基于单片机温室大棚温度和湿度数据采集系统的设计

基于单片机温室大棚温度和湿度数据采集系统的设计内容摘要：

第 9 页 3 系统硬件电路的设计 经过上面的总体方案和实施措施的讨论后可以着手硬件系统的设计，硬件系统是应用系统的基础、软件系统设计的依据。 相关元器件的选择 元器件的选择，必须考虑到功能的实现、器件的适时性、价格和通用性等几个方面。 在电路的设计中，在实现所要求功能的基础上，尽量使电路简单。 电子器件的种类繁多，且不同的器件有着不同的性能 和不同的使用方法、使用范围。 本节主要对单片机、温湿度传感器、模数转换 A/D和显示器系统进行选择，并在其中做了比较。 单片机的选择 目前单片机己被广泛地应用于家电、农业生产现代化、仪器仪表设计、医疗设备、工业生产自动化、航空航天等领域。 比较流行的单片机种类主要有 Atmel 公司、 Intel 公司、 Philip公司的 51 系列单片机， Intel 公司的 MCS96 系列单片机 ,Motorola 公司的 M6800 系列单片机等。 各系列的单片机在处理速度、稳定性、 I/O 能力、功耗、功能、价格等方面各有优劣，这些单片机中， 用户可根据自己的需要灵活的选择。 虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以 MCS51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有 PHILIPS 公司的产品， ATMEL公司的产品和中国台湾的 WinBond 系列单片机。 根据总体功能和性价比及其运行速度等因素的考虑，选用 MCS51 系列的 89C51 为主机，满足上面的要求而且设计方便，不需要再存储扩展。 它是一种低功耗、低价格，高性能的 8位微处理器。 湿度传感器的选择 湿度的检测方法，一般采用湿敏元件检测，除电阻式、电容式湿敏元件之外，常见的还有光强型、电解质 离子型、声表面波湿敏元件等。 湿敏元件的抗污染性以及线性度较差，在检测作业环境湿度时，湿敏元件需要长期运作在待测环境中，很容易受到环境影响而降低其测量精度及影响其长期稳定性。 湿敏电阻的种类多，灵敏度高，但是线性度和产品的互换性差。 湿敏电容灵敏度高，产品互换性高，响应速度快，偏于实现产品小型化和集成化，但是精度一般比湿敏电阻要低一些。 湿度检测还可以采用集成模拟传感器，集成湿度传感器HIH3610，该传感器采用热固聚酯电容式传感头，并且在芯片内部集成了能够进行信号处理功能的电路，因此该传感器可以将环境中的相对湿度 转换成电容值，然后将此电容值转换成电压输出，该传感器转换高精度、响应速度快、稳定性好、低温漂、抗化学腐蚀等。 综合考虑本设计选用湿度传感器 HIH3610。 皖西学院本科毕业 论文（设计） 第 10 页 温度传感器的选择 温度检测一般采用热电偶、热敏电阻以及集成温度传感器等。 热电偶的工作原理是建立在导体的热效应上， 两种不同性质的导体两端经焊接，组成闭合回路，直接测温端叫热端 ，接线端叫冷端，也称自由端。 当热端和冷端的温度不同，存在温差时，就会在回路中产生热电动势；这两种不同材料的导体在相互接触的时候，由于其内部电子密度的不同，会产生电子 扩散，进而形成电位差，此电位差称为接触电动势。 接上测试仪表，就会指示出热电偶所产生的热电动势和接触电动势的对应温度值。 热电偶应用广泛，价格便宜而且耐用。 种类多，能够覆盖非常宽的温度范围，最高温度可以到达 2020℃。 但是其响应速度慢、精度中等、灵敏度低、稳定性低、高温下容易老化和有线性漂移，并且测量需要参考量。 热敏电阻的阻值随温度的升高而成非线性急剧变化，一般具有负的温度系数，其阻值随温度升高而急剧减小，只有少数具有正的温度系数。 热敏电阻主要用于 200 到 500℃温度范围内的温度测量。 其温度系数要大而且需要稳 定的温度源，反应速度快，工艺好，价格低，测温环境稳定。 集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路，它是利用晶体管的 be 结压降的不饱和值 Vbe 与热力学温度 T 和通过发射极电流 I的关系实现对温度的检测。 其线性度好、精确度适中、灵敏度高、响应速度快、封装体积小、使用方便、价格较低，具有长期稳定性等特点，在工业生产和日常生活中得到广泛应用，而且它可以和信号处理电路及逻辑控制电路集成在一起。 热电偶和热敏电阻的测量精度都比较高，成本比较低，而且测量的范围也比较宽，但是它容易受到测量场所以及所测环境的限制，高温或长期使用会使 其性能下降，需要定期的维护检查与更换，给现实应用带来了不便。 故本设计决定采用 AD590 集成温度传感器。 本系统也可以采用数字式传感器，如 DS18B20 和 SHT10 作为温度和湿度测量元件， SHT10包含相对湿度传感器、温度传感器，集温湿度检测的一个整体。 SHT10 作为典型的温湿度传感器，在测量过程中可对相对温湿度进行自动校准，准确的测量温湿度，产品互换性好，响应速度快，抗干扰性强，不需要外部参考源和外部器件，且设计出的电路结构简单。 但是由于本课题要求设计出模数转换电路，故排除此类数字式传感器。 AD590 集成温度传感器和湿度传感器 HIH3610 输出均为模拟量，在接入电路中，都需要通过 A/D 转换器，把模拟信号转换成单片机能够接收的数字信号从而使单片机存储采集和处理的数据。 若模拟信号太弱，还需经过运算放大器放大信号。 显示器的选择 方案一：数码管显示，数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段多一个小数点的 led，但其使用原理均是一样的。 数码管的驱动方式可以分为静态驱动和动态驱动，静态驱动编程简单，显示亮度高但是占用 I/O 端口多，在实际应用时必须增加译码 皖西学院本科毕业 论文（设计） 第 11 页 器驱动进行驱动，增加了硬件 电路的复杂性。 动态电路是最广泛的显示方式之一，其能够节省大量的 I/O端口，而且功耗低，电路设计、编程方法简单。 方案二： LCD1602 液晶显示，具有字符发生器，可显示 192种字符，具有 64 个字节的自定义字符 RAM，可自定义字符。 具有标准的外接端口特性，适用于 M6800 系列控制机的操作时序。 结构紧凑、芯片轻巧、装配容易，像素尺寸小，分辨率高，但编程等较复杂。 综上，选择 LED作为本次系统设计的显示元件。 模数转换 A/D 的选择 A/D 转换器的主要功能是将模拟电压或电流转换成数字量。 实现 A/D 转换的方法 很多，常用的有双积分式 A/D 转换器、逐次逼近式 A/D 转换器和并行比较式 A/D 转换器等。 双积分 A/D 转换器的特点是转换精度高、灵敏度高、抑制干扰信号的能力强，价格低廉，可广泛用于数字仪表和低速数据采集系统中。 另外，这类转换器的输出数据常以 BCD 码或二进 制码格 式 输 出， 所 以数 字 显示 方 便。 常 用的 双 积分 式 A/D 转 换 器 集成 器 件 有ICL7106/7107/7109/713 MC14433 等。 逐次逼近式 A/D 转换器是一种转换速度较快，转换精度较高的转换器。 一次转换时间在数微秒到百微秒范围内，广泛应用于中高速数据采集系统、 在线自动检测系统、动态测控系统等领域中。 目前常用的逐次逼近式 A/D 转换器集成芯片 有 ADC0808/080 AD574A、 AD167 ADC1210/1211 等。 并行比较式 A/D 转换器是一种转换速度最快的转换器，它最适合应用在数字通信技术和高速数据采集技术中。 缺点是电路复杂，价格高。 由于本设计用于检测显示温 湿 度信号，而温 湿 度信号变化比较缓慢， 且采集的信号较多，ADC0809 有 8 路模拟量输入通道， 所以选择逐次逼近式 A/D 转换器 ADC0809。 硬件电路的设计 主要芯片 89C51 的功能 89C51是 Intel公司于 80年代初推出的 8位嵌入式微控制器（内外部数据总线均为 8位），具有性能高、功能全、售价低廉、使用方便等优点。 由于大的高度集成化已把许多常用的输入检测输出控制通道都制作在同一块硅片上，大大地灵活了外部连线，增强了系统的稳定性，非常适合于工业环境下的安装使用。 89C51 单片机引脚采用 40 脚双列直插式封装结构。 8951系统的 CPU 的主要特色是体积小，重量轻，抗干扰能力强，售价低，使用方便。 89C51 工作时所需的时钟可通过其 XTAL 输入引脚由外部输入，也可采用芯片内部的振荡器。 其工作 频率为 6～ 12MHz。 在本系统中采用 12MHz 频率。 皖西学院本科毕业 论文（设计） 第 12 页 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，分成 4个 8位口。 相关引脚功能介绍可查阅相关资料。 单片机外围电路设计 在本系统中单片机的外围电路可分为：复位电路和晶振电路 (1)复位电路 工业控制系统在运行时，经常都会遇到各种各样的环境干扰与电路干扰，在系统不能正常工作时需要有一个复位开关来使系统重新启动运行。 本设计单片机开关复位电路包含了上电复位电路。 其电路图如图 所示： 图 开关复位电路 (2)晶振电路 在单片机电路中晶振结合单片机内部的电路，产生单片机所必需的时钟频率，单片机的一切指令的执行都是建立在由晶振产生的振荡的基础上，不同的指令有不同的指令周期。 晶振利用一种特殊的晶体，在电能和机械能之间相互转化产生共振，提供稳定精确的单频振荡，为系统提供基本的时钟信号。 C C2为负载电容， X1 为晶振， 12MHz。 设计中晶振电路如图。 图 晶振电路 电源电路 采用全桥整流电路将交流电压转化为直流电压 ,系统硬件电路要求电源额定电压为 5 V ,单片机系统要求电源电压的纹波系数尽可能小 ,基于以上要求 ,选用固定输出线形稳压集成器LM78H05。 该稳压器的输入电压 VIN 在 7 V～ 35 V 的范围变化 ,输出电压可保证为 5 V 输出和A/D转换芯片 ADC0809的电源电压。 该稳压器还具有过热保护和过压保护功能 ,线性稳压结构可使电源纹波系数降低。 电源电路原理图如图 ： 皖西学院本科毕业 论文（设计） 第 13 页。