【文章內(nèi)容簡介】 統(tǒng)的設計處理核心單片機有多種選擇，在此選擇了具有閃存的，而且運算處理速度很好的 AT89S51 單片機，這種單片機的穩(wěn)定性以及性價比都很高。 而對于溫濕度傳感器的選擇，為了使整個系統(tǒng)更加的簡單和便于調(diào)試，在此選擇了集成的數(shù)字式溫濕度傳感器 DHT11 傳感器。這種傳感器有著一般的數(shù)字溫濕度傳感器的特點，而且其線性度更好。對于顯示電路的設計，基于整個系統(tǒng)的考慮，只需要用到了一般的數(shù)字顯示即可，可以選擇普通的數(shù)碼管就能滿足設計顯示的要求。因此本設計以 AT89S51 單片機為處理核心，簡單的可分為以下幾個模塊溫濕度采集模塊；單片機工作模塊；按鍵控制模塊，狀態(tài)顯示燈模塊，數(shù)據(jù)顯示模塊，報警模塊。系統(tǒng)中主要的器件有核心處理器單片機 AT89S52,集成溫濕度傳感器 DHT11,MAX232芯片，4LED 共陰數(shù)碼管。2 硬件設計 根據(jù)所選的各個元件的型號,確定硬件設計的主體部分。硬件系統(tǒng)以單片機為核心，集成的溫濕度傳感器 DHT11 作為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信號輸入，為了很好的為單片機的程序下載和系統(tǒng)數(shù)據(jù)與外部計算機的通信，還需要設計一個相應的串口電路。整個系統(tǒng)中溫濕度傳感器將采集到的數(shù)據(jù)以串行的方式輸送到單片機進行數(shù)據(jù)處理，單片機通過掃描鍵盤電路以確定顯示模式，可以用掃描電路進行溫度的初值設定，這是作為報警電路的一個基準，當其溫度超過這個設定值時可以驅動報警電路。在實際的應用當中可以將其改為控制電路，通過外界的設備來實施相應的控制，從而使控制對象的溫度能夠保持到適當?shù)姆秶畠?nèi)。 硬件設計思路 圖 21 硬件系統(tǒng)總體設計 對于硬件部分的設計，按照簡單可靠的設計原則，盡量使得系統(tǒng)調(diào)試簡單和軟件編程簡單。本次設計的對象是一個簡單的智能應用系統(tǒng)，即對土壤溫度和濕度的采集和控制，其總的系統(tǒng)構圖如圖 1 示。系統(tǒng)中的電路主要用有：AT89S51 單片機的晶振電路，復位電路，溫濕度傳感器 DHT11 采集電路，串口電路部分，顯示及報警電路。采集電路通過檢測采集到數(shù)值并將已經(jīng)校準的數(shù)字化的溫濕度數(shù)據(jù)輸送到單片機進行處理，單片機通過掃描鍵盤電路選擇顯示的模式：溫度和濕度同時顯示；單獨顯示溫度；單獨顯示濕度；溫度初始值設置。當傳送到單片機的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)進行處理與初始值進行比較，當超過設定值后發(fā)出一個低電平驅動報警電路工作，使蜂鳴器發(fā)聲報警。 AT89S51 單片機的相關電路 單片機芯片簡介AT89S51 是一種低功耗、高性能的 CMOS 八位微控制器，具有 8K 的系統(tǒng)可編程采集部分鍵盤部分顯示部分單片機 報警部分接口部分Flash 存儲器，使用 ATMEL 公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許 ROM 在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使其為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供靈活的解決方案。其主要特性為：●與 MCS51 單片機產(chǎn)品兼容；●8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器；●1000 次擦寫周期；●全靜態(tài)操作：0Hz～33Hz；●三級加密程序存儲器；●32 個可編程 I/O 口線；●三個 16 位定時器/計數(shù)器；●八個中斷源；●全雙工 UART 串行通道；●低功耗空閑和掉電模式；●掉電后中斷可喚醒； ●看門狗定時器；●雙數(shù)據(jù)指針；●掉電標識符。AT89S51 芯片的引腳圖見下圖RST9XTAL118XTAL219Vss20 21 22 23 24 25 26 27 28PSEN 29ALE 30EA 31 32 33 34 35 36 37 38 39Vcc 40圖 22 AT89S51 的引腳圖其中 VCC電源為的接入腳，20 引腳 Vss 為接地腳，和其他的單片機一樣，其供電電壓為 的 DC 供電，其范圍更廣，使系統(tǒng)的穩(wěn)定運行性能更好。其本身具有 4 個并行的 I/O 端口，作為系統(tǒng)與外界進行數(shù)據(jù)交換和電路擴展的端口操作，其各自的功能如下：P0 口：8 位漏極開路的雙向 I/O 口。作為輸出口，每位能驅動 8 個 TTL 邏輯電平。對 P0 端口寫“1”時，引腳用作高阻抗輸入。當訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲器時，P0 口也被作為低 8 位地址/數(shù)據(jù)復用。在這種模式下，P0 具有內(nèi)部上拉電阻。在 Flash 編程時，P0 口也用來接收指令字節(jié)；在程序校驗時，輸出指令字節(jié)。程序校驗時，需要外部上拉電阻。P1 口：具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 輸出緩沖器能驅動 4 個 TTL 邏輯電平。對 P1 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（I IL） 。此外， 和 分別作定時器/計數(shù)器 2 的外部計數(shù)輸入（）和定時器/計數(shù)器 2的觸發(fā)輸入（） ，具體如下表所示。在 Flash 編程和校驗時，P1 口接收低 8位地址字節(jié)。表 21 P1 口引腳的第二功能P2 口：具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅動四個 TTL 邏輯電平。對 P2 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（I IL） 。在方位外部程序存儲器或用 16 位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2 口送出高八位地址。在這種應用中，P2 口使用很強的內(nèi)部上拉發(fā)送 1。在使用 8 位地址訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，P2 口輸出 P2 鎖存器的內(nèi)容。在 Flash 編程和校驗時，P2 口也接收高 8 位地址字節(jié)和一些控制信號。P3 口：P3 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 輸出緩沖器能驅動四個 TTL 邏輯電平。對 P3 端口寫“1”時，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時可以作為輸入口使用。作為輸入使用時，被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因，將輸出電流（I IL） 。引腳號 第二功能 T2（定時器/計數(shù)器 T2 的外部計數(shù)輸入） ，時鐘輸出 T2EX（定時器/計數(shù)器 T2 的捕捉/重載觸發(fā)信號和方向控制） MOSI（在系統(tǒng)編程用） MISO（在系統(tǒng)編程用） SCK（在系統(tǒng)編程用）P3 口亦作為 AT89S52 特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。在 Flash 編程和校驗時，P3 口也接收一些控制信號。表 22 P3 口引腳的第二功能引腳號 第二功能 RXD（串行輸入） TXD（串行輸出） （外部中斷 0）INT （外部中斷 1） T0（定時器 0 外部輸入） T1（定時器 1 外部輸入） （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）WR （外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）DRST：復位輸入。晶振工作時，RST 腳持續(xù) 2 個機器周期高電平將使單片機復位。看門狗計時完成后，RST 腳輸出 96 個晶振周期的高電平。特殊寄存器 AUXR（地址8EH）上的 DISRTO 位可以使此功能無效。DISRTO 默認狀態(tài)下，復位高電平有效。ALE/ ：控制信號（ALE）是訪問外部程序存儲器時，鎖存低 8 位地址的輸出PROG脈沖。在 Flash 編程時，此引腳（ ）也用作編程輸入脈沖。PROG在一般情況下，ALE 以晶振六分之一的固定頻率輸出脈沖，可用來作為外部定時器或時鐘使用。然而，特別強調(diào)，在每次訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時， ALE 脈沖將會跳過。如果需要，通過將地址為 8EH 的 SFR 的第 0 位置“1” ，ALE 操作將無效。這一位置“1” ，ALE 僅在執(zhí)行 MOVX 或 MOVC 指令時有效。否則，ALE 將被微弱拉高。這個 ALE 使能標志位（地址為 8EH 的 SFR 的第 0 位）的設置對微控制器處于外部執(zhí)行模式下無效。：外部程序存儲器選通信號（ ）是外部程序存儲器選通信號。當PSENPSEN89S51 從外部程序存儲器執(zhí)行外部代碼時， 在每個機器周期被激活兩次，而在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時， 將不被激活。PSEN/VPP：訪問外部程序存儲器控制信號。為使能從 0000H 到 FFFFH 的外部程序存A儲器讀取指令， 必須接地。為執(zhí)行內(nèi)部程序指令， 應該接 VCC。A在 Flash 編程期間， 也接收 12 伏 VPP電壓。EXTAL1：振蕩器反相放大器和內(nèi)部時鐘發(fā)生電路的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。 晶振電路與復位電路連接AT89S51 單片機有一個用于構成內(nèi)部振蕩器的反相放大器，XTAL1 和 XTAL2 分別是放大器的輸入、輸出端。石英晶體和陶瓷諧振器都可以用來一起構成自激振蕩器。從外部時鐘源驅動器件的話，XTAL2 可以不接，而從 XTAL1 接入。在本設計系統(tǒng)中采用的是外部振蕩電路連接法，其電路接法如下圖所示：23 晶振電路連接圖與復位電路（石英晶振 C1,C2=30PF177。10PF ） 溫濕度采集電路 溫濕度傳感器簡介在本設計當中參數(shù)采集部分采用了集成度較高的數(shù)字化的溫濕度傳感器 DHT11,在精度允許的范圍內(nèi)省卻了信號放大和模數(shù)轉換的諸多外圍電路，整個系統(tǒng)就顯得更加的簡單，因此可以方便的進行電路的調(diào)試，而且簡單的硬件電路可以使軟件編程變得更加方便。DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數(shù)字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個 NTC 測溫元件，并與一個高性能 8 位單片機相連接。因此該產(chǎn)品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點。每個 DHT11 傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進行校準。校準系數(shù)以程序的形式儲存在 OTP 內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達 20 米以上，使其成為各類應用甚至最為苛刻的應用場合的最佳選則。產(chǎn)品為 4 針單排引腳封裝。連接方便，特殊封裝形式可根據(jù)用戶需求而提供。DHT11 的特點：●相對濕度和溫度測量 ●全部校準，數(shù)字輸出 ●卓越的長期穩(wěn)定性 ●無需額外部件 ●超長的信號傳輸距離 ●超低能耗 ●4引腳安裝 ●完全互換圖24 DHT11的實際封裝表23 DHT11參數(shù)：型號 測量范圍 測濕精度 測溫精度 分辨力 封裝DHT11 2090%RH 050℃ 177。5%RH 1℃ 1 4腳單排直插封裝信息： 表24 DHT11引腳說明：Pin 名稱 注釋1 VDD DC2 DATA 串行數(shù)據(jù)，單總線3 NC 空腳，可懸空4 GND 接地，電源負極DHT11的供電電壓為 3－。傳感器上電后，要等待 1s 以越過不穩(wěn)定狀態(tài)，此期間無需發(fā)送任何指令。電源引腳（VDD，GND）之間可增加一個100nF 的電容，用以去耦濾波。：圖25 溫濕度采集電路這是采集部分的電路，此時的溫濕度傳感器1腳連接到電源，4腳為接地。在數(shù)據(jù)端的2腳需要有個上拉電阻，2腳直接與單片機的I/O口相連作為數(shù)據(jù)的傳送端口。而3腳可以懸空。采集部分是一個很簡單的連接電路，但是作為檢測部分需要將其置于被測的壞境中才能保證其準確性，但是系統(tǒng)的核心部分單片機不可以置于外部的變化環(huán)境當中，會影響到系統(tǒng)的工作性能和工作壽命，因此需要將其與系統(tǒng)核心分開，需要使用比較長的數(shù)據(jù)線將其分離。此時的上拉電阻則需根據(jù)數(shù)據(jù)端線的長度有所不同。在數(shù)據(jù)端的上拉電阻的選擇中建議連接線長度短于20米時用5K上拉電阻,大于20米時根據(jù)實際情況使用合適的上拉電阻。這個簡單的采集電路直接與單片機連接通過單總線的數(shù)據(jù)傳輸，由軟件控制其采集的頻率和數(shù)據(jù)的傳送。高集成的溫濕度傳感器如何順利的向處理中心單片機輸送數(shù)據(jù)，需要根據(jù)其特定的傳送方式對采集部分進行編程。這就需要了解它的工作方式。 溫濕度采集數(shù)據(jù)的傳送DHT11的工作方式和數(shù)據(jù)傳送：DATA 腳用于微處理器與 DHT11之間的通訊和同步,采用單總線數(shù)據(jù)格式,一次通訊時間最大3ms,數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分,具體格式在下面說明,當前小數(shù)部分用于以后擴展,: 一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40bit,高位先出,數(shù)據(jù)格式:8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù) +8bi溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù) +8bit校驗和 校驗和數(shù)據(jù)為為前四個字節(jié)相加。 用戶MCU發(fā)送一次開始信號后,DHT11從低功耗模式轉換到高速模式,等待主機開始信號結束后,DHT11發(fā)送響應信號,送出40bit的數(shù)據(jù),并觸發(fā)一次信號采集,用戶可選擇,DHT接收到開始信號觸發(fā)一次溫濕度采集,如果沒有接收到主機發(fā)送開始信號,。數(shù)據(jù)采集和傳送：單片機發(fā)送起始信號如下圖：圖26 信號起始圖DATA線空閑狀態(tài)為高電平,主機把DATA線拉低等待DHT響應,主機把DATA線拉低必須大于18毫秒,保證DHT能檢測到起始信號。DHT11發(fā)送響應信號如下圖：圖27 響應信號過程圖DHT11接收到主機的開始信號后,等待主機開始信號結束,機發(fā)送開始信號結束后,延時等待2040us后, 讀取DHT的回應信號,主機發(fā)送開始信號后,可以切換到輸入模式,或者輸出高電平均可,DATA線由上拉電阻拉高。DHT11開始發(fā)送數(shù)據(jù)如下圖