【文章內容簡介】 信息，利用數(shù)據(jù)總線將傳感器 檢測到的 信息送給 51 單片機，再通過諾基亞 5110 液晶顯示。當系統(tǒng)報警時單片機 可向 外設發(fā)出 處理 ，控制 散熱 風機、 加熱電路、抽水 水泵、等設備進行降溫 、加溫 除濕 、加濕、遮光和 補光等動作 。 保證 了 大棚內作物的生長環(huán)境。 單片機 也可以通過 相應的 指令來啟動現(xiàn)場監(jiān)測 系統(tǒng) 的聲光報警裝置，通知大棚管理人員采取措施 以 確保大棚內 作物 的 生長環(huán)境 。 本系統(tǒng)主控芯 介紹 （ 1） 本系統(tǒng)主控芯片 51 單片機的硬件結構 MCS51 單片機的片內結構如圖 4 所示 。 MCS– 51 單片機是在一個有限的芯片上集成控制應用所必須的單元。 圖 4 片內結構圖 智能大棚管理系統(tǒng) 7 下面對各功能部件作進一步的說明 : ? 微處理器 (CPU) MCS 51 單片機中有 1 個 8 位的微處理器 。它 與通用的微處理器基本 完全 相同，同樣 也 包括了運算器和控制器兩大部分 。僅僅 增加了面向控制的處理功能，不 但 可處理字節(jié)數(shù)據(jù)， 而且 可以進行位變量的處理。 比 如 :位處理、查表、狀態(tài)檢測、中斷處理等。 ? 數(shù)據(jù)存儲器 (RAM) 片內為 128 個字節(jié) (52 子系列的為 256 個字節(jié) ) 。 ? 程序存儲器 ( ROMlEPROM) 8051 為 4K 字節(jié) ROM。8751 則為 4K 字節(jié) EPROM 。 ? 中斷系統(tǒng) 具有 5 個中斷源， 2 級中斷優(yōu)先權。 ? 定時器 /計數(shù)器 片內有 2 個 16 位的定時器 /計數(shù)器，具有四種工作方 式。在單片機的應用中，往往需要精確的定時，或對外部事件進行計數(shù) 。 ? 串行口 全雙工的串行口， 一共 具有四種工作 模式 ?？捎脕磉M行串行通訊，擴展并 I/ O 口，甚至 還 與多個單片機相連 來 構成多機系統(tǒng) 。 從而使單片機的功能 變地 更強且應用 地 更廣。 ? P1 口、 P2 口、 P3 口、 P4 口為 4 個并行 8 位 IO 口。 ? 特殊功能寄存器 (SFR) 。 共有 21 個，用于對片內各功能部件進行管理、控制、監(jiān)視。實際上是一些控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個具有特殊功能的 RAM 區(qū)。 （ 2） 本系統(tǒng)主控芯片 51 單片機的結構 MCS 51 單片機存儲器采用的是哈佛 (Har vard) 結構 。 即程序存儲器空間和數(shù)據(jù)存儲器空間截然分開 。 程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器各有自己的尋址方式和控制系統(tǒng)。這種結構對于 面向控制 的實際 的 應用 中 變地 極為方便、有 用 。在 805118751 單 片機中，在片內集成了一定容量的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器及眾多的特殊功能寄存器 。 還具有極強的外部存儲器的擴展能力，尋址能力分別可達 64 邸，尋址和操作簡單方便。 MCS 51 的存儲器空間可劃分為如下 5 類 : ? 程序存儲器 單片機系統(tǒng)能夠按照一定的 順序 進行工作 。 主要是 因為 程序存儲器中存放了經(jīng)調試確定 正確的應用程序和表格之類 固有 常數(shù)。程序實際上是一串二進制碼，程序存儲器可以分為片內和片外兩部分。由于無內部程序存儲器，所以只能外擴程序存儲器來存放程序。 智能大棚管理系統(tǒng) 8 ? 內部數(shù)據(jù)存儲器 MCS 51 單片機內部有 128 個字 節(jié)的隨機存取存儲器 RAM ； 作為用戶的數(shù)據(jù)寄存器，它能滿足大多數(shù)控制型應用場合的需要 ； 用作處理問題的數(shù)據(jù)緩沖器。 ? 特殊功能寄存器 (SFR Special Function Register) 特殊功能寄存器反映了 MCS 51 單片機的狀態(tài)，實際上是 MCS 51 單片機各功能部件的狀態(tài)及控制寄存器。例如，前面提到的 PSW 程序狀態(tài)字寄存器，就是一個特殊功能寄存器。掌握理解好 SFR ，對于掌握 MCS 51 單片機是十分重要的。 SFR 綜合的、實際的反映了整個單片機基本系統(tǒng)內部的工作狀態(tài)及工作方式。 在單片機中設置SFR ，為程序設計提供了不少方便，這一點在讀者研究了 MCS 51 單片機指令系統(tǒng)后體會將會更深刻。 ? 位地址空間 MCS 51 單片機的一個很大優(yōu)點在于它具有一個功能很強的位處理機。在 MCS 51 單片機的指令系統(tǒng)中，有一個位處理指令的子集，使用這些指令，所處理的數(shù)據(jù)僅為一位二進制數(shù) (0 或 1)。在 MCS 51 單片機內 部一 共 具 有 211 個可尋址位 。 ? 外部數(shù)據(jù)寄存器 當 MCS 51 單片機的片內 RAM 不夠用時，可在片外擴充數(shù)據(jù)存儲器。 MCS 51 單片機給用戶提供了可尋址 64K 字節(jié)的外擴 RAM 的能力，至于擴多少 RAM ，則根據(jù)用戶實際需要來定。 ? 外部時鐘方式 外部的時鐘源直接接到 XTA 口端，直接輸入到片內的時鐘發(fā)生器上。 時鐘 電路 圖 如圖 5 所示 。由于 XTA 口的邏輯電平不是 1，故建議外接一個 lO K 的上拉電阻。 圖 5 時鐘電路圖 ? 控制器 控制器是單片機的指揮控制部件 。 控制器的主要任務是識別指令，并根據(jù)指令的性質控制單片機各功能部件 。 從而保證單片機各部分能自動而協(xié)調地工作。 單片機執(zhí)行指令是在控制器的的控制下進行的?？刂破髦饕ǔ绦蛴嫈?shù)器、程序地址寄存器 、指令寄存器 IR 等。還有 指令譯碼器、條件轉移邏輯電路 。 智能大棚管理系統(tǒng) 9 ? 程序計數(shù)器 PC{Pro 伊 m Counter) 程序計數(shù)器 PC 是控制部件中最基本的寄存器 。 是一個獨立的計數(shù)器，存放著下一條將要從程序存儲器中取出的指令的地址。 然后程序存儲器按此地址輸出指令字節(jié)。 同時程序計數(shù)器本身自動加 1 。 讀完本條指令 ； PC 指向下一條指令在程序存儲器中的地址。 ? 程序計數(shù)器的基本工作方式有以下幾種 : 程序計數(shù)器自動加 1，這是最基本的工作方式，這也是為何該寄存器被稱為計數(shù)器的原因。 在執(zhí)行調用子程序指令或響應中斷時，單片機自動完成如下的 操作 : PC 的現(xiàn)行值，即下一條將要執(zhí)行的指令的地址，即斷點值，自動送人堆攏。將子程序的人口地址或中斷向量的地址送人 PC ，程序流向發(fā)生變化，執(zhí)行子程序或中斷子程序。子程序或中斷子程序執(zhí)行完畢，遇到返回指令 R 或 RETI 時，將樓頂?shù)臄帱c值彈到程序計數(shù)器 PC 中，程序的流程又返回到原來的地方，繼續(xù)執(zhí)行。 3 信號采集分析部分設計 溫度檢測控制部分設計 對于智能大棚管理系統(tǒng)來說溫度檢測顯得非常重要， 溫度傳感器 采集溫度將溫度數(shù)據(jù)提取出來通過信號處理函數(shù) 讓 外設作出相應的反應并將溫度數(shù)據(jù)送至顯示函數(shù)顯示 。 其主要 過程是通過溫度傳感器器將溫度采集出來，由單片機判斷，當溫度低于鍵盤所設定的溫度時，單片機驅動繼電器從而控制風扇旋旋轉來降溫，當溫度低于鍵盤所設溫度時，單片機驅動繼電器從而控制加熱絲加熱。溫度檢測控制部分 實驗框圖 如 圖 6 所示。 圖 6 溫度部分實驗框圖 繼電器 風扇 加熱絲 溫傳感器 鍵盤 主控芯片 AT89C52 顯示器 智能大棚管理系統(tǒng) 10 測溫方案的選擇 方案一： 熱敏電阻。 熱敏電阻 屬于熱敏器件由半導體材料構成 ，它測量溫度 的原理是把電阻隨溫度變化的關系轉換為電壓隨溫度變化的關系。 再把熱敏電阻電壓 模擬量轉化為 數(shù)字量 ，然后通過軟件方法 通過特定公示 計算得到溫度 數(shù)值 值，再進行顯示 等 處理。它的阻值與溫度變化 并非有線性的 關系 。故 穩(wěn)定性和互換性 相比 較差 。 因此使用中是 必須 要進行線性化 的 處理的 ，這樣就比較麻煩 。線性化處理 盡管可以解決 熱敏電阻的特性曲線 的問題 ，但比較復雜 困難 。 方案二： DS18B20 溫度傳感器 。 DS18B20 與單片機 只有一根線連接 ，它只定義了一根信號線 ?？?線上的每個器件都能夠在合適的時間驅動 DS18B20。 相當于把單片機的地址 總 線、數(shù)據(jù) 總 線、控制 總 線、合為一根信號線對外進行數(shù)據(jù) 處理和 交換 。 并且，它不再 把模擬量轉 化為數(shù)字量 ，直接測得為數(shù)字量，簡化了許多工作量，電路也 變地 簡單可靠 了許 多。 綜合上述，為了 設計方便從 簡化電路，經(jīng)濟實惠， 自動測量 等方面考慮 ， 我們 采用方案 二。 DS18B20 的接口如圖 7 所示。 圖 7 DS18B20接口圖 溫度傳感器的 使用 DS18B20 內部結構主要由 64 位光刻 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器 TH 和 TL、配置寄存器 這 四部分組成 。 DS18B20 的管腳排列如 圖 8 所示 : DQ 為數(shù)字信號輸入 /輸出端； GND 為電源地； VDD 為外接供電電源輸入端（在寄生電源接線方式時 接地）。 圖 8 DS18B20 管腳排列圖 智能大棚管理系統(tǒng) 11 （ 1） DS1820 使用中注意事項 在用 DS1820進行長距離測溫系統(tǒng)設計時要充分考慮總線分布電容和阻抗匹配問題。 在 DS1820 測溫程序設計中，向 DS1820 發(fā)出溫度轉換命令后，程序總要等待 DS1820的返回信號，一旦某個 DS1820 接觸不好或斷線，當程序讀該 DS1820 時，將沒有返回信號，程序進入死循環(huán)。這一點在進行 DS1820 硬件連接和軟件設計時也要給予一定的重視。 （ 2） DS18B20 的時序 由于 DS18B20 采用的是單總線協(xié)議方式 工作地。就是 在一根數(shù)據(jù)線實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸 。 而對 89C52 單片機來說， 并沒有總線接口，因此，我們必須采用編程的方法來模擬單總線通訊 。 溫度檢測 控制 部分的 組成 和實現(xiàn) 智能大棚管理系統(tǒng)的溫度檢測控制系統(tǒng)由單片機電源電路、溫度傳感器 DS18B繼電器電路、散熱風扇、加熱電阻絲、諾基亞 5110 液晶顯示和主控芯片（ AT89C52）組成。通過以上的分析我們已經(jīng)選擇了采用以單總線為工作方式的 ds18b20作為溫度檢測的傳感器 。通過溫度傳感器檢測溫度，將檢測 到的溫度與鍵盤所設溫度做比較，當我們檢測到的溫度高于我們設定的溫度時 ，單片機將作出反應，發(fā)出低電平，通過 I0 口將信號傳送給繼電器，繼電器和散熱風扇相連，通過電源和單片機控制的信號從而使繼電器工作模式切換，從而讓散熱風扇旋轉使空氣流動來達到降低溫度的目的；當溫度傳感器檢測出來的溫度低于鍵盤設定的溫度時，單片機通過分析，通過 IO 口輸出一個低電平從而控制繼電器，繼電器和加熱電路（由加熱絲和電源電路組成）相連，繼電器切換模式后電源電路導通從而加熱電路開始工作 從而使環(huán)境中的溫度升高。溫度檢測控制部分 實驗結果如圖 9 所 示 ，程序流程如圖 10 所示 。 圖 9 溫度部分實驗結果圖 智能大棚管理系統(tǒng) 12 圖 10 溫度控制程序流程圖 濕度檢測控制部分的設計 濕度檢測主要是空氣濕度和土壤濕度的檢測 ，在本系中空氣濕度是用 DHT1 而土壤濕度用土壤傳感器。都是通過控制繼電器從而控制抽水電機來控制抽水泵作出調節(jié)。具體過程為：溫濕度傳感器檢測空氣中的溫度和濕度，當濕度低于鍵盤設定的溫度值時，通過單片機控制繼電器從而控制噴頭進行噴水，當濕度滿足時，自動停止噴水； 當濕度過大時通過單片機控制繼電器從而控制電熱絲加熱從而調節(jié)濕度。由土壤濕度傳感器檢測土壤的濕度，當土壤濕度不過時通過抽水電機控制抽水電機進行抽水，這樣就可以控制土壤濕度。因為傳感器是時時檢測的所以不存在濕度過量的問題，所以沒有濕度過大的調節(jié)部分。不管是抽水電機還是噴頭在達到適 當值時都會停止工作，通過程序控制實DS18B20 測溫程序 顯示溫度數(shù)據(jù) 溫度是否高于設置 定 值 打開降溫系統(tǒng) 打開加熱 系統(tǒng) 是 溫度相等 是 否 否 鍵盤掃描 鍵盤設置值與實際溫 度值比較 A 智能大棚管理系統(tǒng) 13 現(xiàn)。智能大棚管理系統(tǒng)濕度檢測控制部分的設計框圖如圖 11 所示 。 圖 11 濕度檢測控制部分的設計框圖 濕 度檢測 控制部分分析 智能大棚管理系統(tǒng)的 溫度檢測控制系統(tǒng) 由單片機電源電路、溫 濕度 度傳感器 DHT1繼電器電路 、 抽水電機 、 噴頭，鍵盤、加熱電阻絲 、諾基亞 5110 液晶顯示和主控芯片（ AT89C52）組成。 通過以上的分析我們已經(jīng)選擇了采用以單總線為工作 方式的 ds18b20作為溫度檢測的傳感器 。通過溫濕度傳感器檢測溫濕度，將檢測到的溫度與鍵盤所設濕度做比較，當我們檢測到的濕度高于我們設定的濕度時，單片機將