【文章內(nèi)容簡介】 t2時刻前有效。 t2距 t0為 15us,也就是說 t2時刻前主機必須完成讀位 ,并在 t0后的 60us一 120 us內(nèi)釋放總線。 圖 27 主機讀時序 基于單片機的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設計 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。下面介紹 HS1101濕度傳感器及其應用。 HS1101的 特點是不需校準的完全互換性，高可靠性和長期穩(wěn)定性， 具 有 快速響應時間， 可以自動化焊接，包括波峰焊或水浸， 專利設計的固態(tài)聚合物結構，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。 圖 28為濕敏電容工作的溫、濕度范圍。圖 29為濕度 電容響應曲線。 圖 28 濕敏電阻工作的溫、濕度范圍 圖 29 濕度 電容響應曲線 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；響應時間小于 5S；溫度系數(shù)為 pF/℃ ?？梢娋?是較高的。 HUMIREL 濕度傳感器 HS1101基于獨特工藝設計的電容元件，這些相對濕度傳感器可以大批量生產(chǎn)?？梢詰糜谵k公自動化，車廂內(nèi)空氣質(zhì)量控制，家電，工業(yè)控制系統(tǒng)等。在需要濕度補償?shù)膱龊纤部梢缘玫胶艽蟮膽谩? HS1101的外部結構及符號如圖 210所示： 圖 210 HS1101的符號及外部結構 HS1101電容 式濕度 傳感器，在電路構成中等效于一個電容器件，其電容量隨著基于單片機的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設計 14 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變?yōu)橛嬎銠C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，所產(chǎn)生的正弦波電壓信號經(jīng)整流、直流放大、再 A/D轉換為數(shù)字信號；另一種是將該濕敏電容置于 555振蕩電路中，將電容值的變化轉為與之成反比的電壓頻率信號，可直接被計算機所采集。 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定時器組成的震蕩電路中，輸出一定頻率的方波信號，這種方法結構簡單，使用方便，因此被廣泛采用，具體結構圖如 211下： 圖 211 HS1101和 NE556構成的濕度采集電路 基于單片機的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設計 15 集成定時器 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 NE555定時器，其中 R1， R2,C1,C2和 NE556構成多諧振蕩器，外接電阻 R1,R2和濕敏電容 C1構成了對濕敏電容 C1的充電回路， 7端通過芯片內(nèi)部的晶體管對地短路又構成了對 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充電時后， Uc2充至內(nèi)比較器的高觸發(fā)電平，約 2/3Ucc，此時輸入引腳 3端由高電平突降為低電平，然后通過 R2放電，經(jīng) T2放電時間后， Uc2下降到比較器的低觸發(fā)電 平，約 1/3Ucc，此時輸入引腳 3端又由低電平躍升為高電平，如此反復，形成方波輸出， 其中充放電時間為： 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)器它有兩個觸發(fā)狀態(tài)，一個穩(wěn)定狀態(tài)，一個暫穩(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)翻轉到暫穩(wěn)定狀態(tài)，而暫穩(wěn)定狀態(tài)維持一段時間后，再自動的返回到穩(wěn)定狀態(tài)，且暫穩(wěn)定狀態(tài)持續(xù)時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端輸出一個幅度，寬度都一定的矩形波信號，輸出的脈沖寬度 Tp為： Tp=R3(C2+Cx)ln3 (24) 雖然從 NE556輸出的是標準的脈沖信號，為了減少外界對信號的干擾，設計中采用低通濾波器，過濾掉 高頻信號的干擾，然后直接用單片機的定時計數(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系，下圖為 HS1101的典型輸出曲線，相對濕度在 1%99%RH之間，電容量由 163pf變化到 202pf，其誤差不大于 177。2%RH，響應時間小于 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： 基于單片機的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設計 16 圖 212 HS1101的典型輸出曲線 根據(jù) HS1101的典型輸出曲線，以及傳感器的相關資料，我們可以得到電容值與 濕度值的近似關系為： RH≈ (Cx163） / (25) 我們可以根據(jù)前面測量出的 NE556輸出的脈寬值，求出相應的電容值，再根據(jù)上式，我們就可以由相應的電容值求出濕度值。 硬件電路設計 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，濕度改變對應頻率的變化，用單片機采集頻率值進行轉化得出濕度值，具體的濕度測量電路如圖 32所示： 基于單片機的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設計 17 圖 32 濕度測量電 路 3 人機接口電路 鍵盤部分 根據(jù)該系統(tǒng)的實際情況，我選用了獨立式鍵盤。獨立式鍵盤是 各 個按鍵相互獨立地連通兩條輸入數(shù)據(jù)線。這種鍵盤結構的優(yōu)點是電路簡單，缺點是當鍵的數(shù)量較多時占用的 I/O 線的數(shù)量較多。 其電路結構 如圖 33 所示 ： 圖 33 鍵盤連接 顯示部分 八位數(shù)碼管采用動態(tài)顯示方式，動態(tài)顯示可節(jié)省端口，方便連接，由于每個數(shù)碼管處于輪流導通狀態(tài)，因此，每次只有一個數(shù)碼管點亮，比靜態(tài)數(shù)碼管可省電。數(shù)碼管顯示電路如圖 34 所示： 基于單片機的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設計 18 圖 34 顯示電路 報警電路設計 在微型計算機控制系統(tǒng)中，為了安全生產(chǎn)，對于一些重要的參數(shù)或系統(tǒng)部位，都設有緊急狀態(tài)報警系統(tǒng)，以便提醒操作人員注意，或采取緊急措施。其方法就是把計算機采集的數(shù)據(jù)或記過計算機進行數(shù)據(jù)處理、數(shù)字濾波，標度變換之后，與該參數(shù)上下限給定值進行比較，如果高于上限值（或低于下限值）則進行報警，否則就作 為采樣的正常值，進行顯示和控制。 本設計采用兩個發(fā)光二級管和蜂鳴器作為報警電路。發(fā)光二級管與單片機的兩個 I/O 口連接，當測定的溫度或者濕度超過上下限時，二極管發(fā)光報警。 蜂 鳴器報警電路的設計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)驅動器驅動蜂鳴 器 發(fā)聲。壓電式蜂鳴器需 要約 10mA 的驅動電流，可以使用TTL 系列集成電路 7406 或 7407 低電平驅動，也可以用一個晶體三極管驅動。在圖中，當輸出高電平 “1”時，晶體管導通，壓電蜂鳴器兩端獲得約 +5V 電壓而鳴叫；當輸出低電平 “0”時，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)光二級管報警電路 基于單片機的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設計 19 圖 36 三極管驅動的蜂鳴器報警電路 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，能夠多點測量大棚溫濕度，并與上位機連接，實現(xiàn)遠程控制。 485 總線應用電路圖如圖 37 所示： 圖 37 RS485 總線的應用電路圖 在應用系統(tǒng)中，主機與分機一般相隔較遠，而分 級系統(tǒng)上電或復位又常常不在同一個時刻完成，如果在此時 DE 端電位為 “1”，那么 485 總線的輸出將會處于發(fā)送狀態(tài)，也就是占用了通信總線，這樣其他的分機就無法與主機進行通信。這種情況尤其表現(xiàn)在某個分機出現(xiàn)異常情況下（死機），會使整個系統(tǒng)通信崩潰。因此在電路設計時，應保證系統(tǒng)上電復位時 DE 端電位為 “0”。 485 總線輸出電路的設 計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措施 ， 在電路設計中采用穩(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（如一條分機的 485 芯片被擊穿短路），為防止總線中其他分機的通信受到影響，在輸出端串聯(lián)了兩個 20Ω的電阻 R3 R36，這樣基于單片機的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設計 20 本機的硬件故障就不會使整個總線的通信受到影響。 在應用系統(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，所以電路設計時，在 RS485 網(wǎng)絡傳輸線的始端和末端應 加一個 120Ω的電阻（如圖中 R35），以減少線路上傳輸信號的反射。 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 端電位差的絕對值小于 200mV 時，輸出為不確定。如果在總線上所有發(fā)送器被禁止時，接收器輸出邏輯 0，這會誤認為通信幀的起始引起工作不正常。解決這個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 單片機就不會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問題。 485 芯片的軟件編程對產(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，在某一個時刻，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對分機的查詢方式通信，總線上必然有一種始終處于主機地位的設備在巡檢其他分機 ， 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)都有引導碼、長度碼、地址碼、地址碼、命令碼、內(nèi)容、校驗碼等部分組成 。 其中引導碼是用于同步每一包數(shù)據(jù)的引導頭；長度碼是這一包數(shù)據(jù)的總長度；命令碼是主機對分機的控制命令；地址碼是分機的本機地址號；內(nèi)容是這一包數(shù)據(jù)里的各種信息；校驗碼是這一 包數(shù)據(jù)的校驗標志，可以采用奇偶校驗、和校驗等不同方式。 在 485 通信的芯片中，尤其要注意對 485 控制端 DE 的軟件編程。為了可靠地 工作，在 485 總線狀態(tài)切換時需要做適當延時，再進行數(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 1ms 左右的時間，再發(fā)送有效的數(shù)據(jù)，一包數(shù)據(jù)發(fā)送結束后再延時 1ms 左右 的 時間 后，將控制端置 “0”。這樣的處理會使總線在狀態(tài)切換時，有一個穩(wěn)定的工作過程。 4 軟件設計 主程序流程圖 基于單片機的蔬菜大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)設計 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 初始化 DS18B20 初始化 HS1101 初始化