【正文】 Keil μVision調(diào)試器 準(zhǔn)確地模擬 8051 設(shè)備的片上外圍設(shè)備（ IC、 CAN、 UART、 SPI、中斷、 I/O 端口、 A/D。 基于太陽(yáng)能的滴灌控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 30 圖 31 單片機(jī)編譯環(huán)境 與匯編相比， C 語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。 C 語(yǔ)言既具有一般高級(jí)語(yǔ)言的特點(diǎn)，又能直接對(duì)計(jì)算機(jī)的 硬件進(jìn)行操作，表達(dá)和運(yùn)算能力也比較強(qiáng)，許多以前只能采用匯編語(yǔ)言來(lái)解決的問(wèn)題現(xiàn)在都可以改用 C 語(yǔ)言來(lái)解決。 編程環(huán)境介紹 C 語(yǔ)言是一種通用的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，在國(guó)際上十分流行。將系統(tǒng)整體功能劃分成多個(gè)不同的模塊，單獨(dú)設(shè)計(jì)、編程、調(diào)試，然后將各個(gè)模塊進(jìn)行裝配聯(lián)調(diào)，組成完整的系統(tǒng)軟件。 圖 219 晶振模塊電路圖 四川理工學(xué)院畢業(yè)論文 29 第三章 基于太陽(yáng)能的滴灌控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 硬件部分為系統(tǒng)工作提供了基礎(chǔ)和實(shí)體，但要使它有效地工作，還必須有軟件的配合。在本次設(shè)計(jì)中，晶振模塊便是作為單片機(jī)的時(shí)鐘源，且采用 12M 的晶振模塊。在使用時(shí)，陶瓷諧振槽路和相應(yīng)的負(fù)載電容必須根據(jù)特定的邏輯系列進(jìn)行優(yōu)化。但其性能受環(huán)境條件和電路元件選擇的影響。基于晶振與陶瓷諧振槽路的振蕩器通常能提供非常高的初始精度和較低的溫度系數(shù)。一種是 皮爾斯 振蕩器配置，適用于晶振和陶瓷諧振槽路。在一般情況下，晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振幅非常微小，但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí)，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現(xiàn)象稱為壓電諧振，它與 LC 回路的諧振現(xiàn)象十分相似。反之，若在晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力，則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場(chǎng)，這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。也就是說(shuō)直流無(wú)刷電機(jī)能夠在額定負(fù)載范圍內(nèi)當(dāng)負(fù)載變化時(shí)仍可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)子維持一定的轉(zhuǎn)速。在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。直流電動(dòng)機(jī)按 勵(lì)磁 方式分為永磁、他勵(lì)和自勵(lì) 3 類，其中自勵(lì)又分為并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì) 3 種。 直流電動(dòng)機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電動(dòng)機(jī)。 無(wú)源蜂鳴器工作電路如下圖。 濾波電容 濾波電容 C1 的作用是濾波，濾除蜂鳴器電流對(duì)其它部分的影響，也可改善電源的交流阻抗，如果可能，最好是再并聯(lián)一個(gè) 220uF 的電解電容。 續(xù)流二極管 蜂鳴器本質(zhì)上是一個(gè)感性元件，其電流不能瞬變，因此必須有一個(gè)續(xù)流二極管提供續(xù)流。 蜂鳴器 發(fā)聲元件，在其兩端施加方波（無(wú)源蜂鳴器）就可以發(fā)聲，其主要參數(shù)是外形尺寸、發(fā)聲方向、工作電壓、工作頻率、工作電流、驅(qū)動(dòng)方式（直流 /方波）等。由于蜂鳴器的工作電流一般比較大，以致于單片機(jī)的 I/O 口是無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)的，所以要利用 放大電路 來(lái)驅(qū)動(dòng)，一般使用三極管來(lái)放大電流就可以了。比如為 2500Hz 的蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)，可以知道周期為 400μs，這樣只需要驅(qū)動(dòng)蜂鳴器的 I/O 口每 200μs 翻轉(zhuǎn)一次電平就可以產(chǎn)生一個(gè)頻率為 2500Hz，占空比為基于太陽(yáng)能的滴灌控制系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì) 26 1/2duty 的方波，再通過(guò)三極管放大就可以驅(qū)動(dòng)這個(gè)蜂鳴器了。比如頻率為 2020Hz 的蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)，可以知道周期為 500μs，這樣只需要把 PWM 的周期設(shè)置為 500μs，占空比電平設(shè)置為 250μs，就能產(chǎn)生一個(gè)頻率為 2020Hz 的方波，通過(guò)這個(gè)方波再利用三極管就可以去驅(qū)動(dòng)這個(gè)蜂鳴器了。 PWM 輸出口直接驅(qū)動(dòng)是利用 PWM 輸出口本身可以輸出一定的方波來(lái)直接驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。 無(wú)源蜂鳴器的優(yōu)點(diǎn)是： 便宜； 聲音頻率可控，可以做出“多來(lái)米發(fā)索拉西”的效果； 在一些特例中，可以和 LED 復(fù)用一個(gè)控制口； 有源蜂鳴器的優(yōu)點(diǎn)是：程序控制方便。也就是說(shuō)，有源蜂鳴器內(nèi)部帶震蕩源，所以只要一通電就會(huì)叫；而無(wú)源內(nèi)部不帶震蕩源，所以如果用直流信號(hào)無(wú)法令其鳴叫。有源蜂鳴器直接接上額定電源 (新的蜂鳴器在標(biāo)簽上都有注明 )就可連續(xù)發(fā)聲 。蜂鳴器在 電路 中用字母“ H”或“ HA”（舊標(biāo)準(zhǔn)用“ FM”、“ ZZG”、“ LB”、“ JD”等）表示。 蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用 直流電壓 供電，廣泛應(yīng)用于 計(jì)算機(jī) 、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報(bào)警器、 電子玩具 、汽車(chē) 電子設(shè)備、電話機(jī)、 定時(shí)器 等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲 器件 。 ④可用在 8086 的 譯碼 電路中， 擴(kuò)展內(nèi)存 。 ②利用 E E2 和 E3 可級(jí)聯(lián)擴(kuò)展成 24 線 譯碼器 ；若外接一個(gè) 反相器 還可級(jí)聯(lián)擴(kuò)展成 32 線 譯碼器 。 圖 216 四位共陰極數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 LED 數(shù)碼管顯示需要經(jīng)過(guò) 74573 位段選以及 74LS138 譯碼，因此，連接電路如下： 基于太陽(yáng)能的滴灌控制系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì) 24 圖 217 顯示模塊電路連接圖 74LS138 為 3 線－ 8 線 譯碼器 ，其工作原理為： ①當(dāng)一個(gè)選通端（ E1）為高電平，另兩個(gè)選通端（ (/E2))和 (/E3)）為低電平時(shí)，可將地址端（ A0、 A A2）的 二進(jìn)制編碼 在 Y0 至 Y7 對(duì)應(yīng)的輸出端以低電平譯出。 該設(shè)計(jì)中顯示模塊采用兩片四位共陰極 LED 數(shù)碼管，分別顯示實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的土壤濕度與溫度數(shù)據(jù)。 由于 LED 基本上屬于電流敏感元件，其正向壓降的分散性很大，并且還與溫度有關(guān)，為了保證數(shù)碼管具有良好的亮度均勻度，就需要使其具有恒定的工作電流，且不能受溫度及其它因素的影響。發(fā)光二極管的陽(yáng)極連接到一起連接到電源正極的稱為共陽(yáng)數(shù)碼管，發(fā)光二極管的陰極連接到一起連接到電源負(fù)極的稱為共陰數(shù)碼管。LED 數(shù)碼管有一般亮和超亮等不同之分，也有 寸、 1 寸等不同的尺寸。 當(dāng)數(shù)碼管特定的段加上 電壓 后，這些特定的段就會(huì)發(fā)亮，以形成我們眼睛看到的字樣了。 數(shù)碼管 實(shí)際上是由七個(gè)發(fā)光管組成 8 字形構(gòu)成的，加上小數(shù)點(diǎn)就是 8 個(gè)。逐次逼近的操作過(guò)程是在一個(gè)控制電路的控制下進(jìn)行的。重復(fù)此過(guò)程，直至逼近寄存器最低位。逐次逼近法轉(zhuǎn)換過(guò)程是：初始化時(shí)將逐次逼近寄存器各位清零；轉(zhuǎn)換開(kāi)始時(shí)，先將逐次逼近寄存器最高位置 1，送入 D/A 轉(zhuǎn)換器，經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換后生成的 模擬量 送入比較器，稱為 Vo ，與送入比較器的待轉(zhuǎn)換的模擬量 Vi 進(jìn)行比較，若 VoVi，該位 1 被保留，否則被清除。 PCF8591 是比較常見(jiàn)的一種逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換的時(shí)間為微秒級(jí)。 PCF8591 引腳圖如下。 PCF8591 的功能包括多路模擬輸入、內(nèi)置跟蹤保持、 8bit 模數(shù)轉(zhuǎn)換和 8bit 數(shù)模轉(zhuǎn)換。 PCF8591 的 3 個(gè)地址 引腳A0, A1 和 A2 可用于硬件地址 編程 ，允許在同個(gè) I2C 總線上接入 8 個(gè) PCF8591 器 件，而無(wú)需額外的硬件。 PCF8591具有 4 個(gè)模擬輸入、 1 個(gè)模擬輸出和 1 個(gè)串行 I178。本設(shè)計(jì)中采用常見(jiàn)的 PCF8591 型 AD 轉(zhuǎn)換器。但在 A/D 轉(zhuǎn)換前， 輸入到 A/D 轉(zhuǎn)換器的輸入信號(hào)必須經(jīng)各種傳感器把各種物理量轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。 A/D 轉(zhuǎn)換器是用來(lái)通過(guò)一定的電路將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量。 AD 轉(zhuǎn)換模塊選擇 AD 轉(zhuǎn)換就是模數(shù)轉(zhuǎn)換，也可以是整流。光照度采用國(guó)產(chǎn) ZDU 硅光電池。利用硅光電池的這個(gè)特性，光照度傳感器的信號(hào)調(diào)節(jié)電路如圖所 示。硅光電池的短路電流與光照度成線性關(guān)系。 硅光電池的工作原理為 : 當(dāng)光照射到 PN 結(jié)上時(shí)，便在 NP 結(jié)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)與 NP 結(jié)自建場(chǎng)相反的光生電場(chǎng) (方向由 P 區(qū)指向 N 區(qū) )。NP 結(jié)的結(jié)深較淺 (100nm)，以提高光電轉(zhuǎn)換效率 。 基于太陽(yáng)能的滴灌控制系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì) 20 圖 硅光二極管的光照特性 硅光電池有一個(gè)能射入光線的窗口，窗口上鑲嵌著玻璃透鏡 。發(fā)展集成型 aSi 光電池組 件， 激光切割 的使用 有效面積 達(dá) 90%以上，小面積 轉(zhuǎn)換效率 提高到 %，大面積 大量生產(chǎn) 的為 810%，疊層結(jié)構(gòu)的最高效率為 21%。為提高效率和改善穩(wěn)定性，有時(shí)還制成三層 pin 等多層疊層式結(jié)構(gòu)，或是插入一些過(guò)渡層。 aSi（ 非晶硅 ） 光電池 一般采用 高頻 輝光放電 方法使 硅烷 氣體分解沉積而成的。以 定向凝固 法生長(zhǎng)的鑄造 多晶硅 錠代替 單晶硅 ，可降低成本，但效率較低。目前主要課題是繼續(xù)擴(kuò)大產(chǎn)業(yè)規(guī)模，開(kāi)發(fā)帶狀硅光電池技術(shù)，提高 材料利用率 。采用埋層電極、表面 鈍化 、強(qiáng)化陷 光、密柵工藝、優(yōu)化背電極及接觸電極等 技術(shù)，提高材料中的 載流子 收集效率，優(yōu)化抗 反射膜 、 凹凸表面、高反射背電極等方式， 光電轉(zhuǎn)換 效率有較大提高。硅光電池的 PN 結(jié)面積要比二極管的 PN結(jié)大得多，所以受到光照時(shí)產(chǎn)生的 電動(dòng)勢(shì) 和電流也大得多。 硅光電池是一種直接把光能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件。因此，選用硅光電池作為光照度傳感器的轉(zhuǎn)換元件。通常分為 3 類 : 一是外光電效應(yīng)元件，此類光電轉(zhuǎn)換元件有光電管、光電倍增管等； 二是內(nèi)光電效應(yīng)元件，此類光電轉(zhuǎn)換元件有光敏電阻、光導(dǎo)管等； 三是光生伏特效應(yīng)元件，此類光電轉(zhuǎn)換元件有光電池、光電晶體 管等。夏季在陽(yáng)光直接照射下， 光照強(qiáng)度 可達(dá) 6 萬(wàn)～ 10 萬(wàn) lx，沒(méi)有太陽(yáng)的室外 萬(wàn)～ 1 萬(wàn) lx，夏天明朗的室內(nèi) 100～ 550lx，夜間滿月下為 。照度的單位為 lx（ 勒克斯 ） ,也有用 lux 的， 1lx=1lm/㎡ 。一個(gè)被光線照射的表面上的照度（ illumination/illuminance）定義為照射在單位面積上的 光通量 。 在植物的生理生態(tài)的綜合測(cè)試中，光照度也是非常重要的參數(shù)，它與植物的蒸騰流速率成顯著正相關(guān)。 基于太陽(yáng)能的滴灌控制系統(tǒng)總體硬件設(shè)計(jì) 18 圖 211 土壤濕度傳感模塊電路圖 光照強(qiáng)度傳感器選型 光敏傳感器 的基礎(chǔ)是 光電效應(yīng) ，即利用 光子 照射在器件上，使電路中產(chǎn)生電流或使電導(dǎo) 特性發(fā)生變化的效應(yīng)。 四川理工學(xué)院畢業(yè)論文 17 圖 210 標(biāo)定關(guān)系曲線圖 標(biāo)定公式 : 0%40%濕度為 :y=*x 40%一 100%濕度為 :y=*x 一 (X 為采集器采集到的電壓值 ) 公式選擇方式為 : 先使用第一個(gè)公式進(jìn)行運(yùn)算，如果結(jié)果大于 40，則使用第二個(gè)公式重新進(jìn)行運(yùn)算。 該傳感器模塊結(jié)構(gòu)圖 29 如下。 FC28 土壤水分傳感器可測(cè)量土壤水分的體積百分比，與土壤本身的機(jī)理無(wú)關(guān)，如圖 28。水分是決定土壤介電常數(shù)的主要因素。干濕球濕度計(jì)和普通得濕度計(jì)并不能用作標(biāo)定，就是因?yàn)闃?biāo)定后的精度無(wú)法保證。因此，用常規(guī)方法測(cè)量濕度得誤差可達(dá)士 %5~20%。過(guò)去用干濕球濕度計(jì)或毛發(fā)濕度計(jì)來(lái)測(cè)量濕度的方法，早已無(wú)法滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要。 土壤濕度傳感器選型 在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，和溫度一樣，需要對(duì)環(huán)境濕度進(jìn)行測(cè)量及控制，準(zhǔn)確地測(cè)量濕度更是至關(guān)重要的。這一點(diǎn)在進(jìn)行 DS1820 硬件連接和軟件設(shè)計(jì)時(shí)也要給予 一定的重視。因此，在用 DS1820 進(jìn)行長(zhǎng)距離測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考 慮總線分布電容和阻抗匹配問(wèn)題。當(dāng)將總線電纜改為雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正常通訊距離可達(dá) 150m，當(dāng)采用每米絞合次數(shù)更多的雙絞線帶屏蔽電纜時(shí)，正 常通訊距離進(jìn)一步加長(zhǎng)。 連接 DS1820 的總線電纜是有長(zhǎng)度限制的。 在 DS1820 的有關(guān)資料中均未提及單總線上所掛 DS1820 數(shù)量問(wèn)題，容易使人誤認(rèn)為可以掛任意多個(gè) DS1820，在實(shí)際應(yīng)用中并非如此。 圖 27 DS18B20 測(cè)溫原理框 圖 DS1820 使用中注意事項(xiàng)： DS1820 雖然具有測(cè)溫系統(tǒng)簡(jiǎn)單、測(cè)溫精度高、連接方便、占用口線少等優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)際應(yīng)用中也應(yīng)注意以下幾方面的問(wèn)題： 較小的硬件開(kāi)銷(xiāo)需要相對(duì)復(fù)雜的 軟件 進(jìn)行補(bǔ)償，由于 DS1820 與微處理器間采用四川理工學(xué)院畢業(yè)論文 15 串行數(shù)據(jù)傳送，因此 ， 在對(duì) DS1820 進(jìn)行讀寫(xiě)編程時(shí)，必須嚴(yán)格的保證讀寫(xiě)時(shí)序，否則將無(wú)法讀取測(cè)溫結(jié)果。圖中的斜率累加器用于補(bǔ)償和修正測(cè)溫過(guò)程中的非線性，其輸出用于修正計(jì)數(shù)器 1 的預(yù)置值。計(jì)數(shù)器 1 和溫度寄存器被預(yù)置在 － 55℃ 所對(duì)應(yīng)的一個(gè)基數(shù)值。 DS18B20 的外形及管腳排列如下圖 26: 圖 26 DS18B20 外形及管腳排列圖 DS18B20 的讀寫(xiě)時(shí)序和測(cè)溫原理與 DS1820 相同，只是得到的溫度值的位數(shù)因分辨率不同而不同，且溫度轉(zhuǎn)換時(shí)的延時(shí)時(shí)間由 2s 減為 750ms?！?； 可編程的分辨率為 9～ 12 位，對(duì)應(yīng)的可分辨溫度分別為 ℃ 、 ℃ 、 ℃和 ℃ ， 可實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)溫； 在 9 位分辨率時(shí)最多在 內(nèi)把溫度轉(zhuǎn)換為數(shù)字， 12 位分辨率時(shí)最多在750ms 內(nèi)把溫度值轉(zhuǎn)換為數(shù)字，速度更快； 測(cè)量結(jié)果直接輸出數(shù)字溫度信號(hào)，以 一 線總線 串行傳送給 CPU，同時(shí)可傳送CRC 校驗(yàn)碼，具有極強(qiáng)的抗干擾糾錯(cuò)能力； 負(fù)壓特性：電源極性接反時(shí)，芯片不會(huì)因發(fā)熱而燒毀， 但不能正常工作。 本次設(shè)計(jì)采用 DS18B20 常用溫度傳感器，具有體積小，硬件開(kāi)銷(xiāo)低，抗干擾能力強(qiáng)，精度高的特點(diǎn)。非接觸式溫度傳感器無(wú)需與被測(cè)介質(zhì)接觸，而是通過(guò)被測(cè)介質(zhì)的熱輻射或?qū)α鱾鞯綔囟葌鞲衅鳎赃_(dá)到測(cè)溫的目的。接觸式溫度傳感器需要與被測(cè)介質(zhì)保持熱接觸，使兩者進(jìn)行