1、 PAGE32 / NUMPAGES38題 目：基于單片機的溫濕度檢測系統的設計學 院：信息電子技術學院年 級：07級專 業： 電氣工程與其自動化姓 名： 樊成龍學 號： 0709034225指導教師： 樊廷棟摘 要現代農業生產離不開環境控制，本文在對國外溫室智能控制進行深入分析的基礎上，針對溫室智能化控制存在的諸多因子，將智能傳感器監測和單片機控制相結合，提出了基于單片機的溫濕度檢測系統設計方案。本系統采用層次化、模塊化設計，整個系統由數據采集系統、單片機控制系統、計算機監控系統組成。本設計主要做了如下幾方面的工作：一是確定系統的總體設計方案。包括系統要完成的設計功能，達到的技術指標，系統的

2、設計原則，由此簡要介紹系統的整個組成和系統工作原理；二是進行智能傳感器的硬件電路和軟件系統的設計。包括傳感器的靜動態特征介紹，采用單總線技術的DS1820數字溫度傳感器測溫時序、測溫原理、測溫電路以與測溫系統軟件設計，濕敏電容傳感器HS1101的濕度測量電路，為防止模擬傳感器采集濕度數據的失真，采用了線形插值算法：三是單片機與通信接口的硬件電路與軟件系統設計。容包括采用的AT89ssl單片機的介紹，IZC總線的AT24C04的存儲擴展，4數碼管顯示輸出，超限數據的語音報警，模擬SPI總線輔助數據存儲；四是對計算機軟件系統的設計思路、工作原理和實現方法進行了闡述。首先通過RS-232C協議實現單

3、片機和計算機的連接，借助Windows下串行通信編程的ActiveX控件通過串行接口收發數據，然后計算機作為監控機實現數據的顯示、存儲、查詢、打印和系統設置功能。本系統將信息采集、信息傳輸、信息處理等多種信息技術相互融合，采用了多種總線技術，將溫室環境多種參數監測和單片機控制理論相結合，提出一種切實可行的溫室環境監測系統，可以全面、實時、自動地對監測數據進行自動記錄、存儲和處理，并將有關信息根據現場實際情況，采用最有效方式送入計算機進行處理，并可對監測系統進行遠程控制。滿足了對作物生長狀態實行全面、實時、長期監測的要求。實現了對溫室環境的溫濕度實時監測和控制，實現了溫室環境溫濕度檢測的自動化和

4、智能化。關鍵字 :AT89S51;總線技術；DS1820；HS1101；ISD2560AbstractModernagrieulturalPhelightofthe causesofgreenhouse intelligent control，Basedonthoroughanalysisaboutour national and abroad greenhouse intellignt control，combiningintelligentsensorstestwith mcu con

5、trol.Thisthesis proposesadesignsehemeonmcutemperatureandhumiditytesting system. This system adopts hierarehieal，modulardesign.It consists of data acquisition system，meueontrolsystem，computer monitoring system，and centersaroundthemcu，withmanytemperature，humiditysensorsasmeasurement components.It coll

6、ectsandstoresintelligent sensormeasurementdataby connecting mcu with intelligent sensors.In mcu system，somefunctions of the expansion storage of procedures，real-time disp1ay of data，overrunautoalarmandauxiliarydatastoragearerealized.Asthe centerofthemonitoring computerandsoftwaredesignof intelligent

7、 sensor，Includingtheintroduetionofthestatic anddynamic characteristiesof sensors.the software designing of temperature measurement phase，temperature measurement principle，temperature measurement circuitandtemperaturemeasurementsystemofdigitaltemperature sensor DS1820 which adopts one-wirebus technol

8、ogy，humidity sensor circuit of sensor HS1101，in order to prevent the distortion of humidity data gathered by mock sensor，the 1inear inter polation algorithm is adopted.Thirdly， it designs hardware circuitofeommunicationinterfaceandsoftware system，including the introduction of adopted AT89551SCM，stor

9、age expansion of AT24C04 of lCBus，display out put of 4 digital tubes，audio alarm of overrun data，auxiliary data storage of mock SPIBus.The last，it elaborates the working principle， designing thoughts and realizing methods of computer software system.At first，throughRS- 232C protocol SCM and computer

10、 are connected，and data is received and sent by serial inferface with the help of active X programmed by serial communication in widows enviorment. Computer can display，store，inquire and print the data and setting as a monitor.This system integrates modern signal gathering technology，signal transmit

11、ting technology，information proeessingtechnology，combines many parameters in greenhouse environment monitoringand controltheoryofSCMandbymanybus technologies，Proposes one kind of praetieal feasible greenhouse environmental monitoring system.which can automatically record，storge and handle data，compl

12、etely，real-time，and automaticly， and in put the relative information into the computer in an effeetive way according to reality.Besides, it can control the monitoring system long-distace.It meets the equirement of monitoring on crop growth state completely，real-time，long-term.It can monitor and cont

13、rol the greenhouse environment timelyandrealizeautomationandintelligentizeof temperatureandhumiditytestingingreenhouse.Keywords AT89S51;Bus technology; DS1820; HS1101; ISD2560目 錄TOC h z t 中文摘要標題,1,英文摘要標題,1,章標題,1,節標題,2,條標題,3,結論標題,1,致謝標題,1,參考文獻標題,1,附錄標題,1HYPERLINK l _Toc263782977摘要 PAGEREF _Toc2637829

14、77 h iiHYPERLINK l _Toc263782978Abstract PAGEREF _Toc263782978 h iiiHYPERLINK l _Toc263782979第 1 章 緒論 PAGEREF _Toc263782979 h 1HYPERLINK l _Toc2637829801.1課題的提出和意義 PAGEREF _Toc263782980 h 1HYPERLINK l _Toc2637829811.2國外研究現狀 PAGEREF _Toc263782981 h 1HYPERLINK l _Toc2637829821.2.1國外溫室環境控制 PAGEREF _Toc

15、263782982 h 1HYPERLINK l _Toc2637829831.2.2我國溫室控制技術 PAGEREF _Toc263782983 h 1HYPERLINK l _Toc2637829841.2.3溫室環境控制技術三個發展階段 PAGEREF _Toc263782984 h 2HYPERLINK l _Toc2637829851.2.4溫室控制存在的問題 PAGEREF _Toc263782985 h 2HYPERLINK l _Toc2637829861.3主要研究容 PAGEREF _Toc263782986 h 3HYPERLINK l _Toc263782987第 2

16、章 系統總體設計 PAGEREF _Toc263782987 h 4HYPERLINK l _Toc2637829882.1系統功能設計 PAGEREF _Toc263782988 h 4HYPERLINK l _Toc2637829892.2系統設計原則 PAGEREF _Toc263782989 h 4HYPERLINK l _Toc2637829902.3系統組成與工作原理 PAGEREF _Toc263782990 h 5HYPERLINK l _Toc263782991第 3 章 傳感器設計 PAGEREF _Toc263782991 h 6HYPERLINK l _Toc26378

17、29923.1傳感器的基本特性 PAGEREF _Toc263782992 h 6HYPERLINK l _Toc2637829933.1.1傳感器的靜態特性 PAGEREF _Toc263782993 h 6HYPERLINK l _Toc2637829943.1.2傳感器的動態特性 PAGEREF _Toc263782994 h 7HYPERLINK l _Toc2637829953.2DS1820溫度傳感器 PAGEREF _Toc263782995 h 7HYPERLINK l _Toc2637829963.2.1DS1820溫度傳感器概述 PAGEREF _Toc263782996

18、h 7HYPERLINK l _Toc2637829973.2.2DS1820的讀寫時序 PAGEREF _Toc263782997 h 8HYPERLINK l _Toc2637829983.2.3DS1820的測溫原理 PAGEREF _Toc263782998 h 9HYPERLINK l _Toc2637829993.2.4溫度檢測電路 PAGEREF _Toc263782999 h 10HYPERLINK l _Toc2637830003.2.5提高DS1820測溫精度的方法 PAGEREF _Toc263783000 h 11HYPERLINK l _Toc2637830013.2

19、.6軟件設計 PAGEREF _Toc263783001 h 12HYPERLINK l _Toc2637830023.3HS1101濕度傳感器 PAGEREF _Toc263783002 h 13HYPERLINK l _Toc2637830033.3.1HS1101濕度傳感器特點 PAGEREF _Toc263783003 h 13HYPERLINK l _Toc2637830043.3.2濕度測量電路 PAGEREF _Toc263783004 h 14HYPERLINK l _Toc263783005第 4 章 單片機設計 PAGEREF _Toc263783005 h 16HYPER

20、LINK l _Toc2637830064.1AT89S51單片機 PAGEREF _Toc263783006 h 16HYPERLINK l _Toc2637830074.1.1單片機引腳 PAGEREF _Toc263783007 h 16HYPERLINK l _Toc2637830084.1.2時鐘晶振電路和復位電路 PAGEREF _Toc263783008 h 17HYPERLINK l _Toc2637830094.1.389551看門狗功能的使用方法 PAGEREF _Toc263783009 h 17HYPERLINK l _Toc2637830104.2存儲擴展 PAGER

21、EF _Toc263783010 h 17HYPERLINK l _Toc2637830114.2.1I2C總線的基本結構 PAGEREF _Toc263783011 h 17HYPERLINK l _Toc2637830124.2.2雙向傳輸的接口特性 PAGEREF _Toc263783012 h 17HYPERLINK l _Toc2637830134.2.3I2C總線上的時鐘信號 PAGEREF _Toc263783013 h 18HYPERLINK l _Toc2637830144.2.4數據的傳送 PAGEREF _Toc263783014 h 18HYPERLINK l _Toc

22、2637830154.2.5總線競爭的仲裁 PAGEREF _Toc263783015 h 18HYPERLINK l _Toc2637830164.2.6I2C總線接口器件 PAGEREF _Toc263783016 h 19HYPERLINK l _Toc2637830174.3數碼管輸出 PAGEREF _Toc263783017 h 19HYPERLINK l _Toc2637830184.3.18位數碼管 PAGEREF _Toc263783018 h 20HYPERLINK l _Toc2637830194.3.2數碼管數據顯示 PAGEREF _Toc263783019 h 20

23、HYPERLINK l _Toc2637830204.4語音報警電路 PAGEREF _Toc263783020 h 22HYPERLINK l _Toc2637830214.4.1語音芯片1SD2560 PAGEREF _Toc263783021 h 22HYPERLINK l _Toc2637830224.4.21SD2560工作原理 PAGEREF _Toc263783022 h 22HYPERLINK l _Toc2637830234.4.3硬件電路設計 PAGEREF _Toc263783023 h 23HYPERLINK l _Toc2637830244.4.4軟件設計 PAGER

24、EF _Toc263783024 h 23HYPERLINK l _Toc263783025第 5 章 計算機軟件系統 PAGEREF _Toc263783025 h 25HYPERLINK l _Toc2637830265.1上下位機通信 PAGEREF _Toc263783026 h 25HYPERLINK l _Toc2637830275.1.1RS-232-C接口 PAGEREF _Toc263783027 h 25HYPERLINK l _Toc2637830285.1.2單片機和PC通信連接 PAGEREF _Toc263783028 h 26HYPERLINK l _Toc263

25、7830295.2系統組成與工作原理 PAGEREF _Toc263783029 h 27HYPERLINK l _Toc263783030致 PAGEREF _Toc263783030 h 29HYPERLINK l _Toc263783031參考文獻 PAGEREF _Toc263783031 h 30HYPERLINK l _Toc263783032附錄A PAGEREF _Toc263783032 h 31緒 論課題的提出和意義目前我國農業正處于從傳統農業向以優質、高產、高效益為目標的現代農業轉化的新階段。環境控制工程作為農業生物速生、優質、高產的手段，是農業現代化的重要標志。溫室大棚

26、中的環境由多個因子組成，如溫度、光照、濕度與二氧化碳濃度等。我國溫室環境控制目前仍靠人工經驗來管理，嚴重影響了農業生產的效益，阻礙了農業生產的發展，因此，采用先進的人工智能技術，科學、合理地控制影響作物的環境因子，通過計算機控制設備進行環境控制，以便給作物生長創造一個最佳的環境條件，做到既提高產品的質量、產量、經濟價值和社會效益，同時盡量降低生產成本，這對溫室環境施行自動檢測和控制是非常必要的。溫室設施的關鍵技術是環境控制，其目的是提高控制與作業精度。溫室環境控制技術是隨自動化檢測技術、過程控制技術、通訊技術、計算機技術的發展而發展起來的。國外研究現狀溫室是一種可以改變植物生長環境、為植物生長

27、創造最佳條件、避免外界四季變化和惡劣氣候對其影響的場所。它以采光覆蓋材料作為全部或部分結構材料，可在冬季或其他不適宜露地植物生長的季節栽培植物。溫室生產以達到調節產期，促進生長發育，防治病蟲害與提高質量、產量等為目的。而溫室設施術的最終目標是提高控制與作業精度。1.2.1國外溫室環境控制國外對溫室環境控制技術研究較早，始于20世紀70年代。先是采用模擬式的組合儀表，采集現場信息并進行指示、記錄和控制。80年代末出現了分布式控制系統。目前正開發和研制計算機數據采集控制系統的多因子綜合控制系統。現在世界各國的溫室控制技術發展很快，一些國家在實現自動化的基礎上正向著完全自動化、無人化的方向發展。像園

28、藝強國荷蘭，以先進的鮮花生產技術著稱于世，其玻璃溫室全部由計算機操作。英國倫敦大學農學院研制的溫室計算機遙控技術，可以觀測50km以外溫室的光、溫、濕、氣和水等環境狀況，并進行遙控。1.2.2我國溫室控制技術我國對于溫室控制技術的研究較晚，始于20世紀80年代工程技術人員在吸收發達國家溫室控制技術的基礎上，才掌握氣候室微機控制技術，該技術僅限于溫度、濕度和CO2濃度環境因子的控制。我國溫室設施計算機應用，在總體上正從消化簡單應用階段向實用化、綜合性應用階段過渡和發展。在技術單片機控制的單參數單回路系統居多，尚無真正意義上的多參控制系統，與發達國家相比，存在較大差距。我國溫室現狀還有達到工廠化農

29、業的境地，生產實際中仍然有許多問題困擾著存在著溫室裝備配套能力差，產業化程度低，環境控制水平落硬件資源不能共享和可靠性差等缺點。1.2.3溫室環境控制技術三個發展階段從國外溫室控制技術的發展狀況來看，溫室環境控制技術大致經歷三個發展階段：1、手動控制。這是在溫室技術發展初期所采取的控制手段，其當時并沒有真正意義上的控制系統與執行機構。生產一線的種植者既是溫室環境的傳感器，又是對溫室作物進行管理的執行機構，他們是溫室環境控制的核心。通過對溫室外的氣候狀況和對作物生長狀況的觀測，憑借長期積累的經驗和直覺推測與判斷，手動調節溫室環境。但這種控制方式的勞動生產率較低，不適合工廠化農業生產的需要。2、自

30、動控制。利用計算機技術與現代控制理論對溫室的各種環境因子如溫度、光照、濕度、CO2濃度和施肥等，進行自動控制和調節成為溫室控制的主要方式。人為創造適宜作物生長最佳環境的自動控制技術手段成為主流。此時的溫室有比較完整的控制系統，有各種傳感器采集溫室環境數據，監控系統實時監測環境變化與控制執行機構的動作，良好的人機界面使種植者的操作過程形象而且簡便。計算機自動控制的溫室控制技術實現了生產自動化，適合規模化生產，勞動生產率得到提高。目前我國絕大部分自主開發的大型現代化溫室與引進的國外設備都屬于這種控制方式。3、智能化控制。智能化的控制技術將農業專家系統與溫室自動控制技術有機結合，以溫室綜合環境因子作

31、為采集與分析對象，通過專家系統的咨詢與決策，給出不同時期作物生長所需要的最佳環境參數，并且依據此最佳參數對實時測得的數據進行模糊處理，自動選擇合理、優化的調整方案，控制執行機構的相應動作，實現溫室的智能化管理與生產。能夠根據溫室環境條件和作物生長狀況，應用適當的知識表達和規則化，推理決策出最適合作物生長的溫室環境。這種控制方式既能體現作物生長的在規律，發揮農業專家在農業生產中的指導作用，又可充分利用計算機技術的優勢，使系統的調控非常方便和有效，實現溫室的完全智能化控制。1.2.4溫室控制存在的問題首先是農業專家系統自身的問題，農業專家系統的技術還不十分成熟。各種專家系統在收集、整理農業專家知識

32、時并沒有把專家是如何學習和獲得這些知識的過程整理出來，這樣開發的專家系統并不具有真正的學習能力。其次是采集數據的束縛，溫室控制技術主要停留在對溫室環境因子的監控上，并沒有考慮溫室作物本身的生理過程。還有就是農業專家系統在溫室實時控制中的應用的局限性，農業專家系統對溫室環境因子進行實時監控，不同于開發單純的農業專家系統，其中涉與與控制系統的“接口”問題。在開發溫室農業專家控制系統時，對農業知識的表達與推理策略等要認真考慮。同時，將更多的農業知識用于溫室生產的實時控制中，不僅僅局限于對環境因子的專家指導?？傊?，隨著計算機技術、農業應用電子技術、傳感器智能化技術、機械電子一體化技術和計算機網絡技術研

33、究的發展，溫室技術體系己經成為各個國家為合理利用農業資源、提高農產品產量、降低生產成本、保護生態環境、提高農產品在國際市場競爭力的前沿性研究領域。主要研究容本設計主要做了如下幾方面的工作：一是確定系統的總體功能設計方案；二是進行智能傳感器的硬件電路和軟件系統的設計；三是單片機與通信接口的硬件電路與軟件系統設計；四是對連接單片機的上位管理計算機軟件系統的設計思路、工作原理和實現方法進行了闡述。本文將信息采集技術、信息傳輸技術、信息存儲技術與信息處理技術等相互融合，將溫室環境多種參數監測和單片機控制理論相結合，提出一種切實可行的溫室環境監測系統，可以全面、實時、自動地對監測數據進行自動記錄、存儲和

34、處理，并將有關信息根據現場實際情況，采用最有效方式送入計算機進行處理，并可對監測系統進行遠程控制。滿足了對作物生長狀態實行全面、實時、長期監測的要求。與傳統監測系統相比，本系統具有以下優點：傳感器設計成智能型，可以增加系統數據采集速度，減輕監控計算機的負擔。增加了輔助存儲功能，在監控計算機不工作的時候，采用多媒體存儲卡存儲采集數據。單片機的設計提高了系統的監測速度，系統的可靠性、實時性都有很大提高對模擬設備采集到的數據，為防止失真，采用了數據插值算法。利用語音芯片，超限報警，實現了人性化管理。系統總體設計系統功能設計系統要完成的設計功能如下：1實現對溫室溫濕度參數的實時采集，測量空間多點的溫度

35、和濕度:根據測量空間或設備的實際需要，由多路溫度、濕度傳感器對關鍵溫、濕度敏感點進行測量，由單片機對各路數據進行循環檢測、數據處理、存儲，實現溫濕度的智能、多空間點的測量。2實現超限數據的與時報警。3現場監測設備應具有較高的靈敏度、可靠性、抗干擾能力并具有存儲、遠程通信功能。4通信系統具有較高的可靠性、較好的實時性和較強的抗干擾能力。與計算機通訊功能，采用RS232串行通訊方式 最遠傳輸距離為20米。5長時間測量數據記錄功能:可以根據需要設置數據記錄時間間隔，數據存入數據存儲器。6監控計算機軟件設計管理軟件既要具有完成數據采集、處理的功能，其軟件編程應具有功能強大、界面友好、便于操作和執行速度

36、快等特點。要求達到的技術指標：測溫圍：-20-100測溫精度：0.5測濕圍：0-100%RH測濕精度：2.5%RH系統設計原則要求單片機系統應具有可靠性高、操作維護方便、性價比高等特點。1可靠性高可靠性是單片機系統應用的前提，在系統設計的每一個環節，都應該將可靠性作為首要的設計準則。提高系統的可靠性通常從以下幾個方面考慮：使用可靠性高的元器件；設計電路板時布線和接地要合理；對供電電源采用抗干擾措施；輸入輸出通道抗干擾措施；進行軟硬件濾波；系統自診斷功能等。2操作維護方便在系統的軟硬件設計時，應從操作者的角度考慮操作和維護方便，盡量減少對操作人員專用知識的要求，以利于系統的推廣。因此在設計時，要

37、盡可能減少人機交互接口，多采用操作置或簡化的方法。同時系統應配有現場故障診斷程序，一旦發生故障能保證有效地對故障進行定位，以便進行維修。3性價比單片機除體積小、功耗低等特點外，最大的優勢在于高性能價格比。一個單片機應用系統能否被廣泛使用，性價比是其中一個素。因此，在設計時，除了保持高性能外，盡可能降低成本，外圍硬件電路，在系統性能和速度允許的情況下盡可能用軟件代硬件功能等。系統組成與工作原理以單片機為控制核心，采用溫濕度測量，通信技術，誤差修正等關鍵技術，以溫濕度傳感器作為測量元件，構成智能溫濕度測量系統該系統，可分為溫度測量電路，濕度測量電路，A/D轉換與濾波電路，數據存儲與顯示電路，語音報

38、警電路，見圖2.1。選用的主要器件有溫度傳感器DS1820，濕度傳感器HSll01，At89S51，A/D轉換器TLCO834，數據存儲器AT24CO4，MMC存儲卡，4數碼管顯示模塊，語音報警芯片ISD2560，MAX23.定時器555芯片等。 圖2.1 硬件結構圖在整個系統中采用了多種總線、協議技術，如智能溫度傳感器DS1820的單總線技術，存儲擴展的IZC總線技術，MMC的模擬SPI總線技術，單片機和計算機連接的RS232協議技術等。為防止模擬傳感器數據采集的失真，采用了線形插值算法。 在這個系統中單片機部分采用語言為匯編和C語言混合編程，計算機部分采用VC+。傳感器設計傳感器的基本特性

39、在監控系統中有各種不同的物理量需要監測和控制，這就要求傳感器能感受被測非電量并將其轉換成與被測量有一定函數關系的電量。傳感器所測量的非電量是處在不斷的變化之中，傳感器能否將這些非電量的變化不失真地轉換成相應的電量，取決于傳感器的輸入一輸出特性。傳感器這一基本特性可用靜態特性和動態特性來描述。傳感器的靜態特性1線性度傳感器的線性度是指傳感器實際輸出輸入特性曲線與理論直之間的最大偏差與輸出滿度值之比，即式中線性度；max最大非線性絕對誤差；yfs輸出滿度值。2靈敏度傳感器的靈敏度是指傳感器在穩定標準條件下，輸出量的變化量與輸入量的變化量之比，即式中S0靈敏度；Y輸出量的變化量；X輸入量的變化量。3

40、遲滯傳感器在正(輸入量增大)反(輸入量減小)行程中，輸入特性曲線不重合的程度稱為遲滯，遲滯誤差一般以滿的百分數表示，即式中輸出值在正、反行程間的最大差值。遲滯特性一般由實驗方法確定。4重復性傳感器在同一條件下，被測輸入量按同一方向作全量重復測量時，所得輸出輸入曲線的不一致程度，稱重性誤差用滿量程輸出的百分數表示，即近似計算式中-輸出最大重復性誤差；5分辨力傳感器能檢測到的最小輸入增量稱分辨力，在輸入零點附近的分辨力稱為閡值。6零漂傳感器在零輸入狀態下，輸出值的變化稱為零漂，零漂可用相對誤差表示，也可用絕對誤差表示。傳感器的動態特性過程不受時間限制。而實際量的被測量是隨時間變化的動態信號，傳感器

41、的輸出不僅需要精確地顯示被測量的大小，還要顯示被測量隨時間變化的規律，即被測量的波形。傳感器能測量動態信號的能力用動態特性表示。動態特性是指傳感器測量動態信號時，輸出對輸入的響應特性。傳感器動態特性的性能指標可以通過時域、頻域以與試驗分析的方法確定，其動態特性參數如:最大超調量、上升時間、調整時間、頻率響應圍、臨界頻率等。動態特性好的傳感器，其輸出量隨時間的變化規律將再現輸入量隨時間的變化規律，即它們具有同一時間函數。但是，除了理想情況以外，實際傳感器的輸出信號與輸入信號不會具有一樣的時間函數，由此引起動態誤差。DS1820溫度傳感器DS1820溫度傳感器概述美國DALLAS公司生產的DS18

42、20數字溫度傳感器，可以直接將被測溫度轉化為串行數字信號供微機處理，通過簡單的編程實現9位的溫度讀數。并且多個DS1820可以并接到多個地址線上與單片機實現通信。由于每一個DS1820出廠時都刻有唯一的一個序列號并存入其ROM中，因此CPU可用簡單的通信協議就可以識別，從而節省大量的引線和邏輯電路。與其它溫度傳感器相比，DS1820具有以下特性：獨特的單線接口方式，DS1820在與微處理器連接時僅需要一條口線即可實現微處理器與DS1820的雙向通訊。DS1820支持多點組網功能，多個DS1820可以并聯在唯一的三線上，實現多點測溫。DS1820在使用中不需要任何外圍元件。溫圍一55 +125，

43、固有測溫分辨率0.5。測量結果以9位數字量方式串行傳送。單線總線，即1wire技術是DS1820的一個特點。該技術采用單根信號線，既可傳輸時鐘，又能傳輸數據，而且數據傳輸是雙向的，因而這種單總線技術具有線路簡單，硬件開銷少，成本低廉，便于總線擴展和維護等優點。單總線適用于單主機系統，能夠控制一個或多個從機設備。主機可以是微控制器，從機可以是單總線器件，它們之間的數據交換只通過一條信號線。當只有一個從機設備時，系統可按單節點系統操作；當有多個從設備時，系統則按多節點系統操作。單總線即只有一根數據線，系統中的數據交換、控制都由這根線完成。主機或者從機通過一個漏極開路或三態端口連至該數據線，以允許設

44、備在不發送數據時能夠釋放總線，而讓其他設備使用總線，其部等效電路如圖3.2所示。單總線通常要求外接一個約為4.7k的上拉電阻，這樣，當總線閑置時，其狀態為高電平。DS1820的讀寫時序對DS1820的使用，多采用單片機實現數據采集。處理時，將DS1820信號線與單片機一位口線相連，單片機可掛接多片DS1820，從而實現多點溫度檢測系統。無論是單點還是多點溫度檢測，在系統安裝與工作之前，應將主機逐個與DS1820掛接，讀出其序列號。另外，由于DS1820單線通信功能是分時完成的，遵循嚴格的時隙概念，因此，系統對DS1820和各種操作必須按協議進行，即初始化DS1820(發復位脈沖)、發ROM功能

45、命令、發存儲器操作命令。處理數據。DS1820要求嚴格的協定來確保數據的完整性。協議由幾種單線上信號類別型組成：復位脈沖，存在脈沖，寫0，寫1，讀0，和讀1。所有這些信號除了存在脈沖之外均由總線主機產生。DS1820 的測溫原理DS1820的部框圖如圖3.1所示，它主要包括寄生電源、溫度傳感器、64位激光ROM單線接口、存放中間數據的高速暫存器、用于存儲用戶設定的溫度上下限值、觸發器存儲與控制邏輯、8位循環冗余校驗碼發生器等7部分。圖3.1 DS1820的部框圖測溫原理見圖3.2。低溫度系數振蕩器是一個振蕩頻率隨溫度化很小的振蕩器，為計數器1提供一頻率穩定的計數脈沖。高溫度系數振蕩器是一個振蕩

46、頻率對溫度很敏感的振蕩器，為計數器2提供一個頻率隨溫度變化的計數脈沖。初始時，溫度寄存器被預置成550C，每當計數器1從預置數始減計數到0時，溫度寄存器中寄存的溫度值就增加10C，這個過程重復進行直到計數器2計數到0時便停止。圖3.2 DS1820的測溫原理圖初始時，計數器1預置的是與-55像對應的一個預置值。以計數器l每一個循環的預置數都由斜率累加器提供。為了補償振蕩溫度特性的非線性性，斜率累加器提供的預置數也隨溫度相應變化計數器1的預置數也就是在給定溫度外使溫度寄存器存值增加1數器所需的計數個數。圖中比較器的作用是以四舍五入的量化方式確定溫度寄存器最低有效位。在計數器2停止計數后，比較器將

47、計數器1中的計數余值轉換為溫度值后與0.25進行比較，若低于0.25，溫度寄存的最低位就置0；若高于0.25，就置1；若高于0.75，溫度寄存器的最低位就進位后置0。這樣，經過比較后所得的溫度寄存器的值就是最終讀取的溫度值了，其最末位代表0.5，四舍五入最大量化誤差為士l/ZLSB，即0.25。溫度寄存器中的溫度值以9位數據格式表示，最高位為符號位。其余8位以二進制補碼形式表示溫度值。測溫結束時，這9位數據轉存到暫存寄存器的前兩個字節中，符號位占用第1字節，8位溫度數據占用第2字節。DS1820測量溫度時使用特有的溫度測量技術。DS1820部的低溫度系數振蕩器能產生穩定的頻率信號:同樣的，高溫

48、度系數振蕩器則將被測溫度轉換成頻率信號。當計數門打開時，DS1820進行計數計數門開通時間由高溫度系數振蕩器決定。芯片部還有斜率累加器，可對頻率的非線性度加以補償。測量結果存入溫度寄存器中。一般情況下的溫度值應為9位(包含一位符號)，但因符號位擴展成高8位，故以16位補碼形式讀出。溫度檢測電路溫度檢測系統原理圖如圖3.3所示，采用寄生電源供電方式。為保證在有效的DS1820時鐘周期，提供足夠的電流，用一個MOSFET管和單片機的一個I/O口(Pl.0)來完成對DS1820總線的上拉。當DS1820處于寫存儲器操作和溫度A/D變換操作時，總線上必須有強的上拉。采用寄生電源供電方式時VDD必須接地

49、。由于單線制只有一根線，因此發送接收口必須是三態的，為了操作方便用單片機的Pl.1口作發送口TX，Pl.2口作接收口Rx。通過試驗發現此種方法可掛接DS1820數十片，距離可達到50米，而用一個口時僅能掛接10片DS1820，距離僅為20米。同時由于讀寫在操作上是分開的故不存在信號競爭問題。圖3.3是采用寄生電源供電方式的DS1820與單片機的實際系統連接圖。圖3.3采用寄生電源供電的DS1820與單片機的連接圖提高DS1820測溫精度的方法DS1820正常使用時的測溫分辨率為0.5，在對DS1820測溫原理詳細分析的基礎上，可以采取直接讀取DS1820部暫存寄存器的方法，將DS1820的測溫

50、分辨率提高到0.10.01。DS1820部暫存寄存器的分布如表3.1所示，其中第7字節存放的是當溫度寄存器停止增值時計數器1的計數剩余值，第8字節存放的是每度所對應的計數值，這樣可以通過下面的方法獲得高分辨率的溫度測量結果。首先用DS1820提供的讀暫存寄存器指令(BEH)讀出以0.5為分辨率的溫度測量結果，然后切去測量結果中的最低有效位(LSB)，得到所測實際溫度整數部分T整數，然后再用BEH指令讀取計數器1的計數剩余值M剩余和每度計數值M每度，考慮到DS1820測量溫度的整數部分以0.25、0.75為進位界限的關系，實際溫度T可用下式計算得到：T實際=(T整數-0.25)+(M每度-M剩余

51、)/M每度通過上述方法可以大大的提高DS1820的測溫分辨率表3.1 DS1820暫寄存器分布寄存器容字節地址溫度最低位字位0溫度最高位字位1高溫限值2低溫限值3保留4保留5計數剩余值6每度計數值7CRC校驗8軟件設計溫度測量的主程序主要完成對DS1820的調用中斷管理、測量溫度值的計算與溫度值的顯示等問題。DS1820允許中斷的產生以修正溫度值，實現與時的溫度測量。對于圖3.9系統的DS1820操作的總體流程圖如圖3.10所示。它分三步完成：系統通過反復操作，搜索DS1820序列號；啟動所有在線DS1820做溫度A/D變換；逐個讀出在線DS1820變換后的溫度數據。當有更多的檢測點需要測溫時

52、，可利用單片機的其它口進行擴展。同時，也可利用單片機的串行通信口(RXD，TXD)與上位計算機進行通信，從而構成微機溫度測量系統網。圖3.4 DS1820操作的總體流程圖HS1101濕度傳感器測量空氣濕度的方式很多，其原理是根據某種物質從其周圍的空氣中吸收水分后引起的物理或化學性質的變化，間接地獲得該物質的吸水量與周圍空氣的濕度。電容式、電阻式和濕漲式濕敏元件分別是根據其高分子材料吸濕后的介電常數、電阻率和體積隨之發生變化而進行濕度測量的。HS1101濕度傳感器特點不需校準的完全互換性，高可靠性和長期穩定性，快速響應時間，專利設計的固態聚合物結構，側面接觸封裝，適用于線性電壓輸出和頻率輸出兩種

53、電路，適宜于制造流水線上的自動插件和自動裝配過程等。相對濕度在0%-100%RH圍；電容量由162pF變到200pF，其誤差不大于2%RH;響應時間小于5s；溫度系數為0.01pF/。可見精度是較高的。濕度測量電路HS1101電容傳感器，在電路構成中等效于一個電容器件，其電容量隨著所測空氣濕度的增大而增大。如何將電容的變化量準確地轉變為計算機易于接受的信號，常用兩種方法:一是將該濕敏電容置于運放與阻容組成的橋式振蕩電路中，所產生的正弦波電壓信號經整流、直流放大、再A/D轉換為數字信號；另一種是將該濕敏電容置于555振蕩電路中，將電容值的變化轉為與之呈反比的電壓頻率信號，可直接被計算機所采集。頻

54、率輸出的555測量振蕩電路如圖3.5所示。集成定時器555芯片外接電阻R4、R2與濕敏電容C，構成了對C的充電回路。7端通過芯片部的晶體管對地短路又構成了對C的放電回路，并將引腳2、6端相連引入到片比較器，便成為一個典型的多諧振蕩器，即方波發生器。另外，R3是防止輸出短路的保護電阻，Rl用于平衡溫度系數。圖3.5 頻率輸出的555振蕩電路該振蕩電路兩個暫穩態的交替過程如下：首先電源VS通過R4、R2向C充電，經t充電時間后，Uc達到芯片比較器的高觸發電平約0.67VS，此時輸出引腳3端由高電平突降為低電平，然后通過R2放電，經t放電時間后，U0下降到比較器的低觸發電平，約0.33VS，此時輸出

55、引腳3端又由低電平躍升為高電平。如此翻來覆去，形成方波輸出。其中，充放電時間為：t充電=C(R4+R2)InZt放電=CR2InZ因而，輸出的方波頻率為f=1/(t充電+t放電)=1/C(R4+2R2)InZ)可見，空氣濕度通過555測量振蕩電路就轉變為與之呈反比的頻率信號。 濕敏電容經振蕩電路變換后的脈沖頻率信號，經濾波、整形、光藕、放大等信號處理后，送入單片機的定時/計數器T1，Tl工作于方式1，為16位計數器，定時記錄脈沖數并存入存緩沖區(T0工作于方式2為自動重裝方式的定時器)。由于采用了性能優良的Hsl101電容式濕度傳感器與其振蕩測量電路，獲得了頻率信號與濕度值的近似線性關系，通過

56、軟件的分段線性與查表計算等數據處理，可以校準補償頻率、漂移以與元器件的誤差，因而所構成的濕度測量儀具有結構簡單、成本低、測量精度高、響應時間快、性能穩定的優點。A/D轉換器采用8位串行控制模數轉換器TLC0834。TLC0834是低價格8位逐次逼近型A/D轉換器，其多路器可用軟件配置為單端或差分輸入，也可配置為偽差分輸入，基準電壓的大小可調，在全8位分辨率下允許任意小的模擬電壓編程間隔。A/D轉換電路是用于將檢測到的溫濕度模擬電壓轉換成數字量輸送到微處理器AT89551。通常取R4 R2=576kQ、R4遠小于R2，使D=50%，輸出接近方波。例如，取R4=49.9kQ時，D=52%。當C=C

57、0=181spF時求出f=6668Hz，這與6660Hz(典型值)非常接近。 圖3.6 濕度測量電路單片機設計AT89S51單片機本系統采用的AT89S51是一個低功耗，高性能CM058位單片機片含4kBytesISP的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼容標準MCS51指令系統與80C51引腳結構，芯片集成了通用8位中央處理器和ISPFlash存儲單元。AT89S51具有如下特點：40個引腳，4kBytesFlash片程序存儲器，128bytes的隨機存取數據存儲器(RAM)，32個外部雙向輸入/輸出(I/O)口，5個中斷優

58、先級2層中斷嵌套中斷，2個16位可編程定時計數器，2個全雙工串行通信口，看門狗(WDT)電路，片時鐘振蕩器。單片機引腳單片機有4個I/O端口，每個端口都是8位雙向口，共占32根引腳。每個端口都包括一個鎖存器(即專用寄存器P0-P3)、一個輸入驅動器和輸入緩沖器。通常把4個端口稱為P0P3，見圖4.1。在無片外擴展的存儲器的系統中，這4個端口的每一位都可以作為雙向通用I/O端口使用。在具有片外擴展存儲器的系統中，P2口作為高8位地址線，P0口分時作為低8位地址線和雙向數據總線。在作為一般的通用I/O輸入時，都必須先向鎖存寫入“1”，使輸出驅動場效應管FET截止，以免誤讀數據。圖 4.1 單片機

59、AT89S51引腳與連接晶振電路和復位電路時鐘晶振電路和復位電路時鐘電路用于產生時鐘信號，時鐘信號是單片機部各種微操作的時間基準，在此基礎上，控制器按照指令的功能產生一系列在時間上有一定次序的信號，控制相關的邏輯電路工作，實現指令的功能。復位對單片機來說，是程序還沒有開始執行，在做準備工作。89551看門狗功能的使用方法看門狗復位電路監控程序的運行狀態，在死機或“程序走飛”時可使系統自動恢復到正常工作狀態?？撮T狗具體使用方法如下:在程序初始化中向看門狗寄存器(WDTRST地址是OA6H)中先寫入OlEH再寫入 OEIH。即可激活看門狗。89551的看門狗必須由程序激活后才開始工作。所以必須保證

60、CPU有可靠的上電復位。否則看門狗也無法工作?？撮T狗使用的是CPU的晶振。在晶振停振的時候看門狗也無效。89551只有14位計數器。在16383個機器周期必須至少喂狗一次。而且這個時間是固定的，無法更改。當晶振為12M時每16個毫秒需喂狗一次。存儲擴展I2C總線是一種由PHILIPS公司開發的兩線式串行總線，用于連接微控制器與其外圍設備。I2C總線最主要的優點是其簡單性和有效性。由于接口直接在組件之上，因此I2C總線占用的空間非常小，減少了電路板的空間和芯片管腳的數量，降低了互聯成本?？偩€的長度可高達25英尺，并且能夠以10kbps的最大傳輸速率支持40個組件。I2C總線的另一個優點是，它支持