基于单片机的便携式土壤温湿度测量仪的设计讲解.docx
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1、便携式土壤温湿度测量仪的设计学生: XX,指导教师: XXX( 安徽农业大学信息与计算机学院合肥 230036)摘 要:在影响环境的众多因素中温湿度是至关重要的,本文设计了一种基于STC89C51 单片机的温湿度测量仪, 通过终端传感器检测环境中的温度和湿度的变化,并对采集到的数据进行处理和传输。终端传感器采用精确度较高的TDR-5 土壤温湿度传感器,该传感器适用于节水农业灌溉、温室大棚、花卉蔬菜、草地牧场、土壤速测、植物培养、科学试验等领域。本文给出了系统硬件电路的设计和软件程序的设计,实现了土壤温湿度的实时自动检测的功能。实践证明该温湿度测量仪具有测量精度高、通用性强等特点,具有一定的实用
2、价值。关键词 : TDR-5 土壤温湿度传感器, A/D 转换器, STC89C51,LCD 显示1 引言随着人们生活水平的提高,人们对食品的绿色健康更加关注,如何培育出优良品种的植株,一直是人们不断研究的课题。因而基于单片机的温湿度测量系统对解决这些问题有着非常重大的意义。以前种植植被一般都用温室栽培,为了充分的利用好温室栽培这一高效技术,就必需有一套科学的,先进的管理方法,用以对不同种类植被生长的各个时期所需的温度及湿度等进行实时的监控。温湿度测量仪是一种 24小时不间断监控并记录温度和湿度的仪器,被广泛的应用于农业研究、食品、医药、化工、气象、环保、电子、实验室等众多领域。目前,随着工业
3、控制自动化进程的加快,它的使用越来越普遍,并且在不断的延伸。在日常的生产生活中,经常需要检测环境中的温湿度,而运用到工农业生产领域则要求更为严格。随着科技的发展,环境监测在农业领域的应用越来越广泛,例如要确定某些幼苗的生长特性与温度、湿度有什么样的关系等。这些都需要利用温湿度的实时记录才能实现。继而温湿度测量仪被广泛应用于粮仓、种植园、温室大棚、自动控制等众多领域。可以对环境的温度和湿度进行检测和控制 , 以实现数据采集、温湿度调节以及超限报警等各项功能, 为此设计了一种基于 STC89C51 单片机的温湿度测量仪。12 系统的设计要求与设计思路2.1本系统所要实现的功能1. 能够实时、准确的
4、显示采样温度值与湿度值。2. 对采集到的温湿度值进行存储,便于准确的判断标准值与当前值之间的差异,并采取后续措施。2.2本系统的设计思路在单片机构成的测控系统中,测量或控制的参数有时是一些连续变化的非电量模拟信号,如温度、湿度、压力等。这类信号必须通过传感器转换成为电信号后,再由 A/D转换器转换成为数字量信号送入单片机进行处理,最后通过LCD完成温湿度值的显示。本系统设计的一种基于 STC89C51单片机的便携式温湿度测量仪,温度的测量范围为 -3070,湿度测量范围为 0100%。模拟温湿度传感器 TDR-5 首先将温湿度信号转换成电压信号后,经过 12V转5V的电路对该电信号进行处理,再
5、送入 ADC0804进行 A/D转化,单片机对送入的数字量信号进行处理后,通过 LCD显示测量的温湿度值。2.3系统设计的原则要求单片机系统应具有可靠性高、操作维护方便、性价比高等特点。高可靠性是单片机系统应用的前提,在系统设计的每一个环节,都应该将可靠性作为首要的设计准则。提高系统的可靠性通常从以下几个方面考虑:使用可靠性高的元器件;设计电路板时布线和接地要合理;对供电电源采用抗干扰措施;输入输出通道抗干扰措施;进行软硬件滤波;系统自诊判断功能等。在系统的软硬件设计时,应从操作者的角度考虑操作和维护方便,要尽可能减少人机交换接口,多采用操作内置或简化的方法。单片机除体积小、功耗低等特点外,最
6、大的优势在于高性能价格比。一个单片机应用系统能否被广泛使用,性价比是其中一个关键因素。因此,再设计时,除了保持高性能外,尽可能降低成本,如简化外围硬件电路,在系统性能和速度允许的情况下尽可能使用软件功能取代硬件功能等。23 系统的硬件设计与实现3.1系统框图系统主要由单片机模块、温湿度检测模块、显示模块、A/D转换模块和电源模块组成,其整体框图如图1所示。复位模块电源模块A/D转换模块模拟温湿度传感器显示模块单片机时钟模块图 3-1 系统框图3.2 系统主要硬件部分设计3.2.1 STC89C51 单片机STC89C51 RC/RD+系列单片机是 STC推出的新一代高速低功耗超强抗干扰的单片机
7、 1 ,指令代码完全兼容传统 8051单片机,它是一个 40引脚的集成电路芯片,采用 DIP(双列直插)形式封装。 51系列单片机:集成 8 位CPU、4K字节 ROM、128字节 RAM、4个8位并口、 1个全双工串行口、 2个16位定时 / 计数器。寻址范围 64K,并有控制功能较强的布尔处理器。1. 主电源引脚Vcc(40脚):接 5V电源正端 .Vss(20脚):接 -5V电源地端 .2. 外接晶体或外部振荡器引脚XTAL1(19脚):接外部晶振的一个引脚。在单片机内部,它是一个反相放大器的输入端,这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部振荡器时,此引脚要接地。3XTAL2(18脚):接
8、外部晶振的另一个引脚。在片内接至反相放大器的输出端和内部时钟电路的输入端。当采用外部振荡器时,此脚应接外部振荡器的输出端。图 3-2 STC89C51 外形示意图3. 控制信号线RST/VPD( 9脚):复位信号输入端,复位/ 掉电时内部 RAM的备用电源输入端VPP(31脚):访问外部存储器允许/ 编程电压输入。 EA为高电平时,访问内部存储器;低电平时,访问外部存储器。对片内 EPROM编程时,此脚接 21V编程电压。RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持 RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG:当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在 FLA
9、SH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。在平时, ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的 1/6 。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器时,将跳过一个 ALE脉冲。如果禁止 ALE的输出可在 SFR8EH上置 0。此时,ALE只有在执行 MOVX,MOVC指令时 ALE才其作用。另外,该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态 ALE禁止,置位无效。PSEN:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次 PSEN有效。但在访问外部数据存储器时,这两次有效的PSEN信号将不4出现。EA VPP:当 EA
10、保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时, EA将内部锁定为 RESET;当 EA端保持高电平时, 此期间内部程序存储器。 在 FLASH编程期间,此引脚也用于施加 12V编程电源( VPP)。XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2:来自反向振荡器的输出。4. 多功能 I/O 口引脚STC89C52单片机设有 4个双向 I/O 口( P0、P1、P2、 P3),每一组 I/O 口线都可以独立地用作输入或输出口。P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。表 3-1 P3 口第二功能各引脚功能定
11、义管脚功能P3.0RXD串行输入口P3.1TXD串行输出口P3.2/INT0外部中断 0P3.3/INT1外部中断 1P3.4T0计时器 0 外部输入P3.5T1计时器 1 外部输入P3.6/WR外部数据存储器写选通P3.7/RD外部数据存储器读选通5由图 3-4 可知,单片机集成了中央处理器(CPU)、存储器系统( RAM和ROM)、定时 / 计数器、并行接口、串行接口、中断系统及一些特殊功能寄存器(SFR)2 。他们通过内部总线紧密地联系在一起。它的总体结构仍是通用CPU加上外围芯片的总线结构。只是在功能部件的控制上与一般微机的通用寄存器加接口寄存器控制不同,CPU与外设的控制不再分开,
12、采用了特殊功能寄存器集中控制,使用更方便。内部还集成了时钟电路,只需要外接石英晶体就可形成时钟。时钟电路ROMRAM定时 / 计数器中央处理器CPUROM串行接口中断系统P0P1 P2P3TXDRXDINT0INT1图 3-3单片机结构示意图CPU:由运算和控制逻辑组成,同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器。RAM:用以存放可以读写的数据,如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据。ROM:用以存放程序、一些原始数据和表格。I/O 口:四个 8位并行 I/O 口,既可用作输入,也可用作输出。6T/C:两个定时 / 记数器,既可以工作在定时模式,也可以工作在记数模式。3.2.2主控电路一个
13、单片机嵌入式系统的核心,其实就是一个单片机的最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最小的元件组成的单片机可以工作的系统。由图2-4 可知最小系统应由时钟电路和复位电路构成。如图 3-5 所示, STC89C51单片机芯片内部集成了振荡电路,它是利用一个高增益反相放大器构成的振荡电路,引脚XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入端和输出端。外接晶体谐振器以及电容C1和 C2构成并联谐振电路,接在放大器的反馈回路中,片内的放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。这个振荡器为单片机提供时序脉冲。而采用12MHZ的晶振,主要是为了方便定时操作 3 。图 3-4单片机最小系统电路单片
14、机的复位是指使单片机进入初始化工作状态。当单片机的复位引脚RESET7出现 2个机器周期以上的高电平时,单片机就执行复位操作。如果 RESET持续为高电平,单片机将处于循环复位的状态。但是单片机本身不能自动复位,必须配合相应的外部电路才能实现复位操作。复位操作通常有两种基本形式:上电复位和开关复位。上电复位要求接通电源后,自动实现复位操作。开关复位则是在单片机已运行时,按下复位键后松开,也能使 RESET保持一段时间的高电平,从而实现开关复位的操作。3.2.3串行口通信电平转换电路MCS-51单片机有一个可编程的串行接口,它是一个全双工的通信端口,可以同时接收和发送数据。串行通信接口的优点在于
15、使用较少的传输线即可完成数据的传输。 MCS-51的通信端口有一个接收缓冲式的串行接口,在特殊功能寄存器中有一个串行数据缓冲器寄存器,专门供存放发送和接收的数据。RS-232C是 EIA(美国电子工业协会) 1969年修订 RS-232C标准 4 。RS-232C定义了数据终端设备( DTE)与数据通信设备( DCE)之间的物理接口标准。RS-232C采取不平衡传输方式,即单端通信。RS-232C标准规定其高电平为 +3 +15V,低电平为 -3V-15V ,噪声容限为 2V 。另外,该串口标准数据线传送采用负逻辑,即低电平表示 1、高电平表示 0;其他控制线采用正逻辑。因此,当单片机进行 R
16、S-232C通信时就需要通过电平转换电路, 将 RS-232C总线中的数据信号转换为 TTL 电平后才能接收,否则就会将 TTL 电路烧毁。另外, RS-232C的最大通信距离为 15m,最高传输速率为 20kbit/s,只能进行一对一的通信。1、机械特性RS-232C接口规定使用 25针连接器,市场上常见的有25针串口和 9针串口两种接口形式,连接器的尺寸及每个插针的排列位置都有明确的定义。51131142569图 3-5 RS-232C 接口2、功能特性8表 3-2 RS-232C 标准接口主要引脚定义插针序号信号名称功能信号方向1PGND保护接地2TXD发送数据(串行输出)DTE DCE
17、3RXD接收数据(串行输入)DTE DCE4RTS请求发送DTE DCE5CTS允许发送DTE DCE6DSRDCE就绪(数据建立就绪)DTE DCE7SGND信号接地8DCD载波检测DTE DCE20DTRDTE就绪(数据终端准备就绪)DTE DCE22RI振铃指示DTE DCE数字电路中只有两种电平:高和低。单片机为TTL电平:高电平 +5V,低电平0V。计算机的串口为 RS232电平:高电平 +12V ,低电平 -12V。所以计算机与单片机之间通讯时需要加电平转换芯片 MAX232。 MAX232是专用于串口电平转换的集成电路,它不仅可以转换 PC与单片机之间不同的电平, 还可以降低 2
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