【文章內(nèi)容簡介】 制信號 ） [67]； P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如 表 所示： 表 P3 口管腳及功能 卜紀(jì)清 ： 基于單片機的智能溫室大棚溫度控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 8 端 口 管 腳 備選功能 RXD 串行輸入口 TXD 串行輸出口 INT0 外部中斷 0 INT1 外部中斷 1 T0 記時器 0 外部輸入 T1 記時器 1 外部輸入 WR 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通道 RD 外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通道 上述 4 個 I/O 口，各有各的用途，在一般情況下， P0 口專用于分時傳送低 8 位地址信號和 8 位數(shù)據(jù)信號， P2 口專用于傳送高 8 位地址信號， P3 口根據(jù)需要常用于第二功能，真正可供用戶使用的 I/O 口是 P1 口和一部分來用做第二功能的 P3 口端線。 (3)存儲空間配置和功能： AT89C51 單片機的存儲器組織結(jié)構(gòu)可以分為三個不同的存儲空間，分別是： ① 64KB 程序存儲器 (ROM)，包括片內(nèi) ROM 和片外 ROM； ② 64KB 外部數(shù)據(jù)存儲器 (外 RAM)； ③ 256KB(包括特殊功能寄存器 )內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器 (內(nèi) RAM)； (4)三個不同的存儲空間用不同的指令和控制信號實現(xiàn)讀寫功能操作： ① ROM 空間用 MOVC 指令實現(xiàn)只讀功能操作，用 PSEN 信號選通讀外 ROM； ② 外 RAM 空間用 MOVX 指令實現(xiàn)讀寫功能操作，用 RD 信號選通讀外 RAM，用 WR信號選通寫外 RAM； ③ 內(nèi) RAM(包括特殊功能寄存器 )用 MOV 指令實現(xiàn)讀寫和其它功能操作； (5)程序存儲器 (ROM)： ROM 空間共 64KB ,其中 60KB 在片外。地址范圍 為 1000H～ FFFFH，無論片內(nèi)片外， ROM 地址空間是統(tǒng)一 并且 不重疊。對于有內(nèi) ROM 的 AT89C51， EA 應(yīng)接高電平，復(fù)位后先從內(nèi) ROM0000H 開始執(zhí)行程序，當(dāng) PC 值超出內(nèi) ROM4KB 空間時，會自動轉(zhuǎn)向片外 ROM1000H 依次執(zhí)行程序； 讀 ROM 是以程序計數(shù)器 PC 作為 16 位地址指針，依次讀 取 相應(yīng) 的 地址 ROM 中的指令和數(shù)據(jù)，每讀一個字節(jié)， (PC)+1→PC ，這是 CPU 自動形成的。但是有些指令有修改 PC的功能，例如轉(zhuǎn)移類指令和 MOVC 指令， CPU 將按修改后的 PC16 位地址讀 ROM。 讀外 ROM 的過程： CPU 從 PC 中取出當(dāng)前 ROM 的 16 位地址，分別由 P0 口 (低 8 位 )和 P2 口 (高 8 位 )同時輸出， ALE 信號有效時由地址鎖存器鎖存低 8 位地址信號，地址鎖存 卜紀(jì)清 ： 基于單片機的智能溫室大棚溫度控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 9 器輸出的低 8位地址信號和 P2口輸出的高 8位地址信號同時加到外 ROM16位地址輸入端，當(dāng) PSEN 信號有效時，外 ROM 將相應(yīng)地址存儲單元中的內(nèi)容送至數(shù)據(jù)總線 (P0 口 )， CPU讀入后存入指定單元。 需要指出的是， 64KB 中有一小段范圍是單片機系統(tǒng)的專用單元， 0003H～ 0023H 是五個中斷源中斷服務(wù)程序入口地址，用戶不能安排其它內(nèi)容。單片機復(fù)位后， (PC)=0000H，CPU 從地址為 0000H 的 ROM 單元中讀取指令和數(shù)據(jù)。從 0000H 到 0003H 只有 3 個字節(jié)，根本不可能安排一個完整的系統(tǒng)程序，而單片機又是依次讀 ROM 字節(jié)的，因此，這 3 個字節(jié)只能用來安排一條跳轉(zhuǎn)指令，跳轉(zhuǎn)到其它合適的地址范圍執(zhí)行真正的主程序。 (6)外部數(shù)據(jù)存儲器 (外 RAM)： 外部數(shù)據(jù)存儲器共 64KB，讀寫外 RAM 用 MOVX 指令，控制信號是 P3 的 WR 和 RD。 讀寫外 RAM 的過程：外 RAM16 位地址分到由 P0 口 (低 8 位 )和 P2 口 (高 8 位 )同時輸出， ALE 信號有效時由地址鎖存器鎖存低 8 位地址信號，地址鎖存器輸出的低 8 位地址信號和 P2 口 輸出的高 8 位地址信號同時加到外 RAM16 位地址輸入端，當(dāng)信號有效時，外RAM 將相應(yīng)地址單元中的內(nèi)容送至數(shù)據(jù)總線 (P0 口 )， CPU 讀入后存入指定單元。或當(dāng)信號有效時，外 RAM 將數(shù)據(jù)總線 (P0 口分別傳送 )上的內(nèi)容寫入相應(yīng)地址存儲單元中。 外部數(shù)據(jù)存儲器主要用于存放數(shù)據(jù)和運算結(jié)果。一般情況下，只有在內(nèi) RAM 不能滿足應(yīng)用時，才接外 RAM。其最大容量可達(dá) 64K 字節(jié)，外部數(shù)據(jù)存儲器和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器的功能基本相同，但前者不能用于堆棧操作。 必須注意，由于數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器全部 64K 地址重疊，且數(shù)據(jù)存儲器的片內(nèi)外的低字 節(jié)地址重疊。所以，對片內(nèi)、片外數(shù)據(jù)存儲器的操作使用不同的指令。對片內(nèi) RAM讀寫數(shù)據(jù)時，無讀寫信號 (RD， WR)產(chǎn)生；對片外 RAM 讀寫數(shù)據(jù)時，有讀寫信號產(chǎn)生。同樣對程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的操作也是靠不同的控制信號 PSEN、 RD、 WR 來區(qū)分的。 另外，在片外數(shù)據(jù)存儲器中，數(shù)據(jù)區(qū)和擴展的 I/O 口是統(tǒng)一編址的，使用的指令也完全相同。因此，在系統(tǒng)設(shè)計時，必須合理的進行外部 RAM 和 I/O 口的地址分配，并保證譯碼的唯一性 [8]，如表 所示： 表 端 口 管 腳 備選功能 T2 定時器 T2 外部輸 入 WR 外部數(shù)據(jù)存貯器寫選通道 卜紀(jì)清 ： 基于單片機的智能溫室大棚溫度控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 10 RD 外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通道 單片機復(fù)位電路 當(dāng) AT89C51 系列單片機的復(fù)位引腳 RST 出現(xiàn) 2 個機器周期以上的高電平時，單片機就執(zhí)行復(fù)位操作。如果 RST 持續(xù)為高電平，單片機就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。本系統(tǒng)的復(fù)位電路如圖 所示： 圖 單片機復(fù)位電路 時鐘電路 由 2 個 22pF 的電容和一個 12MHz 的晶體振蕩器構(gòu)成。在引腳 XTAL1 和 XTAL2 外接晶體振蕩器，就構(gòu)成了內(nèi)部震蕩方式。由于單片機內(nèi)部有一個高增益反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩器并產(chǎn)生震蕩時鐘脈沖。內(nèi)部震蕩方式的外部電路如圖 所示： 圖 晶振電路 輸入通道 多功能農(nóng)田 溫度自動 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng) 溫度傳感器測溫模塊設(shè)計 溫 濕 度是一種最基本的環(huán)境參數(shù)，日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常要檢測溫度 和 濕度 。傳統(tǒng)的方式是采用熱電偶或熱電阻，但是由于模擬溫度傳感器輸出為模擬信號，必須經(jīng)過 卜紀(jì)清 ： 基于單片機的智能溫室大棚溫度控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 11 A/D 轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)獲得數(shù)字信號后才能與單片機等微處理器接口，使得硬件電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作成本較高。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是現(xiàn)代儀器的發(fā)展，微型化、集成化與數(shù)字化正在 成為傳感器的一個重要發(fā)展方向。 該 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng) 的溫度傳感器的選擇有兩種方案，下面為兩種方案的對比與選擇： 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?，F(xiàn) 在 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(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)。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。銅電阻的溫度系數(shù)比鉑電阻的溫度系數(shù) 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。 方案二：采用 DS18B20，溫度測量范圍從 － 55℃ ～ +125℃ ， － 10～ +85℃ 時測量精度為 177?！?，測量分辨率為 ℃ ，電源電壓范圍從 ～ 5V 。它支持 “一線總線 ”的數(shù)字方式傳輸，可組建傳感器網(wǎng)絡(luò)。而且，無需進行線性校正，使用非常方便，接口簡單，成本低廉。與傳統(tǒng)的熱敏電阻溫度傳感器不同，它能夠直接讀出被測溫度，并且可根據(jù)實際要求通過簡單的編程實現(xiàn) 9～ 12 位的數(shù)字值讀數(shù)方式，可以分別在 和 750ms 內(nèi)將溫度值轉(zhuǎn)化 9 位和 12 位的 數(shù)字量。它具有體積小、接口方便、傳輸距離遠(yuǎn)等特點，內(nèi)含寄生電源，其系統(tǒng)有如下特點： ① 使用電壓為 3V～ 5V，不需要備份電源，可通過信號線供電； ② 送串行數(shù)據(jù)，不需要外部元件； ③ 零功耗等待； ④ 僅適用一條口線； ⑤ 系統(tǒng)的抗干擾性好，適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如環(huán)境控制、設(shè)備過程控制、測溫類消費電子產(chǎn)品等 [910]。 綜合比較方案一與方案二，成本相差不多，方案二具有更高的抗干擾能力和 測量 精度，電路結(jié)構(gòu)簡單， 所以 選擇方案二作為本設(shè)計的溫度傳感器。 美國 DALLAS 半導(dǎo)體 公司生產(chǎn)的 DSl8B20 溫度傳感器為代表的新型單總線數(shù)字式溫度傳感器， 具有耐磨耐碰，體積小，附加功能強大，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測溫和控制領(lǐng)域。 它 相對于傳統(tǒng)溫度傳感器具有精度高、穩(wěn)定性好、電路簡單、控制方便等特點，并且 具有把溫度信號直接轉(zhuǎn)換為串行數(shù)字信號的功能。以其突出優(yōu)點廣泛使用于倉儲管理、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)制造、氣象觀測、科學(xué)研究以及日常生活中。本論文的溫度傳感器亦將采用數(shù)字溫度傳感器 DS18B20。 (1)DS18B20 的結(jié)構(gòu) 卜紀(jì)清 ： 基于單片機的智能溫室大棚溫度控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 12 DS18B20 溫度傳感器的引腳有三個接口：一個接地口， 一個電源電壓接口，一個單數(shù)據(jù)總線和單片機的一個 I/O 口連接。具體結(jié)構(gòu)如圖 所示。 圖 傳感器結(jié)構(gòu)圖 (2)DS18B20 特性 ① 九位溫度讀數(shù)， 測溫范圍 為 － 55～ +125℃ ，最大精度 為 ℃ ； ② 全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出，不需要 A/D 轉(zhuǎn)換， 只通過一條數(shù)據(jù)線即可實現(xiàn)通信， 無需任何外圍硬件 ； ③ 先進的單總線數(shù)據(jù)通信， 每個 DS18B20 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 ； (3)DS18B20 由三個主要數(shù)字器件組成： ① 64bit 閃速 ROM； ② 溫度傳感器； ③ 非易失性溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL。 (4)DS18B20 的測溫原理： DS18B20 測量溫度時使用特有的溫度測量技術(shù)，其測量電路框圖如圖 所示。 卜紀(jì)清 ： 基于單片機的智能溫室大棚溫度控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 13 圖 測量電路 內(nèi)部計數(shù)器對一個受溫度影響的振蕩器的脈沖計數(shù)，低溫時振蕩器的脈沖可以通過門電路，而當(dāng)?shù)竭_(dá)某一設(shè)置高溫時振蕩器的脈沖無法通過門電路。計數(shù)器設(shè)置為 55℃ 時的值，如果計數(shù)器到達(dá) 0 之前，門電路未關(guān)閉，則溫度寄存器的值將增加，這表示當(dāng)前溫度高于55℃ 。同時，計數(shù)器復(fù)位在 當(dāng)前溫度值上，電路對振蕩器的溫度系數(shù)進行補償，計數(shù)器重新開始計數(shù)直到回零。如果門電路仍然未關(guān)閉，則重復(fù)以上過程。 DS18B20 測溫時，計數(shù)門打開， DS18B20 就對低溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的時鐘脈沖后進行計數(shù)，進而完成溫度測量。計數(shù)門的開啟時間由高溫度系數(shù)振蕩器來決定，每次測量前，首先將 55 ℃ 所對應(yīng)的基數(shù)分別置入減法計數(shù)器 1 和溫度寄存器中，減法計數(shù)器 1 和溫度寄存器被預(yù)置在 55 ℃ 所對應(yīng)的一個基數(shù)值。減法計數(shù)器 1 對低溫度系數(shù)晶振而產(chǎn)生的脈沖信號進行減法計數(shù)，當(dāng)減法計數(shù)器 1 的預(yù)置值減到 0 時溫度寄存器的值 將加 1，減法計數(shù)器 1 的預(yù)置值將重新被裝入，減法計數(shù)器 1 重新開始對低溫度系數(shù)晶振所產(chǎn)生的脈沖信號進行計數(shù)，如此循環(huán)直到減法計數(shù)器 2 計數(shù)到 0 時，停止溫度寄存器值的累加，此時溫度寄存器中的數(shù)值即為所測溫度。 斜率累加器用于補償和修正測溫過程中的非線性，其輸出用于修正減法計數(shù)器的預(yù)置值，只要計數(shù)門仍未關(guān)閉就重復(fù)上述過程，直至溫度寄存器值達(dá)到被測溫度值，所測出的溫度通過 I/O 口則傳送到液晶上顯示出當(dāng)前的溫度。當(dāng)溫度發(fā)生變化時，則對應(yīng)的測量溫度同樣也在液晶上顯示出來 [11]。 斜率累加器 計數(shù)器 =0 計數(shù)器 =0 比較 預(yù)置 溫度寄存器 預(yù)置 低溫度系數(shù)振蕩器 高溫度系數(shù)振蕩器 停止 加 1 LSB 設(shè)置清除 卜紀(jì)清 ： 基于單片機的智能溫室大棚溫度控制系統(tǒng)設(shè)計與仿真 14 本設(shè)計用 DS18B20 的外部電源供電方式 在 外部電源供電方式下 ， DS18B20 工作電源由 VDD 引腳接入，此時 I/O 線不需要強上拉，不存在電源電流不足的問題，可以保證轉(zhuǎn)換精度，同時在總線上理論可以掛接任意多個 DS18B20 傳感器，組成多點測溫系統(tǒng)。注意：在外部供電的方式下， DS18B20 的 GND 引腳不能懸空，否則不能轉(zhuǎn)換溫度，讀取的溫度總是 85℃ 。溫度傳感器測得 農(nóng)田 內(nèi)的即時溫度，