【正文】 在 溫室設(shè)備材料、種植技術(shù)及養(yǎng)殖品種方面堪稱世界一流，在設(shè)施灌溉技術(shù)方面居世界領(lǐng)先地位。美國的溫室多為連棟溫室，其高壓霧化降溫、加濕系統(tǒng)及濕簾降溫系統(tǒng)世界領(lǐng)先。日本是世界上果樹設(shè)施栽培面積最大、技術(shù)最先進(jìn)的國家，也是世界上最先采用工業(yè)成套設(shè)備從事魚類養(yǎng)殖的國家之一，其先進(jìn)的溫室配套設(shè)施和綜合環(huán)境調(diào)控技術(shù)居世界先進(jìn)行列，通過計(jì)算機(jī)可將溫度、濕度、二氧化碳濃度、肥料等控制在最適合植物生長發(fā)育的水平上，產(chǎn)后清選、分級、包裝、預(yù)冷等作業(yè)自動(dòng)化或半自動(dòng)化程度較高。國外設(shè)施農(nóng)業(yè)以高投入、高產(chǎn)出、高效益及可持續(xù)發(fā)展為特征，且 以傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)前所未有的高生產(chǎn)率創(chuàng)造高的經(jīng)濟(jì)效益。 目前，發(fā)達(dá)國家研究的總體趨勢是實(shí)現(xiàn)設(shè)施內(nèi)部環(huán)境因素 (如溫度、濕度、光照、二氧化碳濃度等 )的調(diào)控由過去單因素控制向利用環(huán)境計(jì)算機(jī)進(jìn)行多因子動(dòng)態(tài)控制的發(fā)展；溫室環(huán)境控制和作物栽培管理向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，而且溫室產(chǎn)業(yè)向節(jié)約能源、低成本的地區(qū)轉(zhuǎn)移，節(jié)能技術(shù)成為研究的重點(diǎn)。 天津大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 第二章 工作原理及方案設(shè)計(jì) 溫度傳感器 DS18B20 從設(shè)備環(huán)境的不同位置采集溫度，單片機(jī) AT89S51 獲取采集的溫度值，經(jīng)處理后得到當(dāng)前環(huán)境中一個(gè)比較穩(wěn)定的溫度值，再根據(jù)當(dāng) 前設(shè)定的溫度上下限值，通過加熱和降溫對當(dāng)前溫度進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)采集的溫度經(jīng)處理后超過設(shè)定溫度的上限時(shí)，單片機(jī)通過三極管驅(qū)動(dòng)繼電器開啟降溫設(shè)備 (壓縮制冷器 ) ，當(dāng)采集的溫度經(jīng)處理后低于設(shè)定溫度的下時(shí) , 單片機(jī)通過三極管驅(qū)動(dòng)繼電器開啟升溫設(shè)備 (加熱器 ) 。 當(dāng)由于環(huán)境溫度變化太劇烈或由于加熱或降溫設(shè)備出現(xiàn)故障，或者溫度傳感頭出現(xiàn)故障導(dǎo)致在一段時(shí)間內(nèi)不能將環(huán)境溫度調(diào)整到規(guī)定的溫度限內(nèi)的時(shí)候，單片機(jī)通過三極管驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出警笛聲。 系統(tǒng)中將通過串口通訊連接 PC 機(jī) 存儲溫度變化時(shí)的歷史數(shù)據(jù)，以便觀察整個(gè)溫度的控制 過程及監(jiān)控溫度的變化全過程 。如圖 21 工作原理： 圖 21 工作原理 溫度測量部分方案 DS18B20 是 DALLAS 公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，它具有微型化、低功耗、高性能抗干擾能力、強(qiáng)易配處理器等優(yōu)點(diǎn)，特別適合用于構(gòu)成多點(diǎn)溫 AT89S51 8BIT CPU 鍵盤電路 DS18B20 溫度芯片數(shù)據(jù)傳輸 數(shù)據(jù)顯示 繼電器 1 N 壓縮制冷器 繼電器 2 加熱器 MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片 片 超溫報(bào)警 PC 機(jī) 輸入電源 天津大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 度測控系統(tǒng)，可直接 將 溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號（按 9位二進(jìn)制數(shù)字）給單片機(jī)處理，且在同一總線上可以掛接多個(gè)傳感器芯片，它具有三引腳 TO92 小體積封裝形式，溫度測量范圍－ 55～＋ 125℃ ，可編程為 9～ 12位 A/D 轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達(dá) ℃ ，被測溫度用符號擴(kuò)展的 16 位數(shù)字量方式串行輸出，其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，業(yè)可采用寄生電源方式產(chǎn)生，多個(gè) DS18B20 可以并聯(lián)到三根或者兩根線上， CPU 只需一根端口線就能與多個(gè) DS18B20 通信，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量的引線和邏輯電路。從而可以看出 DS18B20可以 非常 方便的被 用于遠(yuǎn)距離多點(diǎn)溫度檢測系統(tǒng) 。 綜上，在本系統(tǒng)中我采用溫度芯片 DS18B20 測量溫度。該芯片的物理化學(xué)性很穩(wěn)定，它能用做工業(yè)測溫元件，且此元件線形較好。在 0— 100 攝氏度時(shí)，最大線形偏差小于 1攝氏度。該芯片直接向單片機(jī)傳輸數(shù)字信號，便于單片機(jī)處理及控制。 圖 31 溫度芯 片 DS18B20 主控制部分方案 AT89S51 是一個(gè)低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 8k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫 1000 次的 Flash 只讀程序存儲器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash存儲單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的 AT89S51 可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性價(jià)比的解決方案。 AT89S51 具有如下特點(diǎn)： 40 個(gè) 引腳， 4k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲器， 128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）， 32個(gè)外部雙向輸入 /輸出（ I/O）口， 5個(gè)中斷優(yōu)先級 2 層中斷嵌套中斷， 2 個(gè) 16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器 ,2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（ WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。 此外， AT89S51 設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為 0Hz 并可通過軟件設(shè)置省電模式。空閑模式下， CPU 暫停工作，而 RAM 定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存 RAM 的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時(shí)該芯片還具有 PDIP、 TQFP 和 PLCC 等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。 由于系統(tǒng)控制方案簡單 ,數(shù)據(jù)量也不大 ,考慮到電路的簡單和成本等因天津大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 素 ,因此在本設(shè)計(jì)中選用 A TMEL 公司的 A T89S51 單片機(jī)作為主控芯片。主控模塊采用單片機(jī)最小系統(tǒng)是由于 A T89S51 芯片內(nèi)含有 4 kB 的 E2PROM ,無需外擴(kuò)存儲器 ,電路簡單可靠 ,其時(shí)鐘頻率為 0～ 24 MHz ,并且價(jià)格低廉 ,批量價(jià)在 10 元以內(nèi)。 其 主要功能特性： 兼容 MCS51 指令系統(tǒng) 4k 可反復(fù)擦寫 (1000 次） ISP Flash ROM 32 個(gè)雙向 I/O 口 工作電壓 2 個(gè) 16 位可編程定時(shí) /計(jì)數(shù)器 時(shí)鐘頻率 033MHz 全雙工 UART 串行中斷口線 128x8 bit 內(nèi)部 RAM 2 個(gè)外部中斷源 低功耗空閑和省電模式 中斷喚醒省電模式 3 級加密位 看門狗（ WDT）電路 軟件設(shè)置空 閑和省電功能 靈活的 ISP 字節(jié)和分頁編程 雙數(shù)據(jù)寄存器指針 可以看出 AT89S51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 4K 字節(jié) Flash 閃速存儲器， 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM， 32 個(gè) I/O 口線，看門狗（ WDT），兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 5 向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘。同時(shí) , AT89S51 可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時(shí) /計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式何在 RAM 中的 內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直接到一個(gè)硬件復(fù)位。 AT89S51 引角功能說明 Vcc：電源電壓 GND：地 P0 口： P0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 I/O 口，也即地址 /數(shù)據(jù)總線復(fù)用口，作為輸出口用時(shí)，每位能驅(qū)動(dòng) 8個(gè) TTL 邏輯門電路，對端口寫“ 1”可作為高阻抗輸入端口。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低 8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在 Flash編程時(shí)， P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。 P1 口： P1 是一個(gè)帶內(nèi) 部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖級可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門電路。對端口寫“ 1” ,通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號校驗(yàn)期間， P1 接收低 8位地址。表 21為 P1口第二功能。 天津大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 表 21 P1 口第二功能 端口引腳 第二功能 MOSI（用于 ISP 編程） MISO（用于 ISP 編程） SCK（用于 ISP 編程） P2 口： P2 是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P2的輸出緩沖 級可驅(qū)動(dòng) 4個(gè) TTL 邏輯門電路。對端口寫“ 1” ,通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號拉低時(shí)會輸出一個(gè)電流 I。在訪問８位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行： MOVX @Ri 指令）時(shí)， P2 口線上的內(nèi)（也即特殊功能寄存器，在整個(gè)訪問期間不改變。 Flash 編程或校驗(yàn)時(shí)， P2 也接收高位地址和其它控制信號。） P3 口： P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口。 P3 口輸出緩沖級可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4個(gè) TTL 邏輯門電路。對 P3 口寫入“ 1”時(shí)，它們 被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端口時(shí)，被外部拉低的 P3口將用上拉電阻輸出電流 I。 P3 口除了作為一般的 I/O 口線外，更重要的用途是它的第二功能， P3口的第二功能如下表 22。 表 22 P3 口的第二功能 端口功能 第二功能 端口引腳 第二功能 RXD（ ） 串行輸入口 T0（ ） 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0 外部輸入 TXD（ ） 串行輸出口 T1（ ） 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1 外部輸入 INT0（ ） 外中斷 0 WR（ ） 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 INT1（ ） 外中斷 1 RD（ ） 外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩工作時(shí)， RST 引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。 WDT 益出將使該引腳輸出高電平，設(shè)置 SFR AUXR 的 DISRTO 位（地址 8EH）可打開或關(guān)閉該功能。 DISRTO 位缺省為 RESET 輸出高電平打開狀態(tài)。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時(shí)， ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器， ALE 仍以時(shí)鐘振蕩頻率的 1/6 輸出的正脈沖信號，因此它可對外輸出時(shí)鐘或用 于定時(shí)目地，要注意的是：第當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)將跳過一個(gè) ALE 脈沖。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（ SFR）區(qū)中的 8EH 單元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。該位禁位后，只有一條 MOVX 和 MOVC 指令 ALE 才會被激活。此外，該引腳伎天津大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置 ALE 無效。 PSEN：程序儲存允許（ PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)AT89S51 由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個(gè)脈沖。當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，高有兩次有效的 PSEN 信號。 EA/VPP：外部訪問允許。欲使 CPU 公訪問外部程序存儲器（地址 0000H－FFFFH）， EA 端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位 LB1 被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會鎖存 EA端狀態(tài)。如 EA端為高電平（接 Vcc 端）， CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。 Flash 存儲器編程時(shí) ,該引腳加上＋ 12V 的編程電壓Vpp。 XTAL1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。 AT89S51 單片機(jī)內(nèi)部構(gòu)造及功能： 特殊功能寄存器：特殊功能寄存器的片內(nèi)空間分存如下圖 32所示。這些地 址并沒有全部占用，沒有占用的地址不可使用，讀這些地址將得到一個(gè)隨意的數(shù)值。而寫這些地址單元將不能得到預(yù)期的結(jié)果。 中斷寄存器：各中斷允許控制位于 IE 寄存器， 5 個(gè)中斷源的中斷優(yōu)先級控制位于 IP 寄存器。圖 22為 AUXR 輔助寄存器。 圖 22 AUXR輔助寄存器 雙時(shí)鐘指針寄存器：為方便地訪問內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)存儲器，提供了兩個(gè)16位數(shù)據(jù)指針寄存儲器： PD0 位于 SFR 區(qū)塊中的地址 82H、 83H 和 DP1 位于地址 84H、 85H，當(dāng) SFR 中的位 DPS=0 時(shí)選擇 DP0,而 DPS=1 時(shí)選擇 DP1。在使用前初始化 DPS。 天津大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 圖 23 雙時(shí)鐘指針寄存器 電源空閑標(biāo)志：電源空閑標(biāo)志（ POF）在特殊功能寄存儲器 SFR 中 PCON 的第 4 位（ ）