大棚溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

- 1 - 大棚溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 方案 內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀及趨勢(shì) 外的研究現(xiàn)狀 西方發(fā)達(dá)國(guó)家在現(xiàn)代化溫室測(cè)控技術(shù)起步較早，借助其發(fā)達(dá)的科技力量，已實(shí)現(xiàn)了溫室測(cè)控的自動(dòng)化、智能化，并且應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域。 1949 年，美國(guó)建成了第一個(gè)植物人工氣候室，開(kāi)展了植物對(duì)自然環(huán)境的適應(yīng)性和抵抗能力的基礎(chǔ)及應(yīng)用的研究。 20 世紀(jì) 60 年代，生產(chǎn)型的高級(jí)溫室開(kāi)始應(yīng)用與西方農(nóng)業(yè)生產(chǎn)， 70 年代以后荷蘭、日本、美國(guó)、以色列等國(guó)家的溫室技術(shù)迅猛發(fā)展，溫室設(shè)計(jì)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、畜牧業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖多個(gè)領(lǐng)域。隨著計(jì)算機(jī)和電子技術(shù)的飛速發(fā)展，近年來(lái)，溫室大棚的自動(dòng)監(jiān)控和管理技術(shù)不斷提高，在世界各地都得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。 目前，國(guó)外的 溫室的內(nèi)部設(shè)計(jì)已經(jīng)達(dá)到了比較完備的程度，并且形成了一些標(biāo)準(zhǔn)。溫室的各種環(huán)境因子大多有計(jì)算機(jī)集中控制，各種傳感器都比較齊全和成熟，不僅對(duì)溫度、濕度、 度和光強(qiáng)進(jìn)行檢測(cè)，還可以對(duì)作物的營(yíng)養(yǎng)液濃度等多種條件進(jìn)行檢測(cè)，各種控制技術(shù)也非常成熟，傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)合程度非常高。一些國(guó)家在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的基礎(chǔ)上正在向著完全自動(dòng)化和無(wú)人化的方向發(fā)展。 內(nèi)的發(fā)展現(xiàn)狀 我國(guó)的溫室技術(shù)起步較晚， 20 世紀(jì) 70 年代以前我國(guó)基本還停留的農(nóng)業(yè)完全人工作業(yè)， 70 年代以后，國(guó)家大力發(fā)展以溫室大棚為主的設(shè)施農(nóng)業(yè)，促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā) 展和環(huán)節(jié)蔬菜季節(jié)性短缺的矛盾。經(jīng)過(guò) 20多年的發(fā)展，我國(guó)的溫室大棚已經(jīng)具有規(guī)?；?、專業(yè)化、管理水平高的特點(diǎn)，但是我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化程度不高，走科學(xué)種植的道路卻要人工實(shí)現(xiàn)，全國(guó)大多數(shù)大棚不具有自動(dòng)控制設(shè)備，這與我國(guó)的經(jīng)濟(jì)條件所決定。近年來(lái)我國(guó)大力發(fā)展農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，一批生產(chǎn)自動(dòng)化農(nóng)業(yè)設(shè)施的廠家應(yīng)運(yùn)而生，但是現(xiàn)在這些設(shè)備還沒(méi)有普及，原因又很多，- 2 - 農(nóng)民自身知識(shí)水平不高不相信科學(xué)是一方面，經(jīng)濟(jì)水平也決定了我國(guó)的溫室大棚自動(dòng)化的道路任重而道遠(yuǎn)。 總體上說(shuō)，我國(guó)自行開(kāi)發(fā)的溫室測(cè)控系統(tǒng)其技術(shù)水平和調(diào)控能力與西方發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有 一定的差距。而我國(guó)的綜合環(huán)境控制技術(shù)的研究剛剛起步，目前仍停留在研究單個(gè)或者幾個(gè)環(huán)境因素調(diào)控技術(shù)的階段，而實(shí)際上溫室環(huán)境中的溫度、濕度、 度、光強(qiáng)等環(huán)境因子，都是在互相影響、互相制約的狀態(tài)下影響植物的生長(zhǎng)的，環(huán)境因素的時(shí)間變化、空間變化都很復(fù)雜。因此，我國(guó)的現(xiàn)代化設(shè)施農(nóng)業(yè)任重而道遠(yuǎn)。 題背景 在人類的生活環(huán)境中，溫濕度扮演著極其重要的角色。無(wú)論你生活在哪里，從事什么工作，無(wú)時(shí)無(wú)刻不在與溫度和濕度打著交道。自18 世紀(jì)工業(yè)革命以來(lái)，工業(yè)發(fā)展與是否能掌握溫濕度有著密切的聯(lián)系。在冶金、鋼鐵、石化、 水泥、玻璃、醫(yī)藥等行業(yè)，可以說(shuō)幾乎 80%的工業(yè)部門(mén)都不得不考慮著溫濕度的因素。溫濕度不但對(duì)于工業(yè)如此重要，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中溫度的監(jiān)測(cè)與控制也有著十分重要的意義。我國(guó)人多地少，人均占有耕地面積更少。因此，要改變這種局面，只靠增加耕地面積是不可能實(shí)現(xiàn)的，因此我們要另辟蹊徑，想辦法來(lái)提高單位畝產(chǎn)量。溫室大棚技術(shù)就是其中一個(gè)好的方法。溫室大棚就是建立一個(gè)模擬適合生物生長(zhǎng)的氣候條件，創(chuàng)造一個(gè)人工氣象環(huán)境，來(lái)消除溫度對(duì)生物生長(zhǎng)的約束。而且，溫室大棚能克服環(huán)境對(duì)生物生長(zhǎng)的限制，能使不同的農(nóng)作物在不適合生長(zhǎng)的季節(jié)產(chǎn)出，使季節(jié)對(duì) 農(nóng)作物的生長(zhǎng)不再產(chǎn)生過(guò)度影響，部分或完全擺脫了農(nóng)作物對(duì)自然條件的依賴。由于溫室大棚能帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益，所以溫室大棚技術(shù)越來(lái)越普及，并且已成為農(nóng)民增收的主要手段。 隨著大棚技術(shù)的普及，溫室大棚數(shù)量不斷增多，溫室大棚的環(huán)境監(jiān)測(cè)便成為一個(gè)十分重要的課題。傳統(tǒng)的溫濕度監(jiān)測(cè)是在溫室大棚內(nèi)部懸掛溫度計(jì)和濕度計(jì)，通過(guò)讀取溫度值和濕度值了解實(shí)際溫濕度，這些操作都是在人工情況下進(jìn)行的，耗費(fèi)了大量的人力物力。另外俗稱氣肥的二氧化碳對(duì)農(nóng)作物影響是雙面的過(guò)高過(guò)低都會(huì)使作物生長(zhǎng)受- 3 - 到影響，傳統(tǒng)大棚種植經(jīng)驗(yàn)缺乏對(duì)二氧化碳的關(guān)注?，F(xiàn)在， 隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的不斷提高，農(nóng)產(chǎn)品在大棚中培育的品種越來(lái)越多，對(duì)于數(shù)量較多的大棚，傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測(cè)措施就顯現(xiàn)出很大的局限性。為溫室大棚的建設(shè)對(duì)環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)也提出了越來(lái)越高的要求。 今天，我們的生活環(huán)境和工作環(huán)境有越來(lái)越多稱之為單片機(jī)的小電腦在為我們服務(wù)。單片機(jī)在工業(yè)控制、尖端武器、通信設(shè)備、信息處理、家用電器等各測(cè)控領(lǐng)域的應(yīng)用中獨(dú)占鰲頭。時(shí)下，家用電器和辦公設(shè)備的智能化、遙控化、模糊控制化已成為世界潮流，而這些高性能無(wú)一不是靠單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。采用單片機(jī)來(lái)對(duì)溫度、濕度二氧化碳濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不 僅具有控制方便、組態(tài)簡(jiǎn)單和靈活性大等優(yōu)點(diǎn)，而且可以及時(shí)科學(xué)、精確的監(jiān)測(cè)到溫室大棚內(nèi)各項(xiàng)環(huán)境因素變化的技術(shù)指標(biāo)，從而能夠?yàn)榧皶r(shí)調(diào)整、控制室內(nèi)環(huán)境提供科學(xué)依據(jù)，大大提高產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量。單片機(jī)以其功能強(qiáng)、體積小、可靠性高、造價(jià)低和開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，成為自動(dòng)化和各個(gè)測(cè)控領(lǐng)域中必不可少且廣泛應(yīng)用的器件，尤其在日常生活中也發(fā)揮越來(lái)越大的作用。因此，單片機(jī)對(duì)溫濕度的控制問(wèn)題是一個(gè)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到的問(wèn)題。因此，本課題圍繞基于單片機(jī)的溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)展開(kāi)了應(yīng)用研究設(shè)計(jì)工作。 題的現(xiàn)實(shí)意義 隨著單片機(jī)和傳 感技術(shù)的迅速發(fā)展，自動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域發(fā)生了巨大變化，溫室環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制方面的研究有了明顯的進(jìn)展，并且必將以其優(yōu)異的性能價(jià)格比，逐步取代傳統(tǒng)的溫濕度控制措施 前應(yīng)用于溫室大棚的溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)大多采用模擬溫度傳感器、多路模擬開(kāi)關(guān)、 A/D 轉(zhuǎn)換器及單片機(jī)等組成的傳輸系統(tǒng)。這種溫濕度度采集系統(tǒng)需要在溫室大棚內(nèi)布置大量的測(cè)溫電纜，才能把現(xiàn)場(chǎng)傳感器的信號(hào)送到采集卡上，安裝和拆卸繁雜，成本也高。同時(shí)線路上傳送的是模擬信號(hào)，易受干擾和損耗，測(cè)量誤差也比較大。另外目前的監(jiān)測(cè)設(shè)施的終端都設(shè)在棚附近查看數(shù)據(jù)不方便不便于集中管理 。為了克服這些- 4 - 缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用數(shù)字傳感模塊采集數(shù)據(jù)、通過(guò)單片機(jī)處理后經(jīng)無(wú)線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離傳輸達(dá)到“遙感”的目的解決了上述問(wèn)題。 本系統(tǒng)能夠?qū)Υ笈飪?nèi)的溫度、濕度、二氧化碳濃度進(jìn)行采集，利用溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器將溫室大棚內(nèi)溫度、濕度、二氧化碳濃度的變化，變換成數(shù)字量，其值由單片機(jī)處理，再由單片機(jī)去驅(qū)動(dòng)無(wú)線收發(fā)模塊，最后通過(guò) 連接來(lái)顯示溫室大棚內(nèi)的實(shí)際溫度、濕度和二氧化碳濃度。這種設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)了溫濕度實(shí)時(shí)測(cè)量、顯示。該系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，具有較高的測(cè)量精度，不需要任何固定網(wǎng)絡(luò)的支持，安裝 簡(jiǎn)單方便，性價(jià)比高，可維護(hù)性好。這種溫濕度測(cè)控系統(tǒng)可應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的溫室大棚，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，是一種比較智能、經(jīng)濟(jì)的方案，適于大力推廣，以便促進(jìn)農(nóng)作物的生長(zhǎng)，從而提高溫室大棚的畝產(chǎn)量，以帶來(lái)很好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 - 5 - - 6 - 2 系統(tǒng)整體方案與硬件選擇 案系統(tǒng)概述 本設(shè)計(jì)是基于單片機(jī)對(duì)數(shù)字信號(hào)的高敏感和可控性；溫濕度傳感器、二氧化碳傳感器可以產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)；無(wú)線收發(fā)模塊可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)男阅?。此設(shè)計(jì)是以 片機(jī)基本系統(tǒng)為核心，以無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸為亮點(diǎn)的一套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其中包括溫濕度監(jiān)測(cè)、二氧化碳濃度監(jiān)測(cè)、單片機(jī)、無(wú)線傳輸電路、 輸電路、 示窗口設(shè)計(jì)、電源電路設(shè)計(jì)等。系統(tǒng)總體方框圖如圖 圖 統(tǒng)總體框圖 本設(shè)計(jì)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)顯示死部 分構(gòu)成的。 （ 1） 數(shù)據(jù)采集 由 成； （ 2） 數(shù)據(jù)處理 由單片機(jī) 本系統(tǒng)組成； （ 3） 數(shù)據(jù)傳輸 由 單片機(jī) 成； （ 4） 數(shù)據(jù)顯示 由 示窗口組成。 C 8051 F 340 4 L 01 4 L 01 C 8051 F 340 - 本系統(tǒng)中 溫濕度傳感器采集大棚室內(nèi)溫度、濕度信息。輸出數(shù)字信號(hào)。 二氧化碳傳感器采集大棚室內(nèi)二氧化碳信息輸出數(shù)字信號(hào)。 I）單片機(jī)驅(qū)動(dòng) 個(gè)傳感器進(jìn)行信息采集并對(duì)采集到的信息進(jìn)行處理，驅(qū)動(dòng)無(wú)線發(fā)送模塊處理后 的信息發(fā)送出去。 A）是無(wú)線發(fā)送模塊對(duì) I）所給的信號(hào)進(jìn)行發(fā)送前處理并在 I）的驅(qū)動(dòng)下將適合在信道傳輸?shù)男盘?hào)發(fā)送出去。 B）為無(wú)線接收模塊其作用是在單片機(jī) 驅(qū)動(dòng)下接收、處理A）所發(fā)送的信號(hào)。單片機(jī) 動(dòng) 纜傳輸最后所得信息并驅(qū)動(dòng) 示窗口顯示實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)電源模塊為傳感器、單片機(jī)供電，無(wú)線收發(fā)模塊供電由單片機(jī) 出端提供。 下面將一一介紹簡(jiǎn)單硬件基本資料和選擇該硬件具體原因。 （由于成本原因二氧化碳傳感器用電位器代替） 片機(jī)的選擇 片機(jī)概述 單片微型計(jì)算機(jī)簡(jiǎn)稱單片機(jī)，又稱微控制器，嵌入式微控制器等，屬于第四代電子計(jì)算機(jī)。它把中央處理器、存儲(chǔ)器、輸入 /輸出接口電路以及定時(shí)器葉數(shù)器集成在一塊芯片上，從而具有體積小、功耗低、價(jià)格低廉、抗干擾能力強(qiáng)且可靠性高等特點(diǎn)，因此，適合應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制、智能儀器儀表和測(cè)控系統(tǒng)的前端裝置。正是由于這一原因，國(guó)際上逐漸采用微控制器 (替單片微型計(jì)算機(jī) (一名稱?！拔⒖刂破鳌备芊从硢纹瑱C(jī)的本質(zhì)，但是由于單片機(jī)這個(gè)名稱已經(jīng)為國(guó)內(nèi)大多數(shù)人所接受，所以仍沿用“單片機(jī)”這一名稱。 1、單片機(jī)的主要特點(diǎn)有 : (1) 具有優(yōu)異的性能價(jià)格比。 (2) 集成度高、體積小、可靠性高。 (3) 控制功能強(qiáng)。 (4) 低電壓，低功耗。 2、單片機(jī)的主要應(yīng)用領(lǐng)域 : (1) 工業(yè)控制 - 8 - (2) 儀器儀表 (3) 電信技術(shù) (4) 辦公自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)外部設(shè)備 (5) 汽車(chē)和節(jié)能 (6) 制導(dǎo)和導(dǎo)航 (7) 商用產(chǎn)品 (8) 家用電器 因此，在本設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，采用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在單片機(jī)選用方面，由于 列單片機(jī)與 列單片機(jī)兼容，所以，本系統(tǒng)中選用 紹 件是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型 面列出了一些主要特性： 高速、流水線結(jié)構(gòu)的 8051兼容的微控制器內(nèi)核（可達(dá) 48 全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口（片內(nèi)） 通用串行總線（ 能控制器，有 8 個(gè)靈活的端點(diǎn)管道，集成收發(fā)器和 1K 電源穩(wěn)壓器 真正 10位 200單端 /差分 模擬多路器 片內(nèi)電壓基準(zhǔn)和和溫度傳感器 片內(nèi)電壓比較器（兩個(gè)） 精確校準(zhǔn)的 12部振蕩器和 4 倍時(shí)鐘乘法器 多達(dá) 64 多達(dá) 4352字節(jié)片內(nèi) 256+4 - 9 - 硬件實(shí)現(xiàn)的 IC、增強(qiáng)型 多兩個(gè)）和增強(qiáng)型 4個(gè)通用 16位定時(shí)器 具有 5個(gè)捕捉 /比較模塊和看門(mén)狗定時(shí)器功能的可編程計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器陣列 （ 片內(nèi)上電復(fù)位、 視器和時(shí)鐘丟失檢測(cè)器 多達(dá) 40個(gè)端口 I/O（容許 5 具有片內(nèi)上電復(fù)位、 視器、電壓調(diào)整器、看門(mén)狗定時(shí)器和時(shí)鐘振蕩器的 。 儲(chǔ)器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并允許現(xiàn)場(chǎng)更新 8051 固件。用戶軟件對(duì)所有外設(shè)具有完全的控制，可以關(guān)斷任何一個(gè)或所有外設(shè)以節(jié)省功耗。 片內(nèi) 線（ 發(fā)接口允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品 行非侵入式（不占用片內(nèi)資源）、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。調(diào)試邏輯支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器，支持?jǐn)帱c(diǎn)、單步、運(yùn)行和停機(jī)命令。在使用 有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行。兩個(gè) 口引腳可以與用戶功能共享，使在系統(tǒng)調(diào)試功能不占用封裝引腳。 每種器件都可在工業(yè)溫度范圍（ +85）內(nèi)用 電壓工作。電源電壓大于 須使用內(nèi)部穩(wěn)壓器。對(duì)于 信，電源電壓最小值為 口 I/5 /2/3/4/5/6/7 采用 48 腳 裝或 32 腳 控制器核 1 與 8051完全兼容 - 10 - 。以使用標(biāo)準(zhǔn) 803x/805052的所有外設(shè)部件，包括 4個(gè) 16位計(jì)數(shù)器 /定時(shí)器、兩個(gè)具有擴(kuò)展波特率配置的全雙工 個(gè)增強(qiáng)型 達(dá)4352字節(jié)的內(nèi)部 128字節(jié)特殊功能寄存器（ 址空間及多達(dá) 40個(gè) I/ 2 速度提高 標(biāo)準(zhǔn)的 8051結(jié)構(gòu)相比指令執(zhí)行速度有很大的提高。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 8051中，除 2或 24個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，最大系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為 12對(duì)于 70%的指令的執(zhí)行時(shí)間為 1或 2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，只有 4條指令的執(zhí)行時(shí)間大于 4個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。 11條指令。下表列出了指令條數(shù)與執(zhí)行時(shí)所需的系統(tǒng)時(shí)鐘周期數(shù)的關(guān)系 執(zhí)行周期 1 2 2/3 3 3/4 4 4/5 5 8 指令數(shù) 26 50 5 16 7 3 1 2 1 表 增加的功能 ，提高了整體性能，更易于在最終應(yīng)用中使用。 擴(kuò)展的中斷系統(tǒng)向 6個(gè)中斷源（標(biāo)準(zhǔn) 8051只有 7個(gè)中斷源），允許大量的模擬和數(shù)字外設(shè)中斷微控制器。一個(gè)中斷驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)需要較少的 而有更高的執(zhí)行效率。在設(shè)計(jì)一個(gè)多任務(wù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)時(shí)，這些增加的中斷源是非常有用的。 ：上電復(fù)位電路（ 片內(nèi)電源電壓低于 看門(mén)狗定時(shí)器、時(shí)鐘丟失檢測(cè)器、由比較器 0提供的電壓檢測(cè)器、軟件強(qiáng)制復(fù)位、外部復(fù)位輸入引腳和 寫(xiě)錯(cuò)誤保護(hù)電路復(fù)位。除了 位輸入引腳及 他復(fù)位源都可以被軟件禁止。在一次上電復(fù)位之后的 - 11 - 高速內(nèi)部振蕩器在出廠時(shí)已經(jīng)被校準(zhǔn)為 12。時(shí)鐘恢復(fù)電路允許內(nèi)部振蕩器與 4 倍時(shí)鐘乘法器配合，提供全速方式 鐘源。內(nèi)部振蕩器還被用作低速方式下的 部振蕩器也可以與 4倍時(shí)鐘乘法器配合使用。器件內(nèi)集成了一個(gè)低頻振蕩器，可以在功耗關(guān)鍵的應(yīng)用中使用。器件內(nèi)還集成了外部振蕩器驅(qū)動(dòng)電路，允許使用晶體、陶瓷諧振器、電容、 鐘源產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘。系統(tǒng)時(shí)鐘可以被 配置為使用內(nèi)部振蕩器、外部振蕩器或時(shí)鐘乘法器輸出二分頻。如果需要，可以在 頻內(nèi)部振蕩器或外部振蕩器在低功耗系統(tǒng)中是非常有用的，它允許 電）的時(shí)鐘源運(yùn)行，當(dāng)需要時(shí)再周期性地切換到高速時(shí)鐘源。 構(gòu) 1. 結(jié)構(gòu)框圖和系統(tǒng)框圖 - 12 - 圖 8051統(tǒng)框圖 2、 最小系統(tǒng)圖 圖 8051小系統(tǒng)圖 部含有數(shù)字和模擬資源可以通過(guò) 40 個(gè) I/O 引腳使用，每個(gè)端口引腳都可以被定義為通用 I/O（ 模擬輸入。以被分配給內(nèi)部數(shù)字資源。設(shè)計(jì)者完全控制數(shù)字功能的引腳分配，只受 I/O 引腳數(shù)的限制。這種資源分配的靈活性是通過(guò)使用優(yōu)先權(quán)交叉開(kāi)關(guān)譯碼器實(shí)現(xiàn)的。不論交叉開(kāi)關(guān)的設(shè)置如何，端口I/ 本設(shè)計(jì)采用的是單片機(jī) 芯片內(nèi)部有 12M 的 內(nèi)部高頻振蕩器，在出廠時(shí)已經(jīng)校準(zhǔn)，所以不需外接晶振，本系統(tǒng)只有單片機(jī)的 有外接上拉電阻，其他的都不外接上拉電阻， - 13 - 線收發(fā)模塊選擇 由 品的工作在 段的單片無(wú)線收發(fā)器芯片。無(wú)線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型“式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器和解調(diào)器。輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過(guò) 口進(jìn)行設(shè)置。幾乎可以連接到各種單片機(jī)芯片，并完成無(wú)線數(shù)據(jù)傳送工作。 極低的電流消耗：當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為 0電流消耗為 接收模式時(shí)為 電模式和待機(jī)模式下電流消耗更低 。 能參數(shù) 小體積， 裝 寬電 壓工作范圍， 入引腳可承受 5V 電壓輸入 工作溫度范圍 ： +80 工作頻率范圍 ： 發(fā)射功率可選擇為 0 數(shù)據(jù)傳輸速率支持 12 低功耗設(shè)計(jì)，接收時(shí)工作電流 0電模式時(shí)僅為 900 126 個(gè)通訊通道， 6 個(gè)數(shù)據(jù)通道，滿足多點(diǎn)通訊和調(diào)頻需要 - 14 - 增強(qiáng)型 “作模式，硬件的 驗(yàn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn) 的地址控制 。 數(shù)據(jù)包每次可傳輸 1 32數(shù)據(jù) 。 4 線 訊端口，通訊速率最高可達(dá) 8合與各種接，編程簡(jiǎn)單 。 可通過(guò)軟件設(shè)置工作頻率、通訊地址、傳輸速率和數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度 通過(guò) 腳快判斷是否完成數(shù)據(jù) 接收和數(shù)據(jù)發(fā)送 。 容性 以兼 容 、 無(wú)線模塊。 或稱 低功耗優(yōu)化版，同時(shí)增加了 250訊速率的支持。 間可互用代碼（除極少部分需要修改外）和互相通訊 間可完成相互通訊，前提是它們之間必須工作在相同的工作模式下。比如工作頻率、傳輸速率、地址、數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度和 驗(yàn)方式。 可以同 間完成通訊。通訊建立條件同 結(jié)合本系統(tǒng)實(shí)際情況本案選用 線收發(fā)模塊。 濕度某塊選擇 - 15 - 字溫濕度傳感器 是一款含有已校準(zhǔn)熟悉信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元 件和一個(gè) 溫元件，并與一個(gè)高性能 8 位單片機(jī)相連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。 每個(gè) 感器都在即為精確 的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn) 系數(shù)以程序的形式存在 存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)型號(hào)的 處理過(guò)程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。 單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變 得簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低 的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá) 20 米以上，使其成為給類應(yīng)用甚至 最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選擇。 產(chǎn)品為 4 針單 排引腳封裝，連接方便。 - 16 - 能 供電電壓： C 輸 出：?jiǎn)慰偩€數(shù)字信號(hào) 測(cè)量范圍： 濕度 20H， 溫度 050 測(cè)量精度： 濕度 +H， 溫度 + 分 辨 率： 濕度 1% 溫度 1 互 換 性： 可完全互換 ， 長(zhǎng)期穩(wěn)定性： 70%小時(shí)以上。 氣體的相對(duì)濕度，在很大程度上依賴于溫 度。因此在測(cè)量濕度時(shí)，應(yīng)盡可能保證濕度傳感器在同一溫度下工作。如果與釋放熱量的電子元件共用一個(gè)印刷線路板，在安裝時(shí)應(yīng)盡可能將 安裝在熱源下方，同時(shí)保持外殼的良好通風(fēng)。為降低熱傳導(dǎo)， 在兩者之間留出一道縫隙。 長(zhǎng)時(shí)間暴露在太陽(yáng)光下或強(qiáng)烈的紫外線輻射中，會(huì)使性能降低。 - 36 - 推薦使用高質(zhì)量屏蔽線。 圖 、 表 、 焊接信息 手動(dòng)焊接，在最高 260 的溫度條件下接觸時(shí)間須少于 10秒。 (1)避免結(jié)露情況下使用。 (2)長(zhǎng)期保存條件：溫度 10 40 ，濕度 60以下。 氧化碳濃度傳感器 - 37 - 氧化碳傳感器是 加羅）公司生產(chǎn)的固態(tài)電化學(xué)型氣體敏感元件。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)或是二氧化碳?xì)怏w的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)合。但是由于 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。 感器的主要參數(shù)如下： 測(cè)量范圍： 05000使用壽命： 2000 天 加熱電壓： 加熱器電流： 250加熱器功耗： 內(nèi)部熱敏電阻： 100k 5% 使用溫度： 50 攝氏度 使用濕度： 595%產(chǎn)品尺寸：最大外徑 24 24腳長(zhǎng) 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 氧化碳傳感器是一種內(nèi)含熱敏電阻的混合式二氧化碳敏感元件。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(shù)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， 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 箔導(dǎo)線與 內(nèi)部相連。 部等效結(jié)構(gòu)圖如圖 示。 - 38 - 圖 圖 效內(nèi)部結(jié)構(gòu) 圖圖 ，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， 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(guò)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。 工作原理 二氧化碳傳感器是一種電化學(xué)型氣體的敏感元件，當(dāng)該元件暴露在二氧化碳?xì)怏w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： 陰極反應(yīng)方程： 42 2+4極反應(yīng)方程： 4 總的化學(xué)反應(yīng)方程： +2 為電化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，根據(jù)耐斯特方程（ 該過(guò)程將產(chǎn)生如下電勢(shì)（ F)/(2F) 熱電壓為 敏電阻陽(yáng)極 S(+)陰極 S(-)-+輸出1 65 2 34 9 - 式中： 壓； 常數(shù)； R 是氣體常數(shù)； F 是法拉第常數(shù)。 從上式看出，通過(guò)監(jiān)測(cè) S(+)、 S(-)兩個(gè)電極之間所產(chǎn)生的電勢(shì)值可以測(cè)量 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 內(nèi)。為了保證 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 不是絕對(duì)電勢(shì)值 為 度變化之間有一個(gè)較好的線性關(guān)系。雖然 對(duì)值隨環(huán)境溫度的上升而上升 ， 保持常量，而且它在 50溫度范圍內(nèi)，基本不受溫度的影響。 可由下式求得： 中， 350 的 ； 所測(cè)量的 。 二氧化碳濃度的關(guān)系如圖圖 示。 二氧化碳濃度 圖 二氧化碳濃度線性圖 氧化碳檢測(cè)電路設(shè)計(jì) - 40 - 溫度為 20 2、濕度為 65 5 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 350的 是 220490 3503500度中的值是 4472使用高輸入阻抗（ 100低偏 置電流（ 1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)選擇使用費(fèi)加羅（ 司的 用處理器模塊 ,塊 。 氧化碳傳感器模塊，則可直接應(yīng)用于二氧化碳?xì)怏w監(jiān)測(cè)。該模塊內(nèi)部帶有 A/D 轉(zhuǎn)換器，并已對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了采樣并作了處理。它輸出的電壓信號(hào)與二氧化碳濃度值呈線性關(guān)系，輸出的電壓信號(hào)為0當(dāng)于 03000二氧化碳濃度。 塊的輸出電壓為 03V，需要經(jīng)過(guò)放大處理變?yōu)?05V 傳送給 A/D 轉(zhuǎn)化器，才能為單片機(jī)傳送更為準(zhǔn)確的數(shù)字信號(hào)。 本設(shè) 計(jì)對(duì)處理該信號(hào)方案如圖圖 圖 圖 氧化碳濃度檢測(cè)電路 2. 氧化碳傳感器 本應(yīng)用 利用 氧化碳傳感器 并通過(guò)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，就可以在濃度為的范圍內(nèi)測(cè)得信號(hào)，該信號(hào)為幾百毫伏的電壓信號(hào)，可以供高精度采樣使用。如果使用費(fèi)加羅（）公司提供的 傳感器模塊，則可直接應(yīng)用于自動(dòng)通風(fēng)換氣系統(tǒng)或是氣體監(jiān)測(cè)。該模塊內(nèi)部帶有轉(zhuǎn)換器，并已對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了采樣并作了處理。它輸出的電壓信號(hào)與濃度值呈線性關(guān)系，輸出的電壓信號(hào)為，相當(dāng)于的-+塊1。另外，該模塊還提供有中繼轉(zhuǎn)接控制信號(hào)。當(dāng)濃度高于設(shè)定值時(shí)，輸出的轉(zhuǎn)接控制信號(hào)為高電平，該信號(hào)可以使得紅點(diǎn)亮；反之，它將轉(zhuǎn)接控制信號(hào)為低電平以使綠點(diǎn)亮。但是，該模塊的設(shè)定值是分檔的，而不是連續(xù)可調(diào)的。共分為四檔（可通過(guò)線路板上的跳線來(lái)實(shí)現(xiàn)），表 別給出了門(mén)限開(kāi)關(guān)信號(hào)的濃度值及跳線連接方法。 表 限信號(hào)濃度 控制信號(hào)門(mén)限 檔次 開(kāi) 關(guān) 80020 100000 1500350 2000800 線連接 連 接 方 式 檔次 連 連 連 斷 連 連 斷 連 連 斷 連 連 斷 連 連 連 第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 51 軟件介紹 - 42 - 單片機(jī)開(kāi)發(fā)中除必要的硬件外，同樣離不開(kāi)軟件，我們寫(xiě)的匯編語(yǔ)言源程序要變?yōu)?種是手工匯編，另一種是機(jī)器匯編，目前已極少使用手工匯編的方法了。機(jī)器匯編是通過(guò)匯編軟件將源程序變?yōu)闄C(jī)器碼，用于 51，隨著單片機(jī)開(kāi)發(fā)技術(shù)的不斷發(fā)展，從普遍使用匯編語(yǔ)言到逐漸使用高級(jí)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，單片機(jī)的開(kāi)發(fā)軟件也在不斷發(fā)展， 從近年來(lái)各仿真機(jī)廠商紛紛宣布全面支持 編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（ 這些部份組合在一起。運(yùn)行 160握這一軟件的使用對(duì)于使用 51系列單片機(jī)的愛(ài)好者來(lái)說(shuō)是十分必要的，如果你使用 么 前在國(guó)內(nèi)你只能買(mǎi)到該軟件、而你買(mǎi)的仿真機(jī)也很可能只支持該軟件），即使不使用 用匯編語(yǔ)言編程，其方便易用的集成環(huán)境、強(qiáng)大的軟件仿真調(diào)試工具也會(huì)令你事半功倍。 51開(kāi)發(fā)系統(tǒng)基本知識(shí) 51開(kāi)發(fā)系統(tǒng)基本知識(shí) ： 1. 系統(tǒng)概述 51 是美國(guó) 司出品的 51系列兼容單片機(jī) 匯編相比， C 語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。用過(guò)匯編語(yǔ)言后再使用 會(huì)更加深刻。 51 軟件提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)調(diào)試工具，全 外重要的一點(diǎn)，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會(huì)到 51 生成的目標(biāo)代碼效率非常之高，多數(shù)語(yǔ)句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開(kāi)發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。下面詳細(xì)介紹 51開(kāi)發(fā)系統(tǒng)各部分功能和使用。 2. 51 單片機(jī)軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) - 43 - 具包的整體結(jié)構(gòu)，其中 別是 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 (可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個(gè)開(kāi)發(fā)流程。開(kāi)發(fā)人員可用 或匯編源文件。然后分別由 譯器編譯生成目標(biāo)文件 (目標(biāo)文件可由 可以與庫(kù)文件一起經(jīng) 件由 供調(diào)試器 用進(jìn)行源代碼級(jí)調(diào)試，也可由仿真器使用直接對(duì)目標(biāo)板進(jìn)行調(diào)試，也可以直接寫(xiě)入程序存貯器如