用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的智能溫度傳感器設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、 用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的智能溫度傳感器的設(shè)計(jì)摘要：本文介紹了基于數(shù)字溫度傳感器DS18B20的測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，闡述了其與AT89C2051單片機(jī)和PC機(jī)相結(jié)合組成傳感器測(cè)溫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)由DS18B20與單片機(jī)AT89C2051的接口電路，串口通信電路組成，通過(guò)軟件編程發(fā)送到上位機(jī)（PC機(jī)），并在PC機(jī)上用LABVIEW界面遠(yuǎn)程顯示測(cè)的溫度值。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，穩(wěn)定可靠，適合于惡劣環(huán)境下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，可應(yīng)用于倉(cāng)庫(kù)測(cè)溫、溫室大棚和生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控等領(lǐng)域。關(guān)鍵字：DS18B20 Labview測(cè)溫系統(tǒng) AT89C521智能傳感器的定義和實(shí)現(xiàn)途徑1.1智能傳感器的

2、定義智能傳感器（Intelligent sensor 或 Smart sensor）最初是由美國(guó)宇航局1978 年在開(kāi)發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品。宇宙飛船上需要大量的傳感器不斷向地面發(fā)送溫度、位置、速度和姿態(tài)等數(shù)據(jù)信息，用一臺(tái)大型計(jì)算機(jī)很難同時(shí)處理如此龐雜的數(shù)據(jù)，要不丟失數(shù)據(jù)，并降低成本，必須有能實(shí)現(xiàn)傳感器與計(jì)算機(jī)一體化的靈巧傳感器。智能傳感器是指具有信息檢測(cè)、信息處理、信息記憶、邏輯思維和判斷功能的傳感器。它不僅具有傳統(tǒng)傳感器的各種功能,而且還具有數(shù)據(jù)處理、故障診斷、非線性處理、自校正、自調(diào)整以與人機(jī)通訊等多種功能。它是微電子技術(shù)、微型電子計(jì)算機(jī)技術(shù)與檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。早期的智能傳感器是將傳感器的輸出

3、信號(hào)經(jīng)處理和轉(zhuǎn)化后由接口送到微處理機(jī)部分進(jìn)行運(yùn)算處理。80年代智能傳感器主要以微處理器為核心,把傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)電路、微電子計(jì)算機(jī)存貯器與接口電路集成到一塊芯片上,使傳感器具有一定的人工智能。90年代智能化測(cè)量技術(shù)有了進(jìn)一步的提高,使傳感器實(shí)現(xiàn)了微型化、結(jié)構(gòu)一體化、陣列式、數(shù)字式,使用方便和操作簡(jiǎn)單、具有自診斷功能、記憶與信息處理功能、數(shù)據(jù)存貯功能、多參量測(cè)量功能、聯(lián)網(wǎng)通信功能、邏輯思維以與判斷功能。智能化傳感器是傳感器技術(shù)未來(lái)發(fā)展的主要方向。在今后的發(fā)展中,智能化傳感器無(wú)疑將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)展到化學(xué)、電磁、光學(xué)和核物理等研究領(lǐng)域。1.2智能傳感器的實(shí)現(xiàn)途徑智能傳感器的“智能”主要體現(xiàn)在強(qiáng)大的信息處理

4、功能上。在技術(shù)上有以下一些途徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。在先進(jìn)的傳感器中至少綜合了其中兩種趨勢(shì)，往往同時(shí)體現(xiàn)了幾種趨勢(shì)。 采用新的檢測(cè)原理和結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)信息處理的智能化。采用新的檢測(cè)原理，通過(guò)微機(jī)械精細(xì)加工工藝設(shè)計(jì)新型結(jié)構(gòu)，使之能真實(shí)地反映被測(cè)對(duì)象的完整信息，這也是傳感器智能化的重要技術(shù)途徑之一。例如多振動(dòng)智能傳感器，就是利用這種方式實(shí)現(xiàn)傳感器智能化的。工程中的振動(dòng)通常是多種振動(dòng)模式的綜合效應(yīng)，常用頻譜分析方法分析解析振動(dòng)。由于傳感器在不同頻率下靈敏度不同，勢(shì)必造成分析上的失真。采用微機(jī)械加工技術(shù)，可在硅片上制作出極其精細(xì)的溝、槽、孔、膜、懸臂梁、共振腔等，構(gòu)成性能優(yōu)異的微型多振動(dòng)傳感器。目前，已能在2mm

5、5;4mm的硅片上制成50條振動(dòng)板、諧振頻率為414kHz的多振動(dòng)智能傳感器。應(yīng)用人工智能材料實(shí)現(xiàn)信息處理的智能化 利用人工智能材料的自適應(yīng)、自診斷、自修復(fù)、自完善、自調(diào)節(jié)和自學(xué)習(xí)特性，制造智能傳感器。人工智能材料具有感知環(huán)境條件變化（普通傳感器的功能），自我判斷（處理器功能）與發(fā)出指令和自我采取行動(dòng)（執(zhí)行器功能）。因此，利用人工智能材料就能實(shí)現(xiàn)智能傳感器所要求的對(duì)環(huán)境檢測(cè)和反饋信息調(diào)節(jié)與轉(zhuǎn)換的功能。人工智能材料種類(lèi)繁多，例如半導(dǎo)體瓷、記憶合金、氧化物薄膜等。按電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵分為金屬、瓷、聚合物和復(fù)合材料等幾大類(lèi)；按功能特性又分為半導(dǎo)體、壓電體、鐵彈體、鐵磁體、鐵電體、導(dǎo)電體、光導(dǎo)體、電光體

6、和電致流變體等集中按形狀分為塊材、薄膜和芯片智能材料。集成化 集成智能傳感器是利用集成電路工藝和微機(jī)械技術(shù)將傳感器敏感元件與功能強(qiáng)大的電子線路集成在一個(gè)芯片上（或二次集成在同一外殼），通常具有信號(hào)提取、信號(hào)處理、邏輯判斷、雙向通訊等功能。和經(jīng)典的傳感器相比，集成化使得智能傳感器具有體積小、成本低、功耗小、速度快、可靠性高、精度高以與功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)。軟件化 傳感器與微處理器相結(jié)合的智能傳感器，利用計(jì)算機(jī)軟件編程的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的信息處理功能主要包括以下兩方面：運(yùn)用軟件計(jì)算實(shí)現(xiàn)非線性校正、自補(bǔ)償、自校準(zhǔn)等，提高傳感器的精度、重復(fù)性等。用軟件實(shí)現(xiàn)信號(hào)濾波,如快速傅里葉變換、短時(shí)傅里葉變換、小波

7、變換等技術(shù),簡(jiǎn)化硬件、提高信噪比、改善傳感器動(dòng)態(tài)特性。運(yùn)用人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊理論等，使傳感器具有更高智能即分析、判斷、自學(xué)習(xí)的功能。多傳感器信息融合技術(shù) 單個(gè)傳感器在某一采樣時(shí)刻只能獲取一組數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)量少，經(jīng)過(guò)處理得到的信息只能用來(lái)描述環(huán)境的局部特征，且存在著交叉敏感度的問(wèn)題。多傳感器系統(tǒng)通過(guò)多個(gè)傳感器獲得更多種類(lèi)和數(shù)量的傳感數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)處理得到多種信息能夠?qū)Νh(huán)境進(jìn)行更加全面和準(zhǔn)確的描述網(wǎng)絡(luò)化 獨(dú)立的智能傳感器，雖然能夠做到快速準(zhǔn)確地檢測(cè)環(huán)境信息，但隨著測(cè)量和控制圍的不斷擴(kuò)大，單節(jié)點(diǎn)、被動(dòng)的信息獲取方式已經(jīng)不能滿(mǎn)足人們對(duì)分布式測(cè)控的要求，智能傳感器與通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，形成網(wǎng)絡(luò)化智能傳

8、感器。網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器使傳感器由單一功能、單一檢測(cè)向多功能和多點(diǎn)檢測(cè)發(fā)展；從被動(dòng)檢測(cè)向主動(dòng)進(jìn)行信息處理方向發(fā)展；從就地測(cè)量向遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)在線測(cè)控發(fā)展。傳感器可以就近接入網(wǎng)絡(luò)，傳感器與測(cè)控設(shè)備間無(wú)需點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，大大簡(jiǎn)化了連接線路，節(jié)省投資，也方便了系統(tǒng)的維護(hù)和擴(kuò)充。2智能溫度傳感器的應(yīng)用背景介紹溫度是一種最基本的環(huán)境參數(shù)，人民的生活與環(huán)境的溫度息息相關(guān)，在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中需要實(shí)時(shí)測(cè)量溫度，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中也離不開(kāi)溫度的測(cè)量，因此研究溫度的測(cè)量方法和裝置具有重要的意義.測(cè)量溫度的關(guān)鍵是溫度傳感器，溫度傳感器的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段:傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器，模擬集成溫度傳感器，智能集成溫度傳感器.目前，國(guó)際

9、上新型溫度傳感器正從模擬式向數(shù)字式，從集成化向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向飛速發(fā)展.本設(shè)計(jì)選擇集成電路溫度傳感器AD590作為傳感器器測(cè)量溫度.該裝置適用于人民的日常生活和工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用于溫度測(cè)量. 3智能溫度傳感器的設(shè)計(jì)3.1原理和功能描述 大棚蔬菜滿(mǎn)足了人民能一年四季吃到新鮮蔬菜的愿望，為提供更多量、更有營(yíng)養(yǎng)價(jià)值的蔬菜，智能的大棚溫度監(jiān)控系統(tǒng)已成為農(nóng)民的迫切需要。以89S52單片機(jī)和上位機(jī)為主的溫度監(jiān)控系統(tǒng)可對(duì)大棚部的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以人性化的方式向大棚管理人員提供溫度調(diào)節(jié)的信息，幫助農(nóng)民提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，減少農(nóng)民的工作量。溫度監(jiān)控系統(tǒng)采用89S52單片機(jī)為核心，DS18B20為溫度傳感器。其中

10、，DS18B20是美國(guó)DALLAS半導(dǎo)體公司繼DS1820之后最新推出的一種改進(jìn)型智能溫度傳感器。與傳統(tǒng)的熱敏電阻相比，他能夠直接讀出被測(cè)溫度并且可根據(jù)實(shí)際要求通過(guò)簡(jiǎn)單的編程實(shí)現(xiàn)912位的數(shù)字值讀數(shù)方式。可以分別在93.75 ms和750 ms完成9位和12位的數(shù)字量，并且從DS18B20讀出的信息或?qū)懭隓S18B20的信息僅需要一根口線（單線接口）讀寫(xiě),溫度變換功率來(lái)源于數(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電，而無(wú)需額外電源。因而使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單，可靠性更高。他在測(cè)溫精度、轉(zhuǎn)換時(shí)間、傳輸距離、分辨率等方面較DS1820有了很大的改進(jìn)，給用戶(hù)帶來(lái)了更方便的使

11、用和更令人滿(mǎn)意的效果。大棚溫度采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，單片機(jī)根據(jù)輸入的溫度得出結(jié)果，蜂鳴器報(bào)警提醒農(nóng)民作出適當(dāng)?shù)臏囟日{(diào)節(jié)。在大棚通過(guò)數(shù)碼管來(lái)顯示結(jié)果，監(jiān)控室通過(guò)用美國(guó)國(guó)家儀器公司的NI Labview2009為開(kāi)發(fā)環(huán)境開(kāi)發(fā)的上位機(jī)監(jiān)控軟件。該系統(tǒng)成本低，操作方便，設(shè)計(jì)人性化，具有良好的推廣價(jià)值。3.2硬件設(shè)計(jì)3.2.1系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖P3.7口AT89C52DS18B20溫度傳感器報(bào)警數(shù)碼管顯示上位機(jī)圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3.2.2系統(tǒng)電路原理圖圖2 硬件電路原理圖3.3軟件設(shè)計(jì)3.3.1 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)圖3 前面板程序圖圖4 后面板程序圖3.3.2主程序流程圖本系統(tǒng)采用P.7口接傳感

12、器DS18B20，在DS18B20初始化后采集P1.7口傳感器溫度，然后把采集的溫度發(fā)送到串口送入PC機(jī)（上位機(jī)），并在上位機(jī)用Labview遠(yuǎn)程顯示。開(kāi)始初始化DS18B20復(fù)位采集溫度值發(fā)送數(shù)據(jù)圖5 主程序流程圖單片機(jī)首先發(fā)出一復(fù)位脈沖，使信號(hào)線上所有的DS18B20 芯片都被復(fù)位，然后從器件DS18B20 回送一存在脈沖，告知主機(jī)已準(zhǔn)備就緒。系列工作。DS18B20 的工作流程圖圖7 DS18B20 的工作流程圖3.4試驗(yàn)結(jié)果圖7 最終試驗(yàn)結(jié)果結(jié)束語(yǔ) 通過(guò)這次的作業(yè)，在很大程度上提高了我自主學(xué)習(xí)和思考的能力。論文中所涉與的知識(shí)很大程度上是在已有的知識(shí)基礎(chǔ)上，借助書(shū)籍和網(wǎng)上資源，經(jīng)過(guò)反復(fù)思

13、考而得出的。當(dāng)然還有一部分是參考資料上的容。本次作業(yè)非常適合當(dāng)下農(nóng)民人數(shù)日益減少，個(gè)體農(nóng)業(yè)不景氣的情況，在設(shè)計(jì)和報(bào)告中并沒(méi)有考慮到所用芯片的知識(shí)是否能被自己完全吸收，作出自己滿(mǎn)意的設(shè)計(jì)。但是在實(shí)行的過(guò)程中，覺(jué)得要深入地了解一塊傳感器的功能是需要下一番功夫的，經(jīng)過(guò)自己努力而獲得的每一個(gè)知識(shí)也是更具意義的。由于能力與時(shí)間的限制，該系統(tǒng)并不是特別完善，針對(duì)DS18B20，我查閱大量的相關(guān)資料和跟據(jù)上課所學(xué)習(xí)的得到莫大收獲。由于C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言相比有很大的優(yōu)越性，故此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了C語(yǔ)言的編寫(xiě)方式。相信在日后的學(xué)習(xí)中，努力地學(xué)習(xí)這方面的知識(shí)，日后必會(huì)有能力為農(nóng)民設(shè)計(jì)一款實(shí)用、方便的溫度控制系統(tǒng)，也可

14、以在此系統(tǒng)基礎(chǔ)上擴(kuò)展自動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)等功能，大幅度的減少農(nóng)民的工作量。參考文獻(xiàn)1 馬淑華，王鳳文，美金.單片機(jī)原理與接口技術(shù)M.：郵電大學(xué)，2007.82 鵬，王雪梅.單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)例教程M.：海洋，2008.23 婧武，周靈彬.單片機(jī)系統(tǒng)的PROTEUS設(shè)計(jì)與仿真M.：電子工業(yè)，2007.44 唐穎，程菊花，任條娟.單片機(jī)原理與應(yīng)用與C51程序設(shè)計(jì)M.：大學(xué)，2008.85 邊春元，文濤，江杰，杜平.C51單片機(jī)典型模塊設(shè)計(jì)與應(yīng)用M.：機(jī)械工業(yè)，2008.4附錄 源程序- 10 - / 10#include<reg51.h>Unsigned char code Duan=0x3f

15、,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x63,0x39;unsigned char Data_Buffer2=0,0;unsigned char Temperature=0;/溫度值sbit DAQ =P17; /定義通信端口sbit wei0 = P20;sbit wei1 = P21;void delay(unsigned int i) while(i-);void SendString(uint ch) /發(fā)送至上位機(jī)數(shù)據(jù) char i = 0; ES = 0; SBUF = ch >> 8; while( TI = 0

16、 ); TI = 0; delay(10); SBUF = ch; while(TI=0); TI=0; ES=1;void Init_DS18B20(void) /初始化函數(shù) unsigned char i=0; DAQ = 1; /DQ復(fù)位 delay(8); /稍做延時(shí) DAQ = 0; /單片機(jī)將DQ拉低 delay(80); /精確延時(shí) 大于 480us DAQ = 1; /拉高總線 delay(14); i=DAQ; /稍做延時(shí)后 如果x=0則初始化成功 x=1則初始化失敗 delay(20);/讀一個(gè)字節(jié)unsigned int ReadOneChar(void) unsigne

17、d char i=0, dat = 0;for (i=8;i>0;i-) DAQ = 0; / 給脈沖信號(hào) dat>>=1; DAQ = 1; / 給脈沖信號(hào) if(DAQ=1) dat|=0x80; delay(4); return(dat);void WriteOneChar(unsigned char dat) /寫(xiě)一個(gè)字節(jié) unsigned char i=0; for (i=8; i>0; i-) DAQ = 0; DAQ = dat&0x01; delay(5); DAQ = 1; dat>>=1; unsigned int ReadTem

18、perature(void) /讀取溫度 unsigned char H_valu=0,L_valu=0;unsigned int Buff_T=0;float tt=0;Init_DS18B20();WriteOneChar(0xCC); / 跳過(guò)讀序號(hào)列號(hào)的操作WriteOneChar(0x44); / 啟動(dòng)溫度轉(zhuǎn)換Init_DS18B20()WriteOneChar(0xCC); /跳過(guò)讀序號(hào)列號(hào)的操作WriteOneChar(0xBE); /讀取溫度寄存器等（共可讀9個(gè)寄存器） 前兩個(gè)就是溫度H_valu=ReadOneChar();L_valu=ReadOneChar();Buff_T=L_valu;Buff_T<<=8;Buff_T=Buff_T|H_valu;tt=Buff_T*0.0625;Buff_T= tt*10+0.5; /放大10倍輸出并四舍五入-此行沒(méi)用return(