中央處理器中央處理器(CPU)是整個單片機的核心部件，是把為數(shù)據(jù)寬度的處理器能處理8位二進制數(shù)據(jù)或代碼，CPU負責控制、指揮和調(diào)度整個單片機的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等工作。2.數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)部有128個8位用戶存儲單元，他們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的RAM只有128個，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運算的中間結果或用戶定義的字型表。3.程序存儲器共有4096個八位ROM，用于存放用戶程序、原始數(shù)據(jù)或表格。4定時/計數(shù)器有兩個16位的可編程定時/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)產(chǎn)生的用語程序控制轉(zhuǎn)向。引腳圖如3.1：圖3.1 AT89C51引腳圖1主要性能參數(shù)AT89C51系列單片機主要性能參數(shù)如下：8k字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲器1000次擦寫周期全靜態(tài)操作：0Hz-24MHz三級加密程序存儲器256字節(jié)內(nèi)部RAM32個可編程I/O口線3個16位定時/計數(shù)器8個中斷源可編程串行UART通道低功耗空閑和掉電模式。2功能特性8k字節(jié)Flash 閃速存儲器，256字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個I/O 口線，3 個16 位定時/計數(shù)器，一個6 向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51 可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU 的工作，但允許RAM，定時/計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。3并行口簡介Vcc：電源電壓GND：接地端P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口P0寫“1”時，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8 位）和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash 編程時，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。表3.1 引腳P1.0和P1.1的第二功能引腳號功能特性P1.0T2(定時計數(shù)器2外部計數(shù)脈沖輸入),時鐘輸出P1.1T2EX（定時計數(shù)器2捕獲重裝載觸發(fā)和方向控制P1口：P1口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL 邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(IIL)。P1.0 和P1.1 還可分別作為定時/計數(shù)器2 的外部計數(shù)輸入（P1.0/T2）和輸入（P1.1/T2EX），參見表3.1。Flash 編程和程序校驗期間，P1 接收低8位地址。P2口：P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口P2寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流(IIL)。在訪問外部程序存儲器或16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX DPTR 指令）時，P2口送出高8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行MOVX RI 指令）時，P2口輸出P2 鎖存器的內(nèi)容。Flash 編程或校驗時，P2亦接收高位地址和一些控制信號。P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL 邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表3.2所示：表3.2 引腳P3口的第二功能端口引腳號第二功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2/INTO（外中斷0）P3.3/INT1（外中斷1）P3.4T0（定時/計數(shù)器0）P3.5T1（定時/計數(shù)器1）P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）圖3.2 AT89C51編程圖 煙臺大學畢業(yè)論文（設計）此外，P3 口還接收一些用于Flash閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。RST：復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。ALE/PROG： 當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6 輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對Flash 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH 單元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。該位置位后，只有一條MOVX 和MOVC指令才能將ALE 激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置ALE 禁止位無效。PSEN：程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89C51 由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖。此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。EA/VPP：外部訪問允許。欲使CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為0000HFFFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被編程，復位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。Flash 存儲器編程時，該引腳加上+12V 的編程允許電源Vpp，當然這必須是該器件是使用12V 編程電壓Vpp。XTAL1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。中斷寄存器：AT89C51有6個中斷源，2個中斷優(yōu)先級，IE寄存器控制各中斷位，IP寄存器中6個中斷源的每一個可定為2個優(yōu)先級。數(shù)據(jù)存儲器：AT89C51有256個字節(jié)的內(nèi)部RAM，80H-FFH高128個字節(jié)與特殊功能寄存器（SFR）地址是重疊的，也就是高128字節(jié)的RAM和特殊功能寄存器的地址是相同的，但物理上它們是分開的。3.2 溫度傳感器的選擇及其電路設計在實際的工作當中，溫度檢測的方法一般用熱電偶、熱敏電阻以及集成溫度傳感器等測溫元件。熱點偶的工作原理：兩種不同成份的導體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，當接合點的溫度不同時，在回路中就會產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為熱電效應，而這種電動勢稱為熱電勢。熱電偶就是利用這種原理進行溫度測量的，其中，直接用作測量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱為測量端），另一端叫做冷端（也稱為補償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢。熱敏電阻工作原理：熱敏電阻是對溫度敏感的半導體元件，主要特征是隨著外界環(huán)境溫度的變化，其阻值會相應發(fā)生較大改變。電阻值對溫度的依賴關系稱為阻溫特性。熱敏電阻根據(jù)溫度系數(shù)分為兩類：正溫度系數(shù)熱敏電阻和負溫度系數(shù)熱敏電阻。正溫度系數(shù)熱敏電阻簡稱PTC（是Positive Temperature Coefficient 的縮寫），超過一定的溫度(居里溫度)時，它的電阻值隨著溫度的升高呈階躍性的增高。其原理是在陶瓷材料中引入微量稀土元素，如La、Nb等，可使其電阻率下降到10 .cm以下，成為良好的半導體陶瓷材料。這種材料具有很大的正電阻溫度系數(shù)，在居里溫度以上幾十度的溫度范圍內(nèi)，其電阻率可增大410個數(shù)量級，即產(chǎn)生所謂PTC效應。熱電偶和熱敏電阻的測量精度都比較高，成本比較低，而且測量的范圍也比較廣，但是它容易收到測量場所及環(huán)境的限制，高溫和長期使用時由于環(huán)境的限制會使其性能下降，需要定期檢查與更換，給實際應用帶來很大不便。而由AD公司生產(chǎn)的AD590溫度傳感器，具有線性好、精度高、靈敏度高、體積小、使用方便、價格比較低，并具有長期穩(wěn)定性等優(yōu)點，因此得到廣泛應用。所以本設計采用了AD公司生產(chǎn)的AD590集成溫度芯片。 3.2.1 溫度傳感器AD590簡介AD590是美國模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。集成溫度傳感器實質(zhì)上是一種半導體集成電路. 集成溫度傳感器具有線性好、精度適中、靈敏度高、價格總體上較低、體積小、使用方便等優(yōu)點，得到廣泛應用。集成溫度傳感器的輸出形式分以為電壓輸出和電流輸出兩種。電壓輸出型的靈敏度一般為10mV/K，溫度0時輸出為0，溫度25時輸出2.982V。電流輸出型的靈敏度一般為1mA/KAD590正是基于這些特點，工作時它就是利用晶體管的b-e結壓降的不飽和值VBE與熱力學溫度T和通過發(fā)射極電流I的下述關系實現(xiàn)對溫度的檢測：它的主要特性如下：流過器件的電流（mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學溫度（開爾文）度數(shù)，即：式中： 流過器件（AD590）的電流，單位為mA；T熱力學溫度，單位為K。AD590的測溫范圍-55+150。AD590的電源電壓范圍為4V30V。電源電壓可在4V6V范圍變化，電流 變化1mA，相當于溫度變化1KAD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會被損壞。輸出電阻為710MW。精度高。AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在-55+150范圍內(nèi)，非線性誤差為0.3。3.2.2 溫度測量電路1基本應用電路AD590封裝圖簡介 圖3. 3 AD590封裝圖AD590基本使用方法如下：圖 3. 4 AD590基本電路圖AD590的輸出電流值說明如下：其輸出電流是以絕對溫度零度（-273）為基準，每增加1，它會增加1A輸出電流，因此在室溫25時，其輸出電流Iout=（273+25）=298A。AD590產(chǎn)生的電流與絕對溫度成正比，它可接收的工作電壓為4V30V，檢測的溫度范圍為55150，它有非常好的線性輸出性能，溫度每增加1，其電流增加1uA。 AD590溫度與電流的關系如下表所示表3.3 AD590溫度與電流的關系攝氏溫度AD590電流經(jīng)10K電壓0273.2 uA2.732V10283.2 uA2.832 V20293.2 uA2.932 V30303.2 uA3.032 V40313.2 uA3.132 V50323.2 uA3.232 V60333.2 uA3.332 V100373.2 uA3.732 V利用AD590溫度傳感器完成溫度的測量，把轉(zhuǎn)換的溫度值的模擬量送入ADC0809的其中一個通道進行A/D轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換的結果進行溫度值變換之后送入數(shù)碼管顯示2溫度測量電路要想克服簡單電路的缺陷，就要使得增益調(diào)整和補償調(diào)整相互獨立。本設計用了具有獨立調(diào)節(jié)功能的測溫電路。AD590的輸出電流I=(273+T)uA(T為攝氏溫度)，因此測得的電壓為U=(273+T)uAx10K=(273+T)x0.01V. 但由于AD590的增益有偏差，電阻也有誤差，因此應對電路進行調(diào)整。調(diào)整方法為：把AD590放入冰水混合物中，調(diào)整電位器R1，是輸出電壓U=2.732V；或在室溫條件下通過調(diào)節(jié)電位器R2，使輸出電壓U=-2.73V，調(diào)整電位器R3，使U=1.25V。這樣，可以保證電路有較高的精度。溫度測量電路圖： 圖3.5 溫度測量電路3.2.3 A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809簡介單片機接受的是數(shù)字信號，而傳感器經(jīng)測量電路輸出的是模擬電壓信號，因此就需要把模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的元件A/D轉(zhuǎn)換器。本設計選用了ADC0809。 圖3.6 ADC0809芯片圖1. ADC0809內(nèi)部電路組成及轉(zhuǎn)換原理ADC0809是采樣頻率為8位的、以逐次逼近原理進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個8通道多路開關，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉(zhuǎn)換。主要特性（1）8路8位AD轉(zhuǎn)換器，即分辨率8位。 （2）具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫恕?（3）轉(zhuǎn)換時間為100s（4）單個5V電源供電 （5）模擬輸入電壓范圍05V，不需零點和滿刻度校準。 （6）工作溫度范圍為-4085攝氏度 （7）低功耗，約15mW。 內(nèi)部結構 ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器，它由8路模擬開關、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關樹型DA轉(zhuǎn)換器、逐次逼近 外部特性（引腳功能） ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝。下面說明各引腳功能。 IN0IN7：8路模擬量輸入端。2-12-8：8位數(shù)字量輸出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。 START： AD轉(zhuǎn)換啟動信號，輸入，高電平有效。 EOC： AD轉(zhuǎn)換結束信號，輸出，當AD轉(zhuǎn)換結束時，此端輸出一個高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。 OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當AD轉(zhuǎn)換結束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基準電壓。 Vcc：電源，單一5V。 GND：地。 ADC0809的工作過程是：首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復位。下降沿啟動 AD轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進行。直到AD轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示AD轉(zhuǎn)換結束，結果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當OE輸入高電平 時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。 2 ADC0809的技術指標功耗為15MW 單一電源，+5V供電。分辨率為8最大不可調(diào)誤差：ADC08091/2LSB ADC08091LSB轉(zhuǎn)換速度取決于芯片的時鐘頻率。 3.2.4 分頻器CD4043在此系統(tǒng)中ADC0809只接兩路模擬信號，一個是濕度電壓信號，另一個是CO2濃度電壓信號。為了使ADC0809的CLK引腳接上500KHZ脈沖，從單片機ALE/P引腳（2MHZ）出來接上一個四分頻計數(shù)器CD4013得到500KHZ脈沖，如圖3.7所示Q端接至CLK。 圖3.7 CD4013電路圖3.3 濕度傳感器的選擇及其電路設計由于應用領域的不同，對濕度傳感器的技術要求也不盡相同。在常規(guī)的環(huán)境參數(shù)中，濕度是最難準確測量的一個參數(shù)。用干濕球濕度計或毛發(fā)濕度計來測量濕度的方法，早已無法滿足現(xiàn)代科技發(fā)展的需要。這是因為測量濕度要比測量溫度復雜的多，溫度是個獨立的被測量，而濕度卻受其他因素（大氣壓強、溫度）的影響。此外，濕度的標準也是一個難題。國外生產(chǎn)的濕度標定設備價格十分昂貴。 近年來，國內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領域取得了長足進步。濕敏傳感器正從簡單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測的方向迅速發(fā)展，為開發(fā)新一代濕度/溫度測控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件，也將濕度測量技術提高到新的水平。目前，國內(nèi)市場上出現(xiàn)了不少國內(nèi)外濕度傳感器產(chǎn)品，電容式濕敏元件較為多見。本設計選用了電容式傳感器HS1101。3.3. 1 濕度傳感器HS1101簡介溫度檢測采用HS1101型溫度傳感器，HS1101是HUMIREL公司生產(chǎn)的變?nèi)菔较鄬穸葌鞲衅?，采用獨特的工藝設計。HS1101測量濕度采用將HS1101置于555振蕩電路中，將電容值的變化磚換成電壓頻率信號，可以直接被微處理器采集。 濕度傳感器 HS1101特點：基于獨特工藝設計的電容元件，這些相對濕度傳感器可以大批量生產(chǎn)?？梢詰糜谵k公自動化，車廂內(nèi)空氣質(zhì)量控制，家電，工業(yè)控制系統(tǒng)等。在需要濕度補償?shù)膱龊纤部梢缘玫胶艽蟮膽??？焖俜磻獣r間專利的固態(tài)聚合物結構長時間飽和下快速脫濕高可靠性與長時間穩(wěn)定性全互換性 在標準環(huán)境下不需校正可用于線性電壓或頻率輸出回爐可以自動化焊接，包括波峰焊或水浸下表為HS1101的一些特性參數(shù)：表3.4 HS1101參數(shù)參數(shù)符號參數(shù)值單位工作溫度Ta-40100儲存溫度Tstg-40125供電電壓Vs10Vac濕度范圍RH0100%RH焊接時間T=260t10S表3-5 HS1101的工作特性：特征參數(shù)符號MinTypMax單位濕度測量范圍RH1995供電電壓Vs510V標稱電容55%RHC177180183pF溫度效應Tcc0.04pF/平均靈敏度(33%75%RH)C/%RH0.34pF/%RH漏電流Ix1nA恢復時間150小時結露tr10s遲滯+/-1.5%長時間穩(wěn)定性0.5%RH/yr反應時間ta5S曲線精度（10%90%）+/-2%RH可以按要求提供詳細的說明書3.3.2 濕度測量電路HS1101測量濕度采用將HS1101置于555振蕩電路中，將電容值的變化磚換成電壓頻率信號，可以直接被微處理器采集。圖3.8 濕度測量電路555芯片外接電阻R57，R58與HS1101，構成對HS1101的充電回路。7端通過芯片內(nèi)部的晶體管對地短路實現(xiàn)對HS1101的放電回路，并將引腳2，6端相連引入到片內(nèi)比較器，構成一個多諧波振蕩器，其中，R57相對于R58必須非常的小，但決不能低于一個最小值。R51是防止短路的保護電阻。HS1101作為一個變化的電容器，連接2和6引腳。引腳作為R57的短路引腳。HS1101的等效電容通過R57和R58充電達到上限電壓（近似于0.67VCC，時間記為T1），這時555的引腳3由高電平變?yōu)榈碗娖?，然后通過R58開始放電，由于R57被7引腳內(nèi)部短路接地，所以只放電到觸發(fā)界線（近似于0.33VCC，時間記為T2），這時555芯片的引腳3變?yōu)楦唠娖?。通過不同的兩個電阻R19，R20進行傳感器的不停充放電，產(chǎn)生方波輸出。充電、放電時間分別為 （3-1） （3-2） 輸出波形的頻率和占空比的計計算公式如下： (3-3) (3-4)由此可以看出，空氣相對濕度與555芯片輸出頻率存在一定線性關系。表2給出了典型頻率濕度關系（相對濕度：55%，輸出頻率：6.208kHz）?？梢酝ㄟ^微處理器采集555芯片的頻率，然后查表即可得出相對濕度值。為了更好提高測量精度，將采用下位機負責采集頻率，將頻率值送入上位機進行分段處理。我們很容易得到電容值和濕度的關系為： RH=(Cx-163)/0.39 （3-5）根據(jù)上式，我們很容易求的相應的濕度值。3.4 二氧化碳濃度的采集及電路3.4.1 二氧化碳濃度傳感器 TGS4160的簡介本課題所選用的二氧化碳傳感器是FIGARO(弗加羅)公司生產(chǎn)的固態(tài)電化學型氣體敏感元件TGS4160。這種二氧化碳傳感器除具有體積小、壽命長、選擇性和穩(wěn)定性好等特點外，同時還具有耐高濕低溫的特性，可廣泛用于自動通風換氣系統(tǒng)或是CO2氣體的長期監(jiān)測等應用場合。但是，由于TGS4160的預熱時間較長(一般為2小時)，所以，該器件比較適合于在室溫下長時間通電連續(xù)工作。此外，為了方便客戶使用，外FIGARO公司還專門設計了帶溫度補償?shù)膫鞲衅魈幚砟KAM4。該模塊采用微處理器進行控制，CO2氣體濃度的輸出信號電平為0.03.0V，相當于0-3000ppm的濃度，并有中繼轉(zhuǎn)接控制口，可輸出高、低兩種門限信號以供外接控制使用。TGS4160傳感器的主要技術參數(shù)如下：測量范圍：05000ppm；使用壽命：2000天；加熱器電壓：5.00.2 VDC；加熱器電流：250mA；加熱器功耗：1.25W；內(nèi)部熱敏電阻（補償用）：100K5；使用溫度：1050；使用濕度595RH；產(chǎn)品尺寸：最大外徑24mm，高24mm，引腳長5.8mm。TGS4160二氧化碳傳感器是一種內(nèi)含熱敏電阻的混合式CO2敏感元件。該元件在兩個電極之間充有陽離子固體電解質(zhì)。它的陰極由鋰碳酸鹽和鍍金材料制成，而陽極只是鍍金材料。該敏感元件的基襯是用對苯二酯聚乙烯和玻璃纖維加固，然后采用不銹鋼網(wǎng)做圓柱型封裝。元件的內(nèi)層采用100目雙層不銹鋼網(wǎng)套在鍍鎳銅環(huán)上，并用高強度樹脂粘合劑與基襯固定在一起。其外層頂蓋上又罩上了一層60目的不銹鋼網(wǎng)。為了達到降低干擾氣體影響的目的，TGS4160在內(nèi)外兩層不銹鋼網(wǎng)之間還填充有吸附材料（沸石）。傳感器的6個引腳通過0.1mm的箔導線與內(nèi)部相連。其等效的內(nèi)部結構見圖3.9所示。圖中，陽極與傳感器的第3腳S（）相連，陰極與傳感器的第4腳S（）相連，加熱器與傳感器的第1，6腳相連，內(nèi)部熱敏電阻與傳感器的第2，5腳相連。內(nèi)部熱敏電阻的作用是通過該電阻探測環(huán)境溫度，以便對該傳感器進行溫度補償，從而使校正后的測量值更加準確。 圖3.8 TGS4160等效內(nèi)部結構 圖3.9 TGS4160內(nèi)部結構圖3.4.2 傳感器 TGS4160的電路連接圖3.10 TGS4160電路圖二氧化碳濃度信號采集TGS4160采集到信號后先經(jīng)運算放大器，再接到ADC0809進行模數(shù)轉(zhuǎn)換TGS4160型CO2傳感器是一種電化學型氣體的敏感元件，當該元件暴露在CO2氣體環(huán)境中時，就會產(chǎn)生電化學反應。其反應式如下：陽極反應： (3-4)陰極反應： (3-5)總體反應： (3-6)作為電化學反應的結果，根據(jù)耐斯特方程，該過程將產(chǎn)生如下電勢（）： (3-7)式中：為CO2的分壓；為常數(shù)；R是氣體常數(shù)；T為溫度值（K）；F是法拉第常數(shù)。從上式看出，通過監(jiān)測S（）、S（）兩個電極之間所產(chǎn)生的電勢值EMF，就可以測量CO2的濃度值。為了使該傳感器保持在最敏感的溫度上，一般需要給加熱器提供加熱電壓進行加熱，但加熱電壓的變化將直接影響傳感器的穩(wěn)定性，因此加熱電壓必須穩(wěn)定，其范圍應在5.00.2VDC之內(nèi)。為了保證CO2的準確測量，除了保證加熱電壓穩(wěn)定及對環(huán)境溫度的變化進行溫度補償外，更主要的是要測量兩電極之間變化的電勢值EMF，而不是絕對電勢值EMF，因為EMF與CO2濃度變化之間有一個較好的線性關系。雖然EMF絕對值隨環(huán)境溫度的上升而上升，EMF卻保持常量，而且它在1050溫度范圍內(nèi)，基本不受溫度的影響。EMF值可由下式求得：EMFEMF1EMF2 （3-8）其中，EMF1為350ppm的CO2中的EMF值；EMF2為所測量的CO2的EMF值。在溫度為202、濕度為655RH、加熱電壓為5.00.05VDC、預熱時間為7天或大于7天的條件下，測得傳感器在濃度為350ppm中的EMF值是220490mV，而EMF在3503500ppm的CO2濃度中的值是4472mV，因此在實際測量應用電路中，要根據(jù)傳感器的特點要求，除使用高輸入阻抗（100G）、低偏置電流（1pA）的運算放大器外，還要對測得的信號進行處理。處理該信號通常有兩種方案可供選擇：一是使用費加羅公司的FIC98646專用處理器模塊，二是選用其它型號的單片機并通過自己編程進行信號處理。利用TGS4160傳感器并通過高輸入阻抗、低偏置電流的運放進行放大，再作一些簡單的運算處理，就可以在CO2濃度為3005000ppm的范圍內(nèi)測得信號，該信號為0幾百毫伏的電壓信號，可以供高精度AD采樣使用。3.5 單片機外圍控制電路設計在本系統(tǒng)中單片機的外圍電路較多，可分為以下幾部分：看門狗電路、系統(tǒng)電源、溫濕度及CO2濃度信號采集電路、執(zhí)行機構電路、LCD顯示電路、鍵盤輸入及報警電路和單片機I/O的擴展電路等