【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器的低 8位地址鎖存，使 BUS（ P0）分時用作地址總線低 8 位和數(shù)據(jù)總線。此信號每機器周期出現(xiàn) 2 次，只在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器期間才不輸出 ALE。所以在任何不使用外部數(shù)據(jù)存儲器的系統(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鐘和定時器。 /PSEN：外部程序存儲器選擇信號，并在外部程序存儲器讀取指令時產(chǎn)生，指令內(nèi)容讀到數(shù)據(jù)總線上。 PSEN 在每個機器周期產(chǎn)生 2 次有效，在執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器取指時， PSEN 無效。 RST/VPD：復位輸入信號。在振蕩器工作時，該引腳 2 個機器周期的高電平可實現(xiàn)復位操作。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：訪問外部程序存儲器控制信號輸入端。當為低電平時，單片機都到外部程序存儲器取指。當 EA 為高電平且 PC 值小于 0FFFH 時，CPU 執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器程序。 3） I/O 線 P0（ BUS）：單片機的雙向數(shù)據(jù)總線和低 8 位地址總線。在分時操作時先用作地址總線，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。在程序校驗期間，它用于數(shù)據(jù)輸出。 P1：準雙向 I/O 口。 P2：準雙向 I/O 口。 在訪問外部存儲器時，用作高 8 位地址總線。 P3：準雙向 I/O 口。 P3 的每一根線還有特殊的第二功能，如表（ 1）所示。 蘭州理工大學畢業(yè)設計說明書 8 表（ 1） P3 口的第二功能 引腳 第二功能標記 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 /計數(shù)器 0 外部輸入 T1 定時 /計數(shù)器 1 外部輸入 WR 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 RD 外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 4） 振蕩器和 時鐘電路 XTAL1：內(nèi)部振蕩器外接晶振的一個輸入端。在使用外部振蕩源時，此端必須接地。 XTAL2：內(nèi)部振蕩器外接晶振的另一個輸入端。在使用外部振蕩源時，此端用于輸入外部振蕩信號。 XTAL2 也是內(nèi)部時鐘的發(fā)生器的輸入端。 溫度檢測電路的設計 溫度檢測電路作為輸入通道的主要部分之一，在整個系統(tǒng)中是至關重要的。溫度檢測元件的類型選擇和被控溫度及精度等級有關。 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系。且需經(jīng)過 A/D 轉換后才能送進單片機內(nèi)。數(shù)字式溫度傳感器不需要 A /D 轉換電路，測量精度高，可靠性強，且可直接與單片機相連。光纖傳感器測量精度更高，可是價格更貴，一般在精度要求非常高的情況下才采用，所以本設計選用數(shù)字式溫度傳感器。根據(jù)蔬菜大棚內(nèi)的實際情況，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。 蘭州理工大學畢業(yè)設計說明書 9 溫度傳感器 DS18B20 的介紹 ? 溫度傳感器 DS18B20 主要技術指標有：①測量范圍： 55℃～ +125℃，②測量精度： ℃，③反應時間≤ 500ms。 ? DS18B20 的特性為： （ 1）應用中不需要外部任何元器件即可實現(xiàn)測溫電路。 （ 2）只通過一條數(shù)據(jù)線即可實現(xiàn)通信。 （ 3）每個 DS1820器件上都有獨一無二的序列號，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)部結構及工作原理 數(shù)字溫度傳感器 DS18B20 內(nèi)部結構如下圖 所示： 6 4 位 光 該 R O M和 總 路 線 接口存 儲 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 C R C 發(fā) 生 器供 電 力自 動 檢測G N DV D DV C CD Q4 . 7 K 圖 DS18B20 內(nèi)部結構圖 從圖 中可知， DS18B20 有 64 位光刻 ROM， E2PROM(TH,TL)的溫度報警器，暫存寄存器、 CRC 校驗發(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 置預 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 數(shù) 器計 數(shù) 器= 0比較 圖 DS18B20 的測溫原理 蘭州理工大學畢業(yè)設計說明書 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數(shù)器 1，高溫度系數(shù)的晶振所產(chǎn)生的信號作為計數(shù)器 2 的脈沖輸入。計數(shù)器 1 和溫度寄存器分別被預置每 度計數(shù)值和在 55℃時所對應的一個基數(shù)值。計數(shù)器 1 對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當計數(shù)器減 1 到 0時，溫度寄存器的值將加 1，計數(shù)器 1 有預置值將重新被裝入，計數(shù)器 1重新開始對低溫度系數(shù)晶振產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)。如此循環(huán)，直到計數(shù)器 2 到 0 時，停止溫度寄存器值的累加，此時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 單片機的 I/O 線相連；另一種是用寄生電源供電，此時 VDD、 GND 接地， I/O 接單片機 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。本設計中使用了 4個溫度傳感器 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 口實現(xiàn)溫度采樣。每一個 DS18B20 有唯一的序列號，因此多個 DS18B20 可以掛接在同一條單線總線上。 4 個 DS18B20 溫度傳感器與單片 機的接線圖如圖 所示。 圖 4 個 DS18B20 溫度傳感器與單片機的接線圖 蘭州理工大學畢業(yè)設計說明書 11 ? DS18B20的工作過程為： 復位操作 ： 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）報警搜索。 存儲器操作命令：溫度轉換、讀取溫度、設定上下限溫度值等指令 讀取溫度數(shù)據(jù)：主機讀取溫度數(shù)據(jù)后進行數(shù)據(jù)處理。 連接 DS1820 的總線電纜是有長度限制的。當采用普通信號電纜傳輸長度超過 50m 時，讀取的測溫數(shù)據(jù)將發(fā)生錯誤。當將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距 離可達 150m，當采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時，正常通訊距離進一步加長。 濕度檢測電路的設計 本次設計中的濕度檢測電路主要是對空氣中的濕度進行測量以及對土壤濕度進行測量。溫室內(nèi)要實現(xiàn)溫濕度的精確控制必須進行多點測量，所以在設計時分別采用 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計和濕度檢測電路的設計類似，這里就只介紹空氣相對濕度檢測電路的設計。 濕度傳感器的選擇 常用的濕度傳感器有 HIH360 SHT1 HM1500 等， HIH3605 芯片 的主要特點是線性電壓輸出，抗污染能力強。 HM1500 芯片的主要特點是線性電壓輸出，互換性強，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 轉換器、校準存儲器（ E2PROM）、易失存儲器（ RAM）、狀態(tài)寄存器、循環(huán)冗余校驗碼（ 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很大，溫度也不會特別低，而且 SHT11芯片本身具有放大器， A/D 轉換器，所以可直接與單片機相連，結構簡化了， 因此本設計采用 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 轉換、 I2C 總線接口全蘭州理工大學畢業(yè)設計說明書 12 部集成于一個芯片； （ 2） 可給出全校驗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)傳輸校驗功能； （ 6） 片內(nèi)裝載的校驗系數(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 F 濾波電容。 （ 2） 串行時鐘輸入（ SCK）。 SCK 用于單片機與 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)部結構圖及其測量原理 它的內(nèi)部結構圖如圖 所示 圖 SHT11 內(nèi)部結構圖 蘭州理工大學畢業(yè)設計說明書 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 轉換器進行模 數(shù)轉換、校準和糾錯，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。 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連接，其中， DATA在 SCK時鐘下降沿之后改變狀態(tài) ,并僅在 SCK時鐘上升沿后有效 ,所以單片機可以在SCK高電平時讀取數(shù)據(jù) ,而當其向 SHT11發(fā)送數(shù)據(jù)時則必須保證 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 ,單片機僅在低電平驅動 DATA，在需要輸出高電平的時候 ,單片機將引腳置為高阻態(tài) ,由外部的上拉電阻 (例如 : ) 將信號 拉至高電平，從而實現(xiàn)高電平輸出。 本設計分別采用 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 ,在多點測量應用系統(tǒng)中通常是將多個 SHT11分別獨立地連接到單片機 I/O口上， 單片機通過對每一個 SHT11進行測量操作 ,得到每一點的溫濕度數(shù)據(jù)。但這樣的連接方式存在兩個主要缺點 :（ 1）由于每個 SHT11占用單片機的兩個 I/O口 ,所以單片機有限的 I/O口資源將制約 著所能測量 的最大點數(shù) ；（ 2）由于每個 SHT11的測量所需時間是固定不變的 ,采用單獨操作的逐個測量方式在多點測量系統(tǒng)中必然導致數(shù)據(jù)采集時間過長、控制滯后，從而影響控制系統(tǒng)性能的提高。 在溫室測控應用系統(tǒng)中 ,要求所采集的溫濕度數(shù)據(jù)是反應整個溫室相同時間點的總體情況的 ,所以多個 SHT11必須同時開始測量 ,即單片機必須同時向多個 SHT11發(fā)送測量命令。結合溫室應用的具體要求 ,本文對 8個 SHT11 傳感器和單片機的連接方式采取如下方案 :各 SHT11的 SCK線接到單片機的同一個 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優(yōu)點 :首先 ,n 個傳感器只占用 n+1個 I/O口 ,比前述方式節(jié)省了 n1個 I/O口 ,解決了多點測量系統(tǒng)中單片機 I/O口資源短缺和盡可能增加測量點之間的矛盾問題；其次 ,由于多個 SHT11共用一條時鐘線所以在每次測量中可以同時發(fā)出測量命令 ,多個傳感器同時進行測量 ,只需一次等待時間則完成了整體數(shù)據(jù)的收集 ,大大縮短了數(shù)據(jù)采集時間 ,為控制系統(tǒng)快速響應提供了條件。測土壤濕度的原理和測空氣濕度相同，這里就