盆花自动浇水系统的设计与实现

1、盆花自动浇水系统的设计与实现THE DESIGN AND IMPLEMENTATIONOF THE AUTOMATIC FLOWERWATERING SYSTEM专业：电气工程及其自动化姓名：指导教师姓名：论文提交日期：2012年6月10日随着社会经济的发展，人们生活水平的提高，花卉逐渐收到人们的宵睐，可以说 绿色植物正逐渐成为人们生活中不可或缺的一部分。很多家庭都种植有花卉植 物，这些植物不仅美化了人们的生活，工作环境，还能净化空气，陶冶情操，人 们看见往往会赏心悦目。众所周知，花没有了水就会枯萎，当主人外出旅游或出 差时，这些花卉植物就会处丁无人浇水的境地， 所以设计一种可以自动对花卉按

2、时浇水，且浇水量可根据土壤的实际湿度而按时调整的盆花自动浇水系统是十分 必要的。而单片机作为能实现这一功能的元器件当然当仁不让的成为了主角。利用单片机设计一款家庭智能浇花器， 小者来说实现自动浇花，节省人力，当人们 外出的时候，不至丁影响花卉的生长，如果在家也可以关断浇花器，手动浇花。往大的方面，盆花自动浇水系统还可以拓展到农业的庄稼自动浇水， 果树自动浇 水和园林的草地自动喷灌等好多方面。 盆花自动浇水系统虽然有局限性，但是弄 懂其精髓，会有举一反三的效果关键词：数码管；单片机；湿度传感器；按键；DS1302;继电器；定时；切 换；湿度检测ABSTRACTPulse information

3、in traditional Chinese medicine and Western medicine is very important significance, as this information has always been the clinical diagnosis and treatment of medical attention. This thesis is based on microprocessor-type pulse detector means, the main research work are as follows: pulse with infr

4、ared photoelectric sensor that detects the body's pulse signal, after two second-order, low pass filter circuit effectively removes frequency noise. Get the analog signal and then through the A / D converted into digital signals, input microcontroller. Single chip pick digital signal pulse of re

5、al-time acquisition and analysis of the data processing. Meanwhile, in order to ensure the effective pickup pulse signals, to reduce unnecessary interference power, specially designed for the entire system of linear DC power supply. System can display real time measured by the pulse beats, per minut

6、e and the pulse will be measured by comparing the situation with the normal. If the results are quite different, the system will automatically set sound and light alarm. After debugging, the system can more accurately read the pulse of the pulse sensors pick up information, and can display and alarm

7、, so as to achieve the desired design goals. The whole system has a simple structure, small size, high reliability, low cost and easy to use and so on, with higher versatility and value in applications.Keywords： LCD1602; SCM; Pulse transducer; Low amplifier circuit第一章绪论1.第一节本课题的研究背景和意义1.第二节盆花白动浇水系统的

8、研究状况 2第二章盆花白动浇水系统的结构设计 4第一节 盆花白动浇水系统简介 4.第二节 系统的总体结构 7.第三章系统硬件设计9.第一节温湿度传感器模块9.第二节 DS1302 块10第三节数码管模块18第四章 系统软件设计 26第一节软件主程序26第二节各模块驱动程序29第五章结论35参考文献致谢附录1附录2天津科技大学2010届本科生毕业设计第一章绪论第一节本课题的研究背景和意义随着社会的进步经济的发展，人们生活质量的逐渐提高，花卉受到了人们的 宵睐。花卉漂亮美观，不但能陶冶情操、还能丰富人们的生活，最重要的是，花 卉可以进行光和作用，吸收二氧化碳释放氧气，有花草的地方空气中有大量的阴

9、离子，空气因此而活新。许多花草还吸收空气中的有害气体， 因此花草成为了人 们生活中几乎不可或缺的一部分。养殖花草，一个问题由此而来。在生活中，人们不可能每天都能经营自己的 花草，总会有没有时间从而无法照顾花草的时候，例如工作忙、外出旅游、外地 出差等，这些花草就会处丁无人浇水的境地。 现在市场上自动浇水系统的实物种 类比较少，有的是根据物理原理自动渗水，还有经济的缺水报警器，提醒人们及 时的浇水，但仅限报警不能浇水。还有只能定时浇水的自动浇水系统。 这些系统 总的来说功能还不完善。因此，设计一种基丁单片机，集定时浇水和湿度浇水为 一体的多功能自动浇水系统是十分必要的， 多样的功能可以让人们有更

10、多的浇花 选择。在人们生活追求精致的今天，自动浇水系统的普及绝对是大势所趋。微喷系统是近几年利用国内外先进技术组装的新型灌溉设施，主要是利用水流通过低压管道系统以一定速度从特制的喷头喷出，在空气中分散成细小的水 滴，着落在花草植物、作物及周围的地面上，从而达到及时补充水分的目的。该 系统具有用水量少、冲击力小的灌溉特性，适用丁栽培密度大、植株柔软细嫩的 植物。自动浇花器的诞生是随着人们生活水平的提高和生活节奏的加快而诞生的 一种懒人园艺用品。它把微喷的概念应用丁家庭盆花浇灌中，通过相应的改进， 达到合理给盆花自动浇水的目的。早在很多年前，国外就已经开始普及，国内使用的电子类自动浇花器多数从 国

11、外进口的，价格昂贵，但质量比较可靠。不过这并不太适用丁国内，目前国内 外比较流行的是玻璃制作的自动浇花器。 这种类型的浇花器多数在我国山西和浙 江一带加工生产的，价格比较低廉，实用性没有电子类自动浇花器好。 随着国内 居民消费水平和生活质量的提高，居家园艺市场异常火爆，但是由丁生活节奏加 快，种花容易养花难的问题暴露出来， 而养花最重要的问题就是浇水问题， 研究 表明花草80恕上的死亡由丁浇水不及时引起， 因此国内商家已经看到了这种需 求潜力。目前这类小居家用品的厂家主要集中在广东，上海，浙江一带。现在市 面上所出售的自动浇花器主要有以下几类：电子类自动浇花器电子类自动浇花器乂叫时控喷淋装置，

12、系统构成为：主机（或者控制器） 、 主管（可以是花园管也可以是 4/7mm的微喷淋管）、分水接头（3通、4通、5通、 6通、分水器）、副管（3/5mm）喷淋管（雾化喷头、旋转喷头、折射雾化喷头等）。电子类自动浇花器根据电源的不同分为交流电自动浇花器和电池自动浇花 器两种。控制器的一般性能有：电磁阀控制；智能时控电路？微电脑芯片控制；适用电源为AC220V/50HI;最适宜水压0.3-0.6Mpa ;待机功率（4VA浇水时 12VQ ;可控制连续作业时间是1分钟至168个小时；可每天自动完成十次以上 浇水作业，可每天、隔天、隔多天自动循环进行浇水，手动自动两用；每天计时 误差小丁正负3秒；电器适

13、应环境温度为-1050C；相对湿度 90%RH 玻璃、陶瓷类自动浇花器玻璃、陶瓷类自动浇花器乂叫自动渗水装置，它由本身材质的物理结构构成， 根据器具的物理渗水原理完成自动浇灌，当自动浇水器内部存水，自身形成一定的压力，当遇到干燥的土壤，水就会自上而下的流出，当土壤湿润以后，会形成 一个堵塞压力，从而导致水流速度变慢或者停止。器具工艺不同，效果也不一样， 当然也因土壤的疏松情况决定器具内水流的速度。当前传感器技术与单片机技术发展迅速， 其应用逐步由工业、军事等领域向 其他领域渗透，已经和我们的日常生活息息相关。而且智能家居概念也越来越受 人们的推崇，因此，微电脑控制的电子类自动浇花系统有很好的发

14、展前景。本次毕业设计是设计一种单片机控制的自动浇水系统 ，实现室内盆花浇水的 自动化系统。该系统可对土壤的温湿度进行监控 ，并对作物进行适时、适量的浇 水。其核心是单片机和温湿度传感器以及浇水驱动电路构成的检测控制部分。主要研究土壤湿度与浇水量之间的关系、浇灌控制技术及设备系统的硬件、软件编 程各个部分。检测部分，单片机选用 AT89C51单片机，温湿度传感器选用SHT11 温湿度传感器。SHT-11采用COMSenS利传感器技术将温度湿度传感器、A/D 转换器、数字接口、校准数据存储器、标准I2C总线等电路全部集成在一个芯片 内。软件选用C51语言编程。土壤温湿度传感器可将检测到的土壤温湿度

15、模拟量 放大转换成数字量通过单片机内程序控制精确的将温度与湿度分别显示在LCD显示屏上，同时通过单片机内的中断服务程序判断是否要给盆花浇水，若需浇水，则单片机系统发出浇水信号，并经放大驱动设备，开启电磁阀进行浇水，若不需浇 水，则进行下一次循环检测。在浇水系统中也同时设计一个手动浇水部分，系统 工作时通过设置键的按下与否来选择浇水系统的工作方式。土壤浇水驱动电路采 用继电器开关电路，蓄水箱水位报警以及自动上水部分采用纯硬件控制。第二节 盆花自动浇水系统的研究状况随着科技的发展，自动化的普及，人们勤丁思考，研制出了多种自动浇水系 统，下面就是几种自动浇水系统。第一种是由盆体、浇水管、定时开关、加

16、压盒、水袋组成，其特征是：在盆 体内装入充满水的软质水袋，在水袋上面压一个加压盒，花盆再压在上面，加压 盒上开有穿管孔；在水袋上联接一个浇水管，管中段安装一个定时开关，浇水管 穿过穿管孔，伸入种花的花盆中。这种装置是借助加压盒及花盆的重量给水袋内 的水加压，借助定时开关到时打开一定时间，达到定时、定量浇水的目的。这种 自动浇水花盆结构简单、价格便宜，不需要用电或其它动力，也不需要安装很长 的供水管，就能自动浇水。还有由时间控制器，进水管，微型潜水泵，水池，水位控制器，送水管，分 流器，流量控制器，分水管，渗透嘴组成。运用水位控制器使进水自动进入，水 池的水位保持不变；运用时间控制器控制微型潜水

17、泵的运行周期和每次运行的时 间达到控制每次出水总量；运用流量控制器控制分水管的流量，实现满足每盆花 每次所需水量的自动运行。这两种自动浇水系统都是可行的第一种经济适用，但是不能控制浇水的用 量。第二种运用时间控制器来控制每次的出水量， 因为不知道土壤的湿度也容易 浇水过量或者浇水没浇透。所以设计一种有多重方式自动浇水的系统十分必要。 在花盆内安装湿度传感器，所述湿度传感器与控制系统连接，控制系统与水箱连 接。当主人外出时，通过湿度传感器将花盆内的湿度信息传递到控制系统，并由控制系统控制水箱的开合，水箱置丁花盆上方，因此可实现对花盆的自动浇水。当湿度到达你的设定值时则停止浇水。 当家里有人时，可

18、以设定浇水时间，并设 定警告音，由主人控制浇水的多少。另外对丁水箱我们也可以做一个自动补水系 统，当水箱里的水位低丁某个设定值时，系统自动发动电机带动水泵抽水到水箱， 当到达指定水位时则停止抽水。38第二章脉搏检测仪结构设计随着电子技术的发展，其应用领域不断扩大，特别是电子技术的应用已经深 入到人类日常生活中，智能化电子产品将成为新的潮流趋势。目前市场上所推出 的家庭医疗电子产品大多以测量血压为主，智能脉搏测试仪器尚不多见。本课题针对市场上的家用医疗设备的需要，设计了AT89C52单片机为核心，采用光电式脉搏传感器拾取脉搏信息，最终通过LCD1602显示结果的脉搏检测仪。该系统的主要功能有：拾

19、取指尖脉搏信号，在线显示脉搏次数，脉搏信号与 正常状态相差较大时自动进行声光报警。该系统特点有：测量简单方便，数据可靠，功耗小，成本低，体积小携带方 便，良好的显示界面使得该系统更加适合丁家庭使用。设计要求：(1) 该检测系统由硬件和软件两部分组成,硬件电路包括数据采集电路、放 大滤波电路、控制电路及电源电路。其中数据采集部分可以采用光电脉搏传感器； 采集到的信号经放大电路、滤波电路经 A/D转换后传送至单片机进行显示。(2) 要求仪器的硬件、软件各部分配合良好，测试所得脉搏波形能够正确反 映人体脉搏的真实特征。(3) 能够准确检测脉搏跳动次数，显示脉搏跳动次数，声光报警(静态时 脉搏正常次数

20、范围为参考)，该仪器同时具有使用、携带方便等优点。第一节光电式脉搏传感器简介一、光电式脉搏传感器的原理动脉管壁随着心动周期周而复始、 一起一伏的搏动，称为动脉搏动，简称脉 搏。当心室收缩时，血液冲开主动脉瓣，并把血液射入主动脉中，主动脉内压突 然增高，迫使血管迅速膨胀，当心室舒张时，主动脉压降低，主动脉壁因其具有 弹性而回缩。这样，动脉管壁就随着心室的收缩出现周期性的起伏搏动，形成脉搏，它存在丁身体的每个部位，中医学的切脉，就是用手指的触觉和压觉分析饶 动脉脉搏的频率、深浅、强弱及其他特征，作为诊断疾病的重要指标之一。本课题采用的光电式脉搏传感器是根据光电容积法制成的脉搏传感器。就容积式脉搏波

21、的探测而言，指尖是较理想的部位，因为它位丁肢体前端，容易实现 非接触检测；其次，由手指的解剖结构可知，每个指尖的血液都是经过手指总动 脉分两路从指干两侧通向指尖，再经丰富的冠状小动脉弥散至毛细血管， 然后从 静脉回流。手指组织可以分成皮肤、肌肉、骨骼等非血液组织和血液组织，其中非血液 组织的光吸收量是包定的，而在血液中，静脉血的搏动相对丁动脉血是十分微弱的，可以忽略，因此可以认为光透过手指后的变化仅由动脉血的充盈而引起，那么在包定波长的光源的照射下，通过检测透过手指的光强将可以间接测量到人体 的脉搏信号。由丁指骨和指甲的密度均明显大丁其它组织成分，所以，透射传感方式只能采取回避这2处高密度组织

22、的位置，光束的入射点和出射点都在指尖腹 部曲率变化很大的部位，这将很难进行准确的测量。而若采用反射式传感，则有 利丁增大光束从高密度区域反射至低密度区域的强度。当光源和光敏元件置丁被测部位（如手指）的同一侧（或两侧），光源发出 的光照射在组织上，经反射（或透射）后被光敏元件接收，其示意图如图2.1所示，光敏元件将脉动的光强度信号转变为脉动的电信号。 在检测系统中将变化 量与直流量相互分离，从而得到光电容积脉搏波6。图2.1 反射式和透射式光电传感器二、光电脉搏传感器的结构光电式脉搏传感器由丁采用不同的光敏元件有着多种实现方法，其中光敏元件主要有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等。在传统的光电式

23、脉搏传感器设 计中，通常采用的是独立光敏元件，利用半导体的光电效应改变输出的电流，通常光敏元器件输出的电流极低，容易受到外界干扰，而且对后续的放大器的要求 比较严格，需要放大器空载时的电流输出较小，避免放大器空载输出电流对脉搏 信号测量的干扰，这样对丁普通的放大器就不能直接应用在光敏元件的后端。在本课题中，采用一种新型的光敏元件 OPT101其内部结构如图2.214。 该元件将感光部件和放大器集成在同一个芯片内部， 这种集成化的设计方式有效 地克服了后端运算放大器空载电流输出对光敏部件输出电流的影响， 而且芯片输 出的电压信号可以通过外部的精密电阻进行调节， 有利丁芯片适应整体的电路设 计，同

24、时芯片的集成化设计也能够减小系统的功耗。(Pin availableV+on DIP only.) 亍(SIP)DIP图2.2 OPT101内部结构图光电式脉搏传感器主要由光源、光敏器件，以及相应的信号调理控制电路构 成。为了充分利用器件的效果，光源和光敏元件的选择是综合考虑的，光源的波长应该落在光敏元件检测灵敏度较高的波段内，图2.3为OPT101的光波长响应曲线气图2.3 OPT101 光波长响应曲线脉搏信号主要由动脉血的充盈引起，而血液中还原血红蛋白（Hb）和氧合血红蛋白（HbO2 ）含量变化将造成透光率的变化，当氧合血红蛋白和还原血红 蛋白对光的吸收量相等时，透射光的强度将主要由动脉血

25、管的收缩和舒张引起， 此时能够比较准确地反映出脉搏信号。图 2.4为血红蛋白的光吸收曲线，从图 中可以看出，血液中HbO2和Hb对丁不同波长光的吸收系数的差异明显，而且 2条曲线好几个不同的交点，考虑到在 805 nm波长处，血红蛋白的光吸收率比 较低，那么透射过手指的光强较大，有利丁光敏器件的接收，因此发射光源的波 长选择为805 nm1。图2.4血红蛋白的光吸收曲线第二节系统的总体结构该系统以AT89S5州单片机为核心，采用指式脉搏传感器拾取被测者指尖的 脉搏信息，通过二阶、低通滤波电路去除信号干扰，在经过A/D转换将模拟信号 转换成为数字信号输入单片机，利用液晶显示与用户建立了良好的交互

26、界面，同时还可以实时显示脉搏次数，在必要时还有声光报警，起到提醒用户健康状况的 作用。该系统的硬件总体结构如图2.5所示。脉搏信号拾取和调理电路结构如图 2.6所示。图2.5脉搏检测仪电路方框图图2.6 脉搏信号拾取和调理方框图由图2.6可知，在硬件电路上主要包括：电源电路，脉搏传感器电路和信号 调理电路，单片机最小系统电路，声光报警电路等。在整个电路设计和实现过程 中脉搏传感器电路是最大的难点。 电路和元件的具体情况详见第三章，完整的电 路图详见附录1。第三章系统硬件设计第一节电源模块为了达到携带方便的目的，本系统采用7.2V充电电池供电。为了消除电源给系统带来不必要的干扰，本课题专门设计了

27、低功耗、高稳定性的线性直流电源 为系统供电。与市场上常用的lm7805相比较，LM2576拥有较大的输入转换电压区 间（7V40V%较高的输出电压精度（土 3%的误差），以及较少的外围辅助电路， 而且功耗低，精度高，纹波小等优点。因此使用了在性价比较为适中的LM2576为系统提供5V正电源，电路图如图3.1图3.1 LM2576电源转换电路图系统中有信号拾取和放大电路，其中使用的运算放大器需要正负电源供电。 为了保证电路能够准确的拾取脉搏信号并将信号放大，系统电源必须是非常稳定 的线性直流电源。为此本课题通过 MC34063戒现DC-DC电压转换，将LM2575 输出的5V电压转换成-9V直流

28、电压如图3.2，但是经过MC34063敬换后的电压 届丁开关电压，有较大的纹波。再经过稳压芯片LM7905将电压稳定在-5V如图3.3,从而达到线性电压的目的。图3.2 基于MC34063制 DC-DC电压转换电路D41N414SU3-_= nsr outC8GINO0.1 uF0.1 liF1 .M7VO5CT图3.3 LM7905电源转换电路图第二节脉搏传感器前面曾提到光电式脉搏传感器主要由光源、 光敏器件，以及相应的信号调理 控制电路构成。下面将对传感器的各个模块进行详细介绍。一、光源前面提到在805 nm波长处，血红蛋白的光吸收率比较低，那么透射过手指的光强较大，为了能够更好的接收信号

29、和元件性价比，本课题采用了 940nm波长的红外发光管IR333。在脉搏信号测量过程中，为了尽量减少光源供电波动对测 量脉搏信号的影响，需要包流电路来控制光源的稳定供电。包流驱动电路中D3为稳压管，作为包流源加在晶体管 Q1的基极上，由丁基极偏压稳定，集电极电 流也稳定，从而使红外 二极管发光稳定15，如图3.4所示。图3.4恒流驱动电路二、信号采集模块（一）光敏元件光电式脉搏传感器由丁采用不同的光敏元件有着多种实现方法，其中光敏元件主要有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等。在传统的光电式脉搏传感器 设计中，通常采用的是独立光敏元件， 利用半导体的光电效应改变输出的电流， 通常光敏元器件输出的

30、电流极低， 容易受到外界干扰，而且对后续的放大器的要 求比较严格， 需要放大器空载时的电流输出较小，避免放大器空载输出电流对 脉搏信号测量的干扰，这样对丁普通的放大器就不能直接应用在光敏元件的后 端。本课题中的传感器采用了新型的光敏器件OPT101在芯片内部集成光敏器件和一级放大电路，有效地抑制了外界电磁信号对原始脉搏信号的干扰。这种集成化的设计方式有效地克服了后端运算放大器空载电流对光电二极管输出电流 的影响，输出电压和光强具有良好的线性关系， 能够有效减小器件问匹配引起的 干扰，提高脉搏测量精度。OPT10伯勺特性：OPT101是一种新型的将感光部件（光电二极管）和放大器集成在同一个芯片

31、内部的光电传感器，其内部结构如图2所示。它可以在单电源或双电源供电条件 下工作，也可以在电池供电条件下工作。OPT101的光敏二极管集成丁放大器内部，并且充分考虑了漏电流、噪声等因素对输出信号的影响。OPT101的光敏二极管结构为0.2286cm X 0.2286cm,其主要特性如下：高的响应速度，0.45 AM； 宽频带，14 kHz;非线性度，低丁 1 %;工作温度，-2570 C。OPT101对主 要集中在红光光谱和红外光谱的光信号的响应具有最佳灵敏度和较高的响应速 度，即在该光谱区域电信号输出幅度最大7。OPT101的性能指标和光谱响应特性 正好满足本课题传感器设计的要求。（二）信号采

32、集电路在光电式脉搏传感器中，光敏器件接收到的光信号不仅包含脉搏信息，而且还包含测量环境下的背景光（二次反射光）。由丁动脉搏动引起的光强变化比背景光 的变化微弱得多，因此在测量过程中要保持测量背景光的包定，减少背景光的干 扰。针对传统信号采集电路 ，同时采用两块OPT10光敏芯片的方法，一块用丁 采集原始的脉搏信号，一块用丁采集背景光信号，然后再对原始脉搏信号进行处 理，减去背景光信号，从而提取出消除背景光干扰后的脉搏信号。将混在原始信(3-1)号Vo1中的背景光信号Vo2®过独立的采集后，在高信噪比运放 AD62帅进行相减 运算，实现抑制背景光的干扰，从而提高检测精度 四。在图3.5

33、所示的抑制背景 光电路中，输出光可表示为：错误！未找到引用源。原为PRTE画的电路图，因附件太大，删除几个图以减小空间图3.5 信号采集电路三、信号滤波处理电路脉搏信号变化缓慢，特别容易受到工频信号的干扰，因此对工频信号干扰的 抑制是保证脉搏信号测量精度的主要措施之一。通常脉搏信号的频率范围在 0.34Hz之间，小丁工频50 Hz,因此通过低通滤波器可以有效滤除工频干扰。 在信号调理电路中，同时还设计高通滤波器滤除直流信号， 就能够实现对脉搏信 号的提取。本课题采用二阶、低通滤波电路进行滤波处理，如图 3.6。原为PRTEL画的电路图，因附件太大，删除几个图以减小空间图3.6 两级二阶、低通滤

34、波电路由图3.6可知，C23起到隔直流的作用，能够有效的将信号采集电路输出的 直流电压和脉搏信号分离开来。图中由R7、R8和C12、C13组成的低通滤波电路， 通过计算可得当 Wn为-3dB时fo = 1 / 2兀RC经过合理选择 RC电路的电容、 电阻可以使得f0=7.2HZ。该电路中R9K R10 R13 R14构成了比例放大电路，决 定了该电路的对信号的放大程度。为了提高精度，该电路所选的电阻都是金届膜 电阻。在人处丁安静状态下的测试脉搏信号波形如图3.7所示，运动后的脉搏信号波形如图3.8所示。图3.7 静态下的脉搏波形图图3.8 运动后的脉搏波形图四、运算放大器简介以上的信号采集电路

35、和信号滤波处理电路的核心部件都是运算放大器。 运算 放大器是目前应用最广泛的一种器件， 虽然各中不同的运放结构不同，但对丁外 部电路而言，其特性都是一样的。运算放大器一般由 4个部分组成，偏置电路， 输入级，中间级，输出级，其中输入级一般是采用差动放大电路（抑制电源） ， 中间级一般采用有源负载的共射负载电路（提高放大倍数），输出级一般采用互 补对称输出级电路（提高电路驱动负载的能力）。工业上，用来衡量一个运算放大器的性能的指标有很多， 一般认为实际运算 放大器越接近理想状态运放就越好，课堂上我们涉及到的只是要求输入端等效电 阻无穷大，开环增益无穷大，其实还有很多其他的指标。运算放大器的性能指

36、标 主要参数有：输入偏置电流，输入失调电流，最大差模输入电压，最大共模输入 电压，开环差模电压增益，温度漂移，输入电阻，输出电阻，共模抑制比cmrR1LUi图3.7运算放大器输入输出端图示如图3.7所示。U-对应的端子为“-”，当输入U-单独加丁该端子时，输出电 压与输入电压U-反相，故称它为反相输入端。U+M应的端子为“ + ”，当输入U+ 单独由该端加入时，输出电压与U制相，故称它为同相输入端。输出：U0= A（U+ - U-） ; A称为运算放大器的开环增益在实际运用经常将运 放理想化，这是由丁一般说来，运放的输入电阻很大，开环增益也很大，输出电 阻很小，可以将之视为理想化的，这样就能得

37、到：Rqs, Rq0, A8。由aQ8，得到Uz U-, 丁是两个输入端可以近似看作短路（称为“虚短”），如果 同向输入端接地，反向输入端与地几乎同电位（称为“虚地”）。由 RQ8可知， 输入端电路近似等丁 0,故可把输入端看作是断路（称之为“虚断”）。在这主要介绍下信号采集电路中用到的仪用放大器 AD620AD620为一个低成本，高精度的单片仪器放大器。尽管AD620由传统的三运 算放大器发展而成,但一些主要性能却优丁三运算放大器构成的仪表放大器的设 计，如电源范围宽（土 2.3土 18 V ），设计体积小，功耗非常低（最大供电电流 仅1.3 mA ）,因而适用丁低电压、低功耗的应用场合。A

38、D620勺单片结构和激光晶体调整，允许电路元件紧密匹配和跟踪，从而保证 电路固有的高性能。AD620为三运放集成的仪表放大器结构，为保护增益控制的 高精度,其输入端的三极管提供简单的差分双极输入，并采用B工艺获得更低的输 入偏置电流，通过输入级内部运放的反馈，保持输入三极管的集电极电流包定，并 使输入电压加到外部增益控制电阻 R上。AD620勺两个内部增益电阻为24.7k，因 而增益方程式为：错误！未找到引用源。（3-2）AD620由丁体积小、功耗低、噪声小及供电电源范围广等特点，使AD620I别 适宜应用到诸如传感器接口、心电图监测仪、精密电压电流转换等应用场合。在仪表放大器的电路设计中，尚

39、有一些实际问题在设计时需要注意，主要有 以下几点：(1) AD620勺增益是通过改变编程电阻R来实现的，为了使AD62殷计提供 精确增益，应使用0.11%K差的电阻，同时为了保持增益的高稳定性，避免高 的增益漂移，应选择低温度系数的电阻。(2) 为获得较高的共模抑制比(CM0参考端应连接丁低阻抗点，因为AD620 的输出电压与参考端的电位有关，它能够通过简单地将参考端连接到“局部地”来提高共模抑制比。并使两输入端的输入电容与输入电阻差异为最小。(3) 在许多数据采集系统中，通常有模拟地和数字地的问题。由丁电流通过接地线和印刷电路板中的电流能产生几白毫伏的误差，所以为了达到模拟与数字噪声的隔离，

40、应采用分立的接地回路，使敏感点到系统接地的流过电流为最小， 这些接地回路必须在某些点连接在一起10。五、555施密特触发器电路在本课题中，数模转换电路采用555连接的施密特触发器，将模拟脉搏信号 转换成为脉冲信号。只要将555定时器的2号脚和6号脚接在一起，就可以构成施 密特触发器，如图3.8所示。VCC555施密特触发器的内部电路如图3.9。由丁比较器C和G的电压参数不同， 因而S做存器的置0信号(VC1=0)和置1信号(Vc2=0)必然发生在输入信号V的电 平。因此，输出电压V。由高电平变为低电平忽然乂低电平变为高电平所对应得V值也不相同，这样就形成了施密特触发特性。为了提高比较器参考电压

41、Vr#V的稳定性，通常在VC端接有0.01uF左右的滤波电容。图3.9 555施密特触发器内部电路图首先，分析V从0逐渐升高的过程：当V<1/3VccH, VCi=1、乂2=0、Q=1,故VO=Vs当 1/3Vcc<V<2/3VccW, VC1=VC2=1,故 V=VO保持不变；当 V>2/3Vc以后，VC=0、VC2=1、Q=0 故 VO=H。因此,Vr=2/3Vcc=其次，再看VI从高丁 2/3VccFF始下降的过程：当 1/3Vcc < Vi < 2/3Vc(M, VC1=VC2=1,故VO = Vol保持不变；当V<1/3VccW, VC1=1

42、、VC2=0、Q=1,故V=VOf 因此,Vt-=1/3Vcc。由此得到电路的会差电压为： Vt=V+ - V T- =1/3V cc。图3.10电路的电压传输特性这个施密特触发器的电压传输特性是反相的如图 3.10。当5号脚悬空时，正 向阈值电压和负向阈值电压分别为1/3VcW2/3Vcc。当5号脚连接控制电压VcO寸, 正向阈值电压和负向阈值电压分别为 Vc济日1/2Vco。通过改变VcOS：可以调节回差电 压的大小11。六、扩展A/D转换电路如果需要将脉搏波形图显示出来，那么经过滤波处理的脉搏信号最终需要 A/D数模转换才能进入单片机进行处理。而且经过单片机计算和数字滤波后，可 以还原更

43、多的脉象信息，通过申口将脉象信息上传到上位机，以供医生判断被测 者的病情。在扩展电路中我采用 ADC080魅行信号的数模转换，电路如图3.11 o 由丁 AT89C52单片机采用12MHz晶振，所以ALE的频率为1MHz经过74LS112 触发器后将频率降为500kH为ADC0809!供时钟频率。图3.11 A/D 转换电路74LS112是JK触发器。事实上只要将JK触发器的两个输入端连在一起作为 T跚，就可以构成T触发命。当T触发命的控制跚接到周电平时，Q = Q，即每 次CLK信号作用后触发器必然翻转与初态相反的状态。从而实现频率输入频率除 2。ADC080丸8路8位逐次逼近式A/D,最大

44、不可调误差小丁 +1LSB典型的始 终频率为640kHz;每一通道的转换时间需要 66隔73个始终脉冲，约100us, 可以和AT89C52单片机通过总线直接接口。对ADC080吐要信号引脚的功能说明如下：IN7IN0 模拟量输入通道AL -一地址锁存允许信号。对应 ALE上跳沿，A、B、C地址状态送入地址 锁存器中。START一转换启动信号。STAR仆升沿时，复位ADC0809 STARTF降沿时 启动芯片，开始进行A/D转换；在A/D转换期间，STARTS保持 低电平。本信 号有时简写为ST.A、B、C地址线。 通道端口选择线,A为低地址，C为高地址，引脚图 中为ADDA ADD*日ADD

45、C其地址状态与通道对应关系见表 9-1。CL -一时钟信号。ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号由外界提 供，因此有时钟信号引脚。其频率为50kHz800kHz通，常使用频率为500KHz的时钟信号EO 一转换结束信号。EOC=0正在进行转换；EOC=1转换结束。使用中该 状态信号即可作为查询的状态标志,乂可作为中断请求信号使用。D7D -一数据输出线。为三态缓冲输出形式，可以和单片机的数据线直接 相连。D0为最低位，D7为最高O-一输出允许信号。用丁控制三态输出锁存器向单片机输出转换得到的数 据。OE=0输出数据线呈高阻；OE=1输出转换得到的数据。VC+5V 电源。Vre参考电源

46、参考电压用来与输入的模拟信号进行比较，作为逐次逼近 的基准。其典型值为 +5V（Vref（+）=+5V, Vref（-）=-5V）13.第三节基丁 AT89C52的最小系统本章节主要介绍基丁 AT89C52型单片机的最小系统的外围电路以及相关的 元件。一、AT89C5烈单片机概述AT89C52单片机是一种低功耗，高性能 CMOS8单片机具有8K字节的闪存 和可擦除可编程只读存储器（PEROM该设备是采用Atmel的高密度非易失性内 存技术，是兼容工业标准80C51和80C52指令集和引脚。片上闪存程序存储器允 许在系统内由传统的非易失性存储器重新编程。通过将通用的8位CPU付带一个 单片闪存芯

47、片,AT89C52®一个强大的微型计算机，它提供了高度灵活和成本有 效地解决许多嵌入式控制申请。 AT89C52具有以下标准功能：与 MCS - 51 ?产品兼容， 在系统内有8K字节的可编程闪存，1000写/擦除周期，全静态工作： 0赫兹至24MHZ三级 程序存储器锁定，256 X 8位内部RAM 32个可编程I/O 口线，3个16位定时器/计数器， 8个中断源，可编程串行通道，低功耗空闲和掉电模式。下面是AT89C52的管脚特性和功能：PDIP(T2 PI OE ex) pi, 1Pl.3Pl.SPl.T RST (RXD) P3.O (TXDJ P3 (t HT0 P3 (IN

48、TI ) P3 (TC) PM )八 )八# )P3.7 XTAL2 XTAL 1GND匚匚LILIILJ匚匚匚匚匚匚匚匚匚匚LlUU匚匚-0 9 B 7 & 5 1 321D9B7fi-5J3_2fl 43333 3 3 33332222222 3 2n vcc PO O ADO) PD. 1 (AD 1 J PD.2 (AO2> 森0L3 (AO3J 二I P&.4 (ADJ 二1 Pd.5 (AO5 J 1 PQ.6 .(ADS) Z PQ.7 (AD7) Zl eX/vpp=1 ALE/PROG Zl PS ElP2 .7 (Al 5) 3重尊(A 14) P2S

49、 (A1Sj P2.4 (AIJ P2.1 A 1 1 JP2 .2 1 A10) P2.1l M引Z1 P2JJ (AS)图3.12 AT89C52管脚分布图端口 0是一个8位漏极开路双向I/O端口。作为一个输出端口，每个引脚可 以驱动8个TTL逻辑低电平输入。当1被写入端口 0引脚，该引脚可作为高阻 抗输入。在外部程序访问数据总线和数据存储器时端口 0也可以配置为复低位地 址。在这种模式下，P0具有内部上拉功能。端口 0还接收到Flash编程的代码 字节并且在程序核查时输出代码字节。在程序的核查时，必须使用外部上拉。端口 1是一个自配内部上拉电阻的8位双向I/O 口。端口 1输出缓冲器驱动

50、 4个TTL高/低电平输入。当1被写入端口 1引脚，它们是由内部上拉到高电平 也可以作为输入使用。作为输入，因为内部上拉，端口 1引脚会被外部的来源电 流拉低。此外,P1.0和P1.1可配置为定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2 ） 和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）,分别为列丁下表3.1。表3.1 端口 1复用功能端口引脚其他功能P1.0T2 （外部计数输入与定时器/计数器2）,时钟输出P1.1T2EX （定时器/计数器2捕捉/重装触发和方向控制）端口 2是一个自配内部上拉电阻的8位双向I/O 口。端口 2输出缓冲器驱动4个TTL高/低电平输入。当1被写入端口 2个

51、引脚，它们是由内部上拉到高电 平也可以作为输入使用。作为输入，因为内部上拉，端口 2引脚被外部的来源电 流拉低。使用16位地址（执行MOVXDPTR从外部程序存储器中提取地址和访 问外部数据存储器期间，端口 2发出的字节作为高位地址。在此应用程序中，当 端口 2置位1时，使用强大的内部上拉。在访问外部数据存储器时，使用8位地 址（执行MOVX RI,端口 2输出的是P2的特殊功能寄存器的内容。端口 3是一个8位自配内部上拉的漏极开路双向I/O 口。作为普通I/O 口和 端口 2相同，端口 3除了作为普通I/O 口还担任各种对应AT89C52的特殊功能的功能，如在下面的表3.2。表3.2 端口

52、3复用功能端口引脚其他功能P3.0RXD的（串行输入端口）P3.1TXD的（串行输出端口）P3.2INT0 （外部中断0）P3.3INT1 （外部中断1）P3.4T0 （定时器0外部输入）P3.5T1 （定时器1外部输入）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD （外部数据存储器读选通）RS -一复位输入。在该引脚保持两个机器周期以上的高电平可使振荡器复 位。ALE/ PROG地址锁存使能是一个闭锁输出脉冲低字节的外部存储器中访问 的地址。该引脚也是编程脉冲输入（PROG在Flash编程。在正常运行，ALE 产生1/6机器周期包定的频率，并且可以作为外部定时或时钟使用。但是请注 意，每

53、次外部数据存储器访问都有一个 ALE脉冲跳过。如果需要，ALE （SFR的位置8EH可以通过设置位 0。随着位设置，ALE 只在执行MOV双MOV拚令时起作用的。否则，该引脚弱上拉。如果微控制器为 外部执行模式设置ALE无效。PSEN-一读选通外部程序内存。当AT89C52单片机正在执行从外部程序代码 内存,PSENft每个机器周期两次被激活。每个外部数据存储器访I可都在两个 PSEN 被激活的过程。EA/VP 外部访问启用，为了使该设备从外部获取的程序代码内存位置的 0000H到FFFF也始，EA必须接地。但是请注意，如果加密位 1被置位，EA将 在复位时被内部锁存。当EA接VCC寸，单片机

54、从内部存储器开始获取程序代码。 当该器件使用12V编程电压VPP在Flash存储器编程时，该引脚也会得到 12V 电压。二、复位电路和时钟电路AT89C5烈片机的最高时钟脉冲频率已经达到了 24MHz ,它内部已经具备了 振荡电路，只要在AT89C52的两个引脚（即19、18脚）连接到简单的石英振荡 晶体的2个管脚即可，同时晶体的2个管脚也要用27pF的电容耦合到地。由丁精确定时的需要，本系统选择12MH基英振荡晶体为单片机提供时钟电路，如图3.13所示。| |?CATL口27pF图3.13 时钟电路AT89C52的复位引脚（RESET是第9脚，当此引脚接高电平超过 2个机器 周期，即可产生复

55、位的动作。以12MH力勺时钟脉冲为例，每个时钟脉冲为1 S, 两个机器周期为2 S,因此，在第9脚上连接一个2 S的高电平脉冲，即可产 生复位动作。复位分为自动复位和手动复位两种方式。 本系统采用手动复位中的 按键高电平复位，如图3.14。复位电路中的10K电阻、10uF电容是为了保证在 RST® 口能够保持两个机器周期以上的高电平已完成复位而设定的。1 =r|。次1 5 L1亲：,一 .ZRSTT图3.14 复位电路三、MAX232&路设计由丁系统的程序调试过程中需要实现单片机与PC机之间的通信。AT89C52单片机输入、输出电平为TTL电平，而PC机配置的是RS-232C

56、标准接口，二者 的逻辑电平不一致。因此在实际应用时，必须把单片机的信号电平转换成 RS-232 电平，或者对两者进行逆转换12。本系统采用专用电平转换新芯片 MAX23以现 这一功能，电路如图3.15。Q, 1 店 11。Q.luFU13VDDci-kVCCCl-dC2-T1OUTTIINT2OUTT2FNR1INR1OUTR21NR2OUTVEEGND4X1AX232AEJETXDRXD图3.15 MAX232电平转换电路MAX23珀片的优点有：一片芯片可以完成发送转换和接受转换的双重功能， 代替了 MC148剖MC148亦片；单一电源+5V供电。MAX232S片的引脚说明如下：(1) C1 +、C1-、C2* C2-是外接电容端。(2) Run、Rin则是2路RS-232C电平信号接收输入端。(3) R1ou下Rou是2路转换后的TTL电平接收信号输出端，与 AT89C52的 RXDg收端相连。(4) Tiin、T21N是2路TTL电平信号发送输入端。与 AT89C52勺TXD发送端 相连。(5) Tiou下T2OU是2路转换后发送RS-232电平信号输出端，接传输线。(6) V+经电容接电源+5V。(7) V-经电容接地。四、LCD1602®晶显示器在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌