【正文】 感器處理電路溫度傳感器AT89S51單片機鍵盤顯示電路報警電路485 半雙工收發(fā)器圖 11 原理結(jié)構(gòu)圖基于單片機的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計6 首先充分考慮氣候、環(huán)境因素對植物的影響，并根據(jù)溫室大棚內(nèi)植物保持正常狀態(tài)所需的溫度和濕度，設(shè)計出溫濕度參考值預(yù)先存儲于單片機中。系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分是將溫濕度傳感器置于溫室內(nèi)部，測出室內(nèi)的溫濕度值之后送入 AT89S51 單片機中，然后 LED 顯示出溫濕度測量值。單片機將預(yù)設(shè)的參考值與測量值進行比較，根據(jù)比較結(jié)果做出判斷。當溫濕度值超過允許的誤差范圍，系統(tǒng)將發(fā)出報警，如果有必要，工作人員還可以根據(jù)實際的情況通過鍵盤來人工修改片內(nèi)存儲的預(yù)設(shè)值。通過對整個系統(tǒng)的核心單片機部分的設(shè)計，達到優(yōu)化控制溫濕度的目標。 傳感器的選型 傳感器是實現(xiàn)測量與控制的首要環(huán)節(jié)，是測控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，如果沒有傳感器對原始被測信號進行準確可靠的捕捉和轉(zhuǎn)換，一切準確的測量和控制都將無法實現(xiàn)。工業(yè)生產(chǎn)過程的自動化測量和控制，幾乎主要依靠各種傳感器來檢測和控制生產(chǎn)過程中的各種參量，使設(shè)備和系統(tǒng)正常運行在最佳狀態(tài)，從而保證生產(chǎn)的高效率和高質(zhì)量，因此選擇正確的溫濕度傳感器在設(shè)計中起著至關(guān)重要的作用。 溫度傳感器的選型 方案一：采用熱電阻溫度傳感器 熱電阻是利用導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性制成的測溫元件。現(xiàn)應(yīng)用較多的有鉑、銅、鎳等熱電阻。其主要的特點為精度高、測量范圍大、便于遠距離測量。 鉑的物理、化學性能極穩(wěn)定，耐氧化能力強，易提純，復(fù)制性好，工業(yè)性好，電阻率較高，因此，鉑電阻用于工業(yè)檢測中高精密測溫和溫度標準。缺點是價格貴，溫度系數(shù)小，受到磁場影響大，在還原介質(zhì)中易被玷污變脆。按IEC標準其測溫范圍為200℃～650℃，百度電阻比W（100）=，R0為100Ω和10Ω，其允許的測量誤差A(yù)級為177。（℃+︱t︱），B級為177。（℃+︱t︱）。 基于單片機的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計7 銅電阻的溫度系數(shù)比鉑電阻大，價格低，也易于提純和加工，但其電阻率小，在腐蝕性介質(zhì)中使用穩(wěn)定性差。在工業(yè)中用于50℃～180℃測溫。 方案二：采用DS18B20作為溫度傳感器 DS18B20是由Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的“一線總線” 接口的溫度傳感器。一線總線結(jié)構(gòu)具有簡潔且經(jīng)濟的特點，可使用戶輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念，DS18B20的測溫范圍為55℃~+125℃，在10℃~+85℃ 范圍內(nèi)，精度為 177?！?，現(xiàn)場溫度可直接通過“一線總線”以數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。DS18B20適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等。它工作在3V~電壓范圍，采用多種封裝形式，從而使系統(tǒng)設(shè)計更靈活、方便，設(shè)定分辨率及用戶設(shè)定的報警溫度存儲在EEPROM中，掉電后依然保存。綜合比較方案一與方案二，方案二更為適合于本設(shè)計系統(tǒng)對于溫度傳感器的選擇。 濕度傳感器的選擇 測量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量及周圍空氣的濕度。電容式、電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據(jù)其高分子材料吸濕后的介電常數(shù)、電阻率和體積隨之發(fā)生變化而進行濕度測量的。 方案一：采用HOS201濕敏傳感器 HOS201濕敏傳感器為高濕度開關(guān)傳感器，它的工作電壓為交流1V 以下，頻率為50HZ ～1KHZ ，測量濕度范圍為 0～100%RH，工作溫度范圍為0～50℃，阻抗在75%RH（25℃）時為1MΩ。這種傳感器原是用于開關(guān)的傳感器，不能在寬頻帶范圍內(nèi)檢測濕度，因此，主要用于判斷規(guī)定值以上或以下的濕度電平。然而，這種傳感器只限于一定范圍內(nèi)使用時具有良好的線性，可有效地利用其線性特性。 方案二：采用HS1100/HS1101濕度傳感器 HS1101電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。不需校準的完全互換性，高可靠性和長期穩(wěn)定性，基于單片機的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計8快速響應(yīng)時間，專利設(shè)計的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，由頂端接觸（HS1100）和側(cè)面接觸（HS1101）兩種封裝產(chǎn)品，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動插件和自動裝配過程等。相對濕度在1%100%RH范圍內(nèi)；電容量由16pF 變到200pF，其誤差不大于177。2%RH；響應(yīng)時間小于5S ；溫度 pF/ ℃?？梢娋仁禽^高的。 綜合比較方案一與方案二，方案一雖然滿足精度及測量濕度范圍的要求，但其只限于一定范圍內(nèi)使用時具有良好的線性，可有效地利用其線性特性。而且還不具備在本設(shè)計系統(tǒng)中對溫度30～50℃的要求，因此，我們選擇方案二來作為本設(shè)計的濕度傳感器。 2 傳感器及其硬件電路設(shè)計 溫度傳感器 DS18B20 介紹 測溫元件采用新型的溫度傳感器DS18B20。DS18B20是由Dallas半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的“一線總線”接口的溫度傳感器。一線總線結(jié)構(gòu)具有簡潔且經(jīng)濟的特點，可使用戶輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，從而為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念，DS18B20的測溫范圍為55 ℃~+125℃，在10 ℃~+85℃范圍內(nèi)，精度為177?！妫F(xiàn)場溫度可直接通過“一線總線” 以數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。DS18B20適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等。它工作在3V~，采用多種封裝形式，從而使系統(tǒng)設(shè)計更靈活、方便，設(shè)定分辨率及用戶設(shè)定的報警溫度存儲在EEPROM中，掉電后依然保存。 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖21所示： 基于單片機的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計9圖21 DS18B20 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)溫度測量原理電路如圖22所示：低溫度系數(shù)振蕩器斜率累加器計數(shù)比較器預(yù)置減法計數(shù)器減至 0 溫度寄存器預(yù)置高溫度系數(shù)振蕩器 減法計數(shù)器 減至 0圖22 溫度測量原理電路DS18B20 主要有 4 部分組成：64 為 ROM、溫度傳感器、非易失性溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。DS18B20 有三個引腳，GND 接地；DQ 數(shù)字信號的輸出/輸入；Vdd 為外接電源輸入端。DS18B20 的封裝形式及引腳排列如圖 23 所示： 圖 23 DS18B20 的引腳排列圖 DS18B20有4個主要的數(shù)據(jù)部件： 基于單片機的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計10 (1) 光刻 ROM中的64位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20的地址序列碼。64位光刻ROM 的排列是：開始 8位（28H ）是產(chǎn)品類型標號，接著的48位是該DS18B20自身的序列號，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗碼（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一個 DS18B20都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個DS18B20的目的。 (2) DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以12位轉(zhuǎn)化為例：用16位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供，℃/LSB形式表達，其中S 為符號位。其中DQ為數(shù)字信號輸入/輸出端；GND為電源地；VDD為外接供電電源輸入端(采用寄生電源供電方式時接地)。DS18B20溫度數(shù)據(jù)如表21所示： 表21 DS18B20溫度數(shù)據(jù)表TEMPERATURE DIGITAL OUTPUT（Binary）DIGITAL OUTPUT(Hex)+125℃+85℃+℃+℃+℃0℃℃℃℃55℃0000 0111 1101 00000000 0101 0101 00000000 0001 1001 00010000 0000 1010 00100000 0000 0000 10000000 0000 0000 00001111 1111 1111 10001111 1111 0101 11101111 1110 0110 11111111 1100 1001 000007D0h0550h0191h00A2h0008h0000hFFF8hFF5EhFF6EhFC90H (3) DS18B20溫度傳感器的存儲器 DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的EEPRAM ，后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器TH、TL 和結(jié)構(gòu)寄存器。 (4) 配置寄存器 該字節(jié)各位的意義如表22所示：表22 配置寄存器結(jié)構(gòu)TM R1 R0 1 1 1 1 1 低五位一直都是1，TM是測試模式位，用于設(shè)置DS18B20在工作模式還是在基于單片機的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計11測試模式。在DS18B20出廠時該位被設(shè)置為0，用戶不要去改動。R1和R0用來設(shè)置分辨率，如下表所示（DS18B20出廠時被設(shè)置為12位）：表23 分辨率設(shè)置R1 R0 分辨率 溫度最大轉(zhuǎn)換時間0 0 9位 93075ms0 1 10位 1 0 11位 375ms1 1 12位 750msDSl8B20工作過程中的協(xié)議如下： 初始化：ROM操作命令；存儲器操作命令；處理數(shù)據(jù)。 初始化 單總線上的所有處理均從初始化開始。 ROM操作命令 總線主機檢測到DSl820 的存在，便可以發(fā)出 ROM操作命令之一，這些命令如 ：指令代碼 Read ROM(讀 ROM) [33H] Match ROM(匹配ROM) [55H] Skip ROM(跳過ROM] [CCH] Search ROM(搜索ROM) [F0H] Alarm search(告警搜索) [ECH]存儲器操作命令 指令代碼 Write Scratchpad(寫暫存存儲器) [4EH] Read Scratchpad(讀暫存存儲器) [BEH] Copy Scratchpad(復(fù)制暫存存儲器 ) [48H] Convert Temperature(溫度變換 ) [44H] Recall EPROM(重新調(diào)出) [B8H] Read Power supply(讀電源) [B4H] 時序 基于單片機的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計12主機使用時間隙(time slots)來讀寫DSl820的數(shù)據(jù)位和寫命令字的位 (1) 初始化 時序見圖24 。主機總線T0時刻發(fā)送一復(fù)位脈沖(最短為 480us的低電平信號)，接著在tl時刻釋放總線并進入接收狀態(tài)，DSl8B20 在檢測到總線的上升沿之后，等待1560us，接著DSl8B20 在t2時刻發(fā)出存在脈沖 (低電平持續(xù)60240us)，如圖中虛線所示：圖24 主機讀時序(2) 寫時間隙 當主機總線t0時刻從高拉至低電平時，就產(chǎn)生寫時間隙，見圖 、從t0時刻開始15us之內(nèi)應(yīng)將所需寫的位送到總線上，DSl8B20在t0后1560us間對總線采樣。若低電平，寫入的位是0，見圖25；若高電平，寫入的位是1，見圖26。連續(xù)寫 2位間的間隙應(yīng)大于1us。 圖25 DS18B20寫0 圖26 DS18B20寫1(3) 讀時間隙 見圖27 ，主機總線t0時刻從高拉至低電平時，總線只須保持低電平 t0一t1。之后在t1時刻將總線拉高，產(chǎn)生讀時間隙，讀時間隙在t1時刻后t2時刻前有效。t2距t0為15us,也就是說t2時刻前主機必須完成讀位,并在t0 后的60us 一120 us內(nèi)釋放總線。 基于單片機的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計13 圖27 主機讀時序 濕度傳感器 HS1101 介紹 測量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量及周圍空氣的濕度。電容式、電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據(jù)其高分子材料吸濕后的介電常數(shù)、電阻率和體積隨之發(fā)生變化而進行濕度測量的。下面介紹HS1101濕度傳感器及其應(yīng)用。 HS1101的特點是不需校準的完全互換性，高可靠性和長期穩(wěn)定性，具有快速響應(yīng)時間，可以自動化焊接，包括波峰焊或水浸，專利設(shè)計的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動插件和自動裝配過程等。 圖28 為濕敏電容工作的溫、濕度范圍。圖29為濕度電容響應(yīng)曲線。 圖28 濕敏電阻工作的溫、濕度范圍 圖29 濕度電容響應(yīng)曲線 相對濕度在1%100%RH范圍內(nèi)；電容量由16pF變到200pF ，其誤差不大于177。2%RH；響應(yīng)時間小于5S； pF/℃。可見精度是較高的。 HUMIREL 濕度傳感器 HS1101基于獨特工藝設(shè)計的電容元件，這些相對濕度傳感器可以大批量生產(chǎn)?？梢詰?yīng)用于辦公自動化，車廂內(nèi)空氣質(zhì)量控制，家電，工業(yè)控制系統(tǒng)等。在需要濕度補償?shù)膱龊纤部梢缘玫胶艽蟮膽?yīng)用。 HS1101