基于单片机的大棚温湿度控制系统的设计

基于单片机的大棚温湿度控制系统的设计内容摘要：

要电路的设计 主要芯片 89C51的功能及引脚图 芯片 89C51共有 40个引脚，其中电源引脚有 4个，控制引脚有 4个，并行的 I/O接口有 32个，其引脚图如图 22所示： 图 22 89C51引脚 （ 1）电源及时钟引脚（ 4个） Vcc:电源接入引脚； Vss:接地引脚； XTAL1:晶体振荡器接入的一个引脚（采用外部振荡器时，此引脚接地）； XTAL2:晶体振荡器接入的另一个引脚（采用外部振荡器时，此引脚作为外部 7 振荡信号的输入端）。 （ 2）控制线引脚（ 4个） RST/VPD:复位信号输入引脚 /备用电源输入引脚； ALE/PROG:地址锁存允许信号输出引脚 /编 程脉冲输入引脚 (低电平有效）； EA/Vpp:内外存储器选择引脚（低电平有效） /片内 EPROM（或 FlashROM）编程电压输入引脚； PSEN:外部存储器选通信号输出引脚（低电平有效）。 (3)并行 I/O引脚（ 32个，分成 4个 8位口） ～ :一般 I/O引脚或数据 /低位地址总线服用引脚； ～ :一般 I/O引脚； ～ :一般 I/O引脚或高位地址总线引脚； ～ :一般 I/O引脚或第二功能引脚。 温湿度检测电路的设计 本系统选择的温湿度传感器是由 瑞士 Sensirion 公司推出了 SHT11 单片数字温湿度集成传感器，采用 CMOS 过程微加工专利技术（ CMOSens technology），确保产品具有极高的可靠性和出色的长期稳定性。 该传感器 包括一个电容性聚合体湿度敏感元件、一个用能隙材料制成的温度敏感元件，并在同一芯片上，与l4位的 A／ D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。 每个传感器芯片都在极为精确的湿度腔室中进行标定，以镜面冷凝式湿度计为参照。 校准系数以程序形式存储在 OTP 内存中，在校正的过程中使用。 两线制的串行接口，使外围系统集成变得快速而简单。 微 小的体积、极低的功耗，使其成为各类应用的首选。 下图 2— 3为 SHT11 传感器内部结构框图 8 图 2— 3 SHT11 内部结构图 温湿度传感器 SHT11的 工作原理 SHT11 的温湿度检测运用电容式结构，并采用具有不同保护的“微型结构”检测电极系统与聚合物覆盖层来组成传感器芯片的电容，除保持电容式湿敏器件的原有特性外，还可抵御来自外界的影响。 由于它将温度传 感器与湿度传感器结合在一起而构成了一个单一的个体，因而测量精度高且可精确得出露点，同时不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化引起的误会。 CMOSensTM 技术不仅将温湿度传感器结合在一起，而且还将信号放大器、模 /数转换器、校准数据存储器、标准 I2C 总线等电路全部集成在一个芯片内。 SHT11 的每一个传感器都是在极为精确得湿度室内中校准的。 SHT11 传感器的校准系数预先存在 OTP 内存中。 经校准的相对湿度和温度传感器与一个 14 位的 A/D 转换器相连，可将装换后的数字温湿度值送给 I2C 总线器件，从而将数字信 号转换为符合 I2C 总线协议的串行数字信号。 由于将传感器与电路部分结合在一起，因此，该传感器具有比其他类型的温湿度传感器优越得多的性能。 首先是传感器信号强度的增加增强了传感器的抗干扰性能，保证了传感器的长期稳定性，而 A/D转换的同时完成，则降低了传感器对干扰噪声的敏感程序。 其次在传感器芯片内装载的校准数据保证了每一只温湿度传感器都具有相同的功能，即具有 100%的互换性。 最后，传感器可直接通过 I2C 总线与任何类型的微处理器、微控制器系统连接，从而减少了接口电路的硬件成本，简化了接口方式。 DATA GND VDD 湿度传感器 温度传感器 放大器 14 位模数转换器 标定储存器 I2C 总 线 接 口 SCK 9 温湿度调节 系统的设计 温湿度调节系统包括加湿模块除湿模块、加温模块和制冷模块。 它是由单片机的 I／ O 口控制的，有效控制电平为 +5V，执行机构的各种设备都是在市电下正常工作的，必须采用 I／ O口控制继电器的导通和切断来控制市电的通断，也即控制执行设备的工作状态。 由于单片机的 I／ O不能提供足够的电流，不能直接驱动继电器导通，因此，我们采用达林顿管，将进行两级放大，提供了足够大的驱动电流，让继电器中的电感线圈产生足够大的磁力，将开关吸合。 用户预先输入温湿度报警值到程序中，该值作为系统阈值。 温湿度传感器监测值传输给单片机，当单 片机比较监测到的数值超出所设定阈值时，驱动蜂鸣器报警，并为温湿度调节系统提供控制信号，实现自动控制。 X25045简介 X25045 是美国 Xicor 公司的生产的标准化 8脚集成电路，它将 EEPROM、看门狗定时器、电压监控三种功能组合在单个芯片之内，大大简化了硬件设计，提高了系统的可靠性，减少了对印制电路板的空间要求，降低了成本和系统功耗，是一种理想的单片机外围芯片。 X25045 引脚如图 3 所示。 图 3 X25045 引脚图 X25045 硬件连接图如图 4所示。 X25045 芯片内包含有一个看门狗定时器，可通过软件预置系统的监控时间。 在看门狗定时器预置的时间内若没有总线活动，则 X25045 将从 RESET 输出一个高电平信号，经过微分电路 C R3 输出一个正脉冲，使 CPU复位。 图 2电路中， CPU 的复位信号共有 3个：上电复位 (CR2)，人工复位 (S、 R R2)和 Watchdog 复位 (C R3)， 通过或门综合后加到 RESET端。 C R3 的时间常数不必太大，有数百微秒即可，因为这时 CPU的振荡器已经在工作。 10 图 4 X25045 看门狗电路硬件连接图 看 门狗定时器的预置时间是通过 X25045 的状态寄存器的相应位来设定的。 如表 1所示， X25045 状态寄存器共有 6 位有含义，其中 WD WD0 和看门狗 电路有关，其余位和 EEPROM 的工作设置有关。 表 1 X25045 状态寄存器 WD1＝ 0， WD0=0，预置时间为。 WD1＝ 0， WD0=1，预置时间为。 WD1＝ 1， WD0=0，预置时间为。 WD1＝ 1， WD0=1，禁止看门狗工作。 看门狗电路的定时时间长短可由具体应用程序的循环周期 决定，通常比系统正常工作时最大循环周期的时间略长即可。 编程时，可在软件的合适地方加一条喂狗指令，使看门狗的定时时间永远达不到预置时间，系统就不会复位而正常工作。 当系统跑飞，用软件陷阱等别的方法无法捕捉回程序时，则看门狗定时时间很快增长到预置时间，迫使系统复位。 3. 硬件设计 温湿度测量电路 温湿度测量用的是 SHT11 温湿度传感器， 该传感器 包括一个电容性聚合体湿度敏感元件、一个用能隙材料制成的温度敏感元件，并在同一芯片上，与 l4 位的 A／ D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。 该传感器与 89C51的电路连接图，如图 3— 2所示： 11 图 3— 2 SHT11 的测量时序如下：当一个 SCK 为高电平时， DATA 出现低电平，然后SCK变为低电平，接着当 SCK再为高电平时， DATA也变为高电平则表示开始数据读写（启动序列）温湿度传感器 SHT11 送出的温度、湿度数据必须经过数据转换才能表示实际的温度和湿度，其公式如下： Tc=d1+d2 SOT RHLinear=C1＋ C2 SORH＋ C3 SORH2 RHTrue=（ Tc－ 25） (t1＋ t2 SORH)＋ RHLinear 式中： Tc为温度； RHTrue为经过温度补偿的相对湿度； d d2与温度分辨率有关； C C C t t2 与湿度分辨率有关； SOT 表示从 SHT11 中读出的温度值； SORH表示从 SHT11 中读出的湿度值。 其对应关系如表 表 3 所示 表 2温度校正系数 d1 d2 14b（ 5V） － 40 表 3湿度校正系数 C1 C2 C3 t1 t2 12b － 4 － LCD显示电路 LCD 显示电路用 LCD1602 字符型液晶显示模。