毕业论文-基于51单片机的温湿度控制系统的研究.doc

基于51单片机的温湿度控制系统的研究摘 要现代农业生产离不开环境控制，随着计算机自动化和单片机技术的不断发展，许多地方都实现了无人值守或智能控制。温度和湿度是日常生产中常见的被控参数，因此对温度和湿度的控制对工农业等日常生产的智能化及自动化相当重要。为此，我们引入了89c51系列单片机。本次设计的温湿度控制系统可利用单片机对所采集的温湿度数据进行实时检测与分析，并作出及时判断，从而实现温湿度控制的智能化及自动化。其中温度数据的采集是由温度传感器ds18b20将采集的数据转化为数字量，然后被送入单片机中进行处理。湿度数据的采集是由湿度传感器hs1101完成的，然后经a/d转换后，将数字量送入单片机进行数据处理。同时在设备出现故障的时候，语音报警电路和数字显示电路的组合，会更好地是值班人员了解当前的温湿度的具体数值，并提醒维护人员及时采取相应措施。本文共分为五部分，第一部分是引言，主要对选题背景、意义及国内外发展现状进行简单介绍。第二部分为系统总体方案的设计，主要通过对比集中方案来最终确定本次设计所下用的最佳方案。第三部分为主要单元电路的介绍，有温度测控电路、湿度测控电路、数显电路、报警电路、51单片机的外围电路等。第四部分为主要元器件的介绍，有温度传感器ds18b20、湿度传感器hs1101、51单片机。第五部分为总结，是对本文的高度概括。关键字: 温度，湿度，智能化abstractthere is no modern agricultural production without environment control,with the rapid development of computer automation and single chip microcomputer technology,many places have realized unattended or intelligent control.temperature and humidity are common in daily production was accused of parameters,so to control the temperature and humidity is vital to the automation of industry,agricultural and other daily production.thats why we introduce the 51 single chip microcomputer.the design of the temperature and humidity control system can use single chip microcomputer to have a real-time detection and analysis on the temperature and humidity data,and then make a in-time judgment ,so as to realize the intelligent and automatic control on the temperature and humidity.temperature data collected by the temperature sensor ds18b20 transform data into digital quantity,and then be processed into the single chip microcomputer.humidity data collection was done by hs1101 humidity sensor,then after a/d conversion,the digital quantity into single-chip microcomputer for data processing.at the time of equipment malfunction,the combination of voice alarm circuit and digital display circuit will make it easier for relevant people to check the current temperature and humidity data and remind the maintenance personnel to take corresponding measures in time.the article is divided into five parts,the first and fore is the introduction,mainly to the selected topic background ,significance and the brief introduction to the current situation of the development of both at home and broad.the second part of overall scheme of the system design.this design mainly by comparing the concentrated solution to finalized with the best solution.the third part of the main unit circuit is introduced,including temperature measurement and control circuit,humidity measurement and control circuit,digital display circuit,alarm circuit and the periphery of the 51 single-chip microcomputer circuit,etc.the fourth part to be introduced is the main component,including temperature sensor ds18b20,humidity sensor hs1101,51 single-chip microcomputer,etc.the five part is summary,it is highly generalization of this article.keywords:temperature, humidity, intelligence 目 录摘 要iabstractii1绪论11.1课题背景11.2 选题意义11.3 国内外发展现状11.3.1 国内发展现状21.3.2 国外发展现状22设计任务分析及方案论证42.1设计思路42.2系统功能及系统组成52.3系统整体框图62.4温湿度控制系统方案比较及论证63单元硬件电路的设计83.1温度测控单元83.2湿度测控单元83.3报警电路93.4数字显示电路103.5 单片机的外围电路113.6 a/d转换电路124 主要元器件介绍144.1温度传感器ds18b20144.1.1 ds18b20数字温度传感器概述144.1.2 ds18b20的读写时序154.1.3 ds18b20的测温原理164.2 湿度传感器hs1101184.2.1湿度传感器hs1101的特性184.2.2湿度传感器 hs1101的测温原理184.3 89c51单片机184.3.1 单片机的发展194.3.2单片机引脚195系统软件整体体设计215.1 整体流程图215.2 计算机软件系统225.2.1 上下位机通信225.2.2单片机和pc通信相连235.2.3上位机监控软件功能24总 结25致 谢26参考文献27附 录29iii 1绪 论1.1课题背景在现代的温室种植技术中，温度、湿度是温室蔬菜能否茁壮成长的重要因素。现代我国的社会生产虽然规模空前巨大，但是温室的设备计较陈旧，技术比较落后，现阶段，广大农村仍采用煤油温度计的温度采集方式，逼近温度采集较为老套，而且费事费力，不利于温室生产规模的扩大，也不利于信息化程度的提高，也不符合党中央提出的科技兴农的战略目标。传统的方法是用与湿度表、毛发湿度表、双金属式测量计和湿度试纸等测试器材，通过人工进行检测，对不符合温度和湿度要求的库房进行通风、去湿和降温等工作。这种人工测试方法费时费力、效率低，且测试的温度及湿度误差大，随机性大。因此我们需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的温湿度测量仪。1.2 选题意义现代以89c51单片机为核心的智能控制系统是进行大鹏温湿度控制的有效手段和工具，它不仅可以提高测量的准确性，还有利于实现控制过程中的科学和无人化管理，比如，将单片机控制方法运用到温度湿度控制系统中，可以克服温度湿度控制系统存在的严重滞后现象，同时在提高采样频率的基础上可以很大程度的控制效果和控制精度。也降低了对操作者本身素质的要求和体力劳动强度。除此之外，它还能准确、高效、定时、定量地进行温湿度控制，可以节省人力、体力而提高农产物的质量和产量。智能温室大棚控制系统在现阶段我国农业中使用为数不多，与发达国家相比仍有较大差距，基本停留在人工操作，即使有些使用了自动控制系统，但是也是以经验来自行设定很多参数，使得不能物尽其用而又造成浪费。因此只有提高自动控制系统的自动化程度，使得在农业生产中更加智能和方便并采用廉价的器材使其价格能够被大多数农业生产者索赔接受，才能促进智能温室大棚控制在农业中的广泛应用和提高其经济效益。随着单片机和传感器技术的迅猛发展，其价格低、可靠性高，给改造农业带来很多便利。用高新技术改造农业生产，是我国农业和国民经济持续发展的根本大事。 1.3 国内外发展现状目前国内外的温湿度检测使用的温湿度检测元件种类繁多、应用范围也较广泛加之单片机和大规模集成电路技术的不断提高，出现了高性能、高可靠性的单片机数据采集系统。基于单片机的温湿度检测控制系统的研究案例较少。随着经济和社会的不断发展，人们对自己生活环境的要求越来越严格。特别在工厂仓库中，对温湿度要求更为严格。基于单片机的温湿度检测控制系统，将对环境的温湿度监测控制系统作详细的设计与实现。采用高性能的控制芯片89c51高精度的温度传感器和湿度传感器。向模块化、高速化、智能化的单片机数据采集系统靠近。将此系统应用到工厂仓库中，无疑为货物的存放提供了更加适宜的环境，具有良好的发展前景。1.3.1 国内发展现状自20世纪70年代以来，我国逐渐从欧美、日本等国家引进了先进的现代化农业温室，在吸收并总结发达国家先进的温湿度控制技术的基础上，我国的科研人员相继对温室内部的温度、湿度、二氧化碳浓度及光照强度等环境元素控制技术的综合研究。1987年，中国农科院引进了felixc512系统，并且建立了全国范围内第一个计算机应用研究机构。清华大学的郑学坚首先介绍了应用单片机控制人工恒温箱的方法；然后，中国农科院徐世华报道z80c控制温湿度的软件硬件方案以及利用单片机控制气候箱的模拟实验；陈思聪等人研究了以节能为目标的温室微机控制系统；范云翔等人研制的智能喷水器，可以根据环境的变化自动调节水量；上海园林工具厂等单位设计了温室微机控制系统；于海业等人研制的温室环境自动检测系统，可以自动调节温室内的温湿度参数；1996年 江苏理工大学研制了一套温室环境控制设备，从而通过对温室内部温湿度的监测，实现对温室内温湿度的综合控制；1997年以来，中国农业大学在温室环境的自动控制技术方面取得一些成果。但是这些研究基本上是温室的单因素监测和控制，没有进行全系统综合的研究。我国地域辽阔，因此各地的气候、自然条件相差很大，这就使得温室需要研究的环境问题复杂而又多样。目前我国关于这方面的研究基本上都是单项研究，涉及到光、热、水、气等环境因素的综合研究还欠缺。现阶段国内温室仍然靠的是认的经验进行单因子控制，进行并加强综合控制技术的研究势在必行。同国外的先进温湿度控制技术相比，我国温室研究仍处于较低的水平。光、热、水、气等环境因子的综合控制技术，低成本、低能耗的设施设备配套技术，高效设施栽培管理技术，现代化设施生产、设计的标准语质量监控体系等方面仍存在一系列问题，亟待进一步的深入研究。1.3.2 国外发展现状现代化温室采用先进的科学技术，采用连续生产方式和先进管理方式，高效、均衡地生产各种农作物，并且不受地点和气候的影响。它能够有效地改善农业生态、生产条件，促进农业资源的合理开发和科学利用提高土地的产出率、劳动生产率和社会、经济效益。温室实现控制自动化的目的是加强控制及作业精度，提高农业生产率。因此世界各国对这方面的研究十分深入。温室自动控制设施的关键是环境控制、智能化。利用温室来为作物创造适宜的生存环境，其中主要包括的就是温室内的温度和湿度。温室控制技术随着温室农业的发展应运而生，其中单片机的采用代表着它发展的逐步成熟。英美等发达的西方国家都大力发展集约化的温室产业，温室内温度、湿度等实现单片机的检测与控制。1974年，荷兰首次研制出单片机控制系统cecs。1978年日本东京大学的学者研制出微型计算机温室综合环境控制系统。目前，日本、荷兰、美国等发达国家可以根据温室作物的特点和要求，对温室内的诸多环境因子进行监测与控制。在日本，作为设施农业主要内容的设施园艺相当发达，塑料温室和其他人工栽培设施达到普遍应用，设施栽培面积位居世界前列，蔬菜、花卉、水果等普遍实行设施栽培生产。针对种苗生产设施的高温、多湿等不良环境因子，日本农业相关部门进行了如下几种设施项目的研究，主要有设施内播种装置、苗接触刺激装置、苗灌水装置、换气扇的旋转和遮光装置的开闭装置、缺苗不良苗的检测及去除和补栽装置、二氧化碳施肥装置等方面得 自动化研究。英国农业部对温室的设计和建造也很重视，在英国的希尔所农业工程研究院，科学家们进行了温室环境与作物生理、温室环境因子的计算机优化、温室节能、温室自动控制、温室作物栽培与产后处理、无土栽培相关方面的研究。目前，英国温室大量采用单片机控制与管理，主要控制的就是温度和湿度。伦敦大学农学院研制的计算机遥控技术，可以观测50km以外温室内的温度、湿度等环境状况，并进行遥控。另外，国外温室正在致力于高速发展。遥测技术、网络技术、控制局域网已逐渐应用于温室的管理与控制中，alvesserodio，c.m.j等在isie98国际会议中提出一体化的温室网络管理体系模型，可将气候的调节、灌输系统与营养液的供给系统作为一个整体，并可以实现远程控制。1.4 本文研究的主要内容1、 首先我们必须了解到温湿度控制对温室大棚提高农作物产量的重要性，其次我们才能做出更好的判断，更好地解决用户面临的问题。2、 温湿度的检测和控制是我们研究的主要内容数字化温湿度测量方法为一旦环境中的温湿度发生变化温湿度传感器将随着温湿度的变化而变化，然后将变化的电阻通过转换电路和转换信号检测与之对应的电压变化，然后把模拟电压信号由a/d转换器转换为数字量后送往51单片机，对采集到的信号单片机进行滤波处理并通过查表得到实际测量的温湿度值，之后通过lcd1602液晶模块显示该数值。3、 该系统通过按钮设定最适应的温度和湿度，温湿度传感器向中央控制系统输送监控信号，超过上下阀值时，就会启动声光报警电路，控制系统开始工作，调整温湿度至合适的范围，使系统正常运行。4、 根据不同作物的适宜温湿度进行温湿度调节。如果低于下阀值，则升温；如果高于上阀值，则降温。为满足温室大棚对不同作物的温湿度需求，可设置自动喷雾装置，自行调节湿度。我们可以随时对温、湿度进行调节，对于不利情况能及时作出显示，并通过报警电路提醒用户采取相应措施，以达到有利于作物生长的最适宜温湿度。2设计任务分析及方案论证2.1设计思路农业大棚温湿度检测系统的制作和调试，利用温度湿度传感器来采集周围环境的温湿度。根据温室大棚不同作物的最适宜温湿度的不同，可适当调整温湿度正常范围的区间值。当达不到或超过范围的通过报警电路进行报警。当在正常范围内则显示出温湿度的具体温湿度值。单片机温湿度的控制系统设计主要分为硬件和软件设计，从硬件系统的设计来看主要分为两个部分：温湿度传感器部分；温湿度控制器部分。对于温湿度传感器而言主要分为温度传感器和湿度传感器。温度传感器主要是采取ds18b20，这一硬件有着高精度和高集成以及数字化等优势，并在价格上也相对比较低廉，能够直接的将被测温度转化成串行数字信号供单片机。对其的接口电路设计主要是通过端口方向寄存器以及端口输入方向就能对单片机加以设置。而对于湿度传感器的设计主要是在湿敏电容的基础上进行的，电容值也会根据外界的相对湿度发生变化，hs1101湿度传感器有着通用性和变化范围大以及线性度好的特征，在对电容频率转换电路的设计中，采取hs1101测量湿度过程中主要是将hs1101放置在ne555振荡电路当中，也就是将电容值变化转换成频率信号，在芯片接到电阻时就会构成充电回路。对单片机温湿度控制系统的软件设计主要分为上位机通信，以及远端模块软件、无线传输模块软件设计。对上位机通信软件的设计上，由于pc自身就有着强大的功能，能够将系统运行当中的各问题都得到有效处理，同时也能够在实际的观测上较为方便。例如对远程模块的设计上，这一模块的总体是采取结构优化设计，然后结合部分功能的不同再进行分成小模块，其中的报警系统设计上，主要是采取多种报警的方式，主要有声音报警和红灯报警以及软件报警，其中的软件报警主要就是在pc端监控开启的基础上，温湿度越界的部分区县就会以红色线条进行表示。 通过查阅图书馆相关书籍和网络搜集相关资料，并根据专业课中学习到的相关知识，系统的、全面的组织材料，确定设计思路。一方面通过系统的学习89c51单片机以及keil软件的使用和温度传感器ds18b20和湿度传感器hs1101的资料分析与研究确定编程思路，另一方面通过实物模拟，查看应用效果，最终达到设计的总体要求。2.2系统功能及系统组成控制系统的功能主要分为4个方面：第一，对农作物生长的环境中的温湿度数据来进行收集和显示。第二，直接通过上位机设置农作物生长所需要最适宜的温度和湿度。而且还能由主控机对该系统的运行时间和温湿度进行修正。第三，在既定的指标越过预先设定的上下限时对系统进行开启。第四，及时的指标信息可以呈献给信息的利用者，使其清楚各个时段的温度、湿度，从而采取相应的措施。该温湿度控制利用温度传感器ds18b20和湿度传感器hs1101分别对大棚内的温度和湿度信息进行采集，转换成数字量后利用51单片机进行存储与处理，接着通过通信线路把信息传送到pc中，再pc上便可以根据这些指标做出进一步的分析。掌控者可以在下位机中设定温度和湿度的上下阀值，通过上位机控制大棚内的温湿度。如温湿度值不在上下限范围内，则启动报警电路，此时控制系统开始启动，调节大棚内的温湿度，直至温湿度处于预先设置的范围内。上位机使用delphi软件编写的一个数据库管理系统，可直接设定温湿度的上下阀值和读取下位机的数据，并对下位机的数据进行操作，调节大棚内的温湿度，形成作物生长的走势图从而通过生长走势图得出适合各种农作物生长的最佳温湿度数值。2.3系统整体框图本系统通过温度传感器ds18b20采集温度， 湿度传感器hs1101采集湿度，经过含有51单片机的检测系统的进一步分析处理，通过rs-232通信线路将信息上行到pc机，在pc机上可对温湿度信号进行任何分析、处理。用户可以通过下位机中的键盘输入温湿度的上下限值和预置值，也可以通过上位机进行输入，从而实现上位机对大棚内作物生长的远程控制。如果环境的实时参数超越上下限值，系统自动启动执行机构调节大棚内温度和湿度状态，直到温湿度状态处于上下限值内为止。如果有预置初值，且与当前状态不相等时，系统也会启动执行机构实时动态调节温湿度状态，直到所处的平衡状态与预置值相等为止。 上 位 机 51 单 片 机通信接口温度传感器ds18b20报警电路湿度传感器hs1101显示电路a/d转换 图2.1 系统整体框图2.4温湿度控制系统方案比较及论证2.4.1 总体方案的选择与论证 方案一： 由温度传感器ds18b20和湿度传感器hs1101实时实地地采集温湿度参数，由a/d转换模块adc0809对做采集到的温湿度模拟电压信号进行模数转换，并且将已转换成数字量的温湿度数值送入89c51单片机进行存储与处理。在at89c51单片机内部岁温湿度的数字量进行分析综合后，将温湿度数值送到led共阴极数码管显示。同时在89c51单片机中，将采集到的数据和预先设定的法制范围进行比较。如果采集到的温湿度值超过了安全线，则语音报警模块开始报警。如果采集到的温湿度值在预设的阀值范围之内，则通过数码管显示出来。本系统可设定温度范围为0至70摄氏度，最小区分度为1摄氏度；可设定湿度范围为0%-90%rh,最小区分度为1%rh，可实时显示当前的温湿度数值。方案二：采用瑞士sensirion公司推出的新型的数字式温湿度传感器sht71作为温湿度检测元件，数字式温湿度传感器sht71除了集成温度、湿度敏感元件，还包括一个放大器、a/d转换器件和数字接口，可以同时采集温度、湿度数据，51单片机对采集到的温湿度数值进行存储与处理然后送led显示模块进行显示，并发出信号对温度控制电路进行控制。综上分析，方案一虽然使用的是模拟式湿度传感器，在和51单片机相连接时需要进行模数转换，使总体设计变得较为复杂，可它更贴近我们所学，可以用到大学期间我们学过的许多知识。方案二采用了先进的数字式温湿度传感器sht71，虽然省去了a/d变换过程，对我们来说却较于陌生。因此采用方案一。2.4.2 显示模块的选择与论证方案一：采用12864液晶模块显示测得的数据，可显示较多组的数据，字体较大，可清晰读数。但12864液晶显示模块价格昂贵，结构复杂，故不采用。方案二：采用1602液晶模块显示所测数据，1602液晶接线简单方便，且价格远低于12864液晶模块。因此，本方案为首选方案。3单元硬件电路的设计3.1温度测控单元3.1.1 温度检测系统原理 温度检测电路采用寄生电源供电方式，为保证在有效的ds18b20时钟周期内，提供足够的电流，用一个mosfet管和单片机的一个i/o口来完成对ds18b20总线的上拉。当ds18b20处于写存储器操作和温度a/d变换操作时，总线上必须有强的上拉电阻，上拉开启时间最大为10us。采用寄生电源供电方式时，vdd必须接地。由于单线制只有一根线，因此发送接收口必须是三态的。为了操作方便使用单片机的p1.0口作为发送口tx，p1.1口作为接收口rx。3.1.2 提高测温精度的方法ds18b20正常使用时的测温分辨率为0.5摄氏度，在对ds18b20的测温原理详细分析的基础上，可以采取直接读取ds18b20内部暂存器的方法，将ds18b20的测温分辨率提高到0.1至0.01摄氏度。ds18b20内部暂存器的分布方式如表所示，其中第7个字节存放的是当温度寄存器停止增值时计数器1的计数剩余值，第8字节存放的是每度所对应的计数值，从而可以通过如下方法获得高分辨率的温度测量结果。首先用ds18b20提供的读暂存器（beh）读出以0.5摄氏度为分辨率的温度测量结果，然后切去测量结果中的最低有效位(lsb)，得到所测实际温度整数部分t整数，然后再用beh指令读取计数器1的计数剩余值m剩余和每度计数值m每度，考虑到ds18b20测量温度的整数部分以0.25摄氏度、0.75摄氏度为进位界限的关系，实际温度t可用下列计算得到：t实际=（t整数-0.25摄氏度）+（m每度-m剩余）/m每度3.2湿度测控单元把hs1101和ne555同时接入电路中中的设计原理图如图3. 所示。ne555电路功能简单介绍为：当6端和2端同时输入为“1”时，3端输出为“0”；当6端和2端同时输入为“0”时，3端输出为“1”。在此电路中，555定时器正是根据这一功能用作多稳态触发器输出频率信号的。当电源接通时，由于6端和2端的输入为“0”，则定时器3端输出为“1”；又由于c1两端电压为0，故vcc通过r2、r3对c1充电，当c1两端电压达到2vcc/3时，定时电路翻转，输出变为“0”。此时555定时器内部的放电bjt的基极电压为“1”，放电bjt导通，从而使电容c1通过r3和内部放电bjt进行放电。当c1两端电压降到vcc/3时，定时器又翻转，使输出变为“1”，内部放电bjt截止，vcc又开始通过r2、r3对c1进行充电，如此周而复始，形成振荡。其工作循环中的充电时间t1=0.7（r2+r3）c1，放电时间t2=0.7r3*c1，输出脉冲占空比q=（r2+r3）/（r2+2r3），为了使输出脉冲占空比接近50%，r2应远远小于r3。当外界湿度变化时，hs1101两端的电容值也发生变化，从而改变定时电路的输出频率。因此只要测出555的输出频率，并根据湿度与输出频率的关系，即可求得环境的湿度。 图3.1 湿度检测电路3.3报警电路温湿度控制系统的触发关键是报警系统。当监测到检测空间的温度不在预设的范围之内，单片机 的i/o 口输出持续一分钟的低电平，触发红色发光 二极管持续发光闪烁，同时在三极管的作用下扬声 器发出蜂鸣声音。低电平持续一分钟结束,i/o 口的电平恢复到高电平,发光二极管不再发光,蜂鸣声音停止。同理，当监控的空间湿度不在设定的范围，i/o 电平的变化触发黄色发光二极管和报警器工作。 图3.2 声光报警电路3.4数字显示电路 在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生，液晶显示模块已作为很多电子产品的显示器件，如在计算器、万用表、电子表等很多家用电子都可以看到，显示的主要是数字、专用字符和图形，在51单片机的人机交互界面中，一般的输出方式有以下几种：发光管、led数码管、液晶显示器。显示模块最重要的是人机交互模块，可以使人们更加直观地观察到实时数据，所以在设计这个模块时要充分考虑好它的实际情况。将lcd1602作为液晶显示屏，属于一类点阵型液晶模块，能够将字母、数字及符号清晰地显示出来。该液晶显示屏的容量是16*2字符，芯片工作电压维持在4.5v至5.5v之间。工作电流2.0ma，字符尺寸2.95*4.35（w*h）mm。引脚功能说明：1602液晶显示屏采用标准的14脚或16脚接口，第1脚：vss为地电源。第2脚：vdd接5v正电源。第3脚：vl为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10k的电位器调整其对比度。第4脚：rs为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。第5脚：w/r为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当rs和w/r共同为低电平时可以写入指令或显示地址，当rs为低电平w/r为高电平时可以读出数据，当rs为高电平w/r为低电平时可以写入数据。第6脚：e端为使能端，当e端由高电平变为低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：d0d7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。 图3.3 lcd1602的引脚图3.5 单片机的外围电路3.5.1 时钟电路 时钟振荡电路采用内部时钟电路，单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚xtal1和xtal2分别是此放大器的输入端和输出端。单片机的这个放大器与作为反馈元件的片外晶振一起构成稳定的自激振荡器，发出的脉冲直接送入内部的时钟电路。单片机的工作过程就是不断执行指令的过程。 cpu每执行一条指令，都要经过取操作码、取操作数和执行等几个过程，这些有效的操作都是在cfu时钟脉冲控制下有序的进行，而这些脉冲就是由cpu的定时控制器提供的，因此该温湿度控制仪的时钟电路主要是利用了mcs51单片机芯片内部 的一个用于构成时钟振荡电路的高增益反相放大器，xtal1为该放大器的输入端，xtal2为输出端，在xtal1和xtal2引脚上外接定时元件，内部振荡电路便产生自激振荡，故该系统使用的是内部方式产生时钟，其时钟电路原理如图3.4 所示。 图3.4 时钟电路 图3.5 复位电路3.5.2 复位电路复位电路采用上电复位，上电复位是利用电容充放电来实现的，只要vcc的上升时间不超过1ms，振荡器建立时间不超过10ms，这个时间常数足以保证完成复位操作。复位电路釆用了高电平复位，刚上电时电容两 端没有电压，三极管不导通，节点rest被r45拉至高电平，随着电容充电的进行两端电压逐渐升高，直到三极管进入导通状态，r45有电流流过，reset 电压降低，最后三极管饱和，reset点的电压只是三级管的饱和压降，0 3v左右，至此完成复位，复位时间是电容充电时间。复位电路如图3.5 所示。3.6 a/d转换电路 被采集的湿度电信号经模数转换电路adc0809，将模拟电压信号转换成数字量后，送入89c51单片机内部进行存储与处理。本温湿度控制系统中，所采用的a/d转换电路是由带有8位a/d转换器、8位多路开关以及微处理机兼容的cmos组件，是逐次逼近型a/d转换器。它由1个8路模拟开关、1个地址锁存译码器、1个8位a/d转换器和1个输出三态锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用a/d转换器进行转换。 三态输出锁存器用于锁存a/d转换完的数字量，当oe端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。本次设计中因adc0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外部提供，并送至adc0809的clock端，adc0809最稳定的工作时钟频率是400khz600khz。在本次设计中，使用了74ls90作为分频芯片，将51单片机的ale引脚输出的时钟频率经四分频供a/d转换电路。 adc0809的工作过程是：首先输入3位地址，并使ale=1，将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器，start上升沿将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动a/d转换，之后eoc输出信号变为低电平，指示a/d转换正在进行，直至a/d转换完成，eoc变为高电平，表明a/d转换结束，转换后得到的数据存入锁存器，这个信号可用于申请中断。当oe输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。 图3.6 adc0809与51单片机连接图4 主要元器件介绍4.1温度传感器ds18b204.1.1 ds18b20数字温度传感器概述美国dallas公司生产的一线式ds18b20数字温度传感器，可以直接将被测温度转换为串行数字信号供单片机处理。并且可以通过简单的编程实现9位的温度读数。每一个ds18b20温度传感器出厂时都刻有唯一的一个序列号并存入其rom中，因此cpu可用简单的通信协议就可以识别，从而节省大量的引线和逻辑电路。与其它温度传感器相比，ds18b20具有以下特点：独特的单线接口方式， ds18b20在与单片机连接时仅需要一条口线就可以实现单片机与ds18b20的双向通信，节省了引线和控制通道切换的逻辑电路，但增强了对时序的要求。ds18b20在使用中不需要任何外围元件。测温范围55+75摄氏度，固有测温分辨率0.5摄氏度。a/d变换时间为200ms，测量结果以9位数字量串行方式传送。用户自行设定温度报警上下限，其值是非易失性。ds18b20采用三脚to-92封装，管脚排列如图4.1所示 图4.1 ds18b20管脚排列图 图4.2 ds18b20实物图对图4.1中ds18b20的引脚功能说明如下：nc:空引脚，不连接外部信号。vdd:接电源引脚，电源供电3.05.5v。gnd:接地。dq:数据的输入和输出引脚。注释：dq引脚的i/o口为数据输入输出端，该引脚为漏极开路输出，常态下呈高电平。4.1.2 ds18b20的读写时序对ds18b20的使用，多采用89c51单片机实现数据采集。进行处理时，将ds18b20信号线与单片机的一位口线相连，每片上含有唯一的硅片行数，所以一片89c51单片机芯片可挂接多片ds18b20，从而实现多节点温度检测系统。无论是单点还是多节点的温度检测，在系统安装及工作之前，应将单片机依次与ds18b20挂接，并读出其序列号。其工作过程为：单片机发出一个脉冲，待“0”电平大于480us后，将ds18b20复位，在ds18b20所发响应脉冲由单片机接收后，主机再发读rom命令代码33h，然后发送一个脉冲，并接着读取ds18b20序列号的一位。然后用相同的方法读取序列号的56位。另外，由于ds18b20的单线通信功能是分时完成的，遵循严格的时隙概念。因此系统对ds18b20的各种操作必须按协议进行，即初始化ds18b20、发rom功能命令、发存储器操作命令、处理数据。ds18b20要求具备严格的协定来确保数据的完整性。协议由几种单线上信号类别组成：复位脉冲，存在脉冲，写0，写1，读0，读1。所有这些信号除了存在脉冲之外均由总线主机产生。总线主机发送tx复位脉冲，接着总线主机便释放此线并进入接收方式。单线总线经过5k的上拉电阻被拉至高电平状态。在检测到i/o引脚上的上升沿之后，ds18b20等待15-60us并且发送存在脉冲。(1) 写时序 当89c51单片机把数据线从高逻辑电平拉至低逻辑电平时，产生写时序。现有两种类型的写时序：写1时序和写0时序。所有时序必须有最短为60us的持续期，在各写周期之间必须有最短为1us的恢复时间。在i/o口线由高电平变为低电平之后ds18b20在15us至20us的窗口之间对i/o口进行采样，如果为高电平则执行写1操作，低电平则执行写0操作。 (2) 读时序 当从ds18b20读数据时，单片机产生读时序。当单片机把数据线从逻辑高电平拉至逻辑低电平时产生读时序。数据线在低逻辑电平必须保持至少1us；来自ds18b20的输出数据在读时间下降沿之后15us有效。因此为了读出从读时序开始算起15us的状态主机必须停止把i/o引脚驱动至低电平。在读时序结束时，i/o引脚经过外部的上拉电阻拉回至高电平。所有读时序的最短持续期限为60us，各个读时序之间必须有最短为1us的恢复时间。 4.1.3 ds18b20的测温原理 ds18b20内部框图如图4.3 所示，它主要包括寄生电源、温度传感器、64位激光rom单线接口、存放中间数据的高速暂存器、用于存储用户设定的温度上下限值、触发器存储与控制逻辑、8位循环冗余校验码发生器等7部分。测温原理如图4. 所示。低温度系数振荡器是一个振动频率随温度变化而变化很小的振荡器，为计数器1提供一频率稳定的计数脉冲。高温度系数振荡器是一个振荡频率对温度很敏感的振荡器，为计数器2提供一个频率随温度变化的计数脉冲。 图4.3 ds18b20内部结构图斜率累加器预置数比较低温度系数晶振计数器1预置 0 温度寄存器高温度系数晶振计数器2 0 图4.4 ds18b20工作原理图初始时，温度寄存器被预置成-55摄氏度，每当计数器1从预置数开始减计数到0时，温度寄存器中寄存的温度值就增加1摄氏度，这个过程重复进行直到计数器2计数到0时就停止。初始时，计数器1预置的是与-55摄氏度相对应的一个预置数，以后计数器1每一个循环的预置数都由斜率累加器提供。为了补偿振荡器温度特性的非线性性，斜率累加器所提供的预置数也随温度相应变化。计数器1 的预置数也就是在给定温度外使温度寄存器存值增加1摄氏度计数器所需的计数个数。图中比较器的作用是以四舍五入的量化方式确定温度寄存器的最低有效位。在计数器2停止计数后，比较器将计数器1中的计数剩余值转换为温度值后与0.25摄氏度进行比较，若低于0.25摄氏度，温度寄存器的最低位就置0；若高于0.25摄氏度，则相应置1，若高于0.75摄氏度，温度寄存器的最低位就进位后置0.这样经过比较后所得的温度寄存器的值就是最终读取的温度值了，其最末位代表0.5摄氏度，四舍五入最大量化误差为1/2lsb，即0.25摄氏度。温度寄存器中的温度值以9位数据格式表示，最高位为符号位，其余8位以二进制补码方式表示温度值。测温结束时这9位数据转存到暂存寄存器的前两个字节中，符号位占用第1字节，8位温度数据占用第2字节。ds18b20测量温度时使用特有的温度测量技术。ds18b20内部的低温度系数振荡器能产生稳定的频率信号：同样的，高温度系数振荡器则将被测温度转换成频率信号。当计数门打开时，ds18b20开始进行计数，计数门开通时间由高温度系数振荡器决定。芯片内部还有斜率累加器，可对频率的非线性度加以补偿。测量结果存入温度寄存器中。一般情况下温度值应为9位，但因符号位扩展成高八位，故以16位补码形式输出。4.2 湿度传感器hs1101 测量空气湿度的方法多种多样，但其原理基本一致，主要是根据某种物质从其周围的空气中吸收水分后引起的物理或化学性质的变化，间接地获得该物质的吸水量及周围空气的湿度。电容式、电阻式、湿涨式湿敏元件分别是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率及体积发生的变化而进行湿度测量的。湿度传感器的核心是湿敏元件，湿敏元件一般由基极、电极和感湿层组成。4.2.1湿度传感器hs1101的特性不需校准的完全互换性，自动化焊接，快速脱湿，高可靠性和长期稳定性，快速响应时间，专利设计的固态聚合物结构，侧面接触封装，适应于线性电压输出和频率输出两种电路，适宜于制造流水线上的自动插件和自动装配过程等。基于这些特性设计触电式湿度传感器，输出的频率信号为数字量，电压信号为模拟量，而基于51单片机的温湿度控制系统由于设有内外部模数转换器，不必再补充其它硬件就可以采集到数字量及模拟量，其连接方式和温度传感器ds18b20类似。4.2.2湿度传感器 hs1101的测温原理hs1101测量湿度过程中主要是将hs1101放置在ne555振荡电路中，也就是将电容值变化转换为频率信号，在芯片接到电阻时就会构成充电回路。hs1101是电容式湿度传感器，由于电容不可直接测量，故选用555多谐振荡电路检测到频率，然后由51单片机计算出电容值，再根据电容值计算出相应的湿度值。在湿敏电容的555振荡电路中，通过对电容的变化和电压频率信号的处理，也可以直接对计算机进行采集测量。集成电视的555芯片外接电阻和与湿敏电容构成充电回路，通过对芯片内部的晶体管控制构成对c的放电回路，形成多级的振荡电路，电阻在电路中还具有一定的短路保护作用和平衡空气湿度的作用。4.3 89c51单片机本系统采用的89c51是一个低功耗、高性能cmos的8位单片机，片内含4kb isp的可反复擦写1000次的flash只读程序存储器，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准mcs-51指令系统及89c51引脚结构，芯片内集成了8位中央处理器（cpu）和isp flash存储单元。at89c51单片机具有如下特点：40个引脚，4kb flash片内程序存储器，128b的随机存取数据存储器，32个输入输出口，5个中断优先级，两层中断嵌套，两个1