1、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

2、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 編程語言324.1.1 控制程序設(shè)

3、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)471 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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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。 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

10、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。(

11、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?，F(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、

12、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

13、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

14、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。 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

15、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)

16、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

17、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

18、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

19、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

20、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

21、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

22、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RAM·32個(gè)可編程I/O口線·3個(gè)

23、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。空閑方式停止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·

24、;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

25、：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

26、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

27、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 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

28、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)，

29、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，

30、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

31、、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

32、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

33、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.

34、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1K·AD590可以承受44V正向電壓和20V反向電壓，因而器件反接也不

35、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，

36、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

37、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)

38、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?。 （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

39、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

40、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

41、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：ADC0809<1/2LSB ADC0809<1LSB·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

42、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

43、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)

44、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。·快速反應(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

45、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

46、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0.67 VCC，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0.33 VCC，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

47、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

48、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

49、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：5.0±0.2 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）：100K±5；·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

50、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

51、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

52、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5.0±0.2VDC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，EM

53、F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20±2、濕度為65±5RH、加熱電壓為5.0±0.05VDC、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)

54、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。3.5.1 “看門狗”電路工控系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，通常都會(huì)遇到各種各樣的現(xiàn)場(chǎng)干擾，抗干擾能力是衡量工控系統(tǒng)性