温室大棚二氧化碳自动监控系统设计

1、摘要温室是设施农业的重要组成局部，温室大棚测控系统是实现温室生产管理自动化、科学化的根本保证。通过对监测数据的分析，结合作物生长规律，控制环境条件，使作物在不适宜生长的反季节中，可获得比室外生长更优的环境条件，从而使作物到达优质、高产、高效的栽培目的。本课题主要针对温室二氧化碳浓度，设计了AT89C51单片机为核心的温室大棚二氧化碳浓度监控系统。本文对系统的的软硬件经行了详细的设计，实现了二氧化碳浓度的精确测量与准确控制。针对不同的光照条件，系统设计了判断光照条件电路，在不同的光照条件下执行不同的控制程序。系统可以通过键盘查看储存的浓度值，也可以人工控制执行机构。当单片机检测到二氧化碳浓度参数

2、越限时，那么启动声光报警，同时单片机通过控制固态继电器翻开相应的执行机构进行补偿。为了便于系统的调试、修改和改良，软件设计以汇编语言为根底，采用模块化设计，主要包括数据采集模块、数据处理等模块、显示模块、键盘模块以及控制模块。在系统设计过程中充分考虑到性价比，选用价格低、性能稳定的元器件。通过运行调试，试验结果与设计期望一致。该监控系统具有检测精度高、使用简单和工作稳定可靠等特点，不仅可以应用在农业大棚，也可以应用在恒温湿的机械加工厂、室内环境监测等方面，所以具有一定的推广价值。关键词：温室大棚，二氧化碳，监控，单片机AbstractGreenhouse is an important com

3、ponent of protected agriculture.Measuring and controlling systen is the basis of the management automation in the greenhouse.With the growth rules analyzing measurement data and controlling circumstance condition,it makes greenhouse better condition than outdoor in the unfit season,and more producti

4、ve and high quality.This thesis presents the measuring and controlling system about carbon dioxide is density in the greenhouse, the design of the AT89C51 single-chip microcomputer as the core, the concentration of greenhouse carbon dioxide monitoring system.In this paper, the hardware and software

5、of the system by the line of the detailed design, the concentration of carbon dioxide to achieve a precise control and accurate measurement. For different light conditions, the system was designed to determine light circuit, in different light conditions, the implementation of different control proc

6、edures. System can be stored through the keyboard to view the concentration of value, you can manually control the executive body. When the single-chip to detect the concentration of carbon dioxide more limited parameters, sound and light alarm is activated at the same time by controlling the single

7、-chip solid-state relay to open the corresponding implementing agencies to compensate. In order to facilitate system debug, modify and improve software design to assembly language-based, modular design, including data acquisition module, data processing module, display module, the keyboard module an

8、d control module.This thesis choose the decices as full consideration of the ration between prformance and cost as possible.After debugging,measuring result with anticipate.This measuring and controlling system is simple,stable and low cost.It can be aoolied not only in greedhouse,but also in enviro

9、nment monitoring and constant hygrothermal factory.And it has much of value to apply and popularize in other fields.Key wards:greenhouse,carbon dioxide, Monitoring,single-chip 目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc232944823 摘要 PAGEREF _Toc232944823 h I HYPERLINK l _Toc232944824 Abstract PAGEREF _Toc232

10、944824 h II HYPERLINK l _Toc232944825 目录 PAGEREF _Toc232944825 h I HYPERLINK l _Toc232944826 第一章 绪论 PAGEREF _Toc232944826 h 1 HYPERLINK l _Toc232944827 课题的背景及主要内容 PAGEREF _Toc232944827 h 1 HYPERLINK l _Toc232944828 国内外的应用现状及趋势 PAGEREF _Toc232944828 h 2 HYPERLINK l _Toc232944829 1. 国外的研究现状 PAGEREF _T

11、oc232944829 h 2 HYPERLINK l _Toc232944830 国内的开展现状 PAGEREF _Toc232944830 h 2 HYPERLINK l _Toc232944831 课题的研究意义 PAGEREF _Toc232944831 h 3 HYPERLINK l _Toc232944832 本文的主要工作 PAGEREF _Toc232944832 h 3 HYPERLINK l _Toc232944833 第2章 设计方案论证 PAGEREF _Toc232944833 h 4 HYPERLINK l _Toc232944834 温室大棚内CO2参数的调节与控

12、制 PAGEREF _Toc232944834 h 4 HYPERLINK l _Toc232944835 系统总体方案的设计 PAGEREF _Toc232944835 h 5 HYPERLINK l _Toc232944836 总体方案设计 PAGEREF _Toc232944836 h 5 HYPERLINK l _Toc232944837 硬件系统框图 PAGEREF _Toc232944837 h 5 HYPERLINK l _Toc232944838 系统的技术要求及主要功能 PAGEREF _Toc232944838 h 6 HYPERLINK l _Toc232944839 第

13、3章 硬件设计 PAGEREF _Toc232944839 h 7 HYPERLINK l _Toc232944840 微控制器概述 PAGEREF _Toc232944840 h 7 HYPERLINK l _Toc232944841 3.1.1 AT89C51单片机的主要功能 PAGEREF _Toc232944841 h 7 HYPERLINK l _Toc232944842 3.1.2 AT89C51芯片的内部结构框图 PAGEREF _Toc232944842 h 8 HYPERLINK l _Toc232944843 3.1.3 AT89C51芯片引脚说明 PAGEREF _Toc

14、232944843 h 9 HYPERLINK l _Toc232944844 3.1.4 AT89C51的时钟振荡器 PAGEREF _Toc232944844 h 12 HYPERLINK l _Toc232944845 3.1.5 AT89C51复位电路 PAGEREF _Toc232944845 h 13 HYPERLINK l _Toc232944846 扩展I/O接口的设计 PAGEREF _Toc232944846 h 13 HYPERLINK l _Toc232944847 3.2.1 8255A芯片介绍 PAGEREF _Toc232944847 h 14 HYPERLINK

15、 l _Toc232944848 3.2.2 AT89C51单片机和8255A的接口 PAGEREF _Toc232944848 h 15 HYPERLINK l _Toc232944849 二氧化碳浓度检测模块的设计 PAGEREF _Toc232944849 h 16 HYPERLINK l _Toc232944850 二氧化碳浓度传感器TGS4160概述 PAGEREF _Toc232944850 h 16 HYPERLINK l _Toc232944851 3.3.2 TGS4160的内部结构 PAGEREF _Toc232944851 h 16 HYPERLINK l _Toc232

16、944852 3.3.3 TGS4160的工作原理 PAGEREF _Toc232944852 h 17 HYPERLINK l _Toc232944853 二氧化碳检测电路设计 PAGEREF _Toc232944853 h 18 HYPERLINK l _Toc232944854 光强检测模块的设计 PAGEREF _Toc232944854 h 19 HYPERLINK l _Toc232944855 光敏电阻介绍 PAGEREF _Toc232944855 h 19 HYPERLINK l _Toc232944856 光强检测电路的设计 PAGEREF _Toc232944856 h

17、21 HYPERLINK l _Toc232944857 3.5 A/D转换模块 PAGEREF _Toc232944857 h 21 HYPERLINK l _Toc232944858 3.5.1 ADC0809引脚及功能 PAGEREF _Toc232944858 h 21 HYPERLINK l _Toc232944859 3.5.2 A/D0809转换原理 PAGEREF _Toc232944859 h 23 HYPERLINK l _Toc232944860 执行机构的设计 PAGEREF _Toc232944860 h 23 HYPERLINK l _Toc232944861 固态

18、继电器简介 PAGEREF _Toc232944861 h 23 HYPERLINK l _Toc232944862 执行机构电路 PAGEREF _Toc232944862 h 24 HYPERLINK l _Toc232944863 显示模块 PAGEREF _Toc232944863 h 25 HYPERLINK l _Toc232944864 数码管显示原理 PAGEREF _Toc232944864 h 25 HYPERLINK l _Toc232944865 数码显示电路 PAGEREF _Toc232944865 h 26 HYPERLINK l _Toc232944866 发光

19、二极管显示电路 PAGEREF _Toc232944866 h 27 HYPERLINK l _Toc232944867 键盘模块 PAGEREF _Toc232944867 h 27 HYPERLINK l _Toc232944868 报警模块 PAGEREF _Toc232944868 h 28 HYPERLINK l _Toc232944869 电源电路 PAGEREF _Toc232944869 h 29 HYPERLINK l _Toc232944870 系统总原理图 PAGEREF _Toc232944870 h 30 HYPERLINK l _Toc232944871 本章小结

20、PAGEREF _Toc232944871 h 30 HYPERLINK l _Toc232944872 第4章 软件设计 PAGEREF _Toc232944872 h 31 HYPERLINK l _Toc232944873 主程序的设计 PAGEREF _Toc232944873 h 31 HYPERLINK l _Toc232944874 数据的采集、处理与存储程序的设计 PAGEREF _Toc232944874 h 31 HYPERLINK l _Toc232944875 判断键值子程序的设计 PAGEREF _Toc232944875 h 32 HYPERLINK l _Toc2

21、32944876 按键子程序的设计 PAGEREF _Toc232944876 h 33 HYPERLINK l _Toc232944877 输出控制程序的设计 PAGEREF _Toc232944877 h 34 HYPERLINK l _Toc232944878 显示程序的设计 PAGEREF _Toc232944878 h 34 HYPERLINK l _Toc232944879 系统程序清单 PAGEREF _Toc232944879 h 35 HYPERLINK l _Toc232944880 本章小结 PAGEREF _Toc232944880 h 35 HYPERLINK l _

22、Toc232944881 结论 PAGEREF _Toc232944881 h 36 HYPERLINK l _Toc232944882 参考文献 PAGEREF _Toc232944882 h 37 HYPERLINK l _Toc232944883 致谢 PAGEREF _Toc232944883 h 38 HYPERLINK l _Toc232944884 附录 PAGEREF _Toc232944884 h 39 HYPERLINK l _Toc232944885 附录 PAGEREF _Toc232944885 h 44第一章 绪论课题的背景及主要内容随着改革开放的的开展，中国的现代

23、化程度不断提高，中国的农业的开展必然走现代化农业这条道路，随着国民经济的飞速开展，我国是农业大国，农业研究和应用越来越受到重视特别是温室大棚已经成为高效农业的一个重要组成局部。现代化农业生产中最重要的一环是对农业生产环境的重要参数进行检测和控制，其中对CO2浓度的检测和控制是温室大棚环境控制及其重要的局部。在农业种植中，CO2浓度与绿色植物的生长、发育、能量交换密切相关，合理的控制CO2浓度，绿色植物的光合作用将发挥很大的潜力，使农作物到达优质、高产、高效的栽培目的。CO2浓度的监控在以温室大棚为代表的现代农业设施中发挥着巨大的作用。国外的温室设施已经到达了比拟完备的程度，并且形成了一些标准，

24、但是价格非常昂贵。在我国，当今对大多数温室环境因素的检测和控制都采用人工管理，这样不可防止测控精度低、劳动强度大，还存在测控不及时等弊端，容易造成不可弥补的损失，结果不但大大增加了本钱，浪费了人力资源，还没有到达预期的效果。因此，为了实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性，推动我国农业的开展，必须大力开展设施农业。对大棚中CO2浓度的科学管理是多种环境因素中极为重要的一局部，是高效农业必不可少的环节。目前，在我国蔬菜大棚的数量极多，并且还在迅速增长，人们对齐性能的要求也越来越高，对大棚的自动化程度也越来越高。由于单片机及其电子器件的性价比不断提高，我国这方面的技术也逐步成熟，这些要求都

25、将可以实现。本文提出一种以AT89C2051单片机为控制核心的CO2浓度测控仪，主要对温室大棚中CO2浓度进行有效、可靠的检测与控制设计的。该系统具有检测精度高、使用简单、本钱低和工作稳定的特点，不仅可以作为温室大棚CO2浓度环境控制仪，还可以集成控制其他环境因素的模块，如温度、湿度、光照等，都可以以该系统为整合，从而实现对温室环境的总体控制。国内外的应用现状及趋势国外的研究现状 西方兴旺国家在现代化温室测控技术起步较早，借助其兴旺的科技力量，已实现了温室测控的自动化、智能化，并且应用到多个领域。1949年，美国建成了第一个植物人工气候室，开展了植物对自然环境的适应性和抵抗能力的根底及应用的研

26、究。20世纪60年代，生产型的高级温室开始应用与西方农业生产，70年代以后荷兰、日本、美国、以色列等国家的温室技术迅猛开展，温室设计应用到农业生产、畜牧业和水产养殖多个领域。随着计算机和电子技术的飞速开展，近年来，温室大棚的自动监控和管理技术不断提高，在世界各地都得到了长足的开展。目前，国外的温室的内部设计已经到达了比拟完备的程度，并且形成了一些标准。温室的各种环境因子大多有计算机集中控制，各种传感器都比拟齐全和成熟，不仅对温度、湿度、CO2浓度和光强进行检测，还可以对作物的营养液浓度等多种条件进行检测，各种控制技术也非常成熟，传感器和执行机构的结合程度非常高。一些国家在实现自动化的根底上正在

27、向着完全自动化和无人化的方向开展。国内的开展现状我国的温室技术起步较晚，20世纪70年代以前我国根本还停留的农业完全人工作业，70年代以后，国家大力开展以温室大棚为主的设施农业，促进农村经济开展和环节蔬菜季节性短缺的矛盾。经过20多年的开展，我国的温室大棚已经具有规模化、专业化、管理水平高的特点，但是我国设施农业的自动化程度不高，走科学种植的道路却要人工实现，全国大多数大棚不具有自动控制设备，这与我国的经济条件所决定。近年来我国大力开展农业现代化，一批生产自动化农业设施的厂家应运而生，但是现在这些设备还没有普及，原因又很多，农民自身知识水平不高不相信科学是一方面，经济水平也决定了我国的温室大棚

28、自动化的道路任重而道远。总体上说，我国自行开发的温室测控系统其技术水平和调控能力与西方兴旺国家相比还有一定的差距。而我国的综合环境控制技术的研究刚刚起步，目前仍停留在研究单个或者几个环境因素调控技术的阶段，而实际上温室环境中的温度、湿度、CO2浓度、光强等环境因子，都是在互相影响、互相制约的状态下影响植物的生长的，环境因素的时间变化、空间变化都很复杂。因此，我国的现代化设施农业任重而道远。课题的研究意义 利用传统方法对温室环境进行监控，采用人工方法检测和控制，及其浪费人力资源，而且精度低，常常不能到达理想效果。目前国内推行科学种植技术，对温室大棚采用人工的方法控制温度和湿度，还通过CO2增施肥

29、技术给大棚补充二氧化碳，虽然有科学资料可以借鉴，但是利用人工方法存在着很多弊端。尤其是对CO2浓度的监控，对于温度和湿度的监控，还可以通过温度计和湿度计的读数进行人工操作，而对CO2浓度的监控就没有那么简单。目前我国大多数大棚所采用的CO2增施肥方法非常笨拙，只是靠人工在固定时间对大棚进行CO2施肥，对CO2施肥的多少无法掌控，而植物对CO2的需求并不是越多越好，有资料说明：CO2浓度维持在100ppm植物正常进行光合作用，浓度在600-2000ppm光合作用为最正确状态，显然对CO2浓度的控制要得当。 近年来，随着单片机功能的日益强大和计算机的广泛应用，人们对大棚内参数检测的准确性和控制的稳

30、定性越来越高。本设计就是针对此问题，设计相对准确的、稳定的CO2浓度监控装置，由于系统的灵活性和模块化，可以广泛应用于温室大棚环境监控。本文的主要工作本文对装置进行总体规划、设计，满足系统功能和性能指标的设计要求，并且，在此根底上保证关键部件的可靠性。本文主要工作：第二章，设计方案的论证。第三章，系统硬件设计。第四章，系统软件设计。设计方案论证随着我国国民经济的飞速开展，农业技术的研究和开展得到了更多的重视，特别是温室大棚已经成为高效农业的重要组成局部。因此，为了实现高效农业的科学化和研究性，推动我国农业开展，为农民增收，解决我国农民普遍收入低的问题，缩小城乡差距，推动全面小康社会，迫切需要价

31、格适中的，自动化程度高的农业设备。温室大棚内CO2参数的调节与控制 大气中CO2浓度一般为0.03%，边幅很小。在春冬温室大棚种植蔬菜时，为了保温，大棚常常处于封闭状态，缺少内外气态交换，CO2浓度变幅较大。温室大棚中二氧化碳浓度的日变化一般规律是：在夜间，由于作物的呼吸作用、土壤微生物活动和有机质分解，生成的二氧化碳使大棚内二氧化碳浓度很快增加，可比棚外空气中二氧化碳浓度高近一倍，但早晨日出后，作物光合作用加强，又大量消耗棚内夜间积存的二氧化碳，使其浓度急剧下降，日出后1小时，二氧化碳浓度下降至300ppm左右，日出后23小时后，如不通风换气，其浓度将继续下降，甚至降到作物的二氧化碳补偿点8

32、0150ppm，这时由于二氧化碳的浓度过低，叶片的光合作用根本停止，因此从日出后半小时到通风换气这段时间内，二氧化碳最为缺乏，已成为作物生长的重要障碍，在这段时间内，必须用人工增施二氧化碳来补充棚内该气体的缺乏，合理应用这一方法才能促使温室和大棚作物增产，这也是温室和大棚必须增施二氧化碳气体的根本原理。实践证明，西红柿可增产7%以上，辣椒增产12%以上，茄子增产15%以上，黄高增产幅度高达30%以上。补充CO2的方法有很多，常用的主要有三种：方法一：燃烧法，通过CO2发生器燃烧液化石油气、丙烷气、天然气等产生CO2。当前欧美国家的设施栽培多采用燃烧天然气产生CO2，而日本多采用燃烧白煤油增施C

33、O2。方法二：化学反响法，即用酸和碳酸盐类发生化学反响产生CO2，目前最常用的方法是碳铵与硫酸反响制取二氧化碳，在简易的发生装置内产生CO2，再通过管道将其导入温室大棚内。该法本钱较低，CO2浓度容易控制，目前在我国应用较多。方法三：施用颗粒生物有机气肥法，将颗粒生物有机气肥按一定间距施入植株行间，施入深度为3厘米，保持穴位土壤有一定的水分，使其相对湿度保持的80%左右，使用土壤的微生物发酵来产生CO2。该法无需发生装置，使用方便，但是浪费很大的人力资源。系统总体方案的设计总体方案设计 本文在设计上采用单片机AT89C2051为控制核心的温室大棚CO2浓度测控系统。系统可以独立完成对温室大棚内

34、CO2浓度信息的采集、处理和显示，根据设定的需求控制CO2浓度，在当浓度超限时发出声光报警，同时发出执行动作。输入通道为CO2浓度检测模块，CO2浓度传感器采用TGS4160，这种CO2传感器除了具有体积小、寿命长、选择性和稳定性好的特点外，还具有耐高湿低温的特性。检测模块使用费加罗FIGARO公司提供的AM-4 CO2传感器模块，得到的模拟信号通过A/D转化传入单片机处理。输出通道为CO2浓度控制执行机构，CO2浓度信号进入单片机，经过软件处理，单片机输出给执行机构来控制CO2浓度。执行机构是由一个带有电磁阀的CO2容器，当单片机发出执行信号，电磁阀就会翻开放出CO2气体，单片机发出关断信号

35、，电磁阀就会关闭。报警系统采用声光报警模式，系统在CO2浓度超出系统所设定的上限或者下限时，将会触发报警电路，提醒工作人员注意。系统本身除有自动控制CO2浓度功能外，也可手工利用键盘来发出指令，命令执行机构发出CO2，实现了双向控制。系统还可以集成其他温室环境因子的模块，如温度、湿度和光照的控制等，都可以以该系统为根底进行整合，从而实现温室大棚的多环境因子共同监控。硬件系统框图 温室大棚内CO2浓度自动监控系统的硬件电路由单片机最小系统、二氧化碳浓度检测电路、光强检测电路、二氧化碳执行机构电路、报警电路、显示电路和键盘电路构成的。总体框图如图2-1所示。单片机AT89C51CO2浓度传感器AM

36、-4检测模块A/D转化器显示模块报警电路光电隔离键盘继电器CO2发生器光强传感器图2-1 硬件总体框图系统的技术要求及主要功能 大棚蔬菜种植，主要以春、冬两个季节为主。大棚内CO2浓度的变化规律是：昼夜差距大；阴天比晴天的变量速率慢。本设计安装有光强传感器，单片机根据光强传感器检测到的光强信号，来分辨白天、黑天或者阴天，用来调整在不同天气状态下的CO2释放状态，因此系统设计了多种CO2释放状态，以满足植物在不同时间不同环境的需求。CO2浓度的测量范围为0ppm-3000ppm，显示模块将实时显示当前浓度值，检测模块每1分钟对当前浓度读取一次，并对数据进行存取，本设计可通过按键查看前3次浓度值。

37、当温室环境需要人工控制时，工作人员可以通过按键对系统经行控制。硬件设计大棚内二氧化碳含量的检测属于监控系统范畴，近年来，由于传感器技术、计算机技术、超大规模集成电路技术和网络通信技术的开展，使监控系统广泛应用于农业生产领域。因此，温室环境因子检测技术的研究在软、硬件方面都有了一定的进展。本设计是温室大棚检测和控制中对二氧化碳检测局部，主要设计微控制器及其外围电路，包括输入、输出通道、报警电路及系统键盘和显示电路，执行机构电路等。本章将对温室大棚中的二氧化碳含量的检测和控制进行深入研究。微控制器概述 计算机的开展加快了人类改造世界的进程，但是计算机的体积太大。微控制器单片机就是在这种情况下诞生的

38、。单片机自20世纪70年代问世以来，以其极高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用很广，开展很快。单片机体积小，重量轻，抗干扰能力强，环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。单片机集成里微处理器CPU，存储器RAM,ROM,EPROM和各种输入、输出接口定时器/计数器，并行I/O口，串行口，它的结构与指令功能都是按照工业控制的要求设计的，在智能控制领域，微控制器得到了广泛的应用。 单片机目前被广泛应用于医疗、家电、仪器仪表、工业控制、航空航天等多个领域。市场上比拟流行的单片机种类主要有Intel公司、Atmel公司和Philip公司的8051系列单片机，Motorola公司

39、的M6800系列，Intel公司的MCS96系列单片机以及Motorola公司的PIC系列单片机等。各个系列的单片机各有所长，在处理速度、稳定性、I/O能力、功耗、功能、价格等方面各有优劣。这些种类繁多的单片机家族，给我们单片机的选择也提供了很大的余地。本文选用Atmel公司生产的AT89C51单片机作为CPU。AT89C2051是一种低功耗、低价格、高性能的8位微处理器。AT89C51单片机的主要功能 芯片AT89C51是Atmel公司生产的低电压、高性能CMOS单片机，片内含有4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器PEROM和128bytes的随即存取数字存储器RAM，片内置通用8位

40、中央处理器CPU和Flash存储单元，功能强大的AT89C51单片机性价比高，可灵活应用于各种领域。AT89C51的主要性能参数如下：与MCS-51产品指令系统完全兼容4k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128*8字节内部RAM32个可编程I/O接口2个16位定时/计数器6个中断源可编程串行UART通道低功耗空闲和掉电模式低工作电压5VAT89C51功能特性概述如下： AT89C51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串

41、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，并支持两个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他所有不见工作直到下一个硬件复位。AT89C51芯片的内部结构框图AT89C51采用Atmel公司的高密非易失存储技术制造的标准型单片机，和工业标准MCS-51指令集和引脚结构兼容。Atmel公司生产的AT89C51是一种功能强劲的微型计算机，它对许多嵌入式控制的应用，提供了一种高度灵活和本钱低的解决方法，受到大量用户的亲赖。AT89C51的内部结

42、构框图如图3-1所示。RAM地址锁存器RAMFLISH端口0锁存端口2锁存端口0驱动器端口3驱动器端口1驱动器PC增量器缓冲器程序地址存放器B存放器端口2驱动器DPTR程序计数器ACC堆栈指示器TPM2TPM1ALUPSWPSEN,ALE,EA,RES指令存放器中断、串行口与定时器单元端口1锁存端口3锁存时钟晶振图3-1 AT89C51内部结构框图AT89C51芯片引脚说明 AT89C51单片机是一个具有40个引脚的芯片，AT89C51引脚图如图3-2所示。图3-2 AT89C51引脚图引脚功能说明：VCC：电源VSS：接地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

43、口，作为输出口使用时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写1可以作为高阻抗输入端用 在访问外部数据存储器或者程序存储器时，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，要求外界上拉电阻。P1口：P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1口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，通过内部上拉电阻吧端口拉到高电平，此时可做输入口。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I。 Flash编程和程序校验期间，P1

44、接收低8位地址。P2口：P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口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，通过内部上拉电阻吧端口拉到高电平，此时可做输入口。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I。在访问外部程序存储器或者16位地址的外部数据存储器时，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时，P2口线上的内容在整个访问期间不改变。Flash编程或者校验时，P2口亦接收高位地址和其他控制信号。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

45、。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，作为输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流I。P3口除作为I/O口外，更重要的用途是它的第二功能，如表3-1所示：端口引脚第二功能RXD 串行输入口TXD 串行输出口INT0 外部中断0INT1 外部中断1T0 定时/计数器0T1 定时/计数器1WR 外部数据存储器写选通RD 外部数据存储器读选通表3-1 AT89C51单片机P3口第二功能P3口还接收一些用于Flash闪速存储器的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

46、储器或者数据存储器时，ALE地址锁存允许输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。使不访问外部存储器，ALE仍以时钟震荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，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。如有必要，可通过对待特殊存放器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指令才能使ALE激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应该设置ALE无效。PSEN：程序存储允许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

47、时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的PSEN信号不出现。EA/VPP：外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器，EA端必须保持低电平，需要注意的是：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，CPU那么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，当然这必须是该期间是使用12V的编程电压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。AT89C51的时钟振荡器AT89C51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反

48、相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入端和输出端，这个放大器与作为反响元件的篇外石英晶体或者陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路如图3-3所示：图3-3 内部震荡电路左与外部震荡电路右外接石英晶体或陶瓷谐振器及电容接在放大器的反响回路中构成并联振荡电路，对外接电容虽然没有十分严格的要求，但是电容容量的大小会轻微影响振荡频率的上下、振荡器工作的稳定性、起振的难易程度及温度稳定性，如果使用石英晶体，电容使用30Pf，如使用陶瓷振荡器电容使用40pF。 电路也可以使用外部时钟。采用外部时钟电路如图3.3右所示。这种情况下，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输入端，引脚

49、XTAL2那么悬空。 由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但是最小高电平持续时间和最大电平持续时间应符合产品技术条件的要求。AT89C51复位电路 单片机在上电时需要复位，AT89C51单片机采用低电平复位，复位电路如图3-4所示。复位电路的根本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经过一定的延时才能撤销复位信号，以防电源开关或者电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。图3-4 复位电路扩展I/O接口的设计 I/O接口是单片机与外部设备交换信息的桥梁。AT89C51单片机本身

50、具有4个I/O口，但是P0和P2口用作16为地址总线和8位数据总线，真正用作I/O口线的只有P1口的8位I/O线和P3口的某些位线。本设计有于单片机I/O口的资源有限，所以需要外扩I/O接口电路，本设计采用可编程扩展并行I/O接口芯片8255A进行扩展。8255A芯片介绍 8255A是Intel公司生产的可编程并行I/O接口芯片，它具有3个8位的并行I/O口，三种工作方式，可以通过编程改变其功能，因而使用灵活方便，通用性强，可作为单片机于多种外围设备连接时的中间接口电路。8255A芯片引脚如图3-5所示。图3-5 8255A的引脚 8255A共有40个引脚，采用双列直插式封装，各引脚功能如下：

51、D7D0：三态双向数据线，于单片机数据线连接，用来传送数据信息。CS：片选信号线，低电平有效，表示本芯片被选中。RD：读出信号线，低电平有效，控制8255A的数据读入。WR：写入信号线，低电平有效，控制向8255A数据的写入。VCC：+5V电源。PA7PA0：A口输入/输出线。PB7PB0：B口输入/输出线。PC7PC0：C口输入/输出线。A1、A0：地址线，用来选择8255A内部的四个端口。 8255A各端口的工作状态于控制信号的关系如表3-2所示。A1A2RDWRCS工作状态00010A口数据-数据总线读端口A01010B口数据-数据总线读端口B10010C口数据-数据总线读端口C0010

52、0总线数据-A口写端口A01100总线数据-B口写端口B10100总线数据-C口写端口C11100总线数据-控制字存放器写控制字1总线数据为三态11010非法状态110总线数据为三态表3-2 8255A端口工作状态选择表AT89C51单片机和8255A的接口 AT89C51单片机与8255A硬件电路连接如图3-4所示。图3-4 AT89C51扩展一片8255A电路 如图3.4所示是AT89C51单片机扩展一片8255A的电路图。图中，74LS373是地址锁存器，、经过74LS373与8255A的地址线A0、A1连接；其他地址线悬空；CS片选信号接地；8255A的控制线RD、WR直接接于AT89

53、C51的RD、WR端；数据总线P0.7P0.0与8255A的数据线D7D0连接。CS片选端接地，一直为地电平，表示一直选中8255A，假设、为00那么选中8255A的A口，同理为01、10、11时分别选中B口、C口及控制口。假设地址用16位表示，其他无用端全设为1，那么8255A的A、B、C及控制口的地址分别为：FF7CH、FF7DH、FF7EH、FF7FH。二氧化碳浓度检测模块的设计本设计主要针对温室大棚中二氧化碳浓度检测与控制设计，二氧化浓度的检测采用二氧化碳浓度传感器TGS4160，TGS4160检测到的二氧化碳浓度信号经过模拟变送模块后，送入A/D转化器转化为数字信号后送入单片机处理。

54、二氧化碳浓度传感器TGS4160概述TGS4160二氧化碳传感器是FIGARO弗加罗公司生产的固态电化学型气体敏感元件。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二氧化碳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，该器件比拟适合于在室温下长时间通电连续工作。TGS4160传感器的主要参数如下： 测量范围：05000ppm 使用寿命：2000天 加热器电流：250mA内部热敏电阻：100k5%使用温度：-10+50摄氏度使用湿度：595%RH产品尺寸：最大外径24mm，高24m

55、m，引脚长5.8mm。TGS4160的内部结构TGS4160二氧化碳传感器是一种内含热敏电阻的混合式二氧化碳敏感元件。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。为了到达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。TGS4160内部等效结构图如图3-

56、5所示。图3-5 TGS4160等效内部结构图3.5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，Pt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。TGS4160的工作原理TGS4160型二氧化碳传感器是一种电化学型气体的敏感元件，当该元件暴露在二氧化碳气体环境中时，就会产生电化学反响。其反响式如下：阴极反响方程： 4Li+2 CO2+O2+4e-=2Li2CO3阳极反响方程： 4Na+O2+4e-=2Na2 O总的化学反响方程： Li2 CO

57、3+2Na+=Na2 O+2Li+ CO2作为电化学反响的结果，根据耐斯特方程Nernst，该过程将产生如下电势EMF：EMF=Ec-(RF)/(2F)Ln(P CO2)式中：PCO2为CO2分压；Ec为常数；R是气体常数；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0.2V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

58、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，根本不受温度的影响。EMF值可由下式求得：EMFEMF1EMF2其中，EMF1为350ppm的CO2中的EMF值；EMF2为所测量的CO2的EMF值。EMF与二氧化碳浓度的关系如图3-6所示。 二氧化碳浓度图3-6 EMF与二氧化碳浓度线性图二氧化碳检测电路设计TGS4160在温度为202、湿度为650.05V、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C

59、O2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。处理该信号选择使用费加罗FIGARO公司的FIC98646专用处理器模块,AM-4模块。 AM-4二氧化碳传感器模块，那么可直接应用于二氧化碳气体监测。该模块内部带有A/D转换器，并已对数据进行了采样并作了处理。它输出的电压信号与二氧化碳浓度值呈线性关系，输出的电压信号为，相当于03000ppm的二氧化碳浓度。AM-4模块的输出电压为03V，需要经过放大处理变为05V传送给A/D转化器，才能为单片机传送更为准确的数字信号。本设计对处

60、理该信号方案如图3-7所示。图3-7 二氧化碳浓度检测电路光强检测模块的设计 大棚作物进行光合作用与光照条件有着密切的关系，作物在白天经行光合作用，吸收二氧化碳，在黑天作物经行有氧呼吸放出二氧化碳，在阴天光照条件很弱，作物的光合作用及其微弱，无需人工补充二氧化碳。 本设计采用光敏电阻来制作光强检测模块，利用光敏电阻是因为本系统对光强的检测不高，只需判断黑天、白天和阴天三种状态，所以利用光敏电阻不仅经济，而且电路设计也非常简单。光敏电阻介绍 光敏电阻器是利用半导体光电导效应制成的一种特殊电阻器，对光线十分敏感。它在无光照射时，呈高阻状态；当有光照射时，其电阻值迅速减小，在同样之电压下，照度愈强，