花卉自動(dòng)澆灌控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、摘 要隨著我國房地產(chǎn)的發(fā)展，近年來出現(xiàn)高檔住宅社區(qū)和別墅區(qū)，一部分人擁有了私家花園，家庭式的灌溉在國內(nèi)也沒有正式起步?；ɑ芄喔鹊乃悸肪褪亲畲笙薅鹊淖屩魅瞬挥觅M(fèi)太多心思而把花養(yǎng)好?？紤]到澆灌系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，所以本次設(shè)計(jì)我用單片機(jī)與濕度、光照、溫度傳感器相結(jié)合，能夠?qū)崟r(shí)的檢測并讓花卉在最適合它們的環(huán)境中生長。本次設(shè)計(jì)主要是由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包括:單片機(jī)AT89S52，電池充電電路，時(shí)鐘電路，復(fù)位電路，溫度傳感器，濕度傳感器，光照檢測電路，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，電磁閥控制電路，窗戶控制電路等內(nèi)容。軟件部分包括：溫度傳感器DS18B20程序，步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)程序，窗戶的打開、關(guān)閉程序，控

2、制電磁閥的程序等內(nèi)容。本設(shè)計(jì)的傳感器都是采用單片機(jī)AT89S52編程控制的，實(shí)現(xiàn)對(duì)花卉所處環(huán)境的實(shí)時(shí)控制來確定要做的動(dòng)作。關(guān)鍵詞：單片機(jī)AT89S52 傳感器 電磁閥 步進(jìn)電機(jī) 自動(dòng)澆灌目 錄第一章 緒論11.1研究的背景11.2自動(dòng)澆灌的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢21.3本論文的主要研究內(nèi)容4第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)62.1系統(tǒng)的應(yīng)用范圍62.2系統(tǒng)的預(yù)期功能和技術(shù)指標(biāo)62.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案72.4系統(tǒng)的工作原理8第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)103.1單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)103.2太陽能電池板充電電路153.3數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)19第四章 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)324.1總體設(shè)計(jì)思想324.2系統(tǒng)的主程序334.3傳感器

3、控制模塊設(shè)計(jì)33結(jié)論35致謝36參考文獻(xiàn)37附錄38花卉自動(dòng)澆灌控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)第一章 緒論1.1研究的背景1.水是自然資源的重要組成部分，是所有生物的結(jié)構(gòu)組成和生命活動(dòng)的主要物質(zhì)基礎(chǔ)。從全球范圍講，水是連接所有生態(tài)系統(tǒng)的紐帶，自然生態(tài)系統(tǒng)既能控制水的流動(dòng)又能不斷促使水的凈化和循環(huán)。因此水在自然環(huán)境中，對(duì)于生物和人類的生存來說具有決定性的意義。而對(duì)人體而言的生理功能是多方面，體內(nèi)發(fā)生的一切化學(xué)反應(yīng)都是在介質(zhì)水中進(jìn)行的，沒有水，養(yǎng)料不能被吸收；氧氣不能運(yùn)到所需部位；養(yǎng)料和激素也不能到達(dá)它的作用部位；廢物不能排除，新陳代謝將停止，人將死亡。因此，水對(duì)人的生命是最重要的物質(zhì)。 在地球上，哪里有水，哪里就

4、有生命。一切生命活動(dòng)都是起源于水的。2.在現(xiàn)代工業(yè)中，沒有一個(gè)工業(yè)部門是不用水的。也沒有一項(xiàng)工業(yè)不和水直接或間接發(fā)生關(guān)系。更多的工業(yè)是利用水來冷卻設(shè)備或產(chǎn)品，例如鋼鐵廠等。水還常常用來作為洗滌劑，如漂洗原料或產(chǎn)品，清洗設(shè)備或地面，每個(gè)工廠都要利用水的各種作用來維護(hù)正常生產(chǎn)，幾乎每一個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)都有水的參與。 所以,水作為大自然賦予人類的寶貴財(cái)富，早就被人們關(guān)注。但是人們經(jīng)常使用“水資源”一詞，卻是近一二十年的事。關(guān)于水資源的定義，有幾十種之多，較普遍的說法是指“可以供人們經(jīng)常取用、逐年可以恢復(fù)的水量”。也就是通常所指的淡水資源。這樣，苦咸的的海水就不算在內(nèi)，連千年難化的冰川、不易取用的一部分地下

5、水也排除在外了。水資源的價(jià)值在于，水資源地球生命的需求、為人類服務(wù)包括水所具有的發(fā)電、航運(yùn)、養(yǎng)殖、環(huán)境等方面的能力。我們都知道,水在自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境中，都是極為重要而活躍的因素。而就中國的水資源而言已經(jīng)開始減少了：中國水資源初步估算為27115億立方米，河流山川多年平均徑流相當(dāng)于世界徑流總量的5.8，而人均資源占有量很低。人均只有2200立方米，僅為世界平均水平的14，在世界上名列121位，是全球13個(gè)人均水資源最貧乏的國家之一。1.2自動(dòng)澆灌的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢1.2.1自動(dòng)澆灌現(xiàn)狀園林灌溉設(shè)備現(xiàn)在主要是按照客戶針對(duì)自己的需求來準(zhǔn)確地選擇灌溉產(chǎn)品，同時(shí)有利于制造商分門別類的研發(fā)產(chǎn)品和對(duì)市場需求

6、的把握，用于區(qū)別各制造商的業(yè)務(wù)范圍。按這種方式主要分為城市園林灌溉設(shè)備（Landscape）、高爾夫球場灌溉設(shè)備（Golf）、庭院灌溉設(shè)備（Garden）。比如美國的RAINBIRD、TORO、HUNTER等多家公司，盡管技術(shù)背景和從業(yè)時(shí)間有所不同，但都具備前兩類產(chǎn)品的制造能力，而德國的GARDENA公司致力庭院灌溉產(chǎn)品的制造。隨著我國房地產(chǎn)的發(fā)展，近年來出現(xiàn)高檔住宅社區(qū)和別墅區(qū)，一部分人擁有了私家花園，適應(yīng)庭院灌溉的產(chǎn)品才從國外走進(jìn)國門，這個(gè)市場剛剛起步。家庭院灌溉設(shè)備的開發(fā)思路是，滿足主人料理和養(yǎng)護(hù)私家花園的情趣，在家享受田園勞作的過程，營造自然生態(tài)的情景。所以這類灌水器多為小射程散射噴頭

7、、手持式和移動(dòng)式噴灑器，而且噴灑花型繁多可調(diào)，水源為自來水，壓力、流量、射程都較小。比如俗稱的“花灑”就是典型的庭院灌水器。歐洲在國際上引領(lǐng)這類產(chǎn)品的市場，如德國的GARDENA公司，就專門致力于庭院灌溉產(chǎn)品的生產(chǎn)。在我國這類產(chǎn)品的生產(chǎn)也是空白。國家統(tǒng)計(jì)局最新發(fā)布的資料表明，我國農(nóng)村人口占總?cè)丝诘谋壤档?6%；國家建設(shè)部指出，我國政府把保護(hù)環(huán)境、綠化祖國作為一項(xiàng)基本國策，建設(shè)部制定了城市綠化規(guī)劃建設(shè)指標(biāo)，其中規(guī)定城市綠地率2000年達(dá)到25%，2010年達(dá)到30%；城市綠化覆蓋率2000年達(dá)到30%，2010年達(dá)到35%。國內(nèi)外大量研究資料表明，無論一個(gè)城市或一個(gè)地區(qū)，在常規(guī)情況下，當(dāng)綠化覆

8、蓋率達(dá)到或超過30%50%時(shí)，其生態(tài)環(huán)境才有希望想良性循環(huán)發(fā)展。因此我國主要城市在今后一段時(shí)期內(nèi)，綠化覆蓋率將會(huì)大幅提高，城市綠地面積將迅速增加；同時(shí)，為使已有綠地盡可能發(fā)揮出應(yīng)有的生態(tài)效應(yīng)，其改造的步伐勢必要加快。水是植物具備適宜的生長環(huán)境，灌溉系統(tǒng)必不可少，綠地灌溉系統(tǒng)的數(shù)量也將隨之增多，如果仍然采用古老的人工澆灌方法，先不說能否達(dá)到設(shè)想的灌溉效果，也不說每年將會(huì)增加的用水量，光人工費(fèi)用和其他管理費(fèi)用就會(huì)是一筆不小的開銷。由此可見，發(fā)展節(jié)水節(jié)能的現(xiàn)代化灌溉系統(tǒng)，已是大勢所趨。1.2.2 自動(dòng)澆灌的發(fā)展趨勢隨著國家把保護(hù)環(huán)境和綠化祖國做為基本國策，再有無線網(wǎng)絡(luò)信息的深入，在水資源的節(jié)約上也會(huì)

9、下很大的力度去實(shí)現(xiàn)并落實(shí)，因此發(fā)展節(jié)水節(jié)能的現(xiàn)代自動(dòng)澆灌系統(tǒng)勢在必行。灌溉自動(dòng)控制設(shè)備主要沿著三條主線發(fā)展，分為高端、中端和低端三大類別。高端控制設(shè)備這類產(chǎn)品是隨著計(jì)算機(jī)和現(xiàn)代數(shù)據(jù)通訊技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生，主要有兩類：一類是基于氣象站的中央計(jì)算機(jī)灌溉控制設(shè)備；另一類是由計(jì)算機(jī)控制，但不和氣象站通訊。這兩類都在數(shù)據(jù)通訊的前提下進(jìn)行指令下達(dá)和反饋，但最大區(qū)別是，前者以實(shí)時(shí)監(jiān)測到的氣象數(shù)據(jù)并計(jì)算出植物需水量為核心，實(shí)現(xiàn)灌溉系統(tǒng)的智能控制，后者則以閥門的開關(guān)為中心，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)啟閉的集中控制。中端控制設(shè)備任何灌溉系統(tǒng)都是針對(duì)某種植物在某種需水量條件下而設(shè)計(jì)的，因此，系統(tǒng)供水流量是既定的；要灌到某種植物的需水量

10、，最終反映在需要灌多長時(shí)間上。這種產(chǎn)品就是把灌水時(shí)間作為控制參量，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉。低端控制設(shè)備這類設(shè)備主要是用干電池驅(qū)動(dòng)，無須市電。用來解決無電地區(qū)或難于解決電源的地區(qū)，比如高速公路的防護(hù)林或綠化帶，城市園林很少應(yīng)用。此類控制設(shè)備，也可以簡單編程，自動(dòng)運(yùn)行電磁閥，但不能控制供水機(jī)組。在國外灌溉控制設(shè)備已經(jīng)形成龐大的產(chǎn)業(yè)，在我國無論高、中、低端灌溉自動(dòng)控制設(shè)備，僅僅有部分科研院所在試驗(yàn)研制之中，沒有明確的針對(duì)性，思路不象國外那么清晰，目前還沒有形成批量生產(chǎn)，更談不到產(chǎn)業(yè)化?？偟膩砜矗诓痪玫膶?，不僅能實(shí)現(xiàn)對(duì)辦公室花卉的控制而且可以實(shí)現(xiàn)路邊及所有公共場所花草樹木的自動(dòng)灌溉，而且可以加入遠(yuǎn)程控制

11、，可視頻控制，更大限度的節(jié)省人力物力，這將是世界澆灌系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展趨勢。1.3本論文的主要研究內(nèi)容1.3.1基礎(chǔ)研究與設(shè)計(jì)開發(fā)澆花的最佳灌溉系統(tǒng)就是在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間灌溉適量的水，用戶每天需解決的3個(gè)重要問題是：何時(shí)灌溉灌多少、溫度的高低和光照是否充裕。解決何時(shí)灌溉的問題，用戶需監(jiān)測作物根域的土壤水分；解決光照強(qiáng)度問題則需要調(diào)節(jié)一些設(shè)備來增加陽光的照射 ，解決溫度需要的就是通過窗戶的打開與關(guān)閉來進(jìn)行調(diào)節(jié)。設(shè)計(jì)則需要通過研究盆景花卉正常生長的各種參數(shù)，根據(jù)是否需要水和光照而自動(dòng)澆灌，很好地控制花卉生長的溫度及濕度?？紤]干擾的消除措施，有效地避免干擾的產(chǎn)生，如何采用太陽能給電池充電使之環(huán)保又節(jié)省了資本，

12、系統(tǒng)的器件需要采用高性能低價(jià)原件，降低開發(fā)成本低，而且能夠滿足大多數(shù)用戶的需求。1.3.2自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)1、本系統(tǒng)將對(duì)溫室環(huán)境中土壤濕度、光照強(qiáng)度、溫度因子的調(diào)控進(jìn)行自動(dòng)化控制，以期達(dá)到最佳的控制效果。2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，完成硬件原理圖。硬件將通過調(diào)研對(duì)比分析，選用高性價(jià)比元件，采用一些成熟電路設(shè)計(jì)，達(dá)到提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性與精度，降低成本，提高市場竟?fàn)幜Φ哪繕?biāo)。3、程序設(shè)計(jì)流程與程序清單。軟件設(shè)計(jì)將采用C語言設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的修改、調(diào)試與升級(jí)（增加控制因子)的能力。1.3.3使用自動(dòng)控制系統(tǒng)帶來的便利1、根據(jù)花園大小和植物種類自主設(shè)定每周、每日的澆灌次數(shù)和時(shí)間使您外出度假也不用擔(dān)心

13、花草無人照料。2、實(shí)現(xiàn)科學(xué)養(yǎng)護(hù)，避免普通漫灌導(dǎo)致的植物死亡和病蟲害滋生。3、無須拖著水管滿院轉(zhuǎn)，擺脫繁瑣勞動(dòng)，節(jié)約寶貴時(shí)間。4、節(jié)約寶貴水資源，使用本產(chǎn)品可節(jié)約水80%左右。5、低能耗，確保家人安全。6、無須專門維護(hù)，可長期使用，安裝、調(diào)試方便。7、性能先進(jìn)、可靠，售價(jià)為國外同類產(chǎn)品的40%以下；8、一般4分出口的自來水龍頭就可以輕松安裝上控制器，家用水壓便可以實(shí)現(xiàn)正常噴淋，如果水壓不夠，在控制器前端增加一個(gè)增壓泵就可以了。 第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)的應(yīng)用范圍該單片片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)主要應(yīng)用于辦公室、家庭內(nèi)，系統(tǒng)操作簡單、價(jià)格低廉、實(shí)用性高，操作方便。其工作環(huán)境溫度為040°C。2.

14、2系統(tǒng)的預(yù)期功能和技術(shù)指標(biāo)2.2.1課題研究預(yù)期功能現(xiàn)實(shí)生活中很多花卉溫度、濕度和光照需要保持在一個(gè)既定的值上，超出或者低于這個(gè)預(yù)定值將對(duì)花卉的生長產(chǎn)生影響。該系統(tǒng)要求用單片機(jī)測控來實(shí)現(xiàn)花卉生長環(huán)境因子信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理，而后輸出控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)環(huán)境濕度、溫度和光照強(qiáng)度的測控，達(dá)到節(jié)水節(jié)能，省時(shí)省工的效果。具體功能如下:1、實(shí)現(xiàn)按需灌溉功能。按照花卉的需求開啟和關(guān)閉灌溉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一般的控制。具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低，操作方便。2、通過傳感器檢測花卉生長的環(huán)境溫度、土壤濕度和光照強(qiáng)度，依據(jù)設(shè)定的植物要求的溫度、濕度和光照強(qiáng)度的上下限值，由單片機(jī)來控制開關(guān)窗戶、電磁閥和窗簾，從而調(diào)節(jié)溫度、濕

15、度和光照。當(dāng)空氣溫度高于上限值時(shí)，自動(dòng)打開窗戶進(jìn)行自然降溫，達(dá)到要求值時(shí)則自動(dòng)關(guān)閉。3、室內(nèi)環(huán)境中土壤濕度是重要因子，要求當(dāng)土壤含水量過低己不能滿足花卉最低需求時(shí)，就打開電磁閥進(jìn)行灌溉，當(dāng)濕度滿足要求是關(guān)閉電磁閥。4、光照強(qiáng)度控制因子考慮到生產(chǎn)成本問題，但是本系統(tǒng)不足之處是未考慮人工增光設(shè)備，如果光照強(qiáng)度高于上限值時(shí)，關(guān)閉窗簾降低光照，如果光照強(qiáng)度低，打開窗簾網(wǎng)。2.2.2課題的技術(shù)指標(biāo)控制參數(shù)土壤濕度%RH溫度°C光照強(qiáng)度LX太陽能電池板硬件總成本控制范圍6080203035萬尺寸112mm*65mm*4mm，開路6V，短路電流150MA5070萬表2-1系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)（

16、夏天）要求具體見表2-1所示，其控制范圍亦可據(jù)具體作物的需要來設(shè)定，%RH(Relative Humidity)為相對(duì)百分?jǐn)?shù) ，其中硬件成本由于單個(gè)制作跟批量生產(chǎn)有一定的差值。2.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案2.3.1系統(tǒng)控制原理 在控制技術(shù)方面，有諸如開環(huán)、閉環(huán)反饋控制，模糊控制，自適應(yīng)控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等現(xiàn)代控制技術(shù)。模糊控制技術(shù)當(dāng)前應(yīng)用最廣泛，一般用于有上、下位機(jī)的單片機(jī)控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的閉環(huán)控制技術(shù)，系統(tǒng)控制原理邏輯框圖見圖2-2所示：AT89S52電磁閥、電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電機(jī)溫度濕度光照傳感器花卉的各種參數(shù) 溫度濕度光照?qǐng)D2-2閉環(huán)控制邏輯原理框圖2.3.2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖 2-3 系統(tǒng)硬件

17、結(jié)構(gòu)圖（1）本文針對(duì)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)了一套溫度、濕度和光照檢測與控制系統(tǒng)，保證花卉在生長的各個(gè)時(shí)期有適宜的生長環(huán)境，整個(gè)測控系統(tǒng)由傳感器、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分構(gòu)成。整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2-3所示（2）硬件電路以AT89S52單片機(jī)為核心，系統(tǒng)輸入由采集土壤水分傳感器、光照傳感器和溫度傳感器及傳感器信號(hào)處理電路組成，輸出控制由繼電器、執(zhí)行器構(gòu)成。（3）軟件用C語言作為編程語言，采用模塊式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。2.4系統(tǒng)的工作原理 系統(tǒng)的工作中，有太陽能電池給電池充電，電池的輸出經(jīng)過穩(wěn)壓模塊，避免電壓的較大變化，電池為整個(gè)系統(tǒng)提供電能。經(jīng)過溫度、濕度及光照檢測的傳感器把被測對(duì)象的溫度、濕度光照轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)

18、，轉(zhuǎn)換為0-1數(shù)字信號(hào)后送入單片機(jī)中，與給定的所要控制的溫度、濕度值進(jìn)行比較，根據(jù)單片機(jī) AT89S52中設(shè)置的參數(shù)，輸出相應(yīng)溫度、濕度值對(duì)應(yīng)的被控對(duì)象電機(jī)和電磁閥的值，帶動(dòng)動(dòng)力系統(tǒng)作相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)，不斷減少與單片機(jī)中設(shè)置值的差值，溫度過高時(shí)，單片機(jī)控制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器打開窗戶，進(jìn)行自然散熱，溫度適合時(shí)關(guān)閉窗戶。當(dāng)土壤濕度過低時(shí)，單片機(jī)通過繼電器控制電磁閥使其打開進(jìn)行澆水，澆水后濕度適中時(shí)關(guān)閉電磁閥。光照檢測電路將光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成0-1代碼，輸入單片機(jī)，當(dāng)光照過強(qiáng)時(shí)關(guān)閉窗簾，光照適合時(shí)打開窗簾。溫度濕度不斷地檢測、控制，使之達(dá)到一個(gè)動(dòng)態(tài)的平衡。第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 3.1單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1.

19、1單片機(jī)的選擇電子技術(shù)飛速發(fā)展，使得計(jì)算機(jī)不斷更新?lián)Q代。其中單片機(jī)更是一枝獨(dú)秀，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，使其自動(dòng)化程度大提高。 單片機(jī)具有體積小，價(jià)格低廉，功能強(qiáng)大，穩(wěn)定可靠，運(yùn)算速度快，功耗低，擴(kuò)展容易，抗干擾能力強(qiáng)，系列齊全，使用方便靈活等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制、自動(dòng)監(jiān)測、智能儀器儀表、家用電器等領(lǐng)域。單片機(jī)成為當(dāng)今世界上銷售量最大、應(yīng)用面最廣、價(jià)格最便宜的微型計(jì)算機(jī)產(chǎn)品。目前世界上最具實(shí)力的單片機(jī)開發(fā)公司有:美國的Intel，ATMEL，荷蘭的PhilipS，德國的SiemenS等。其中Intel公司一直處于領(lǐng)先地位，主要有MCS-48、MCS-51和MCS-96三大系列，其中MCS-

20、51系列是 1980年推出的高檔8位單片機(jī)，代表著單片機(jī)的發(fā)展方向，成為單片機(jī)領(lǐng)域中的主流產(chǎn)品。ATMEL公司的89系列Flash單片機(jī)以 Intel80C51/52作為內(nèi)核，并采用可重復(fù)編程FlashROM技術(shù)，是一種源于8051而又優(yōu)于8051的單片機(jī)，己成為廣大MCS-51用戶進(jìn)行電子設(shè)計(jì)與開發(fā)的優(yōu)選單片機(jī)品種。根據(jù)實(shí)際情況與要求，本系統(tǒng)選用ATMEL公司89系列標(biāo)準(zhǔn)型單片機(jī)AT89S52，其價(jià)格適中功能強(qiáng)大，這應(yīng)當(dāng)是比較符合我國國情的選擇。3.1.2 AT89S52簡介AT89S52是一個(gè)低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8K Bytes ISP(In-system progr

21、ammable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS -51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S52可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。1.單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖與基本特征 AT89S52內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示AT89S52基本特征與MCS-51單片機(jī)產(chǎn)品兼容 8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲(chǔ)器，256字節(jié)RAM可反復(fù)擦寫>1000次 全靜態(tài)操作：0Hz33Hz 三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器 2個(gè)可編程I/O口線 三個(gè)1

22、6位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 八個(gè)中斷源 全雙工UART串行通道 低功耗空閑和掉電模式 掉電后中斷可喚醒 看門狗定時(shí)器 雙數(shù)據(jù)指針 掉電標(biāo)識(shí)符 圖3-1 AT89S52外部引腳2.引腳配置及功能AT89S52單片機(jī)有40個(gè)引腳，為CMOS工藝雙列直插封裝(DIP)，其引腳配置見圖3-1所示，各引腳功能簡述如下:1.主電源引腳 VSS和 VCCVCC（40引腳）電源端，+5V VSS（20引腳）接地2.4個(gè)8位I/O端口P0、P1、P2和P3 P0口(3239)：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向工/0口，每個(gè)引腳可吸收8個(gè)TTL門電流。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIA

23、SH編程時(shí)，P0口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。對(duì)P0端口寫“1”時(shí)，引腳用作高阻抗輸入。 當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P0口也被作為低8位地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下，P0不具有內(nèi)部上拉電阻。 在flash編程時(shí)，P0口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。 P1口(18)：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/0口，P1口緩沖器能接收輸出4個(gè)TTL門電流。Pl口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口

24、作為第八位地址接收。 P2口（2128）：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/0口，P2口緩沖器可接收輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址"1"時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。P3口（1017）：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向

25、I/0口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流(ILL)這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89S52的一些特殊功能口，如下表3-2所示:表3-2 P3口的特殊功能口管腳備選功能P3.0 RXD串行輸入口P3.1 TXD并行輸入口P3.2 /INT0外部中斷0P3.3 /INT1外部中斷1P3.4 T0計(jì)時(shí)器0外部輸入P3.5 T1計(jì)時(shí)器1外部輸入P3.6 /外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通P3.7 /外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通3.控制信號(hào)引腳RST（9腳）：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周

26、期的高電平時(shí)間。ALE（30腳）：低電平有效，當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，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(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè) ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFRSEH地址上置0。此時(shí)，ALE只有在執(zhí)行MOVX、MOVC指令是ALE才起作用。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（29腳）：低電平有效，外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)

27、器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。EA/V（31腳）:當(dāng)EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器(0000H-FFFH)，不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，麗將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源(VPP)。 4.時(shí)間振蕩電路XTAL1（19腳）：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2（18腳）：來自反向振蕩器的輸出。3.1.3存儲(chǔ)器的配置AT89系列單片機(jī)的存儲(chǔ)器采用的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分開編址的，它們有各自的尋址系統(tǒng)、

28、控制信號(hào)和特定功能。程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在物理和邏輯上均分為兩個(gè)地址空間:內(nèi)部存儲(chǔ)空間和外部存儲(chǔ)空間。本系統(tǒng)的代碼程序不太大，AT89S521片內(nèi)的8KB ROM閃速存儲(chǔ)器256字節(jié)的RAM即可滿足要求，無需擴(kuò)展片外ROM跟RAM。3.1.4時(shí)鐘電路與復(fù)位電路的設(shè)計(jì)1.時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)AT89S52單片機(jī)內(nèi)部有個(gè)振蕩器，可以用作CPU的時(shí)鐘源。本系統(tǒng)時(shí)鐘選用內(nèi)部方式。AT89S52內(nèi)部含有一個(gè)高增益的反相放大器，通過XTAL1(輸入端)、XTAL2(輸出端)外接作為反饋元件的片外石英晶體(或陶瓷諧振器)和電容C1，C2組成的并聯(lián)諧振電路后便構(gòu)成片內(nèi)自激振蕩器，從而利用它內(nèi)部的振蕩器產(chǎn)生時(shí)鐘。連接方法見

29、圖3-3所示，其中晶體呈感性，其決定著振蕩器的振蕩頻率；電容Cl，C2對(duì)頻率有微調(diào)作用。電路中反饋元件選用石英晶體，電容Cl和C2均為30pF，電容與晶體的安裝位置應(yīng)盡量靠近單片機(jī)。11.0592MHZXTALC1C212X130pF30pFX2 圖3-3 時(shí)鐘電路2.復(fù)位電路設(shè)計(jì)89系列單片機(jī)在啟動(dòng)時(shí)也需要復(fù)位使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初始態(tài)開始工作。按下SW，電源對(duì)C充電，使RST端快速到達(dá)高電平；松開按鍵，C向芯片內(nèi)阻放電，恢復(fù)為低電平，從而使單片機(jī)可靠復(fù)位，一般R1選470，R2選8.2k，C選22uF。AT89S52的按鍵復(fù)位電路見圖3-4，電路簡單可靠。圖3-4

30、按鍵復(fù)位電路3.2太陽能電池板充電電路3.2.1 充電芯片的選擇CN3068是可以對(duì)單節(jié)可充電鋰電池進(jìn)行恒流/恒壓充電的充電器電路。該器件內(nèi)部包括功率晶體管，應(yīng)用時(shí)不需要外部的電流檢測電阻和阻流二極管。CN3068只需要極少的外圍元器件，熱調(diào)制電路可以在器件的功耗比較大或者環(huán)境溫度比較高的時(shí)將芯片溫度控制在安全范圍內(nèi)。內(nèi)部固定的恒壓充電電壓為4.2V，也可以通過一個(gè)外部的電阻調(diào)節(jié)。充電電流通過一個(gè)外部電阻設(shè)置。當(dāng)輸入電壓掉電時(shí)，CN3068自動(dòng)進(jìn)入低功耗的睡眠模式，此時(shí)電池的電流消耗小于3微安。其它功能包括輸入電壓過低鎖存，自動(dòng)再充電，電池溫度監(jiān)控以及充電狀態(tài)/充電結(jié)束狀態(tài)指示等功能。CN30

31、68的管腳排列如圖3-5所示：圖3-5 CN3068的管腳排列 3.2.1.1詳細(xì)描述 CN3068是專門為一節(jié)鋰電池而設(shè)計(jì)的線性充電器電路，利用芯片內(nèi)部的功率晶體管對(duì)電池進(jìn)行恒流和恒壓充電。充電電流可以用外部電阻編程設(shè)定，最大持續(xù)充電電流可達(dá)500mA，不需要另加阻流二極管和電流檢測電阻。CN3068包含兩個(gè)漏極開路輸出的狀態(tài)指示輸出端，充電狀態(tài)指示端STAT2和充電結(jié)束指示輸出端STAT1。芯片內(nèi)部的功率管理電路在芯片的結(jié)溫超過115時(shí)自動(dòng)降低充電電流，這個(gè)功能可以使用戶最大限度的利用芯片的功率處理能力，不用擔(dān)心芯片過熱而損壞芯片或者外部元器件。這樣，用戶在設(shè)計(jì)充電電流時(shí)，可以不用考慮最壞

32、情況，而只是根據(jù)典型情況進(jìn)行設(shè)計(jì)就可以了，因?yàn)樵谧顗那闆r下，CN3068會(huì)自動(dòng)減小充電電流。當(dāng)輸入電壓大于電源低電壓檢測閾值和電池端電壓時(shí)，CN3068開始對(duì)電池充電，STAT2管腳輸出低電平，表示充電正在進(jìn)行。如果電池電壓Kelvin檢測輸入端(FB)的電壓低于3V，充電器用小電流對(duì)電池進(jìn)行預(yù)充電。當(dāng)電池電壓Kelvin檢測輸入端(FB)的電壓超過3V時(shí)，充電器采用恒流模式對(duì)電池充電，充電電流由IR管腳和GND之間的電阻RIR.確定。當(dāng)電池電壓Kelvin檢測輸入端(FB)的電壓接近電池端調(diào)制電壓時(shí)，充電電流逐漸減小，CN3068進(jìn)入恒壓充電模式。當(dāng)充電電流減小到充電結(jié)束閾值時(shí)，充電周期結(jié)束

33、，STAT2端輸出高阻態(tài)，STAT1端輸出低電平，表示充電周期結(jié)束，充電結(jié)束閾值是恒流充電電流的10%。如果要開始新的充電周期，只要將輸入電壓斷電，然后再上電就可以了。當(dāng)電池電壓Kelvin檢測輸入端(FB)的電壓降到再充電閾值以下時(shí)，自動(dòng)開始新的充電周期。芯片內(nèi)部的高精度的電壓基準(zhǔn)源，誤差放大器和電阻分壓網(wǎng)絡(luò)確保電池端調(diào)制電壓的誤差在±1%以內(nèi)，滿足了電池的要求。當(dāng)輸入電壓掉電或者輸入電壓低于電池電壓時(shí)，充電器進(jìn)入低功耗的睡眠模式，電池端消耗的電流小于3uA，從而增加了待機(jī)時(shí)間。CN3068的過程充電示意如圖3-6所示：圖3-6 過程充電示意圖 CN3068管腳說明TEMP（1腳）

34、：電池溫度檢測輸入端。將TEMP管腳接到電池的NTC傳感器的輸出端。如果TEMP管腳的電壓小于輸入電壓的47%或者大于輸入電壓的84%超過0.15秒，意味著電池溫度過低或過高，則充電將被暫停。如果TEMP在輸入電壓的47%和84%之間超過0.15秒，則電池故障狀態(tài)將被清除，充電將繼續(xù)。如果將TEMP管腳接到地，電池溫度監(jiān)測功能將被禁止。IP（2腳）：J隨流充電電流設(shè)置和充電電流監(jiān)測端。從IR管腳連接一個(gè)外部電阻到地端可以對(duì)充電電流進(jìn)行編程。在預(yù)充電階段，此管腳的電壓被調(diào)制在0.2V ;在恒流充電階段，此管腳的電壓被調(diào)制在2V。在充電狀態(tài)的所有模式，此管腳的電壓都可以根據(jù)下而的公式來監(jiān)測充電電流

35、：ICH=(VIR×900)/RIRGND（3腳）：電源地VCC（4腳）：輸入電壓正輸入端。此管腳的電壓為內(nèi)部電路的工作電源。當(dāng)VCC與BAT管腳的電壓差小于20mV時(shí)，CN3068將進(jìn)入低功耗的睡眠模式，此時(shí)BAT管腳的電流小于3A。BAT（5腳）：電池連接端。將電池的正端連接到此管腳。在電源電壓低于電源電壓過低鎖存閡值或者睡眠模式，BAT管腳的電流小于3wAo BAT管腳向電池提供充電電流和恒壓充電電壓。STAT1（6腳）：漏極開路輸出的充電結(jié)束狀態(tài)指小端。開關(guān)拉到低電平，表小充電已經(jīng)結(jié)束;當(dāng)充電結(jié)束時(shí)，STAT1管腳被內(nèi)部否則STAT1管腳處于高阻態(tài)。STAT2（7腳）：漏極開

36、路輸出的充電狀態(tài)指;:端。當(dāng)充電器向電池充電時(shí)，STAT2管腳被內(nèi)部開關(guān)拉到低電平，表;:充電正在進(jìn)行;否則STAT2管腳處于高阻態(tài)。FB（8腳）：電池電壓Kelvin檢測輸入端。此管腳可以Kelvin檢測電池正極的電壓，從而精確調(diào)制恒壓充電時(shí)電池正極的電壓，避免了從電池的正極到CN3068的BAT管腳之間的導(dǎo)線電阻或接觸電阻等寄生電阻對(duì)充電的影響。如果在FB管腳和BAT管腳之間接一個(gè)電阻，可以調(diào)整恒壓充電電壓。3.2.1.3 CN3068特點(diǎn)（1）輸入電壓范圍：4.35V 到 6V （2）不需要外部阻流二極管和電流檢測電阻 （3）恒壓充電電壓 4.2V，也可外接電阻調(diào)整恒壓充電電壓（4）可設(shè)

37、置的持續(xù)恒流充電電流可達(dá) 500mA （5）采用恒流/恒壓/恒溫模式充電，既可以使充電電流最大化，又可以防止芯 片過熱 （6）電源電壓掉電時(shí)自動(dòng)進(jìn)入低功耗的睡眠模式 （7）充電狀態(tài)和充電結(jié)束狀態(tài)雙指示輸出（8）封裝形式SOP8 (9)無鉛產(chǎn)品 3.2.2穩(wěn)壓電路的選擇穩(wěn)壓電源電路采用LM7805系列集成穩(wěn)壓器，可以輸出正5V直流電壓。C7、C8分別為輸入端和輸出端采用濾波電容，輸出端接一個(gè)齊納二極管進(jìn)一步穩(wěn)定輸出電壓。3.2.3 過充保護(hù)電路為了防止把電池充壞，本系統(tǒng)還采用了簡單自己設(shè)計(jì)的過沖保護(hù)電路，本電路還需以后的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在不發(fā)生過充時(shí)，由于二極管D1的阻隔三極管不導(dǎo)電。當(dāng)充電電壓升到5

38、V左右時(shí)，三極管（2N3055）開始導(dǎo)通，它對(duì)電池進(jìn)行分流，以防止過充。Q1應(yīng)裝在中等尺的散熱板上。Q1選用低電壓的齊納管。太陽能電池板充電的電路圖如圖3-7所示：圖3-7 太陽能電池板充電的電路圖電池正極的恒壓充電電壓為：Vbat 4.23.04×10-6×Rx其中，Vbat的單位是伏特Rx的單位是歐姆太陽能電池板采用尺寸112mm*65mm*4mm，開路6V，短路電流150MA。充電池采用四節(jié)鎳鎘電池3.3數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)3.3.1傳感器的選擇1.傳感器基本概念傳感器是一個(gè)匯聚物理、化學(xué)、材料、電子、生物工程等多類型交叉學(xué)科，涉及傳感檢測原理、傳感器件設(shè)計(jì)、傳感器開發(fā)

39、與應(yīng)用的綜合技術(shù)。傳感器技術(shù)是構(gòu)成現(xiàn)代信息技術(shù)三大支柱之一如圖3-8所示 。計(jì)算機(jī)技術(shù)通信技術(shù)傳感器技術(shù)處理信息傳輸信息采集信息圖3-8 三大信息支柱依照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T7665-1987傳感器通用術(shù)語)的規(guī)定，傳感器的定義為：“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置”，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中敏感元件“指傳感器中能直接感受(或響應(yīng))被測量的部分”，此處的被測量一般為非電量；轉(zhuǎn)換元件是“指傳感器中能將敏感元件感受(或響應(yīng))的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電參量”。轉(zhuǎn)換電路是“將電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路（簡稱轉(zhuǎn)換電路），便可轉(zhuǎn)換成電量輸出?！眰鞲?/p>

40、器按使用場合不同又稱為：發(fā)送器、傳送器、變送器、檢測器、探頭傳感器在我國的設(shè)施農(nóng)業(yè)中發(fā)揮著重要的作用，主要用于環(huán)境參數(shù)的獲取，根據(jù)檢測對(duì)象分為空氣環(huán)境和土壤環(huán)境。前者包括溫度、濕度、二氧化碳、光照度等；后者包括土壤溫度、土壤含水量、土壤PH值。傳感器的原理框圖如圖3-9所示：敏感元件轉(zhuǎn)換元件轉(zhuǎn)換電路輔助電源被測量 電信號(hào)圖3-9 傳感器的原理2.溫度傳感器的選擇溫度是一個(gè)與人類的生活、工作息息相關(guān)的物理量，也是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中最重要的物理量。常用的溫度傳感器有熱敏電阻、熱電偶、PN結(jié)溫度傳感器、熱電阻等。熱敏電阻:利用半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化而顯著變化的特性制成的半導(dǎo)體測溫元件。目前使用的多為陶瓷

41、熱敏電阻。它的優(yōu)點(diǎn)是:靈敏度高，工作溫度范圍寬，穩(wěn)定性好，過載能力強(qiáng)，體積小。但它的不足之處在于非線性和互換性差。熱電偶:是利用物理學(xué)中的金屬熱電效應(yīng)制成的溫度傳感器。結(jié)構(gòu)簡單，互換性好，是500-800溫區(qū)的首選溫度傳感器。PN結(jié)溫度傳感器:實(shí)質(zhì)是一種半導(dǎo)體集成電路，利用晶體二極管、三極管的PN結(jié)電壓隨溫度變化而變化的原理制成。線性度好，熱慣性小，靈敏度高，但互換性差。集成溫度傳感器:是把濕敏元件，放大電路、偏置電路及線形化電路集成在同一芯片上的溫度傳感器。相對(duì)其它傳感器有較好的線性度和一致性，且體積小，使用方便。據(jù)據(jù)實(shí)際情況可知，溫室內(nèi)環(huán)境的變化范圍為0-40，溫度的變化范圍較小;并且溫度

42、的變化速度較慢，因而不需要傳感器的反應(yīng)速度太高。經(jīng)過對(duì)上述幾種溫度傳感器的性能分析比較，認(rèn)為選用集成溫度傳感器。在傳統(tǒng)的模擬信號(hào)遠(yuǎn)距離溫度測量系統(tǒng)中，需要很好的解決引線誤差補(bǔ)償問題、多點(diǎn)測量切換誤差問題和放大電路零點(diǎn)漂移誤差問題等技術(shù)問題，才能夠達(dá)到較高的測量精度。另外一般監(jiān)控現(xiàn)場的電磁環(huán)境都非常惡劣，各種干擾信號(hào)較強(qiáng)，模擬溫度信號(hào)容易受到干擾而產(chǎn)生測量誤差，影響測量精度。因此，在溫度測量系統(tǒng)中，采用抗干擾能力強(qiáng)的新型數(shù)字溫度傳感器是解決這些問題的最有效方案，基于以上分析選擇DS18B20溫度傳感器，該傳感器結(jié)構(gòu)簡單不需要外接電路，可用一根 I/0 數(shù)據(jù)線既供電又傳輸數(shù)據(jù)，并且具有體積小，分辨

43、率高，轉(zhuǎn)換快等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于測量和控制溫度的地方。所測溫度由P2.7口輸入單片機(jī)與給定溫度進(jìn)行比較，當(dāng)溫度大于給定溫度時(shí)控制步進(jìn)電機(jī)正傳一定步數(shù)，打開窗簾；當(dāng)溫度低于給定溫度時(shí)，控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，關(guān)閉窗簾。2.1 DS18B20簡介Dallas半導(dǎo)體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20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(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，是用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新的概念，現(xiàn)在，新一代DS18B20體積更小、更經(jīng)濟(jì)、更靈活。DS18B20同DS1820一樣，DS18B20也支持“一線總線接口”，測量溫度范圍為-55°C +125

44、76;C，在-10°C 85°C范圍內(nèi)精度為±0.5°C?，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)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制。測溫類電子產(chǎn)品等。與前一代產(chǎn)品不同，新產(chǎn)品支持3v5v的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活。方便，而且新一代產(chǎn)品更便宜體積更小。2.2 DS18B20的特征·獨(dú)特的單線接口僅需一個(gè)端口引腳進(jìn)行通訊·每個(gè)器件有唯一的64位的序列號(hào)存儲(chǔ)在內(nèi)部存儲(chǔ)器中·簡單的多點(diǎn)分布式測溫應(yīng)用·無需外部器件·可通過數(shù)據(jù)線供電，供電范圍為3.0V到5.5V&

45、#183;測溫范圍為-55°C +125°C（-67 +257°F）在-10°C 85°C范圍內(nèi)精度為±0.5°C·溫度計(jì)分辨率可以被使用者選擇為912位數(shù)字·最多在75ms內(nèi)將溫度轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字·用戶可定義的非易失性溫度報(bào)警設(shè)置·報(bào)警搜索命令識(shí)別并標(biāo)志超過程序限定溫度（溫度報(bào)警條件）的器件·應(yīng)用包括溫度控制、工業(yè)系統(tǒng)、消費(fèi)品、溫度計(jì)或任何熱感測系統(tǒng)DS18B20與另一款測溫軟件AD590相比，其外圍硬件電路更加簡單，通過一個(gè)單線接口發(fā)送或接受信息，與單片機(jī)之間僅需一條連接

46、線，無需外部電源，無需AD轉(zhuǎn)換電路，安裝、使用方便，大大的節(jié)省了成本。DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-10所示：64位ROM和單線接口高速緩存存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器和控制邏輯溫度靈敏器件高溫觸發(fā)器TH配置寄存器8位CRC生成器低溫觸發(fā)器TL電源探測內(nèi)部VDD圖3-10 DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B20的引腳如圖3-11所示：DQDALLASDS18B20VCCGND 圖3-11 DS18B20外部引腳2.3 引腳說明：GND 接地，VCC接電源， DQ 是數(shù)據(jù)IO口。DS18B20構(gòu)成測溫系統(tǒng)只需外接一個(gè)上拉電阻即可實(shí)現(xiàn)與單片機(jī)之間的通訊線路簡單溫度檢測電路如圖3-12所示 圖3-12 溫度檢測電路

47、3.濕度傳感器的選擇濕度是表示空氣中水蒸氣含量的物理量，常用絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度來表示，影響植物生長的濕度是相對(duì)濕度?？焖?、準(zhǔn)確地測定花卉生長環(huán)境的濕度信息，對(duì)于探明植物生長環(huán)境此時(shí)是否為最佳狀態(tài)具有重要意義。針對(duì)室內(nèi)的具體環(huán)境，對(duì)濕度傳感器要求：可應(yīng)用在線監(jiān)測易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，有良好的靈敏度和精確度、寬量程，測濕范圍為0-100%RH，檢測壽命長，可靠性、穩(wěn)定性高，傳感器為線性輸出濕度檢測模塊。土壤濕度是最重要和最常用的土壤信息，它是科學(xué)地控制調(diào)節(jié)土壤水分狀況，進(jìn)行節(jié)水灌溉，實(shí)現(xiàn)科學(xué)用水的基礎(chǔ)。植物一般以土壤水分占土壤持水量的60%80%時(shí)生長最好，快速準(zhǔn)確地測定土壤水分對(duì)于探明植物生長發(fā)育期內(nèi)

48、土壤水分盈虧以便適時(shí)作出灌溉施肥決策或排水措施等具有重要的意義。目前，土壤水分的直接測定主要方法有烘干法即土鉆法(SA)，間接測量可用石膏電阻塊、電容法、張力計(jì)和中子儀、時(shí)域反射儀(TDR)等。考慮到成本及電路的復(fù)雜程度本系統(tǒng)采用簡單電路即可實(shí)現(xiàn)，使本系統(tǒng)控制土壤的濕度在60%80%之間。由V1和V2及部分外圍元件組成土壤水分檢測電路，石墨電極的體電阻隨濕度而變化，當(dāng)土壤濕度較大時(shí)，其體電阻較大， V1因其基極電位高而截止，造成V2也截止，其集電極輸出低電平。當(dāng)土壤水分降低到規(guī)定值時(shí)，V1因其基極電位降低而導(dǎo)通，于是V2也導(dǎo)通，由V 2 集電極輸出高電平，單片機(jī)控制電磁閥打開開始放水；待土壤水

49、分降低至規(guī)定值時(shí)，檢測電路中的V2管就輸出高電平，經(jīng)反向器U6反向后輸出低電平給單片機(jī)的P2.5端，控制電磁閥關(guān)閉。通過調(diào)節(jié)RES的阻值，可以控制土壤濕度的范圍在60%-80%之間，具體阻值由后期實(shí)驗(yàn)測定。土壤濕度傳感器電路組成如圖3-13所示：RES Adj216D2V1V21KR14AR13A3K石墨電極石墨電極P2.5U6AMC74AC06N11111616圖3-13 濕度傳感器電路組成4.光照檢測電路的選擇光照是作物生長的必要條件，是植物制造營養(yǎng)物質(zhì)的能源，沒有光的存在光合作用就不能進(jìn)行，作物的生長發(fā)育就要受到影響?？焖贉?zhǔn)確地測定作物生長環(huán)境的光照強(qiáng)度，對(duì)于探明作物生長環(huán)境狀態(tài)是否為最

50、佳，是否適宜作物生長，以便及時(shí)做出調(diào)控等具有重要的意義。光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器，它是把光信號(hào)(紅外、可見及紫外光輻射)轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)的器件?？捎糜跈z測直接引起光量變化的非電量，如光強(qiáng)、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等;也可用來檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量。光電式傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點(diǎn)。本系統(tǒng)的光照檢測電路采用LM324作比較器，光電三極管作感光元件，當(dāng)有光照并且達(dá)到一定的強(qiáng)度的時(shí)候，光電三極管導(dǎo)通，LM324輸出低電平，單片機(jī)接受低電平信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)做出相應(yīng)的動(dòng)作（拉開窗簾）。光照檢測電路如圖3-14所示：圖

51、3-14 光照檢測電路3.3.2輸出控制電路的設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)通過傳感器對(duì)受控對(duì)象的有關(guān)參數(shù)信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，經(jīng)過數(shù)字化變換進(jìn)入單片機(jī)CPU進(jìn)行必要的處理，而后輸出以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器件或機(jī)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，直接推動(dòng)被控對(duì)象來調(diào)整被測參量，最終目的以使受控參量始終處于要求值或范圍內(nèi)。在單片機(jī)完成控制處理后總是以數(shù)字信號(hào)通過I/O口線或數(shù)據(jù)總線輸出至受控對(duì)象的。對(duì)受控設(shè)備的驅(qū)動(dòng)常采用模擬量或數(shù)字量輸出驅(qū)動(dòng)兩種方式。而在實(shí)際的單片機(jī)測控系統(tǒng)中，數(shù)字量輸出控制已越來越廣泛地被應(yīng)用，尤其是其中的開關(guān)量輸出驅(qū)動(dòng)和控制。目前單片機(jī)I/O口線的驅(qū)動(dòng)能力和與CPU直接接口的一般TTL電路或CMOS電路的驅(qū)動(dòng)能力很有

52、限的，不足以驅(qū)動(dòng)那些功率開關(guān)(如繼電器、電機(jī)、電磁開關(guān)等)和強(qiáng)電設(shè)備、大功率負(fù)載，且由于工作現(xiàn)場環(huán)境惡劣、輸出通道接近控制對(duì)象及周圍的電磁等干擾嚴(yán)重，所以輸出控制電路設(shè)計(jì)主要是解決輸出隔離即干擾防治和功率驅(qū)動(dòng)問題。其邏輯框圖見圖3-15所示:單片機(jī)輸出驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器件繼電器光耦圖3-15 輸出通道控制示意圖本系統(tǒng)的執(zhí)行器件和機(jī)構(gòu)只有開啟和停閉兩種狀態(tài)，采用開關(guān)量形態(tài)輸出控制，經(jīng)I/0口到受控對(duì)象，據(jù)輸出控制具體情況附加功率放大驅(qū)動(dòng)電路后驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器件直接推動(dòng)受控對(duì)象。單片機(jī)與功率放大電路間易產(chǎn)生電磁干擾，因此采用光電耦合器隔離等抗干擾措施。開關(guān)量輸出電路中最主要的干擾是在控制動(dòng)力設(shè)備啟停時(shí)的沖擊干擾

53、。開關(guān)量輸出隔離的目的在于隔斷單片機(jī)與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的直接電氣聯(lián)系，以防地電位差、外界電磁場等干擾因素造成執(zhí)行機(jī)構(gòu)地誤動(dòng)作，甚至導(dǎo)致智能儀器本身的損壞。目前常用的開關(guān)量輸出驅(qū)動(dòng)隔離器件主要有：功率晶體管、光電耦合器件和繼電器等。功率晶體管適合于負(fù)載所需電流不太大的場合，常用來驅(qū)動(dòng)微型繼電器、LED顯示等。光電耦合器件具有輸出信號(hào)與輸入信號(hào)在電氣上完全隔離，抗干擾能力強(qiáng)，隔離電壓可達(dá)千伏以上;無觸點(diǎn)，壽命長，可靠性高;響應(yīng)速度快，易與TTL電路配合使用，兼有隔離驅(qū)動(dòng)功能。繼電器是利用改變金屬觸點(diǎn)位置使動(dòng)觸點(diǎn)和定觸點(diǎn)閉合或分開，所以繼電器具有接觸電阻小，流過電流大和耐壓高等優(yōu)點(diǎn);并且繼電器觸點(diǎn)的負(fù)載

54、能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光電耦合的負(fù)載能力，它能直接控制強(qiáng)電動(dòng)力回路，且外電路安排靈活，且還有很大的電流放大作用是一種很好的開關(guān)量輸出隔離及驅(qū)動(dòng)器件。本系統(tǒng)中被控對(duì)象都要用到功率驅(qū)動(dòng)器件，其中電磁閥約5V/個(gè)、天窗電機(jī)約10W/臺(tái)。電磁閥選用的是直流電磁閥，具有使用方便，高靈敏度，高效節(jié)能，壽命長，高可靠性的特點(diǎn)。產(chǎn)品適用于小型自動(dòng)供水。窗戶電機(jī)選用日本/THINK系列/直流馬達(dá)/DC24V/小齒輪減速電機(jī)。對(duì)輸出控制的前置隔離功放驅(qū)動(dòng)電路均采用功率晶體管、具有隔離驅(qū)動(dòng)功能的光電禍合器件和繼電器，其中隔離控制繼電器選用電磁式繼電器，繼電器兩端加接泄流二極管回路，用來保護(hù)驅(qū)動(dòng)器。3.3.2.1 硬件的抗干擾

55、設(shè)計(jì)在自動(dòng)澆灌控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)可靠性的保證是非常重要的，單片機(jī)硬件系統(tǒng)的可靠性決定了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。硬件抗干擾技術(shù)主要體現(xiàn)在過程通道抗干擾設(shè)計(jì)、供電系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)和印刷電路板抗干擾設(shè)計(jì)三個(gè)方面。單片機(jī)硬件系統(tǒng)的抗干擾能力與元器件質(zhì)量、裝配質(zhì)量等因素都有關(guān)系，但主要取決于設(shè)計(jì)的可制造性(DEM)，本系統(tǒng)采取如下相應(yīng)的抗干擾措施。1.采用抗干擾穩(wěn)壓電源 采用具有抗干擾能力的穩(wěn)壓電源，絕大部分干擾都可以克服。提高穩(wěn)壓電源抗干擾能力，通 常采用的措施:采用電源濾波和退禍;通過低通濾波器接入電網(wǎng)2.采用良好的接地系統(tǒng)。3.抑制電路內(nèi)部產(chǎn)生的干擾。沿著單片機(jī)主板邊緣，安置上一圈地線和電源線，并將0.luF的電容置于電源和地線間，以確保電源穩(wěn)定。4.采用光電耦合器隔離數(shù)字信號(hào)，強(qiáng)電與弱電之間采用繼電器隔離。5.印刷線路板大小要適中，且要合理分區(qū)按照單點(diǎn)接電源、單點(diǎn)接地的原則送電。在進(jìn)行印刷電路板抗干擾設(shè)計(jì)時(shí)除了遵循抗干擾設(shè)計(jì)原則外，在印刷電路板的重要元器件電源處均配置了退禍電容以有效地去除高頻成分的干擾。6、模擬電路與數(shù)字電路地線分開。模擬電路與數(shù)字電路地線分開有利于防止模擬電路與數(shù)據(jù)電路的干擾導(dǎo)致傳感器數(shù)據(jù)采集誤差，從而保證模擬信號(hào)的可靠采集。3.3.2.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由ULN2003作步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，單片機(jī)P1.0，P1.1，P1.2，P1.3輸出至ULN2003 的IN