【文章內(nèi)容簡介】 采用美國ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51，采集部分則選用的是SHT11，控制部分采用光耦合器連接繼電器控制電磁閥和水泵，顯示部分用了4個7段數(shù)碼管。 硬件選型及介紹 土壤濕度傳感器　 溫濕度的測量在農(nóng)業(yè)大棚管理,倉儲管理、生產(chǎn)制造、氣象觀測、恒溫恒濕的空調(diào)房、科學研究及日常生活中被廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的模擬式濕度傳感器需設(shè)計信號調(diào)理電路并要經(jīng)過復(fù)雜的校準、標定過程,測量精度難以得到保證,且在線性度、重復(fù)性、互換性、一致性等方面往往不盡人意。瑞士Sensirion 公司推出的新一代基于CMOSensTM 技術(shù)的數(shù)字式溫濕度傳感器則很好地解決了溫濕度傳感器存在的上述問題,實現(xiàn)了數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標定、免外圍電路及全互換功能。內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1 ,它有如下優(yōu)點。首先,由具有不同保護的“微型結(jié)構(gòu)”檢測電極系統(tǒng)與聚合物覆蓋層組成了傳感器芯片的電容,這樣除保持了電容式濕敏器件的原有特性外還可抵御來自其它方面的影響。將溫度傳感器與濕度傳感器結(jié)合在一起構(gòu)成了一個單一的個體,這就使得測量精度提高并且可以精確得出露點,而不會產(chǎn)生由于溫度與濕度傳感器之間隨溫度梯度變化而引起的誤差。其次,將傳感器元件、信號放大器、模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換器、OTP 校準數(shù)據(jù)存儲器、I2 C 工業(yè)標準串行總線等電路功能部件全部采用CMOS 技術(shù)與溫濕度傳感器一起放置在一個芯片內(nèi)。由于傳感器與放大器合為一體,不僅使信號強度增加,更重要的是長期穩(wěn)定性也得到增強,這對傳感器系統(tǒng)是極為重要的。同時,模/ 數(shù)轉(zhuǎn)換也在一個芯片內(nèi)同時完成,這可使信號對噪聲不敏感,尤其重要的是,在傳感器芯片數(shù)據(jù)存儲器內(nèi)裝載的針對每一只傳感器的校準數(shù)據(jù)保證了每一只傳感器都有相同的功能,可以實現(xiàn)100 %的互換。此外,該傳感器還有反應(yīng)迅速、高精度、低功耗等優(yōu)點。第三、傳感器的另一個優(yōu)點是具有I2 C 二線串行總線接口,這可使傳感器方便的與任何類型的微處理器、微控制器接口相連,為溫濕度的微機化測試帶來極大的方便,這不僅能減少溫濕度測試系統(tǒng)的開發(fā)時間,還可節(jié)約數(shù)字化接口的軟硬件成本。CMOSensTM 傳感器性能特點SH T11 由于采用了特有的工業(yè)化CMOS 技術(shù),它具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。芯片內(nèi)包括經(jīng)校準的相對濕度和溫度傳感器,它們與一個14 位的A/ D 轉(zhuǎn)換器相連,每一個傳感器都是在精確的溫室中進行校準的,校準系數(shù)預(yù)先存在OTP 內(nèi)存中,在測量校準的全過程都要用到這些系數(shù),二線串行I2 C 總線接口支持簡單、快速的系統(tǒng)集成。SH T11 傳感器的特點如下:①全校準數(shù)字輸出相對濕度、溫度。 ②溫度值分辨率為14 位,濕度值分辨率為12 位,可編程降至12 位和8 位。 ③具有露點計算輸出功能。 ④無需外圍元件。 ⑤小體積(7 mm 5 mm 3 mm) ,可表面貼裝和4 引腳封裝。 ⑥卓越的長期穩(wěn)定性。 ⑦自動休眠功能。 ⑧ 工業(yè)標準I2 C 總線接口。 ⑨ 可靠的CRC 傳輸校驗。SH T11 的相對濕度絕對精度、溫度精度、25 ℃露點精度如圖2 所示,其性能參數(shù)如表1 所示。傳感器信號輸出(1) 濕度值輸出SH T11 可通過I2 C 總線直接輸出數(shù)字量濕度值,其相對濕度輸出特性曲線如圖3 所示。從中可以看出,SHT11 的輸出特性呈一定的非線性,為了補償濕度傳感器的非線性以獲取準確數(shù)據(jù),可按下式修正濕度值:[ RH]linear = c1 + c2 S ORH + c3 S O2RH(1)式中,SORH —傳感器相對濕度測量值。12 位和8 位的系數(shù)取值分別如下:c1 = 4 , c2 = 0. 0405 , c2 = 2. 8 10 6c1 = 4 , c2 = 0. 648 , c2 = 7. 2 10 4(2) 溫度值輸出SH T11 溫度傳感器的線性非常好,可用下列公式將溫度數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換成實際溫度值T :T = d1 + d2 S OT；(2)式中,S OT —傳感器溫度測量值。當電源電壓為5V、溫度傳感器的分辨率為14 位時, d1 = 40 , d2 =0. 01 當溫度傳感器的分辨率為12 位時, d1 = 40 ,d2 = 0. 04 。(3) 露點計算空氣的露點值可根據(jù)相對濕度和溫度值由下面的公式計算。lg[ EW] (0. 66077 + 7. 5 T/ 237. 3 + T) +(lg [RH] 2) (3)DP = [ (0. 66077 lg[ EW] 237. 3) ]/(lg[ EW] 8. 16077) (4)式中,[ EW] —飽和水蒸氣壓強(mmHg) 。(4) 非線性校正及溫度補償式(1) 為相對濕度的非線性補償計算公式,對于單片機系統(tǒng)而言,計算量大而過于復(fù)雜,下面給出簡化的計算方法。①線性　當系統(tǒng)對濕度測量精度要求不高時,可采用以下的線性計算公式。[ RH]simple = c1 + c2 S ORH (5)式中,c1 = 0. 5 ,c2 = 0. 5 。②2 線性　當系統(tǒng)對濕度測量精度要求較高時,可采用以下的2 線性計算公式,即用最小的計算復(fù)雜性來提高精確度。[ RH]real = (a SO + b) / 256 (6)式中,SO 為8 位濕度傳感器輸出濕度值。當0 ≤SO ≤107 時, a = 143 , b = 512 , 當108 ≤SO ≤255 時, a = 143 , b = 512 。(5) 溫度補償　上述濕度計算公式是按環(huán)境溫度為25 ℃進行計算的,而實際的測量溫度值則在一定的范圍內(nèi)變化,所以應(yīng)考慮濕度傳感器的溫度系數(shù),按下式對環(huán)境溫度進行補償。[RH]true = ( T 25) ( t1 + t2 SORH ) + [RH]linear (7)當SORH為12 位時, t1 = 0. 01 , t2 = 0. 00008 。當SORH為8 位時, t1 = 0. 01 , t2 = 0. 00128 。內(nèi)部命令與接口時序SHT11 傳感器共有5 條用戶命令,具體命令格式見表3。下面介紹一下具體的命令順序及命令時序。(1) 傳輸開始:初始化傳輸時,應(yīng)發(fā)出“傳輸開始”命令,具體為SCK是高電平時,DA TA 由高電平變?yōu)榈碗娖?并在下一個SCK為高時將DA TA 升高。接著傳輸開始下一個命令包含三個地址位(目前只支持“000”) 和5 個命令位,通過DA TA 腳的ack 位處于低電位表示SHT11 正確收到命令。(2) 連接復(fù)位順序如果與SHT11 傳感器的通訊中斷,下列信號順序會使串口復(fù)位:當使DA TA 線處于高電平時。觸發(fā)SCK 9 次以上(含9 次) ,并發(fā)一個前述的“傳輸開始”命令。(3) 溫濕度測量時序當發(fā)出了溫(濕) 度測量命令后,控制器就要等到測量完成后才開始動作。使用8/ 12/ 14 位的分辨率測量分別需要大約11/ 55/ 210 ms。為表明測量完成,SHT11 會使DA TA 為低電平,此時控制器必須重新啟動SCK,然后SHT11 傳送兩字節(jié)測量數(shù)據(jù)與1 字節(jié)CRC 校驗和到控制器,控制器必須通過使DA TA 為低來確認每一字節(jié),通訊在確認CRC數(shù)據(jù)位后停止。如果沒有用CRC28 校驗和,則控制器就會在測量數(shù)據(jù)LSB 后,保持ack 為高時停止通訊,SHT11 在測量和通訊完成之后會自動返回睡眠模式。需要注意的是,為使SHT11 溫升高低于0. 1℃,則此時工作頻率不能大于15 %(如:12 位精確度時,每秒最多進行3 次測量) 。測量溫度和測量濕度命令所對應(yīng)的時序如圖4所示。(4) 加熱控制將傳感器芯片中的加熱開關(guān)接通,傳感器溫度大約增加5 ℃,加熱用途如下:其一,通過對啟動加熱器前后的溫、濕度進行比較,可以正確地區(qū)別傳感器的功能。其二,在相對濕度較高的環(huán)境下,傳感器可通過加熱來避免冷凝。(5) 低電壓檢測SH T11 的工作極限功能可以檢測V DD 電壓是否低于2. 45 V ,準確度為177。0. 1 V。(6) 硬件接口:這里給出SHT11 與單片機接口構(gòu)成的溫濕度測量電路,如圖5 。便攜式溫濕度檢測儀應(yīng)用本人采用了STH11 作為溫濕度傳感器,實現(xiàn)了體積小巧可攜帶的溫濕度檢測儀,由L ED 數(shù)碼管顯示,也可以固定在需長期測量的場合。采用數(shù)字通訊的方式,將溫濕度遠傳到集中控制室的計算機中。主要功能有:溫度顯示0 ℃2100 ℃。濕度顯示0 100 %RH 177。3 %RH 。具有RS2485 通訊接口。能與上位機通訊。遠傳距離 1 200 m。溫濕度測量反應(yīng)速度 10 s AT89C51單片機AT89C51單片機是51系列單片機的一個成員，是8051單片機的簡化版。內(nèi)部自帶2K字節(jié)可編程FLASH存儲器的低電壓、高性能COMS八位微處理器，與Intel MCS51系列單片機的指令和輸出管腳相兼容。由于將多功能八位CPU和閃速存儲器結(jié)合在單個芯片中，因此，AT89C2051構(gòu)成的單片機系統(tǒng)是具有結(jié)構(gòu)最簡單、造價最低廉、效率最高的微控制系統(tǒng)，省去了外部的RAM、ROM和接口器件，減少了硬件開銷，節(jié)省了成本，提高了系統(tǒng)的性價比。主要性能參數(shù)：l 與MCS51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容l 4K字節(jié)可重復(fù)擦寫Flash閃速存儲器l 1000次擦寫周期l 全靜態(tài)操作：0Hz24MHzl 三級加密程序存儲器l 128*8字節(jié)內(nèi)部RAMl 32個可編程I/O口線l 2個16位定時/計數(shù)器l 6個中斷源l 可編程串行UART通道l 低功耗空閑和掉電模式 功能特性概述： AT89C51 提供以下標準功能：4k 字節(jié)Flash 閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部 RAM，32 個 I／O 口線，兩個 16位定時／計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時／計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復(fù)位。 引腳功能說明：Vcc：電源電壓 GND：地 P0 口：P0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 I／O 口，也即地址／數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端用。 在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash編程時，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。P1口：P1是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I／O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1” ，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IIL）。 Flash編程和程序校驗期間，P1接收低8位地址。 P2口：P2是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I／O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1” ，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IIL）。在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行MOVX@DPTR指令）時，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行 MOVX@RI 指令）時，P2 口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中R2寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不改變。Flash編程或校驗時，P2亦接收高位地址和其它控制信號。 P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I／O 口。P3 口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個 TTL邏輯門電路。對 P3 口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時，被外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。 P3口除了作為一般的I／O口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表（表1）所示： 表1 P3口的第二功能 端口引腳第二功能（串行輸入口）（串行輸出口）（外部中斷0）(外部中斷1)（定時/計數(shù)器0外部輸入）（定時/計數(shù)器1外部輸入）（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口還接收一些用于Flash閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。 RST：復(fù)位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。 ALE／PROG： 當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE 仍以時鐘振蕩頻率的 l／6 輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對Flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（）如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的 8EH單元的 DO 位置位，可禁止 ALE 操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令A(yù)LE才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置ALE無效。 PSEN：程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當 AT89C51 由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期