基于單片機(jī)的便攜式土壤溫濕度測量儀的設(shè)計(jì)說明

1、便攜式土壤溫濕度測量儀的設(shè)計(jì)學(xué)生：XX，指導(dǎo)教師：XXX(農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院 230036) 摘要：在影響環(huán)境的眾多因素中溫濕度是至關(guān)重要的，本文設(shè)計(jì)了一種基于STC89C51單片機(jī)的溫濕度測量儀，通過終端傳感器檢測環(huán)境中的溫度和濕度的變化，并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和傳輸。終端傳感器采用精確度較高的TDR-5土壤溫濕度傳感器，該傳感器適用于節(jié)水農(nóng)業(yè)灌溉、溫室大棚、花卉蔬菜、草地牧場、土壤速測、植物培養(yǎng)、科學(xué)試驗(yàn)等領(lǐng)域。本文給出了系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件程序的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了土壤溫濕度的實(shí)時自動檢測的功能。實(shí)踐證明該溫濕度測量儀具有測量精度高、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)，具有一定的實(shí)用價值。關(guān)鍵詞：TD

2、R-5土壤溫濕度傳感器，A/D轉(zhuǎn)換器，STC89C51，LCD顯示1 引言隨著人們生活水平的提高，人們對食品的綠色健康更加關(guān)注，如何培育出優(yōu)良品種的植株，一直是人們不斷研究的課題。因而基于單片機(jī)的溫濕度測量系統(tǒng)對解決這些問題有著非常重大的意義。以前種植植被一般都用溫室栽培，為了充分的利用好溫室栽培這一高效技術(shù)，就必需有一套科學(xué)的，先進(jìn)的管理方法，用以對不同種類植被生長的各個時期所需的溫度與濕度等進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)控。溫濕度測量儀是一種24小時不間斷監(jiān)控并記錄溫度和濕度的儀器，被廣泛的應(yīng)用于農(nóng)業(yè)研究、食品、醫(yī)藥、化工、氣象、環(huán)保、電子、實(shí)驗(yàn)室等眾多領(lǐng)域。目前，隨著工業(yè)控制自動化進(jìn)程的加快，它的使用越來

3、越普遍，并且在不斷的延伸。在日常的生產(chǎn)生活中，經(jīng)常需要檢測環(huán)境中的溫濕度，而運(yùn)用到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域則要求更為嚴(yán)格。隨著科技的發(fā)展，環(huán)境監(jiān)測在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，例如要確定某些幼苗的生長特性與溫度、濕度有什么樣的關(guān)系等。這些都需要利用溫濕度的實(shí)時記錄才能實(shí)現(xiàn)。繼而溫濕度測量儀被廣泛應(yīng)用于糧倉、種植園、溫室大棚、自動控制等眾多領(lǐng)域?？梢詫Νh(huán)境的溫度和濕度進(jìn)行檢測和控制,以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、溫濕度調(diào)節(jié)以與超限報(bào)警等各項(xiàng)功能，為此設(shè)計(jì)了一種基于STC89C51單片機(jī)的溫濕度測量儀。2 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求與設(shè)計(jì)思路2.1 本系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能1.能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確的顯示采樣溫度值與濕度值。2.對采集到的溫濕度值

4、進(jìn)行存儲，便于準(zhǔn)確的判斷標(biāo)準(zhǔn)值與當(dāng)前值之間的差異，并采取后續(xù)措施。2.2 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路在單片機(jī)構(gòu)成的測控系統(tǒng)中，測量或控制的參數(shù)有時是一些連續(xù)變化的非電量模擬信號，如溫度、濕度、壓力等。這類信號必須通過傳感器轉(zhuǎn)換成為電信號后，再由A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量信號送入單片機(jī)進(jìn)行處理，最后通過LCD完成溫濕度值的顯示。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一種基于STC89C51單片機(jī)的便攜式溫濕度測量儀，溫度的測量圍為-3070，濕度測量圍為0100%。模擬溫濕度傳感器TDR-5首先將溫濕度信號轉(zhuǎn)換成電壓信號后，經(jīng)過12V轉(zhuǎn)5V的電路對該電信號進(jìn)行處理，再送入ADC0804進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化，單片機(jī)對送入的數(shù)字量信號進(jìn)行處

5、理后，通過LCD顯示測量的溫濕度值。2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則要求單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)具有可靠性高、操作維護(hù)方便、性價比高等特點(diǎn)。高可靠性是單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用的前提，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的每一個環(huán)節(jié)，都應(yīng)該將可靠性作為首要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。提高系統(tǒng)的可靠性通常從以下幾個方面考慮：使用可靠性高的元器件；設(shè)計(jì)電路板時布線和接地要合理；對供電電源采用抗干擾措施；輸入輸出通道抗干擾措施；進(jìn)行軟硬件濾波；系統(tǒng)自診判斷功能等。在系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)時，應(yīng)從操作者的角度考慮操作和維護(hù)方便，要盡可能減少人機(jī)交換接口，多采用操作置或簡化的方法。單片機(jī)除體積小、功耗低等特點(diǎn)外，最大的優(yōu)勢在于高性能價格比。一個單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)能否被廣泛使用，性價比是其

6、中一個關(guān)鍵因素。因此，再設(shè)計(jì)時，除了保持高性能外，盡可能降低成本，如簡化外圍硬件電路，在系統(tǒng)性能和速度允許的情況下盡可能使用軟件功能取代硬件功能等。3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1 系統(tǒng)框圖系統(tǒng)主要由單片機(jī)模塊、溫濕度檢測模塊、顯示模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊和電源模塊組成，其整體框圖如圖1所示。圖3-1 系統(tǒng)框圖3.2系統(tǒng)主要硬件部分設(shè)計(jì)3.2.1 STC89C51單片機(jī)STC89C51 RC/RD+系列單片機(jī)是STC推出的新一代高速低功耗超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)1，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，它是一個40引腳的集成電路芯片，采用DIP（雙列直插）形式封裝。51系列單片機(jī)：集成 8位CPU、4K字節(jié)

7、ROM、128字節(jié)RAM、4個8位并口、1個全雙工串行口、2個16位定時/計(jì)數(shù)器。尋址圍64K，并有控制功能較強(qiáng)的布爾處理器。1. 主電源引腳Vcc（40腳）：接5V電源正端.Vss（20腳）：接-5V電源地端.2. 外接晶體或外部振蕩器引腳XTAL1（19腳）：接外部晶振的一個引腳。在單片機(jī)部，它是一個反相放大器的輸入端，這個放大器構(gòu)成了片振蕩器。當(dāng)采用外部振蕩器時，此引腳要接地。XTAL2（18腳）：接外部晶振的另一個引腳。在片接至反相放大器的輸出端和部時鐘電路的輸入端。當(dāng)采用外部振蕩器時，此腳應(yīng)接外部振蕩器的輸出端。圖3-2 STC89C51外形示意圖3. 控制信號線RST/VPD（9腳

8、）：復(fù)位信號輸入端，復(fù)位/掉電時部RAM的備用電源輸入端VPP（31腳）：訪問外部存儲器允許/編程電壓輸入。EA為高電平時，訪問部存儲器；低電平時，訪問外部存儲器。對片EPROM編程時，此腳接21V編程電壓。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。

9、如果禁止ALE的輸出可在SFR8EH上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令時ALE才其作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機(jī)器周期兩次PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的PSEN信號將不出現(xiàn)。EAVPP：當(dāng)EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有部程序存儲器。注意加密方式1時，EA將部鎖定為RESET；當(dāng)EA端保持高電平時，此期間部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1

10、：反向振蕩放大器的輸入與部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。4. 多功能I/O口引腳STC89C52單片機(jī)設(shè)有4個雙向I/O口（P0、P1、P2、P3），每一組I/O口線都可以獨(dú)立地用作輸入或輸出口。P3口同時為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號。表3-1 P3口第二功能各引腳功能定義管腳功能P3.0RXD串行輸入口P3.1TXD串行輸出口P3.2/INT0外部中斷0P3.3/INT1外部中斷1P3.4T0計(jì)時器0外部輸入P3.5T1計(jì)時器1外部輸入P3.6/WR外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通P3.7/RD外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通由圖3-4可知，單片機(jī)集成了中央處理器（CPU）、存儲器系

11、統(tǒng)（RAM和ROM）、定時/計(jì)數(shù)器、并行接口、串行接口、中斷系統(tǒng)與一些特殊功能寄存器（SFR）2。他們通過部總線緊密地聯(lián)系在一起。它的總體結(jié)構(gòu)仍是通用CPU加上外圍芯片的總線結(jié)構(gòu)。只是在功能部件的控制上與一般微機(jī)的通用寄存器加接口寄存器控制不同，CPU與外設(shè)的控制不再分開，采用了特殊功能寄存器集中控制，使用更方便。部還集成了時鐘電路，只需要外接石英晶體就可形成時鐘。圖3-3 單片機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖CPU：由運(yùn)算和控制邏輯組成，同時還包括中斷系統(tǒng)和部分外部特殊功能寄存器。RAM：用以存放可以讀寫的數(shù)據(jù)，如運(yùn)算的中間結(jié)果、最終結(jié)果以與欲顯示的數(shù)據(jù)。ROM：用以存放程序、一些原始數(shù)據(jù)和表格。I/O口：四個

12、8位并行I/O口，既可用作輸入，也可用作輸出。T/C：兩個定時/記數(shù)器，既可以工作在定時模式，也可以工作在記數(shù)模式。3.2.2 主控電路一個單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的核心，其實(shí)就是一個單片機(jī)的最小系統(tǒng)，或者稱為最小應(yīng)用系統(tǒng)，是指用最小的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)。由圖2-4可知最小系統(tǒng)應(yīng)由時鐘電路和復(fù)位電路構(gòu)成。如圖3-5所示，STC89C51單片機(jī)芯片部集成了振蕩電路，它是利用一個高增益反相放大器構(gòu)成的振蕩電路，引腳XTAL1和XTAL2分別是放大器的輸入端和輸出端。外接晶體諧振器以與電容C1和C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中，片的放大器與作為反饋元件的片外晶體諧振器一起構(gòu)成一個自激

13、振蕩器。這個振蕩器為單片機(jī)提供時序脈沖。而采用12MHZ的晶振，主要是為了方便定時操作3。圖3-4 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路單片機(jī)的復(fù)位是指使單片機(jī)進(jìn)入初始化工作狀態(tài)。當(dāng)單片機(jī)的復(fù)位引腳RESET出現(xiàn)2個機(jī)器周期以上的高電平時，單片機(jī)就執(zhí)行復(fù)位操作。如果RESET持續(xù)為高電平，單片機(jī)將處于循環(huán)復(fù)位的狀態(tài)。但是單片機(jī)本身不能自動復(fù)位，必須配合相應(yīng)的外部電路才能實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。復(fù)位操作通常有兩種基本形式：上電復(fù)位和開關(guān)復(fù)位。上電復(fù)位要求接通電源后，自動實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。開關(guān)復(fù)位則是在單片機(jī)已運(yùn)行時，按下復(fù)位鍵后松開，也能使RESET保持一段時間的高電平，從而實(shí)現(xiàn)開關(guān)復(fù)位的操作。3.2.3 串行口通信電平轉(zhuǎn)換電

14、路MCS-51單片機(jī)有一個可編程的串行接口，它是一個全雙工的通信端口，可以同時接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。串行通信接口的優(yōu)點(diǎn)在于使用較少的傳輸線即可完成數(shù)據(jù)的傳輸。MCS-51的通信端口有一個接收緩沖式的串行接口，在特殊功能寄存器中有一個串行數(shù)據(jù)緩沖器寄存器，專門供存放發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)。RS-232C是EIA（美國電子工業(yè)協(xié)會）1969年修訂RS-232C標(biāo)準(zhǔn)4。RS-232C定義了數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）與數(shù)據(jù)通信設(shè)備（DCE）之間的物理接口標(biāo)準(zhǔn)。RS-232C采取不平衡傳輸方式，即單端通信。RS-232C標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其高電平為+3 +15V，低電平為-3V-15V，噪聲容限為2V。另外，該串口標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)線傳送

15、采用負(fù)邏輯，即低電平表示1、高電平表示0；其他控制線采用正邏輯。因此，當(dāng)單片機(jī)進(jìn)行RS-232C通信時就需要通過電平轉(zhuǎn)換電路，將RS-232C總線中的數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為TTL電平后才能接收，否則就會將TTL電路燒毀。另外，RS-232C的最大通信距離為15m,最高傳輸速率為20kbit/s，只能進(jìn)行一對一的通信。1、機(jī)械特性RS-232C接口規(guī)定使用25針連接器，市場上常見的有25針串口和9針串口兩種接口形式，連接器的尺寸與每個插針的排列位置都有明確的定義。圖3-5 RS-232C接口2、 功能特性表3-2 RS-232C標(biāo)準(zhǔn)接口主要引腳定義插針序號信號名稱功能信號方向1PGND保護(hù)接地2TXD發(fā)

16、送數(shù)據(jù)（串行輸出）DTEDCE3RXD接收數(shù)據(jù)（串行輸入）DTEDCE4RTS請求發(fā)送DTEDCE5CTS允許發(fā)送DTEDCE6DSRDCE就緒（數(shù)據(jù)建立就緒）DTEDCE7SGND信號接地8DCD載波檢測DTEDCE20DTRDTE就緒（數(shù)據(jù)終端準(zhǔn)備就緒）DTEDCE22RI振鈴指示DTEDCE數(shù)字電路中只有兩種電平：高和低。單片機(jī)為TTL電平：高電平 +5V，低電平 0V。計(jì)算機(jī)的串口為RS232電平：高電平 +12V，低電平-12V。所以計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間通訊時需要加電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232。MAX232是專用于串口電平轉(zhuǎn)換的集成電路，它不僅可以轉(zhuǎn)換PC與單片機(jī)之間不同的電平，還可以降低

17、232通信的誤碼率，提高通信性能。MAX232系列芯片由電壓倍增器、電壓反相器、RS-232發(fā)送器和RS-232接收器等四部分組成，電壓倍增器利用電荷充電泵原理通過外接電容升壓至+10V。電壓反相器又通過外接電容將+10V電壓轉(zhuǎn)換為-10V電壓存儲到電容上。這樣，通過單5V供電就可以滿足所需要的轉(zhuǎn)換電平。MAX232性能特點(diǎn)如下：1. 單+5V電源供電；2. 兩個驅(qū)動器和兩個接收器；3. 低電源電流：典型值為8mA;4. 工作溫度在070。圖3-6 MAX232電平轉(zhuǎn)換電路3.2.4 電源電路USB稱為通用串行總線。它是連接外部設(shè)備的一個串口總線標(biāo)準(zhǔn)。USB最大的特點(diǎn)是支持熱拔插和即插即用。U

18、SB為+5V供電，而本系統(tǒng)采用的模擬溫濕度傳感器需要+12V供電，因此需要接一個12V轉(zhuǎn)5V的電路。圖3-7 USB供電電路USB為+5V供電，而本系統(tǒng)采用的模擬溫濕度傳感器需要+12V供電，因此需要接一個12V轉(zhuǎn)5V的電路。12V轉(zhuǎn)5V電路采用的芯片是三端穩(wěn)壓集成電路L7805CV。三端是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子像是普通的三極管，TO- 220 的標(biāo)準(zhǔn)封裝。用三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路部還有過流、過熱與調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器（當(dāng)然

19、小功率的條件下不用）。當(dāng)穩(wěn)壓管溫度過高時，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。圖3-8 12V轉(zhuǎn)5V電路3.2.5 LCD顯示電路液晶顯示器簡稱LCD顯示器，它是利用液晶經(jīng)過處理后能改變光線的傳輸方向的特性來顯示信息的。要使用點(diǎn)陣型LCD顯示器，必須有相應(yīng)的LCD控制器、驅(qū)動器來對LCD顯示器進(jìn)行掃描、驅(qū)動，以與一定空間的ROM和RAM來存儲寫入的命令和顯示字符的點(diǎn)陣。現(xiàn)在往往將LCD控制器、驅(qū)動器、RAM、ROM和LCD顯示器連接在一起，稱為液晶顯示模塊。液晶顯示模塊是一種常見的人機(jī)界面，在單片機(jī)系統(tǒng)中的應(yīng)用極其廣泛。液晶顯示模塊既可以顯示字符，又可以顯示簡單的圖形。本系統(tǒng)采用的是1602的LCD接口

20、。1602是一種點(diǎn)陣字符型液晶顯示模塊，可以顯示兩行共32個字符。根據(jù)LCD型號的不同，所需要的背光電阻大小會不同，可自行調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)采用的LCD為RT-1602C，其主要引腳的功能如下：RS：數(shù)據(jù)/命令選擇端，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器，低電平時選擇指令寄存器。RW：讀/寫選擇端，高電平時進(jìn)行讀操作，低電平時進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和RW共同為低電平時，可以寫入指令或者顯示地址；當(dāng)RS為低電平、RW為高電平時，可以讀忙信號；當(dāng)RS為高電平、RW為低電平時，可以寫入數(shù)據(jù)。E：使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。圖3-9 LCD顯示電路LCD顯示部分程序：void write_comm

21、and(uchar )/lcd寫命令 lcdrs=0; lcdwr=0; P0=; delay(5); lcden=1; delay(5); lcden=0;void write_data(uchar date)/lcd寫數(shù)據(jù) lcdrs=1; lcdwr=0; P0=date; delay(5); lcden=1; delay(5); lcden=0;void init_lcd()/lcd初始化lcden=0;write_command(0x38);/設(shè)置16x2顯示write_command(0x0e);/設(shè)置光標(biāo)write_command(0x06);/寫字符指針加1,光標(biāo)加1write

22、_command(0x01);/清屏3.2.6 A/D轉(zhuǎn)換電路模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換就是我們通常所說的A/D轉(zhuǎn)換，它將輸入的模擬信號(如電壓)轉(zhuǎn)換成控制芯片(如單片機(jī)，ARM)所能識別的二進(jìn)制形式，然后經(jīng)過運(yùn)算，既可以還原出輸入模擬信號的值。A/D轉(zhuǎn)換是一種非常重要的技術(shù)手段，是單片機(jī)等控制芯片與外界信號的接口部分，下圖給出了一種常用的嵌入式設(shè)計(jì)模式。圖3-10 一種常用的基于A/D芯片的嵌入式設(shè)計(jì)模式本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了在沒接入傳感器之前的A/D轉(zhuǎn)換的測試程序。首先通過調(diào)節(jié)滑動變阻器改變輸入到ADC0804芯片的電壓值（ADC0804芯片的參考電壓調(diào)節(jié)成0V5V,而滑動變阻器產(chǎn)生的電壓圍也為0V5V，因此沒

23、有必要設(shè)計(jì)額外的模擬電路），然后通過單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理得到這個輸入電壓值，最后再通過LCD將這個電壓值顯示出來。圖3-11 A/D轉(zhuǎn)換的測試模式本系統(tǒng)采用的A/D芯片為ADC0804，它是CMOS 8位單通道逐次漸近型的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器。圖3-12 ADC0804規(guī)格與引腳分配圖其主要引腳的功能如下：CS：芯片片選信號，低電平有效，即CS=0該芯片才能正常工作，在外接多個ADC0804芯片時，該信號可以作為選擇地址使用，通過不同的地址信號使能不同的ADC0804芯片，從而可以實(shí)現(xiàn)多個ADC通道的分時復(fù)用。WR：啟動ADC0804進(jìn)行ADC采樣，該信號低電平有效，即WR信號由高電平變成低電平時，觸發(fā)

24、一次ADC轉(zhuǎn)換。RD：低電平有效，即RD=0時，可以通過數(shù)據(jù)端口DB0DB7讀出本次的采樣結(jié)果。圖3-13 A/D轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換部分程序void delay(uint z) /定義延時函數(shù) uint x,y; for(x=z;x>0;x-) for(y=110;y>0;y-); void init_ad() /AD初始化csad=0;void start_ad()/AD啟動wrad=1;wrad=0;wrad=1;void main()while(1) start_ad(); /啟動一次ADC0804采樣 delay(10); /延時10ms，等待采樣結(jié)束 AdcRead();

25、 /完成一次采樣后，從ADC0804的DB引腳讀取采樣值 Display(); /將采樣結(jié)果在LCD上顯示出來3.2.7 傳感器模塊現(xiàn)代傳感器在原理與結(jié)構(gòu)上千差萬別，如何根據(jù)具體的測量目的、測量對象以與測量環(huán)境合理地選用傳感器，是在進(jìn)行某個量的測量時首先要解決的問題。當(dāng)傳感器確定之后，與之相配套的測量方法和測量設(shè)備也就可以確定了。測量結(jié)果的成敗，在很大程度上取決于傳感器的選用是否合理。在傳感器的選擇上，首先要根據(jù)測量對象與測量環(huán)境確定傳感器的類型。需要根據(jù)被測量對象的特點(diǎn)和傳感器的使用條件考慮以下一些具體問題：量程的大??；被測位置對傳感器體積的要求；測量方式為接觸式還是非接觸式；信號的引出方法

26、，有線或是非接觸測量，在考慮上述問題之后就能確定選用何種類型的傳感器，然后再考慮傳感器的具體性能指標(biāo)。TDR-5土壤溫濕度傳感器是將土壤水分和土壤溫度傳感器集中于一體，方便土壤墑情，土壤溫度的測量研究，具有攜帶方便，密封，高精度等優(yōu)點(diǎn)，是土壤墑情，土壤溫度測量的理想選擇。TDR-5土壤溫濕度傳感器可連接各種載有差分輸入的數(shù)據(jù)采集器，數(shù)據(jù)采集卡，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集模塊等設(shè)備。圖3-14 TDR-5傳感器的接線圖圖3-15 接線說明TDR-5土壤水分部分是基于頻域反射原理，利用高頻電子技術(shù)制造的高精度、高靈敏度的測量土壤水分的傳感器。通過測量土壤的介電常數(shù)，能直接穩(wěn)定地反映各種土壤的真實(shí)水分含量。測量時

27、，傳感器產(chǎn)生的高頻電磁波沿傳輸線進(jìn)行傳播，在末端經(jīng)過周圍有土壤介質(zhì)的反射并在傳輸線上形成駐波，駐波的電壓隨著探針和周圍土壤介質(zhì)阻抗的變化而變化，通過測量傳輸線兩端的電壓差即可測出土壤的介電常數(shù)，從而測出土壤的含水量，可測量土壤水分的體積百分比，是目前國際上最流行的土壤水分測量方法。圖3-16 土壤容積含水量轉(zhuǎn)換圖TDR-5土壤溫度部分是由德國Heraeus公司進(jìn)口A級ST-1-PT1000精密鉑電阻和高精度變送器兩部分組成。變送器部分由電源模塊、溫度傳感模塊、變送模塊、溫度補(bǔ)償模塊與數(shù)據(jù)處理模塊等組成，徹底解決鉑電阻因自身特點(diǎn)導(dǎo)入的測量誤差，變送器有零漂電路和溫度補(bǔ)償電路，對使用環(huán)境有較高的適

28、用性。土壤溫度變送器應(yīng)用廣泛，可測量多種粉末狀多孔介質(zhì)，液體的溫度，精度高，不銹鋼探針穩(wěn)定性好，耐腐蝕，并且可做成多種外形，是測量溫度的理想選擇。土壤溫度轉(zhuǎn)換公式：T 61.5V55.87 T：土壤溫度；V：采集器采集到的電壓值圖3-17 土壤溫度轉(zhuǎn)換圖TDR-5土壤溫濕度傳感器的優(yōu)點(diǎn)：1、本傳感器體積小巧化設(shè)計(jì)，測量精度高，響應(yīng)速度快，互換性好。2、密封性好，可直接埋入土壤中使用，且不受腐蝕。3、實(shí)時溫濕度監(jiān)測功能，可測量不同深度土壤的溫溫度。4、土質(zhì)影響較小，應(yīng)用地區(qū)廣泛。5、測量精度高，性能可靠，確保正常工作，響應(yīng)速度快，數(shù)據(jù)傳輸效率高。4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)便攜式溫濕度測量儀的程序主

29、要包括轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)讀取程序、將讀取的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成溫濕度值程序、顯示溫度值程序等。4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程圖圖4-1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主程序圖4-2 ADC0804完成單次采樣的軟件控制流程圖4.2 單片機(jī)C51語言編程C51是在通用C語言的基礎(chǔ)上開發(fā)出的專門用于51系列單片機(jī)編程的C語言。由于C51語言相對單片機(jī)匯編語言具有可讀性強(qiáng), 可移植性強(qiáng), 易學(xué)易用, 便于修改維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),因此本設(shè)計(jì)采用C51 進(jìn)行軟件編程。Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。重要的是Keil C51生成的目標(biāo)代碼效率非常高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。Keil

30、C51完全支持C的標(biāo)準(zhǔn)指令和很多用來優(yōu)化8051指令結(jié)構(gòu)的C語言擴(kuò)展指令5。此外，Keil C51不但具有ANSIC的所有標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)類型，為了更加有效地利用8051的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，又加入了一些特殊的數(shù)據(jù)類型。5 設(shè)計(jì)的調(diào)試與分析5.1 硬件電路的調(diào)試此部分的任務(wù)是在系統(tǒng)連接好后,調(diào)試各個組件能否正常工作,能否實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。其步驟如下：1、按照系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將系統(tǒng)需要的各個組件連接好。2、根據(jù)芯片說明書，了解各個組件的工作原理，開始著手調(diào)試各功能模塊。3、把各個功能模塊編寫成單獨(dú)的源文件進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試成功以后，再將各部分聯(lián)合在一起。4、調(diào)試了各模塊之后，接下來的工作就是將各源程序段連接起來，進(jìn)行

31、綜合調(diào)試了，綜合調(diào)試需要我們特別注意細(xì)節(jié)部分，這樣才能盡可能的減少錯誤的產(chǎn)生。圖5-1 電路板各模塊整體圖圖5-2 A/D轉(zhuǎn)換功能調(diào)試圖5.2 設(shè)計(jì)過程中遇到的問題1、A/D轉(zhuǎn)換模塊是一個比較重要的模塊，在調(diào)試的階段遇到的問題較多，由于它是程序運(yùn)行的瓶頸，如果這一部分通不過的話，那么程序就無法執(zhí)行下去，本系統(tǒng)采用的是延時的方法。2、LCD顯示模塊，根據(jù)LCD型號的不同，所需要的背光電阻大小會不同，可自行調(diào)節(jié)。若電阻選擇過大，則背光燈不能點(diǎn)亮。3、電源電路12V轉(zhuǎn)5V中電容的選取不僅要考慮電容的大小，也要考慮所選電容電壓的大小，電壓小于12V會導(dǎo)致L7805CV芯片過燙，甚么使電容爆炸。4、電路

32、板焊接時一定要仔細(xì)，以免造成虛焊。整體布局和布線要事先規(guī)劃好，使得各模塊能正常工作，不受干擾。6 結(jié)束語6.1 本文工作總結(jié)從論文選題、搜集資料到論文定題，從硬件設(shè)計(jì)、論文初稿到反復(fù)修改，期間經(jīng)歷了緊、憂慮和收獲的喜悅。如今，伴隨著這篇畢業(yè)論文的最終成稿，復(fù)雜的心情煙消云散，自己甚至還有一點(diǎn)成就感。雖然這個設(shè)計(jì)做的比較簡單，很多東西都考慮的不是周到，例如，在選擇AD芯片的時候選擇了單通道的ADC0804，因此不能同時轉(zhuǎn)化溫度和濕度值。電源部分也沒有采用電池供電，而是使用了可調(diào)電源，因此也沒有達(dá)到便攜的目的。但是我用了很多精力來完成這篇論文，鑒于個人水平和時間的關(guān)系所以并沒有把自己當(dāng)初設(shè)想的所有

33、情況都考慮進(jìn)去，在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的兩個月里我學(xué)到了很多東西，從最初連單片機(jī)的最小系統(tǒng)都不了解到現(xiàn)在能夠獨(dú)立完成這個設(shè)計(jì)，我也付出了很多努力。同時也讓我認(rèn)識到自己學(xué)的知識太少，學(xué)無止境，所以要更加努力才行。6.2 后期展望在答辯過后我將繼續(xù)完善這個設(shè)計(jì)，因?yàn)閺囊婚_始做的時候便是考慮到實(shí)用性，希望這個便攜式溫濕度測量儀能夠運(yùn)用到實(shí)際的測量和學(xué)習(xí)中，我將從以下幾個方面來改進(jìn)和完善。1、A/D轉(zhuǎn)換芯片將改為8通道8位逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809。ADC0809由一下兩部分組成：其一為8通道多路模擬開關(guān)、地址鎖存和譯碼電路；另一為逐步逼近A/D轉(zhuǎn)換器，它包括比較器、三態(tài)輸出緩沖器、控制邏輯、逐步逼近

34、寄存器、樹狀開關(guān)和256R電阻網(wǎng)。ADC0809的8路輸入信號經(jīng)過一個8路模擬開關(guān)選擇后送到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入比較器，8路信號的選擇是通過地址鎖存與譯碼器來實(shí)現(xiàn)的，也就是說8路輸入信號分時共用一個A/D轉(zhuǎn)換器。部的A/D轉(zhuǎn)換器是一個逐次逼近型的A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓是由外部供給的；它的數(shù)據(jù)輸出帶有三態(tài)輸出鎖存器，轉(zhuǎn)換結(jié)束時，可由CPU打開三態(tài)門，讀出8位的轉(zhuǎn)換結(jié)果。部的三態(tài)緩沖器由OE控制，當(dāng)設(shè)置OE為低電平時，三態(tài)緩沖器處于阻斷狀態(tài)，部數(shù)據(jù)對外部的數(shù)據(jù)總線沒有影響。2、電源供電部分采用充電電池供電，使得整個設(shè)備輕便易攜帶。3、增加存儲器的部分，用于存儲采集到的溫濕度信息。數(shù)據(jù)存儲區(qū)擴(kuò)

35、展模塊的設(shè)計(jì)，主要是實(shí)現(xiàn)RAM擴(kuò)展，C51單片機(jī)總共支持64KB的片外數(shù)據(jù)存儲區(qū)。數(shù)據(jù)存儲區(qū)擴(kuò)展程序主要完成RAM數(shù)據(jù)復(fù)制。在MCS-51單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，RAM擴(kuò)展對于數(shù)據(jù)存儲量需求較大的應(yīng)用系統(tǒng)是不可缺少的，數(shù)據(jù)存儲器的容量隨應(yīng)用系統(tǒng)的要求可隨意設(shè)置。選擇6264靜態(tài)隨機(jī)存儲器芯片來實(shí)現(xiàn)這個模塊。4、增加其他傳感器的接口部分，通過查找資料了解到市面上大多數(shù)傳感器采用12V供電、5V供電、3.3V供電，本溫濕度測量儀現(xiàn)有的功能可以接收12V供電的傳感器、5V供電的傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。因此需要設(shè)計(jì)5V轉(zhuǎn)3.3V的電路來為其他的傳感器供電，可以采用電阻分壓的方法來實(shí)現(xiàn)。5、完成PCB板的設(shè)計(jì)，PC

36、B的設(shè)計(jì)流程可分為網(wǎng)表輸入、規(guī)則設(shè)置、元器件布局、布線、檢查、復(fù)查、輸出等步驟。在PCB圖的設(shè)計(jì)過程中要考慮到元器件的布局、電子電路性能、生產(chǎn)裝配技術(shù)等。6、對此次學(xué)習(xí)和應(yīng)用單片機(jī)進(jìn)行一個總結(jié)，在學(xué)校學(xué)習(xí)的單片機(jī)知識偏重于理論而不是應(yīng)用，通過做畢業(yè)設(shè)計(jì)的這個機(jī)會，我把理論聯(lián)系到了實(shí)際。通過學(xué)習(xí)一個完整的單片機(jī)設(shè)計(jì)過程所需要的知識，可使我以獨(dú)立設(shè)計(jì)和完成一個簡單的單片機(jī)控制系統(tǒng)，體驗(yàn)了從原理圖的設(shè)計(jì)、電路板的制作和單片機(jī)系統(tǒng)的調(diào)試的整個過程。參考文獻(xiàn)1 坤. 51單片機(jī)典型應(yīng)用開發(fā)例大全M. ：中國鐵道,2011:94-96.2 湯競南，國琴. 51單片機(jī)C語言開發(fā)與實(shí)例M. ：人民郵電，2008:8-20.3 邊春元，文濤，江杰等. C51單片機(jī)典型模塊設(shè)計(jì)與應(yīng)用M. ：機(jī)械工業(yè)，2008:17-19.4 Meehan Joanne,Muir Lindsey.SCM in Merseyside SMEs:Benefits and barriersJ. TQM Journal. 2008:96-128.5 V. Yu. Teplov,A. V. Anisimov. Thermostatting System Using