溫濕度檢測系統(tǒng)的設計

1、摘 要農業(yè)是國民的經(jīng)濟基礎，為工業(yè)的發(fā)展提供大量豐富的原料。所以說農業(yè)的發(fā)展直接影響國家經(jīng)濟建設。我國的農業(yè)技術水平逐步由傳統(tǒng)農業(yè)走向現(xiàn)代農業(yè)，現(xiàn)代農業(yè)的標志是環(huán)境控制工程技術的加入。溫室大棚的環(huán)境由溫度、濕度、光照及二氧化碳濃度等組成。利用先進人工智能技術，使得影響作物成長的環(huán)境因子被合理、科學、有計劃的控制著，并且利用計算機的控制設備進行環(huán)境控制，使得農作物生長在最佳的環(huán)境條件。本設計溫濕度檢測系統(tǒng)是以單片機為核心，配合溫度傳感器和濕度傳感器，以及相關電路組成，可以接受大棚內的溫度和濕度信號，檢測人員通過儀器上顯示的數(shù)據(jù)，實時檢測大棚內濕度和溫度情況。所有的測量操作都可以通過主機控制軟件來

2、實現(xiàn)。溫濕度檢測系統(tǒng)由硬件電路和系統(tǒng)軟件組成。硬件電路主要包括STC89C52單片機、溫度傳感器模塊、濕度傳感器模塊、液晶模塊、報警模塊、鍵盤模塊、串口模塊。系統(tǒng)軟件包括主程序、測溫子程序、測濕子程序、液晶顯示子程序。本設計利用單片機對數(shù)字信號可控制性和溫濕度傳感器的準確性，并且能顯示的控制系統(tǒng)方案。不僅能提高傳統(tǒng)溫濕度檢測系統(tǒng)的性能，而且本方案操作簡單，可靠性強，能夠在現(xiàn)實生活中發(fā)揮重要作用。關鍵詞：單片機；溫度；濕度；傳感器AbstractAgriculture is the national economic foundation，Provides a wide range of raw

3、 materials for the development of industry. So with that being said,The development of agriculture directly affects the national economic construction. Chinaagricultural transformation of moving from traditional agricuture of modern agricuture, A sign of modern agriculture is environmental control e

4、ngineering technology to join. Greenhouse environment by the temperature, humidity, illumination and co2 concentration, etc. Using the advanced artificial intelligence technology,Make the environmental factor influencing crop growth are controlled by the rational, scientific, systematic, And use of

5、computer control equipment for environmental control, make crops grow in the best environmental conditions.The design temperature and humidity detection system based on single chip microcomputer as the core，Cooperate with temperature sensor and humidity sensor, And the related circuit composition, I

6、t is can accept inside the greenhouse temperature and humidity signals, Testing personnel data displayed on the instrument, real-time detection of greenhouses in humidity and temperature conditions. All measurements can be done by the host control software.Temperature and humidity detection system c

7、onsists of hardware circuit and system software. Hardware circuit mainly includes the STC89C52 singlechip, the temperature sensor module, a humidity sensor module, LCD module, alarm module, keyboard module, a serial port module. WenZi system software includes the main program, test procedures, humid

8、ity measurement subroutine, liquid crystal display subroutine. This design using the single chip microcomputer to digital signal controllability and the accuracy of the temperature and humidity sensor, And can display control system scheme. Not only can improve the performance of the traditional tem

9、perature and humidity detection system, But also this scheme and simple operation, strong reliability, can play an important role in real life.Keywords: Single chip microcomputer;temperature;humidiy;the sensor目 錄摘 要IAbstractII第1章 引言11.1 研究的目的與意義11.2 國外溫室環(huán)境控制11.3 國內溫室環(huán)境控制21.4 溫室控制技術發(fā)展的三個階段21.5 我國溫室控制

10、技術存在的問題3第2章 系統(tǒng)的總體設計42.1 系統(tǒng)總體設計思路42.2溫度傳感器的選擇52.3濕度傳感器的選擇52.4單片機的選擇62.5鍵盤模塊的選擇62.6液晶模塊的選擇72.7蜂鳴器模塊的選擇72.8 串口模塊的選擇7第3章 硬件電路的設計83.1 信號采集83.1.1 溫度傳感器83.1.2 濕度傳感器133.1.3 LED顯示模塊163.2 信號分析193.2.1單片機的內部結構193.2.2單片機最小系統(tǒng)213.2.3 RS232串口模塊233.3 信號處理243.3.1 顯示模塊243.3.2 報警模塊25第4章系統(tǒng)軟件的設計264.1 系統(tǒng)軟件主程序264.2 測溫子程序27

11、4.3 測濕子程序294.4 液晶顯示子程序29第5章 結論31參考文獻32致 謝33附 錄34附錄A：系統(tǒng)程序34附錄B：溫濕度檢測系統(tǒng)原理圖48第1章 引言1.1 研究的目的與意義溫度是反應物體冷熱程度的物理量，微觀上說是物體分子的熱運動劇烈的程度。溫度的差異因為空間的位置不同而存在的。濕度是反應大氣干燥程度的物理量。在一定溫度下，一定體積內的空氣所含有的水汽越少，空氣則越干燥；反之則越潮濕?，F(xiàn)今，我國農業(yè)正從傳統(tǒng)農業(yè)向以高產(chǎn)、優(yōu)質、高效為目標的現(xiàn)代化農業(yè)轉化。對環(huán)境控制的好壞是衡量現(xiàn)代化農業(yè)技術的指標。當下，我國的溫室環(huán)境控制仍然需要人工來管理，這影響了農業(yè)生產(chǎn)的效益也阻礙農業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展

12、。因此，利用計算機的智能化便起到了有效作用，利用智能人工技術，科學、有效地控制環(huán)境因子，給農作物的生長提供一個最佳生活條件。這樣既能提高農作物的產(chǎn)量、質量及原料的利用率，同時也能降低生產(chǎn)成本。這對溫室環(huán)境實行自動檢測與控制是非常必要的。溫室設備的關鍵環(huán)節(jié)是環(huán)境控制，目的是提高控制精度，從而實現(xiàn)對環(huán)境的精確控制。溫室環(huán)境控制技術是隨自動化檢測技術、通訊技術、過程控制技術、計算機技術的發(fā)展而發(fā)展起來的1。1.2 國外溫室環(huán)境控制 世界發(fā)達國家如荷蘭、美國、以色列等大力發(fā)展集約化的溫室產(chǎn)業(yè)，溫室內溫度、光照、水、氣、肥實現(xiàn)了計算機調控，從品種選擇、栽培管理到采收包裝形成了一整套完整的規(guī)范化

13、技術體系。美國是最早發(fā)明計算機的國家，也是將計算機應用于溫室控制和管理最早、最多的國家之一。美國有發(fā)達的設施栽培技術，綜合環(huán)境控制技術水平非常高。環(huán)境控制計算機主要用來對溫室環(huán)境(氣象環(huán)境和栽培環(huán)境)進行監(jiān)測和控制。此外，國外溫室業(yè)正致力于向高科技方向發(fā)展。遙測技術、網(wǎng)絡技術、控制局域網(wǎng)已逐漸應用于溫室的管理與控制中?？刂埔竽茉谶h離溫室的計算機控制室就能完成，即遠程控制。另外該網(wǎng)絡還連接有幾個通訊平臺，用戶可以在遙遠的地方通過形象、直觀的圖形化界面與這種分布式的控制系統(tǒng)對話，就像在現(xiàn)場操作一樣，給人以身臨其境之感2。1.3 國內溫室環(huán)境控制  我國農業(yè)計算機的應用開始于20世紀70

14、年代，80年代開始應用于溫室控制與管理領域。20世紀90年代初期，中國農業(yè)科學院農業(yè)氣象研究所和作物花卉研究所，研制開發(fā)了溫室控制與管理系統(tǒng)，并開發(fā)了基于Windows操作系統(tǒng)的控制軟件；90年代中后期，江蘇理工大學毛罕平等人研制開發(fā)了溫室軟硬件控制系統(tǒng)，能對營養(yǎng)液系統(tǒng)、溫度、光照、CO2 、施肥等進行綜合控制，是目前國產(chǎn)化溫室計算機控制系統(tǒng)較為典型的研究成果。在此期間，中國科學院石家莊現(xiàn)代化研究所、中國農業(yè)大學、中國科學院上海植物生理研究所等單位也都側重不同領域，研究溫室設施的計算機控制與管理技術?！熬盼濉逼陂g，國家科技攻關項目和國家自然科學基金均首次增設了工廠化農業(yè)(設施農業(yè))研究項目，并

15、且在項目中加大了計算機應用研究的力度，其中“九五”國家重大科技產(chǎn)業(yè)工程“工廠化高效農業(yè)示范工程”中，直接設置了“智能型連棟塑料溫室結構及調控設施的優(yōu)化設計及實施”的專題。1.4 溫室控制技術發(fā)展的三個階段縱觀國內外溫室環(huán)境技術發(fā)展情況來看，大致可將溫室環(huán)境控制技術分為三個階段：(1)手動控制階段。這種控制是溫室控制技術發(fā)展初期所采用的。其實并沒有產(chǎn)生真正意義上的控制系統(tǒng)，人員是控制環(huán)境的核心，通過對環(huán)境條件及農作物生長情況的觀測，憑借多年積累的經(jīng)驗來判斷。利用人工對溫室環(huán)境進行調節(jié)。利用這種控制方式，農作物的產(chǎn)量、質量較自然環(huán)境條件下生長的產(chǎn)量、質量提高很多.。但這種控制方式的勞動生產(chǎn)率較低，

16、不適合工廠化農業(yè)生產(chǎn)的需要。(2)自動控制階段。20世紀40年代，手動環(huán)境控制方式正逐步走向機械設備控制階段。計算機技術與現(xiàn)代控制理論相結合，對溫室內各環(huán)境因子進行合理控制。如光照的強度及時間、溫度的高低、濕度的高低、二氧化碳的濃度和施肥的數(shù)量等等。人為創(chuàng)造適合農作物生長的最佳條件的自動控制技術成為主流。在此階段溫室環(huán)境的控制有較為完整的控制系統(tǒng)。各種傳感器采集相應數(shù)據(jù)，監(jiān)控系統(tǒng)實時檢測環(huán)境的變化和控制執(zhí)行設備的動作。自動化的溫室控制技術使人員的操作過程簡便，快捷。這種控制技術適合規(guī)?；a(chǎn)，效率高。目前我國絕大部分的現(xiàn)代化溫室控制技術都屬于這種控制方式。(3)智能化控制技術。智能化控制技術是

17、建立在自動控制技術和手動控制技術的基礎上的，通過對各種農作物的生長情況全面分析，研究開發(fā)出一套適合不同作物生長的溫室控制系統(tǒng)。實現(xiàn)了溫室智能化的管理與生產(chǎn)。這種控制技術即充分利用了計算機技術，又發(fā)揮了農業(yè)專家系統(tǒng)的指導作用。所以智能化控制技術是一種比較有發(fā)展的控制技術。1.5 我國溫室控制技術存在的問題(1)科技含量和總體發(fā)展水平較低。我國設施栽培起步晚、基礎差，沒有將其作為整體工程問題研究。從設施裝備到栽培技術的生產(chǎn)管理不配套，生產(chǎn)不規(guī)范，難以形成大規(guī)模商品生產(chǎn)。(2)我國現(xiàn)有的溫室控制系統(tǒng)仍以控制一個溫室為主，沒有基于溫室群的控制系統(tǒng)。這樣降低了生產(chǎn)管理的效率。(3)缺少基于農業(yè)專家知識的

18、上位機管理系統(tǒng)。我國目前的溫室控制系統(tǒng)中，一些上位機只限于存儲采集的歷史數(shù)據(jù)，沒有根據(jù)農業(yè)專家知識的實時控制管理系統(tǒng)。(4)設施水平低，抵御自然災害的能力差。我國目前部分溫室的建筑材料主要是鋼材和玻璃。但沒有形成國家統(tǒng)一的標準和工廠系列的產(chǎn)品，且應用率僅占設施栽培面積的10，而絕大部分由農民自行建造的塑料日光溫室也只能起到一定的保溫作用，根本不能實現(xiàn)對溫度、濕度、光照等環(huán)境因子的調控。(5)機械化水平低，調控能力差，作業(yè)主要依靠人力。生產(chǎn)管理主要靠經(jīng)驗和單因子定性調控。第2章 系統(tǒng)的總體設計2.1 系統(tǒng)總體設計思路單片機是整個檢測系統(tǒng)的主要部分，信號的采集由溫度傳感器模塊、濕度傳感器模塊完成。

19、處理信號則由單片機完成。對測量系統(tǒng)而言，精確的測得信號是其主要任務。鍵盤模塊串口模塊溫度傳感器模塊濕度傳感器模塊單片機STC89C52液晶模塊蜂鳴器模塊圖2-1系統(tǒng)總方框圖傳感器是實現(xiàn)檢測與控制的靈魂，是檢測系統(tǒng)的關鍵部件，如果沒有傳感器對原始被測信號的準確可靠的測量，一切測量和控制想完成都是滑稽之談的。工業(yè)自動化生產(chǎn)過程的測量與控制，生產(chǎn)過程中的各個參數(shù)都離不開傳感器的檢測，這樣才能使設備或者系統(tǒng)在最佳的狀態(tài)上運行，確保生產(chǎn)的高效率和高質量3。2.2溫度傳感器的選擇溫度傳感器顧名思義就是能感受溫度并且將溫度轉換成可用的輸出信號，是溫度測量儀表的核心組成部件。溫度傳感器是最早開發(fā)的，應用最廣泛

20、的一種傳感器。它的市場價值遠遠超過了其他傳感器。溫度傳感器包括熱電偶式、熱敏電阻式、IC溫度傳感器及電阻溫度檢測器四種。主要分為兩類：接觸式和非接觸式。接觸式溫度傳感器測量是需要與被測物接觸。而非接觸式它的敏感元件不接觸被測物。這種儀表可用來測運動物體、微小目標物體和溫度變化迅速的表面溫度，也適用于測量溫度場的溫度分部。在市場上銷售的傳感器有以下3種：(1)STH11傳感器，此產(chǎn)品被用于暖通級室內外環(huán)境或通風管道內的溫度測量。(2)DHT11傳感器，是一款數(shù)字輸出的復合傳感器，包含一個電阻式感濕元件和NTC式溫度檢測元件，可測2090%RH濕度，誤差5%RH，050攝氏度，誤差2攝氏度。(3)

21、DS18B20傳感器是Dallas半導體公司的數(shù)字化溫度傳感器是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器。一線總線獨特而且經(jīng)濟的特點，使用戶可輕松組建傳感器網(wǎng)絡。新一代的DS18B20體積更小、更經(jīng)濟、更靈活。故選擇DS18B20作為本設計的溫度傳感器。2.3濕度傳感器的選擇與溫度傳感器類似，濕度傳感器也是較為普遍的一種傳感器。濕敏元件是最簡單的濕度傳感器。濕敏元件主要有電阻、電容式兩大類。濕敏電阻式的特點是在基片上包上一層感濕材料制成的膜，當空氣中的水蒸氣吸附在感濕膜上時，元件電阻率和電阻值會發(fā)生變化，即利用這一特性便可測量濕度。市場銷售的型號有YYJ/JHF-03L、HS24LF、HS

22、1101、HTG3500、HTS2030SMD、XE26BSC等等。根據(jù)需要濕度傳感器選取HS1101，它具有完全互換性，高可靠性，響應時間快等特點，使用余額線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，其電容量變化范圍16pF200pF，測量范圍相對濕度在1%100%內。其響應時間小于5秒，誤差在-2%RH+2%RH內。溫度洗漱為0.04pF/。精度高也是其主要特點。故選擇HS1101作為本設計的濕度傳感器。 2.4單片機的選擇單片機，是一種微型計算機，是把CPU、存儲器、定時/計數(shù)器、各種輸入輸出集成在一塊芯片上，與計算機中的微處理器相比，它更強調自供應能力及節(jié)約成本。它的最大優(yōu)點是體積較小，可以放在儀

23、表內部。但內存小，輸出輸入接口簡單，功能較低。單片機按字長可分為4位、8位、16位和32位。基于性價比考慮，首選的是8位單片機。市場上單片機種類繁多，有STC系列、PIC系列、EMC系列等等。STC89C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，擁有 8K 系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。利用高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品的指令和引腳完美兼容4。故選取STC89C52作為本設計的單片機。2.5鍵盤模塊的選擇常用的按鍵接口一般分為“獨立式按鍵接口設計” 、“ 專用芯片式設計”和“矩陣式接口設計”幾種。具體采用哪種方式，應該根據(jù)所設計系統(tǒng)的實際情況而定。下面分別介紹不同接口

24、方式的優(yōu)缺點及適用場合。(1)獨立式按鍵接口設計獨立式按鍵接口設計的優(yōu)點是電路搭配靈活，軟件容易。但缺點也很明顯，它的每個按鍵需要一根線口，會因為按鍵較多而造成資源浪費，從而電路結構也變復雜。因此此種按鍵接口適用于按鍵較少的場合。(2)專用芯片式設計專用鍵盤處理芯片功能較為完善，芯片本身具有對按鍵編碼、掃描、和重鍵等的功能，例如：8279還集成了顯示接口的功能。其優(yōu)點是可靠性強、接口簡便、使用方便，比較適合在按鍵較多的情況下使用。但不同的應用場合，因成本較高，可能不是最佳選擇。(3)矩陣式接口設計矩陣式按鍵設計是綜合獨立式鍵盤和專用芯片式設計的優(yōu)點。按鍵接口由行、列線組成，按鍵則位于行、列的交

25、叉點上。此種方式的優(yōu)點是相對于獨需兩步便能獲得按鍵的行列值。2.6液晶模塊的選擇液晶顯示屏的特點是體積小、功耗低、顯示內容豐富等等，可以根據(jù)工作需求，顯示所需要的內容，甚至自己設計的圖案也可以顯示。不僅如此，當要顯示一些復雜數(shù)據(jù)，它的優(yōu)點就突顯出來了。當硬件設計完成時，系統(tǒng)的顯示能力可以通過調試軟件，從而達到不斷擴展的目的。外圍驅動電路設計起來較容易，硬件電路不會因為顯示能力的擴展而修改，相比下可擴展性很強。電子設計中常用的有兩種：數(shù)碼管與LED。根據(jù)需要選取LED液晶顯示模塊。2.7蜂鳴器模塊的選擇蜂鳴器是一體化結構的電子訊響器，供電電壓是直流電壓。蜂鳴器在電路中用字母“H”或“HA”（舊標

26、準用“FM”、“LB”、“JD”等）表示。主要分為壓電式蜂鳴器與電磁式蜂鳴器兩種類型：壓電式蜂鳴器：由壓電蜂鳴片、多諧振蕩器、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。部分壓電式蜂鳴器外殼上裝有發(fā)光二極管。電磁式蜂鳴器：由電磁線圈、振蕩器、磁鐵、振動膜片及外殼等部分組成。本設計采取壓電式蜂鳴器。2.8 串口模塊的選擇串口模塊包括藍牙串口模塊、無線串口模塊、USB轉串口模塊、wifi串口模塊等等。藍牙串口模塊是為智能無線數(shù)據(jù)的傳輸而設計的。無線串口模塊是半雙工無線傳輸模塊。USB轉串口模塊分為S版、T版、R版、C版。Wifi串口模塊是用戶串口數(shù)據(jù)與無線網(wǎng)絡之間的轉換。而本設計采用的是PL2303串口模塊。

27、第3章 硬件電路的設計本方案以STC89C52單片機為核心，對溫度、濕度進行實時檢測和調控。各檢測模塊能獨立完成各自功能，根據(jù)主機的指令對溫度，濕度進行實時采集。主機負責控制指令的發(fā)送，并控制各個檢測單元進行實時溫濕度的采集。收集測得的數(shù)據(jù)，同時對測量結果進行整理、分析并顯示。其中包括STC89C52單片機、復位電路、溫度檢測模塊、濕度檢測模塊、鍵盤模塊及顯示模塊、報警電路、系統(tǒng)軟件等部分的設計。本設計是由信號采集、信號分析和信號處理三部分組成。(1)信號采集：由溫度、濕度傳感器模塊負責采集信號；(2)信號分析：由單片機STC89C52負責分析信號；(3)信號處理：由液晶顯示模塊和蜂鳴器模塊負

28、責處理信號3.1 信號采集3.1.1 溫度傳感器溫度傳感器種類繁多，對于產(chǎn)品高精度、高可靠性的要求，達拉斯公司生產(chǎn)的DS18B20溫度傳感器是當之無愧的首選。不僅如此，體積小、抗干擾能力強、精度高、附加功能強這都是其優(yōu)點。圖3-1 DS18B20溫度傳感器如圖3-1所示DS18B20引腳圖：(1)GND為電源地 (2)DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端 (3)VDD為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時接地）DS18B20內部的結構主要由64位光刻ROM、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH與TL、溫度傳感器、以及寄存器四部分組成。依靠一個單線端口通訊。在單線端口條件下，必須先建立ROM操作協(xié)議，才能進行存

29、儲器和控制操作。因此，控制操作必須首先提供下面5個ROM操作指令之一：讀取RO、匹配ROM、搜索ROM、跳過ROM、報警搜索。這些指令的操作作用在一個器件的64位光刻ROM序列號上，總線上若有多個溫度傳感器是，可以選定其中的一個溫度傳感器進行測溫，同時，總線也可以知道有多少個傳感器并在一起，且是什么樣的設備。若指令起作用使DS18B20完成了溫度的測量，數(shù)據(jù)存儲在DS18B20的存儲器中。這就是一個控制功能指示DS18B20傳感器的測溫。測量的結果將被存儲在DS18B20內存中，此時閱讀器發(fā)揮作用，讀取內存中的測量數(shù)據(jù)。溫度報警觸發(fā)器TH和TL都具有一字節(jié)EEPROM 數(shù)據(jù)。如果DS18B20

30、報警檢查指令不被使用，這些寄存器可作為普通用戶記憶的用途。在片上載有配置字節(jié)以便解決溫度數(shù)字的轉換。TH與TL指令及配置字節(jié)是利用一個記憶功能的指令完成的，通過緩存器讀取寄存器。都是從最低位開始讀取數(shù)據(jù)的。(1)DS18B20的主要特性：DS18B20的“一線總線”接口是其主要的特點，測量溫度范圍較寬在-55°C+125°C，其精準度也較高在-10+85°C范圍內,精度為±0.5°C。在使用中不需要任何外圍元件。支持多個DS18B20并聯(lián)在一單線上?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，提高了系統(tǒng)抗干擾性。適用于惡劣環(huán)境條件下的現(xiàn)場溫度測量

31、。其工作電壓在3V5.5V的范圍，使系統(tǒng)設計更靈活、方便。而且新一代的產(chǎn)品價格更便宜，體積更小。DS18B20傳感器程序可以設定912位的分辨率。對要求更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍，它是首選。 DS18B20溫度傳感器的性能是新一代系列產(chǎn)品中最好的！性價比也非常高。(2)DS18B20的工作原理：DS18B20的測溫原理如圖3-2所示，圖中低溫度系數(shù)晶振的振蕩頻率幾乎不受溫度的影響，將產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計數(shù)器1。高溫度系數(shù)晶的振蕩頻率受溫度影響較大，所產(chǎn)生的脈沖信號輸入計數(shù)器2。將-55所對應的基數(shù)值置于計數(shù)器1和溫度寄存器中。計數(shù)器1進行減法計算，對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號

32、值減到0，溫度寄存器的值將加1計數(shù)器1 的預置將重新被裝入，計數(shù)器1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到計數(shù)器2計數(shù)到0 時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。斜率累加器用于測溫過程中的非線性進行補償，其輸出作為修正計數(shù)器1的預置值5。高溫度系數(shù)晶振計數(shù)器1預置低溫度系數(shù)晶振比較預置=0溫度寄存器計數(shù)器2=0停止加1LSB置位/清除斜率累加器圖3-2 DS18B20的測溫原理圖(3)DS18B20的基本應用電路：基于DS18B20的測溫系統(tǒng)具有系統(tǒng)結構簡單、測溫的精度高、連接方便、占用線扣少等優(yōu)點。下面就是基于DS18B20幾個測溫電路圖，在不

33、同供電方式下的性能：DS18B20寄生電源供電方式電路圖 如下面圖3-3所示，在寄生電源供電方式下，DS18B20從單線信號線上獲取能量：當信號線DQ處于高電平時內部電容器處于存儲電能狀態(tài)；在信號線處于低電平時，電容器里的電能作為能量來源，直到高電平到來再給電容器充電。這樣周而復始。圖 3-3 DS18B20寄生電源供電方式電路圖寄生電源方式有三個好處：遠距離測量溫度時，無需本地電源提供電能讀取ROM時不受常規(guī)電源的影響電路更加簡單，僅用一根輸出/輸入端口即可實現(xiàn)測溫要想使DS18B20溫度轉換的精準度高，I/O線在溫度轉換期間就必須提供充足的能量，由于DS18B20在溫度轉換期間的

34、工作電流達到1mA，當幾個溫度傳感器并在同一根線上同時進行多個地方共同測溫時，共用的4.7K上拉電阻就無法保證每個傳感器正常工作，會影響轉換溫度或者對測量的溫度誤差極大。所以，此電路在單一溫度傳感器測溫時才使用的。若要實現(xiàn)多點測溫，則必須采用外接電源來滿足能量的補充，并且工作電源則需要在5V。當電源電壓下降時，寄生電源能夠汲取的能量也會隨之降低，則測量的溫度誤差也會變大。改進的寄生電源供電方式如下面圖3-4所示。為實現(xiàn)多點測量，則應該在DS18B20進行動態(tài)轉換時提供足夠的電流。當進行溫度轉換或拷貝到 E2存儲器操作時，用MOSFET把I/O線直接拉到VCC就可提供足夠的電流，在發(fā)出任何涉及到

35、拷貝到E2存儲器或啟動溫度轉換的指令后，必須在最 多10S強上拉狀態(tài)。在強上拉方式下可以解決電流供應不足的問題，因此也適合于多點測溫應用，缺點就是要多占用一根I/O口線進行強上拉切換。圖3-4 DS18B20寄生電源強上拉供電方式電路圖DS18B20的外部電源供電方式電路圖在外部電源供電能的方式下，DS18B20工作電源由VCC引腳接入，此時I/O線不需要強上拉，也不存在電流供應不足的問題，這樣可以保證轉換的精度。在這種情況下可以實現(xiàn)多個DS18B20傳感器共同工作，組成多點測溫系統(tǒng)。注意：在外部供電的方式下，DS18B20的GND引腳需要接地。如果懸空，溫度轉換將不會發(fā)生，讀取的溫度總是85

36、。如圖3-5所示：所以要使DS18B20工作在最佳狀態(tài)，此種外接電源供電方式是最好的。其工作中安全穩(wěn)定、抗干擾能力強、而且電路也比較簡單容易實現(xiàn)。并且可以組成出穩(wěn)定可靠的多點溫度監(jiān)控系統(tǒng)6。因此本設計中的溫度采集系統(tǒng)采用外部供電方式。針對本設計，因為只用于測量環(huán)境溫度，所以顯示溫度在0+85便可。圖 3-5 溫度傳感器模塊電路圖3.1.2 濕度傳感器測量空氣中的濕度的方式有很多，其原理就是利用某種介質吸收周圍空氣中的水份而引起的物理或者化學性質變化，間接地獲取空氣中的水份含量及周圍空氣的濕度。HS1101濕度傳感器介紹 ：本系統(tǒng)采用HS1101濕度傳感器對濕度進行測量，HS1101是一款電容式

37、濕度傳感器由法國Humirel公司推出的。該濕度傳感器廣泛應用于家庭、倉庫、溫室大棚、汽車駕駛室和工業(yè)自動化控制系統(tǒng)等。在對空氣濕度進行監(jiān)測時，與市場上其它的一些濕度傳感器相比，它有著顯著的優(yōu)點：(1)標準環(huán)境下無須校驗的完全互換性(2)長期飽和狀態(tài)，迅速脫濕(3)適應自動裝配過程，包括波峰、焊接、回流焊等(4)具有高可靠性和長期穩(wěn)定性(5)特有的固態(tài)聚合物結構(6)響應時間快(7)適用于現(xiàn)行電壓輸出和線形頻率輸出兩種電路HS1101濕度傳感器在電路構成上等效于一個電容器。側面開放式封裝，只有兩個引腳，其電容量隨被測空氣濕度的變大而增大。但不允許直流方式供電，HS1101濕度傳感器外形如圖3-

38、6所示：圖3-6 HS1101濕度傳感器HS1101的常用參數(shù)如表3-1所示：表3-1 HS1101的常用參數(shù)參數(shù)符號參數(shù)值單位工作溫度Ta-40100儲存溫度Tstg-40100供電電壓Vs10Vac濕度范圍RH0100%RH焊接時間(260)t10S為了使單片機容易接受準確的信號，通常有兩種：(1)將HS1101放在運放和電容組成橋式振蕩的電路中，所產(chǎn)生的正弦波電壓信號通過整流，直流放大后，再由A/D轉換器轉換為單片機可以處理數(shù)字信號，供單片機處理；(2)將HS1101傳感器放在555振蕩電路中。電容值的變化的變化與電壓值的變化成反比，這種轉變的信號供單片機直接采集及處理7。本系統(tǒng)采用55

39、5振蕩電路的形式。HS1101與TLC555組成的振蕩電路如圖3-7所示。此電路為典型的555非穩(wěn)態(tài)電路。HS1101作為可變電容接在2號與6號兩引腳上；電源電壓工作在+3.5V-+12V范圍內；本系統(tǒng)電壓為+5V。R18為保護電阻，防止出現(xiàn)短路；R21電阻作為內部溫度補償電阻。R21精度必須為1%,最大溫度效應則小于100ppm的電阻。因為各種型號的555的溫度效應不相同，所以R21的型號與相應555芯片型號必須是匹配的。為了確保55%RH的標準濕度值為6660Hz(25)，R22也隨之做出調整。對于TLC555，R22為576k ，R21為909k。當R22>>R23時，輸出方

40、波的占空比接近50%，綜上對比，本設計為了達到預期效果的目的，本系統(tǒng)電阻R23取49.9k。 圖3-7 HS1101與TLC555組成的振蕩電路圖該振蕩電路輸出方波的頻率fout： (3-1)根據(jù)HS1101傳感器使用手冊。此振蕩電路所輸出的方波頻率范圍在60337351Hz內，而所對應的相對濕度為1000%R。表3-2給出了一組相對濕度與電壓頻率的對應值。表3-2：相對濕度與電壓頻率的典型值%RH0102030405060708090100Hz73517224710069766853672866006468633061866033輸出電壓的頻率與濕度的關系為：(3-2)其中，fout(55)

41、是指在55%RH的濕度值時電壓所輸出的頻率值，在25下，該值為6660Hz。本系統(tǒng)要求濕度精度為3%RH，可以用下式計算fout與RH的關系： (3-3) 輸出方波的占空比D為： (3-4) 上式可計算出振蕩電路輸出的方波的占空比為52%。3.1.3 LED顯示模塊(1)液晶概述液晶（液態(tài)晶體）是一種高分子材料，它在一定的溫度下既不屬于氣態(tài)又不屬于固態(tài)也不屬于液態(tài)。因為其特殊的物理、化學、光學特性，20世紀中葉人們開始開始廣泛應用在輕薄型顯示器上。液晶顯示器（Liquid Crystal Display,LCD）其主要原理是通過電流的刺激把液晶分子產(chǎn)生的點、線、面與背部燈管相配合所構成的畫面。

42、為敘述方便，通常把各類液晶顯示器都叫做液晶。液晶的命名通常是按照其顯示字符行數(shù)和列數(shù)命名的。比如：1602的意思是可以顯示兩行，每行顯示16個字符；類似的命名還有1601、0801、0802等等，這類液晶大多是是字符型液晶，即只能顯示ASCII碼字符，如數(shù)字、字母及各種符號等。還有另一類液晶是圖形型液晶，比如12232，顧名思義它是由122列和32行組成的，即共有122×32=3904個點來顯示各種圖形。我們可以通過程序來控制這3904個點中任何一個點，讓它顯示或不顯示。類似的液晶型號還有19264、12864、192128、320240等等等，廠家可以根據(jù)客戶需求來設計出任意數(shù)組合

43、的點陣液晶8。液晶的特點是體積小、功耗低、無閃爍、顯示操作簡單等等。但是也有致命的弱點，其可用的工作溫度范圍很窄，通用型液晶的正常工作溫度范圍在0+55內，存儲溫度范圍在-20 +60內。即使是寬溫型液晶，它的工作范圍也不是很打，也僅在-20+70內，存儲溫度范圍在-30+80內。由于本系統(tǒng)需要顯示的內容是年、月、日、星期、秒、分時、溫度，所以采用字符型液晶LCD1602就夠用了。(2) 1602與單片機的連接1602液晶主要技術參數(shù)如下表3-3所示：表3-3 1602液晶主要技術參數(shù)表顯示容量16×2個字符芯片工作電壓4.5-5.5V工作電流2.0mA(5.0V)模塊最佳工作電壓5

44、.0V字符尺寸2.95×4.35（W×H）mm1602LCD液晶顯示模塊采用的是標準的14腳或16腳接口，14腳與16腳的差別在于有無背光引腳，14腳的1602LCD液晶顯示模塊不具有背光的引腳，反之16腳則有。其所具有的特俗引腳比如第3腳VL調整液晶顯示器對比度，接地時對比度最高，所以可以接一個10K電位器來調整。第4腳RS為寄存器選擇，高、低點平時分別選擇的是數(shù)據(jù)、指令寄存器。第5腳R/W為讀寫信號線，高、低點平分別進行讀、寫的操作。第6腳E端為使能端，若要液晶模塊執(zhí)行命令，則E端需要由高電平跳成低點評。1602液晶引腳功能如表3-4所示：表3-4 1602液晶引腳功能

45、表引腳號符號引腳說明引腳號符號引腳說明1Vss電源地9D2數(shù)據(jù)口2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)口3VO液晶顯示對比度調節(jié)端11D4數(shù)據(jù)口4RS數(shù)據(jù)/命令選擇端（H/L）12D5數(shù)據(jù)口5R/W讀寫選擇端（H/L）13D6數(shù)據(jù)口6E使能信號14D7數(shù)據(jù)口7D0數(shù)據(jù)口15BLA背光電源正極8D1數(shù)據(jù)口16BLB背光電源負極1602與單片機的連接如圖3-8所示：圖3-8 1602與單片機的連接3.2 信號分析信號的分析主要由單片機完成，單片機的術語Micro Controller Unit(微控制器件)，它是由因特爾公司研發(fā)的，它的早起是MCS-48后來逐步更新?lián)Q代有了MCS-51，也就是我們現(xiàn)在經(jīng)常提

46、起的51系列單片機。它是一種8位的單片機。在整個應用系統(tǒng)中，單片機起主導作用，也就是說沒由單片機的處理其他什么都不起作用，所以選擇符合型號合適的單片機是至關重要的。根據(jù)整個設計數(shù)據(jù)來看，滿足條件的單片機種類挺多，但考慮到性價比，選擇8051系列的STC89C52單片機最為合適。本系統(tǒng)中，選STC89C52單片機作為為該系統(tǒng)的總控芯片，溫度傳感器和濕度傳感器將信號檢測，并傳輸給單片機處理，單片機將處理完的信號傳輸?shù)絃ED顯示模塊，從而實現(xiàn)了溫濕度的顯示。利用鍵盤模塊設定溫濕度的測量范圍值，超過范圍由蜂鳴報警器發(fā)出報警信號9。3.2.1單片機的內部結構STC89C52系列單片機是STC公司推出的新

47、一代抗干擾能力強、高性能、低功耗的單片機，完全兼容傳統(tǒng)8051單片機的指令碼，12時鐘/機器周期、6時鐘/機器周期可隨意選擇。STC89C52具備較完美的中斷功能。包括2個外中斷、1個串行中斷和2個定時/計數(shù)器中斷，可以根據(jù)不同需求進行選擇。并具有2級的優(yōu)先級別選擇，可使系統(tǒng)在各模塊程序之間的變換容易。STC89C52的運算速度較快，能滿足一般設計中的需求。而且還支持ISP在線編程功能，從而節(jié)省昂貴的編程器。8051系列單片機的內部包括了計算機所必須的基本功能部件，各部件集成在芯片上其結構主要包含CPU、ROM、RAM、定時器/計數(shù)器、并行、串行接口和中斷系統(tǒng)等組成。(1)中央處理器：中央處理

48、器(CPU)內部由運算器（ALU）、控制器（定時控制部件等）和專用寄存器3部分組成。是整個單片機的核心元件。51系列單片機的處理器是8位數(shù)據(jù)寬度的，它可以處理8位二進制數(shù)據(jù)代碼。CPU主要由算術邏輯部件、控制器和寄存器三部分組成。它負責控制、指揮和調整每個個單元來協(xié)調的工作，從而完成運算、輸入輸出功能等的操作。(2)存儲器 在單片機內部，ROM與RAM存儲器是分開制造的。通常，ROM存儲器容量較大，RAM存儲器容量較小。數(shù)據(jù)存儲器(RAM)：數(shù)據(jù)存取器（RAM）顧名思義就是可存放讀寫的數(shù)據(jù)以及運算的中間結果或者用戶自定義的字型表。51單片機內部有兩種數(shù)據(jù)存儲單元，分別是用戶數(shù)據(jù)存儲單元和專用寄

49、存器單元，都是128個8位的，它們都統(tǒng)一編址。專用寄存器只用作存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能根據(jù)自己用戶更改或存放數(shù)據(jù)。所以用戶可以使用的RAM只有128個。程序存儲器(ROM)：程序存取器（ROM）相比RAM來說，就是用戶可以存放數(shù)據(jù)或表格等等。8051共有4096個8位程序存儲器。 (3)定時/計數(shù)器：定時/計數(shù)器用作硬件的定時/計數(shù)。8051有2個16位可編程的定時/計數(shù)器，可以用來定時或計數(shù)的功能。(4)并行輸入輸出(I/O)口：單片機的并行輸入輸出（I/O）口的作用是與外部設備進行通信，以便實時外部數(shù)據(jù)與內部運算相溝通。8051內部有4組8位I/O口(P0、 P1、P2或P3

50、)，用于與外部數(shù)據(jù)的傳輸。(5)全雙工串行口：全雙工串行口其功能是用于與其他設備進行的串行數(shù)據(jù)傳送。 8051內置一個與其它設備串行數(shù)據(jù)傳送的全雙工串行通信口。該串行口不但可以用作異步通信收發(fā)器，又可當同步移位器使用。(6)中斷系統(tǒng)：8051具備較完善的中斷功能，包括3中5個中斷器包括有兩個外中斷、兩個定時/計數(shù)器中斷和一個串行中斷，從而滿足不同控制的要求。還具有二級的優(yōu)先級別選擇。(7)時鐘電路：8051內置的時鐘電路最高頻率可達12MHz，可用于產(chǎn)生脈沖時序為單片機運行使用，但是8051單片機需要外置振蕩電容10。為了系統(tǒng)了解STC89C52單片機，如圖3-9所示。圖3-9 ST

51、C89C52單片機3.2.2單片機最小系統(tǒng) 單片機系統(tǒng)的擴展基礎是基本最小系統(tǒng)，所以熟悉各應用系統(tǒng)的結構是首要的。單片機的最小系統(tǒng)包括兩個，分別是復位電路和晶體振蕩電路。(1)復位電路單片機復位的原理：當時鐘電路開始工作后，單片機RST引腳被施加了多于24個時鐘振蕩脈沖的高電平，這時單片機便可以實現(xiàn)復位。在復位期時，單片機ALE引腳和PSEN引腳輸出均為高電平。當RST引腳跳轉為低電平后，單片機則是從0000H單元開始執(zhí)行程序。為確保單片機系統(tǒng)中電路的穩(wěn)定和可靠，則需要附加復位電路，復位電路的第一功能是上電復位。也可以采用人工復位，其電路圖如圖3-10所示。而上電復位電路圖如圖3-11所示。不

52、僅可以在上電的時候給RST一個短暫的高電平信號，還可以按下按鍵開關，VCC通過與RST連接的一個高電阻給RST一個高電平，當按鍵恢復的時候，RST恢復低電平，完成復位。圖3-10：人工復位 圖3-11：上電復位(2)晶振電路時鐘電路產(chǎn)生時鐘信號用于產(chǎn)生單片機正常工作時所需要。STC89C52單片機內置一個振蕩器，可以作為CPU的時鐘源。另外也可以外置一個外部振蕩器，其產(chǎn)生的時鐘信號供給內部CPU運行上使用。內部時鐘模式內部時鐘模式是以單片機的內部振蕩器產(chǎn)生信號來工作的模式。51系列單片機內置有一個高增益單級反相放大器，其引腳XTAL1為放大器的輸入端，XTAL2引腳為輸出端口。其工作頻率在03

53、3MHz。當單片機內置時鐘電路工作的時候， 在XTAL1引腳與XTAL2引腳這兩個引腳間連接一個晶體振蕩器或者陶瓷振蕩器，并分別并聯(lián)兩個電容后接地即可。如圖3-11所示。電容的選擇也有一定型號要求，具體如下：外接的是晶體振蕩器的時候，電容值一般選擇：C5=C6=30±10pF (3-5)外接的是陶瓷振蕩器的時候，電容值一般選擇：C5=C6=40±10pF (3-6)圖3-11內部時鐘模式電路圖在系統(tǒng)電路設計中，盡量縮短外接振蕩器和電容與單片機的XTAL1和XTAL2引腳之間距離，減少或避免寄生電容的影響。這樣振蕩器能夠穩(wěn)定地，可靠地提供時鐘信號。外部時鐘模式外部時鐘模式較內

54、部時鐘模式而言就是利用外部振蕩器產(chǎn)生時鐘信號，直接供給單片機使用。不同型號的單片機，其外部時鐘信號接入的方式也不同。對于8051系列單片機而言，外部時鐘信號通常由XTAL2引腳接入，信號直接送到單片機內部，而引腳XTAL1則應接地。不止如此，由于XTAL2引腳的邏輯電平非TTL信號，因此需要外接一個上拉電阻。而CMOS型的AT89S52單片機和普通的8051有所不同，其內部的時鐘信號來自于反相放大器輸入端。所以外部振蕩器應該接到單片機的XTAL1引腳上，XTAL2引腳懸空便可。根據(jù)實際應用及穩(wěn)定性的需求，選擇內部時鐘電路。根據(jù)參數(shù)需要，選擇頻率12.000MHz的晶體振蕩器，及2個電容值為30

55、pF的陶瓷電容便可11。3.2.3串口模塊串口接口用來與外部設備進行數(shù)據(jù)通信的設備。51系單片機可以實現(xiàn)多機數(shù)據(jù)通信或與主機通信，是因為其具有功能強大的全雙工串行口。串行通信就是數(shù)據(jù)每個二進制位依次進行傳輸，此種通信方式的優(yōu)點在于所需要的數(shù)據(jù)先少，節(jié)約成本及減少單片機引腳資源。其抗干擾能力強，適用于數(shù)據(jù)遠距離傳輸。其缺點是傳輸速率慢。(1)串行通信簡介串行通信就是將二進制數(shù)按順序逐個發(fā)送，接受則按照相應的順序逐個接收，使其恢復所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。串行通信又有兩種基本方式，分別是異步通信，同步通信。異步通信方式 異步通信是很常用的一種通信方式，所謂異步通信就是在發(fā)送字符時不需要各個字符間的時間間隔相等，但每個發(fā)送的字符需要加開始和結束的標志，但接收方必須時刻保持可接收的狀態(tài)，否則物意義。異步通信的優(yōu)點在于設備簡單、應用范圍廣、經(jīng)濟實惠。而傳輸效率底是其缺點。同步通信方式同步通信就是將需要傳輸?shù)淖址M成一個數(shù)據(jù)組，字符則一個挨著一個傳輸。在數(shù)據(jù)組的開頭則需要附加同步字符，結尾則需附加差錯校驗字符。接收方在檢測到同步字符后，逐個接收數(shù)據(jù)，直到檢測到差錯校驗字符，如果無傳輸錯誤，則完成數(shù)