基于单片机的温室监控系统设计_毕业设计.doc

西华大学毕业设计说明书 基于单片机的温室监控系统设计目 录1.前言11.1设计背景11.2实施计划22 总体方案设计32.1 方案比较32.1.1 方案一32.1.2 方案二42.2 方案论证52.3方案选择53 单元模块设计63.1各单元模块功能介绍及电路设计63.1.1主控制器设计63.1.2温度检测模块设计73.1.3 湿度检测模块设计73.1.4光照检测模块93.1.5二氧化碳浓度检测模块设计93.1.6 键盘模块设计103.1.7 ds1302时钟电路设计113.1.8 显示电路设计123.1.9继电器控制电路设计133.1.10电源电路设计153.1.11 i/o口扩展电路163.1.12 max232通讯电路设计173.2电路参数的计算及元器件的选择183.2.1 555振荡电路183.2.2电源电路193.2.3 时钟电路203.3 特殊器件的介绍203.3.1 ds18b20213.3.2 hs1101223.3.3 lcd1602253.3.4 bh1750fvi274.软件设计314.1 软件设计原理及设计所用工具314.2 软件结构图324.3 软件流程框图324.3.1 总体流程图324.3.2 4x4矩阵键盘的软件设计：344.3.3 ds18b20的软件程序设计354.3.4 二氧化碳浓度传感器6004程序设计364.3.5 上/下位机程序设计375. 系统调试385.1 硬件调试385.2 软件调试395.3软硬件整体调试406结论427 总结与体会438谢辞449 参考文献45附1 系统的原理电路图46附2 系统的相关软件481.前言 温室是一种可以改变植物生长环境、为植物生长创造最佳条件、避免外界四季变化和恶劣气候对其影响的场所。温室生产以达到调节产期，促进生长发育，防治病虫害及提高质量、产量等为目的。而温室设施的关键技术是环境控制，该技术的最终目标是提高控制与作业精度,解放生产力。温室中比较重要的环境参数包括有：温度、湿度、光照、co2浓度等，这几个环境参数都对植物的生长起到了比较关键的作用。温室监控系统基于现代科技技术对温室环境参数的监测与控制，使得环境参数符合既定要求。 国外对温室环境控制技术研究较早，始于20世纪70年代。先是采用模拟式的组合仪表，采集现场信息并进行指示、记录和控制。80年代末出现了分布式控制系统。目前正开发和研制计算机数据采集控制系统的多因子综合控制系统。现在世界各国的温室控制技术发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完全自动化、无人化的方向发展。 我国对于温室控制技术的研究较晚，始于20世纪80年代。我国工程技术人员在吸收发达国家温室控制技术的基础上，才掌握了人工气候室内微机控制技术，该技术仅限于温度、湿度和co2浓度等单项环境因子的控制。90年代中后期，在对国外温室设备配置、温室栽培品种、栽培技术等各个方面进行研究的基础上，我国自主开发了一些研究性质的环境控制系统。利用现代科技技术将原来的人工种植与管理到现在的自动化的过渡。 现在的温室管理系统在利用计算机技术及现代控制理论对温室的内部和外部的各种环境因素的监控，包括温度、湿度、光照、co2以及养料等，并且进行自动的控制和调节。利用各种传感器将数据采集，监控系统的实时检测环境变化及控制执行机构的动作，良好的人机效果使得操作过程简便。 本设计主要以单片机为核心来实现温室监控系统。以stc12c5a60s2芯片为核心的单片机小系统，用它来实现整个温室监控系统的逻辑控制。传感器将采集到的信号传送到单片机中，单片机将采集的信号处理后由lcd1602液晶实时显示，便于观察。用户可以通过键盘输入环境参数的阀值，单片机根据采集的数据自动控制外围设备状态，例如继电器的开合，加热、加湿器的开始和停止，使得环境参数符合既定要求。1.1设计背景现代农业中较为重要的一个环节就是对环境参数的检测和控制，例如：温度、湿度、光照、二氧化碳的浓度等。传统的方法是用毛发温度表等简易器材和经验来对温室大棚环境参数的检测，这种人工测控的方法费时费力，并且无法保证测量的连续性，测量的误差大、随机性大，为了克服以上的几点不足，我们基于市场因素和价格成本的因素设计了温室监控系统，用于解决在农业上的技术落后与成本高的问题。1.2实施计划1月2月，查阅和收集文献资料；2月20日3月15日，提出设计方案并对方案进行比较和论证，并最终确定方案。3月16日3月30日，进行硬件电路设计；4月1日4月20日，进行程序的编写；4月21日5月10日，进行整机调试；5月10日5月24日进行报告的撰写，并准备毕业设计答辩。2 总体方案设计2.1 方案比较2.1.1 方案一加热加湿光照释放co2控制系统检测系统温度单片机89s52 湿度 光照强度lcd液晶显示键盘 二氧化碳浓度 图 2-1 方案一的原理框图 方案一：本方案采用stc89s52单片机为控制器，处理由传感器传回的数据并根据键盘输入的环境参数阀值来控制外部控制器的开启和关闭，通过液晶实时显示出环境参数数据。在温度传感器的选择上我们选择采用ad590温度传感器，ad590性能描述：测量范围在-50- +150，满刻度范围误差为0.3，当电源电压在510v之间，稳定度为1时，误差只有0.01 。湿度传感器采用hos-201湿敏传感器，该传感器为高湿度开关传感器，工作电压在交流1v以下频率为50hz1khz，测量范围为0%100%rh，工作温度为050，阻抗在75%rh(25)时为1m。光照传感器采用m124749，该光照度传感器采用先进的电路模块技术开发变送器，用于实现对环境光照度的测量，输出标准的电压及电流信号。二氧化碳浓度检测传感器采用红外二氧化碳传感器6004。控制部分采用继电器控制加热、加湿、通光窗、排风扇等外围电器。传感器将采集到的数据传送到单片机中，单片机根据预先由键盘设定的阀值作出相应的控制动作，控制外围电器的开启和关闭，并且lcd液晶显示屏将实时显示环境参数。其原理框图如图2-1所示。2.1.2方案二上位机rs-232键盘时钟人机交互系统报警led液晶加热通光排风湿度光照强度二氧化碳温度下位机（stc12c5a60s2）控制系统 检测系统加湿 图 2-2 方案二的原理框图 方案二：本方案中采用上位机与下位机通讯的方式，将下位机的数据实时传回上位机中，上位机也可以将控制命令传递下位机。在下位机的设计中采用stc12c5a60s2单片机作为中央处理器。温度传感器采用ds18b20温度传感器，可编程单总线数字式温度传感器ds18b20可实现室内温度信号的采集，只有一根信号线作为单总线与cpu连接。湿度传感器采用hs1100/hs1101湿度传感器，该传感器在电路结构上等效于一个电容器，其电容量随着土壤湿度的增大而增大，不需要校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，快速响应。在光照传感器上采用gy-30数字光模块，iic总线接口占用i/o口较少，线性度好。二氧化碳浓度检测传感器采用红外二氧化碳传感器6004。控制部分采用继电器控制加热、加湿、通光窗、排风扇等外围电器。 传感器将采集到的数据传送到单片机中，单片机根据预先由键盘设定的阀值作出相应的控制动作，并且lcd液晶显示屏将实时显示环境参数，在人际交互系统中加入了时钟，用户可以利用键盘可以进行调试和定时工作。其原理框图如图2-2所示。2.2 方案论证方案一使用的温度传感器、湿度传感器、光照传感器 在一定范围内线性度很好能够达到设计要求，在外围的电路中稍显复杂，不利于调节，同时占用较多的i/o口。方案二中使用传感器较便宜成本低，也能够达到设计的要求，只是在程序上比较复杂。2.3方案选择温室监控系统要求能够采集到温室的环境参数，通过预先设定的阀值进行智能控制并且显示实时环境参数，适合一些大型的大棚、温室等对环境要求较为苛刻的场所。现代温室中需要考虑到系统的可移植和可扩展性，用户可以根据自身的环境因素和需求更改相应的参数。在成本的控制上，要尽可能的减少成本获得最大的利益效果。温室监控系统比较重要的两个指标是采集的数据的精度和控制的准确度。在湿度传感器中虽然hos-201湿敏传感器满足精度和测量要求，但是只是限定与一定范围内使用时具有良好的线性性。在温度传感器中虽然ad590温度传感器要求的精度和适应环境比ds18b20更高一点，但是后续的模拟电路较为复杂，反而引入了不确定量，ds18b20后续电路简单占用的i/o口数量少，为整体留出了足够的i/o口资源。在光照的传感器中光照度传感器m124749具有良好的设计精度和线性度，但是成本昂贵，gy-30数字光模块具有较高的性价同时也能满足设计要求，只是程序稍显复杂。方案二中加入的时钟系统更好的让用户设计调试和定时，合理的安排温室环境温度。综上所述，选择方案二。3 单元模块设计本系统的硬件主要有stc12c5a60s2单片机系统，ds18b20组成的温度检测模块，hs1101与ne555组成的湿度检测模块，数字光学传感器gy-30模块，气体传感器6004组成的二氧化碳检测模块，继电器驱动电路和电源电路等。3.1各单元模块功能介绍及电路设计3.1.1主控制器设计 主控制器为一个增强型51单片机系统的最小系统，我们选择了stc12c5a60s2系列单片机，主控制器电路如图3-1所示。stc12c5a60s2是stc生产的单时钟周期的单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统的8051，但是速度快8-12倍。内部集成max810专用的复位电路，2路pwm，8路高速10位a/d转换。工作电压在5.5-3.5v，1280字节的ram，4个16位定时器，3个时钟输出口，外部中断i/o口7路，传统的下降沿中断或电平触发中断，并新增支持上升沿中断的pca模块，通用全双工异步串行口（uart）。单片机最小系统主要以stc12c5a60s2为核心，附带周围电路如：复位电路，时钟电路，电源电路和接口电路等部分。电源和时钟等电路是单片机运行的核心部分，外部接口电路可以扩展显示、a/d转换、键盘等是单片机完成本设计的要求。 图3-1单片机最小系统原理图本设计中，单片机主要负责信号的接收、处理、比对，根据键盘输入的阀值来进行相应的动作。在本系统中采用的是stc12c5a60s2单片机，负责统筹各个模块的工作，信号的处理协调其他模块的工作，将采集的信号处理判断并且显示，是整个系统的核心，且工作效率的高低影响到整个系统的工作效率，所选择的单片机的功耗低，速度快，成本低，稳定性好，满足设计要求。3.1.2温度检测模块设计ds18b20数字温度计是dallas公司生产的1wire，即单总线器件，具有线路简单，体积小的特点。因此用它来组成一个测温系统，具有线路简单，在一根通信线，可以挂很多这样的数字温度计，十分方便。在本系统中采用了ds18b20数字温度传感器，在硬件上，ds18b20与单片机的连接有两种方法，一种是vcc接外部电源，gnd接地，i/o与单片机的i/o线相连；另一种是用寄生电源供电，此时udd、gnd接地，i/o接单片机i/o。无论是内部寄生电源还是外部供电，i/o口线要接5k左右的上拉电阻.我们采用的是第一种连接方法。通过单片机的控制ds18b20传感器并实时读取空气温度。数字温度传感器的测量电路如图3-2所示： 图3-2 温度测量电路图3.1.3 湿度检测模块设计 土壤的湿度影响着植物的生长情况，过干和过湿都不利于植物生长。本设计中才采用的湿度传感器为hs1101湿度传感器，在电路中等效于一个电容器件，其电容量随着所测的土壤湿度增大而增大，如何将电容的变化量准确的转换成单片机易于接受的信号，常有两种方法：一是将该湿敏传感器置于运放与阻容组成的桥式振荡电路中，所产生的正弦波电压信号经整流、直流放大、再经过a/d转换成为数字信号；另一种是将该湿敏传感器置于555振荡电路中，将电容值的变化转化为与之成反比的电压频率信号，可直接被单片机所采集。本设计中采用的是测量555输出的振荡的方法，电路如图3-所示。此外由于555振荡输出的方波存在外界干扰和自身器件原因，以及考虑单片机i/o口对电平的采集要求，所以在设计中加入一个由555构成的方波整形电路，使得输出的方波幅度固定，频率不发生变化，其电路图如3-4所示。 图 3-3 555输出震荡电路图图3-3所示的电路为典型的555双稳态电路。hs1101作为电容变量接在555的tr引脚上，引脚7用作电阻r3的短路。等量电容hs1101通过r5与r8充电到门限电压（约0.67vcc），通过r8放电到触发电平（约0.33vcc），然后r5通过引脚7短路到地。传感器由不同的电阻r5与r8充放电。电阻r9是为了短路保护，电阻r10是555的匹配电阻。 图3-4 方波整形电路 图3-4所示的电路为典型的方波整形电路，用555组成的施密特触发器，当vivcc/3时，555输出为高；如果vcc/3vi2vcc/3,输出就由高电平变为低电平，之后只要vi2vcc/3，电路输出端保持低电平不变。这样施密特触发器的正负阀值电压分别是vcc/3和2vcc/3，这样就控制了方波输出的电压值为正，方便单片机采集。3.1.4光照检测模块在温室中我们需要监测温室光照量，充足的光照能够促进植物生长，所以本设计采用数字光照模块gy-30来监测温室系统的光照量。由于这个模块的接口是i2c接口，占用i/o口资源较少，且测试精度较高，线性度好，光谱范围和人眼接近，宽范围和高分解性；外围电路简单无需任何外部零件，对光源的依赖性不大。在本设计中我们将光照模块直接和单片机i/o口相连，在传输线上加上5.1k的上拉电阻，其原理图如图3-5所示。模块的时钟线和数据线分别接在q6,q7端，将数据传输到单片机上，通过数据线和时钟线写入数据和读取数据，将实时的光照量显示到lcd液晶显示屏中。 图3-5 gy-30模块电路 3.1.5二氧化碳浓度检测模块设计在温室中co2的浓度影响着植物的光合作用，所以在设计中我们需要对温室的c02浓度进行检测。本设计采用美国telaire公司生产的红外吸收型传感器6004。该传感器利用非分光红外（ndir）原理检测二氧化碳浓度，由一个镀金封装的光学系统和其他严格筛选的信号放大和处理元器件组成。其测量分为为：0-5000ppm；其测量精度：在22时与工厂标准气体相比误差约40ppm或者读数的3%；响应时间小于两分钟即可达到典型阶跃变化的90%。当红外光通过待测气体时，这些气体分子对特定波长的红外光有吸收作用，其吸收关系服从朗伯-比尔吸收定律。设入射光是平行光，其强度为i0，出射光的强度为i，气体介质的厚度为l当由气体介质中的分子数dn的吸收所造成的光强减弱为di时，根据朗伯-比尔吸收定律： （3-1）式中k为比例常数。经积分得： （3-2）式中：n为吸收气体介质的分子总数；为积分常数。显然，有： ncl式中c为气体浓度。则式（3-2）可写成： （3-3）式（3-1）表明：光强在气体介质中随浓度c及厚度l按指数规律衰减。吸收系数取决于气体特性，各种气体的吸收系数u互不相同。对同一气体，u随入射波长而变。若吸收介质中含i种吸收气体，则式（3-3）应改为 ） （3-4）此对于多种混合气体，为了分析特定组分，应该在传感器或红外光源前安装一个适合分析气体吸收波长的窄带滤光片，使传感器的信号变化只反映被测气体浓度变化。 6004传感器模块有下面的两种输出方式：模拟量输出信号信号，处理简单；数字接口：spi/microwire或者uart，他有相应的通讯协议。这里考虑到数字输出比模拟输出精度高并且抗干扰性好，本设计采用uart接口来读取传感器输出的数字信号。由于6004与单片机的电平不兼容，将6004的串行输出端（tdx）通过电阻分压接到单片机的p3.0上，6004的串行输入端（rdx）经过一个高速光耦芯片hcplo631升压接到单片机的p3.1口具体电路图如图3-6。 图3-6二氧化碳传感器6004接口图3.1.6 键盘模块设计 在温室监控系统中，需要采用键盘对温度、湿度、光照、二氧化碳浓度的设定，输入相应的阀值。调光调co2调时/定时调温/up调湿/down返回0369258741 在本系统中，采用4x4的矩阵键盘，采用扫描的方式读取键码，每个键码代表不同的功能。功能图如图3-7所示。 图3-7 键盘功能图 初使化时我们先让p1口的低四位输出低电平，高四位输出高电平，即让p1口输出0xf0。扫描键盘的时候，我们读p1口，看p1是 否还为0xf0,如果仍为0xf0，则表示没有按键按下；如果不0xf0，我们先等待10ms左右，再读p1口，再次确认是否为0xf0，这是为了防止是 抖动干扰造成错误识别，如果不是那就说明是真的有按键按下了，我们就可以读键码来识别到底是哪一个键按下了。矩阵键盘原理图如图3-8. 图3-8 矩阵键盘原理图 3.1.7 ds1302时钟电路设计 本设计中，加入了时钟模块用以显示日期和定时，在系统中可以定时，用户根据当地的情况定时的加湿，加温和降温等其他功能，这样就较为方便的控制温室情况。本设计中采用的是ds1302时钟芯片，ds1302是美国dallas公司推出的一种高性能、低功耗、带ram的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5v-5.5v。采用三线接口与cpu进行同步通信，可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或ram数据。ds1302增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。 在本设计中，ds1302加一个32.768m的晶振，为芯片提供计时脉冲。8脚接的是备用电源vcc1，主电源是vcc1为+5v，当vcc2vcc1+0.2v时，由vcc2向ds1302供电，当vcc2vcc1时，由vcc1向ds1302供电。ds1302的res、io、sclk接口分别接到单片机上，每根线上有10k的上拉电阻。 在lcd液晶显示屏上显示出年月日，如果主电源和备用电源都断电后，ds1302断电，当再次通电后ds1302重启，按照程序初始时间开始计时，可以通过键盘的调时键来进行调试。ds1302原理图如图3-9. 图3-9 ds1302原理图3.1.8 显示电路设计 本设计中需要用显示屏实时的显示外部环境参数，方便人机交流。液晶显示模块是一种将液晶显示器件、连接件、集成电路、pcb线路板、背光源、结构件装配在一起的组件英文名称叫“lcd module”，简称“lcm”，中文一般称为“液晶显示模块”。液晶显示模块是一种常用的人机界面，其在单片机系统中的应用极为广泛。液晶显示模块可以显示字符，又可以显示简单的图形。本设计的液晶显示电路采用的是1602液晶模块lma162a，它是一种点阵字符型液晶显示模块，可以显示两行32个字符，字符的点阵为58点，是一种很常用的小型液晶显示模块。1602lcd有16条引脚线，1脚接地，2脚接电源，3脚为液晶显示器对比度调整端，外接一个滑动电阻用以调整对比度，4脚为寄存器选择，5脚为读写信号线，6脚为使能端，4、5、6脚连接到单片机，由单片机控制。7-14脚为双向数据线，15、16脚为背光电源的正负极。lcd1602接线图如图3-10所示。在设计中，当系统通电后，液晶显示器显示“welcome to systlm”,当初始化完成后液晶显示屏显示出日期、温度、湿度、光照、和二氧化碳浓度参数。当按键盘调温键时1602显示function option temperature，然后按0-9键输入温度阀值；当键盘调湿时1602显示function option rh；当键盘调时和定时时，1602显示timer chosekey:up/down；当键盘调光时1602显示function option gz；当键盘调co2时，1602显示function option co2。 图3-10 lcd接口电路3.1.9继电器控制电路设计 单片机是一个弱电器件，一般情况下大都工作在5v甚至更低的电压。驱动电流在ma级以下，而要把它用于一些大功率场合，比如控制电动机，显然是不可能的。所以，就要有一个外围器件来连接单片机和大功率电器，这个环节就是所谓的“功率驱动”。继电器就是一个典型、简单有效的功率驱动器。继电器驱动含有两个意思：一是对继电器进行驱动，因为继电器本身对于单片机来说是一个功率器件；还有就是继电器去驱动其他负载，比如继电器可以驱动中间继电器可以直接驱动接触器，所以继电器驱动就是单片机与其他大功率负载接口。 本设计使用的是电磁继电器，其构造如图3-11所示，a是电磁铁，b是衔铁，c是弹簧，d是动触点，e是静触点。电磁继电器工作电路可分为低压控制电路和高压工作电路组成。控制电路是由电磁铁a、衔铁b、低压电源e1和开关组成；工作电路是由小灯泡l、电源e2和相当于开关的静触点、动触点组成。连接好工作电路，在常态时，d、e间未连通，工作电路断开。用手指将动触点压下，则d、e间因动触点与静触点接触而将工作电路接通，小灯泡l发光。闭合开关s，衔铁被电磁铁吸下来，动触点同时与两个静触点接触，使d、e间连通。这时弹簧被拉长，观察到工作电路被接通，小灯泡l发光。断开开关s，电磁铁失去磁性，对衔铁无吸引力。衔铁在弹簧的拉力作用下回到原来的位置，动触点与静触点分开，工作电路被切断，小灯泡l不发光。 图3-11 电磁铁构造图本设计采用的继电器控制电路图如图3-12：图中的q1接口接单片机i/o口，光耦的作用是将继电器和单片机隔离开，防止电流倒灌单片机烧毁单片机i/o口；图中的三极管起开关的作用，当q1口输入低电平时，光耦导通工作，三极管基极为高电平，三极管饱和导通，继电器吸合。当q1口输入为高电平时，光耦断开，三极管基极为低电平，三极管未导通，继电器断开。图中的二极管起保护作用，防止继电器产生的感应电动势烧坏三极管或继电器。 图3-12 继电器控制电路图继电器控制外围的加热器、风扇、电机等器件，当外界温度超过阀值时，控制风扇的继电器闭合，风扇工作使得温室降温，当温度降低到阀值时继电器断开，风扇停止工作；当外界温度低于阀值时，控制加热器的继电器闭合，加热器工作使得温室温度上升，当温度到达阀值时，继电器断开，加热器停止工作，由以上原理继电器控制着其他的器件的工作和停止。3.1.10电源电路设计电源是整个系统的能量源泉，电源给各个器件提供电压，在这个系统中的器件有两种电压，5v和12v，所以我们设计了两种电压值的电压。在单片机控制板中设计的+5v电压，在继电器控制板上设计的+5v和+12v电压。本设计采用的是线性稳压电源，是将220v交流电通过电源变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路作用后转变为直流电。线性稳压电源原理图如图3-13（1）、（2）所示。 在本设计中我们采用多抽头输出变压器，其作用是把交流电网给的220v，50hz交流电变换为多种伏度的电压值；整流电路是由四个二极管组成，作用是把经过变压后的交流电压变化为单向的脉动直流电压，本次设计中采用的是单相桥式整流电路，四个二极管并联后接入输入电压，整流桥分别把正负电压整流后输出正向的的两次的整流电压；滤波电路采用的是电容滤波方式，其作用是将整流后的单向脉动直流电压中的纹波滤除掉，使其变为平滑的直流电；稳压电路采用三端稳压器7805和7812，固定输出+5v和+12v。 图3-13（1）电源原理图。 图3-13（2）电源原理图3.1.11 i/o口扩展电路 在本设计中采用的单片机的i/o口资源有限，在整个设计的过程中需要用到的i/o口非常的多，所以在设计中加入i/o口扩展电路，用以解决i/0口资源有限的问题。 在本设计中我们采用一片74hc573和一片74hc244来组成i/o口扩展电路。 74hc573是高性能的硅门cmos，3态非反转透明锁存器，当锁存使能端le为高时，这些器件的锁存对于数据是透明的（也就是说输出同步）。当锁存使能变低时，符合建立时间和保持时间的数据会被锁存，在设计中74hc573用以作为扩展输出。 74hc244是八同相三态缓冲器/线驱动器，74hc244的芯片内部共有两个四位三态缓冲器，使用时分别以1g和2g作为他们的选通信号，当1g和2g都为低电平时，输出端y和输入端a状态相同，当1g和2g都为高电平时，输出呈高阻状态，所以在在设计中74hc244用以作为扩展输入。i/o口扩展电路原理图如图3-14所示。 图 3-14 i/o口扩展电路3.1.12 max232通讯电路设计 本设计需要用pc机与单片机进行通讯，pc机有上位机程序，用以显示单片机采集到数据情况。在本设计中采用rs-232通讯接口，用来和单片机与pc机通讯。rs232c是美国电子工业协会（eia）正式公布的，在异步串行通信中应用最广的标准总线。适用于终端设备（dte）和数据通信设备（dce）之间的接口。最高数据传送速率可达19.2kbps，最长传送电缆可达到15米。rs232标准定义了25根引线，对于一般的双向通信，只需使用串行输入rxd，串行输出txd和地线gnd，rs232标准的电平采用负逻辑，规定+3v+15v之间的任意电平为逻辑0电平,-3v-15v之间的任意电平为逻辑1电平，与ttl和cmos电平是不同的。在接口电路和计算机接口芯片中大都是ttl/cmos电平，所以在通信时，必须进行电平转换，以便与rs232标准的电平匹配。max232c芯片可以完成电平转换这一工作。max232c芯片是maxim公司生产的低功耗，单电源双rs232发送/接受器。max232c芯片内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+5v电源变换为rs232输出电平所需要的10v电压，所以采用此芯片接口的串行通信系统只要单一的+5v电源即可。max232c外围需要4个电解电容c17，c16，c18，c15，它们是内部电源转换所需电容，其取值均为1f/16v，选用钽电容并且应尽量靠近芯片；c5为0.1f的去藕电容。max232接口电路如图3-15所示 图3-15 max232接口电路原理图3.2电路参数的计算及元器件的选择3.2.1 555振荡电路555振荡电路是为了将hs1101的电容值的变化转变为与之成反比的电压频率信号，所以在本设计中我们计算555振荡电路的参数。电路为典型的555 非稳态电路。hs1101/hs1100作为电容变量接在555的trig引脚上，引脚7用作电阻r4的短路。等量电容hs1101/hs1100通过r2与r4充电到门限电压约0.67vcc， 通过r2放电到触发电平 约0.33vcc 然后r4通过引脚7短路到地。传感器由不同的电阻r4与r2充放电，形成振荡。充电、放电的时间计算公式分别为： (3-5) (3-6) 输出波形频率f和占空比d的计算公式如下： (3-7) (3-8) 通常取r4 r2,使得d50%，输出接近于方波。在设计中取r2=567k，r4=49.9k 湿度传感器只是保证传感探头的精度 ,在实际使用中 , 综合精度除了与湿度传感器本身元件有关 ,还与外围电路的器件选择相关。 为了与 hs 1101温度系数相匹配 , r1数值应取为 1%精度 ,且最大温漂不超过100 10-6( 表示 10-6当温度变化 1 ,所对应的电阻相对变化量 ) 。 为了保证达到 6 660 hz / 55% , r2 与555电路选取参照表 2 。 表3-1 器件参数选择表555类型r1/kr2/ktlc555909576ts555100nf电容52375551732549m5551238562在本设计中我们选择的555为tlc555，所以选择的匹配电阻为909k,根据以上公式可以得到振荡电路的相关参数为，r2=567k，r4=49.9 k，r1=909 k, r3=1 k。 当rh=55%、t=25时，典型输出方波频率与相对湿度的数据如表3-2表3-2 hs1101输出方波频率与相对湿度对照表rh0102030405060708090100f735172247100697668536728660064686330618660333.2.2电源电路 1.三端稳压器 集成稳压器的输出电压v0应与电源要求的输出电压的大小及范围相同。稳压器的最大允许电流icniomax；最大反向电vr2v2，其中v2为变压器二次侧电压有效值。以上桥式的所有整流二极管可选in4001小功率二极管。5.变压器由v21, v22值选变压器绕组输出电压为9v,15v.考虑到电网电压有10%的波动，稳压电路的最大输入分别为: (3-15) 同理有： (3-16) 综合考虑到变压器应该设计有余量，所以选择三个变压器输出功率为两个18w和25w。3.2.3 时钟电路 在时钟电路中，与xtal1脚相接的是振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端，与xtal2脚相接的是振荡器反相放大器的输入端。利用芯片内部的振荡器，然后在引脚txal1和txal2两端跨接晶体或陶瓷谐振器，就构成了稳定的自激振荡器，其发出的脉冲直接送入内部时钟电路。外接晶振时，c2和c3通常选择为22pf左右，虽然对电容的值没有严格的要求，但电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性和起振的快速性。晶振的振荡频率选择12mhz，晶振的频率越高，则系统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就越快，但反过来运行速度快对存储器的速度要求就高。3.3 特殊器件的介绍3.3.1 ds18b201.采用单总线专用技术，既可通过串行口线，也可通过其它i/o口线与微机接口，无须经过其它变换电路，直接输出被测温度值（9位二进制数，含符号位）2.测温范围为-55-+125，测量分辨率为0.06253.内含64位经过激光修正的只读存储器rom4.适配各种单片机或系统机5.用户可分别设定各路温度的上、下限6.内含寄生电源。ds18b20的管脚图如图3-16所示： 图3-16 ds18b20管脚及封装图gnd：地信号dq：数据输入/输出引脚。开漏单总线接口引脚。当被用着在寄生电源下，也可以向器件提供电源。vdd：可选择的vdd引脚。当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。ds18b20的rom指令如表3-4所示：表3-3 ds18b20的rom指令表指 令约定代码功 能读rom33h读ds1820温度传感器rom中的编码（即64位地址） 符合 rom55h发出此命令之后，接着发出 64 位 rom 编码，访问单总线上与该编码相对应的 ds1820 使之作出响应，为下一步对该 ds1820 的读写作准备。 搜索 rom0foh用于确定挂接在同一总线上 ds1820 的个数和识别 64 位 rom 地址。为操作各器件作好准备。 跳过 rom0cch忽略 64 位 rom 地址，直接向 ds18b20 发温度变换命令。适用于单片工作。 告警搜索命令0ech执行后只有温度超过设定值上限或下限的片子才做出响应。 ds18b20的ram指令如表3-4所示：表3-4ds18b20的ram指令表指 令约定代码功 能温度变换44h启动ds18b20进行温度转换，12位转换时最长为750ms（9位为93.75ms）。结果存入内部9字节ram中。 读暂存器0beh读内部ram中9字节的内容 写暂存器4eh发出向内部ram的3、4字节写上、下限温度数据命令，紧跟该命令之后，是传送两字节的数据。 复制暂存器48h将ram中第3 、4字节的内容复制到eeprom中。 重调 eeprom0b8h将eeprom中内容恢复到ram中的第3 、4字节。 读供电方式0b4h读ds18b20的供电模式。寄生供电时ds18b20发送“ 0 ”，外接电源供电 ds18b20发送“ 1 ”。 数字输出格式如表3-5：表3-5 ds18b20的数字输出格式表温度数字输出(二进制)数字输出(十六进制)+1250000 0111 1101 000007d0h+850000 0101 0101 00000550h+25.06250000 0001 1001 00010191h+10.1250000 0000 1010 001000a2h+0.50000 0000 0000 10000008h00000 0000 0000 00000000h-0.51111 1111 1111 1000fff8h-10.1251111 1111 0101 1110ff5eh-25.06251111 1110 0110 1111fe6fh-551111 1100 1001 0000fc90h3.3.2 hs1101 电容式湿度传感器hs1101，它是基于独特工艺设计的电容元件，固态聚合物结构，精度高达2rh；极好的线性输出；199rh 湿度量程；-40100的温度工作范围，响应时间5秒；湿度输出受温度影响极小，防腐蚀性气体；常温使用无需温度补偿，无需校准；具有最突出的优点是长期稳定性极强。稳定性强是产品具备良好的线性度、精密度、一致性、长期稳定性的可靠保证。hs1101的主要特性如下：全互换性在标准环境下不需校正长时间饱和下快速脱湿高可靠性与长时间稳定性专利的固态聚合物结构可用于线性电压或频率输出由此可以看出hs1101具有测量精度高，反应速度高的优点，其湿度电容响应曲线如图2-5：图3-17 hs1101湿度电容响应曲线hs1101的一些常用参数如表3-5：表 3-5 hs1101常用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=260t10shs1101特性参数如表3-6表3-6hs1101的特性参数特征参数符号mintypmax单位湿度测量范围rh 1 99 5供电电压 vs 5 10 标称电容55%rh c 117 180 183 pf温度效应 tcc 0.04 pf/平均灵敏度（33%75%rh）c/%rh 0.34pf/%rh漏电流 ix 1 na恢复时间 tr 10 迟滞 1.5 %长时间稳定性 0.5%rh/yr反应时间 5s曲线精度（1090） 2%rh电压输出典型参数（vcc=5v，25）如表3-6表3-6 hs1101输出方波频率与相对湿度对照表rh0102030405060708090100f735172247100697668536728660064686330618660333.3.3 lcd1602 lcd1602的管脚定义图如图3-17所示：图3-17 lcd1602管脚图lcd1602管脚定义如表3-10所示表3-10lcd1602管脚定义引脚符号功能说明1vss一般接地2vdd接电源（+5v）3v0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的电位器调整对比度）。4rsrs为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。5r/wr/w为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。6ee(或en)端为使能(enable)端，下降沿使能。7db0底4位三态、 双向数据总线 0位（最低位）8db1底4位三态、 双向数据总线 1位9db2底4位三态、 双向数据总