【正文】 理、顯示、串行通信、輸出控制信號，實現(xiàn)人機對話等多種功能。由數(shù)據(jù)采集及處理、單片機、控制和人機接口等 4 個大的部分組成。該測控系統(tǒng)具有實時采集（檢測溫室大棚內(nèi)的溫濕度）、實時處理（對監(jiān)測到的溫濕度值進行比較分析，決定下一步控制進程）、實時控制（根據(jù)處理的結(jié)果發(fā)出控制指令，指揮被控對象動作）的功能。主要硬件包括溫度傳感器，濕度傳感器， AT89S51 單片機、數(shù)據(jù)采集電路、 LED 顯示器、發(fā)光二極管、蜂鳴器、鍵盤等。其原理結(jié)構(gòu)圖如圖 11 所示 ： 圖 11 原理結(jié)構(gòu)圖 復(fù)位電路 濕 度 傳 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 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(xué)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級為177。（ ℃ +︱ t︱ ） ， B級為177。（ ℃ +︱ t︱ ）。 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。 基于單片機的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 7 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~，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(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，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，適宜于基于單片機的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 8 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；溫度系數(shù)為 pF/℃ 。可見精度是較高的。 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。℃ ，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。 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 21所示： 圖 21 DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 基于單片機的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 9 溫度測量原理電路如圖 22所示： 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： 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 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，以 ℃ /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 0000 0000 0101 0101 0000 0000 0001 1001 0001 0000 0000 1010 0010 0000 0000 0000 1000 0000 0000 0000 0000 1111 1111 1111 1000 1111 1111 0101 1110 1111 1110 0110 1111 1111 1100 1001 0000 07D0h 0550h 0191h 00A2h 0008h 0000h FFF8h FF5Eh FF6Eh FC90H (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)置分基于單片機的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 11 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 93075ms 0 1 10位 1 0 11位 375ms 1 1 12位 750ms DSl8B20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 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 基于單片機的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計 12 (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 、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