毕业论文《土壤温湿度及酸碱度的测量系统的设计》 .doc

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1、本科生毕业论文（设计） 题 目： 土壤参数测试仪 院 （系） 电子与信息工程系 专 业 电子信息工程 班 级 2008 级 1 班 学 生 姓 名 指导教师（职称） 提 交 时 间 二一二年五月 摘 要 土壤参数测试仪 安康学院电子与信息工程系，陕西安康，725000 摘 要 在 农业生产中，农作物的生长环境至关重要，为了提高产量，对土壤的某些参数进行测量，以便对农作物环境得到控制。传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号，使得人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制。本文对土壤温湿度及酸碱度的测量进行了系统的设计。它的主要组成部分有：单片机、温湿度传感器、pH 值采集

2、处理电路，模数转换，显示和数据存储。可以实时的显示土壤温湿度及酸碱度。 关键词 单片机；土壤；pH 电极 Tester of the soil parameters Cao Zhen Department of Electronic and Information Engineering Ankang University Ankang 725000 Abstract In agricultural production crop growth and environment is essentialin order to increase production to measure cert

3、ain parameters of the soil to the cropenvironment to be controlled. The sensor can a variety of physical chemical contentand bio-volume signals into electrical signals so people can use computers forautomatic measurements information processing and automatic control.This text isabout the soil temper

4、ature and moisture and pH measurement system design. Its maincomponents: the microcontroller temperature and humidity sensors pH acquisitionand processing circuit analog-digital conversion display and data storage. It candisplay in real time the soil temperature humidity and pH. Key Words MCU Soil P

5、H electrode 目 录第一章 绪 论 . 1 1.1 引言 . 1 1.2 设计研究背景及意义 . 1 1.3 本文工作及内容安排 . 2第二章 设计任务 . 4 2.1 任务 . 4 2.2 要求 . 4第三章 方案论证 . 5 3.1 温湿度测量. 5 3.2 酸碱度测量. 5第四章 系统方案的设计 . 6 4.1 硬件设计 . 6 4.1.1 单片机 AT89C51 . 6 4.1.2 温湿度传感器 SHT11. 9 4.1.3 pH 数据的采集 . 11 4.1.4 LCD 输出显示 . 18 4.1.5 数据存储. 19 4.2 软件设计及仿真 . 20 4.2.1 Keil

6、 C51 . 20 4.2.2 Proteus. 22第五章 结果测试与分析 . 24第六章 总结与展望 . 26参考文献 . 27致 谢 . 28附 件 . 29 第一章 绪 论 1.1 引言 随着“信息时代”的到来，传感器技术得到了显著的进步，其应用领域越来越广泛，对其要求越来越高，需求越来越迫切。传感器技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一。因此，了解并掌握各类传感器的基本结构、工作原理及特性是非常重要的。20 世纪末，我们的生活环境和工作环境有越来越多称之为单片机的小电脑在为我们服务，单片机在工业控制，尖端武器，通信设备，信息处理，家用电器等各测控领域的应用中独占鳌头。时

7、下，家用电器和办公设备的智能化，遥控化，模糊控制化已成为世界潮流，而这些高性能无一不是靠单片机来实现的，同时在使用单片机的前提下我们也还要用到 A/D 数模转换。随着人们生活水平的不断提高单片机控制无疑是人们追求的目标之一，它所给人带来的方便也是不可否定的。本设计所介绍的土壤参数测试仪，具有读数方便，测量范围广，测量准确，其输出采用数字液晶屏显示。 由于传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号，使得人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制。传感器主要用于测量和控制系统，它的性能好坏直接影响系统的性能。因此，不仅必须掌握各类传感器的结构、原理及其性能指标，还必须懂得传感器

8、经过适当的接口电路调整才能满足信号的处理、显示和控制的要求，而且只有通过对传感器应用实例的原理和智能传感器实例的分析了解，才能将传感器和信息通信和信息处理结合起来，适应传感器的生产、研制、开发和应用。 数据采集是获取信息的主要手段，数据采集技术是信息科学的主要组成部分，它是以传感器技术、信号检测与处理、电子电路学、计算机控制技术等方面技术为基础而形成的一个综合应用技术学科，目前各种各样的数据采集系统已得到广泛应用，新型数据采集系统仍不断涌现。并且随着科学技术的发展，尤其是计算机技术的发展与普及，数据采集技术将有更为广阔的发展前景。 温度和湿度的测量和控制是许多行业的重要工作目标之一，不论是粮食

9、仓库、中药材仓库，还是图书保存，都需要有规定的温度和湿度，然而温度和湿度却是最不易保障的指标，针对这一情况，研制可靠且实用的温度和湿度检测与控制系统就显得非常重要。随着社会的发展，对粮食的需求量越来越大。 1.2 设计研究背景及意义 随着微型计算机和传感器技术的迅速发展，自动检测领域发生了巨大变化。美国、日本的智能监测设施近 20 年来发展很快，他们结合本国条件做出了具有创新特色的成就，其中环境调控技术均有较高水平。我国近年引进了多达 16 个国家和地区的环境控制系统，对吸收国外先进经验、推动仓库温度湿度自动检测产生了积极的作用，但多因能耗过大，造价高，品种未能配套，未能达到很好的效果。温湿度

10、控制仪的发展相当迅速，近几十年内，由于电子行业的迅速发展和集成电路和高集成电路的产生，控制仪走向微型化、多功能化。在计算机广泛应用的今天，数据采集的在多个领域有着十分重要的应用。在工业、工程、生产车间等部门，尤其是在对信息实时性能要求较高或者恶劣的数据采集环境中更突出其应用的必要性。例如：在工业生产和科学技术研究的各行业中，常常利用 PC或工控机对各种数据进行采集。这其中有很多地方需要对各种数据进行采集，如液位、温度、压力、频率等。 温湿度传感器在工农业生产、气象、环保、医学等领域得到越来越广泛的应用。温湿度测试仪目前普遍采用集温湿度传感器于一体的 SHT11 芯片为主要芯片的仪器。本设计系统

11、采用集温湿度传感器与 A/D 转换器为一体的 SHT11 芯片，通过单片机处理进行显示，实现的温湿度测量就是基于此芯片，通过 LCD 显示所测量的温湿度值。 对农作物而言，土壤的参数对粮食的产量影响很大，比如，土壤温湿度过高或过低会使粮食产量下降，酸碱度也是一个很大的因素，都可能使农业导致无法估计的经济损失。为提高作物的产量，要加强土壤参数的监测工作，诸如土壤温湿度和酸碱度的检测，以便进一步进行操作。因此我们需要一种造价低廉、使用方便且测量准确的土壤参数测量仪。 1.3 本文工作及内容安排 本文的组织结构是：第一章绪论部分主要介绍了论文的设计背景，阐述了设计的目的与意义。介绍了温湿度对人们生活

12、、生产、工作的影响，温湿度测量的应用和发展，以及温湿度测量仪的核心器件温度传感器的发展前景。土壤酸碱度的测量的基本方法。 第二章对设计任务和设计要求进行了概述，从而更加明确设计的流程。本设计以 AT89C51 单片机为核心来对土壤温湿度和酸碱度进行实时巡检。各检测单元能独立完成各自功能，同时能根据主控机的指令对温湿度酸碱度进行实时采集。并将采集来的信息通过液晶屏显示，清晰的呈现出来。 第三章主要介绍了实现本系统的方案，经比较论证选择出更加适合本系统设计任务与要求的方案，各支路控制系统各模块的设计和软件的设计。方案比较和论证，介绍了温湿度传感器、控制芯片、输出显示设备的方案比较和选择。 第四章介

13、绍了本系统的总体方案设计，包括硬件设计和软件设计，其中主要介绍了硬件部分各个模块的设计方法。介绍了软件编程的主流程图。 第五章利用 Proteus 软件对系统进行了测试仿真，并对仿真实验结果进行了分析。 最后一章对本文所做的工作进行全面总结，并指出了工作中的不足。 第二章 设计任务 2.1 任务 本设计的任务是：设计并制作一个土壤参数测试仪。该系统主要分为温湿度，酸碱度数据的采集，经过模数转换电路，送单片机进行数据处理，最后 LCD 显示，并且具有数据存储功能。 本设计核心部件为 AT89C51，温度信号的采集及处理部分由 SHT11 完成，进入单片机后经处理后通过 LCD1604 显示温湿度

14、值，pH 信号是显示采用的液晶屏为 57 点阵，一行可显示 16 字，四行1。 软件部分，开机后，所有器件初始化，温湿度传感器 SHT11 开始进行温湿度测量和计算，酸碱度的测量是用对 pH 敏感的器件，由于采集到的信号很微弱，先要经过放大处理，接着模数转换，传输给单片机进行分析、处理和控制显示。 2.2 要求 设计本系统，最终要达到的?康氖牵芸焖偌虻牟舛寥赖奈露取龋峒疃龋哂幸壕允炯笆荽娲幕竟堋?本文介绍了基于 ATMEL 公司的AT89C51 系列单片机的土壤温湿度及酸碱度实时测量和显示系统的设计，包括介绍了硬件结构原理，各模块的工作原理，并分析了相应的软件的设计及其要点，包括软件设计流程及

15、其程序实现。系统结构简单、实用，提高了测量精度和效率。 第三章 方案论证 3.1 温湿度测量 由于传感器能将各种物理量、化学量和生物量等信号转变为电信号，使得人们可以利用计算机实现自动测量、信息处理和自动控制，实现该系统，首先要把土壤的温湿度经传感器转换为数字信号，利用单片机进行运算处理，输出显示。本系统采用 SHT11 集成数字温湿度传感器检测温湿度。 3.2 酸碱度测量 至于酸碱度的测量，使用模拟电路，pH 是个独立的被测量，而却受其它因素的影响，尤其受环境温度影响最大。将 pH 信号变为电压信号输出，因其 pH数据不好采集，所以应该选取对 pH 敏感的器件，由于采集到的信号很微弱，先要经

16、过放大处理，接着模数转换，传输给单片机进行分析、处理和控制显示。本设计中就是在此基础上，提出基于 AT89C51 单片机控制的比较简单而实用的 pH检测系统。 此外，本系统还具有数据存储模块，可存储所测数据。本文利用单片机结合传感器技术而设计了这一土壤温湿度和酸碱度的测试系统。 第四章 系统方案的设计 4.1 硬件设计 本设计是基于单片机对数字信号的高敏感和可控性、温湿度传感器转换芯片的性能，以单片机为核心的一套检测系统。系统中包括温湿度检测，pH 数据采集，A/D 转换、单片机、显示、系统软件等部分的设计。本设计核心部件为单片机，温湿度信号采集及处理部分由 SHT11 完成。pH 测试采用电

17、化学原理及单片机技术完成对土壤溶液中氢离子浓度的测定。可实现自动测量、标定、存储、显示数据等功能。仪器的标定采用两点标定法对仪器进行校准。 温湿度检测 LCD 显示 AT89C51 pH 值检测 数据存储 图 4.1 系统结构 本设计系统包括温湿度传感器，pH 数据采集模块，A/D 转换模块，数据显示模块，数据存储模块。主要实现土壤温湿度及酸碱度的检测，温湿度测量使用集成的数字传感器，pH 测量是将 pH 信号通过信号的采集并转换成电信号，再运用单片机进行数据的分析和处理，为显示电路提供信号。数据采集，是指从传感器和其它待测设备等模拟和数字被测单元中自动采集信息的过程。该 pH 数据采集系统是

18、基于 ADC0831 模数转换芯片和单片机的系统，可以把 ADC 采集的电压信号转换为数字信号，经过微处理器的简单处理而送 LCD 实现数据显示功能2。 4.1.1 单片机 AT89C51 单片机内部有一个高增益反向放大器，输入端为芯片引脚，输出端为引脚。AT89C51 是一种与 MCS51 单片机相兼容的、高性能的 8 位 CMOS 微控制芯片，采用 40 引脚 DIP 封装，片内带有 4KB 的快闪可编程/擦除只读存储器3。是当前较先进的一种电擦除 8 位单片机，它与 MCS-51 指令系统完全兼容，片内存储器允许对程序存储器在线重新编程，也可用常规的存储器编程器编程，具有超强的加密功能。

19、 将具有多种功能的 8 位 CPU ATMEL 公司生产的这种 89C51 微控制器，与存储器结合在同一芯片上，为很多嵌入式控制应用提供了设计灵活且价格适宜的方案，深受用户欢迎。此外AT89C51 还增加了在零频下工作的静态逻辑方式及空闲和掉电两种可选的省电模式在空闲模式下CPU 停止工作但 RAM定时/计数器串行口和中断系统仍然工作。在掉电模式下只保存 RAM 的内容振荡器停振关闭芯片的所有其它功能直到下一次硬件复位为止。其空闲和掉电两种工作方式，而在芯片外部之间跨接晶体振荡器和微调电容，从而构成一个稳定的自激振荡器。晶体震荡频率高，则系统的时钟频率也高，单片机运行速度也就快，但反过来运行速

20、度快对存储器的速度要求就高，对印制电路板的工艺要求也高，所以，这里使用震荡频率为 12MHz 的石英晶体。震荡电路产生的震荡脉冲并不直接使用，而是经分频后再为系统所用，震荡脉冲经过二分频后才作为系统的时钟信号。在设计电路板时，振荡器和电容应尽量靠近单片机，以避免干扰。 AT89C51 的特点有： 4K 字节可编程闪烁存储器；可以反复擦写 1000 次；数据保留 10 年；全静态工作；三级程序存储器锁定；1288 位内部 RAM；32 位可编程 I/O 线；两个16 位定时器/计数器；5 个中断源；可编程串行通道；低功耗的闲置和掉电模式；片内振荡器和时钟电路；可编程全双工串行。 AT89C51

21、内部结构 FLASH 存储器有 4KB，RAM 只有 128 字节，加密位有三位，加密位为 LB1，LB2。AT89C51 是一带有 2KB 字节的闪速可编程可擦除的只读存储器，低电压，高性能的 8 位 CMOS 微型计算机，静态工作方式，可外接024MHZ 的晶体振荡器。89C51 程序存储器大小的物理范围为 000H7FFH， 这样 89C51 中堆栈的深度局限于内部 RAM 的 128包含 128 字节内部数据存储器，字节范围内，它既不支持外部数据存储器的访问，也不支持外部程序存储器的访问的执行，因此，程序中不应该包含 MOV 指令。 AT89C51 的端口如下： ALE 端口：地址锁存

22、使能端，在访问外部存储器时输出脉冲锁存地址的低字节，在正常情况下 ALE 输出信号恒定为 1/6 振荡频率并可用作外部时钟或定时，注意每次访问外部数据时一个 ALE 脉冲将被忽略，ALE 可以通过置位 SFR 的禁止置位后 ALE 只能在执行 MOVX 指令时被激活。 PSEN 端口：程序存储使能端，当执行外部程序存储器代码时，PSEN 每个机器周期被激活两次，在访问外部数据存储器时，PSEN 无效，访问内部程序存储器时，PSEN 无效。 EA/Vpp：外部寻址使能/编程电压端，在访问整个外部程序存储器时，EA 必须外部置低，如果 EA 为高时，将执行内部程序，除非程序计数器包含大于片内FLA

23、SH 的地址，该引脚在对 FLASH 编程时接 5V/12V 编程电压Vpp，如果保密位 1 已编程，EA 在复位时由内部锁存。 RST：为复位输入端，振荡器工作时，该引脚上两个周期的高电平复位。 XTAL1：振荡器反相放大器内部工作时钟电路输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。 MCS-51 有 4 个 8 位并行 I/O 接口，他们都是双向端口，可以进行输入或者输出操作，每个口都有口锁存器和口驱动器两部分组成。此外，它还有一个全双工串行通信口。这 4 个端口为 MCS-51 与外围器件或外围设备进行信息（数据、地址、控制信号）交换提供了多功能的输入/输出通道，也为 MCS-51

24、扩展外部功能、构成应用系统提供了必要的条件。P0 口为漏极开路，P1、P2、P3 口均具有内部上拉电阻，它们有时被称为准双向口。 4 个并行口的 32 条 I/O 接口线都可以独立地用于输入或输出操作。当 4 个并行口的 I/O 接口线有作输入操作时，必须对该口的锁存器进行写 1 操作，以保证从 I/O 接口线输入数据的正确性，这也是 4 个并行接口有时被称为“准”双向的含义。I/O 接口电路功能汇总 MCS-51单片机内部属单总线结构，因此使系统在结构上增加了灵活性。通过总线，用户可根据应用需要进行多功能的系统扩展，构成用户的实际应用系统。MCS-51 系列中的 8031 单片机，因其内部在

25、结构上无程序存储器，所以它的应用系统必定为一个扩展的系统。因此，MCS-51 的 4 个并行 I/O 接口中的 P0、P2、P3 口基本上都具备有这两项功能4。 P0 口是一个多功能口，除可以作为通用的输入/输出口外，还具备用于系统扩展的第二功能。在 MCS-51 的进行系统扩展时，它作为地址/数据总线口。通过外接地址锁存器，MCS-51 的内部单总线可从 P0 口被扩展成 8 位的数据总线和16 位地址总线的低 8 位。在实际应用中，P0 口先送出外部存储器 16 位地址中的低 8 位至地址锁存器锁存，然后再由 P0 口进行 8 位数据的输入或输出。P1 口作为通用 I/O 接口，它的每一位都可以编程为通用 I/O 接口线。P2 口也是一个多功能口，与 P0 口相似，它除可被用作 I/O 接口外，在进行系统扩展时，还可以用于16 位地址总线中的高 8 位，和 P0 口共同构成 16 位的地址总线。当然，在 P0 口和 P2 口用作地址/数据总线时，它们都不能再作为通用 I/O 接口。P3 口也是一个多功能口，除可以作为通用 I/O 接口外，还具有多种控制功能，为通用 I/O 接口时和 MCS-51 其他具有控制功能的输入/输出引线在一起，共同形成 MCS-51 的控.