毕业设计-基于单片机的温室大棚环境测控系统设计.doc

烟台大学毕业论文（设计）目 录目录11 绪论11.1 课题背景11.1.1 大棚环境对农作物生长的影响11.1.2 温室大棚的国内外发展现状及趋势21.1.3 本课题的研究意义及主要内容32 总体方案的设计52.1 实现功能52.2 总体方案设计52.3 详细设计63 系统硬件设计73.1 单片机的选择及其特性73.1.1 单片机的概述73.1.2 at89c51简介73.2 温度传感器的选择及其电路设计113.2.1 温度传感器ad590简介123.2.2 温度测量电路123.2.3 a/d转换器adc0809简介153.2.4 分频器cd4043163.3 湿度传感器的选择及其电路设计173.3. 1 湿度传感器hs1101简介173.3.2 湿度测量电路183.4 二氧化碳浓度的采集及电路203.4.1 二氧化碳浓度传感器 tgs4160的简介203.4.2 传感器 tgs4160的电路连接213.5 单片机外围控制电路设计223.5.1 “看门狗”电路223.5.2 电源电路243.6 键盘电路与显示单路设计243.6.1 键盘电路设计243.6.2 显示电路设计253.7 声光报警系统273.7.1 蜂鸣器简介273.7.2 报警电路283.8 执行机构电路设计293.8.1 固态继电器简介293.8.2 执行机构电路304 环境参数测控系统软件设计324.1 编程语言324.1.1 控制程序设计324.1.2 主控制程序设计324.2 系统的各子程序344.2.1 数据采集子程序344.2.2 湿度信号采集流程图354.2.3 键盘子程序364.2.4 键盘显示子程序37附录 系统程序38总结45致谢46参考文献4753烟台大学毕业论文（设计）1 绪 论1.1 课题背景1.1.1 大棚环境对农作物生长的影响作物的生长发育及产品的最终形成以及其产量与质量一方面取决于作物本身的遗传特性，另一方面取则决于外部环境条件。在实际生产中，一方面通过育种技术来获得具有新遗传性的品种，另一方面要通过先进的栽培技术及适宜的环境条件来控制其生长和发育。影响作物生长发育的环境条件主要包括:温度、湿度、光照、co2浓度、土壤等。所有这些环境条件之间是相互作用、相互联系、相互耦合的，某个控制变量发生改变，会影响其它控制变量的变化。作物的生长发育是所有这些环境条件综合作用的结果。下面就这些环境条件对作物的影响进行简略说明。1.温度温室内气温、地温对作物的光合作用、呼吸作用、根系的生长和水分、养分的吸收有着显著的影响，因此影响作物生长发育的环境条件中，以温度最为敏感，也最为重要，对温室环境控制的研究也是最先从温度控制开始的。不同种类的作物对温度的要求是不同的，同一作物在不同发育阶段对温度的要求亦有所不同，而且在同一发育期阶段内对温度的要求也会随着昼夜变化而呈周期性地变化。一般说来在白天作物进行光合作用需要的温度较高，晚上维持呼吸作用所需的温度要低一些。作物生长发育适宜的温度，随种类、品种、生育阶段及生理活动的变化而变化。为了增加光合产物的生成，抑制不必要的呼吸消耗，在一天中，随着光照强度的变化，实行变温管理是一种很有效的管理方法。2.湿度温室内作物对水分的要求体现为对温室内空气湿度和土壤湿度的要求。空气湿度用相对湿度来表示，因为相对湿度更能反应事实。根据有关研究记载，除了阴雨天以外，温室内午后过低的空气湿度会导致作物发生光合作用的午休现象，因此空气相对湿度的大小直接影响到作物的光合作用，这时就需要增加温室内的空气湿度。当温室内的空气湿度较高时，可能会诱发一些病虫害。温室中空气湿度的管理包括增湿和降湿。土壤湿度对作物的影响也很大。如果土壤中水分过剩，湿度过高，导致土壤中的氧气含量减少，作物根部呼吸困难，进而危害作物的生长发育。相反，当土壤中含水量减少时，作物根部吸收的水分就相应的减少，从而阻碍作物的生长，严重时作物出现萎蔫现象。不同的作物对湿度的要求不同，即使是同一种类在不同发育阶段对湿度的要求也不尽相同。土壤湿度的管理就是把包括渗灌、滴灌、微灌等灌溉技术应用到温室中来。传统的大水漫灌既浪费水资源，又容易使土壤发生板结，提高了室内湿度。在温室中应用渗灌技术具有灌水均匀，提高地温，保持土壤疏松，降低室内湿度，减轻病害发生，生育期提前等优点。3.光照光照是植物环境中的重要因素，是植物生产有机质的能量来源，是作物生长发育的关键条件之一。光照不足，必然影响到植物的生长。对作物生产的影响主要表现在光照强度、光照时间、光质三个方面。光质即光波的组成，研究表明作物叶片具有对可见光的高吸收率和对红外线的低吸收率这一习性，这有利于作物在有效的利用光能进行光合作用的同时使光合器官免受高温的伤害。 光照强度直接影响到光合作用的强度。光照强度过高或过低对作物都有害。当光照强度高于光饱和点时，就需要降低温室内的光照强度。当光照强度低于光补偿点时，就需要进行人工补光。温室中常用的人工光源有白炽灯、卤钨灯、高压水银荧光灯、高压钠灯、金属卤化物灯等。4.co2浓度co2是作物进行光合作用的主要原料。有关研究表明，蔬菜作物产量的90%95%来自光合作用。在露天条件下，空气中的co2浓度一般能满足光合作用的需要，但在温室环境中由于光合作用的不断进行，co2浓度随之下降，如不及时补充，尽管光照条件好，水肥充足，作物仍然不能进行旺盛的光合作用，使营养物质积累减少，难以实现早熟高产。但是，浓度过高，又可能对作物造成危害，出现叶片周边焦边，严重时甚至死亡等现象。co2施肥在国外己经发展到实际应用的水平。人工补充co2己成为发展高产、优质、高效农业的重要措施之一。温室内co2的控制就是掌握好浓度。使作物获得最大生长率的co2浓度，取决于作物的生长阶段、光照强度、温度等因素。为了最大限度的提高施肥效果，施放co2时，必须控制在温度、湿度、光照度等条件满足之后进行。综上所述，温室内各环境因子之间存在着强烈的相互作用，作物是在各环境因子的综合影响下生长的，而不是单个因素作用的结果，各环境因子对温室作物的作用也不是简单叠加的。因此，单因子控制是不能达到良好效果的。所以设计智能化温室环境测控系统时须辅以有关的调控技术以及各环境因子之间的相互耦合系数，控制各参数因子处在相对最佳组合的水平，这样才能使种植者获得最佳的产量与经济效益。1.1.2 温室大棚的国内外发展现状及趋势现在世界各国的设施园艺发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完自动化、无人化的方向发展。发达国家近二十年来建造的温室，自动化水平高，都设自动监测、数据采集和集中控制系统，包括各种传感器、计算机及各种电气装置等。各国温室技术研究的核心是温室复合环境优化控制研究。主要包括:生态环境因素控制自动化:生态环境因素控制自动化的主要内容是温、湿度的自动调节，灌水量、水温自动调节，co2施肥自动调节，温室通风换气自动调节等。通过控制各种相应的操作设备来控制上述内容，以达到给作物创造最佳生长环境的目的。对环境影响因素采用的控制方法一般有两种：(1)单因子控制。这是对温度、湿度、光照和co2浓度等进行单独控制的方法，其中主要是控制温度，其次是湿度，包括空气湿度和土壤或基质的湿度。其局限性在于外界气候的变化随时影响到室内的小气候，靠人工指令随时进行相应改变是很难办到的。(2)多因素综合控制。这是80年代发展起来的利用计算机控制温室环境因素的方法，将各种作物不同生长发育阶段需要的适宜环境条件要求输入计算机程序，当某一环境因素发生改变时，其余因素自动做出相应修正或调整。一般以光照条件为始变因素，温度、湿度和co2浓度为随变因素，使这4个主要环境因素随时处于最佳配合状态。环境监测控制技术:环境控制技术是温室技术的核心。现代大型温室中，所有环境因子如室内温、光、气、湿、热、营养液养分状况与温度、植物根部环境温湿度等因子的监测、传感、调节，都由计算机进行综合管理，实行自动控制。国外先进温室，对室内外气温、风力、降雨等气象情况，室内空气温湿度、土壤温度和含水量、光照强度、co2浓度、营养液的酸碱度(ph值)、导电率(ec)和温度等环境参数，可利用计算机自动进行检测并实施控制。有的系统还可监测叶面积指数、叶温、蒸腾量和长势等生物活体信息，对生物体的重量、大小、形态等进行非接触式和非破坏性监测，从而对温室溜溉、施肥、加热、降温、补光、保温、遮阳、co2浓度、加湿、除湿等作业进行综合控制.还有人根据产品市场价格变化的规律和作物生长规律，对作物的光合作用条件进行优化控制，以期获得最好的经济效益。 近年来我国的温室控制取得了长足的进步，首先在温室群控制方面，进行了初步的探索和理论研究，其次在温室控制中引入了人工智能和先进的控制算法，如专家系统、遗传算法、模糊控制等理论和控制策略。当前温室控制系统研究热点己由简单的ddc(直接数字控制)发展到分布式控制系统，如dcs(分布式控制)、fcs(柔性控制)等网络化的控制系统。目前，在相关行业己经有网络化测量和控制方面的研究，实现网络化、分布式数据采集系统取代传统孤立的、信息闭塞的系统，甚至跨越以太网或internet进行数据采集，实施远程控制。虽然国内温室规模有限，还没有形成规模经济，另外构建的费用也较高，但从长远来看，温室监控系统分布式和网络化将是一种必然的趋势。总的来说，国外现代温室环境控制系统性能先进，产出效益高，但价格昂贵，维护不便，并且也是根据本国自己国情的不同有所侧重，因此不能全盘照搬用来指导我国的温室生产。温室环境系统是一个多变量的大惯性非线性系统，并且有藕合、延迟等现象，很难对这类系统建立数学模型及用经典控制方法和现代控制方法实现控制。近年来，随着神经网络、遗传算法、模糊推理等新的控制理论不断出现并逐渐应用于温室控制领域，这一问题得到很好的解决。温室控制软件也越来越多，越来越方便与成熟，专家系统也不断发展和完善，并成为当前温室控制技术研究的重要方向。1.1.3 本课题的研究意义及主要内容本设计研究内容表述如下:(1)控制器以单片机为核心，整个系统包括主控制模块、数据采集与处理模块、输出控制模块、键盘及显示模块。数据采集与处理模块能够完成温室内温度、湿度和二氧化碳浓度的采集和处理。 (2)监控管理软件的设计为控制器(单片机)软件的设计和开发。采用单片机汇编语言编写。本课题针对于当前我国温室环境控制相关技术面临的一些问题提出一定的方案，希望解决温室控制系统的高成本低效益的现实困难推进温室的产业化和智能化发展步伐，从而有利于我国现代设施农业向规范化，低成本、产业化、智能化方向发展。2 总体方案的设计2.1 实现功能本设计是基于at89c51单片机的温湿度智能控制采集系统，主要完成以下功能：(1) 选择at89c51单片机，了解其基本特性和功能，使用at89c51实现对温湿度及二氧化碳浓度的智能控制。(2) 使用温度传感器测量现场环境温度，进行数据的采集及传到单片机处理。(3) 使用湿度传感器对现场时读数据采集，由单片机进行数据处理和控制，实现范围为1%99%rh的湿度控制。(4) 设计人机对话接口，键盘显示和报警系统。(5) 涉及执行机构电路，是单片机能够自动控制执行机构工作。(6) 在完成以上功能时，要确保系统的可靠性和稳定性，是系统能够长期稳定的工作。 2.2 总体方案设计本方案以at89c51单片机系统为核心来对温度，湿度和二氧化碳浓度进行实时控制和检测。检测单元能独立完成各自功能，并根据单片机的指令对温度进行实时或定时采集。单片机负责控制指令的发送，并控制各机构进行温度采集，手机测量数据，同时对测量结果进行处理及显示。单片机本系统主要有自动监控系统，自动控制系统，人机对话接口这三个部分组成。其原理图下图2.1：控制系统检测系统人机对话湿度执行温度执行温度检测湿度检测led显示键盘系统报警系统co2浓度检测图2.1 系统原理图2.3 详细设计经过仔细研究和分析，对系统的总体方案进行了详细设计，采用的芯片主要有：atmel公司生产的at89c51单片机，ad公司生产的ad590集成温度传感器，电容式湿度传感器hs1101。单片机通过ad0809ad转换器把从传感器输出的模拟信号转换成数字信号，通过单片机t。对脉冲宽值的计算得到湿度值。本课题所选用的二氧化碳传感器是figaro(弗加罗)公司生产的固态电化学型气体敏感元件tgs4160。通过监测s（）、s（）两个电极之间所产生的电势值emf，就可以测量co2的浓度值。 在这里温度及二氧化碳浓度需要模数转换。在执行机构中，可以通过单片机直接控制来达到需要的数值。显示部分由单片机分时把温度湿度及二氧化碳浓度值送到数码管显示。通过键盘可以设定参数的上限值下限值，当当前参数超过设定值时，由单片机控制报警电路报警。同时单片机控制相应的执行机构运行相应的动作，使得温度湿度及二氧化碳浓度恢复到正常水平。单片机at89c51温度测点ad590adc0809驱动显示co2浓度测点tgs4160键盘湿度测点hs1101x25045执行机构驱动放大光电隔离报警图2. 2 总体方案框图3 系统硬件设计硬件元器件的选择，必须考虑到功能的实现，必须考虑到到期间的实施性，价格和通用性等几个方面。在电路的设计中，在实现其所要求的功能基础上，尽量使电路简单。3.1 单片机的选择及其特性3.1.1 单片机的概述单片机又称单片微控制器它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。单片机也被称为微控制器（microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有cpu的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和cpu集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。intel的z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。、本设计选用了at89c51单片机，它是一种低功耗，低价格，高性能8位微处理器。3.1.2 at89c51简介at89c51 是美国atmel 公司生产的低电压，高性能cmos 8 位单片机，片内含8k bytes 的可反复擦写的flash 只读程序存储器和256 bytes 的随机存取数据存储器（ram），器件采用atmel 公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准mcs-51 指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8 位中央处理器（cpu）和flash 存储单元，功能强大的at89c51 单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。8051单片机包含中央处理器、程序存储器（rom）、数据存储器(ram)、定时计数器、并行接口、串行接口、和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。1.中央处理器中央处理器(cpu)是整个单片机的核心部件，是把为数据宽度的处理器能处理8位二进制数据或代码，cpu负责控制、指挥和调度整个单片机的工作，完成运算和控制输入输出功能等工作。2.数据存储器内部有128个8位用户存储单元，他们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的ram只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。3.程序存储器共有4096个八位rom，用于存放用户程序、原始数据或表格。4定时/计数器有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生的用语程序控制转向。引脚图如3.1：图3.1 at89c51引脚图1主要性能参数at89c51系列单片机主要性能参数如下：8k字节可重擦写flash闪速存储器1000次擦写周期全静态操作：0hz-24mhz三级加密程序存储器256字节内部ram32个可编程i/o口线3个16位定时/计数器8个中断源可编程串行uart通道低功耗空闲和掉电模式。2功能特性8k字节flash 闪速存储器，256字节内部ram，32 个i/o 口线，3 个16 位定时/计数器，一个6 向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，at89c51 可降至0hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止cpu 的工作，但允许ram，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存ram 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。3并行口简介vcc：电源电压gnd：接地端p0口：p0口是一组8位漏极开路型双向i/o口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动8个ttl逻辑门电路，对端口p0写“1”时，可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在flash 编程时，p0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。表3.1 引脚p1.0和p1.1的第二功能引脚号功能特性p1.0t2(定时计数器2外部计数脉冲输入),时钟输出p1.1t2ex（定时计数器2捕获重装载触发和方向控制p1口：p1口是一个带内部上拉电阻的8位双向i/o口，p1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个ttl 逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(iil)。p1.0 和p1.1 还可分别作为定时/计数器2 的外部计数输入（p1.0/t2）和输入（p1.1/t2ex），参见表3.1。flash 编程和程序校验期间，p1 接收低8位地址。p2口：p2是一个带有内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个ttl逻辑门电路。对端口p2写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(iil)。在访问外部程序存储器或16 位地址的外部数据存储器（例如执行movx dptr 指令）时，p2口送出高8 位地址数据。在访问8 位地址的外部数据存储器（如执行movx ri 指令）时，p2口输出p2 锁存器的内容。flash 编程或校验时，p2亦接收高位地址和一些控制信号。p3口：p3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向i/o口。p3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个ttl 逻辑门电路。对p3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的p3口将用上拉电阻输出电流（iil）。p3口除了作为一般的i/o口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表3.2所示：表3.2 引脚p3口的第二功能端口引脚号第二功能p3.0rxd（串行输入口）p3.1txd（串行输出口）p3.2/into（外中断0）p3.3/int1（外中断1）p3.4t0（定时/计数器0）p3.5t1（定时/计数器1）p3.6/wr（外部数据存储器写选通）p3.7/rd（外部数据存储器读选通）图3.2 at89c51编程图 烟台大学毕业论文（设计）此外，p3 口还接收一些用于flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。rst：复位输入。当振荡器工作时，rst引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ale/prog： 当访问外部程序存储器或数据存储器时，ale（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。一般情况下，ale仍以时钟振荡频率的1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ale脉冲。对flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（prog）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（sfr）区中的8eh 单元的d0 位置位，可禁止ale 操作。该位置位后，只有一条movx 和movc指令才能将ale 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ale 禁止位无效。psen：程序储存允许（psen）输出是外部程序存储器的读选通信号，当at89c51 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次psen有效，即输出两个脉冲。此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次psen信号。ea/vpp：外部访问允许。欲使cpu 仅访问外部程序存储器（地址为0000hffffh），ea 端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位lb1 被编程，复位时内部会锁存ea端状态。如ea端为高电平（接vcc端），cpu 则执行内部程序存储器中的指令。flash 存储器编程时，该引脚加上+12v 的编程允许电源vpp，当然这必须是该器件是使用12v 编程电压vpp。xtal1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。xtal2：振荡器反相放大器的输出端。中断寄存器：at89c51有6个中断源，2个中断优先级，ie寄存器控制各中断位，ip寄存器中6个中断源的每一个可定为2个优先级。数据存储器：at89c51有256个字节的内部ram，80h-ffh高128个字节与特殊功能寄存器（sfr）地址是重叠的，也就是高128字节的ram和特殊功能寄存器的地址是相同的，但物理上它们是分开的。3.2 温度传感器的选择及其电路设计在实际的工作当中，温度检测的方法一般用热电偶、热敏电阻以及集成温度传感器等测温元件。热点偶的工作原理：两种不同成份的导体（称为热电偶丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端（也称为测量端），另一端叫做冷端（也称为补偿端）；冷端与显示仪表或配套仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。热敏电阻工作原理：热敏电阻是对温度敏感的半导体元件，主要特征是随着外界环境温度的变化，其阻值会相应发生较大改变。电阻值对温度的依赖关系称为阻温特性。热敏电阻根据温度系数分为两类：正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻。正温度系数热敏电阻简称ptc（是positive temperature coefficient 的缩写），超过一定的温度(居里温度)时，它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高。其原理是在陶瓷材料中引入微量稀土元素，如la、nb等，可使其电阻率下降到10 .cm以下，成为良好的半导体陶瓷材料。这种材料具有很大的正电阻温度系数，在居里温度以上几十度的温度范围内，其电阻率可增大410个数量级，即产生所谓ptc效应。热电偶和热敏电阻的测量精度都比较高，成本比较低，而且测量的范围也比较广，但是它容易收到测量场所及环境的限制，高温和长期使用时由于环境的限制会使其性能下降，需要定期检查与更换，给实际应用带来很大不便。而由ad公司生产的ad590温度传感器，具有线性好、精度高、灵敏度高、体积小、使用方便、价格比较低，并具有长期稳定性等优点，因此得到广泛应用。所以本设计采用了ad公司生产的ad590集成温度芯片。 3.2.1 温度传感器ad590简介ad590是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路. 集成温度传感器具有线性好、精度适中、灵敏度高、价格总体上较低、体积小、使用方便等优点，得到广泛应用。集成温度传感器的输出形式分以为电压输出和电流输出两种。电压输出型的灵敏度一般为10mv/k，温度0时输出为0，温度25时输出2.982v。电流输出型的灵敏度一般为1ma/kad590正是基于这些特点，工作时它就是利用晶体管的b-e结压降的不饱和值vbe与热力学温度t和通过发射极电流i的下述关系实现对温度的检测：它的主要特性如下：流过器件的电流（ma）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数，即：式中： 流过器件（ad590）的电流，单位为ma；t热力学温度，单位为k。ad590的测温范围-55+150。ad590的电源电压范围为4v30v。电源电压可在4v6v范围变化，电流 变化1ma，相当于温度变化1kad590可以承受44v正向电压和20v反向电压，因而器件反接也不会被损坏。输出电阻为710mw。精度高。ad590共有i、j、k、l、m五档，其中m档精度最高，在-55+150范围内，非线性误差为0.3。3.2.2 温度测量电路1基本应用电路ad590封装图简介 图3. 3 ad590封装图ad590基本使用方法如下：图 3. 4 ad590基本电路图ad590的输出电流值说明如下：其输出电流是以绝对温度零度（-273）为基准，每增加1，它会增加1a输出电流，因此在室温25时，其输出电流iout=（273+25）=298a。ad590产生的电流与绝对温度成正比，它可接收的工作电压为4v30v，检测的温度范围为55150，它有非常好的线性输出性能，温度每增加1，其电流增加1ua。 ad590温度与电流的关系如下表所示表3.3 ad590温度与电流的关系摄氏温度ad590电流经10k电压0273.2 ua2.732v10283.2 ua2.832 v20293.2 ua2.932 v30303.2 ua3.032 v40313.2 ua3.132 v50323.2 ua3.232 v60333.2 ua3.332 v100373.2 ua3.732 v利用ad590温度传感器完成温度的测量，把转换的温度值的模拟量送入adc0809的其中一个通道进行a/d转换，将转换的结果进行温度值变换之后送入数码管显示2温度测量电路要想克服简单电路的缺陷，就要使得增益调整和补偿调整相互独立。本设计用了具有独立调节功能的测温电路。ad590的输出电流i=(273+t)ua(t为摄氏温度)，因此测得的电压为u=(273+t)uax10k=(273+t)x0.01v. 但由于ad590的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。调整方法为：把ad590放入冰水混合物中，调整电位器r1，是输出电压u=2.732v；或在室温条件下通过调节电位器r2，使输出电压u=-2.73v，调整电位器r3，使u=1.25v。这样，可以保证电路有较高的精度。温度测量电路图： 图3.5 温度测量电路3.2.3 a/d转换器adc0809简介单片机接受的是数字信号，而传感器经测量电路输出的是模拟电压信号，因此就需要把模拟信号转换为数字信号的元件a/d转换器。本设计选用了adc0809。 图3.6 adc0809芯片图1. adc0809内部电路组成及转换原理adc0809是采样频率为8位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行a/d转换。主要特性（1）8路8位ad转换器，即分辨率8位。 （2）具有转换起停控制端。 （3）转换时间为100s（4）单个5v电源供电 （5）模拟输入电压范围05v，不需零点和满刻度校准。 （6）工作温度范围为-4085摄氏度 （7）低功耗，约15mw。 内部结构 adc0809是cmos单片型逐次逼近式ad转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型da转换器、逐次逼近 外部特性（引脚功能） adc0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装。下面说明各引脚功能。 in0in7：8路模拟量输入端。2-12-8：8位数字量输出端。adda、addb、addc：3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路ale：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 start： ad转换启动信号，输入，高电平有效。 eoc： ad转换结束信号，输出，当ad转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。 oe：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当ad转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。clk：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640khz。 ref（+）、ref（-）：基准电压。 vcc：电源，单一5v。 gnd：地。 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 ad转换，之后eoc输出信号变低，指示转换正在进行。直到ad转换完成，eoc变为高电平，指示ad转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。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。 2 adc0809的技术指标功耗为15mw 单一电源，+5v供电。分辨率为8最大不可调误差：adc08091/2lsb adc08091lsb转换速度取决于芯片的时钟频率。 3.2.4 分频器cd4043在此系统中adc0809只接两路模拟信号，一个是湿度电压信号，另一个是co2浓度电压信号。为了使adc0809的clk引脚接上500khz脉冲，从单片机ale/p引脚（2mhz）出来接上一个四分频计数器cd4013得到500khz脉冲，如图3.7所示q端接至clk。 图3.7 cd4013电路图3.3 湿度传感器的选择及其电路设计由于应用领域的不同，对湿度传感器的技术要求也不尽相同。在常规的环境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。用干湿球湿度计或毛发湿度计来测量湿度的方法，早已无法满足现代科技发展的需要。这是因为测量湿度要比测量温度复杂的多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其他因素（大气压强、温度）的影响。此外，湿度的标准也是一个难题。国外生产的湿度标定设备价格十分昂贵。 近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度/温度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。目前，国内市场上出现了不少国内外湿度传感器产品，电容式湿敏元件较为多见。本设计选用了电容式传感器hs1101。3.3. 1 湿度传感器hs1101简介温度检测采用hs1101型温度传感器，hs1101是humirel公司生产的变容式相对湿度传感器，采用独特的工艺设计。hs1101测量湿度采用将hs1101置于555振荡电路中，将电容值的变化砖换成电压频率信号，可以直接被微处理器采集。 湿度传感器 hs1101特点：基于独特工艺设计的电容元件，这些相对湿度传感器可以大批量生产。可以应用于办公自动化，车厢内空气质量控制，家电，工业控制系统等。在需要湿度补偿的场合他也可以得到很大的应用。快速反应时间专利的固态聚合物结构长时间饱和下快速脱湿高可靠性与长时间稳定性全互换性 在标准环境下不需校正可用于线性电压或频率输出回炉可以自动化焊接，包括波峰焊或水浸下表为hs1101的一些特性参数：表3.4 hs1101参数参数符号参数值单位工作温度ta-40100储存温度tstg-40125供电电压vs10vac湿度范围rh0100%rh焊接时间t=260t10s表3-5 hs1101的工作特性：特征参数符号mintypmax单位湿度测量范围rh1995供电电压vs510v标称电容55%rhc177180183pf温度效应tcc0.04pf/平均灵敏度(33%75%rh)c/%rh0.34pf/%rh漏电流ix1na恢复时间150小时结露tr10s迟滞+/-1.5%长时间稳定性0.5%rh/yr反应时间ta5s曲线精度（10%90%）+/-2%rh可以按要求提供详细的说明书3.3.2 湿度测量电路hs1101测量湿度采用将hs1101置于555振荡电路中，将电容值的变化砖换成电压频率信号，可以直接被微处理器采集。图3.8 湿度测量电路555芯片外接电阻r57，r58与hs1101，构成对hs1101的充电回路。7端通过芯片内部的晶体管对地短路实现对hs1101的放电回路，并将引脚2，6端相连引入到片内比较器，构成一个多谐波振荡器，其中，r57相对于r58必须非常的小，但决不能低于一个最小值。r51是防止短路的保护电阻。hs1101作为一个变化的电容器，连接2和6引脚。引脚作为r57的短路引脚。hs1101的等效电容通过r57和r58充电达到上限电压（近似于0.67vcc，时间记为t1），这时555的引脚3由高电平变为低电平，然后通过r58开始放电，由于r57被7引脚内部短路接地，所以只放电到触发界线（近似于0.33vcc，时间记为t2），这时555芯片的引脚3变为高电平。通过不同的两个电阻r19，r20进行传感器的不停充放电，产生方波输出。充电、放电时间分别为 （3-1） （3-2） 输出波形的频率和占空比的计计算公式如下： (3-3) (3-4)由此可以看出，空气相对湿度与555芯片输出频率存在一定线性关系。表2给出了典型频率湿度关系（相对湿度：55%，输出频率：6.208khz）。可以通过微处理器采集555芯片的频率，然后查表即可得出相对湿度值。为了更好提高测量精度，将采用下位机负责采集频率，将频率值送入上位机进行分段处理。我们很容易得到电容值和湿度的关系为： rh=(cx-163)/0.39 （3-5）根据上式，我们很容易求的相应的湿度值。3.4 二氧化碳浓度的采集及电路3.4.1 二氧化碳浓度传感器 tgs4160的简介本课题所选用的二氧化碳传感器是figaro(弗加罗)公司生产的固态电化学型气体敏感元件tgs4160。这种二氧化碳传感器除具有体积小、寿命长、选择性和稳定性好等特点外，同时还具有耐高湿低温的特性，可广泛用于自动通风换气系统或是co2气体的长期监测等应用场合。但是，由于tgs4160的预热时间较长(一般为2小时)，所以，该器件比较适合于在室温下长时间通电连续工作。此外，为了方便客户使用，外figaro公司还专门设计了带温度补偿的传感器处理模块am4。该模块采用微处理器进行控制，co2气体浓度的输出信号电平为0.03.0v，相当于0-3000ppm的浓度，并有中继转接控制口，可输出高、低两种门限信号以供外接控制使用。tgs4160传感器的主要技术参数如下：测量范围：05000ppm；使用寿命：2000天；加热器电压：5.00.2 vdc；加热器电流：250ma；加热器功耗：1.25w；内部热敏电阻（补偿用）：100k5；使用温度：1050；使用湿度595rh；产品尺寸：最大外径24mm，高24mm，引脚长5.8mm。tgs4160二氧化碳传感器是一种内含热敏电阻的混合式co2敏感元件。该元件在两个电极之间充有阳离子固体电解质。它的阴极由锂碳酸盐和镀金材料制成，而阳极只是镀金材料。该敏感元件的基衬是用对苯二酯聚乙烯和玻璃纤维加固，然后采用不锈钢网做圆柱型封装。元件的内层采用100目双层不锈钢网套在镀镍铜环上，并用高强度树脂粘合剂与基衬固定在一起。其外层顶盖上又罩上了一层60目的不锈钢网。为了达到降低干扰气体影响的目的，tgs4160在内外两层不锈钢网之间还填充有吸附材料（沸石）。传感器的6个引脚通过0.1mm的箔导线与内部相连。其等效的内部结构见图3.9所示。图中，阳极与传感器的第3脚s（）相连，阴极与传感器的第4脚s（）相连，加热器与传感器的第1，6脚相连，内部热敏电阻与传感器的第2，5脚相连。内部热敏电阻的作用是通过该电阻探测环境温度，以便对该传感器进行温度补偿，从而使校正后的测量值更加准确。 图3.8 tgs4160等效内部结构 图3.9 tgs4160内部结构图3.4.2 传感器 tgs4160的电路连接图3.10 tgs4160电路图二氧化碳浓度信号采集tgs4160采集到信号后先经运算放大器，再接到adc0809进行模数转换tgs4160型co2传感器是一种电化学型气体的敏感元件，当该元件暴露在co2气体环境中时，就会产生电化学反应。其反应式如下：阳极反应： (3-4)阴极反应： (3-5)总体反应： (3-6)作为电化学反应的结果，根据耐斯特方程，该过程将产生如下电势（）： (3-7)式中：为co2的分压；为常数；r是气体常数；t为温度值（k）；f是法拉第常数。从上式看出，通过监测s（）、s（）两个电极之间所产生的电势值emf，就可以测量co2的浓度值。为了使该传感器保持在最敏感的温度上，一般需要给加热器提供加热电压进行加热，但加热电压的变化将直接影响传感器的稳定性，因此加热电压必须稳定，其范围应在5.00.2vdc之内。为了保证co2的准确测量，除了保证加热电压稳定及对环境温度的变化进行温度补偿外，更主要的是要测量两电极之间变化的电势值emf，而不是绝对电势值emf，因为emf与co2浓度变化之间有一个较好的线性关系。虽然emf绝对值随环境温度的上升而上升，emf却保持常量，而且它在1050温度范围内，基本不受温度的影响。emf值可由下式求得：emfemf1emf2 （3-8）其中，emf1为350ppm的co2中的emf值；emf2为所测量的co2的emf值。在温度为202、湿度为655rh、加热电压为5.00.05vdc、预热时间为7天或大于7天的条件下，测得传感器在浓度为350ppm中的emf值是220490mv，而emf在3503500ppm的co2浓度中的值是4472mv，因此在实际测量应用电路中，要根据传感器的特点要求，除使用高输入阻抗（100g）、低偏置电流（1pa）的运算放大器外，还要对测得的信号进行处理。处理该信号通常有两种方案可供选择：一是使用费加罗公司的fic98646专用处理器模块，二是选用其它型号的单片机并通过自己编程进行信号处理。利用tgs4160传感器并通过高输入阻抗、低偏置电流的运放进行放大，再作一些简单的运算处理，就可以在co2浓度为3005000ppm的范围内测得信号，该信号为0几百毫伏的电压信号，可以供高精度ad采样使用。3.5 单片机外围控制电路设计在本系统中单片机的外围电路较多，可分为以下几部分：看门狗电路、系统电源、温湿度及co2浓度信号采集电路、执行机构电路、lcd显示电路、键盘输入及报警电路和单片机i/o的扩展电路等