【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 如圖210所示： 圖210 HS1101的符號(hào)及外部結(jié)構(gòu)HS1101電容式濕度傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個(gè)電容器件，其電容量隨著所測(cè)空氣濕度的增大而增大。如何將電容的變化量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)易于接受的信號(hào)，常有兩種方法：一是將該濕敏電容置于運(yùn)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(hào)經(jīng)整流、直流放大、再A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；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(hào)，可直接被計(jì)算機(jī)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(shí)器組成的震蕩電路中，輸出一定頻率的方波信號(hào)，這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，因此被廣泛采用，具體結(jié)構(gòu)圖如211 下： 圖211 HS1101和NE556 構(gòu)成的濕度采集電路集成定時(shí)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(gè)NE555定時(shí)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(duì)濕敏電容C1的充電回路，7端通過(guò)芯片內(nèi)部的晶體管對(duì)地短路又構(gòu)成了對(duì)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(gè)暫穩(wěn)態(tài)過(guò)程交替如下：首先是電源Ucc 通過(guò)R1,R2 向C2充電，經(jīng) T1充電時(shí)后，Uc2充至內(nèi)比較器的高觸發(fā)電平，約2/3Ucc ，此時(shí)輸入引腳3 端由高電平突降為低電平，然后通過(guò)R2 放電，經(jīng)T2放電時(shí)間后，Uc2下降到比較器的低觸發(fā)電平，約1/3Ucc，此時(shí)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(shí)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(shí)元件R1和R2就可以改變脈沖的頻率，從多諧振蕩器出來(lái)的信號(hào)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(gè)觸發(fā)狀態(tài)，一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，一個(gè)暫穩(wěn)定狀態(tài)，在外來(lái)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(shí)間后，再自動(dòng)的返回到穩(wěn)定狀態(tài)，且暫穩(wěn)定狀態(tài)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)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(shí)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(gè)幅度，寬度都一定的矩形波信號(hào)，輸出的脈沖寬度Tp為： Tp=R3(C2+Cx)ln3 (24)雖然從NE556輸出的是標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號(hào)，為了減少外界對(duì)信號(hào)的干擾，設(shè)計(jì)中采用低通濾波器，過(guò)濾掉高頻信號(hào)的干擾，然后直接用單片機(jī)的定時(shí)計(jì)數(shù)器 T1來(lái)測(cè)量脈寬 Tp，通過(guò)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(duì)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(shí)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(cè)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(jì) 溫度測(cè)量電路 溫度測(cè)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(cè)量電路如圖31所示： 圖 31 溫度測(cè)量電路 濕度測(cè)量電路 濕度測(cè)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(duì)應(yīng)頻率的變化，用單片機(jī)采集頻率值進(jìn)行轉(zhuǎn)化得出濕度值，具體的濕度測(cè)量電路如圖32所示：圖32 濕度測(cè)量電路3 人機(jī)接口電路 鍵盤部分根據(jù)該系統(tǒng)的實(shí)際情況，我選用了獨(dú)立式鍵盤。獨(dú)立式鍵盤是各個(gè)按鍵相互獨(dú)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(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是當(dāng)鍵的數(shù)量較多時(shí)占用的 I/O 線的數(shù)量較多。其電路結(jié)構(gòu)如圖 33 所示：圖 33 鍵盤連接 顯示部分 八位數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)顯示方式，動(dòng)態(tài)顯示可節(jié)省端口，方便連接，由于每個(gè)數(shù)碼管處于輪流導(dǎo)通狀態(tài)，因此，每次只有一個(gè)數(shù)碼管點(diǎn)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(bào)警電路設(shè)計(jì)在微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，為了安全生產(chǎn)，對(duì)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(bào)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(jì)算機(jī)采集的數(shù)據(jù)或記過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、數(shù)字濾波，標(biāo)度變換之后，與該參數(shù)上下限給定值進(jìn)行比較，如果高于上限值（或低于下限值）則進(jìn)行報(bào)警，否則就作為采樣的正常值，進(jìn)行顯示和控制。本設(shè)計(jì)采用兩個(gè)發(fā)光二級(jí)管和蜂鳴器作為報(bào)警電路。發(fā)光二級(jí)管與單片機(jī)的兩個(gè) I/O 口連接，當(dāng)測(cè)定的溫度或者濕度超過(guò)上下限時(shí)，二極管發(fā)光報(bào)警。蜂鳴器報(bào)警電路的設(shè)計(jì)只需購(gòu)買市售的壓電式蜂鳴器，然后通過(guò) AT89S51 的 1根口線經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲。壓電式蜂鳴器需要約 10mA 的驅(qū)動(dòng)電流，可以使用 TTL 系列集成電路 7406 或 7407 低電平驅(qū)動(dòng)，也可以用一個(gè)晶體三極管驅(qū)動(dòng)。在圖中，當(dāng)輸出高電平“1” 時(shí)，晶體管導(dǎo)通，壓電蜂鳴器兩端獲得約 +5V電壓而鳴叫；當(dāng)輸出低電平“0” 時(shí)，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(jí)管報(bào)警電路圖 36 三極管驅(qū)動(dòng)的蜂鳴器報(bào)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(diǎn)測(cè)量大棚溫濕度，并與上位機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(jī)與分機(jī)一般相隔較遠(yuǎn)，而分級(jí)系統(tǒng)上電或復(fù)位又常常不在同一個(gè)時(shí)刻完成，如果在此時(shí) DE 端電位為“1”，那么 485 總線的輸出將會(huì)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(jī)就無(wú)法與主機(jī)進(jìn)行通信。這種情況尤其表現(xiàn)在某個(gè)分機(jī)出現(xiàn)異常情況下（死機(jī)） ，會(huì)使整個(gè)系統(tǒng)通信崩潰。因此在電路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證系統(tǒng)上電復(fù)位時(shí) DE 端電位為“0”。 485 總線輸出電路的設(shè)計(jì)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(chǎng)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(hù)措施，在電路設(shè)計(jì)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(jī)的 485 芯片被擊穿短路） ，為防止總線中其他分機(jī)的通信受到影響，在輸出端串聯(lián)了兩個(gè) 20Ω 的電阻 R3R36，這樣本機(jī)的硬件故障就不會(huì)使整個(gè)總線的通信受到影響。 在應(yīng)用系統(tǒng)工程的現(xiàn)場(chǎng)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(jì)時(shí)，在 RS485 網(wǎng)絡(luò)傳輸線的始端和末端應(yīng)加一個(gè)120Ω 的電阻（如圖中 R35） ，以減少線路上傳輸信號(hào)的反射。 由于 RS485 芯片的特性，接收器的檢測(cè)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(duì)值小于 200mV 時(shí)，輸出為不確定。如果在總線上所有發(fā)送器被禁止時(shí)，接收器輸出邏輯 0，這會(huì)誤認(rèn)為通信幀的起始引起工作不正常。解決這個(gè)問(wèn)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(jī)就不會(huì)被誤中斷而收到亂字符，通過(guò)在485 電路的 A、B 端加接上拉電阻 R3R37，即可很好的解決這個(gè)問(wèn)題。 485 芯片的軟件編程對(duì)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(gè)時(shí)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(jī)對(duì)分機(jī)的查詢方式通信，總線上必然有一種始終處于主機(jī)地位的設(shè)備在巡檢其他分機(jī)，所以需要制定一套合理的通信協(xié)議來(lái)協(xié)調(diào)總線的分時(shí)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(zhǎng)度碼、地址碼、地址碼、命令碼、內(nèi)容、校驗(yàn)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(zhǎng)度碼是這一包數(shù)據(jù)的總長(zhǎng)度；命令碼是主機(jī)對(duì)分機(jī)的控制命令；地址碼是分機(jī)的本機(jī)地址號(hào)；內(nèi)容是這一包數(shù)據(jù)里的各種信息；校驗(yàn)碼是這一包數(shù)據(jù)的校驗(yàn)標(biāo)志，可以采用奇偶校驗(yàn)、和校驗(yàn)等不同方式。 在 485 通信的芯片中，尤其要注意對(duì) 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(shí)需要做適當(dāng)延時(shí)，再進(jìn)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(shí) 1ms 左右的時(shí)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(shí) 1ms 左右的時(shí)間后，將控制端置“0”。這樣的處理會(huì)使總線在狀態(tài)切換時(shí)，有一個(gè)穩(wěn)定的工作過(guò)程。4 軟件設(shè)計(jì) 主程序流程圖主程序流程圖如圖 41 所示：開(kāi)始初始化單片機(jī)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：KEY0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(bào)警檢測(cè)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(bào)警程序流程圖如圖43所示：開(kāi)始總線復(fù)位跳過(guò) ROM設(shè)置匹配 ROM發(fā)送 ROM 編號(hào)報(bào)警開(kāi)始溫度轉(zhuǎn)換延時(shí) 1 秒顯示溫度DS18B20 開(kāi)始溫度轉(zhuǎn)換是否超限制溫度NY圖43 溫度報(bào)警流程圖 濕度程序流程圖濕度測(cè)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(shí)器，計(jì)數(shù)從頭來(lái)過(guò)，等待 3s 后下一次結(jié)果定時(shí)器 0、1 初始化讀取定時(shí)器計(jì)數(shù)值函數(shù)返回定時(shí)器設(shè)置 50ms 定時(shí)，啟動(dòng)定時(shí)中斷對(duì)計(jì)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(cè)量部分程序流程圖結(jié) 束 語(yǔ) 本設(shè)計(jì)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(diǎn)，使用 AT89S51 單片機(jī)對(duì)溫室大棚內(nèi)的溫濕度進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、接收，處理、發(fā)送和控制。單片機(jī)采用 C 語(yǔ)言程序，建立模塊化結(jié)構(gòu)，各模塊互相獨(dú)立，有較高的可靠性和擴(kuò)展性?？膳c上位機(jī)連機(jī)通訊，實(shí)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，大大提高了儲(chǔ)存質(zhì)量也節(jié)省了大量的人力物力。本設(shè)計(jì)的有優(yōu)點(diǎn)在于操作人員可根據(jù)不同農(nóng)作物的需求來(lái)設(shè)定最佳適宜溫度值，在當(dāng)前溫度偏離所設(shè)定的適宜溫度177。3℃時(shí)，報(bào)警裝置發(fā)光二極管和蜂鳴器即會(huì)啟動(dòng)，該系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫濕度的測(cè)量與顯示，操作人員可以根據(jù)顯示指示，來(lái)判斷當(dāng)前溫濕度是否對(duì)作物生長(zhǎng)有利。 該系統(tǒng)的不足之處在于沒(méi)能夠?qū)崿F(xiàn)溫濕度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，可以進(jìn)一步加入溫濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)電路，在當(dāng)前溫濕度超出作物所需的最適宜條件時(shí)，啟動(dòng)溫濕度調(diào)節(jié)裝置，就可以真正的實(shí)現(xiàn)溫濕度的自動(dòng)控制。 致 謝參考文獻(xiàn)[1]梁中明. 基于DS18B20與虛擬I~(2)C總線的數(shù)字溫度測(cè)量裝置設(shè)計(jì) [J].湖北電子報(bào),2022.[2]—設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:國(guó)防科技大學(xué)出版社 ,2022. 205207. 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