基于单片机的盆花自动浇水系统的设计

基于单片机的盆花自动浇水系统的设计内容摘要：

计数器 0 和 1 简介 定时器 /计数器 0和 1内部有一个计数寄存器（ THx 和 TLx ），它实际上是一个累加寄存器进行加 1计数。 定时器和计数器共用这个寄存器，但定时器 /计数器同一时刻只能工作在其中一种方式下，不可能既工作在定时器方式，同时又工作在计数器方式。 这两个工作方式的根本区别是在于计数脉冲的来源不同。 工作在定时器方式时，对振荡源 12分频的脉冲计数，即每过一个机器周期（ 1个机器周期在时间上和 12个振荡周期的时间相等），计数寄存器中 的值就加 1。 工作在计数器方式时，计数脉冲不是来自内部的机器周期，而是来自外部输入。 对定时器 /计数器 0、定时器 /计数器 1，计数脉冲分别来自 T0、 T1引脚。 当这些引脚上输入的信号产生高电平至低电平的负跳变时，计数寄存器的值就加 1。 单片机每个机器周期都要对对外部输入进行采样，如果在第一个周期采得的外部信号为高电平，在下一个周期采得的信号为低电平，则在再下一个机器周期，即第三个机器周期计数寄存器的值才增加 1[1]。 与定时器 /计数器 0 和 1 相关的特殊功能寄存器 ① 计数寄存器 TH0、 TL0和 TH TL1 计数寄存器是 16位的，再启动定时器时需要对它设定初始值。 THx 是计数寄存器的高 8位，TLx 是计数寄存器的低 8位。 TH0、 TL0对应 T/C0， TH TL1对应 T/C1。 ② 定时器 /计数器控制寄存器 TCON 定时器 /计数器控制寄存器 TCON的格式如下： TF1 TR1 TF0 TR1 IE1 IT1 IE0 IT0 湖南农业大学工学院毕业设计 14 TF1为 T/C1的溢出标志，溢出时由硬件置 1，进入中断后又由硬件自动清 0。 TR1为 T/C1的启动和停止位，由软件控制。 置 1时启动 T/C1；清 0时停止 T/C1。 TF0和 TR0的功能和使用方法以 TF TR1类似，只是它们针对的是 T/C0。 ③ 定时器 /计数器方式控制寄存器 TMOD 定时器 /计数器方式控制寄存器 TMOD的格式如下所示。 它的控制位都是由软件控制的，其中高4位是针对 T/C1的，低 4位是针对 T/C0的，其功能和使用方法相似。 GATE TC/ M1 M0 GATE CT/ M1 M0 现在以 T/C0来说明各 控制位的使用方法： GATE是一个选通位，当 GATE位置 1时， T/C0受到双重控制，只有 INT0 为高电平且 TR0位置 1是 T/C0才开始工作，当 GATE位清 0时， T/C0仅受到TR0的控制。 TC/ 用来选择工作在定时器方式还是计数器方式。 当该位置 1时工作在计数器方式，清 0时工作在定时器方式。 M1和 M0 联合起来用于选择操作模式，一共有四种操作模式，如表 22所示。 表 22 操作模式 M1 M0 操作模式 计数器配置 0 0 模式 0 13 位计数器 1 0 模式 2 自动重转载的 8 位计数器 1 0 模式 2 自动重转载的 8 位计数器 1 1 模式 3 T0 分为两个 8 位计数器， T1 停止计数 3 温湿度传感器 传统的模拟式湿度传感器需设计信号调理电路并要经过复杂的校准、标定过程 ,测量精度难以得到保证 ,且在线性度、重复性、互换性、一致性等方面往往不尽人意。 为解决这些问题，瑞士 Sensirion 公司推出了新一代基于 CMOSensTM技术的数字式温湿度传感器。 它很好地解决了温湿度传感器存在的上述问题 ,实现了数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全 互换功能 [3]。 数字温湿度传感器 SHT11 数字温湿度传感器 SHT— 11 采用 COMSens 专利传感器技术将温度湿度传感器、 A/D 转换器、数字接口、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（其内部结构如图 31 所示） [4]。 湖南农业大学工学院毕业设计 15 图 31 数字温湿度传感器 SHT— 11 的内部结构图 由它的内部结构可看出 SHT11具有不同保护的“微型结构”检测电极系统与聚合物覆盖层组成了传感器芯片的电容 ,这样除保持了电容式湿敏器件的原有特性外还可抵御来自其它方面的影响。 将温度传感器与湿度传感器 结合在一起构成了一个单一的个体 ,这就使得测量精度提高并且可以精确得出露点 ,而不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化而引起的误差。 而且将传感器元件、信号放大器、模 / 数转换器、 OTP 校准数据存储器、 I2C 工业标准串行总线等，电路功能部件全部采用 CMOS 技术与温湿度传感器一起放置在一个芯片内。 这不仅使信号强度增加 ,更重要的是长期稳定性也得到增强 ,这对传感器系统是极为重要的。 同时 ,模 / 数转换也在一个芯片内同时完成 ,这可使信号对噪声不敏感 ,尤其重要的是 ,在传感器芯片数据存储器内装载的针对每一只传感器 的校准数据保证了每一只传感器都有相同的功能 ,可以实现 100%的互换。 此外 ,。 该传感器还具有 I2C 二线串行总线接口 ,这可使传感器方便的与任何类型的微处理器、微控制器接口相连 ,为温湿度的微机化测试带来极大的方便 ,这不仅能减少温湿度测试系统的开发时间 ,还可节约数字化接口的软硬件成本。 该传感器还有反应迅速、高精度、低功耗等优点。 SHT11 的传感器输出 SHT11的相对湿度绝对精度、温度精度和 25℃露点精度如图 32(a)～ (c)所示 [4]。 湖南农业大学工学院毕业设计 16 （ a）湿度绝对精度 （ b）温度精度 （ C） 25℃露点精度 图 32 相对湿度、温度和露点的精度曲线 湖南农业大学工学院毕业设计 17 湿度值输出 SHT11可通过 I2C 总线直接输出数字量湿度值 ,其相对湿度输出特性曲线如图 32所示。 从中可以看出 ,SHT11 的输出特性呈一定的非线性 ,为了补偿湿度传感器的非线性以获取准确数据 ,可按式（ 31）修正湿度值 :  linearRH = 2321 RHRH SOcSOcc   13 式中 ,SORH 表示传感器相 对湿度测量值 ,系数取值分别如下 : 12位时： 6321 ,0 4 0 ,4  ccc ； 8位时： 4321 ,6 4 ,4  ccc。 温度值输出 SHT11温度传感器的线性非常好 ,可用下列公式（ 32）将温度数字输出转换成实际温度值 T : TSOddT 21   23 式中， TSO 表示传感器温度测量值。 当电源电 压为 5V，温度传感器的分辨率为 14位时， 401 d ，d ；当温度传感器的分辨率为 12位时， 401 d ， d。 图 33 相对湿度输出特性曲线 露点计算 空气的露点值可根据相对湿度和温度值由下面公式计算：        RHTTEW  33       1 6 0 7  EWEWD P  43 式中，  EW —— 饱和水蒸气压强（ mmHg） 非线性校正及温度补偿 湖南农业大学工学院毕业设计 18 式（ 31）为相对湿度的非线性补偿计算公式 ,对于单片机系统而言 ,计算量大而过复杂 ,下面给出简化的计算方法。 （ 1）线性 当系统对湿度测量精度要求不高时 ,可采用以下的线性计算公式。   RHSOccsim p leRH  21  53 式中， cc。 （ 2） 2线性 当系统对湿度测量精度要求较高时 ,可采用以下的 2线性计算公式 ,即用最小的计算复杂性来提高精确度。     2 5 6 bSOarea lRH  63 式中， SO 为 8位湿度传感器输出湿度值。 当 1070 SO 时， 143a ， 512b ；当 255108 SO 时， 143a ， 512b。 （ 3）温度补偿 上述湿度计算公式是按环境温度为 25℃进行计算的 ,而实际的测量温度值则在一定的范围内变化 ,所以应考虑湿度传感器的温度系数 ,可按式  53 对环境温度进行补偿。       lin e a rRHSOttTtu r eRH RH  2125  73 当 RHSO 为 12位时， t ， t ；当 RHSO 为 8位时， t ， t SHT11 的特性 SHT11 的特点 SHT11传感器的特点如下 : 1）相对湿度和温度一体测量； 2）精确露点测量； 3）全量程标定，无需重新标定即可互换使用； 4）超快响应时间； 5）两线制数字接口（最简单的系统集成，较低的价格）； 6）超小尺寸（ 5 ） ； 7）高可靠性（工业 CMOS工业）； 8）优化的长期稳定性； 9）可完全浸没水中； 10）基于请求式测量，因此低能耗； 11）具有湿度传感器元件的自检测能力； 12）传感器元件加热应用，亦可获得极高的精度和稳定性。 SHT 的详细规格 湖南农业大学工学院毕业设计 19 （ RH）的性能参数如下： 范围： 0— 100%RH； 精度：177。 3%RH（ 20— 80%RH）； 响应时间：≤ 4s； 复现性：177。 %RH； 分辨率： %RH； 工作温度：－ 40℃ — ＋ 120℃。 （ T）的性能参数如下： 范围：－ 40℃ — ＋ 120℃； 精度：177。 ℃（在 25℃时），177。 ℃（在 0— 40℃时）； 响应时间：≤ 20s； 复现性：177。 ℃； 分辨率： ℃。 能耗：典型 30uW（ @5V， 12bit，测量周期 2秒） 典型 1uW（ @,8bit，测量周期 2分）； 供电范围： — ； 检测电流： ； 待机电流：。 SHT11 的引脚 SHT11的引脚图如图 34所示。 图 34 SHT11 的引脚图 引脚简介 湖南农业大学工学院毕业设计 20 引脚 1— GND接地端； SHT11的供电电压为 ～ ，传感器上电后要等待 11ms以越过“休眠”状态。 在此期间无需发送任何指令，电源引脚（ VDD,GND）之间可增加一个 100uF 的电容，用以去耦滤波。 引脚 2— DATA 双向串行数据线； SHT11 的串行接口，在传感器的读取及电源损耗方面都做了优化处理。 DATA三态门用于数据的读取。 引脚 3— SCK串行时钟 输入；用于微处理器与 SHT11之间的通讯同步。 由于接口包含了完全静态逻辑，因而不存在最小 SCK频率。 引脚 4— VDD电源端， — 引脚 5— 8— NC空管脚 SHT11 的的内部命令与接口时序 SHT11 的内部命令 SHT11 传感器共有 5 条用户命令 ,具体命令格式见表 31。 在程序编程时根据命令编号来设定SHT11的工作状态。 例如： 0x03设置 SHT11为温度测量， 0x05是设置 SHT11为湿度测量 [5]。 表 31 SHT11 传感器命令列表 命令 编号 说明 测量温度 00011 温度测量 测量湿度 00101 湿度测量 读寄存器 00111 “读”状态寄存器 写寄存器 00110 “写”状态寄存器 软启动 11110 重启芯片 ,清除状态记录器的错误 记录 11 毫秒后进入下一个命令 SHT11的命令顺序及命令时序 1) 传输开始 初始化传输时 ,应发出“传输开始”命令 ,具体为 SCK是高电平时 ,DATA 高电平变为低电平 ,并在下一个 SCK为高时将 DATA 升高。 接着传输开始下一个命令，包含 3个地址位 (目前只支持“ 000” ) 和5 个命令位 ,通过 DATA 脚的 ack 位处于低电位表示 SHT11正确收到命令。 2) 连接复位顺序 如果与 SHT11传感器的通讯中断 ,下列信号顺序会使串口复位 :当使 DATA线处于高电平时 ,触发湖南农业大学工学院毕业设计 21 SCK9 次以上 (含 9 次 ) ,并发一个前述的“传输开始”命令。 3) 温湿度测量时序 当发出了温 (湿 ) 度测量命令后，控制器就要等到测量完成后才开始动作。 使用 8/ 12/ 14 位的分辨率测量分别需要大约 11/ 55/ 210 ms。 为表明测量完成， SHT11会使 DATA为低电平 ,此时控制器必须重新启动 SCK，然后 SHT11传 送两字节测量数据与 1字节 CRC校验和到控制器，控制器必须通过使 DATA为低来确认每一字节，通讯在确认 CRC数据位后停止。 如果没有用 CRC28校验和 ,则控制器就会在测量数据 LSB后，保持 ack为高时停。