【文章內(nèi)容簡介】 SS：電源地線。 2） 控制總線 ALE/PROG：地址鎖存允許信號，在它的下降沿用于外部存儲(chǔ)器的低 8位地址鎖存，使 BUS（ P0）分時(shí)用作地址總線低 8 位和數(shù)據(jù)總線。此信號每機(jī)器周期出現(xiàn) 2 次，只在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器期間才不輸出 ALE。所以在任何不使用外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的系統(tǒng)中， ALE 以 1/6 振蕩頻率的固定速率輸出，因而它能用作外部時(shí)鐘和定時(shí)器。 /PSEN：外部程序存儲(chǔ)器選擇信號，并在外部程序存儲(chǔ)器讀取指令時(shí)產(chǎn)生，指令內(nèi)容讀到數(shù)據(jù)總線上。 PSEN 在每個(gè)機(jī)器周期產(chǎn)生 2 次有效，在執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器取指時(shí)， PSEN 無效。 RST/VPD：復(fù)位輸入信號。在振蕩器工作時(shí)，該引腳 2 個(gè)機(jī)器周期的高電平可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。在掉電情況下（ VCC 降到操作允許限度以下），VPD 將為芯片內(nèi)的 RAM 提供備用電源。 /EA/VDD：訪問外部程序存儲(chǔ)器控制信號輸入端。當(dāng)為低電平時(shí)，單片機(jī)都到外部程序存儲(chǔ)器取指。當(dāng) EA 為高電平且 PC 值小于 0FFFH 時(shí)，CPU 執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器程序。 3） I/O 線 P0（ BUS）：單片機(jī)的雙向數(shù)據(jù)總線和低 8 位地址總線。在分時(shí)操作時(shí)先用作地址總線，在 ALE 信號的下降沿，地址被鎖存，然后作為數(shù)據(jù)總線；也可以作為雙向并行 I/O 口。在程序校驗(yàn)期間，它用于數(shù)據(jù)輸出。 P1：準(zhǔn)雙向 I/O 口。 P2：準(zhǔn)雙向 I/O 口。 在訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，用作高 8 位地址總線。 P3：準(zhǔn)雙向 I/O 口。 P3 的每一根線還有特殊的第二功能，如表（ 1）所示。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 8 表（ 1） P3 口的第二功能 引腳 第二功能標(biāo)記 第二功能 RXD 串行輸入口 TXD 串行輸出口 INT0 外部中斷 0 輸入 INT1 外部中斷 1 輸入 T0 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 0 外部輸入 T1 定時(shí) /計(jì)數(shù)器 1 外部輸入 WR 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通 RD 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通 4） 振蕩器和 時(shí)鐘電路 XTAL1：內(nèi)部振蕩器外接晶振的一個(gè)輸入端。在使用外部振蕩源時(shí)，此端必須接地。 XTAL2：內(nèi)部振蕩器外接晶振的另一個(gè)輸入端。在使用外部振蕩源時(shí)，此端用于輸入外部振蕩信號。 XTAL2 也是內(nèi)部時(shí)鐘的發(fā)生器的輸入端。 溫度檢測電路的設(shè)計(jì) 溫度檢測電路作為輸入通道的主要部分之一，在整個(gè)系統(tǒng)中是至關(guān)重要的。溫度檢測元件的類型選擇和被控溫度及精度等級有關(guān)。 溫度傳感器的選擇 溫度傳感器有模擬溫度傳感器（如熱電阻、熱電偶），數(shù)字式溫度傳感器，光纖傳感器等，模擬溫度傳 感器信號調(diào)節(jié)較為簡單，但是互換性差，溫度與輸出阻值之間呈非線性關(guān)系。且需經(jīng)過 A/D 轉(zhuǎn)換后才能送進(jìn)單片機(jī)內(nèi)。數(shù)字式溫度傳感器不需要 A /D 轉(zhuǎn)換電路，測量精度高，可靠性強(qiáng)，且可直接與單片機(jī)相連。光纖傳感器測量精度更高，可是價(jià)格更貴，一般在精度要求非常高的情況下才采用，所以本設(shè)計(jì)選用數(shù)字式溫度傳感器。根據(jù)蔬菜大棚內(nèi)的實(shí)際情況，其溫度 一般為白天 2535℃，夜間在 715℃ ，而溫度傳感器 DS 18B20 的測量范圍： 55℃～ +125℃，能夠滿足系統(tǒng)要求，查閱資料最終選定 DS 18B20 單線數(shù)字溫度傳感器。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 9 溫度傳感器 DS18B20 的介紹 ? 溫度傳感器 DS18B20 主要技術(shù)指標(biāo)有：①測量范圍： 55℃～ +125℃，②測量精度： ℃，③反應(yīng)時(shí)間≤ 500ms。 ? DS18B20 的特性為： （ 1）應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實(shí)現(xiàn)測溫電路。 （ 2）只通過一條數(shù)據(jù)線即可實(shí)現(xiàn)通信。 （ 3）每個(gè) DS1820器件上都有獨(dú)一無二的序列號，所以一條數(shù)據(jù)線上可以掛接很多該傳感器。 （ 4）內(nèi)部有溫度上、下限告警功能。 ? DS1820 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及工作原理 數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖 所示： 6 4 位 光 該 R O M和 總 路 線 接口存 儲(chǔ) 器 控 制 邏 輯暫 存 寄存 器溫 度 傳 感 器高 溫 觸 發(fā) 器 T H低 溫 觸 發(fā) 器 T L檢 驗(yàn) C R C 發(fā) 生 器供 電 力自 動(dòng) 檢測G N DV D DV C CD Q4 . 7 K 圖 DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 從圖 中可知， DS18B20 有 64 位光刻 ROM， E2PROM(TH,TL)的溫度報(bào)警器，暫存寄存器、 CRC 校驗(yàn)發(fā)生器等。圖中 64 位光刻 ROM 中 64 位序列號可看做是 DS18B20 的地址序列號，其測溫的工作原理如圖 所示。 斜 率 累 加 器預(yù) 置預(yù) 置低 溫 度 系數(shù) 振 蕩 器高 溫 度 系數(shù) 振 蕩 器溫 度 寄 存 器= 0計(jì) 數(shù) 器計(jì) 數(shù) 器= 0比較 圖 DS18B20 的測溫原理 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 10 圖中低溫度系數(shù)晶振用于產(chǎn)生固定頻率的脈沖信號送給計(jì)數(shù)器 1，高溫度系數(shù)的晶振所產(chǎn)生的信號作為計(jì)數(shù)器 2 的脈沖輸入。計(jì)數(shù)器 1 和溫度寄存器分別被預(yù)置每 度計(jì)數(shù)值和在 55℃時(shí)所對應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。計(jì)數(shù)器 1 對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器減 1 到 0時(shí)，溫度寄存器的值將加 1，計(jì)數(shù)器 1 有預(yù)置值將重新被裝入，計(jì)數(shù)器 1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計(jì)數(shù)。如此循環(huán)，直到計(jì)數(shù)器 2 到 0 時(shí)，停止溫度寄存器值的累加，此時(shí)溫度寄存器中的值即為所測的溫度。圖中斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測溫過程中的非線性。 溫度傳感器 DS18B20 的硬件接線圖 在硬件上， DS18B20 與單片機(jī)的連接有兩種方法，一種是 Vcc 接外部電源， GND 接地， I/O 與 單片機(jī)的 I/O 線相連；另一種是用寄生電源供電，此時(shí) VDD、 GND 接地， I/O 接單片機(jī) I/O。無論是內(nèi)部寄生電源還是外部供電， I/O 口線要接 5 K?左右的上拉電阻。 在本系統(tǒng)中， DS18B20 采用外部電源供電方式。本設(shè)計(jì)中使用了 4個(gè)溫度傳感器 DS18B20， 來自其內(nèi)部溫度傳感器的信息通過一線接口被送到 89C51 的 口實(shí)現(xiàn)溫度采樣。每一個(gè) DS18B20 有唯一的序列號，因此多個(gè) DS18B20 可以掛接在同一條單線總線上。 4 個(gè) DS18B20 溫度傳感器與單片 機(jī)的接線圖如圖 所示。 圖 4 個(gè) DS18B20 溫度傳感器與單片機(jī)的接線圖 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 11 ? DS18B20的工作過程為： 復(fù)位操作 ： 執(zhí)行 RO M 操作的 5條指令之一： 1）讀 RO M， 2）匹配 RO M， 3）搜索 ROM， 4）跳過 RO M， 5）報(bào)警搜索。 存儲(chǔ)器操作命令：溫度轉(zhuǎn)換、讀取溫度、設(shè)定上下限溫度值等指令 讀取溫度數(shù)據(jù)：主機(jī)讀取溫度數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 連接 DS1820 的總線電纜是有長度限制的。當(dāng)采用普通信號電纜傳輸長度超過 50m 時(shí)，讀取的測溫?cái)?shù)據(jù)將發(fā)生錯(cuò)誤。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距 離可達(dá) 150m，當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距離進(jìn)一步加長。 濕度檢測電路的設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì)中的濕度檢測電路主要是對空氣中的濕度進(jìn)行測量以及對土壤濕度進(jìn)行測量。溫室內(nèi)要實(shí)現(xiàn)溫濕度的精確控制必須進(jìn)行多點(diǎn)測量，所以在設(shè)計(jì)時(shí)分別采用 4 片濕度傳感器測量空氣相對濕度，用 4片濕度傳感器測量土壤相對濕度。所以土壤水分檢測電路的設(shè)計(jì)和濕度檢測電路的設(shè)計(jì)類似，這里就只介紹空氣相對濕度檢測電路的設(shè)計(jì)。 濕度傳感器的選擇 常用的濕度傳感器有 HIH360 SHT1 HM1500 等， HIH3605 芯片 的主要特點(diǎn)是線性電壓輸出，抗污染能力強(qiáng)。 HM1500 芯片的主要特點(diǎn)是線性電壓輸出，互換性強(qiáng)，不怕水侵，適合低溫測量。 SHT11 是智能化傳感器， 內(nèi)部包含相對濕度傳感器、溫度傳感器、放大器、 14 位 A/D 轉(zhuǎn)換器、校準(zhǔn)存儲(chǔ)器（ E2PROM）、易失存儲(chǔ)器（ RAM）、狀態(tài)寄存器、循環(huán)冗余校驗(yàn)碼（ CRC）寄存器、二線串行接口、控制單元、加熱器及低電壓檢測電路?？紤]到溫室大棚的污染程度不會(huì)很大，溫度也不會(huì)特別低，而且 SHT11芯片本身具有放大器， A/D 轉(zhuǎn)換器，所以可直接與單片機(jī)相連，結(jié)構(gòu)簡化了， 因此本設(shè)計(jì)采用 SHT11 濕度傳感器。 濕度傳感器 SHT11 的介紹 ? SHT11 濕度傳感器的主要特性 （ 1） 將溫濕度傳感器、信號放大調(diào)理、 A/D 轉(zhuǎn)換、 I2C 總線接口全蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 12 部集成于一個(gè)芯片； （ 2） 可給出全校驗(yàn)相對濕度及溫度值輸出； （ 3） 濕度值輸出分辨率為 14 位，溫度值輸出分辨率為 12 位，并可編程為 12 位和 8 位； （ 4） 小體積，可表面貼裝； （ 5） 具有可靠的 CRC 數(shù)據(jù)傳輸校驗(yàn)功能； （ 6） 片內(nèi)裝載的校驗(yàn)系數(shù)可保證 100%互換性； （ 7） 電流消耗低。 ? SHT11 外部引腳說明 它的外部引腳圖如圖 所示 圖 SHT11 引腳圖 引 腳說明： （ 1） 電源引腳。 SHT11 的供電電壓為 ～ 。電源引腳（ VDD、GND）之間可增加一個(gè) F 濾波電容。 （ 2） 串行時(shí)鐘輸入（ SCK）。 SCK 用于單片機(jī)與 SHT11 之間的通信同步。由于接口包含了完全靜態(tài)邏輯，因而不存在最小 SCK 頻率。 （ 3） 串行數(shù)據(jù)（ DATA）。 DATA 三態(tài)門用于數(shù)據(jù)的讀取。 ? SHT11 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及其測量原理 它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 所示 圖 SHT11 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 13 該傳感器的測量原理是，首先利用兩只傳感器分別產(chǎn)生相對濕度或溫度的信號，然后經(jīng)過放大，分別送至 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模 數(shù)轉(zhuǎn)換、校準(zhǔn)和糾錯(cuò)，最后通過二線串行接口將相對濕度或溫度的數(shù)據(jù)送至單片機(jī)。 濕度傳感器 SHT11 的硬件接線圖 SHT11通過兩線串行接口電路與單片機(jī)連接，其中， DATA在 SCK時(shí)鐘下降沿之后改變狀態(tài) ,并僅在 SCK時(shí)鐘上升沿后有效 ,所以單片機(jī)可以在SCK高電平時(shí)讀取數(shù)據(jù) ,而當(dāng)其向 SHT11發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)則必須保證 DATA線上的電平狀態(tài)在 SCK高電平段穩(wěn)定；為了避免信號沖突 ,單片機(jī)僅在低電平驅(qū)動(dòng) DATA，在需要輸出高電平的時(shí)候 ,單片機(jī)將引腳置為高阻態(tài) ,由外部的上拉電阻 (例如 : ) 將信號 拉至高電平，從而實(shí)現(xiàn)高電平輸出。 本設(shè)計(jì)分別采用 4片濕度傳感器 S HT11測量空氣相對濕度，用 4片濕度傳感器 S HT11測量土壤相對濕度。 S HT11是兩線制的數(shù)據(jù)傳輸方式 ,在多點(diǎn)測量應(yīng)用系統(tǒng)中通常是將多個(gè) SHT11分別獨(dú)立地連接到單片機(jī) I/O口上， 單片機(jī)通過對每一個(gè) SHT11進(jìn)行測量操作 ,得到每一點(diǎn)的溫濕度數(shù)據(jù)。但這樣的連接方式存在兩個(gè)主要缺點(diǎn) :（ 1）由于每個(gè) SHT11占用單片機(jī)的兩個(gè) I/O口 ,所以單片機(jī)有限的 I/O口資源將制約 著所能測量 的最大點(diǎn)數(shù) ；（ 2）由于每個(gè) SHT11的測量所需時(shí)間是固定不變的 ,采用單獨(dú)操作的逐個(gè)測量方式在多點(diǎn)測量系統(tǒng)中必然導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集時(shí)間過長、控制滯后，從而影響控制系統(tǒng)性能的提高。 在溫室測控應(yīng)用系統(tǒng)中 ,要求所采集的溫濕度數(shù)據(jù)是反應(yīng)整個(gè)溫室相同時(shí)間點(diǎn)的總體情況的 ,所以多個(gè) SHT11必須同時(shí)開始測量 ,即單片機(jī)必須同時(shí)向多個(gè) SHT11發(fā)送測量命令。結(jié)合溫室應(yīng)用的具體要求 ,本文對 8個(gè) SHT11 傳感器和單片機(jī)的連接方式采取如下方案 :各 SHT11的 SCK線接到單片機(jī)的同一個(gè) I/O口上 ,而 DATA線則分別接到不同 I/O口線上。這種連接方式有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn) :首先 ,n 個(gè)傳感器只占用 n+1個(gè) I/O口 ,比前述方式節(jié)省了 n1個(gè) I/O口 ,解決了多點(diǎn)測量系統(tǒng)中單片機(jī) I/O口資源短缺和盡可能增加測量點(diǎn)之間的矛盾問題；其次 ,由于多個(gè) SHT11共用一條時(shí)鐘線所以在每次測量中可以同時(shí)發(fā)出測量命令 ,多個(gè)傳感器同時(shí)進(jìn)行測量 ,只需一次等待時(shí)間則完成了整體數(shù)據(jù)的收集 ,大大縮短了數(shù)據(jù)采集時(shí)間 ,為控制系統(tǒng)快速響應(yīng)提供了條件。測土壤濕度的原理和測空氣濕度相同，這里就