【文章內(nèi)容簡介】 的外部結(jié)構(gòu)及符號如圖210所示： 圖210 HS1101的符號及外部結(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14HS1101電容式濕度傳感器，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。如何將電容的變化量準確地轉(zhuǎn)變?yōu)橛嬎銠C易于接受的信號，常有兩種方法：一是將該濕敏電容置于運放與阻容組成的橋式振蕩電路中，所產(chǎn)生的正弦波電壓信號經(jīng)整流、直流放大、再A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；另一種是將該濕敏電容置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之成反比的電壓頻率信號，可直接被計算機所采集。 空氣濕度與電壓頻率的典型值如表24所示：表 24 空氣濕度與電壓頻率的典型值濕度 頻率 濕度 頻率%RH HZ %RH HZ0 7351 60 660010 7224 70 646820 7100 80 633030 6976 90 616840 6853 100 603350 6728本系統(tǒng)采用的是將HS1101接入555定時器組成的震蕩電路中，輸出一定頻率的方波信號，這種方法結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，因此被廣泛采用，具體結(jié)構(gòu)圖如211 下： 基于單片機的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計15圖211 HS1101和NE556 構(gòu)成的濕度采集電路集成定時器NE555一方面可以形成單穩(wěn)態(tài)電路，另一方面可以形成多諧振蕩電路，本系統(tǒng)選用的是NE556，它內(nèi)部含有兩個NE555定時器，其中R1，R2,C1,C2和NE556 構(gòu)成多諧振蕩器，外接電阻R1,R2和濕敏電容C1構(gòu)成了對濕敏電容C1的充電回路，7端通過芯片內(nèi)部的晶體管對地短路又構(gòu)成了對C1的放電回路，并將2，6端相連引入到片內(nèi)比較器。該振蕩電路的兩個暫穩(wěn)態(tài)過程交替如下：首先是電源Ucc 通過R1,R2 向C2充電，經(jīng) T1充電時后，Uc2充至內(nèi)比較器的高觸發(fā)電平，約2/3Ucc ，此時輸入引腳3 端由高電平突降為低電平，然后通過R2 放電，經(jīng)T2放電時間后，Uc2下降到比較器的低觸發(fā)電平，約1/3Ucc，此時輸入引腳3端又由低電平躍升為高電平，如此反復(fù)，形成方波輸出，其中充放電時間為： T1=C1(R1+R2)ln2 (21)T2=C1R2ln2 (22)因而輸出的方波頻率為： f=1/(T1+T2)=1/C1(R1+2R2)ln2=50HZ (23)只要改變定時元件R1和R2就可以改變脈沖的頻率，從多諧振蕩器出來的信號又接入到單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器它有兩個觸發(fā)狀態(tài)，一個穩(wěn)定狀態(tài)，一個暫穩(wěn)定狀態(tài)，在外來觸發(fā)脈沖作用下，能夠由穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)定狀態(tài)，而暫穩(wěn)定狀態(tài)維持一段時間后，再自動的返回到穩(wěn)定狀態(tài)，且暫穩(wěn)定狀態(tài)持續(xù)時間長短取決與電路本身參數(shù)，圖中，R3,C3和傳感器HS1101是外接地定時元件，觸發(fā)脈沖Ui由5端輸出，由8端輸入，下降沿有效，從9端輸出一個幅度，寬度都一定的矩形波信號，輸出的脈沖寬度Tp為： Tp=R3(C2+Cx)ln3 (24)基于單片機的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計16雖然從NE556輸出的是標準的脈沖信號，為了減少外界對信號的干擾，設(shè)計中采用低通濾波器，過濾掉高頻信號的干擾，然后直接用單片機的定時計數(shù)器 T1來測量脈寬 Tp，通過脈寬值，我們可以得到濕度傳感器的電容值，知道了傳感器的電容值，我們就可以分析電容與濕度的關(guān)系，下圖為HS1101的典型輸出曲線，相對濕度在1%99%RH之間，電容量由163pf 變化到202pf，其誤差不大于177。2%RH，響應(yīng)時間小于 5S，℃ 。濕度傳感器HS1101的典型輸出曲線如圖212 所示：圖 212 HS1101的典型輸出曲線根據(jù)HS1101的典型輸出曲線，以及傳感器的相關(guān)資料，我們可以得到電容值與濕度值的近似關(guān)系為：RH≈(Cx163）/ (25)我們可以根據(jù)前面測量出的NE556輸出的脈寬值，求出相應(yīng)的電容值，再根據(jù)上式，我們就可以由相應(yīng)的電容值求出濕度值。 硬件電路設(shè)計 溫度測量電路 溫度測量采用DS18B20，它是單線傳輸器件，不需校正溫宿，接口接的是,具體的溫度測量電路如圖31所示： 基于單片機的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計17 圖 31 溫度測量電路 濕度測量電路 濕度測量用的是HS1101電容式濕度傳感器，他與NE556組成一方波發(fā)生電路，濕度改變對應(yīng)頻率的變化，用單片機采集頻率值進行轉(zhuǎn)化得出濕度值，具體的濕度測量電路如圖32所示：圖32 濕度測量電路3 人機接口電路 鍵盤部分根據(jù)該系統(tǒng)的實際情況，我選用了獨立式鍵盤。獨立式鍵盤是各個按鍵相互獨立地連通兩條輸入數(shù)據(jù)線。這種鍵盤結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是電路簡單，缺點是當鍵的數(shù)量較多時占用的 I/O 線的數(shù)量較多。其電路結(jié)構(gòu)如圖 33 所示：基于單片機的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計18圖 33 鍵盤連接 顯示部分 八位數(shù)碼管采用動態(tài)顯示方式，動態(tài)顯示可節(jié)省端口，方便連接，由于每個數(shù)碼管處于輪流導(dǎo)通狀態(tài)，因此，每次只有一個數(shù)碼管點亮，比靜態(tài)數(shù)碼管可省電。數(shù)碼管顯示電路如圖 34 所示：圖 34 顯示電路 報警電路設(shè)計在微型計算機控制系統(tǒng)中，為了安全生產(chǎn)，對于一些重要的參數(shù)或系統(tǒng)部位，都設(shè)有緊急狀態(tài)報警系統(tǒng)，以便提醒操作人員注意，或采取緊急措施。其方法就是把計算機采集的數(shù)據(jù)或記過計算機進行數(shù)據(jù)處理、數(shù)字濾波，標度變換之后，與該參數(shù)上下限給定值進行比較，如果高于上限值（或低于下限值）則進行報警，否則就作為采樣的正常值，進行顯示和控制。本設(shè)計采用兩個發(fā)光二級管和蜂鳴器作為報警電路。發(fā)光二級管與單片機的兩個 I/O 口連接，當測定的溫度或者濕度超過上下限時，二極管發(fā)光報警。蜂鳴器報警電路的設(shè)計只需購買市售的壓電式蜂鳴器，然后通過 AT89S51 的 1基于單片機的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計19根口線經(jīng)驅(qū)動器驅(qū)動蜂鳴器發(fā)聲。壓電式蜂鳴器需要約 10mA 的驅(qū)動電流，可以使用 TTL 系列集成電路 7406 或 7407 低電平驅(qū)動，也可以用一個晶體三極管驅(qū)動。在圖中，當輸出高電平“1” 時，晶體管導(dǎo)通，壓電蜂鳴器兩端獲得約 +5V電壓而鳴叫；當輸出低電平“0” 時，三極管截止，蜂鳴器停止發(fā)聲。 圖 336 為電路原理圖：圖 35 發(fā)光二級管報警電路圖 36 三極管驅(qū)動的蜂鳴器報警電路 RS485 異步半雙工通信總線 RS485 異步半雙工通信總線是被廣泛使用的數(shù)據(jù)通信總線，往往應(yīng)用在集中控制樞紐與分散控制單元之間。在本系統(tǒng)中，使用 RS485 異步半雙工通信總線，能夠多點測量大棚溫濕度，并與上位機連接，實現(xiàn)遠程控制。485 總線應(yīng)用電路圖如圖 37 所示：圖 37 RS485 總線的應(yīng)用電路圖 在應(yīng)用系統(tǒng)中，主機與分機一般相隔較遠，而分級系統(tǒng)上電或復(fù)位又常常基于單片機的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計20不在同一個時刻完成，如果在此時 DE 端電位為“1”，那么 485 總線的輸出將會處于發(fā)送狀態(tài)，也就是占用了通信總線，這樣其他的分機就無法與主機進行通信。這種情況尤其表現(xiàn)在某個分機出現(xiàn)異常情況下（死機） ，會使整個系統(tǒng)通信崩潰。因此在電路設(shè)計時，應(yīng)保證系統(tǒng)上電復(fù)位時 DE 端電位為“0”。 485 總線輸出電路的設(shè)計要考慮到線路上的各種干擾及線路特性阻抗的匹配。由于工程環(huán)境的原因，現(xiàn)場常有各種形式的干擾，所以 485 總線的傳輸端一定要加有保護措施，在電路設(shè)計中采用穩(wěn)壓管 DD2 組成的吸收回路，有效地抵抗干擾。 考慮到線路的特殊情況（如一條分機的 485 芯片被擊穿短路） ，為防止總線中其他分機的通信受到影響，在輸出端串聯(lián)了兩個 20Ω 的電阻 R3R36，這樣本機的硬件故障就不會使整個總線的通信受到影響。 在應(yīng)用系統(tǒng)工程的現(xiàn)場施工中，由于通信載體是雙絞線，它的特性阻抗為120Ω 左右，所以電路設(shè)計時，在 RS485 網(wǎng)絡(luò)傳輸線的始端和末端應(yīng)加一個120Ω 的電阻（如圖中 R35） ，以減少線路上傳輸信號的反射。 由于 RS485 芯片的特性，接收器的檢測靈敏度為177。200mV，即差分輸入端VAVB≥200mV,輸出邏輯 1；VAVB≤200mV，輸出邏輯 0；而 A、B 端電位差的絕對值小于 200mV 時，輸出為不確定。如果在總線上所有發(fā)送器被禁止時，接收器輸出邏輯 0，這會誤認為通信幀的起始引起工作不正常。解決這個問題的辦法是人為的使 A 端電位高于 B 端電位，這樣 RXD 的電平在 485 總線不發(fā)送期間呈現(xiàn)唯一的高電平，8951 單片機就不會被誤中斷而收到亂字符，通過在485 電路的 A、B 端加接上拉電阻 R3R37，即可很好的解決這個問題。 485 芯片的軟件編程對產(chǎn)品的可靠性也有很大影響。由于 485 總線是異步半雙工的通信總線，在某一個時刻，總線只可能呈現(xiàn)一種狀態(tài)，所以這種方式一般適用于主機對分機的查詢方式通信，總線上必然有一種始終處于主機地位的設(shè)備在巡檢其他分機，所以需要制定一套合理的通信協(xié)議來協(xié)調(diào)總線的分時共用。這里采用的是數(shù)據(jù)包通信方式，通信數(shù)據(jù)是成幀成包發(fā)送的，每包數(shù)據(jù)都有引導(dǎo)碼、長度碼、地址碼、地址碼、命令碼、內(nèi)容、校驗碼等部分組成。其中引導(dǎo)碼是用于同步每一包數(shù)據(jù)的引導(dǎo)頭；長度碼是這一包數(shù)據(jù)的總長度；命令碼是主機對分機的控制命令；地址碼是分機的本機地址號；內(nèi)容是這一包數(shù)據(jù)里的各種信息；校驗碼是這一包數(shù)據(jù)的校驗標志，可以采用奇偶校驗、和基于單片機的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計21校驗等不同方式。 在 485 通信的芯片中，尤其要注意對 485 控制端 DE 的軟件編程。為了可靠地工作，在 485 總線狀態(tài)切換時需要做適當延時，再進行數(shù)據(jù)的收發(fā)，具體做法是在數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)下，先將控制端置“1” ，延時 1ms 左右的時間，再發(fā)送有效的數(shù)據(jù)，一包數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束后再延時 1ms 左右的時間后，將控制端置“0”。這樣的處理會使總線在狀態(tài)切換時，有一個穩(wěn)定的工作過程。4 軟件設(shè)計 主程序流程圖主程序流程圖如圖 41 所示：基于單片機的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計22開始初始化單片機初始化 DS18B20初始化 HS1101初始化 LED讀取溫度數(shù)據(jù)顯示讀取濕度數(shù)據(jù)返回圖41 系統(tǒng)主程序流程圖 按鍵掃描子程序流程圖按鍵掃描子程序如圖 42 所示：基于單片機的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計23KEY0鍵按下KEY1鍵按下設(shè)定溫度值加1設(shè)定溫度值減1正常工作指示燈工作YYYNNN異常指示燈工作蜂鳴器報警檢測到溫度在正常范圍 圖42 按鍵掃描子程序流程圖 溫度程序流程圖溫度報警程序流程圖如圖43所示：基于單片機的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計24開始總線復(fù)位跳過 ROM設(shè)置匹配 ROM發(fā)送 ROM 編號報警開始溫度轉(zhuǎn)換延時 1 秒顯示溫度DS18B20 開始溫度轉(zhuǎn)換是否超限制溫度NY圖43 溫度報警流程圖基于單片機的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計25 濕度程序流程圖濕度測量部分程序流程圖如圖44所示：濕度處理函數(shù)重新設(shè)置定時器，計數(shù)從頭來過，等待 3s后下一次結(jié)果定時器 0、1 初始化讀取定時器計數(shù)值函數(shù)返回定時器設(shè)置 50ms 定時，啟動定時中斷對計數(shù)值求算法得濕度值，保存，以便顯示調(diào)用是否中斷 60次，即 3sYN圖44 濕度測量部分程序流程圖基于單片機的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計26結(jié) 束 語 本設(shè)計以滿足工況需要最大限度的提高工作效率和節(jié)省人力物力為出發(fā)點，使用 AT89S51 單片機對溫室大棚內(nèi)的溫濕度進行數(shù)據(jù)的采集、接收，處理、發(fā)送和控制。單片機采用 C 語言程序，建立模塊化結(jié)構(gòu)，各模塊互相獨立，有較高的可靠性和擴展性?？膳c上位機連機通訊，實行遠程監(jiān)控，大大提高了儲存質(zhì)量也節(jié)省了大量的人力物力。本設(shè)計的有優(yōu)點在于操作人員可根據(jù)不同農(nóng)作物的需求來設(shè)定最佳適宜溫度值，在當前溫度偏離所設(shè)定的適宜溫度177。3℃時，報警裝置發(fā)光二極管和蜂鳴器即會啟動，該系統(tǒng)基本實現(xiàn)了對溫濕度的測量與顯示，操作人員可以根據(jù)顯示指示，來判斷當前溫濕度是否對作物生長有利。 該系統(tǒng)的不足之處在于沒能夠?qū)崿F(xiàn)溫濕度的自動調(diào)節(jié)，可以進一步加入溫濕度自動調(diào)節(jié)電路，在當前溫濕度超出作物所需的最適宜條件時，啟動溫濕度調(diào)節(jié)裝置，就可以真正的實現(xiàn)溫濕度的自動控制。 基于單片機的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計27致 謝基于單片機的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計28參考文獻[1]梁中明. 基于DS18B20與虛擬I~(2)C總線的數(shù)字溫度測量裝置設(shè)計 [J].湖北電子報,2022.[2]—設(shè)計與應(yīng)用[M].北京:國防科技大學(xué)出版社 ,2022. 205207. 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