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1、摘要本次设计是基于89C51单片机的蔬菜大棚自动控制系统，它通过温度、湿度、土壤水分传感器来采集数据。考虑到实际情况，蔬菜大棚内空间大，所以分别采用了4个温度传感器测温度、4个湿度传感器测空气相对湿度、4个湿度传感器测土壤相对湿度，而控制电路则设置了左右两个对称的热风炉、风扇、滴灌器，分别控制固态继电器来实现要求。HD7279采用串行接口方式，同时管理了键盘和LED显示器。为了防止程序跑飞，以及电源故障监控，本设计还采用了X25045芯片设计看门狗电路。同时也设计了上位机与单片机的通信，采用RS485标准。通过这一系列的控制，使其对蔬菜大棚环境进行控制，为植物创造适宜的生长条件，从而使农作物获
2、得高产，提高农业生产的经济效益。关键词：蔬菜大棚；89C51；传感器；看门狗；通信Abstract The design is a vegetable greenhouse control system which is based on 89C51 singlechip, it collects data by temperature, humidity, soil moisture sensor.Taking into account the actual situation, greenhouse vegetables, a large space, it has adopted fou
3、r temperature sensors measuring temperature and 4 humidity sensors measuring relative humidity, 4 humidity sensors measuring soil relative humidity, while the control circuit is set up around two symmetric hot stove, fans, irrigation devices, it achieves the respective requirements by controlling th
4、e solid state relays.HD7279 uses serial interface mode, and manages the keyboard and LED display.In order to prevent the program from running out, and power failure monitoring, the design also uses X25045 chip to design watchdog circuit.Also it designed the communication circuit between PC and the s
5、inglechip, through RS485 standard.Through the series of controls on the vegetable greenhouse environment ,it will control the vegetable greenhouse environment to create appropriate growth conditions so that the crops will get high yields and improve the economic efficiency of agricultural production
6、.Key words: vegetable greenhouse; 89C51; sensor; watchdog; communication目录第一章 绪论11.1 课题研究的技术背景和设计依据11.2 国内蔬菜大棚发展的现状和趋势11.3 蔬菜大棚内环境因子对植物的影响21.4 蔬菜大棚温度控制系统的功能3第二章 控制系统方案论证42.1 控制系统方案选择42.1.1 方案一：模拟电路设计42.1.2 方案二：单片机系统设计42.2 系统控制方案的确定5第三章 系统的硬件设计63.1 单片机63.1.1 单片机的选择63.1.2 89C51单片机63.2 温度检测电路的设计83.2.1
7、温度传感器的选择83.2.2 温度传感器DS18B20的介绍93.2.3 温度传感器DS18B20的硬件接线图103.3 湿度检测电路的设计113.3.1 湿度传感器的选择113.3.2 湿度传感器SHT11的介绍113.3.3 湿度传感器SHT11的硬件接线图133.4 键盘显示电路的设计153.4.1 串行专用键盘/显示器接口芯片HD7279的介绍153.4.2 显示电路163.4.3 键盘电路设计163.5 复位电路的设计183.6 时钟电路的设计183.7 报警电路193.8 看门狗电路的设计193.8.1 X25045 芯片的介绍193.8.2 X25045芯片与微处理器的硬件接口电
8、路213.9 通信模块的设计213.9.1 485接口芯片简介223.9.2 RS-485接口电路的设计233.10 控制电路的设计233.9.1 锁存器74LS273的介绍243.9.2 固态继电器的介绍253.9.3 控制电路接线图263.11 直流稳压电源设计27第四章 系统的软件设计294.1 主程序294.2 温度检测子程序294.3 湿度检测子程序304.4 键盘子程序314.5 显示子程序324.6 T0中断子程序334.7 键盘处理子程序344.8 数字处理子程序354.9 平均值计算子程序364.10 平均值处理子程序374.11 求和子程序384.12 T1中断子程序384
9、.13 求MAX子程序394.14 求MIN子程序394.15 INT0中断子程序404.16 湿度显示子程序424.17 土壤水分显示子程序424.18 串行口中断子程序43第五章 总结45参考文献46外文原文47外文译文56致 谢62附录1 存储单元分配63附录2 程序65附录3 元件清单90第一章 绪论1.1 课题研究的技术背景和设计依据 伴随着科学技术的迅速发展，我国农业也逐渐地从传统农业向高产、优质、高效为目的的现代化农业转变。而蔬菜大棚自然也离不开现代化的科学技术。通过国内外大量的科学实验和生产的实践证明，环境的控制对蔬菜生产起到非常重要的作用。只有在适宜的生长环境下蔬菜才能充分发
10、挥其高产潜力。蔬菜大棚的环境控制不理想,往往会造成作物的减产,能源的浪费，从而给菜农带来了极大的损失。发展蔬菜大棚自动控制系统可以大大降低人工管理成本，提高蔬菜产量。近年来，微型计算机技术日益发展，已经在许多领域得到了广泛的应用。其中单片机的应用十分广泛，在工业控制领域、家电产品、智能化仪器仪表、计算机外部设备，特别是机电一体化产品中，都有重要的用途。单片机最明显的优点是价格便宜，而且这类芯片的生产量很大，技术也很成熟。因此利用单片机作为蔬菜大棚控制器，能够满足控制要求，且经济实惠，易于推广应用。 蔬菜大棚控制器主要是以单片机为核心，对环境温度、湿度和土壤水分等进行测量和控制。蔬菜大棚控制系统
11、可以对环境温度、湿度、土壤水分等观测值进行自动控制和适时监测，并可以越限报警及做相应的处理。单片机控制器除了完成测控外，还可以将采集到的数据传送到PC机存储显示，同时可以通过PC机设定控制参数的上下限。1.2 国内蔬菜大棚发展的现状和趋势 我国是温室栽培起源最早的国家，在2000多年前就已经能利用保护设施(温室的雏形)栽培多种蔬菜，至20世纪60年代，中国的设施农业始终徘徊在小规模、低水平、发展速度缓慢的状态，70年代初期地膜覆盖技术引入中国，对保温保墒起到一定的作用。随着经济的发展和科技的进步，7080年代，相继出现了塑料大棚和日光温室。90年代开始，中国设施农业逐步向规模化、集约化和科学化
12、方向发展，技术水平有了大幅度提高。随着近年来国家相关科研项目的启动，在学习借鉴、吸收消化国外先进技术成果的基础上，中国的设施农业有了较快发展，设施面积和设施水平不断提高。近代温室的发展经历了改良型日光温室、大型玻璃温室和现代化温室三个阶段，但由于各地区生产状况、经济条件和利用目的的差异，至今各阶段不同类型的温室依然并存。我国在“九五”、“十五”期间，在科技部领导和组织下，实施了“工厂化高效农业研究与示范”项目，利用引进的现代化温室设备及配套技术，通过消化吸收与技术创新，进行了品种选育、设施栽培、配套设备及温室中温度、湿度和CO2等环境因素综合调控技术的研究与攻关，一大批科技成果相继诞生，有效地
13、推动着我国设施农业的发展。国内有关科研院所在温室环境管理系统、栽培模式、温室降温、补光、除湿和增施CO2等方面也展开了卓有成效的研究工作，初步形成了具有中国特色的现代化设施农业技术体系。如北京市农业机械研究所研发了具有中国特色的节能日光温室及适应于不同领域的新型系列温室、现代化温室环境智能控制系统等设施设备；国家农业信息技术研究中心进行了温室环境监控系统和决策支持系统的研究开发；中国农业大学以及中国农科院蔬菜花卉研究所在环境控制与栽培技术等方面进行了卓有成效的研究等等。但有关“适合各地方日光温室群环境智能化监控系统的开发与应用”方面的研究和报道较少，即使有，单因素的监控系统较多，多因素复合监控
14、系统很少且很难大面积推广。随着自动化、智能化等高新技术的应用，出现了智能型温室，使农业产品工厂化生产成为现实。工厂化中采用的高新技术主要有无土栽培技术、营养控制技术、CO2施肥技术、环境临测控制技术、机械化作业技术、节水灌溉技术，计算机技术作为一种手段，融于各类技术之中，实现整个系统的自动监测与集中控制。现代温室和现代设施园艺已采用专业化、集约化和规模化生产，规范有序的市场经营和国际化的市场体系运作，成为当今世界最具活力的新兴产业之一和现代农业的亮点。在今后一段时期，随着科学技术的发展、全球经济的一体化和社会的进步，现代温室和现代设施园艺业，将以节能、环保和改善工作条件为核心，深入广泛采用高新
15、技术，向实质意义上的“工业化”方向稳步持续快速地发展，前景十分广阔。1.3 蔬菜大棚内环境因子对植物的影响 1、 温度和空气湿度对植物的影响 温室内的温度和湿度是最重要的两个环境因子。它们一方面受室外温度、太阳辐射、风速、降雨等气候状态的影响，另一方面又受到室内生长状况、环境调控设施等的影响，且温度和湿度之间还相互影响。温室中，作物是在封闭条件下生长，作物蒸腾作用产生的水蒸气、凝结水大都滞留在室内，使得空气相对湿度和绝对湿度显著高于外界。傍晚温度下降，湿度过饱和会产生雾。温室地表湿度越高，室温越高。雾在作物表面凝成水囊，好湿性病原菌随水滴侵入气孔，容易引发作物病虫害的发生。因此高湿再加上适宜发
16、病的温度条件对作物更不利。一般地，若温室内不是极端干燥或湿润，叶片气孔能自由开闭从而调节蒸腾量，使得作物的生育不受湿度的影响。但在持续干燥的条件下，叶片气孔关闭，影响光合作用，会抑制生育。通常，温室的增湿比较容易，通过喷雾或滴灌即可解决，但除湿问题一直是温室降湿的主要问题。可用于温室降湿的方法有通风换气，加热除湿，覆盖地膜，滴灌控制，使用除湿机等。2、 土壤水分对植物的影响 植物的生长离不开水，土壤中的养分只有溶解在水里，才能被植物吸收利用。光合作用所产生的有机物质，只有通过水分的作用才能从叶子运到植物各部分。植物在生长发育过程中如若严重缺水，则会使细胞死亡，植物枯死。若土壤水分过剩，湿度越高
17、，则会使土壤中的氧气减少，植物根部呼吸的水分减少，从而影响植物的水分代谢，以至减缓植物的营养吸收，阻滞植物的生长或者容易发生沤根，使植物出现严重的萎蔫或者死亡，同时造成产品容易腐烂，不耐贮藏。1.4 蔬菜大棚温度控制系统的功能 1、系统能对大棚环境温度、湿度、土壤水分进行采集和显示（现场观温，软件记录）。 2、能通过上位机端远程设定蔬菜的生长期适宜温度、土壤水分值。 3、当大棚的环境温度参数超过设定的下限值时控制热风炉加热，当温度参数超过设定的上限时则控制风扇工作降温。 4、当土壤水分低于设定值时，采用滴灌器滴灌。 5、系统具有手动和自动功能；有报警、解除报警功能。 6、一台上位机控制多个大棚
18、。第二章 控制系统方案论证 本章主要介绍了蔬菜大棚控制系统的两种方案以及方案的比较及最终确定，最终确定设计的总体思想。2.1 控制系统方案选择 2.1.1 方案一：模拟电路设计模拟电路主要分为以下几个主要的组成部分，电源电路、温度检测电路、湿度检测电路、土壤水分检测电路、加热、换气、滴灌电路、报警电路，电路中利用温度、湿度传感器，大大提高了测量的精度。其余部分均采用模拟电路实现功能，当检测到的值超过设定的标准值时，电路中通过比较会自动进行工作。它的系统框图如图2.1所示。图2.1 模拟电路系统框图2.1.2 方案二：单片机系统设计 此方案主要利用集成温度传感器DS18B20和集成湿度传感器SH
19、T11作为检测元件，结合AT89C51单片机，构建蔬菜大棚监控系统。考虑到蔬菜大棚内的实际情况，温室内要实现温湿度的精确控制必须进行多点测量，分别使用一个传感器无法达到控制目的，所以在此方案中采用了4片温度传感器DS18B20测量温度，4片湿度传感器SHT11测量空气相对湿度、4片湿度传感器SHT11测量土壤相对湿度。把蔬菜大棚分为4块，在四块的中心分别放置3片不同的传感器。在控制电路部分，可将蔬菜大棚分为左右两块，每一块空间都安置热风炉、风扇以及滴灌器。它的系统框图如图2.2所示。图2.2 单片机系统框图AT89C51单片机是ATMEL公司的8位Flash单片机系列。键盘用于设定温度、湿度、
20、土壤水分的上下限范围、手自动控制以及显示要求。显示则直接采用LED，简单可靠。而管理键盘和LED显示的就是串行专用键盘/显示器接口芯片HD7279，它采用串口接线方式，可同时驱动8位共阴极LED数码管，同时也能对多达8*8的矩阵式键盘进行控制监控，具有自动消除键抖动并识别键代码的功能。通信接口电路主要由数据收发器MAX485芯片组成，可增大其传输距离。2.2 系统控制方案的确定 通过上面两种方案的介绍，我们可以得出，方案一的成本低，且电路比较简单，但是方案一在自动控制方面不如方案二。方案二具有更好的自动控制功能，而且采用的温度、湿度传感器为集成芯片，这使其监控的实时性、控制的精确性得到了很大的
21、提高。而且使用看门狗芯片，可以有效地监控程序，防止其跑飞等等。同时方案二可以实现键盘设定、LED数码管显示、与上位机进行通信，使用起来简单方便，功能更加齐全，基于这些优点，我们在后面的设计中采用方案二。第三章 系统的硬件设计 本章主要介绍了各个器件的选择以及器件确定后组成的电路设计，它们包括AT89C51单片机以及各个功能模块的设计，这些功能模块又包括温度检测电路、湿度检测电路、控制电路、显示电路、键盘电路、通信模块、复位电路、振荡电路、看门狗电路、报警电路。3.1 单片机 3.1.1 单片机的选择 本设计的单片机为下位机的主要部分，它主要来处理温度、湿度、土壤水分信号，处理上位机发送的信息，
22、使LED实时显示实际数据和传输数据等功能。常用的单片机型号有51系列单片机，AVR单片机，MSP430，PIC单片机等，我们学过的单片机是51系列单片机，而其它单片机相对而言价格更贵，且51系列单片机能满足本次设计要求，所以本设计采用Atmel公司的AT89C51单片机。3.1.2 89C51单片机 89C51是ATMEL公司的8位Flash单片机系列。片内含有Flash存储器，40引脚，低价位、高功效，省去大量的外围电路。因此，有着十分广泛的用途，特别是在便携式，省电和特殊信息保存的仪器和系统中显得更为有用。1、 外部引脚功能 89C51单片机是双列直插式40引脚封装，外部引脚图如图3.1所
23、示。这40引脚大致分为：电源（VCC、VSS、VDD、VPD），时钟（XTAL1、XTAL2），I/O（P0-P3），地址总线（P0、P2），数据总线（BUS）和控制总线（ALE、RST、PROG、PSEN、EA）6大部分。它们的功能简述如下：图3.1 AT89C51 的引脚图1) 电源线 VCC：芯片的主电源，接+5V电压。 VSS：电源地线。2） 控制总线 ALE/PROG：地址锁存允许信号，在它的下降沿用于外部存储器的低8位地址锁存，使BUS（P0）分时用作地址总线低8位和数据总线。此信号每机器周期出现2次，只在访问外部数据存储器期间才不输出ALE。所以在任何不使用外部数据存储器的系统中
24、，ALE以1/6振荡频率的固定速率输出，因而它能用作外部时钟和定时器。 /PSEN：外部程序存储器选择信号，并在外部程序存储器读取指令时产生，指令内容读到数据总线上。PSEN在每个机器周期产生2次有效，在执行内部程序存储器取指时，PSEN无效。 RST/VPD：复位输入信号。在振荡器工作时，该引脚2个机器周期的高电平可实现复位操作。在掉电情况下（VCC降到操作允许限度以下），VPD将为芯片内的RAM提供备用电源。 /EA/VDD：访问外部程序存储器控制信号输入端。当为低电平时，单片机都到外部程序存储器取指。当EA为高电平且PC值小于0FFFH时，CPU执行内部程序存储器程序。3） I/O线 P
25、0（BUS）：单片机的双向数据总线和低8位地址总线。在分时操作时先用作地址总线，在ALE信号的下降沿，地址被锁存，然后作为数据总线；也可以作为双向并行I/O口。在程序校验期间，它用于数据输出。 P1：准双向I/O口。 P2：准双向I/O口。在访问外部存储器时，用作高8位地址总线。 P3：准双向I/O口。P3的每一根线还有特殊的第二功能，如表（1）所示。表（1） P3口的第二功能引脚第二功能标记第二功能P3.0RXD串行输入口P3.1TXD串行输出口P3.2 INT0外部中断0输入P3.3 INT1外部中断1输入P3.4T0 定时/计数器0外部输入P3.5T1定时/计数器1外部输入P3.6WR外
26、部数据存储器写选通P3.7RD外部数据存储器读选通4） 振荡器和时钟电路 XTAL1：内部振荡器外接晶振的一个输入端。在使用外部振荡源时，此端必须接地。 XTAL2：内部振荡器外接晶振的另一个输入端。在使用外部振荡源时，此端用于输入外部振荡信号。XTAL2也是内部时钟的发生器的输入端。3.2 温度检测电路的设计温度检测电路作为输入通道的主要部分之一，在整个系统中是至关重要的。温度检测元件的类型选择和被控温度及精度等级有关。3.2.1 温度传感器的选择温度传感器有模拟温度传感器（如热电阻、热电偶），数字式温度传感器，光纤传感器等，模拟温度传感器信号调节较为简单，但是互换性差，温度与输出阻值之间呈
27、非线性关系。且需经过A/D转换后才能送进单片机内。数字式温度传感器不需要A/D转换电路，测量精度高，可靠性强，且可直接与单片机相连。光纤传感器测量精度更高，可是价格更贵，一般在精度要求非常高的情况下才采用，所以本设计选用数字式温度传感器。根据蔬菜大棚内的实际情况，其温度一般为白天25-35，夜间在7-15，而温度传感器DS18B20的测量范围：-55+125，能够满足系统要求，查阅资料最终选定DS18B20单线数字温度传感器。3.2.2 温度传感器DS18B20的介绍u 温度传感器DS18B20主要技术指标有：测量范围：-55+125，测量精度：0.5，反应时间500ms。u DS18B20的
28、特性为： （1）应用中不需要外部任何元器件即可实现测温电路。 （2）只通过一条数据线即可实现通信。 （3）每个DS1820器件上都有独一无二的序列号，所以一条数据线上可以挂接很多该传感器。 （4）内部有温度上、下限告警功能。u DS1820内部结构及工作原理数字温度传感器DS18B20内部结构如下图3.2所示：图3.2 DS18B20内部结构图 从图3.2中可知，DS18B20有64位光刻ROM，E2PROM(TH,TL)的温度报警器，暂存寄存器、CRC校验发生器等。图中64位光刻ROM中64位序列号可看做是DS18B20的地址序列号，其测温的工作原理如图3.3所示。图3.3 DS18B20的
29、测温原理图中低温度系数晶振用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1，高温度系数的晶振所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器分别被预置每度计数值和在-55时所对应的一个基数值。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器减1到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1有预置值将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数。如此循环，直到计数器2到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的值即为所测的温度。图中斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性。3.2.3 温度传感器DS18B20的硬件接线图在硬件上，DS18B20与单片机的连接有两种
30、方法，一种是Vcc接外部电源，GND接地，I/O与单片机的I/O线相连；另一种是用寄生电源供电，此时VDD、GND接地，I/O接单片机I/O。无论是内部寄生电源还是外部供电，I/O口线要接5 K左右的上拉电阻。在本系统中，DS18B20 采用外部电源供电方式。本设计中使用了4个温度传感器DS18B20， 来自其内部温度传感器的信息通过一线接口被送到89C51的P1.0口实现温度采样。每一个DS18B20有唯一的序列号，因此多个DS18B20可以挂接在同一条单线总线上。4个DS18B20温度传感器与单片机的接线图如图3.4所示。图3.4 4个DS18B20温度传感器与单片机的接线图u DS18B
31、20的工作过程为：复位操作： 执行ROM操作的5条指令之一：1）读ROM，2）匹配ROM，3）搜索ROM，4）跳过ROM，5）报警搜索。存储器操作命令：温度转换、读取温度、设定上下限温度值等指令读取温度数据：主机读取温度数据后进行数据处理。连接DS1820的总线电缆是有长度限制的。当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。 3.3 湿度检测电路的设计本次设计中的湿度检测电路主要是对空气中的湿度进行测量以及对土壤湿度进行测量。温室内要实现温湿度
32、的精确控制必须进行多点测量，所以在设计时分别采用4片湿度传感器测量空气相对湿度，用4片湿度传感器测量土壤相对湿度。所以土壤水分检测电路的设计和湿度检测电路的设计类似，这里就只介绍空气相对湿度检测电路的设计。3.3.1 湿度传感器的选择常用的湿度传感器有HIH3605、SHT11、HM1500等，HIH3605芯片的主要特点是线性电压输出，抗污染能力强。HM1500芯片的主要特点是线性电压输出，互换性强，不怕水侵，适合低温测量。SHT11是智能化传感器，内部包含相对湿度传感器、温度传感器、放大器、14位A/D转换器、校准存储器（E2PROM）、易失存储器（RAM）、状态寄存器、循环冗余校验码（C
33、RC）寄存器、二线串行接口、控制单元、加热器及低电压检测电路。考虑到温室大棚的污染程度不会很大，温度也不会特别低，而且SHT11芯片本身具有放大器，A/D转换器，所以可直接与单片机相连，结构简化了，因此本设计采用SHT11湿度传感器。3.3.2 湿度传感器SHT11的介绍u SHT11湿度传感器的主要特性（1） 将温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、I2C总线接口全部集成于一个芯片；（2） 可给出全校验相对湿度及温度值输出；（3） 湿度值输出分辨率为14位，温度值输出分辨率为12位，并可编程为12位和8位；（4） 小体积，可表面贴装；（5） 具有可靠的CRC数据传输校验功能；（6） 片内装
34、载的校验系数可保证100%互换性；（7） 电流消耗低。u SHT11外部引脚说明它的外部引脚图如图3.5所示图3.5 SHT11引脚图引脚说明：（1） 电源引脚。SHT11的供电电压为2.45.5V。电源引脚（VDD、GND）之间可增加一个0.1F滤波电容。（2） 串行时钟输入（SCK）。SCK用于单片机与SHT11之间的通信同步。由于接口包含了完全静态逻辑，因而不存在最小SCK频率。（3） 串行数据（DATA）。DATA三态门用于数据的读取。u SHT11内部结构图及其测量原理它的内部结构图如图3.6所示图3.6 SHT11内部结构图该传感器的测量原理是，首先利用两只传感器分别产生相对湿度或
35、温度的信号，然后经过放大，分别送至A/D转换器进行模数转换、校准和纠错，最后通过二线串行接口将相对湿度或温度的数据送至单片机。3.3.3 湿度传感器SHT11的硬件接线图SHT11通过两线串行接口电路与单片机连接，其中，DATA在SCK时钟下降沿之后改变状态,并仅在SCK时钟上升沿后有效,所以单片机可以在SCK高电平时读取数据,而当其向SHT11发送数据时则必须保证DATA线上的电平状态在SCK高电平段稳定；为了避免信号冲突,单片机仅在低电平驱动DATA，在需要输出高电平的时候,单片机将引脚置为高阻态,由外部的上拉电阻(例如: 0.3k) 将信号拉至高电平，从而实现高电平输出。 本设计分别采用
36、4片湿度传感器SHT11测量空气相对湿度，用4片湿度传感器SHT11测量土壤相对湿度。SHT11是两线制的数据传输方式,在多点测量应用系统中通常是将多个SHT11分别独立地连接到单片机I/O口上， 单片机通过对每一个SHT11进行测量操作,得到每一点的温湿度数据。但这样的连接方式存在两个主要缺点:（1）由于每个SHT11占用单片机的两个I/O口,所以单片机有限的I/O口资源将制约着所能测量的最大点数；（2）由于每个SHT11的测量所需时间是固定不变的,采用单独操作的逐个测量方式在多点测量系统中必然导致数据采集时间过长、控制滞后，从而影响控制系统性能的提高。在温室测控应用系统中,要求所采集的温湿
37、度数据是反应整个温室相同时间点的总体情况的,所以多个SHT11必须同时开始测量,即单片机必须同时向多个SHT11发送测量命令。结合温室应用的具体要求,本文对8个SHT11 传感器和单片机的连接方式采取如下方案:各SHT11的SCK线接到单片机的同一个I/O口上,而DATA线则分别接到不同I/O口线上。这种连接方式有几个优点:首先,n 个传感器只占用n+1个I/O口,比前述方式节省了n-1个I/O口,解决了多点测量系统中单片机I/O口资源短缺和尽可能增加测量点之间的矛盾问题；其次,由于多个SHT11共用一条时钟线所以在每次测量中可以同时发出测量命令,多个传感器同时进行测量,只需一次等待时间则完成
38、了整体数据的收集,大大缩短了数据采集时间,为控制系统快速响应提供了条件。测土壤湿度的原理和测空气湿度相同，这里就画出4个传感器的连线图，如图3.7所示。图3.7 4个湿度传感器SHT11与单片机的连接电路图SHT11的工作时序为： SHT11测量过程包括4个部分:启动传输、发送测量命令、等待测量完成和读取测量数据。单片机首先用一组“启动传输”时序来表示数据传输的初始化，当SCK时钟高电平时DATA翻转为低电平；在DATA为低电平期间，SCK变为低电平，再翻转为高电平；随后是在SCK时钟高电平时DATA翻转为高电平。 在“启动传输”时序之后，单片机可以向SHT11发送命令。命令字节包括高3位的地
39、址位(目前只支持000)和低5位的命令位。其中:00000101表示相对湿度测量，00000011表示温度测量，00000111和00000110分别表示读和写状态寄存器。SHT11则通过在数据传输的第8个SCK时钟周期下降沿之后,将DATA拉低来表示正确接收到命令，并第9个SCK时钟周期的下降沿之后释放DATA线(即恢复高电平)。单片机发送一组测量命令后需要根据测量数据精确度8/12/14bit 分别等待大约11/55/210ms，而SHT11则通过拉低DATA表示测量结束,并且把测量结果存储在内部的存储器内，然后自动进入空闲状态，等单片机执行完其他任务后再来读取。测量数据读取前，单片机先重
40、新启动SCK，接着2字节的测量数据和1字节的CRC校验将由SHT11传送给单片机。2字节的测量数据是从高字节的高位开始传送，并以CRC校验字节的确认为表示通信结束。单片机需要通过拉低DATA来确认接收的每个字节，若不使用CRC校验位则单片机可以在接收完测量数据的最低位后保持DATA为高电平来终止通信。3.4 键盘显示电路的设计 此模块属于人机交互，主要涉及显示和按键电路。对于显示界面，可以采用数码管，液晶模块及其他显示形式，本设计选用LED显示。同时本设计需要的按键数比较多，因此采用了3*8矩阵式接法。键盘显示电路的主体部分为串行专用键盘/显示器接口芯片HD7279。3.4.1 串行专用键盘/
41、显示器接口芯片HD7279的介绍 HD7279是一片具有串行接口的，可同时驱动8位共阴式数码管(或64只独立LED)的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵。 HD7279内部含有译码器，可直接接收16进制码，HD7279还同时具有2种译码方式，HD7279还具有多种控制指令，如消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等。HD7279的引脚图如图3.8所示。图3.8 HD7279引脚图 HD7279采用串行方式与单片机通讯，串行数据从DATA引脚送入芯片，并由CLK端同步。当片选信号变为低电平后，DATA引脚上的数据在CLK引脚的上升沿被写入HD7279的缓冲寄存器。它的特点为：（1）
42、 串行接口；（2） 各位独立控制译码/不译码及消隐和闪烁属性；（3） (循环)左移/(循环)右移指令；（4） 具有段寻址指令，方便控制独立LED；（5） 64键键盘控制器，内含去抖动电路； HD7279的指令结构有三种类型：1、不带数据的纯指令，指令的宽度为8个BIT，即单片机需发送8个CLK脉冲。2、带有数据的指令，宽度为16个BIT，即单片机需发送16个CLK脉冲。3、读取键盘数据指令，宽度为16个BIT，前8个为单片机发送到HD7279的指令，后8个BIT为HD7279返回的键盘代码。执行此指令时，HD7279的DATA端在第9个CLK脉冲的上升沿变为输出状态，并与第16个脉冲的下降沿恢
43、复为输入状态，等待接收下一个指令。3.4.2 显示电路本设计数码显示管用来显示实际环境温度、湿度、土壤水分值，平时8个LED显示器默认显示4个温度传感器采样上来的实际温度。只有当用户按键选择显示当前4个方位的湿度值或土壤水分值时才显示湿度值或土壤水分值。用户设定好的值存在Flash存储器里，不会随掉电而丢失。LED显示器有共阴极和共阳极两种接法，在此选择共阴极接法。当给HD7279送不同的指令，则显示的LED数码管也不同。3.4.3 键盘电路设计微机所用的键盘可分为编码键盘和非编码键盘两种。编码键盘采用硬件线路来实现键盘编码，每按下一个键，键盘能自动生成按键代码，键数较多，而且还具有去抖功能。
44、非编码键盘仅提供按键开关状态，其它工作由软件完成。HD7279的键盘则属于编码键盘。按照键盘与CPU的连接方式可以分为独立键盘和矩阵式键盘。在独立式键盘中，每个按键是相互独立的，每个按键占用一根I/O口线，每根I/O口线上的按键工作状态不会影响其它I/O口线按键的工作状态。独立式键盘电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用I/O口，有按键数量较多时，I/O口线浪费较大，且电路结构显得复杂。这种形式适用于按键数量较少的场合。在按键数量较多时，采用矩阵式键盘，可以减少占用I/O线。由于本系统中用的按键较多，但是也有手动/自动功能的切换，所以设计时既采用的独立式键盘，又采用了矩阵式键盘来完成上
45、述功能。先介绍独立式键盘，本设计中只用了一个独立键，把它接到INT0上引起外部中断，实现手动/自动功能的切换。当手动控制时，自动功能完全不工作，所以就需将其有效地、无误地进行切换。本设计采用的方法是用一个计数存储单元，若地址单元内的值为偶数，则让自动功能工作，若为奇数，则让手动功能工作。当计数单元的值达到100，可将其清0，否则可能溢出，影响程序正常运行。下面介绍矩阵式键盘。本设计中，矩阵式键盘中需要用到20个键，它们分别是00H09H十个数字键和0AH0FH、10H13H十个功能键。09十个数字键主要用于温度、湿度、土壤水分值的上下限值设定。0AH表示设定温度环境，0BH表示设定湿度环境，0
46、CH表示设定土壤水分环境，这三个键即是实现蔬菜大棚内各环境参数的切换。0DH表示各环境的上限值设定，0EH表示各环境的下限值设定，当按下0AH或0BH或0CH键后，就需要继续按0DH或0EH选择上限值设定或下限值设定。在软件设计时，就需要对各个环境的上下限值分配存储单元。10H12H主要是实现手动控制，10H表示手动打开热风炉，11H表示手动打开风扇，12H表示手动打开滴灌器。当按下INT0后，计数单元内的值为奇数，则切换为手动功能，这是按下上面三个键中的任意一个键，就可以让其工作，直到下一次INT0按下引起外部中断，否则一直执行手动功能。13H表示让LED数码管显示4个方位的当前湿度值，0FH表示让LED数码管显示4个方位的当前土壤水分值。键盘及显示电路的接线图如图3.9所示。图3.9 键盘及显示电路的接线图3.5 复位电路的设计 智能系统一般应有手动和上电复位电路。本设计就采用了手动复位和上电复位均存在的复位电路，在这里只画出了上电复位电路，如图3.10所示。RC复位电路的实质是一阶充放电电路。上电复位的过程是在加电时，复位电路通过电容加给RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着VCC对电容的充电过程而
