【文章內(nèi)容簡介】 t2時(shí)刻前有效。 t2距 t0為 15us,也就是說 t2時(shí)刻前主機(jī)必須完成讀位 ,并在 t0后的 60us一 120 us內(nèi)釋放總線。 圖 27 主機(jī)讀時(shí)序 基于單片機(jī)的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 濕度傳感器 HS1101 介紹 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(jìn)行濕度測量的。下面介紹 HS1101濕度傳感器及其應(yīng)用。 HS1101的 特點(diǎn)是不需校準(zhǔn)的完全互換性，高可靠性和長期穩(wěn)定性， 具 有 快速響應(yīng)時(shí)間， 可以自動(dòng)化焊接，包括波峰焊或水浸， 專利設(shè)計(jì)的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)，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(dòng)插件和自動(dòng)裝配過程等。 圖 28為濕敏電容工作的溫、濕度范圍。圖 29為濕度 電容響應(yīng)曲線。 圖 28 濕敏電阻工作的溫、濕度范圍 圖 29 濕度 電容響應(yīng)曲線 相對(duì)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(shí)間小于 5S；溫度系數(shù)為 pF/℃ ?？梢娋?是較高的。 HUMIREL 濕度傳感器 HS1101基于獨(dú)特工藝設(shè)計(jì)的電容元件，這些相對(duì)濕度傳感器可以大批量生產(chǎn)。可以應(yīng)用于辦公自動(dòng)化，車廂內(nèi)空氣質(zhì)量控制，家電，工業(yè)控制系統(tǒng)等。在需要濕度補(bǔ)償?shù)膱龊纤部梢缘玫胶艽蟮膽?yīng)用。 HS1101的外部結(jié)構(gòu)及符號(hào)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，其電容量隨著基于單片機(jī)的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 所測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 HZ 0 7351 60 6600 10 7224 70 6468 20 7100 80 6330 30 6976 90 6168 40 6853 100 6033 50 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 基于單片機(jī)的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 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)過程交替如下：首先是電源 Ucc通過 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 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來測量脈寬 Tp，通過脈寬值，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，溫度系數(shù)為 ℃ 。 濕度傳感器 HS1101的典型輸出曲線如 圖 212所示： 基于單片機(jī)的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 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) 溫度測量電路 溫度測量采用 DS18B20，它是單線傳輸器件，不需校正溫宿，接口接的是 ,具體的溫度測量電路如圖 31所示： 圖 31 溫度測量電路 濕度測量電路 濕度測量用的是 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，具體的濕度測量電路如圖 32所示： 基于單片機(jī)的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17 圖 32 濕度測量電 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： 基于單片機(jī)的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 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)測定的溫度或者濕度超過上下限時(shí)，二極管發(fā)光報(bào)警。 蜂 鳴器報(bào)警電路的設(shè)計(jì)只需購買市售的壓電式蜂鳴器，然后通過 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 3 36 為電路原理圖： 圖 35 發(fā)光二級(jí)管報(bào)警電路 基于單片機(jī)的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 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 D D2 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 R3 R36，這樣基于單片機(jī)的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 20 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，接收器的檢測靈敏度為 177。200mV，即差分輸入端VA VB≥200mV,輸出邏輯 1； VA VB≤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 ， 通過在 485 電路的 A、 B 端加接上拉電阻 R3 R37，即可很好的解決這個(gè)問題。 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；長度碼是這一包數(shù)據(jù)的總長度；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)定的工作過程。 4 軟件設(shè)計(jì) 主程序流程圖 基于單片機(jī)的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì) 21 主程序流程圖如圖 41 所示： 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 ： 開始 初始化單片機(jī) 初始化 DS18B20 初始化 HS1101 初始化