煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）目 錄目錄11 緒論11.1 課題背景11.1.1 大棚環(huán)境對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的影響11.1.2 溫室大棚的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)21.1.3 本課題的研究意義及主要內(nèi)容32 總體方案的設(shè)計(jì)52.1 實(shí)現(xiàn)功能52.2 總體方案設(shè)計(jì)52.3 詳細(xì)設(shè)計(jì)63 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)73.1 單片機(jī)的選擇及其特性73.1.1 單片機(jī)的概述73.1.2 AT89C51簡(jiǎn)介73.2 溫度傳感器的選擇及其電路設(shè)計(jì)113.2.1 溫度傳感器AD590簡(jiǎn)介123.2.2 溫度測(cè)量電路123.2.3 A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809簡(jiǎn)介153.2.4 分頻器CD4043163.3 濕度傳感器的選擇及其電路設(shè)計(jì)173.3. 1 濕度傳感器HS1101簡(jiǎn)介173.3.2 濕度測(cè)量電路183.4 二氧化碳濃度的采集及電路203.4.1 二氧化碳濃度傳感器 TGS4160的簡(jiǎn)介203.4.2 傳感器 TGS4160的電路連接213.5 單片機(jī)外圍控制電路設(shè)計(jì)223.5.1 “看門狗”電路223.5.2 電源電路243.6 鍵盤電路與顯示單路設(shè)計(jì)243.6.1 鍵盤電路設(shè)計(jì)243.6.2 顯示電路設(shè)計(jì)253.7 聲光報(bào)警系統(tǒng)273.7.1 蜂鳴器簡(jiǎn)介273.7.2 報(bào)警電路283.8 執(zhí)行機(jī)構(gòu)電路設(shè)計(jì)293.8.1 固態(tài)繼電器簡(jiǎn)介293.8.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)電路304 環(huán)境參數(shù)測(cè)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)324.1 編程語(yǔ)言324.1.1 控制程序設(shè)計(jì)324.1.2 主控制程序設(shè)計(jì)324.2 系統(tǒng)的各子程序344.2.1 數(shù)據(jù)采集子程序344.2.2 濕度信號(hào)采集流程圖354.2.3 鍵盤子程序364.2.4 鍵盤顯示子程序37附錄 系統(tǒng)程序38總結(jié)45致謝46參考文獻(xiàn)4749煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）1 緒 論1.1 課題背景1.1.1 大棚環(huán)境對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的影響作物的生長(zhǎng)發(fā)育及產(chǎn)品的最終形成以及其產(chǎn)量與質(zhì)量一方面取決于作物本身的遺傳特性，另一方面取則決于外部環(huán)境條件。在實(shí)際生產(chǎn)中，一方面通過育種技術(shù)來獲得具有新遺傳性的品種，另一方面要通過先進(jìn)的栽培技術(shù)及適宜的環(huán)境條件來控制其生長(zhǎng)和發(fā)育。影響作物生長(zhǎng)發(fā)育的環(huán)境條件主要包括:溫度、濕度、光照、CO2濃度、土壤等。所有這些環(huán)境條件之間是相互作用、相互聯(lián)系、相互耦合的，某個(gè)控制變量發(fā)生改變，會(huì)影響其它控制變量的變化。作物的生長(zhǎng)發(fā)育是所有這些環(huán)境條件綜合作用的結(jié)果。下面就這些環(huán)境條件對(duì)作物的影響進(jìn)行簡(jiǎn)略說明。1.溫度溫室內(nèi)氣溫、地溫對(duì)作物的光合作用、呼吸作用、根系的生長(zhǎng)和水分、養(yǎng)分的吸收有著顯著的影響，因此影響作物生長(zhǎng)發(fā)育的環(huán)境條件中，以溫度最為敏感，也最為重要，對(duì)溫室環(huán)境控制的研究也是最先從溫度控制開始的。不同種類的作物對(duì)溫度的要求是不同的，同一作物在不同發(fā)育階段對(duì)溫度的要求亦有所不同，而且在同一發(fā)育期階段內(nèi)對(duì)溫度的要求也會(huì)隨著晝夜變化而呈周期性地變化。一般說來在白天作物進(jìn)行光合作用需要的溫度較高，晚上維持呼吸作用所需的溫度要低一些。作物生長(zhǎng)發(fā)育適宜的溫度，隨種類、品種、生育階段及生理活動(dòng)的變化而變化。為了增加光合產(chǎn)物的生成，抑制不必要的呼吸消耗，在一天中，隨著光照強(qiáng)度的變化，實(shí)行變溫管理是一種很有效的管理方法。2.濕度溫室內(nèi)作物對(duì)水分的要求體現(xiàn)為對(duì)溫室內(nèi)空氣濕度和土壤濕度的要求?？諝鉂穸扔孟鄬?duì)濕度來表示，因?yàn)橄鄬?duì)濕度更能反應(yīng)事實(shí)。根據(jù)有關(guān)研究記載，除了陰雨天以外，溫室內(nèi)午后過低的空氣濕度會(huì)導(dǎo)致作物發(fā)生光合作用的午休現(xiàn)象，因此空氣相對(duì)濕度的大小直接影響到作物的光合作用，這時(shí)就需要增加溫室內(nèi)的空氣濕度。當(dāng)溫室內(nèi)的空氣濕度較高時(shí)，可能會(huì)誘發(fā)一些病蟲害。溫室中空氣濕度的管理包括增濕和降濕。土壤濕度對(duì)作物的影響也很大。如果土壤中水分過剩，濕度過高，導(dǎo)致土壤中的氧氣含量減少，作物根部呼吸困難，進(jìn)而危害作物的生長(zhǎng)發(fā)育。相反，當(dāng)土壤中含水量減少時(shí)，作物根部吸收的水分就相應(yīng)的減少，從而阻礙作物的生長(zhǎng)，嚴(yán)重時(shí)作物出現(xiàn)萎蔫現(xiàn)象。不同的作物對(duì)濕度的要求不同，即使是同一種類在不同發(fā)育階段對(duì)濕度的要求也不盡相同。土壤濕度的管理就是把包括滲灌、滴灌、微灌等灌溉技術(shù)應(yīng)用到溫室中來。傳統(tǒng)的大水漫灌既浪費(fèi)水資源，又容易使土壤發(fā)生板結(jié)，提高了室內(nèi)濕度。在溫室中應(yīng)用滲灌技術(shù)具有灌水均勻，提高地溫，保持土壤疏松，降低室內(nèi)濕度，減輕病害發(fā)生，生育期提前等優(yōu)點(diǎn)。3.光照光照是植物環(huán)境中的重要因素，是植物生產(chǎn)有機(jī)質(zhì)的能量來源，是作物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵條件之一。光照不足，必然影響到植物的生長(zhǎng)。對(duì)作物生產(chǎn)的影響主要表現(xiàn)在光照強(qiáng)度、光照時(shí)間、光質(zhì)三個(gè)方面。光質(zhì)即光波的組成，研究表明作物葉片具有對(duì)可見光的高吸收率和對(duì)紅外線的低吸收率這一習(xí)性，這有利于作物在有效的利用光能進(jìn)行光合作用的同時(shí)使光合器官免受高溫的傷害。 光照強(qiáng)度直接影響到光合作用的強(qiáng)度。光照強(qiáng)度過高或過低對(duì)作物都有害。當(dāng)光照強(qiáng)度高于光飽和點(diǎn)時(shí)，就需要降低溫室內(nèi)的光照強(qiáng)度。當(dāng)光照強(qiáng)度低于光補(bǔ)償點(diǎn)時(shí)，就需要進(jìn)行人工補(bǔ)光。溫室中常用的人工光源有白熾燈、鹵鎢燈、高壓水銀熒光燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈等。4.CO2濃度CO2是作物進(jìn)行光合作用的主要原料。有關(guān)研究表明，蔬菜作物產(chǎn)量的90%95%來自光合作用。在露天條件下，空氣中的CO2濃度一般能滿足光合作用的需要，但在溫室環(huán)境中由于光合作用的不斷進(jìn)行，CO2濃度隨之下降，如不及時(shí)補(bǔ)充，盡管光照條件好，水肥充足，作物仍然不能進(jìn)行旺盛的光合作用，使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)積累減少，難以實(shí)現(xiàn)早熟高產(chǎn)。但是，濃度過高，又可能對(duì)作物造成危害，出現(xiàn)葉片周邊焦邊，嚴(yán)重時(shí)甚至死亡等現(xiàn)象。CO2施肥在國(guó)外己經(jīng)發(fā)展到實(shí)際應(yīng)用的水平。人工補(bǔ)充CO2己成為發(fā)展高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效農(nóng)業(yè)的重要措施之一。溫室內(nèi)CO2的控制就是掌握好濃度。使作物獲得最大生長(zhǎng)率的CO2濃度，取決于作物的生長(zhǎng)階段、光照強(qiáng)度、溫度等因素。為了最大限度的提高施肥效果，施放CO2時(shí)，必須控制在溫度、濕度、光照度等條件滿足之后進(jìn)行。綜上所述，溫室內(nèi)各環(huán)境因子之間存在著強(qiáng)烈的相互作用，作物是在各環(huán)境因子的綜合影響下生長(zhǎng)的，而不是單個(gè)因素作用的結(jié)果，各環(huán)境因子對(duì)溫室作物的作用也不是簡(jiǎn)單疊加的。因此，單因子控制是不能達(dá)到良好效果的。所以設(shè)計(jì)智能化溫室環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)時(shí)須輔以有關(guān)的調(diào)控技術(shù)以及各環(huán)境因子之間的相互耦合系數(shù)，控制各參數(shù)因子處在相對(duì)最佳組合的水平，這樣才能使種植者獲得最佳的產(chǎn)量與經(jīng)濟(jì)效益。1.1.2 溫室大棚的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)現(xiàn)在世界各國(guó)的設(shè)施園藝發(fā)展很快，一些國(guó)家在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上正向著完自動(dòng)化、無人化的方向發(fā)展。發(fā)達(dá)國(guó)家近二十年來建造的溫室，自動(dòng)化水平高，都設(shè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)采集和集中控制系統(tǒng)，包括各種傳感器、計(jì)算機(jī)及各種電氣裝置等。各國(guó)溫室技術(shù)研究的核心是溫室復(fù)合環(huán)境優(yōu)化控制研究。主要包括:生態(tài)環(huán)境因素控制自動(dòng)化:生態(tài)環(huán)境因素控制自動(dòng)化的主要內(nèi)容是溫、濕度的自動(dòng)調(diào)節(jié)，灌水量、水溫自動(dòng)調(diào)節(jié)，CO2施肥自動(dòng)調(diào)節(jié)，溫室通風(fēng)換氣自動(dòng)調(diào)節(jié)等。通過控制各種相應(yīng)的操作設(shè)備來控制上述內(nèi)容，以達(dá)到給作物創(chuàng)造最佳生長(zhǎng)環(huán)境的目的。對(duì)環(huán)境影響因素采用的控制方法一般有兩種：(1)單因子控制。這是對(duì)溫度、濕度、光照和CO2濃度等進(jìn)行單獨(dú)控制的方法，其中主要是控制溫度，其次是濕度，包括空氣濕度和土壤或基質(zhì)的濕度。其局限性在于外界氣候的變化隨時(shí)影響到室內(nèi)的小氣候，靠人工指令隨時(shí)進(jìn)行相應(yīng)改變是很難辦到的。(2)多因素綜合控制。這是80年代發(fā)展起來的利用計(jì)算機(jī)控制溫室環(huán)境因素的方法，將各種作物不同生長(zhǎng)發(fā)育階段需要的適宜環(huán)境條件要求輸入計(jì)算機(jī)程序，當(dāng)某一環(huán)境因素發(fā)生改變時(shí)，其余因素自動(dòng)做出相應(yīng)修正或調(diào)整。一般以光照條件為始變因素，溫度、濕度和CO2濃度為隨變因素，使這4個(gè)主要環(huán)境因素隨時(shí)處于最佳配合狀態(tài)。環(huán)境監(jiān)測(cè)控制技術(shù):環(huán)境控制技術(shù)是溫室技術(shù)的核心。現(xiàn)代大型溫室中，所有環(huán)境因子如室內(nèi)溫、光、氣、濕、熱、營(yíng)養(yǎng)液養(yǎng)分狀況與溫度、植物根部環(huán)境溫濕度等因子的監(jiān)測(cè)、傳感、調(diào)節(jié)，都由計(jì)算機(jī)進(jìn)行綜合管理，實(shí)行自動(dòng)控制。國(guó)外先進(jìn)溫室，對(duì)室內(nèi)外氣溫、風(fēng)力、降雨等氣象情況，室內(nèi)空氣溫濕度、土壤溫度和含水量、光照強(qiáng)度、CO2濃度、營(yíng)養(yǎng)液的酸堿度(PH值)、導(dǎo)電率(EC)和溫度等環(huán)境參數(shù)，可利用計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)并實(shí)施控制。有的系統(tǒng)還可監(jiān)測(cè)葉面積指數(shù)、葉溫、蒸騰量和長(zhǎng)勢(shì)等生物活體信息，對(duì)生物體的重量、大小、形態(tài)等進(jìn)行非接觸式和非破壞性監(jiān)測(cè)，從而對(duì)溫室溜溉、施肥、加熱、降溫、補(bǔ)光、保溫、遮陽(yáng)、CO2濃度、加濕、除濕等作業(yè)進(jìn)行綜合控制.還有人根據(jù)產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)格變化的規(guī)律和作物生長(zhǎng)規(guī)律，對(duì)作物的光合作用條件進(jìn)行優(yōu)化控制，以期獲得最好的經(jīng)濟(jì)效益。 近年來我國(guó)的溫室控制取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，首先在溫室群控制方面，進(jìn)行了初步的探索和理論研究，其次在溫室控制中引入了人工智能和先進(jìn)的控制算法，如專家系統(tǒng)、遺傳算法、模糊控制等理論和控制策略。當(dāng)前溫室控制系統(tǒng)研究熱點(diǎn)己由簡(jiǎn)單的DDC(直接數(shù)字控制)發(fā)展到分布式控制系統(tǒng)，如DCS(分布式控制)、FCS(柔性控制)等網(wǎng)絡(luò)化的控制系統(tǒng)。目前，在相關(guān)行業(yè)己經(jīng)有網(wǎng)絡(luò)化測(cè)量和控制方面的研究，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、分布式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)取代傳統(tǒng)孤立的、信息閉塞的系統(tǒng)，甚至跨越以太網(wǎng)或Internet進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實(shí)施遠(yuǎn)程控制。雖然國(guó)內(nèi)溫室規(guī)模有限，還沒有形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)，另外構(gòu)建的費(fèi)用也較高，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，溫室監(jiān)控系統(tǒng)分布式和網(wǎng)絡(luò)化將是一種必然的趨勢(shì)?？偟膩碚f，國(guó)外現(xiàn)代溫室環(huán)境控制系統(tǒng)性能先進(jìn)，產(chǎn)出效益高，但價(jià)格昂貴，維護(hù)不便，并且也是根據(jù)本國(guó)自己國(guó)情的不同有所側(cè)重，因此不能全盤照搬用來指導(dǎo)我國(guó)的溫室生產(chǎn)。溫室環(huán)境系統(tǒng)是一個(gè)多變量的大慣性非線性系統(tǒng)，并且有藕合、延遲等現(xiàn)象，很難對(duì)這類系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型及用經(jīng)典控制方法和現(xiàn)代控制方法實(shí)現(xiàn)控制。近年來，隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、模糊推理等新的控制理論不斷出現(xiàn)并逐漸應(yīng)用于溫室控制領(lǐng)域，這一問題得到很好的解決。溫室控制軟件也越來越多，越來越方便與成熟，專家系統(tǒng)也不斷發(fā)展和完善，并成為當(dāng)前溫室控制技術(shù)研究的重要方向。1.1.3 本課題的研究意義及主要內(nèi)容本設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容表述如下:(1)控制器以單片機(jī)為核心，整個(gè)系統(tǒng)包括主控制模塊、數(shù)據(jù)采集與處理模塊、輸出控制模塊、鍵盤及顯示模塊。數(shù)據(jù)采集與處理模塊能夠完成溫室內(nèi)溫度、濕度和二氧化碳濃度的采集和處理。 (2)監(jiān)控管理軟件的設(shè)計(jì)為控制器(單片機(jī))軟件的設(shè)計(jì)和開發(fā)。采用單片機(jī)匯編語(yǔ)言編寫。本課題針對(duì)于當(dāng)前我國(guó)溫室環(huán)境控制相關(guān)技術(shù)面臨的一些問題提出一定的方案，希望解決溫室控制系統(tǒng)的高成本低效益的現(xiàn)實(shí)困難推進(jìn)溫室的產(chǎn)業(yè)化和智能化發(fā)展步伐，從而有利于我國(guó)現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)向規(guī)范化，低成本、產(chǎn)業(yè)化、智能化方向發(fā)展。2 總體方案的設(shè)計(jì)2.1 實(shí)現(xiàn)功能本設(shè)計(jì)是基于AT89C51單片機(jī)的溫濕度智能控制采集系統(tǒng)，主要完成以下功能：(1) 選擇AT89C51單片機(jī)，了解其基本特性和功能，使用AT89C51實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度及二氧化碳濃度的智能控制。(2) 使用溫度傳感器測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集及傳到單片機(jī)處理。(3) 使用濕度傳感器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)時(shí)讀數(shù)據(jù)采集，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和控制，實(shí)現(xiàn)范圍為1%99%RH的濕度控制。(4) 設(shè)計(jì)人機(jī)對(duì)話接口，鍵盤顯示和報(bào)警系統(tǒng)。(5) 涉及執(zhí)行機(jī)構(gòu)電路，是單片機(jī)能夠自動(dòng)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。(6) 在完成以上功能時(shí)，要確保系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，是系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作。 2.2 總體方案設(shè)計(jì)本方案以AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)為核心來對(duì)溫度，濕度和二氧化碳濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和檢測(cè)。檢測(cè)單元能獨(dú)立完成各自功能，并根據(jù)單片機(jī)的指令對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)或定時(shí)采集。單片機(jī)負(fù)責(zé)控制指令的發(fā)送，并控制各機(jī)構(gòu)進(jìn)行溫度采集，手機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行處理及顯示。單片機(jī)本系統(tǒng)主要有自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，自動(dòng)控制系統(tǒng)，人機(jī)對(duì)話接口這三個(gè)部分組成。其原理圖下圖2.1：控制系統(tǒng)檢測(cè)系統(tǒng)人機(jī)對(duì)話濕度執(zhí)行溫度執(zhí)行溫度檢測(cè)濕度檢測(cè)LED顯示鍵盤系統(tǒng)報(bào)警系統(tǒng)CO2濃度檢測(cè)圖2.1 系統(tǒng)原理圖2.3 詳細(xì)設(shè)計(jì)經(jīng)過仔細(xì)研究和分析，對(duì)系統(tǒng)的總體方案進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，采用的芯片主要有：ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51單片機(jī)，AD公司生產(chǎn)的AD590集成溫度傳感器，電容式濕度傳感器HS1101。單片機(jī)通過AD0809AD轉(zhuǎn)換器把從傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，通過單片機(jī)T。對(duì)脈沖寬值的計(jì)算得到濕度值。本課題所選用的二氧化碳傳感器是FIGARO(弗加羅)公司生產(chǎn)的固態(tài)電化學(xué)型氣體敏感元件TGS4160。通過監(jiān)測(cè)S（）、S（）兩個(gè)電極之間所產(chǎn)生的電勢(shì)值EMF，就可以測(cè)量CO2的濃度值。 在這里溫度及二氧化碳濃度需要模數(shù)轉(zhuǎn)換。在執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，可以通過單片機(jī)直接控制來達(dá)到需要的數(shù)值。顯示部分由單片機(jī)分時(shí)把溫度濕度及二氧化碳濃度值送到數(shù)碼管顯示。通過鍵盤可以設(shè)定參數(shù)的上限值下限值，當(dāng)當(dāng)前參數(shù)超過設(shè)定值時(shí)，由單片機(jī)控制報(bào)警電路報(bào)警。同時(shí)單片機(jī)控制相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)行相應(yīng)的動(dòng)作，使得溫度濕度及二氧化碳濃度恢復(fù)到正常水平。單片機(jī)AT89C51溫度測(cè)點(diǎn)AD590ADC0809驅(qū)動(dòng)顯示CO2濃度測(cè)點(diǎn)TGS4160鍵盤濕度測(cè)點(diǎn)HS1101X25045執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)放大光電隔離報(bào)警圖2. 2 總體方案框圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)硬件元器件的選擇，必須考慮到功能的實(shí)現(xiàn)，必須考慮到到期間的實(shí)施性，價(jià)格和通用性等幾個(gè)方面。在電路的設(shè)計(jì)中，在實(shí)現(xiàn)其所要求的功能基礎(chǔ)上，盡量使電路簡(jiǎn)單。3.1 單片機(jī)的選擇及其特性3.1.1 單片機(jī)的概述單片機(jī)又稱單片微控制器它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片,而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件。同時(shí)，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。單片機(jī)也被稱為微控制器（Microcontroller），是因?yàn)樗钤绫挥迷诠I(yè)控制領(lǐng)域。單片機(jī)由芯片內(nèi)僅有CPU的專用處理器發(fā)展而來。最早的設(shè)計(jì)理念是通過將大量外圍設(shè)備和CPU集成在一個(gè)芯片中，使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)更小，更容易集成進(jìn)復(fù)雜的而對(duì)體積要求嚴(yán)格的控制設(shè)備當(dāng)中。INTEL的Z80是最早按照這種思想設(shè)計(jì)出的處理器，從此以后，單片機(jī)和專用處理器的發(fā)展便分道揚(yáng)鑣。、本設(shè)計(jì)選用了AT89C51單片機(jī)，它是一種低功耗，低價(jià)格，高性能8位微處理器。3.1.2 AT89C51簡(jiǎn)介AT89C51 是美國(guó)ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes 的可反復(fù)擦寫的Flash 只讀程序存儲(chǔ)器和256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51 指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用8 位中央處理器（CPU）和Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的AT89C51 單片機(jī)適合于許多較為復(fù)雜控制應(yīng)用場(chǎng)合。8051單片機(jī)包含中央處理器、程序存儲(chǔ)器（ROM）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)、定時(shí)計(jì)數(shù)器、并行接口、串行接口、和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線。1.中央處理器中央處理器(CPU)是整個(gè)單片機(jī)的核心部件，是把為數(shù)據(jù)寬度的處理器能處理8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼，CPU負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個(gè)單片機(jī)的工作，完成運(yùn)算和控制輸入輸出功能等工作。2.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器內(nèi)部有128個(gè)8位用戶存儲(chǔ)單元，他們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的RAM只有128個(gè)，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運(yùn)算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表。3.程序存儲(chǔ)器共有4096個(gè)八位ROM，用于存放用戶程序、原始數(shù)據(jù)或表格。4定時(shí)/計(jì)數(shù)器有兩個(gè)16位的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)產(chǎn)生的用語(yǔ)程序控制轉(zhuǎn)向。引腳圖如3.1：圖3.1 AT89C51引腳圖1主要性能參數(shù)AT89C51系列單片機(jī)主要性能參數(shù)如下：8k字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲(chǔ)器1000次擦寫周期全靜態(tài)操作：0Hz-24MHz三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器256字節(jié)內(nèi)部RAM32個(gè)可編程I/O口線3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器8個(gè)中斷源可編程串行UART通道低功耗空閑和掉電模式。2功能特性8k字節(jié)Flash 閃速存儲(chǔ)器，256字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個(gè)I/O 口線，3 個(gè)16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6 向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51 可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU 的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。3并行口簡(jiǎn)介Vcc：電源電壓GND：接地端P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門電路，對(duì)端口P0寫“1”時(shí)，可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在Flash 編程時(shí)，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。表3.1 引腳P1.0和P1.1的第二功能引腳號(hào)功能特性P1.0T2(定時(shí)計(jì)數(shù)器2外部計(jì)數(shù)脈沖輸入),時(shí)鐘輸出P1.1T2EX（定時(shí)計(jì)數(shù)器2捕獲重裝載觸發(fā)和方向控制P1口：P1口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL 邏輯門電路。對(duì)端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流(IIL)。P1.0 和P1.1 還可分別作為定時(shí)/計(jì)數(shù)器2 的外部計(jì)數(shù)輸入（P1.0/T2）和輸入（P1.1/T2EX），參見表3.1。Flash 編程和程序校驗(yàn)期間，P1 接收低8位地址。P2口：P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口P2寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流(IIL)。在訪問外部程序存儲(chǔ)器或16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行MOVX DPTR 指令）時(shí)，P2口送出高8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（如執(zhí)行MOVX RI 指令）時(shí)，P2口輸出P2 鎖存器的內(nèi)容。Flash 編程或校驗(yàn)時(shí)，P2亦接收高位地址和一些控制信號(hào)。P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL 邏輯門電路。對(duì)P3口寫入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。此時(shí)，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表3.2所示：表3.2 引腳P3口的第二功能端口引腳號(hào)第二功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2/INTO（外中斷0）P3.3/INT1（外中斷1）P3.4T0（定時(shí)/計(jì)數(shù)器0）P3.5T1（定時(shí)/計(jì)數(shù)器1）P3.6/WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）P3.7/RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）圖3.2 AT89C51編程圖 煙臺(tái)大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）此外，P3 口還接收一些用于Flash閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE/PROG： 當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6 輸出固定的脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過一個(gè)ALE脈沖。對(duì)Flash 存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（PROG）。如有必要，可通過對(duì)特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的8EH 單元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。該位置位后，只有一條MOVX 和MOVC指令才能將ALE 激活。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE 禁止位無效。PSEN：程序儲(chǔ)存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89C51 由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖。此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，將跳過兩次PSEN信號(hào)。EA/VPP：外部訪問允許。欲使CPU 僅訪問外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000HFFFFH），EA 端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1 被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接Vcc端），CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。Flash 存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12V 的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V 編程電壓Vpp。XTAL1：振蕩器反相放大器的及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。中斷寄存器：AT89C51有6個(gè)中斷源，2個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，IE寄存器控制各中斷位，IP寄存器中6個(gè)中斷源的每一個(gè)可定為2個(gè)優(yōu)先級(jí)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：AT89C51有256個(gè)字節(jié)的內(nèi)部RAM，80H-FFH高128個(gè)字節(jié)與特殊功能寄存器（SFR）地址是重疊的，也就是高128字節(jié)的RAM和特殊功能寄存器的地址是相同的，但物理上它們是分開的。3.2 溫度傳感器的選擇及其電路設(shè)計(jì)在實(shí)際的工作當(dāng)中，溫度檢測(cè)的方法一般用熱電偶、熱敏電阻以及集成溫度傳感器等測(cè)溫元件。熱點(diǎn)偶的工作原理：兩種不同成份的導(dǎo)體（稱為熱電偶絲材或熱電極）兩端接合成回路，當(dāng)接合點(diǎn)的溫度不同時(shí)，在回路中就會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)，而這種電動(dòng)勢(shì)稱為熱電勢(shì)。熱電偶就是利用這種原理進(jìn)行溫度測(cè)量的，其中，直接用作測(cè)量介質(zhì)溫度的一端叫做工作端（也稱為測(cè)量端），另一端叫做冷端（也稱為補(bǔ)償端）；冷端與顯示儀表或配套儀表連接，顯示儀表會(huì)指出熱電偶所產(chǎn)生的熱電勢(shì)。熱敏電阻工作原理：熱敏電阻是對(duì)溫度敏感的半導(dǎo)體元件，主要特征是隨著外界環(huán)境溫度的變化，其阻值會(huì)相應(yīng)發(fā)生較大改變。電阻值對(duì)溫度的依賴關(guān)系稱為阻溫特性。熱敏電阻根據(jù)溫度系數(shù)分為兩類：正溫度系數(shù)熱敏電阻和負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻。正溫度系數(shù)熱敏電阻簡(jiǎn)稱PTC（是Positive Temperature Coefficient 的縮寫），超過一定的溫度(居里溫度)時(shí)，它的電阻值隨著溫度的升高呈階躍性的增高。其原理是在陶瓷材料中引入微量稀土元素，如La、Nb等，可使其電阻率下降到10 .cm以下，成為良好的半導(dǎo)體陶瓷材料。這種材料具有很大的正電阻溫度系數(shù)，在居里溫度以上幾十度的溫度范圍內(nèi)，其電阻率可增大410個(gè)數(shù)量級(jí)，即產(chǎn)生所謂PTC效應(yīng)。熱電偶和熱敏電阻的測(cè)量精度都比較高，成本比較低，而且測(cè)量的范圍也比較廣，但是它容易收到測(cè)量場(chǎng)所及環(huán)境的限制，高溫和長(zhǎng)期使用時(shí)由于環(huán)境的限制會(huì)使其性能下降，需要定期檢查與更換，給實(shí)際應(yīng)用帶來很大不便。而由AD公司生產(chǎn)的AD590溫度傳感器，具有線性好、精度高、靈敏度高、體積小、使用方便、價(jià)格比較低，并具有長(zhǎng)期穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，因此得到廣泛應(yīng)用。所以本設(shè)計(jì)采用了AD公司生產(chǎn)的AD590集成溫度芯片。 3.2.1 溫度傳感器AD590簡(jiǎn)介AD590是美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的單片集成兩端感溫電流源。集成溫度傳感器實(shí)質(zhì)上是一種半導(dǎo)體集成電路. 集成溫度傳感器具有線性好、精度適中、靈敏度高、價(jià)格總體上較低、體積小、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用。集成溫度傳感器的輸出形式分以為電壓輸出和電流輸出兩種。電壓輸出型的靈敏度一般為10mV/K，溫度0時(shí)輸出為0，溫度25時(shí)輸出2.982V。電流輸出型的靈敏度一般為1mA/KAD590正是基于這些特點(diǎn)，工作時(shí)它就是利用晶體管的b-e結(jié)壓降的不飽和值VBE與熱力學(xué)溫度T和通過發(fā)射極電流I的下述關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的檢測(cè)：它的主要特性如下：流過器件的電流（mA）等于器件所處環(huán)境的熱力學(xué)溫度（開爾文）度數(shù)，即：式中： 流過器件（AD590）的電流，單位為mA；T熱力學(xué)溫度，單位為K。AD590的測(cè)溫范圍-55+150。AD590的電源電壓范圍為4V30V。電源電壓可在4V6V范圍變化，電流 變化1mA，相當(dāng)于溫度變化1KAD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不會(huì)被損壞。輸出電阻為710MW。精度高。AD590共有I、J、K、L、M五檔，其中M檔精度最高，在-55+150范圍內(nèi)，非線性誤差為0.3。3.2.2 溫度測(cè)量電路1基本應(yīng)用電路AD590封裝圖簡(jiǎn)介 圖3. 3 AD590封裝圖AD590基本使用方法如下：圖 3. 4 AD590基本電路圖AD590的輸出電流值說明如下：其輸出電流是以絕對(duì)溫度零度（-273）為基準(zhǔn)，每增加1，它會(huì)增加1A輸出電流，因此在室溫25時(shí)，其輸出電流Iout=（273+25）=298A。AD590產(chǎn)生的電流與絕對(duì)溫度成正比，它可接收的工作電壓為4V30V，檢測(cè)的溫度范圍為55150，它有非常好的線性輸出性能，溫度每增加1，其電流增加1uA。 AD590溫度與電流的關(guān)系如下表所示表3.3 AD590溫度與電流的關(guān)系攝氏溫度AD590電流經(jīng)10K電壓0273.2 uA2.732V10283.2 uA2.832 V20293.2 uA2.932 V30303.2 uA3.032 V40313.2 uA3.132 V50323.2 uA3.232 V60333.2 uA3.332 V100373.2 uA3.732 V利用AD590溫度傳感器完成溫度的測(cè)量，把轉(zhuǎn)換的溫度值的模擬量送入ADC0809的其中一個(gè)通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換的結(jié)果進(jìn)行溫度值變換之后送入數(shù)碼管顯示2溫度測(cè)量電路要想克服簡(jiǎn)單電路的缺陷，就要使得增益調(diào)整和補(bǔ)償調(diào)整相互獨(dú)立。本設(shè)計(jì)用了具有獨(dú)立調(diào)節(jié)功能的測(cè)溫電路。AD590的輸出電流I=(273+T)uA(T為攝氏溫度)，因此測(cè)得的電壓為U=(273+T)uAx10K=(273+T)x0.01V. 但由于AD590的增益有偏差，電阻也有誤差，因此應(yīng)對(duì)電路進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整方法為：把AD590放入冰水混合物中，調(diào)整電位器R1，是輸出電壓U=2.732V；或在室溫條件下通過調(diào)節(jié)電位器R2，使輸出電壓U=-2.73V，調(diào)整電位器R3，使U=1.25V。這樣，可以保證電路有較高的精度。溫度測(cè)量電路圖： 圖3.5 溫度測(cè)量電路3.2.3 A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809簡(jiǎn)介單片機(jī)接受的是數(shù)字信號(hào)，而傳感器經(jīng)測(cè)量電路輸出的是模擬電壓信號(hào)，因此就需要把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的元件A/D轉(zhuǎn)換器。本設(shè)計(jì)選用了ADC0809。 圖3.6 ADC0809芯片圖1. ADC0809內(nèi)部電路組成及轉(zhuǎn)換原理ADC0809是采樣頻率為8位的、以逐次逼近原理進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。主要特性（1）8路8位AD轉(zhuǎn)換器，即分辨率8位。 （2）具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫恕?（3）轉(zhuǎn)換時(shí)間為100s（4）單個(gè)5V電源供電 （5）模擬輸入電壓范圍05V，不需零點(diǎn)和滿刻度校準(zhǔn)。 （6）工作溫度范圍為-4085攝氏度 （7）低功耗，約15mW。 內(nèi)部結(jié)構(gòu) ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器，它由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型DA轉(zhuǎn)換器、逐次逼近 外部特性（引腳功能） ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝。下面說明各引腳功能。 IN0IN7：8路模擬量輸入端。2-12-8：8位數(shù)字量輸出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路ALE：地址鎖存允許信號(hào)，輸入，高電平有效。 START： AD轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)，輸入，高電平有效。 EOC： AD轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)，輸出，當(dāng)AD轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸出一個(gè)高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。 OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號(hào)，輸入，高電平有效。當(dāng)AD轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，此端輸入一個(gè)高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。CLK：時(shí)鐘脈沖輸入端。要求時(shí)鐘頻率不高于640KHZ。 REF（+）、REF（-）：基準(zhǔn)電壓。 Vcc：電源，單一5V。 GND：地。 ADC0809的工作過程是：首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動(dòng) AD轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號(hào)變低，指示轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行。直到AD轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示AD轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個(gè)信號(hào)可用作中斷申請(qǐng)。當(dāng)OE輸入高電平 時(shí)，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。 2 ADC0809的技術(shù)指標(biāo)功耗為15MW 單一電源，+5V供電。分辨率為8最大不可調(diào)誤差：ADC08091/2LSB ADC08091LSB轉(zhuǎn)換速度取決于芯片的時(shí)鐘頻率。 3.2.4 分頻器CD4043在此系統(tǒng)中ADC0809只接兩路模擬信號(hào)，一個(gè)是濕度電壓信號(hào)，另一個(gè)是CO2濃度電壓信號(hào)。為了使ADC0809的CLK引腳接上500KHZ脈沖，從單片機(jī)ALE/P引腳（2MHZ）出來接上一個(gè)四分頻計(jì)數(shù)器CD4013得到500KHZ脈沖，如圖3.7所示Q端接至CLK。 圖3.7 CD4013電路圖3.3 濕度傳感器的選擇及其電路設(shè)計(jì)由于應(yīng)用領(lǐng)域的不同，對(duì)濕度傳感器的技術(shù)要求也不盡相同。在常規(guī)的環(huán)境參數(shù)中，濕度是最難準(zhǔn)確測(cè)量的一個(gè)參數(shù)。用干濕球濕度計(jì)或毛發(fā)濕度計(jì)來測(cè)量濕度的方法，早已無法滿足現(xiàn)代科技發(fā)展的需要。這是因?yàn)闇y(cè)量濕度要比測(cè)量溫度復(fù)雜的多，溫度是個(gè)獨(dú)立的被測(cè)量，而濕度卻受其他因素（大氣壓強(qiáng)、溫度）的影響。此外，濕度的標(biāo)準(zhǔn)也是一個(gè)難題。國(guó)外生產(chǎn)的濕度標(biāo)定設(shè)備價(jià)格十分昂貴。 近年來，國(guó)內(nèi)外在濕度傳感器研發(fā)領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。濕敏傳感器正從簡(jiǎn)單的濕敏元件向集成化、智能化、多參數(shù)檢測(cè)的方向迅速發(fā)展，為開發(fā)新一代濕度/溫度測(cè)控系統(tǒng)創(chuàng)造了有利條件，也將濕度測(cè)量技術(shù)提高到新的水平。目前，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上出現(xiàn)了不少國(guó)內(nèi)外濕度傳感器產(chǎn)品，電容式濕敏元件較為多見。本設(shè)計(jì)選用了電容式傳感器HS1101。3.3. 1 濕度傳感器HS1101簡(jiǎn)介溫度檢測(cè)采用HS1101型溫度傳感器，HS1101是HUMIREL公司生產(chǎn)的變?nèi)菔较鄬?duì)濕度傳感器，采用獨(dú)特的工藝設(shè)計(jì)。HS1101測(cè)量濕度采用將HS1101置于555振蕩電路中，將電容值的變化磚換成電壓頻率信號(hào)，可以直接被微處理器采集。 濕度傳感器 HS1101特點(diǎn)：基于獨(dú)特工藝設(shè)計(jì)的電容元件，這些相對(duì)濕度傳感器可以大批量生產(chǎn)?？梢詰?yīng)用于辦公自動(dòng)化，車廂內(nèi)空氣質(zhì)量控制，家電，工業(yè)控制系統(tǒng)等。在需要濕度補(bǔ)償?shù)膱?chǎng)合他也可以得到很大的應(yīng)用?？焖俜磻?yīng)時(shí)間專利的固態(tài)聚合物結(jié)構(gòu)長(zhǎng)時(shí)間飽和下快速脫濕高可靠性與長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性全互換性 在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下不需校正可用于線性電壓或頻率輸出回爐可以自動(dòng)化焊接，包括波峰焊或水浸下表為HS1101的一些特性參數(shù)：表3.4 HS1101參數(shù)參數(shù)符號(hào)參數(shù)值單位工作溫度Ta-40100儲(chǔ)存溫度Tstg-40125供電電壓Vs10Vac濕度范圍RH0100%RH焊接時(shí)間T=260t10S表3-5 HS1101的工作特性：特征參數(shù)符號(hào)MinTypMax單位濕度測(cè)量范圍RH1995供電電壓Vs510V標(biāo)稱電容55%RHC177180183pF溫度效應(yīng)Tcc0.04pF/平均靈敏度(33%75%RH)C/%RH0.34pF/%RH漏電流Ix1nA恢復(fù)時(shí)間150小時(shí)結(jié)露tr10s遲滯+/-1.5%長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性0.5%RH/yr反應(yīng)時(shí)間ta5S曲線精度（10%90%）+/-2%RH可以按要求提供詳細(xì)的說明書3.3.2 濕度測(cè)量電路HS1101測(cè)量濕度采用將HS1101置于555振蕩電路中，將電容值的變化磚換成電壓頻率信號(hào)，可以直接被微處理器采集。圖3.8 濕度測(cè)量電路555芯片外接電阻R57，R58與HS1101，構(gòu)成對(duì)HS1101的充電回路。7端通過芯片內(nèi)部的晶體管對(duì)地短路實(shí)現(xiàn)對(duì)HS1101的放電回路，并將引腳2，6端相連引入到片內(nèi)比較器，構(gòu)成一個(gè)多諧波振蕩器，其中，R57相對(duì)于R58必須非常的小，但決不能低于一個(gè)最小值。R51是防止短路的保護(hù)電阻。HS1101作為一個(gè)變化的電容器，連接2和6引腳。引腳作為R57的短路引腳。HS1101的等效電容通過R57和R58充電達(dá)到上限電壓（近似于0.67VCC，時(shí)間記為T1），這時(shí)555的引腳3由高電平變?yōu)榈碗娖?，然后通過R58開始放電，由于R57被7引腳內(nèi)部短路接地，所以只放電到觸發(fā)界線（近似于0.33VCC，時(shí)間記為T2），這時(shí)555芯片的引腳3變?yōu)楦唠娖?。通過不同的兩個(gè)電阻R19，R20進(jìn)行傳感器的不停充放電，產(chǎn)生方波輸出。充電、放電時(shí)間分別為 （3-1） （3-2） 輸出波形的頻率和占空比的計(jì)計(jì)算公式如下： (3-3) (3-4)由此可以看出，空氣相對(duì)濕度與555芯片輸出頻率存在一定線性關(guān)系。表2給出了典型頻率濕度關(guān)系（相對(duì)濕度：55%，輸出頻率：6.208kHz）?？梢酝ㄟ^微處理器采集555芯片的頻率，然后查表即可得出相對(duì)濕度值。為了更好提高測(cè)量精度，將采用下位機(jī)負(fù)責(zé)采集頻率，將頻率值送入上位機(jī)進(jìn)行分段處理。我們很容易得到電容值和濕度的關(guān)系為： RH=(Cx-163)/0.39 （3-5）根據(jù)上式，我們很容易求的相應(yīng)的濕度值。3.4 二氧化碳濃度的采集及電路3.4.1 二氧化碳濃度傳感器 TGS4160的簡(jiǎn)介本課題所選用的二氧化碳傳感器是FIGARO(弗加羅)公司生產(chǎn)的固態(tài)電化學(xué)型氣體敏感元件TGS4160。這種二氧化碳傳感器除具有體積小、壽命長(zhǎng)、選擇性和穩(wěn)定性好等特點(diǎn)外，同時(shí)還具有耐高濕低溫的特性，可廣泛用于自動(dòng)通風(fēng)換氣系統(tǒng)或是CO2氣體的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)合。但是，由于TGS4160的預(yù)熱時(shí)間較長(zhǎng)(一般為2小時(shí))，所以，該器件比較適合于在室溫下長(zhǎng)時(shí)間通電連續(xù)工作。此外，為了方便客戶使用，外FIGARO公司還專門設(shè)計(jì)了帶溫度補(bǔ)償?shù)膫鞲衅魈幚砟KAM4。該模塊采用微處理器進(jìn)行控制，CO2氣體濃度的輸出信號(hào)電平為0.03.0V，相當(dāng)于0-3000ppm的濃度，并有中繼轉(zhuǎn)接控制口，可輸出高、低兩種門限信號(hào)以供外接控制使用。TGS4160傳感器的主要技術(shù)參數(shù)如下：測(cè)量范圍：05000ppm；使用壽命：2000天；加熱器電壓：5.00.2 VDC；加熱器電流：250mA；加熱器功耗：1.25W；內(nèi)部熱敏電阻（補(bǔ)償用）：100K5；使用溫度：1050；使用濕度595RH；產(chǎn)品尺寸：最大外徑24mm，高24mm，引腳長(zhǎng)5.8mm。TGS4160二氧化碳傳感器是一種內(nèi)含熱敏電阻的混合式CO2敏感元件。該元件在兩個(gè)電極之間充有陽(yáng)離子固體電解質(zhì)。它的陰極由鋰碳酸鹽和鍍金材料制成，而陽(yáng)極只是鍍金材料。該敏感元件的基襯是用對(duì)苯二酯聚乙烯和玻璃纖維加固，然后采用不銹鋼網(wǎng)做圓柱型封裝。元件的內(nèi)層采用100目雙層不銹鋼網(wǎng)套在鍍鎳銅環(huán)上，并用高強(qiáng)度樹脂粘合劑與基襯固定在一起。其外層頂蓋上又罩上了一層60目的不銹鋼網(wǎng)。為了達(dá)到降低干擾氣體影響的目的，TGS4160在內(nèi)外兩層不銹鋼網(wǎng)之間還填充有吸附材料（沸石）。傳感器的6個(gè)引腳通過0.1mm的箔導(dǎo)線與內(nèi)部相連。其等效的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖3.9所示。圖中，陽(yáng)極與傳感器的第3腳S（）相連，陰極與傳感器的第4腳S（）相連，加熱器與傳感器的第1，6腳相連，內(nèi)部熱敏電阻與傳感器的第2，5腳相連。內(nèi)部熱敏電阻的作用是通過該電阻探測(cè)環(huán)境溫度，以便對(duì)該傳感器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，從而使校正后的測(cè)量值更加準(zhǔn)確。 圖3.8 TGS4160等效內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖3.9 TGS4160內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.4.2 傳感器 TGS4160的電路連接圖3.10 TGS4160電路圖二氧化碳濃度信號(hào)采集TGS4160采集到信號(hào)后先經(jīng)運(yùn)算放大器，再接到ADC0809進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換TGS4160型CO2傳感器是一種電化學(xué)型氣體的敏感元件，當(dāng)該元件暴露在CO2氣體環(huán)境中時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)。其反應(yīng)式如下：陽(yáng)極反應(yīng)： (3-4)陰極反應(yīng)： (3-5)總體反應(yīng)： (3-6)作為電化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，根據(jù)耐斯特方程，該過程將產(chǎn)生如下電勢(shì)（）： (3-7)式中：為CO2的分壓；為常數(shù)；R是氣體常數(shù)；T為溫度值（K）；F是法拉第常數(shù)。從上式看出，通過監(jiān)測(cè)S（）、S（）兩個(gè)電極之間所產(chǎn)生的電勢(shì)值EMF，就可以測(cè)量CO2的濃度值。為了使該傳感器保持在最敏感的溫度上，一般需要給加熱器提供加熱電壓進(jìn)行加熱，但加熱電壓的變化將直接影響傳感器的穩(wěn)定性，因此加熱電壓必須穩(wěn)定，其范圍應(yīng)在5.00.2VDC之內(nèi)。為了保證CO2的準(zhǔn)確測(cè)量，除了保證加熱電壓穩(wěn)定及對(duì)環(huán)境溫度的變化進(jìn)行溫度補(bǔ)償外，更主要的是要測(cè)量?jī)呻姌O之間變化的電勢(shì)值EMF，而不是絕對(duì)電勢(shì)值EMF，因?yàn)镋MF與CO2濃度變化之間有一個(gè)較好的線性關(guān)系。雖然EMF絕對(duì)值隨環(huán)境溫度的上升而上升，EMF卻保持常量，而且它在1050溫度范圍內(nèi)，基本不受溫度的影響。EMF值可由下式求得：EMFEMF1EMF2 （3-8）其中，EMF1為350ppm的CO2中的EMF值；EMF2為所測(cè)量的CO2的EMF值。在溫度為202、濕度為655RH、加熱電壓為5.00.05VDC、預(yù)熱時(shí)間為7天或大于7天的條件下，測(cè)得傳感器在濃度為350ppm中的EMF值是220490mV，而EMF在3503500ppm的CO2濃度中的值是4472mV，因此在實(shí)際測(cè)量應(yīng)用電路中，要根據(jù)傳感器的特點(diǎn)要求，除使用高輸入阻抗（100G）、低偏置電流（1pA）的運(yùn)算放大器外，還要對(duì)測(cè)得的信號(hào)進(jìn)行處理。處理該信號(hào)通常有兩種方案可供選擇：一是使用費(fèi)加羅公司的FIC98646專用處理器模塊，二是選用其它型號(hào)的單片機(jī)并通過自己編程進(jìn)行信號(hào)處理。利用TGS4160傳感器并通過高輸入阻抗、低偏置電流的運(yùn)放進(jìn)行放大，再作一些簡(jiǎn)單的運(yùn)算處理，就可以在CO2濃度為3005000ppm的范圍內(nèi)測(cè)得信號(hào)，該信號(hào)為0幾百毫伏的電壓信號(hào)，可以供高精度AD采樣使用。3.5 單片機(jī)外圍控制電路設(shè)計(jì)在本系統(tǒng)中單片機(jī)的外圍電路較多，可分為以下幾部分：看門狗電路、系統(tǒng)電源、溫濕度及CO2濃度信號(hào)采集電路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)電路、LCD顯示電路、鍵盤輸入及報(bào)警電路和單片機(jī)I/O的擴(kuò)展電路等