單片機(jī)控制的糧倉(cāng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u3585單片機(jī)控制的糧倉(cāng)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)案例 1183251.1STC89C52單片機(jī)及其最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 118741.1.1功能特性概述 1239661.1.2主要性能參數(shù) 2187861.1.3單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3308321.2防火檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 4150061.3溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 6124341.4液晶顯示電路設(shè)計(jì) 1037561.5防盜檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 1151681.6閾值設(shè)置及設(shè)防電路設(shè)計(jì) 14176901.7報(bào)警電路設(shè)計(jì) 14192441.8整機(jī)電路圖 151.1STC89C52單片機(jī)及其最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1.1功能特性概述STC89C52RC單片機(jī)是臺(tái)灣宏晶公司進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的單片機(jī)產(chǎn)品。它的內(nèi)部是采用通用的CMOS工藝技術(shù)生產(chǎn)的8位單片機(jī)處理器。該處理器性能強(qiáng)大，功耗不高，價(jià)格低，開發(fā)難度小，所以在市場(chǎng)上的應(yīng)用較為廣泛。其內(nèi)部集成了40個(gè)常用的高速IO，內(nèi)部集成了3個(gè)定時(shí)器，1個(gè)UART串口，同時(shí)有8K的Flash和2K的掉電存儲(chǔ)模塊，所以其內(nèi)部資源豐富，有助于用戶進(jìn)行系統(tǒng)的開發(fā)。STC89C52RC是一款功能強(qiáng)大的51單片機(jī)，它延續(xù)的MCS-51系列的內(nèi)核，能夠?qū)崿F(xiàn)匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言兩種方式的編程。作為一款中低端的單片機(jī)，為大量的嵌入式系統(tǒng)提供了核心控制器。他使用靈活，因此得到了眾多工程師的使用。對(duì)于初學(xué)者而言，只需要掌握C語(yǔ)言的基礎(chǔ)知識(shí)和單片機(jī)模塊開發(fā)的基礎(chǔ)知識(shí)即可，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)STC89C52RC單片機(jī)的系統(tǒng)開發(fā)。利用專業(yè)的單片機(jī)開發(fā)工具，實(shí)現(xiàn)hex文件的生成并下載，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)單片機(jī)程序的開發(fā)。單片機(jī)的實(shí)物圖如圖1.1所示。圖圖1.1STC89C52實(shí)物圖1.1.2主要性能參數(shù)STC89C52一共有40個(gè)管腳，他們都有著不同的功能：VCC和GND引腳，他們共同構(gòu)成單片機(jī)的供電引腳，其中VCC接電源的正極，GND接電源的負(fù)極，供電電壓5V。RESET引腳是單片機(jī)的復(fù)位引腳，高電平有效。當(dāng)該引腳從低電平變?yōu)楦唠娖降臅r(shí)候，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)位。XTAL1和XTAL2兩個(gè)引腳是單片機(jī)的晶振引腳，可以接12M的晶振或者是11.05926M的晶振。P0.0-P0.7引腳是單片機(jī)的P0IO口，能夠?qū)崿F(xiàn)高速輸入和輸出。P1.0-P1.7引腳是單片機(jī)的P1IO口，能夠?qū)崿F(xiàn)高速輸入和輸出。P2.0-P2.7引腳是單片機(jī)的P2IO口，能夠?qū)崿F(xiàn)高速輸入和輸出。P1.0-P1.7引腳是單片機(jī)的P3IO口，能夠?qū)崿F(xiàn)高速輸入和輸出。同時(shí)P3IO還具有其他復(fù)用功能。單片機(jī)引腳圖如圖3-2所示。圖3-2STC89C52引腳圖1.1.3單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于STC89C52RC單片機(jī)的使用需要設(shè)計(jì)一個(gè)單片機(jī)最小系統(tǒng)，通過外圍輔助電路之后，才能夠?qū)崿F(xiàn)單片機(jī)的功能。通過對(duì)STC89C52RC單片機(jī)IO的了解，可以看到，RST引腳是復(fù)位引腳，并且高電平有效，所以設(shè)計(jì)了一個(gè)復(fù)位電路，如圖3-1所示。包含一個(gè)電容，一個(gè)電阻和一個(gè)按鍵，當(dāng)按下按鍵的時(shí)候，系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。XTAL1引腳和XTAL1引腳，通過手冊(cè)可以得出，接晶振。由于STC8952RC單片機(jī)的P0IO內(nèi)部是沒有上拉電阻的，所以設(shè)計(jì)了一個(gè)上拉電阻。最終設(shè)計(jì)的單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖3-2所示。圖3-2STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)（1）復(fù)位電路復(fù)位電路是當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行異常的時(shí)候，通過按下按鍵，控制器返回主程序的開頭。（2）晶振和時(shí)鐘電路 單片機(jī)根據(jù)晶振的脈沖信號(hào)來執(zhí)行一次指令周期。單片機(jī)使用的晶振越大，單片機(jī)的指令周期就越短，需要根據(jù)實(shí)際的應(yīng)用場(chǎng)景來保證單片機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定。單片機(jī)晶振電路連接單片機(jī)的XTAL1與XTAL2兩個(gè)引腳，兩個(gè)30PF的電容一端接到晶振的引腳，另一端接入地，這樣就可以得到晶振標(biāo)稱的諧振頻率。1.2防火檢測(cè)電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)中，需要對(duì)糧倉(cāng)中的煙霧濃度進(jìn)行檢測(cè)，以此來判斷糧倉(cāng)內(nèi)煙霧是否超標(biāo)，進(jìn)而判斷出是否有火災(zāi)，在本設(shè)計(jì)中，使用的是MQ-2氣敏型煙霧傳感器，在該系統(tǒng)中，用戶在使用的時(shí)候，不需要做其他的動(dòng)作，只需要將該傳感器放置到室內(nèi)即可，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)室內(nèi)煙霧的檢測(cè)。由于（SnO2）對(duì)氣體敏感程度較高，煙霧傳感器使用二氧化錫作為煙霧傳感器的原材料，由于二氧化錫的特殊屬性在空氣中的導(dǎo)電率幾乎為零。MQ-2傳感器只針對(duì)煙霧進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而能夠在復(fù)雜的環(huán)境中靈敏的識(shí)別出室內(nèi)是否有煙霧泄露，這樣就大大的降低了其他氣體對(duì)檢測(cè)的干擾性。MQ-2煙霧傳感器具有較高的測(cè)試分辨率和測(cè)試的靈敏度，進(jìn)而能夠有效的準(zhǔn)確的檢測(cè)出煙霧濃度[9]。本傳感器使用的壽命非常的長(zhǎng)，具有非常強(qiáng)的可靠性和穩(wěn)定性。在MQ-2煙霧傳感器的內(nèi)部，是由A12O3微型器件，陶瓷管，半導(dǎo)體元件SnO2敏感層以及測(cè)試電極和加熱器件共同構(gòu)成的。在封裝方面，MQ-2傳感器是通過塑料形式和不銹鋼的腔體共同組成的。封裝的氣體傳感器具有6個(gè)針形針，其中4個(gè)用于信號(hào)提取，另外2個(gè)用于提供加熱電流[8]，其實(shí)物圖如圖3-3所示。圖3-3MQ-2煙霧傳感器特點(diǎn)：適用氣體：易燃性氣體、煙霧等。探測(cè)范圍：400—1200ppm。響應(yīng)、恢復(fù)時(shí)間分別為：小于等于10S、小于等于30S。測(cè)量電壓：小于等于24V。適用環(huán)境見表3-1：表3-1適用環(huán)境表符號(hào)參數(shù)名稱技術(shù)條件備注Tao使用溫度-10℃-50℃最小值大于２％Tas儲(chǔ)存溫度-20℃-70℃RH相對(duì)濕度小于95%RHO2氧氣濃度21%(標(biāo)準(zhǔn)條件)氧氣濃度會(huì)影響靈敏度特性在本設(shè)計(jì)中，對(duì)于煙霧參數(shù)的采集是采用煙霧傳感器的。煙霧傳感器在輸出方面是采用模擬信號(hào)進(jìn)行輸出的，其輸出的范圍是0-5V。而對(duì)于STC89C52單片機(jī)而言，由于其內(nèi)部是不具有ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的。所以，在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要額外添加一個(gè)ADC轉(zhuǎn)換模塊，以此來實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。進(jìn)而單片機(jī)能夠?qū)ζ溥M(jìn)行處理。在本設(shè)計(jì)中，選擇的是ADC0832模式轉(zhuǎn)換芯片。ADC0832一職中8位分辨率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，它能夠?qū)崿F(xiàn)最高256級(jí)的電壓識(shí)別，也就是將測(cè)試的電壓分為256分，然后可以識(shí)別到的最小電壓為1/256。對(duì)于**傳感器輸出的0-5V而言，其能夠識(shí)別最小分辨率0.0195V的電壓，所以其分辨率是非常高的，能夠識(shí)別傳感器輸出的微弱信號(hào)，這對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)測(cè)試過程中的精度還是非常重要的。同時(shí)，該信號(hào)的轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為32μS，轉(zhuǎn)換速度非常快。單片機(jī)[11]在對(duì)其進(jìn)行采用的時(shí)候，需要四個(gè)個(gè)IO，一個(gè)是時(shí)鐘信號(hào)，一個(gè)是片選信號(hào)，另外兩個(gè)是數(shù)據(jù)輸入和輸出引腳，如圖3-4所示為設(shè)計(jì)的ADC0832與單片機(jī)進(jìn)行通信的電路圖，本設(shè)計(jì)中，使用P2.4與ADC0832的CS進(jìn)行連接，P2.3與CLK進(jìn)行連接，P2.2與DO進(jìn)行連接，P2.2與DI進(jìn)行連接。通過這四個(gè)IO的共同協(xié)作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)對(duì)ADC0832的操作。讀取電壓轉(zhuǎn)換值。圖1.4煙霧采集電路設(shè)計(jì)單片機(jī)通過讀取ADC0832的數(shù)值，就能夠測(cè)試出是否有煙霧，進(jìn)而判斷出是否有火災(zāi)發(fā)生。1.3溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中，需要對(duì)溫度進(jìn)行采集。目前對(duì)于溫度的采集常用的有兩種方式。方式一是采用熱敏電阻的方式來進(jìn)行溫度的采集，此種方式采集精度低，相應(yīng)速度反，需要配合AD轉(zhuǎn)換一起使用才能完成溫度采集，但是通過熱敏電阻能夠?qū)崿F(xiàn)高溫的采集，而且成本較低。另一種方式是采用集成的溫度傳感器，以DS18B20為代表。通過集成的溫度傳感器能夠快捷高效準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的采集，缺點(diǎn)是溫度采集范圍低，通常為-55度到125度。而在本系統(tǒng)中，主要是對(duì)環(huán)境中的溫度進(jìn)行采集，所以，采用DS18B20更加合適。DS18B20實(shí)物圖如圖1.5所示。圖1.5DS18B20實(shí)物圖DS18B20性能：1.電壓范圍為：2.0?5.5V左右，數(shù)據(jù)線供電方式被采用；2.測(cè)溫范圍為：-40?+110℃；1.三條線上并聯(lián)連接可用在多個(gè)DS18B20，用來達(dá)到所需要的功能和期待的目的；2.無(wú)待機(jī)功耗；5.報(bào)警設(shè)置值可以被自定義設(shè)置；6.對(duì)超過自定義的溫度進(jìn)行標(biāo)識(shí)并進(jìn)行警報(bào)響應(yīng)以回復(fù)；在寄生電源模式下，DS18B20獲得信號(hào)能量的方式會(huì)變?yōu)閱尉€獲?。寒?dāng)信號(hào)線的DQ較高時(shí)，DS18B20內(nèi)部轉(zhuǎn)化為存儲(chǔ)能量。電容器在運(yùn)行期間在信號(hào)周期內(nèi)的功耗低，其次對(duì)寄生電源（電容器）進(jìn)行充電，直到信號(hào)值為高電平停止。特別的寄生電源方法優(yōu)點(diǎn)如下：（1）距離如果太遠(yuǎn)的話，它不需要考慮電源所產(chǎn)生的問題（2）ROM值不需要電源就能讀出（3）電路使用一個(gè)端口就能測(cè)量，所以電路更為簡(jiǎn)單便捷。DS18B20的體積相比較其他的傳感器要小一些，而且是直插的封裝，這樣在進(jìn)行安裝的時(shí)候就方便很多。而且其供電的電壓范圍較大，能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)測(cè)溫。因此在實(shí)際的使用中得到了很大的推廣。無(wú)論是消費(fèi)類電子，工業(yè)控制中，都有廣泛的使用。通過DS18B20的內(nèi)部如可以看到，DS18B20集成了溫度傳感器，高低溫以及緩沖模塊和ROM模塊，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得單片機(jī)在操作DS18B20的時(shí)候特別簡(jiǎn)單，只需要發(fā)送指令，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，就能夠?qū)崿F(xiàn)溫度的獲取。DS18B20內(nèi)部邏輯圖如圖1.6所示。圖1.6DS18B20內(nèi)部邏輯通過DS18B20的數(shù)據(jù)手冊(cè)可以得出，在電路設(shè)計(jì)中，對(duì)于DS18B20溫度采集電路的設(shè)計(jì)，只需要外加一個(gè)上拉電阻即可，在這個(gè)課題中，我們所用的是10K的上拉電阻，然后與單片機(jī)的P0.0接口進(jìn)行連接，再對(duì)DS18B20供電即可，其電路設(shè)計(jì)如圖1.7所示。圖1.7DS18B20溫度檢測(cè)電路設(shè)計(jì)同時(shí)特別的指出，用戶在使用DS18B20溫度傳感器的時(shí)候，一共要主要三個(gè)引腳的方向，一旦使用錯(cuò)誤，就會(huì)造成傳感器的損壞。1.4液晶顯示電路設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中，對(duì)于采集到的溫度數(shù)據(jù)和煙霧數(shù)據(jù)以及操作過程中的設(shè)置，都需要進(jìn)行顯示，以此來提高整個(gè)系統(tǒng)的交互能力。通過查閱相關(guān)的資料發(fā)現(xiàn)，在單片機(jī)系統(tǒng)中，應(yīng)用最為廣泛的就是液晶顯示和數(shù)碼管顯示。采用液晶作為系統(tǒng)的顯示器件，目前常用的液晶顯示方式有LCD1602，LCD12864，OLED顯示屏等。他們按照尺寸的不同可以分為多種，但是其核心也是一種集成形式的點(diǎn)陣電路，不同尺寸的顯示屏內(nèi)部集成了不同數(shù)量的顯示器件，然后由單片機(jī)進(jìn)行控制。在操作上，有的液晶跟單片機(jī)之間采用并行通信方式，有的是串行或者是IIC形式通信，價(jià)格上相對(duì)于數(shù)碼管而言也是偏貴一點(diǎn)，但是可以顯示的數(shù)據(jù)量較多，可以顯示數(shù)字，字母，字符以及漢字或者是特定圖形。本設(shè)計(jì)中，由于需要顯示的數(shù)據(jù)較多，采用數(shù)碼管不能夠完全顯示出來，所以采用液晶來進(jìn)行顯示，具體型號(hào)為液晶LCD1602。液晶LCD1602是一種在電子技術(shù)開發(fā)中被工程師所廣泛使用的一種能夠顯示字符，數(shù)字以及字符的顯示模塊。液晶LCD1602通常由顯示屏，驅(qū)動(dòng)單元以及擴(kuò)展接口組成。在本系統(tǒng)中，LCD1602的數(shù)據(jù)輸入管腳與單片機(jī)的P0接口進(jìn)行連接，RS，RW，EN引腳分別與單片機(jī)的P2.3，P2.4和P2.5進(jìn)行連接。單片機(jī)通過RS，RW，EN引腳發(fā)送指令，通過P0接口輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。原理圖如圖1.8所示。圖1.8液晶顯示電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中所選擇使用的顯示模塊是LCD1602顯示屏，1602通過其命名我們可以看出，是指顯示的內(nèi)容為兩行，分為上下兩行。同時(shí)對(duì)應(yīng)的每行可以進(jìn)一步的顯示十六個(gè)字符。通過書寫程序，操作不同的寄存器，即可以完成對(duì)液晶LCD1602數(shù)字，字母，以及特殊字符的顯示。同時(shí)，通過調(diào)整其內(nèi)部的寄存器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液晶的顯示控制，比如常見的閃爍動(dòng)畫，也可以完成移位，反相顯示等動(dòng)作。1.5防盜檢測(cè)電路設(shè)計(jì)在防盜檢測(cè)方面，人體檢測(cè)模塊是紅外技術(shù)的衍生的一種技術(shù)。感應(yīng)模塊是運(yùn)用雙元探頭，當(dāng)檢測(cè)范圍里有人提進(jìn)行無(wú)規(guī)則移動(dòng)時(shí)，紅外光譜就會(huì)檢測(cè)到利用和雙元的差值來觸發(fā)報(bào)警。人體檢測(cè)模塊可以廣泛應(yīng)用于各種檢測(cè)設(shè)備。本設(shè)計(jì)中使用的是熱釋紅外人體感應(yīng)模塊，該模塊可以感應(yīng)到3-8米的距離，而且其靈敏度的感應(yīng)距離是可以調(diào)節(jié)的，是一款專門用于人體檢測(cè)的模塊，系統(tǒng)采用HC-SR501人體紅外感應(yīng)模塊。當(dāng)危險(xiǎn)情況發(fā)生時(shí)，該模塊不僅能及時(shí)且快速地輸出相應(yīng)的信號(hào)，并且安裝位置較為隱蔽，不會(huì)被人輕易發(fā)現(xiàn)[15]。其實(shí)物圖如圖1.9所示。圖1.9人體紅外傳感器HC-SR501是基于紅外線感應(yīng)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)設(shè)計(jì)的傳感器，其探頭部分采用德國(guó)的LHI778人體感應(yīng)探頭，其測(cè)試的靈敏度高，可靠性強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng)。該模塊采用5V進(jìn)行供電，廣泛的應(yīng)用在各類人體自動(dòng)感應(yīng)電路中，如白熾燈，自動(dòng)門，防盜系統(tǒng)中，是一種高科技的傳感器。該模塊能夠感應(yīng)到3-8m的距離，用戶在使用的時(shí)候，可以通過調(diào)節(jié)背面的電位器，調(diào)節(jié)感應(yīng)靈敏度和輸出延時(shí)時(shí)間。該模塊具以下特點(diǎn)。1.自動(dòng)感應(yīng)，當(dāng)有人進(jìn)入范圍內(nèi)時(shí)，輸出高電平，沒有人時(shí)，輸出低電平。2.多種感應(yīng)方式進(jìn)行選擇。a、不可重復(fù)觸發(fā)方式:當(dāng)傳感器感應(yīng)到人之后，輸出高電平后，延時(shí)一段時(shí)間之后，輸出的高電平，自動(dòng)變?yōu)榈碗娖?，在延時(shí)時(shí)間內(nèi)，不再進(jìn)行感應(yīng);b、可重復(fù)觸發(fā)方式:即感應(yīng)到人之后，傳感器輸出高電平后，在延時(shí)時(shí)間段內(nèi)，如果傳感器檢測(cè)到有人，在輸出一直為高電平，直到感應(yīng)不到人之后，系統(tǒng)采輸出低電平。1.工作電壓范圍非常的寬:默認(rèn)傳感器的工作電壓DC2.5V-20V。適合大部分的嵌入式系統(tǒng)。2.微功耗功能，在靜態(tài)下，傳感器的電流<50微安，進(jìn)而可以大大延遲系統(tǒng)的使用時(shí)間。電路設(shè)計(jì)如圖1.10所示。使用的是單片機(jī)的P1.1接口。圖1.10人體紅外檢測(cè)電路設(shè)計(jì)感應(yīng)模塊采用雙元探頭，探頭的窗口為長(zhǎng)方形，雙元（A元B元）位于較長(zhǎng)方向的兩端，當(dāng)人體從左到右或從右到左走過時(shí)，紅外光譜到達(dá)雙元的時(shí)間、距離有差值，差值越大，感應(yīng)越靈敏，當(dāng)人體從正面走向探頭或從上到下或從下到上方向走過時(shí)，雙元檢測(cè)不到紅外光譜距離的變化，無(wú)差值，因此感應(yīng)不靈敏或不工作；所以安裝感應(yīng)器時(shí)應(yīng)使探頭雙元的方向與人體活動(dòng)最多的方向盡量相平行，保證人體經(jīng)過時(shí)先后被探頭雙元所感應(yīng)。為了增加感應(yīng)角度范圍，本模塊采用圓形透鏡，也使得探頭四面都感應(yīng)，但左右兩側(cè)仍