優(yōu)秀畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）：基于單片機(jī)(MCU)的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、目 錄中文摘要I英文摘要II緒論11系統(tǒng)總體方案及傳感器選型31.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)述31.2系統(tǒng)的工作原理31.3傳感器的選型4溫度傳感器的選型4濕度傳感器的選擇52傳感器及其硬件電路設(shè)計(jì)62.1溫度傳感器DS18B20介紹62.2濕度傳感器HS1101介紹112.3硬件電路設(shè)計(jì)16溫度測(cè)量電路16濕度測(cè)量電路163人機(jī)接口電路173.1 鍵盤部分173.2顯示部分173.3 報(bào)警電路設(shè)計(jì)183.4 RS-485異步半雙工通信總線194 軟件設(shè)計(jì)204.1 主程序流程圖204.2 按鍵掃描子程序流程圖214.3 溫度程序流程圖224.4 濕度程序流程圖24結(jié)束語25致謝26參考文獻(xiàn)27附

2、錄128附錄237基于單片機(jī)的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要本設(shè)計(jì)首先給出了基于單片機(jī)的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體方案，描述了溫度傳感器DS18B20和濕度傳感器HS1101的工作原理；其次，進(jìn)行了硬件電路的設(shè)計(jì)，包括溫度測(cè)量電路、濕度測(cè)量電路、鍵盤與顯示電路以及報(bào)警電路；然后在硬件部分的基礎(chǔ)上又進(jìn)行了軟件部分的設(shè)計(jì)，包括主程序流程圖、按鍵掃描子程序流程圖和溫濕度程序流程圖，最后運(yùn)用C語言對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行了編程。通過實(shí)踐證明，該系統(tǒng)具有性能好、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，并且實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫濕度的測(cè)量、顯示、調(diào)節(jié)和報(bào)警功能。關(guān)鍵詞 單片機(jī) 溫度傳感器 濕度傳感器 THE MONITORING SYSTEM O

3、F THE TEMPERATURE AND HUMIDITY BASED ON SINGLE CHIP MIRCROCOMPUTER ABSTRACTIn this paper, we first present the general scheme of the monitoring system of the temperature and humidity based on single chip microcomputer, and describe the working principle of the temperature sensor DS18B20 and the humi

4、dity sensor HS1101. Secondly, this paper designed the hardware electric circuits which include temperature measurement circuit, humidity measurement circuit, key and display circuit and alarm circuit. Then on this basis, it designed the software,this software part includes main program flow diagrams

5、, the key-press scanning subprogram flow diagrams and temperature and humidity program flow diagrams. Finally, using C language programmed each part of the scheme. Prove through practice the system has the advantage of better performance and convenient operation, and also realized the measurement, d

6、isplay, regulation and alarm function of temperature and humidity.KEY WORDS single chip microcomputerthe temperature sensor the humidity sensor緒 論 溫濕度是衡量溫室大棚的重要指標(biāo),它直接影響到栽培作物的的生長和產(chǎn)量,為了能給作物提供一個(gè)合適的生長環(huán)境,首要問題是加強(qiáng)溫室內(nèi)的溫濕度的檢測(cè), 傳統(tǒng)的方法是用與濕度表、毛發(fā)濕度表、雙金屬式測(cè)量計(jì)和濕度試紙等測(cè)試器材，通過人工進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)不符合溫度和濕度要求的庫房進(jìn)行通風(fēng)、去濕和降溫等工作。這種人工測(cè)試方法費(fèi)

7、時(shí)費(fèi)力、效率低，且測(cè)試的溫度及濕度誤差大，隨機(jī)性大。因此我們需要一種造價(jià)低廉、使用方便且測(cè)量準(zhǔn)確的溫濕度測(cè)量?jī)x。本設(shè)計(jì)即是針對(duì)這一問題,設(shè)計(jì)出了能夠?qū)崿F(xiàn)溫濕度自動(dòng)檢測(cè),顯示,上下限報(bào)警等多功能的溫濕度監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)。 在傳統(tǒng)的溫度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,往往采用模擬技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。溫度傳感器一般采用熱電阻、熱電偶等模擬器件，需要額外加補(bǔ)償電路，安裝復(fù)雜，成本較高。而且必須經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后才可以被微處理器識(shí)別和處理。這樣就不可避免地遇到諸如引線誤差補(bǔ)償、多點(diǎn)測(cè)量中的切換誤差和信號(hào)調(diào)理電路的誤差等問題;而其中某一環(huán)節(jié)處理不當(dāng),就可能造成整個(gè)系統(tǒng)性能的下降。而DS1820新型單總線數(shù)字溫度傳感器，采用3腳(或8

8、腳)封裝，從DS1820讀出或?qū)懭霐?shù)據(jù)僅需要一根I/O口線，而且測(cè)量精度達(dá)到12位，最低精確到小數(shù)點(diǎn)后4位有效數(shù)字。用這種智能化數(shù)字式傳感器的優(yōu)勝顯而易見。 現(xiàn)代濕度測(cè)量方案最主要的有兩種：干濕球測(cè)濕法，電子式濕度傳感器測(cè)濕法。下面對(duì)這兩種方案進(jìn)行比較: 干濕球濕度計(jì)的特點(diǎn)：干濕球濕度計(jì)的準(zhǔn)確度只有57RH。干濕球測(cè)濕法采用間接測(cè)量方法，通過測(cè)量干球、濕球的溫度經(jīng)過計(jì)算得到濕度值，因此對(duì)使用溫度沒有嚴(yán)格限制，在高溫環(huán)境下測(cè)濕不會(huì)對(duì)傳感器造成損壞。干濕球測(cè)濕法的維護(hù)相當(dāng)簡(jiǎn)單，在實(shí)際使用中，只需定期給濕球加水及更換濕球紗布即可。與電子式濕度傳感器相比，干濕球測(cè)濕法不會(huì)產(chǎn)生老化，精度下降等問題。所以

9、干濕球測(cè)濕方法更適合于在高溫及惡劣環(huán)境的場(chǎng)合使用。 電子式濕度傳感器的特點(diǎn)： 電子式濕度傳感器的準(zhǔn)確度可以達(dá)到23RH。電子式濕度傳感器的精度水平要結(jié)合其長期穩(wěn)定性去判斷，一般說來，電子式濕度傳感器的長期穩(wěn)定性和使用壽命不如干濕球濕度傳感器。濕度傳感器是采用半導(dǎo)體技術(shù)，因此對(duì)使用的環(huán)境溫度有要求，超過其規(guī)定的使用溫度將對(duì)傳感器造成損壞。所以電子式濕度傳感器測(cè)濕方法更適合于在潔凈及常溫的場(chǎng)合使用。 系統(tǒng)完成后可以通過溫度傳感器DB18B20和濕度傳感器HS1101對(duì)大棚溫室內(nèi)的溫濕度進(jìn)行測(cè)量，通過單片機(jī)AT89S51對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，用LED顯示出當(dāng)前環(huán)境的溫濕度狀況，其中溫度可以有操作人

10、員根據(jù)不同作物所需的最適宜溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，當(dāng)環(huán)境溫度和設(shè)置的最適宜溫度之差大于3時(shí)，報(bào)警裝置即會(huì)啟動(dòng)。1 系統(tǒng)總體方案及傳感器選型1.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)述 該溫濕度測(cè)控系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)和報(bào)警系統(tǒng)組成，由溫度、濕度傳感器，顯示器，鍵盤與報(bào)警電路等組成。通過對(duì)信號(hào)的采集、分析、處理，然后輸出信號(hào)來使執(zhí)行部件進(jìn)行動(dòng)作，使溫室大棚達(dá)到所要求指標(biāo)。1.2 系統(tǒng)的工作原理溫濕度測(cè)控系統(tǒng)能完成數(shù)據(jù)采集和處理、顯示、串行通信、輸出控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話等多種功能。由數(shù)據(jù)采集及處理、單片機(jī)、控制和人機(jī)接口等4個(gè)大的部分組成。該測(cè)控系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)采集（檢測(cè)溫室大棚內(nèi)的溫濕度）、實(shí)時(shí)處理（對(duì)監(jiān)測(cè)到的溫濕度

11、值進(jìn)行比較分析，決定下一步控制進(jìn)程）、實(shí)時(shí)控制（根據(jù)處理的結(jié)果發(fā)出控制指令，指揮被控對(duì)象動(dòng)作）的功能。主要硬件包括溫度傳感器，濕度傳感器，AT89S51單片機(jī)、數(shù)據(jù)采集電路、LED顯示器、發(fā)光二極管、蜂鳴器、鍵盤等。其原理結(jié)構(gòu)圖如圖1-1所示：復(fù)位電路濕度傳感器處理電路溫度傳感器AT89S51單片機(jī)鍵盤顯示電路報(bào)警電路485半雙工收發(fā)器圖1-1 原理結(jié)構(gòu)圖 首先充分考慮氣候、環(huán)境因素對(duì)植物的影響，并根據(jù)溫室大棚內(nèi)植物保持正常狀態(tài)所需的溫度和濕度，設(shè)計(jì)出溫濕度參考值預(yù)先存儲(chǔ)于單片機(jī)中。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分是將溫濕度傳感器置于溫室內(nèi)部，測(cè)出室內(nèi)的溫濕度值之后送入AT89S51單片機(jī)中，然后LED顯示

12、出溫濕度測(cè)量值。單片機(jī)將預(yù)設(shè)的參考值與測(cè)量值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果做出判斷。當(dāng)溫濕度值超過允許的誤差范圍，系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警，如果有必要，工作人員還可以根據(jù)實(shí)際的情況通過鍵盤來人工修改片內(nèi)存儲(chǔ)的預(yù)設(shè)值。通過對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的核心單片機(jī)部分的設(shè)計(jì)，達(dá)到優(yōu)化控制溫濕度的目標(biāo)。1.3 傳感器的選型 傳感器是實(shí)現(xiàn)測(cè)量與控制的首要環(huán)節(jié)，是測(cè)控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，如果沒有傳感器對(duì)原始被測(cè)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的捕捉和轉(zhuǎn)換，一切準(zhǔn)確的測(cè)量和控制都將無法實(shí)現(xiàn)。工業(yè)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化測(cè)量和控制，幾乎主要依靠各種傳感器來檢測(cè)和控制生產(chǎn)過程中的各種參量，使設(shè)備和系統(tǒng)正常運(yùn)行在最佳狀態(tài)，從而保證生產(chǎn)的高效率和高質(zhì)量，因此選擇正確的溫濕度傳

13、感器在設(shè)計(jì)中起著至關(guān)重要的作用。溫度傳感器的選型 方案一：采用熱電阻溫度傳感器 熱電阻是利用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性制成的測(cè)溫元件?，F(xiàn)應(yīng)用較多的有鉑、銅、鎳等熱電阻。其主要的特點(diǎn)為精度高、測(cè)量范圍大、便于遠(yuǎn)距離測(cè)量。 鉑的物理、化學(xué)性能極穩(wěn)定，耐氧化能力強(qiáng)，易提純，復(fù)制性好，工業(yè)性好，電阻率較高，因此，鉑電阻用于工業(yè)檢測(cè)中高精密測(cè)溫和溫度標(biāo)準(zhǔn)。缺點(diǎn)是價(jià)格貴，溫度系數(shù)小，受到磁場(chǎng)影響大，在還原介質(zhì)中易被玷污變脆。按IEC標(biāo)準(zhǔn)其測(cè)溫范圍為-200650，百度電阻比W（100）=1.3850時(shí)，R0為100和10，其允許的測(cè)量誤差A(yù)級(jí)為±（0.15+0.002t），B級(jí)為±（0

14、.3+0.005t）。 銅電阻的溫度系數(shù)比鉑電阻大，價(jià)格低，也易于提純和加工，但其電阻率小，在腐蝕性介質(zhì)中使用穩(wěn)定性差。在工業(yè)中用于-50180測(cè)溫。 方案二：采用DS18B20作為溫度傳感器DS18B20是由Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的“一線總線”接口的溫度傳感器。一線總線結(jié)構(gòu)具有簡(jiǎn)潔且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，可使用戶輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念，DS18B20的測(cè)溫范圍為-55+125，在-10+85范圍內(nèi)，精度為±0.0625，現(xiàn)場(chǎng)溫度可直接通過“一線總線”以數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。DS18B20適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，如環(huán)境控制、設(shè)備或過程

15、控制、測(cè)溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。它工作在3V5.5V的電壓范圍，采用多種封裝形式，從而使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便，設(shè)定分辨率及用戶設(shè)定的報(bào)警溫度存儲(chǔ)在EEPROM中，掉電后依然保存。綜合比較方案一與方案二，方案二更為適合于本設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)于溫度傳感器的選擇。濕度傳感器的選擇 測(cè)量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學(xué)性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量及周圍空氣的濕度。電容式、電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據(jù)其高分子材料吸濕后的介電常數(shù)、電阻率和體積隨之發(fā)生變化而進(jìn)行濕度測(cè)量的。 方案一：采用HOS-201濕敏傳感器HOS-201濕敏傳感器為高濕度開關(guān)傳感器，它的

16、工作電壓為交流1V以下，頻率為50HZ1KHZ，測(cè)量濕度范圍為0100%RH，工作溫度范圍為050，阻抗在75%RH（25）時(shí)為1M。這種傳感器原是用于開關(guān)的傳感器，不能在寬頻帶范圍內(nèi)檢測(cè)濕度，因此，主要用于判斷規(guī)定值以上或以下的濕度電平。然而，這種傳感器只限于一定范圍內(nèi)使用時(shí)具有良好的線性，可有效地利用其線性特性。方案二：采用HS1100/HS1101濕度傳感器HS1101電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個(gè)電容器件，其電容量隨著所測(cè)空氣濕度的增大而增大。不需校準(zhǔn)的完全互換性，高可靠性和長期穩(wěn)定性，快速響應(yīng)時(shí)間，專利設(shè)計(jì)的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，由頂端接觸（HS1100）和側(cè)面接觸（HS1101）兩種

17、封裝產(chǎn)品，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動(dòng)插件和自動(dòng)裝配過程等。相對(duì)濕度在1%-100%RH范圍內(nèi)；電容量由16pF變到200pF，其誤差不大于±2%RH；響應(yīng)時(shí)間小于5S；溫度系數(shù)為0.04 pF/。可見精度是較高的。綜合比較方案一與方案二，方案一雖然滿足精度及測(cè)量濕度范圍的要求，但其只限于一定范圍內(nèi)使用時(shí)具有良好的線性，可有效地利用其線性特性。而且還不具備在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中對(duì)溫度-3050的要求，因此，我們選擇方案二來作為本設(shè)計(jì)的濕度傳感器。2 傳感器及其硬件電路設(shè)計(jì)2.1 溫度傳感器DS18B20介紹測(cè)溫元件采用新型的溫度傳感器DS18B20。DS18

18、B20是由Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的“一線總線”接口的溫度傳感器。一線總線結(jié)構(gòu)具有簡(jiǎn)潔且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，可使用戶輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念，DS18B20的測(cè)溫范圍為-55+125，在-10+85范圍內(nèi)，精度為±0.0625，現(xiàn)場(chǎng)溫度可直接通過“一線總線”以數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。DS18B20適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，如環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測(cè)溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。它工作在3V5.5V的電壓范圍，采用多種封裝形式，從而使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更靈活、方便，設(shè)定分辨率及用戶設(shè)定的報(bào)警溫度存儲(chǔ)在EEPROM中，掉電后依然保存。DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如

19、圖2-1所示：圖2-1 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫度測(cè)量原理電路如圖2-2所示：低溫度系數(shù)振蕩器斜率累加器計(jì)數(shù)比較器預(yù)置減法計(jì)數(shù)器減至0溫度寄存器預(yù)置高溫度系數(shù)振蕩器減法計(jì)數(shù)器減至0圖2-2 溫度測(cè)量原理電路DS18B20主要有4部分組成：64為ROM、溫度傳感器、非易失性溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL、配置寄存器。DS18B20有三個(gè)引腳，GND接地；DQ數(shù)字信號(hào)的輸出/輸入；Vdd為外接電源輸入端。DS18B20的封裝形式及引腳排列如圖2-3所示：圖2-3DS18B20的引腳排列圖DS18B20有4個(gè)主要的數(shù)據(jù)部件：(1)光刻ROM中的64位序列號(hào)是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20

20、的地址序列碼。64位光刻ROM的排列是：開始8位（28H）是產(chǎn)品類型標(biāo)號(hào)，接著的48位是該DS18B20自身的序列號(hào)，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一個(gè)DS18B20都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)DS18B20的目的。(2)DS18B20中的溫度傳感器可完成對(duì)溫度的測(cè)量，以12位轉(zhuǎn)化為例：用16位符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，以0.0625/LSB形式表達(dá)，其中S為符號(hào)位。其中DQ為數(shù)字信號(hào)輸入/輸出端；GND為電源地；VDD為外接供電電源輸入端(采用寄生電源供電方式時(shí)接地)。DS18B20溫度數(shù)據(jù)如表2-1所示：

21、表2-1DS18B20溫度數(shù)據(jù)表TEMPERATUREDIGITAL OUTPUT（Binary）DIGITAL OUTPUT(Hex)+125+85+25.0265+10.125+0.50-0.5-10.125-25.0625-550000 0111 1101 00000000 0101 0101 00000000 0001 1001 00010000 0000 1010 00100000 0000 0000 10000000 0000 0000 00001111 1111 1111 10001111 1111 0101 11101111 1110 0110 11111111 1100 10

22、01 000007D0h0550h0191h00A2h0008h0000hFFF8hFF5EhFF6EhFC90H(3)DS18B20溫度傳感器的存儲(chǔ)器 DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器包括一個(gè)高速暫存RAM和一個(gè)非易失性的可電擦除的EEPRAM，后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器TH、TL和結(jié)構(gòu)寄存器。 (4)配置寄存器 該字節(jié)各位的意義如表2-2所示：表2-2 配置寄存器結(jié)構(gòu)TM R1 R0 1 1 1 1 1 低五位一直都是1，TM是測(cè)試模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在測(cè)試模式。在DS18B20出廠時(shí)該位被設(shè)置為0，用戶不要去改動(dòng)。R1和R0用來設(shè)置分辨率，如下表所示（DS1

23、8B20出廠時(shí)被設(shè)置為12位）：表2-3 分辨率設(shè)置R1R0分辨率溫度最大轉(zhuǎn)換時(shí)間009位93075ms0110位187.5ms1011位375ms1112位750msDSl8B20工作過程中的協(xié)議如下： 初始化：ROM操作命令；存儲(chǔ)器操作命令；處理數(shù)據(jù)。 初始化 單總線上的所有處理均從初始化開始。 ROM操作命令 總線主機(jī)檢測(cè)到DSl820的存在，便可以發(fā)出ROM操作命令之一，這些命令如 ：指令代碼 Read ROM(讀ROM) 33H Match ROM(匹配ROM) 55H Skip ROM(跳過ROM CCH Search ROM(搜索ROM) F0H Alarm search(告警搜

24、索) ECH存儲(chǔ)器操作命令 指令代碼Write Scratchpad(寫暫存存儲(chǔ)器) 4EH Read Scratchpad(讀暫存存儲(chǔ)器) BEH Copy Scratchpad(復(fù)制暫存存儲(chǔ)器) 48H Convert Temperature(溫度變換) 44H Recall EPROM(重新調(diào)出) B8H Read Power supply(讀電源) B4H 時(shí)序 主機(jī)使用時(shí)間隙(time slots)來讀寫DSl820的數(shù)據(jù)位和寫命令字的位 (1)初始化 時(shí)序見圖2-4。主機(jī)總線T0時(shí)刻發(fā)送一復(fù)位脈沖(最短為480us的低電平信號(hào))，接著在tl時(shí)刻釋放總線并進(jìn)入接收狀態(tài)，DSl8B20

25、在檢測(cè)到總線的上升沿之后，等待15-60us，接著DSl8B20在t2時(shí)刻發(fā)出存在脈沖(低電平持續(xù)60-240us)，如圖中虛線所示：圖2-4 主機(jī)讀時(shí)序(2)寫時(shí)間隙當(dāng)主機(jī)總線t0時(shí)刻從高拉至低電平時(shí)，就產(chǎn)生寫時(shí)間隙，見圖2.5、圖2.6，從t0時(shí)刻開始15us之內(nèi)應(yīng)將所需寫的位送到總線上，DSl8B20在t0后15-60us間對(duì)總線采樣。若低電平，寫入的位是0，見圖2-5；若高電平，寫入的位是1，見圖2-6。連續(xù)寫2位間的間隙應(yīng)大于1us。圖2-5 DS18B20寫0圖2-6 DS18B20寫1(3)讀時(shí)間隙 見圖2-7，主機(jī)總線t0時(shí)刻從高拉至低電平時(shí)，總線只須保持低電平t0一t1。之后

26、在t1時(shí)刻將總線拉高，產(chǎn)生讀時(shí)間隙，讀時(shí)間隙在t1時(shí)刻后t2時(shí)刻前有效。t2距t0為15us,也就是說t2時(shí)刻前主機(jī)必須完成讀位,并在t0后的60us一120 us內(nèi)釋放總線。 圖2-7主機(jī)讀時(shí)序2.2 濕度傳感器HS1101介紹測(cè)量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學(xué)性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量及周圍空氣的濕度。電容式、電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據(jù)其高分子材料吸濕后的介電常數(shù)、電阻率和體積隨之發(fā)生變化而進(jìn)行濕度測(cè)量的。下面介紹HS1101濕度傳感器及其應(yīng)用。 HS1101的特點(diǎn)是不需校準(zhǔn)的完全互換性，高可靠性和長期穩(wěn)定性，具有快速響應(yīng)時(shí)

27、間，可以自動(dòng)化焊接，包括波峰焊或水浸，專利設(shè)計(jì)的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動(dòng)插件和自動(dòng)裝配過程等。圖2-8為濕敏電容工作的溫、濕度范圍。圖2-9為濕度-電容響應(yīng)曲線。 圖2-8 濕敏電阻工作的溫、濕度范圍 圖2-9 濕度-電容響應(yīng)曲線相對(duì)濕度在1%-100%RH范圍內(nèi)；電容量由16pF變到200pF，其誤差不大于±2%RH；響應(yīng)時(shí)間小于5S；溫度系數(shù)為0.04 pF/。可見精度是較高的。HUMIREL 濕度傳感器 HS1101基于獨(dú)特工藝設(shè)計(jì)的電容元件，這些相對(duì)濕度傳感器可以大批量生產(chǎn)?？梢詰?yīng)用于辦公自動(dòng)化，車廂內(nèi)空氣質(zhì)量控制，家電，

28、工業(yè)控制系統(tǒng)等。在需要濕度補(bǔ)償?shù)膱?chǎng)合他也可以得到很大的應(yīng)用。HS1101的外部結(jié)構(gòu)及符號(hào)如圖2-10所示： 圖2-10 HS1101的符號(hào)及外部結(jié)構(gòu)HS1101電容式濕度傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個(gè)電容器件，其電容量隨著所測(cè)空氣濕度的增大而增大。如何將電容的變化量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)易于接受的信號(hào)，常有兩種方法：一是將該濕敏電容置于運(yùn)放與阻容組成的橋式振蕩電路中，所產(chǎn)生的正弦波電壓信號(hào)經(jīng)整流、直流放大、再A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；另一種是將該濕敏電容置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之成反比的電壓頻率信號(hào)，可直接被計(jì)算機(jī)所采集。 空氣濕度與電壓頻率的典型值如表2-4所示：表2-4 空氣濕度

29、與電壓頻率的典型值濕度頻率濕度頻率%RHHZ%RHHZ073516066001072247064682071008063303069769061684068531006033506728本系統(tǒng)采用的是將HS1101接入555定時(shí)器組成的震蕩電路中，輸出一定頻率的方波信號(hào)，這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，因此被廣泛采用，具體結(jié)構(gòu)圖如2-11下： 圖2-11HS1101和NE556構(gòu)成的濕度采集電路集成定時(shí)器NE555一方面可以形成單穩(wěn)態(tài)電路，另一方面可以形成多諧振蕩電路，本系統(tǒng)選用的是NE556，它內(nèi)部含有兩個(gè)NE555定時(shí)器，其中R1，R2,C1,C2和NE556構(gòu)成多諧振蕩器，外接電阻R1,R2

30、和濕敏電容C1構(gòu)成了對(duì)濕敏電容C1的充電回路，7端通過芯片內(nèi)部的晶體管對(duì)地短路又構(gòu)成了對(duì)C1的放電回路，并將2，6端相連引入到片內(nèi)比較器。該振蕩電路的兩個(gè)暫穩(wěn)態(tài)過程交替如下：首先是電源Ucc通過R1,R2向C2充電，經(jīng)T1充電時(shí)后，Uc2充至內(nèi)比較器的高觸發(fā)電平，約2/3Ucc，此時(shí)輸入引腳3端由高電平突降為低電平，然后通過R2放電，經(jīng)T2放電時(shí)間后，Uc2下降到比較器的低觸發(fā)電平，約1/3Ucc，此時(shí)輸入引腳3端又由低電平躍升為高電平，如此反復(fù)，形成方波輸出，其中充放電時(shí)間為：T1=C1(R1+R2)ln2(2-1)T2=C1R2ln2(2-2)因而輸出的方波頻率為：f=1/(T1+T2)=

31、1/C1(R1+2R2)ln2=50HZ (2-3)只要改變定時(shí)元件R1和R2就可以改變脈沖的頻率，從多諧振蕩器出來的信號(hào)又接入到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器它有兩個(gè)觸發(fā)狀態(tài)，一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，一個(gè)暫穩(wěn)定狀態(tài)，在外來觸發(fā)脈沖作用下，能夠由穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)定狀態(tài)，而暫穩(wěn)定狀態(tài)維持一段時(shí)間后，再自動(dòng)的返回到穩(wěn)定狀態(tài)，且暫穩(wěn)定狀態(tài)持續(xù)時(shí)間長短取決與電路本身參數(shù)，圖中，R3,C3和傳感器HS1101是外接地定時(shí)元件，觸發(fā)脈沖Ui由5端輸出，由8端輸入，下降沿有效，從9端輸出一個(gè)幅度，寬度都一定的矩形波信號(hào)，輸出的脈沖寬度Tp為：Tp=R3(C2+Cx)ln3(2-4)雖然從NE556輸出的是標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號(hào)

32、，為了減少外界對(duì)信號(hào)的干擾，設(shè)計(jì)中采用低通濾波器，過濾掉高頻信號(hào)的干擾，然后直接用單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器T1來測(cè)量脈寬Tp，通過脈寬值，我們可以得到濕度傳感器的電容值，知道了傳感器的電容值，我們就可以分析電容與濕度的關(guān)系，下圖為HS1101的典型輸出曲線，相對(duì)濕度在1%-99%RH之間，電容量由163pf變化到202pf，其誤差不大于±2%RH，響應(yīng)時(shí)間小于5S，溫度系數(shù)為0.04pf/。濕度傳感器HS1101的典型輸出曲線如圖2-12所示：圖2-12 HS1101的典型輸出曲線根據(jù)HS1101的典型輸出曲線，以及傳感器的相關(guān)資料，我們可以得到電容值與濕度值的近似關(guān)系為：RH(Cx-16

33、3）/0.39 (2-5)我們可以根據(jù)前面測(cè)量出的NE556輸出的脈寬值，求出相應(yīng)的電容值，再根據(jù)上式，我們就可以由相應(yīng)的電容值求出濕度值。2.3 硬件電路設(shè)計(jì)溫度測(cè)量電路溫度測(cè)量采用DS18B20，它是單線傳輸器件，不需校正溫宿，接口接的是P3.6,具體的溫度測(cè)量電路如圖3-1所示：圖3-1溫度測(cè)量電路濕度測(cè)量電路濕度測(cè)量用的是HS1101電容式濕度傳感器，他與NE556組成一方波發(fā)生電路，濕度改變對(duì)應(yīng)頻率的變化，用單片機(jī)采集頻率值進(jìn)行轉(zhuǎn)化得出濕度值，具體的濕度測(cè)量電路如圖3-2所示：圖3-2 濕度測(cè)量電路3人機(jī)接口電路3.1 鍵盤部分根據(jù)該系統(tǒng)的實(shí)際情況，我選用了獨(dú)立式鍵盤。獨(dú)立式鍵盤是各

34、個(gè)按鍵相互獨(dú)立地連通兩條輸入數(shù)據(jù)線。這種鍵盤結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是當(dāng)鍵的數(shù)量較多時(shí)占用的I/O線的數(shù)量較多。其電路結(jié)構(gòu)如圖3-3所示：圖3-3 鍵盤連接3.2 顯示部分八位數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)顯示方式，動(dòng)態(tài)顯示可節(jié)省端口，方便連接，由于每個(gè)數(shù)碼管處于輪流導(dǎo)通狀態(tài)，因此，每次只有一個(gè)數(shù)碼管點(diǎn)亮，比靜態(tài)數(shù)碼管可省電。數(shù)碼管顯示電路如圖3-4所示：圖3-4 顯示電路3.3報(bào)警電路設(shè)計(jì)在微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，為了安全生產(chǎn)，對(duì)于一些重要的參數(shù)或系統(tǒng)部位，都設(shè)有緊急狀態(tài)報(bào)警系統(tǒng)，以便提醒操作人員注意，或采取緊急措施。其方法就是把計(jì)算機(jī)采集的數(shù)據(jù)或記過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、數(shù)字濾波，標(biāo)度變換之后，與該參數(shù)上下

35、限給定值進(jìn)行比較，如果高于上限值（或低于下限值）則進(jìn)行報(bào)警，否則就作為采樣的正常值，進(jìn)行顯示和控制。本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)發(fā)光二級(jí)管和蜂鳴器作為報(bào)警電路。發(fā)光二級(jí)管與單片機(jī)的兩個(gè)I/O口連接，當(dāng)測(cè)定的溫度或者濕度超過上下限時(shí)，二極管發(fā)光報(bào)警。蜂鳴器報(bào)警電路的設(shè)計(jì)只需購買市售的壓電式蜂鳴器，然后通過AT89S51的1根口線經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲。壓電式蜂鳴器需要約10mA的驅(qū)動(dòng)電流，可以使用TTL系列集成電路7406或7407低電平驅(qū)動(dòng)，也可以用一個(gè)晶體三極管驅(qū)動(dòng)。在圖中，當(dāng)輸出高電平“1”時(shí)，晶體管導(dǎo)通，壓電蜂鳴器兩端獲得約+5V電壓而鳴叫；當(dāng)輸出低電平“0”時(shí)，三極管截止，蜂鳴器停止發(fā)聲。圖3-5、

36、3-6為電路原理圖：圖3-5發(fā)光二級(jí)管報(bào)警電路圖3-6三極管驅(qū)動(dòng)的蜂鳴器報(bào)警電路3.4 RS-485異步半雙工通信總線RS-485異步半雙工通信總線是被廣泛使用的數(shù)據(jù)通信總線，往往應(yīng)用在集中控制樞紐與分散控制單元之間。在本系統(tǒng)中，使用RS-485異步半雙工通信總線，能夠多點(diǎn)測(cè)量大棚溫濕度，并與上位機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。485總線應(yīng)用電路圖如圖3-7所示：圖3-7RS-485總線的應(yīng)用電路圖在應(yīng)用系統(tǒng)中，主機(jī)與分機(jī)一般相隔較遠(yuǎn)，而分級(jí)系統(tǒng)上電或復(fù)位又常常不在同一個(gè)時(shí)刻完成，如果在此時(shí)DE端電位為“1”，那么485總線的輸出將會(huì)處于發(fā)送狀態(tài)，也就是占用了通信總線，這樣其他的分機(jī)就無法與主機(jī)進(jìn)行通信

37、。這種情況尤其表現(xiàn)在某個(gè)分機(jī)出現(xiàn)異常情況下（死機(jī)），會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)通信崩潰。因此在電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證系統(tǒng)上電復(fù)位時(shí)DE端電位為“0”。485總線輸出電路的設(shè)計(jì)要考慮到線路上的各種干擾及線路特性阻抗的匹配。由于工程環(huán)境的原因，現(xiàn)場(chǎng)常有各種形式的干擾，所以485總線的傳輸端一定要加有保護(hù)措施，在電路設(shè)計(jì)中采用穩(wěn)壓管D1、D2組成的吸收回路，有效地抵抗干擾。考慮到線路的特殊情況（如一條分機(jī)的485芯片被擊穿短路），為防止總線中其他分機(jī)的通信受到影響，在輸出端串聯(lián)了兩個(gè)20的電阻R34、R36，這樣本機(jī)的硬件故障就不會(huì)使整個(gè)總線的通信受到影響。在應(yīng)用系統(tǒng)工程的現(xiàn)場(chǎng)施工中，由于通信載體是雙絞線，它的特性阻

38、抗為120左右，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)，在RS-485網(wǎng)絡(luò)傳輸線的始端和末端應(yīng)加一個(gè)120的電阻（如圖中R35），以減少線路上傳輸信號(hào)的反射。由于RS-485芯片的特性，接收器的檢測(cè)靈敏度為±200mV，即差分輸入端VA-VB200mV,輸出邏輯1；VA-VB-200mV，輸出邏輯0；而A、B端電位差的絕對(duì)值小于200mV時(shí)，輸出為不確定。如果在總線上所有發(fā)送器被禁止時(shí)，接收器輸出邏輯0，這會(huì)誤認(rèn)為通信幀的起始引起工作不正常。解決這個(gè)問題的辦法是人為的使A端電位高于B端電位，這樣RXD的電平在485總線不發(fā)送期間呈現(xiàn)唯一的高電平，8951單片機(jī)就不會(huì)被誤中斷而收到亂字符，通過在485電路的A

39、、B端加接上拉電阻R33、R37，即可很好的解決這個(gè)問題。485芯片的軟件編程對(duì)產(chǎn)品的可靠性也有很大影響。由于485總線是異步半雙工的通信總線，在某一個(gè)時(shí)刻，總線只可能呈現(xiàn)一種狀態(tài)，所以這種方式一般適用于主機(jī)對(duì)分機(jī)的查詢方式通信，總線上必然有一種始終處于主機(jī)地位的設(shè)備在巡檢其他分機(jī)，所以需要制定一套合理的通信協(xié)議來協(xié)調(diào)總線的分時(shí)共用。這里采用的是數(shù)據(jù)包通信方式，通信數(shù)據(jù)是成幀成包發(fā)送的，每包數(shù)據(jù)都有引導(dǎo)碼、長度碼、地址碼、地址碼、命令碼、內(nèi)容、校驗(yàn)碼等部分組成。其中引導(dǎo)碼是用于同步每一包數(shù)據(jù)的引導(dǎo)頭；長度碼是這一包數(shù)據(jù)的總長度；命令碼是主機(jī)對(duì)分機(jī)的控制命令；地址碼是分機(jī)的本機(jī)地址號(hào)；內(nèi)容是這一

40、包數(shù)據(jù)里的各種信息；校驗(yàn)碼是這一包數(shù)據(jù)的校驗(yàn)標(biāo)志，可以采用奇偶校驗(yàn)、和校驗(yàn)等不同方式。在485 通信的芯片中，尤其要注意對(duì)485控制端DE的軟件編程。為了可靠地工作，在485總線狀態(tài)切換時(shí)需要做適當(dāng)延時(shí)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，具體做法是在數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)下，先將控制端置“1”，延時(shí)1ms左右的時(shí)間，再發(fā)送有效的數(shù)據(jù)，一包數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后再延時(shí)1ms左右的時(shí)間后，將控制端置“0”。這樣的處理會(huì)使總線在狀態(tài)切換時(shí)，有一個(gè)穩(wěn)定的工作過程。4 軟件設(shè)計(jì)4.1 主程序流程圖主程序流程圖如圖4-1所示：開始初始化單片機(jī)初始化DS18B20初始化HS1101初始化LED讀取溫度數(shù)據(jù)顯示讀取濕度數(shù)據(jù)返回圖4-1系統(tǒng)主程

41、序流程圖4.2 按鍵掃描子程序流程圖按鍵掃描子程序如圖4-2所示：KEY0鍵按下KEY1鍵按下設(shè)定溫度值加1設(shè)定溫度值減1正常工作指示燈工作YYYNNN異常指示燈工作蜂鳴器報(bào)警檢測(cè)到溫度在正常范圍圖4-2 按鍵掃描子程序流程圖4.3 溫度程序流程圖溫度報(bào)警程序流程圖如圖4-3所示：開始總線復(fù)位跳過ROM設(shè)置匹配ROM發(fā)送ROM編號(hào)報(bào)警開始溫度轉(zhuǎn)換延時(shí)1秒顯示溫度DS18B20開始溫度轉(zhuǎn)換是否超限制溫度NY圖4-3溫度報(bào)警流程圖4.4 濕度程序流程圖濕度測(cè)量部分程序流程圖如圖4-4所示：濕度處理函數(shù)重新設(shè)置定時(shí)器，計(jì)數(shù)從頭來過，等待3s后下一次結(jié)果定時(shí)器0、1初始化讀取定時(shí)器計(jì)數(shù)值函數(shù)返回定時(shí)器

42、設(shè)置50ms定時(shí)，啟動(dòng)定時(shí)中斷對(duì)計(jì)數(shù)值求算法得濕度值，保存，以便顯示調(diào)用是否中斷60次，即3sYN圖4-4濕度測(cè)量部分程序流程圖結(jié)束語本設(shè)計(jì)以滿足工況需要最大限度的提高工作效率和節(jié)省人力物力為出發(fā)點(diǎn)，使用AT89S51單片機(jī)對(duì)溫室大棚內(nèi)的溫濕度進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、接收，處理、發(fā)送和控制。單片機(jī)采用C語言程序，建立模塊化結(jié)構(gòu)，各模塊互相獨(dú)立，有較高的可靠性和擴(kuò)展性?？膳c上位機(jī)連機(jī)通訊，實(shí)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，大大提高了儲(chǔ)存質(zhì)量也節(jié)省了大量的人力物力。本設(shè)計(jì)的有優(yōu)點(diǎn)在于操作人員可根據(jù)不同農(nóng)作物的需求來設(shè)定最佳適宜溫度值，在當(dāng)前溫度偏離所設(shè)定的適宜溫度±3時(shí)，報(bào)警裝置發(fā)光二極管和蜂鳴器即會(huì)啟動(dòng)，該系統(tǒng)基

43、本實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫濕度的測(cè)量與顯示，操作人員可以根據(jù)顯示指示，來判斷當(dāng)前溫濕度是否對(duì)作物生長有利。 該系統(tǒng)的不足之處在于沒能夠?qū)崿F(xiàn)溫濕度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，可以進(jìn)一步加入溫濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)電路，在當(dāng)前溫濕度超出作物所需的最適宜條件時(shí)，啟動(dòng)溫濕度調(diào)節(jié)裝置，就可以真正的實(shí)現(xiàn)溫濕度的自動(dòng)控制。 致 謝參考文獻(xiàn)1梁中明. 基于DS18B20與虛擬I(2)C總線的數(shù)字溫度測(cè)量裝置設(shè)計(jì)J.湖北電子報(bào),2006.2劉迎春.傳感器原理設(shè)計(jì)與應(yīng)用M.北京:國防科技大學(xué)出版社,2005. 205-207. 3余成波.胡新宇,趙勇. 傳感器與自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)M.北京:高等教育出版社,2006.4金杰. DS18B20實(shí)現(xiàn)高精度溫度測(cè)量J

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45、明,梁旭,岳洋.基于CAN總線設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)J.化工自動(dòng)化及儀表,2010,37（6）：79-81.12張培仁,孫力.基于C語言C8501F系列微控制器原理與應(yīng)用M.北京：清華大學(xué)出版社，2007.13Oregano Systems. MC8051 IPCore UserGuide z.Oregano Systems.2002.6.14馮顯英,葛榮雨.基于數(shù)字溫濕度傳感器SHT11的溫濕度測(cè)控系統(tǒng)J.自動(dòng)化儀表，2006,27(1):5961.15李俊,張曉東.基于單片機(jī)的溫濕度檢測(cè)與控制系統(tǒng)研究J.微計(jì)算機(jī)信息，2008,24(17):116118.16陶然,王樹文.智能化溫室環(huán)

46、境控制系統(tǒng)的研究J.農(nóng)機(jī)化研究，2003,33(2):5355.17Sensirion Company.SHT1 x/SHT7x humidity temperaturesensor datasheetZ. 2005.附錄1：程序清單/*/ #include "reg52.h" #include "intrins.h" /_nop_();延時(shí)函數(shù)用#include "string.h" #define Disdata P1 /段碼輸出口 #define uchar unsigned char #define uint unsigned

47、 int /* 485通信命令 */#define _ACTIVE_ 0x01 / 主機(jī)詢問從機(jī)是否存在#define _GETDATA_ 0x02 / 主機(jī)發(fā)送讀設(shè)備請(qǐng)求#define _OK_ 0x03 / 從機(jī)應(yīng)答#define _STATUS_ 0x04/ 從機(jī)發(fā)送設(shè)備狀態(tài)信息#define _MAXSIZE 0x08 / 緩沖區(qū)長度#define _ERRLEN 12 / 任何通信幀長度超過12則表示出錯(cuò)uchar dbuf_MAXSIZE; / 該緩沖區(qū)用于保存設(shè)備狀態(tài)信息uchar dev=1; / 該字節(jié)用于保存本機(jī)設(shè)備號(hào)unsigned int S,G,TH,RS; unsi

48、gned char B1,B2,B3;/定義數(shù)的各位數(shù)，分別為百，十，個(gè)位 uint number; unsigned char num=0; sbit DQ=P36; /溫度輸入口sbit HS=P35; /濕度輸入口 sbit DIN=P17; /LED小數(shù)點(diǎn)控制 sbit LED1=P22; sbit LED2=P23; sbit BEEP=P27; /蜂鳴器輸出口 sbit key1=P20; sbit key2=P21; sbit S1=P00; /位選端sbit S2=P01; sbit S3=P02; sbit S4=P03; sbit S5=P04; sbit S6=P05;

49、sbit S7=P06; sbit S8=P07; sbit M_RE=P26; /接收器使能，0有效sbit M_DE=P25; /驅(qū)動(dòng)器使能，1有效uint h,T; uint temp; uchar coad ASCii=48,49,50,51,52,53,54,55,56,57;/* 溫度小數(shù)部分用查表法*/ uchar code ditab16= 0x00,0x01,0x01,0x02,0x03,0x03,0x04,0x04,0x05,0x06,0x06,0x07,0x08,0x08,0x09,0x09; / uchar code dis_7=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,

50、0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f;/共陰LED 段碼表 "0" " 1" "2" "3" "4" "5" "6" "7" "8" "9" uchar data temp_da ta2=0x00,0x00; /讀出溫度暫放 uchar data display4 =0x00,0x00,0x00,0x00; /顯示單元數(shù)據(jù)，共 3 個(gè)數(shù)據(jù)和一個(gè)運(yùn)算暫用 /*11us 延時(shí)函數(shù)

51、* * */ void del10ms() uint a,b; for(a=40;a!=0;a-) for(b=248;b!=0;b-); void delay(uint t) for (;t>0;t-); /*/ void timer0()interrupt 1 TH0=0x3C; TL0=0xB0;/定時(shí) 50ms num+;/記到 20 就直接停止 /*/ void scankey() if ( key1=0) del10ms(); if(key1=0) TH+; if (key2=0) del10ms(); if(key2=0) TH-; T=display2*10+display1; if