【導(dǎo)讀】度、濕度、土壤水分傳感器來采集數(shù)據(jù)。考慮到實際情況，蔬菜大棚內(nèi)。個對稱的熱風(fēng)爐、風(fēng)扇、滴灌器，分別控制固態(tài)繼電器來實現(xiàn)要求。采用串行接口方式，同時管理了鍵盤和LED顯示器。為了防止程序跑飛，以及電源故障監(jiān)控，本設(shè)計還采用了X25045芯片設(shè)計看門狗電路。也設(shè)計了上位機與單片機的通信，采用RS485標(biāo)準(zhǔn)。通過這一系列的控。使農(nóng)作物獲得高產(chǎn)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)效益。

　　

【正文】 狗 是真 正意義 上的程 序運 行監(jiān)視器。常用的 WDT 芯片有 MAX81 X2504 IMP813 等， X25045 是美國Xicor 公司的生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化 8 腳集成 電路，它將 EEPROM、看門狗定 時器、電壓監(jiān)控三種功能組合在單個芯片之內(nèi)，是理想的單片機外圍芯片 ,因此本設(shè)計采用 X25045。 X25045 芯片的介紹 ? X25045 引腳及其說明 (如圖 所示 ) 圖 X25045 引腳圖 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 20 其引腳功能描述如下： CS：片選擇輸入； SO：串行輸出數(shù)據(jù)由此引腳逐位輸出； SI：串行輸入數(shù)據(jù)或命令由此引腳逐位寫入 X25045； SCK：串行時鐘輸入其上升沿將數(shù)據(jù)或命令寫入下降沿將數(shù)據(jù)輸出； WP：寫保護(hù)輸入，當(dāng)它低電平時寫操作被禁止； Vss：地； Vcc：電源電壓； RESET：復(fù)位輸出。 X25045 在讀寫操作之前 ，需要先向它發(fā)出指令 ，指令名及其指 令格式如表（ 2）所示。 表（ 2） X25045 的操作指令 指令名 指令格式 操作 WREN 00000110 設(shè)置寫使能鎖存器（允許寫操作） WRDI 00000100 復(fù)位寫使能鎖存器（禁止寫操作） RDSR 00000101 讀狀態(tài)寄存器 WRSR 00000001 寫狀態(tài)寄存器 READ 0000A8011 把開始于所選地址的存儲器中的數(shù)據(jù)讀出 WRITE 0000A8010 把數(shù)據(jù)寫入開始于所選地址的存儲器 看門狗 定時 器為系 統(tǒng)提 供了獨 立的 保護(hù) 系統(tǒng)， 當(dāng)系 統(tǒng)出現(xiàn) 故障 時，在可選的超時周期之后， X25045 看門 狗將以 RESET 信號作出響應(yīng) 。用戶可從三個預(yù)置的值中選擇周期。本設(shè)計周期選用 200ms。 檢測電路可以保護(hù)系統(tǒng)，使之免受低電壓狀況的影響。當(dāng) Vcc 降低到轉(zhuǎn)換點以下時，系統(tǒng)復(fù)位。復(fù)位一直保持到 vcc 返回且穩(wěn)定為止。 X25045 芯片內(nèi)包含有一個看門狗定時器，可通過軟件預(yù)置系 統(tǒng)的監(jiān)控時間。在看門狗定時器 預(yù)置的時間內(nèi)若沒有總線活 動，則 X25045 將從RESET 輸出一個高電平信號使 CPU 復(fù)位 ?？撮T狗定時器的預(yù)置時 間是通過 X25045 的狀態(tài)寄存器的相應(yīng)位來設(shè)定的，如下所示 X25045 狀 態(tài)寄存器共有 6 位有含義，其中 WD1， WD0 和看 門狗電路有關(guān)，其余位和 EEPROM 的工作設(shè)置有關(guān)。 X25045 的狀態(tài)寄存器為： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 X X WD1 WD0 BL1 BL0 WEL WIP 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 21 WD1=0， WD0=0，預(yù)置時間為 ； WD1=0， WD0=1，預(yù)置時間為 ； WD1=1， WD0=0，預(yù)置時間為 ； WD1=1， WD0=1，禁止看門狗工作。 看門狗 電路的 定時 時間 長短可 由具 體應(yīng)用 程序 的循環(huán) 周期 決定。 正常工作 時，最 大循環(huán) 周期 的時間 略長 ，即可 編程 時可在 軟件的 合適 地方加一條 喂狗指 令，使 看門 狗的定 時時 間永遠(yuǎn) 達(dá)不 到預(yù)置 時間， 系統(tǒng) 就不會復(fù)位 而正常 工作。 當(dāng)系 統(tǒng)跑飛 用軟 件陷阱 等別 的方法 無法捕 捉回 程序時則看門狗定時時間很快增長到預(yù)置時間迫使系統(tǒng)復(fù)位。 X25045 芯 片 與微 處理 器的硬 件接 口電 路 X25045 與單片 機的硬件接線非常簡單，其連接圖如圖 所示。 圖 X25045 與單片機的連接圖 通信模塊的設(shè)計 微機與 微機， 微機 與單 片機之 間經(jīng) 常需要 進(jìn)行 遠(yuǎn)程數(shù) 據(jù)通 信。串 行通信是主要的通信手段，與并行通信相比，具有傳輸距離長、連接簡單、數(shù)據(jù)傳 輸可靠 性高等 特點 。在串 行通 訊時， 要求 通訊雙 方都采 用一 個標(biāo)準(zhǔn)接口，使不同的設(shè)備可 以方便地連接起來進(jìn)行通 訊。 RS一 485是 串行數(shù)據(jù)接口的標(biāo)準(zhǔn)，是為彌補 RS一 232通信 距離短、速率低等缺點而 產(chǎn)生的，是在 RS一 422基礎(chǔ)上制定的標(biāo)準(zhǔn)，增加了多點、雙向通信能力，即允 許多個發(fā)送 器連接 到同一 條總 線上， 同時 增加了 發(fā)送 器的驅(qū) 動能力 和沖 突保護(hù)特性。 RS一 485標(biāo)準(zhǔn)只規(guī) 定了平衡發(fā)送器和接收器 的電特性，而 沒有規(guī)蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 22 定接插件、傳輸電纜和應(yīng) 用層通信協(xié)議。 RS一 485標(biāo)準(zhǔn)的最大傳輸 距離約為 1200m，最大傳輸速率為 10 Mbps。通常 ， RS一 485網(wǎng)絡(luò)采用平衡 雙絞線作為傳 輸介質(zhì) 。平 衡雙絞 線的 長度 與傳輸 速率 成反比 ，只 有在 20Kbps速率以下 ，才可 能使用 規(guī)定 最長的 電纜 長度。 只有 在很短 的距離 下才 能獲得最高速率傳輸。一般來說， 100m長雙絞線最大傳輸速率僅為 1Mbps。 485 接口芯 片 簡介 MAX485 是用于 RS— 485 通信的小 功率收發(fā)器，它們都含有一個 驅(qū)動器和一個接收器。 MAX485 的 驅(qū)動器不是限斜率的 ，允許它們以每秒 的速度 發(fā)送數(shù) 據(jù)。這 些驅(qū) 動器具 有短 路電流 限制 和使用 熱關(guān)閉 控制 電路進(jìn)行超 功耗保 護(hù)。在 超過 功耗時 ，熱 關(guān)閉電 路將 驅(qū)動器 的輸出 端置 于高阻狀態(tài) 。接收 器輸入 端具 有自動 防止 故障的 特性 ，當(dāng)輸 入端開 路時 ，確保輸出為高電平。 MAX485 是為半雙工應(yīng)用而設(shè)計的。 ? MAX485 的引腳排列如圖 所示： 圖 MAX485 的引腳排列圖 引腳說明如下表（ 3）所 示： 表（ 3） MAX485 引腳說明 MAX485 引腳 名稱 功能 1 RO 接收器輸出端。 2 /RE 接收器輸出使能端。 3 DE 驅(qū)動器輸出使能端。 4 DI 驅(qū)動器輸入端。 5 GND 地 6 A 同向接收器輸入和同向驅(qū)動器輸出端 7 B 反向接收器輸入和反向驅(qū)動器輸出端 8 VCC 正電源輸入端： — 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 23 RS485 接 口 電路 的設(shè) 計 RS485 接口電路如圖 所示。 圖 RS485 接口電路 RS485 是一點對多點 的通信接口，一般采用雙 絞線結(jié)構(gòu)。 MAX485 是通過兩個引腳 RE 和 DE 來控制數(shù)據(jù)的 輸入和輸出的。當(dāng) RE 為低 電平時，MAX485 數(shù)據(jù)輸入有效；當(dāng) DE 為高電平時， MAX485 數(shù)據(jù)輸出有效 。在半雙工使用中，通常可以將 這兩個腳直接相連 ，然后由 PC 機或單片 機輸出的高低電平就可以讓 MAX485 在接收和發(fā)送狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換了。 控制電路的設(shè)計 控制電 路設(shè) 計 的原 理是 根據(jù)環(huán) 境溫 度、 濕度、 土壤 水分值 來控 制熱風(fēng)爐、風(fēng)扇和滴灌器的啟停來保持蔬菜大 棚內(nèi)的各個值在設(shè)定的范 圍內(nèi)?？捎面I 盤設(shè)定 溫度、 濕度 、土壤 水分 的正常 范圍 。 由于 溫室里 各個 環(huán)境因素變化不是特別快，所以不用頻繁的采集數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)設(shè)計的是每 1min調(diào)一次 溫度檢 測子程 序， 以便顯 示器 上能及 時顯 示當(dāng)前 的實際 溫度 值。每隔 5min 采集一次數(shù)據(jù)，并且控制各個設(shè)備的動作 。由于定時器 的最大定時時間為 216，所以一次 性定時時間不能達(dá)到 1min，因此需要兩 個軟時鐘，設(shè)置 T0 的初值，使其定時時間為 100ms，每一次定時時間引起 中斷，軟時 鐘加 1，當(dāng)加到 600，也即 1min 定時時間到，此時軟時 鐘 1 清 0，以便下一 個循環(huán) 計數(shù)， 然后 調(diào)溫度 檢測 子程序 顯示 當(dāng)前溫 度值。 軟時 鐘 2繼續(xù)計數(shù)，當(dāng)加到 3000，也即 5min 定時 時間到，此時必然軟時鐘 1 也記到 600 了，所 以相當(dāng)于溫濕度檢測子程 序都相繼調(diào)用，滿足要求 。對于溫度來說，溫度的范圍為 15℃至 30℃，檢測 4 個溫度傳感器檢測上來的溫度， 去掉最 大值和 最小 值后取 平均 值。如 果小 于設(shè)定 的溫度 下限 值，則開啟熱風(fēng)爐。如果高于溫度設(shè)定上限 值，則開啟風(fēng)扇。對于濕度 來說，濕度范圍為 50%至 65%，考慮到溫室的 實際情況，溫室中，蔬 菜是 在封閉條件下 生長的 ，會進(jìn) 行蒸 騰作用 ，所 以空氣 相對 濕度比 外界要 高， 如果蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 24 低于外 界，則 土壤水 分顯 然就不 在正 常范圍 內(nèi)， 滴灌器 就會工 作， 所以現(xiàn)在只 需考慮 相對濕 度高 于上限 值的 情況。 如果 溫度值 高于溫 度設(shè) 定上限值， 則不用 判斷濕 度。 如果溫 度值 低于溫 度設(shè) 定上限 值，則 需判 斷濕度。濕 度傳感 器檢測 上來 的濕度 值， 去掉最 大值 和最小 值后取 平均 值，如果高 于濕度 設(shè)定上 限值 ，則開 啟風(fēng) 扇。對 于土 壤水分 來說， 土壤 水分的范圍為 60%至 85%，當(dāng)土壤水分在此范圍時，滴灌設(shè)備處于斷路狀態(tài)。當(dāng)土壤水分低于土壤水分設(shè)定下限值時，可驅(qū)動滴灌器。在下一個 5min定時時 間到時 關(guān)閉所 有設(shè) 備。這 種做 法及可 以避 免頻繁 采集數(shù) 據(jù)， 也可以避免各個設(shè)備的頻繁啟動控制時。 基于以 上分析 ，控 制電 路中主 要有 熱風(fēng)爐 、風(fēng) 扇和滴 灌器 三個被 控對象，六個輸出端口。因此可用單片機的的六個 I/0 口進(jìn)行脈沖 信號的輸出控 制。首 先，蔬 菜大 棚控制 電路 與其他 模塊 不同， 溫度、 濕度 、土壤 水 分 控 制 電 路是 強 電 控制 回 路 ， 僅僅 接 上 電 源是 不 能 滿 足工 作 要 求 , 即使輸入了脈沖信號，還必須連接相應(yīng)的驅(qū)動器才能工作。因為熱風(fēng)爐、風(fēng)扇和滴灌器設(shè)備的負(fù)載功率通常比較大，直接用單片機的 I/O 口輸出驅(qū)動是 不行的 ，必須 采用 驅(qū)動器 。為 了很 好 的完 成控制 要求， 用于 被控對象的 控制信 號常被 鎖存 在鎖存 器中 ，這樣 就可 保證鎖 存器輸 出端 的輸出保持 不變， 直到下 次有 新的數(shù) 據(jù)被 鎖存， 保證 控制的 質(zhì)量。 鎖存 器輸出端的信號用于驅(qū)動器的輸入。本次設(shè)計采用 74LS273。 鎖存器 74LS273 的介 紹 它的引腳圖如圖 所示。 圖 74LS273 引腳圖 D7～ D0 ： 8 位數(shù)據(jù)輸入線； Q7～ Q0 ： 8 位數(shù)據(jù)輸出線； CP ：數(shù)據(jù)輸入鎖存選通信號，上升沿有 效，將 D 端數(shù)據(jù)鎖存入芯 片。 蘭州理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 25 74LS273 常用于擴展 I/O 口作為輸出 口，在此 設(shè)計中被選用于控制電路中鎖 存控制 脈沖 信號。 方法 是 CP 上 升沿 時將數(shù) 據(jù)總 線上的 值鎖 存在74LS273 中，同時在 74LS273 的輸出端口輸出 ，當(dāng)數(shù)據(jù)總線上的值 撤銷以后，由于 74LS273 能鎖存 信號，所以 74LS273 的輸出端保持不變，直到下次有新的數(shù)據(jù)被鎖存，保證溫度的控制質(zhì)量。 將 74LS273 的某輸 出置 1，則對應(yīng)的 輸出 端被置高。每次系統(tǒng)重新 開啟后， 74LS273 輸出為 全 0。通過編程控制各 輸出 端 的 電 平 ， 就 可 以 有 效 地 達(dá) 到 控制。 控 制 電 路 中 用74LS273 鎖存脈沖控制信號，一方面可增加輸出功率，另一方面也防止了單片機復(fù) 位時引起控制的誤動作。 將 89C51 單片機的 ， ， ， ， ， 口用于 輸出控制此控制電路的脈沖信號 .并在 口的控制下鎖存在鎖存器中，用于輸出給驅(qū)動器。 已知控 制電路 是強 電控 制回路 ，這 些開關(guān) 量必 將會對 單片 機的控 制系統(tǒng)產(chǎn) 生嚴(yán)重 干擾， 以致 單片機 控制 系統(tǒng)不 能正 常工作 。而單 片機 控制系統(tǒng)與 強電控 制回路 共地 是引起 干擾 的主要 原因 。強電 控制回 路中 的電壓、電 流往往 很大， 并會 在強電 使用 的電器 和地 之間形 成強大 的脈 動干擾。這 個脈動 干擾必 然會 通過接 地不 良電阻 和電 容耦合 到單片 機主 機回路中。 消除 這 些脈動 干擾 的最有 效方 法是使 單片 機強電 部分與 弱電 部分隔離開 ，在電 器連接 上切 斷它們 彼此 間的耦 合通 路。因 此隔離 器件 兩側(cè)必須使用獨立的電源分開供電。 固 態(tài) 繼 電 器 的 介紹 電氣隔 離通常 可分 為繼 電