基于89c51单片机的蔬菜大棚自动控制系统

基于89c51单片机的蔬菜大棚自动控制系统内容摘要：

SS：电源地线。 2） 控制总线 ALE/PROG：地址锁存允许信号，在它的下降沿用于外部存储器的低 8位地址锁存，使 BUS（ P0）分时用作地址总线低 8 位和数据总线。 此信号每机器周期出现 2 次，只在访问外部数据存储器期间才不输出 ALE。 所以在任何不使用外部数据存储器的系统中， ALE 以 1/6 振荡频率的固定速率输出，因而它能用作外部时钟和定时器。 /PSEN：外部程序存储器选择信号，并在外部程序存储器读取指令时产生，指令内容读到数据总线上。 PSEN 在每个机器周期产生 2 次有效，在执行内部程序存储器取指时， PSEN 无效。 RST/VPD：复位输入信号。 在振荡器工作时，该引脚 2 个机器周期的高电平可实现复位操作。 在掉电情况下（ VCC 降到操作允许限度以下），VPD 将为芯片内的 RAM 提供备用电源。 /EA/VDD：访问外部程序存储器控制信号输入端。 当为低电平时，单片机都到外部程序存储器取指。 当 EA 为高电平且 PC 值小于 0FFFH 时，CPU 执行内部程序存储器程序。 3） I/O 线 P0（ BUS）：单片机的双向数据总线和低 8 位地址总线。 在分时操作时先用作地址总线，在 ALE 信号的下降沿，地址被锁存，然后作为数据总线；也可以作为双向并行 I/O 口。 在程序校验期间，它用于数据输出。 P1：准双向 I/O 口。 P2：准双向 I/O 口。 在访问外部存储器时，用作高 8 位地址总线。 P3：准双向 I/O 口。 P3 的每一根线还有特殊的第二功能，如表（ 1）所示。 兰州理工大学毕业设计说明书 8 表（ 1） P3 口的第二功能 引脚 第二功能标记 第二功能 RXD 串行输入口 TXD 串行输出口 INT0 外部中断 0 输入 INT1 外部中断 1 输入 T0 定时 /计数器 0 外部输入 T1 定时 /计数器 1 外部输入 WR 外部数据存储器写选通 RD 外部数据存储器读选通 4） 振荡器和 时钟电路 XTAL1：内部振荡器外接晶振的一个输入端。 在使用外部振荡源时，此端必须接地。 XTAL2：内部振荡器外接晶振的另一个输入端。 在使用外部振荡源时，此端用于输入外部振荡信号。 XTAL2 也是内部时钟的发生器的输入端。 温度检测电路的设计 温度检测电路作为输入通道的主要部分之一，在整个系统中是至关重要的。 温度检测元件的类型选择和被控温度及精度等级有关。 温度传感器的选择 温度传感器有模拟温度传感器（如热电阻、热电偶），数字式温度传感器，光纤传感器等，模拟温度传 感器信号调节较为简单，但是互换性差，温度与输出阻值之间呈非线性关系。 且需经过 A/D 转换后才能送进单片机内。 数字式温度传感器不需要 A /D 转换电路，测量精度高，可靠性强，且可直接与单片机相连。 光纤传感器测量精度更高，可是价格更贵，一般在精度要求非常高的情况下才采用，所以本设计选用数字式温度传感器。 根据蔬菜大棚内的实际情况，其温度 一般为白天 2535℃，夜间在 715℃ ，而温度传感器 DS 18B20 的测量范围： 55℃～ +125℃，能够满足系统要求，查阅资料最终选定 DS 18B20 单线数字温度传感器。 兰州理工大学毕业设计说明书 9 温度传感器 DS18B20 的介绍  温度传感器 DS18B20 主要技术指标有：①测量范围： 55℃～ +125℃，②测量精度： ℃，③反应时间≤ 500ms。  DS18B20 的特性为： （ 1）应用中不需要外部任何元器件即可实现测温电路。 （ 2）只通过一条数据线即可实现通信。 （ 3）每个 DS1820器件上都有独一无二的序列号，所以一条数据线上可以挂接很多该传感器。 （ 4）内部有温度上、下限告警功能。  DS1820 内部结构及工作原理 数字温度传感器 DS18B20 内部结构如下图 所示： 6 4 位 光 该 R O M和 总 路 线 接口存 储 器 控 制 逻 辑暂 存 寄存 器温 度 传 感 器高 温 触 发 器 T H低 温 触 发 器 T L检 验 C R C 发 生 器供 电 力自 动 检测G N DV D DV C CD Q4 . 7 K 图 DS18B20 内部结构图 从图 中可知， DS18B20 有 64 位光刻 ROM， E2PROM(TH,TL)的温度报警器，暂存寄存器、 CRC 校验发生器等。 图中 64 位光刻 ROM 中 64 位序列号可看做是 DS18B20 的地址序列号，其测温的工作原理如图 所示。 斜 率 累 加 器预 置预 置低 温 度 系数 振 荡 器高 温 度 系数 振 荡 器温 度 寄 存 器= 0计 数 器计 数 器= 0比较 图 DS18B20 的测温原理 兰州理工大学毕业设计说明书 10 图中低温度系数晶振用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器 1，高温度系数的晶振所产生的信号作为计数器 2 的脉冲输入。 计数器 1 和温度寄存器分别被预置每 度计数值和在 55℃时所对应的一个基数值。 计数器 1 对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器减 1 到 0时，温度寄存器的值将加 1，计数器 1 有预置值将重新被装入，计数器 1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数。 如此循环，直到计数器 2 到 0 时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的值即为所测的温度。 图中斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性。 温度传感器 DS18B20 的硬件接线图 在硬件上， DS18B20 与单片机的连接有两种方法，一种是 Vcc 接外部电源， GND 接地， I/O 与 单片机的 I/O 线相连；另一种是用寄生电源供电，此时 VDD、 GND 接地， I/O 接单片机 I/O。 无论是内部寄生电源还是外部供电， I/O 口线要接 5 K左右的上拉电阻。 在本系统中， DS18B20 采用外部电源供电方式。 本设计中使用了 4个温度传感器 DS18B20， 来自其内部温度传感器的信息通过一线接口被送到 89C51 的 口实现温度采样。 每一个 DS18B20 有唯一的序列号，因此多个 DS18B20 可以挂接在同一条单线总线上。 4 个 DS18B20 温度传感器与单片 机的接线图如图 所示。 图 4 个 DS18B20 温度传感器与单片机的接线图 兰州理工大学毕业设计说明书 11  DS18B20的工作过程为： 复位操作 ： 执行 RO M 操作的 5条指令之一： 1）读 RO M， 2）匹配 RO M， 3）搜索 ROM， 4）跳过 RO M， 5）报警搜索。 存储器操作命令：温度转换、读取温度、设定上下限温度值等指令 读取温度数据：主机读取温度数据后进行数据处理。 连接 DS1820 的总线电缆是有长度限制的。 当采用普通信号电缆传输长度超过 50m 时，读取的测温数据将发生错误。 当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距 离可达 150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。 湿度检测电路的设计 本次设计中的湿度检测电路主要是对空气中的湿度进行测量以及对土壤湿度进行测量。 温室内要实现温湿度的精确控制必须进行多点测量，所以在设计时分别采用 4 片湿度传感器测量空气相对湿度，用 4片湿度传感器测量土壤相对湿度。 所以土壤水分检测电路的设计和湿度检测电路的设计类似，这里就只介绍空气相对湿度检测电路的设计。 湿度传感器的选择 常用的湿度传感器有 HIH360 SHT1 HM1500 等， HIH3605 芯片 的主要特点是线性电压输出，抗污染能力强。 HM1500 芯片的主要特点是线性电压输出，互换性强，不怕水侵，适合低温测量。 SHT11 是智能化传感器， 内部包含相对湿度传感器、温度传感器、放大器、 14 位 A/D 转换器、校准存储器（ E2PROM）、易失存储器（ RAM）、状态寄存器、循环冗余校验码（ CRC）寄存器、二线串行接口、控制单元、加热器及低电压检测电路。 考虑到温室大棚的污染程度不会很大，温度也不会特别低，而且 SHT11芯片本身具有放大器， A/D 转换器，所以可直接与单片机相连，结构简化了， 因此本设计采用 SHT11 湿度传感器。 湿度传感器 SHT11 的介绍  SHT11 湿度传感器的主要特性 （ 1） 将温湿度传感器、信号放大调理、 A/D 转换、 I2C 总线接口全兰州理工大学毕业设计说明书 12 部集成于一个芯片； （ 2） 可给出全校验相对湿度及温度值输出； （ 3） 湿度值输出分辨率为 14 位，温度值输出分辨率为 12 位，并可编程为 12 位和 8 位； （ 4） 小体积，可表面贴装； （ 5） 具有可靠的 CRC 数据传输校验功能； （ 6） 片内装载的校验系数可保证 100%互换性； （ 7） 电流消耗低。  SHT11 外部引脚说明 它的外部引脚图如图 所示 图 SHT11 引脚图 引 脚说明： （ 1） 电源引脚。 SHT11 的供电电压为 ～。 电源引脚（ VDD、GND）之间可增加一个 F 滤波电容。 （ 2） 串行时钟输入（ SCK）。 SCK 用于单片机与 SHT11 之间的通信同步。 由于接口包含了完全静态逻辑，因而不存在最小 SCK 频率。 （ 3） 串行数据（ DATA）。 DATA 三态门用于数据的读取。  SHT11 内部结构图及其测量原理 它的内部结构图如图 所示 图 SHT11 内部结构图 兰州理工大学毕业设计说明书 13 该传感器的测量原理是，首先利用两只传感器分别产生相对湿度或温度的信号，然后经过放大，分别送至 A/D 转换器进行模 数转换、校准和纠错，最后通过二线串行接口将相对湿度或温度的数据送至单片机。 湿度传感器 SHT11 的硬件接线图 SHT11通过两线串行接口电路与单片机连接，其中， DATA在 SCK时钟下降沿之后改变状态 ,并仅在 SCK时钟上升沿后有效 ,所以单片机可以在SCK高电平时读取数据 ,而当其向 SHT11发送数据时则必须保证 DATA线上的电平状态在 SCK高电平段稳定；为了避免信号冲突 ,单片机仅在低电平驱动 DATA，在需要输出高电平的时候 ,单片机将引脚置为高阻态 ,由外部的上拉电阻 (例如 : ) 将信号 拉至高电平，从而实现高电平输出。 本设计分别采用 4片湿度传感器 S HT11测量空气相对湿度，用 4片湿度传感器 S HT11测量土壤相对湿度。 S HT11是两线制的数据传输方式 ,在多点测量应用系统中通常是将多个 SHT11分别独立地连接到单片机 I/O口上， 单片机通过对每一个 SHT11进行测量操作 ,得到每一点的温湿度数据。 但这样的连接方式存在两个主要缺点 :（ 1）由于每个 SHT11占用单片机的两个 I/O口 ,所以单片机有限的 I/O口资源将制约 着所能测量 的最大点数 ；（ 2）由于每个 SHT11的测量所需时间是固定不变的 ,采用单独操作的逐个测量方式在多点测量系统中必然导致数据采集时间过长、控制滞后，从而影响控制系统性能的提高。 在温室测控应用系统中 ,要求所采集的温湿度数据是反应整个温室相同时间点的总体情况的 ,所以多个 SHT11必须同时开始测量 ,即单片机必须同时向多个 SHT11发送测量命令。 结合温室应用的具体要求 ,本文对 8个 SHT11 传感器和单片机的连接方式采取如下方案 :各 SHT11的 SCK线接到单片机的同一个 I/O口上 ,而 DATA线则分别接到不同 I/O口线上。 这种连接方式有几个优点 :首先 ,n 个传感器只占用 n+1个 I/O口 ,比前述方式节省了 n1个 I/O口 ,解决了多点测量系统中单片机 I/O口资源短缺和尽可能增加测量点之间的矛盾问题；其次 ,由于多个 SHT11共用一条时钟线所以在每次测量中可以同时发出测量命令 ,多个传感器同时进行测量 ,只需一次等待时间则完成了整体数据的收集 ,大大缩短了数据采集时间 ,为控制系统快速响应提供了条件。 测土壤湿度的原理和测空气湿度相同，这里就。