【正文】 感器處理電路溫度傳感器AT89S51單片機(jī)鍵盤顯示電路報(bào)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(jī)的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)出溫濕度參考值預(yù)先存儲(chǔ)于單片機(jī)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(jī)中，然后 LED 顯示出溫濕度測量值。單片機(jī)將預(yù)設(shè)的參考值與測量值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果做出判斷。當(dāng)溫濕度值超過允許的誤差范圍，系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警，如果有必要，工作人員還可以根據(jù)實(shí)際的情況通過鍵盤來人工修改片內(nèi)存儲(chǔ)的預(yù)設(shè)值。通過對整個(gè)系統(tǒng)的核心單片機(jī)部分的設(shè)計(jì)，達(dá)到優(yōu)化控制溫濕度的目標(biāo)。 傳感器的選型 傳感器是實(shí)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(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的捕捉和轉(zhuǎn)換，一切準(zhǔn)確的測量和控制都將無法實(shí)現(xiàn)。工業(yè)生產(chǎn)過程的自動(dòng)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(yùn)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(jì)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(diǎn)為精度高、測量范圍大、便于遠(yuǎn)距離測量。 鉑的物理、化學(xué)性能極穩(wěn)定，耐氧化能力強(qiáng)，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(biāo)準(zhǔn)。缺點(diǎn)是價(jià)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)7 銅電阻的溫度系數(shù)比鉑電阻大，價(jià)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(jì)的特點(diǎn)，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(fèi)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(jì)更靈活、方便，設(shè)定分辨率及用戶設(shè)定的報(bào)警溫度存儲(chǔ)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(jì)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(xué)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(jìn)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(shí)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(shí)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(gè)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(zhǔn)的完全互換性，高可靠性和長期穩(wěn)定性，基于單片機(jī)的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)8快速響應(yīng)時(shí)間，專利設(shè)計(jì)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(dòng)插件和自動(dòng)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(shí)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(shí)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(jì)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(jì)的濕度傳感器。 2 傳感器及其硬件電路設(shè)計(jì) 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(jì)的特點(diǎn)，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(fèi)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(jì)更靈活、方便，設(shè)定分辨率及用戶設(shè)定的報(bào)警溫度存儲(chǔ)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(jī)的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)數(shù)比較器預(yù)置減法計(jì)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(jì)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(bào)警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器。DS18B20 有三個(gè)引腳，GND 接地；DQ 數(shù)字信號(hào)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(gè)主要的數(shù)據(jù)部件： 基于單片機(jī)的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)10 (1) 光刻 ROM中的64位序列號(hào)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(biāo)號(hào)，接著的48位是該DS18B20自身的序列號(hào)，最后8位是前面56位的循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（CRC=X8+X5+X4+1）。光刻ROM的作用是使每一個(gè) DS18B20都各不相同，這樣就可以實(shí)現(xiàn)一根總線上掛接多個(gè)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(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼讀數(shù)形式提供，℃/LSB形式表達(dá)，其中S 為符號(hào)位。其中DQ為數(shù)字信號(hào)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(shí)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(chǔ)器 DS18B20溫度傳感器的內(nèi)部存儲(chǔ)器包括一個(gè)高速暫存RAM和一個(gè)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(jī)的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)11測試模式。在DS18B20出廠時(shí)該位被設(shè)置為0，用戶不要去改動(dòng)。R1和R0用來設(shè)置分辨率，如下表所示（DS18B20出廠時(shí)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(shí)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(chǔ)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(jī)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(chǔ)器操作命令 指令代碼 Write Scratchpad(寫暫存存儲(chǔ)器) [4EH] Read Scratchpad(讀暫存存儲(chǔ)器) [BEH] Copy Scratchpad(復(fù)制暫存存儲(chǔ)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(shí)序 基于單片機(jī)的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)12主機(jī)使用時(shí)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(shí)序見圖24 。主機(jī)總線T0時(shí)刻發(fā)送一復(fù)位脈沖(最短為 480us的低電平信號(hào))，接著在tl時(shí)刻釋放總線并進(jìn)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(shí)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(jī)讀時(shí)序(2) 寫時(shí)間隙 當(dāng)主機(jī)總線t0時(shí)刻從高拉至低電平時(shí)，就產(chǎn)生寫時(shí)間隙，見圖 、從t0時(shí)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(shí)間隙 見圖27 ，主機(jī)總線t0時(shí)刻從高拉至低電平時(shí)，總線只須保持低電平 t0一t1。之后在t1時(shí)刻將總線拉高，產(chǎn)生讀時(shí)間隙，讀時(shí)間隙在t1時(shí)刻后t2時(shí)刻前有效。t2距t0為15us,也就是說t2時(shí)刻前主機(jī)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(jī)的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)13 圖27 主機(jī)讀時(shí)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(xué)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(jìn)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(diǎn)是不需校準(zhǔn)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(shí)間，可以自動(dòng)化焊接，包括波峰焊或水浸，專利設(shè)計(jì)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(dòng)插件和自動(dòng)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(shí)間小于5S； pF/℃?？梢娋仁禽^高的。 HUMIREL 濕度傳感器 HS1101基于獨(dú)特工藝設(shè)計(jì)的電容元件，這些相對濕度傳感器可以大批量生產(chǎn)。可以應(yīng)用于辦公自動(dòng)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(bǔ)償?shù)膱龊纤部梢缘玫胶艽蟮膽?yīng)用。 HS1101