【文章內(nèi)容簡介】 地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入了全新的概念。 DS18B20“一線總線 ”數(shù)字化溫度傳感器支持 “一線總線 ”接口，測量溫度范圍為一 55℃ ～ +25℃ ，在 —10℃ ～ +85℃ 范圍內(nèi)，精度為 177?！??，F(xiàn)場溫度直接以 “一線總線 ”的數(shù)字方式傳 輸，用符號擴展的 16 位數(shù)字量方式串行輸出，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。 DS18BZO 采用 3 腳 PR35 封裝或 8 腳 SOIC 封裝。其管腳排列如圖 2 一 2 所示： 圖 22 DS18B20 的管腳排列 第二章 溫室大棚測控方案設(shè)計 7 DS18B20 有 4 個主要的數(shù)據(jù)部件 ： （ 1）光刻 ROM 中的 64 位序列號是出廠前被光刻好的，它可以看作是該DS18B20 的地址序列碼。 64 位光刻 ROM 的排列是：開始 8 位 （ 28H）是產(chǎn)品類型標號，接著的 48 位是該 DS18B20 自身的序列號，最后 8 位是前面 56 位的循環(huán)冗余校驗碼（ CRC=X8+X5+X4+1）。光刻 ROM 的作用 是使每一個 DS18B20 都各不相同，這樣就可以實現(xiàn)一根總線上掛接多個 DS18B20 的目的。 （ 2） DS18B20中的溫度傳感器可完成對溫度的測量，以 12 位轉(zhuǎn)化為例：用 16 位符號擴展的二進制補碼讀數(shù)形式提供，以 ℃ /LSB 形式表達，其中 S 為符號位。 bit7 bit6 bit5 bit4 bit3 bit2 bit1 bit0 LS Byte 23 22 21 20 21 22 23 24 bit15 bit14 bit13 bit12 bit11 bit10 bit9 bit8 MS Byte S S S S S 26 25 24 表 1 DS18B20 溫度值格式 這是 12 位轉(zhuǎn)化后得到的 12 位數(shù)據(jù)，存儲在 18B20 的兩個 8 比特的 RAM 中，二進制中的前面 5 位是符號位，如果測得的溫度大于 0， 這 5 位為 0，只要將測到的數(shù)值乘于 即可得到實際溫度；如果溫度小于 0，這 5 位為 1，測到的數(shù)值需要取反加 1再乘于 溫度。 例如 +125℃ 的數(shù)字輸出為 07D0H，+℃ 的數(shù)字輸出為 0191H， ℃ 的數(shù)字輸出為 FE6FH， 55℃ 的數(shù)字輸出為 FC90H 。 （ 3） DS18B20 溫度傳感器的存儲器 DS18B20 溫度傳感器的內(nèi)部存儲器包括一個高速暫存 RAM 和一個非易失性的可電擦除的 EEPRAM,后者存放高溫度和低溫度觸發(fā)器 TH、 TL 和結(jié)構(gòu)寄存器。 （ 4）配置寄存器 該字節(jié)各位的意義如下： TM R1 R0 1 1 1 1 1 第二章 溫室大棚測控方案設(shè)計 8 表 2 配置寄存器結(jié)構(gòu) 低五位一直都是 1， TM 是測試模式位，用于設(shè)置 DS18B20 在工作模式還是在測試模式。在 DS18B20 出廠時該位被設(shè)置為 0，用戶不要去改動。 R1 和 R0 用來設(shè)置分辨率 。 DSl8B20工作過程中的協(xié)議如下： 初始化： ROM 操作命令；存儲器操作命令；處理數(shù)據(jù)。 初始化 : 單總線上的所有處理均從初始化開始。 ROM 操作命令 : 總線主機檢測到 DSl820 的存在，便可以發(fā)出 ROM 操作命令之一，這些命令如 指令 代碼 Read ROM(讀 ROM) [33H] Match ROM(匹配 ROM) [55H] Skip ROM(跳過 ROM] [CCH] Search ROM(搜索 ROM) [F0H] Alarm search(告警搜索 ) [ECH] 存儲器操作命令 : 指令 代碼 Write Scratchpad(寫暫存存儲器 ) [4EH] Read Scratchpad(讀暫存存儲器 ) [BEH] Copy Scratchpad(復(fù)制暫存存儲器 ) [48H] Convert Temperature(溫度變換 ) [44H] 第二章 溫室大棚測控方案設(shè)計 9 Recall EPROM(重新調(diào)出 ) [B8H] Read Power supply(讀電源 ) [B4H] 溫度測控電路圖 圖 23 溫控電路圖 該溫度測控系統(tǒng)的電路十分簡單， DS18B20 為三端口元件， VCC 為接電源端口， GND 為接地端， DQ 為信號輸出端，當(dāng) DS18B20 處于寫存儲器操作和溫度 A/D變換操作時，總線上必須有強 的上拉，所以接入 上拉電阻，上拉開啟時間最大為 10us。其工作原理就是進行計算機編程和單片機編程，使智能溫度傳感器 DS18B20 正常工作，去檢測大棚內(nèi)實際的溫度，并由數(shù)字顯示電路顯示出當(dāng)時的溫度值。如果采集的溫度值高于上限報警溫度，系統(tǒng)將發(fā)出報警，并同時起動制冷設(shè)備，把溫度降下來，當(dāng)溫度降到一定的程 .度，即低于上限復(fù)位值時，立即關(guān)閉制冷設(shè)備，使制冷設(shè)備停止工作。當(dāng)采集的溫度值低于下限報警溫度值時，系統(tǒng)又發(fā)出報警，并同時起動制熱 設(shè)備 ，使大棚內(nèi)的溫度上升，當(dāng)溫度上升到一定的程度，即高于下限復(fù)位值時， 立即關(guān)閉制熱設(shè)備，使制熱設(shè)備停止工作，從而使溫室大棚的溫度值維持在一定的范圍內(nèi)。 第二章 溫室大棚測控方案設(shè)計 10 濕 度的測量和控制 濕度傳感器的選擇 測量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學(xué)性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量及周圍空氣的濕度。電容式、電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據(jù)其高分子材料吸濕后的介電常數(shù)、電阻率和體積隨之發(fā)生變化而進行濕度測量的。 方案一：采用 HOS201 濕敏傳感器。 HOS201 濕敏傳感器為高濕度開關(guān)傳感器，它的工作電壓為交流 1V 以下，頻率為 50HZ～ 1KHZ，測量濕度范圍為 0～100%RH，工作溫度范圍為 0～ 50℃ ，阻抗在 75%RH（ 25℃ ）時為 1MΩ。這種傳感器原是用于開關(guān)的傳感器，不能在寬頻帶范圍內(nèi)檢測濕度，因此，主要用于判斷規(guī)定值以上或以下的濕度電平。然而，這種傳感器只限于一定范圍內(nèi)使用時具有良好的線性，可有效地利用其線性特性。 方案二：采用 HS1100/HS1101 濕度傳感器。 HS1100/HS1101 電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。不需校準的完全互換性，高可靠性和長期穩(wěn)定性，快速響應(yīng)時 間，專利設(shè)計的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，由頂端接觸（ HS1100）和側(cè)面接觸（ HS1101）兩種封裝產(chǎn)品，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種電路，適宜于制造流水線上的自動插件和自動裝配過程等。相對濕度在 1%～ 100%RH 范圍內(nèi)；電容量由 16pF 變到 200pF，其誤差不大于177。2%RH；響應(yīng)時間小于 5S；溫度系數(shù)為 pF/℃ 。可見精度是較高的。 方案三：采用數(shù)字濕度傳感器（如 DHT11 等）。數(shù)字濕度傳感器將傳感器、信號放大調(diào)理、 A/D 轉(zhuǎn)換、 I2C 總線接口全部集成于一個芯片中。應(yīng)用該方案不需外接 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，可以大 大簡化硬件電路，并能提高電路的可靠性。 綜合比較，方案一雖然滿足精度及測量濕度范圍的要求，但其只限于一定范圍內(nèi)使用時才具有良好的線性，而且還不具備在本設(shè)計系統(tǒng)中對溫度 30～ 50℃ 的要求；方案二，不是數(shù)字式傳感器，與單片機的接口需要外接 A/D 轉(zhuǎn)換器件或 CF 轉(zhuǎn)第二章 溫室大棚測控方案設(shè)計 11 換器件，但是性價比高，而且性能穩(wěn)定。本系統(tǒng)中，我們選擇方案二作為本設(shè)計的濕度傳感器。 HS1101 濕度傳感器介紹 本系統(tǒng)選用 HS1101 濕度傳感器來測量濕度， HS1101 是法國 Humirel 公司推出的一款電容式相對濕度傳感器，該傳感器廣泛 應(yīng)用于辦公室、家庭、汽車駕駛室和工業(yè)控制系統(tǒng)等，對空氣濕度進行監(jiān)測。與其它濕度傳感器相比，它有著顯著的優(yōu)點： ① 無須校驗的完全互換性 ② 長期飽和狀態(tài)，瞬間脫濕 ③ 適應(yīng)自動裝配過程，包括波峰、焊接、回流焊等 ④ 具有高可靠性和長期穩(wěn)定性 ⑤ 特有的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu) ⑥ 響應(yīng)時間快 ⑦ 適用于現(xiàn)行電壓輸出和線形頻率輸出兩種電路 HS1101 濕度傳感器在電路構(gòu)成上等效于一個電容器件，采用側(cè)面開放式封裝，只有兩個引腳，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大，但不允許直流方式供電，HS1101 濕度傳感器外形如圖 24 示。 圖 24 HS1101 濕度傳感器 將 HS1101 的電容量的變化量準確地轉(zhuǎn)變?yōu)閱纹瑱C易接受的信號的方法，常用第二章 溫室大棚測控方案設(shè)計 12 有兩種：一種是將 HS1101 置于運放與電容組成的橋式振蕩電路中，所產(chǎn)生的正弦波電壓信號經(jīng)整流、直流放大，再由 A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，供單片機處理；另一種是將 HS1101 置于 555 振蕩電路中，將電容值的變化轉(zhuǎn)為與之呈反比的電壓頻率信號，共單片機直接采集和處理。 濕度傳感器測量電路 HS1100/HS1101 電容傳感器，在電路構(gòu)成中等效于一個電容器件，其容量隨著所測空氣濕 度的增大而增大。如何將電容的變化量準確地轉(zhuǎn)為計算機易于接受的信號，常有兩種方法：一是將該濕敏電容置于運放與阻容組成的橋式振蕩電路中，產(chǎn)生的正弦波電壓信號經(jīng)整流、直流放大、再 A/D 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；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，可直接被計算機所采集。 頻率輸出的 555 測量振蕩電路如圖 25 成定時器 555 芯片外接電阻 R R3 與濕敏電容 C(HS1101)，構(gòu)成了對 C 的充電回路。 7 端通過芯片內(nèi)部的晶體管對地短路又構(gòu)成了對 C 的放電回路，并將引腳 6 端相連引入到 片內(nèi)比較器，便成為一個典型的多諧振蕩器，即方波發(fā)生器。另外， R21 是防止輸出短路的保護電阻。 第二章 溫室大棚測控方案設(shè)計 13 圖 25 輸出的 555 測量振蕩電路 該振蕩電路兩個暫穩(wěn)態(tài)的交替過程如下：首先電源 VCC 通過 R R3 向 HS1101充電，經(jīng) t 充電時間后， Uc 達到芯片內(nèi)比較器的高觸發(fā)電平，約 ，此時輸出引腳 7 端由高電平突降為低電平，然后通過 R3 放電，經(jīng) t 放電時間后， Uc 下降到比較器的低觸發(fā)電平，約 此時輸出，此時輸出引腳 7 端又由低電平突 升 為高電平，如此翻來覆去，形成方波輸出。其中，充放電時間為 充電 t =C（ R1+R3） Ln2 放電 t =C* R3* Ln2 因而，輸出的方波頻率為： f=1/(t 放電 +t 充電 )=1/[C（ R1+2R3） Ln2] 可見，空氣濕度通過 555 測量電路就轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之呈反比的頻率信號。 根據(jù) HS1101 使用手冊，該振蕩電路輸出的方波頻率范圍是 6033～ 7351Hz,所對應(yīng)的相對濕度為 100～ 0%R。 第二章 溫室大棚測控方案設(shè)計 14 %RH 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Hz 7351 7224 7100 6976 6853 6728 6600 6468 6330 6186 6033 表 3 對濕度與電壓頻率的典型值 單片機系統(tǒng)設(shè)計 單片機選擇 單片微型計算機簡稱單片機，又稱微控制器，嵌入式微控制器等，屬于第四代電子計算機。它把中央處理器、存儲器、輸入 /輸出接口電路以及定時器計數(shù)器集成在一塊芯片上，從而具有體積小、功耗低、價格低廉、抗干擾能力強且可靠性高等特點，因此，適合應(yīng)用于工業(yè)過程控制、智能儀器儀表和測控系統(tǒng)的前端裝置。正是由于這一原因，國際上逐漸采用微控制器 (MCU)代替片微型計算機 (SCM)這一名稱。 “微控制器 ”更能反映單片機的本質(zhì)，但是由于單片機這個名 稱已經(jīng)為國內(nèi)大多數(shù)人所接受，所以仍沿用 “單片機 ”這一名稱。 在本課題設(shè)計的溫濕度測控系統(tǒng)中，采用單片機實現(xiàn)控制。在單片機選用方面，由于 AT89S 系列單片機增加了很多功能，但價格基本不變，甚至比 80C51 系列更低，因此本系統(tǒng)中，我們采用美國 ATMEL（愛特梅爾）公司生產(chǎn)的 AT89S52 單片機作為主控芯片。 AT89S52 簡介 AT89S52 單片機是一種低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，具有 8KB 的 Flash可編程存儲器，支持在線可編程（ ISP）。 ISP 的優(yōu)勢在于當(dāng)用戶需要修改片內(nèi)程序存儲 器中的程序時，不需要把 89S 從工作現(xiàn)場中分離出去。而 80C5l 則不行，要想修改程序，必須將 80C51 芯片從控制現(xiàn)場中取出，放到編程器上進行編程。 AT89S使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編