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1、 毕业设计(论文) 论文题目 环境测试仪系统的设计 所在学院 专业班级 电信 学生姓名 学号 指导教师 完成日期 年 月摘 要本文面向单片机控制系统的应用。在人们日常生活中,对环境的依赖很大,环境的因素在某方面有着关键性的作用,为了能够给我们日常生活带来方便,则该课题设计了综合性环境自动监测系统,用以对自身周围环境的实时监测。本系统是以STC89C51单片机为处理器的环境温、湿度和光照度进行实时监测,通过液晶屏友好显示，为我们日常生活提供方便。该系统包括硬件结构和软件流程。相关模块可完成自然界中的温、湿度及光照度的参数采集、转换、存储及显示。本模块集成度高、结构简单、成本低、功耗低，适用于各种
2、环境检测。关键词：AT89C51，DS18B20，3DU080光线采集，SH101湿度采集,驱动电路。Abstract(英文摘要) In this paper, single-chip control-oriented system. In peoples daily life, a great dependence on the environment, environmental factors have a crucial role, in order to be able to bring convenience to our daily lives, the subject of a
3、 comprehensive design environment for automatic monitoring system that can be used to their own real-time monitoring of the surrounding environment. The system is based on single-chip for the processor STC89C51 environmental temperature, humidity and illumination in real-time monitoring, through fri
4、endly LCD display, in order to facilitate our daily lives. The system includes hardware structure and software flow. Related modules to be completed by the nature of temperature, humidity and illumination parameters of the collection, storage and display. The highly integrated module, simple structu
5、re, low cost, low power consumption, applied to a variety of environmental detection. Key words: AT89C51, DS18B20, 3DU080 light collection, SH101 humidity collection, drive circuit.目 录一 绪论4二 单元电路的设计52.1传感器的选取及相应采集电路52.1.1温度传感器及采集电路52.1.2湿度传感器及采集电路72.1.3光照度传感器及采集电路92.2显示模块11操作控制11字符集12指令集122.3 万年历电路1
6、22.4 供电部分13三 系统的设计143.1系统方框图143.2软件系统流程图15四 系统的测试154.1测试仪器154.2测试结果15五 总结与致谢16附件：电路总原理图17一 绪论温室环境控制是在充分利用自然资源的基础上,通过改变环境因子如温度、湿度、光照度等来获得作物生长的最佳条件,从而达到增加作物产量、改善品质、调节生长周期、提高经济效益的目的。近几年来,我国在温室结构和温室控制两方面开展了不少研究。国家在“九五”攻关项目中启动了有关温室设施及配套装备的研制课题;2001年,国家在“十五”攻关项目中启动了“温室环境智能控制关键技术研究与开发”课题;2001年,国家“863”计划“可控
7、环境农业生产技术”研究内容包含研制可控环境自动控制系统、信息自动采集系统等;2003年国家计委启动了“设施农业技术集成产业化示范”课题;国家自然科学基金生命科学部对设施园艺也设立了重点项目。这些都说明在设施环境中,控制技术是相当重要的。温室控制涉及到硬件结构和控制算法等问题。目前，我国环境监测仪器的生产企业有140余家，年产值48亿元，约占全环保产品产值的23。环境监测仪器的主要产品是各种水污染和大气污染检测、噪声与振动监测、放射性和电磁波监测仪器。我国生产的烟尘采样器、烟雾采样器、总悬浮微粒采样器、污水流量计等环境监测仪器已接近或达到国际先进水平，在国内市场上占有很大比例。国产大型实验室用原
8、子吸收、紫外可见分光度仪、气相色谱仪等监测仪器自动控制技术采用程度较低，关键零部件尚依进口。通过对控制算法的比较分析，率选出了适合温、湿度等测控的微机控制算法增量型位置输出积分分离PID算法，并在单片机测控系统中给以实现。该研究对类似变化缓慢对象的微机过程控制提供了科学参考所设计。本设计中，我们既加强了对环境检测的了解，又巩固了我们这大学期间的所学专业知识。有利于我们走上工作岗位后对项目设计的了解和熟练。二 单元电路的设计2.1传感器的选取及相应采集电路2.1.1温度传感器及采集电路图1 18b20封装选用美国Dallas公司的可编程单总线数字式温度传感器DS18820实现空气温度信号的采集。
9、该传感器体积小，外形如普通三极管，其内部集成有测温传感器及逻辑控制电路。DSl8820有很多优点,直接输出数字信号，省去了后继的信号放大及模数转换部分；外围电路简单，成本低；单总线接口，只有一根信号线作为单总线与CPU连接，且每一只都有自己唯一的64位系列号存储在其内部的ROM存储器中，故在一根信号线上可以挂接多个DSl8820，便于多点测量且易于扩展。图2 18b20内部结构(1)DS18B20技术性能描述如下：a. 独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。b.测温范围 55125，固有测温分辨率0.5。c.支持多点组网功能
10、，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现多点测温d. 工作电源: 35V/DCe.在使用中不需要任何外围元件f.测量结果以912位数字量方式串行传送g.不锈钢保护管直径 6 h.适用于DN1525, DN40DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温i.标准安装螺纹 M10X1, M12X1.5, G1/2”任选j.PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。(2) DS18B20接线说明它仅需要一条线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯，简化了分布式温度传感应用 无需外部元件 可用数据总线供电，电压范围为3.0 V至5.5 V 无需备用电源 测量温度范围为
11、-55至+125 。相当于是-67华氏度到257华氏度 -10 至+85 范围内精度为0.5 。该温度传感器可编程的分辨率为912位 温度转换为12位数字格式最大值为750毫秒 用户可定义的非易失性温度报警设置 应用范围包括恒温控制，工业系统，消费电子产品温度计，或任何热敏感系统描述该DS18B20的数字温度计提供9至12位（可编程设备温度读数。信息被发送到/从DS18B20 通过1线接口，所以中央微处理器与DS18B20只有一个一条口线连接。为读写以及温度转换可以从数据线本身获得能量，不需要外接电源。 因为每一个DS18B20的包含一个独特的序号，多个ds18b20s可以同时存在于一条总线。
12、这使得温度传感器放置在许多不同的地方。它的用途很多，包括空调环境控制，感测建筑物内温设备或机器，并进行过程监测和控制。(3)DS18B20的初始化a.先将数据线置高电平“1”。b.延时（该时间要求的不是很严格，但是尽可能的短一点）c.数据线拉到低电平“0”。d.延时750微秒（该时间的时间范围可以从480到960微秒）。e.数据线拉到高电平“1”。f.延时等待（如果初始化成功则在15到60毫秒时间之内产生一个由DS18B20所返回的低电平“0”。据该状态可以来确定它的存在，但是应注意不能无限的进行等待，不然会使程序进入死循环，所以要进行超时控制）。g.若CPU读到了数据线上的低电平“0”后，还
13、要做延时，其延时的时间从发出的高电平算起（第（5）步的时间算起）最少要480微秒。h.将数据线再次拉高到高电平“1”后结束。（4）DS18B20的写操作 a.数据线先置低电平“0”。 b.延时确定的时间为15微秒。 c.按从低位到高位的顺序发送字节（一次只发送一位）。 d.延时时间为45微秒。 e.将数据线拉到高电平。 f.重复上a到f的操作直到所有的字节全部发送完为止。g.最后将数据线拉高。(5)DS18B20的读操作a.将数据线拉高“1”。b.延时2微秒。c.将数据线拉低“0”。e.延时15微秒。f.将数据线拉高“1”。g.延时15微秒。h.读数据线的状态得到1个状态位，并进行数据处理。i
14、.延时30微秒。(5)与单片机相连电路如下： 图3 温度检测电路2.1.2湿度传感器及采集电路选用法国Humirel公司的HSll01电容式相对湿度传感器。此传感器与其他产品相比。有着显著的优点：不需要校准的完全互换性，高可靠性和长期稳定性，响应时间快，适用于线性电压输出和频率输出两种电路；模块中选用电压输出电路，经A/D转换器TLC2543后可以转换成湿度值。然后送单片机处理并显示。(1) HSll01基本参数默认测量温度为25，测量时HSll01工作频率为10Khz.基本参数下表所示：(2)特性曲线 如图4所示，测量温度T=25，测量时HSll01工作频率为10Khzo图4 HSll01特
15、性曲线图5 HSll01封装 从特性曲线曲线图上我们可以看出，HSll01具有极好的线性输出可以近似看成相对湿度值与电容值成比例因此在测量过程中，采集电容值即可（3）测量原理HSll01湿度传感器是一种基于电容原理的湿度传感器，相对湿度的变化和电容值呈线性规律在自动测试系统中，电容值随着空气湿度的变化而变化，因此将电容值的变化转换成电压或频率的变化，才能进行有效地数据采集用与非门电路组成振荡电路，HSl 100湿度传感器充当振荡电容，从而完成湿度到频率的转换（4）测量方法HSll01湿敏传感器是采用侧面开放式封装，只有两个引脚，有线性电压输出和线性频率输出两种电路在使用时，将2脚接地，这里选用
16、频率输出电路该传感器采用电容构成材料，不允许直流方式供电所以我们使用与非门电路组成单稳态电路具体电路如下图6 湿度模块2.1.3光照度传感器及采集电路采用硅光敏三极管3DU050C，光谱范围为450 nm1150 nm，用于可见光、红外光检测，光电流IL(10001x，10V)5 mA，暗电流Id(Olx，10V)O1A，击穿电压Vceo30 V，耗散功率Pd=150 mW，封装5黑胶如下图所示：图7 3DU050C封装光敏三极管的工作原理是三极管基极它不是引线,而是通过一块聚光镜,将光聚集在发射结上,打破发射结的内电场的动态平衡,使发射极电流发生变化.3du33系列硅光敏三极管的主要特性参数
17、见下表：名称符号测试条件最小值典型值最大值单位最高工作电压VRM(CE)ICE=ID2030V暗电流IDV= VRM (CE)10100nA光电流ILVCE=10V E=1000LX10mA上升时间TrRL=50,VCE=10V脉冲电流幅度为1mA5s下降时间Tf5s峰值波长p880s封装形式镀镍金属帽，玻璃球透镜。极限参数特性见下表：待添加的隐藏文字内容2名 称符号参数单位最大功率Pm70mW工作温度TOP-30+65偖存温度Tstg-30+80图8 3DU050C光照曲线图9 光线检测电路通过运算放大器输出电压信号，经LTC2543AD转换电路，将电压转换成数字信号，计算出光照强度。然后送
18、单片机处理并显示。运算放大器选用TI公司的TLC2272CP。该运放具有低功耗、低电压、高精度等优点。图8为输出电压与光照强度的关系曲线。2.2显示模块采用LCD1602显示屏，能显示两行字符（除汉字），编程简单，占用程序空间少。图10 1602封装操作控制操作 读状态 写指令 读数据 写数据 输入 RS=0，RW=1，E=1 RS=0，RW=0， D07=指令码，E=H脉冲 RS=1，RW=1，E=1 RS=1，RW=0， D07=数据，E=H脉冲 字符集1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符
19、号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。因为1602识别的是ASCII码，试验可以用ASCII码直接赋值，在单片机编程中还可以用字符型常量或变量赋值，如A。 指令集1602通过D0D7的8位数据端传输数据和指令。显示模式设置： (初始化)0011 0000 0x38 设置162显示，57点阵，8位数据接口；显示开关及光标设置： (初始化)0000 1DCB D显示(1有效)、C光标显示(1有效)、B光标闪烁(1有效)0000 01NS N=1(读或写一个
20、字符后地址指针加1 &光标加1)，N=0(读或写一个字符后地址指针减1 &光标减1)，S=1 且 N=1 (当写一个字符后，整屏显示左移)s=0 当写一个字符后，整屏显示不移动数据指针设置：数据首地址为80H，所以数据地址为80H+地址码(0-27H，40-67H)其他设置：01H(显示清屏，数据指针=0，所有显示=0)；02H(显示回车，数据指针=0)。2.3 万年历电路我们采用专用时钟芯片DS1302，DS1302 是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为2.5V5.5V。采用三线接口
21、与CPU进行同步通信，即SCLK(7)、I/O(6)、RST(5)。图3示出DS1302与89C2051的连接图，其中，时钟的显示用LCD。并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个318的用于临时性存放数据的RAM寄存器。在调试程序时可以不加电容器，只加一个32.768kHz 的晶振即可。只是选择晶振时，不同的晶振，误差也较大。另外，还可以在上面的电路中加入DS18B20，同时显示实时温度。只要占用CPU一个口线即可。 LCD还可以换成LED，还可以使用北京卫信杰科技发展有限公司生产的10位多功能8段液晶显示模块LCM101，内含看门狗(WDT)/时钟发生
22、器及两种频率的蜂鸣器驱动电路，并有内置显示RAM，可显示任意字段笔划，具有34线串行接口，可与任何单片机、IC接口。功耗低，显示状态时电流为2A (典型值)，省电模式时小于1A，工作电压为2.4V3.3V，显示清晰。图11 时钟电路2.4 供电部分 本系统才用自制电源供电。即将市电经过变压后整流滤波，通过7805和7905三端稳压器输出稳定的正负5V电压给系统供电。如下图所示：图12系统供电电路三 系统的设计本设计以AT89C51为处理器，分别用湿度、温度、光敏等传感器采集信号。其中温度传感器用18B20，其采集信号可直接送单片机处理，而湿度和光敏传感器采集的信号经过TLC2543A/D转换器
23、转换后送单片机。另外有用DS1302专用芯片设计的时钟模块。各路信号通过矩阵键盘显示于1602液晶显示屏。3.1系统方框图图13 系统方框图光线传感器湿度传感器AT89C51单片机存储器液晶显示矩阵键盘TLC2543A/D转换温度传感器开始初始化键盘扫描温度键温度输出升降调整（日历、温度）调整模式切换键湿度输出湿度键读日历日历显示结束光线输出光线键3.2软件系统流程图 图14 软件流程图四 系统的测试4.1测试仪器双踪示波器（YB4340G型）、数字万用表（三位半DY2105型）、温湿度检测仪。4.2测试结果本设计能实现对环境温度、湿度、光线的实时检测；并正确将所测结果通过矩阵键盘的控制显示于
24、1602显示屏中。该系统可实现功能有：a. 对环境温度、湿度、光线的实时检测；b. 可分别显示温度、湿度、光线的测量值；c. 能用矩阵键盘对不同物理量的检测控制，并作相应调整；d. 能设置温度的上、下限范围，超过范围可报警（超过上限，蜂鸣器鸣叫同时红发光管亮；低于下限，绿发光管亮。）e. 能正确显示日历时间，并能通过矩阵键盘作相应的调整。五 总结与致谢本设计方案按照任务书的要求通过书籍、刊物、网络等途径了解和掌握单片机识别技术的基本原理和基础知识;了解单片计技术的应用;设计一种基于单片机技术的应用系统;对制作的系统进行调试与应用。经过这段时间的精心设计，基本上完成了课题，在整体设计方面做得比较
25、好。当然，这些都离不开老师们平时的教诲和前期的指导。我们觉得通过这一段时间性的设计制作，不但实践能力增强了许多而且在理论上也有了更深的认识。在以后学习中我们将会更加努力学习刻苦钻研，力争取得更好的成绩！本人在毕业设计期间，得到王老师的精心指导。更得益于老师从选题的确定、论文资料的收集、论文框架的确定、开题报告准备及论文初稿与定稿中对字句的斟酌倾注的大量心血，同时也离不开小组里各位同学的帮助和指导，紧张的毕业设计就要结束了，大学三年的生活也到了尾声。此时此刻感慨万千，感谢指导教师王老师在这半年的毕业设计中对我的帮助和支持。 随着毕业设计的结束，我们也即将结束大学三年的快乐时光，进而步入社会。通过这次毕业设计，使我得到了一次用专业知识、专业技能分析和解决问题的锻炼。使我在单片机的基本原理以及实用技巧的掌握方面都向前迈了一大步，为日后成为合格的技术应用型人才打下良好的基础。我相信以后的职业生涯，我会用严谨的态度对待每一次挑战，通过自己的努力实现自身的价值。附件：电路原理图
