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1、题 目：基于单片机的LED植物生长灯的设计姓 名：班级学号：指导教师：摘 要 日照是植物生长除了营养和水之外的必要因素。但是每位种植者都知道，日光是无法控制的。因此人造的日光在园艺栽培中受到的越来越多认可，因为人造日光可以人为控制植物生长的季节并彻底缩短植物生长的时间。植物生长灯主要是在自然光照不充足的情况下进行光源的补充。使用过程中主要是结合光照时间以及强度特性，进行适当的补光控制。长日照作物根据其日照需求可多照，短日照作物少照，也就是对植物生长灯进行时控。如果自然光已经基本满足植株本身对光照的需求了，就不需照射了，如果光照强度减弱，可以进行补光，也就是对植物生长灯进行光控。合理利用植物生长
2、灯，可以有效提高经济效益。 本设计主要是利用单片机技术实现Led植物生长灯的光电控制、定时控制，电路设计部分主要是结合单片机设计控制电路。控制电路部分分析和讨论了各个部分电路的原理、控制策略，能根据光线和定时控制的要求决定生长灯的点亮和关断。关键词 Led植物生长灯；单片机；光电控制；定时控制AbstractThe sunshine is a necessary factor of plant growth in addition to nutrition and water. But each grower knows that the sunlight can not be control
3、led. Artificial daylight in horticulture are more and more recognized as artificial sunlight can control the plant growth season and thoroughly to shorten the time of plant growth.Plant growth lights is not sufficient natural light to supplement light. The process of using is a combination of illumi
4、nation time and strength characteristics of the fill light control. Long-day crop in accordance with its sunshine demand, more than according to the short day crops less according to plant growth light control. Natural light can basically meet the plant itself, the light needs, without irradiation,
5、the light intensity weakened, fill light, that is, light controls plant growth lamps. Rational use of plant growth lamps, can effectively increase economic efficiency.This design is microcontroller technology Led Plant Grow Light photoelectric control, timing control, circuit design part of the main
6、 control circuit is the combination of single-chip design. The control circuit part of the analysis and discussion of the various parts of the circuit theory, control strategy, according to the requirements of light and timing control to determine growth lights lit on and off. Keywords Led plant gro
7、wth lamp；Singlechip；Photoelectric control；Timing control目 录摘 要.IAbstract.II第 1 章植物生长灯11.1植物生长灯简介11.1.1植物生长灯概念11.1.2植物生长灯分类与优缺点11.1.3植物生长灯原理与作用11.1.4Led植物生长灯21.2植物生长灯国内发展概况41.3植物生长灯发展前景51.3.1市场现状51.3.2Led植物生长灯作用与未来发展6第 2 章MCS-51单片机92.1芯片简介92.2引脚功能11第 3 章系统单元电路设计133.1方案设计133.2总体电路设计133.3电源电路133.4光控电路1
8、4图 3-3 光控电路143.5时钟电路153.6掉电存储电路163.7单片机硬件电路173.8总体硬件设计电路19第 4 章系统程序设计204.1系统程序设计20参考文献.24致 谢26附录1 英文翻译27附录2 中文翻译49第 1 章 植物生长灯1.1 植物生长灯简介1.1.1 植物生长灯概念植物灯，也称植物生长灯，目前植物主要是用Led灯珠制作，也称Led植物灯，Led植物生长灯，Led植物补光灯。植物生长灯是种特殊的灯具，依照植物生长规律必须需要太阳光，而植物生长灯就是利用太阳光的原理，灯光代替太阳光给植物生长发育环境的一种灯具。植物生长灯是种特殊的灯具，依照植物生长规律必须需要太阳光
9、，而植物生长灯就是利用太阳光的原理，灯光代替太阳光给植物生长发育环境的一种灯具。1.1.2 植物生长灯分类与优缺点分类：目前在植物生长中应用的人工光源有荧光灯、高压钠灯、金属卤灯等，这些光源应用在植物生长中存在着缺欠：其一，光谱基本为线状谱线，并与植物光合吸收光谱匹配不理想。能够被植物吸收的只是个别波段的光，其他波段的光都被浪费，不节能。其二，由于白炽灯泡、日光灯管、钠灯等耗电量较大，同时产生很多的热辐射，不能对植物近距离照射，对植物生长光激励效率不高，大大增加了人工光照成本，因而除在一些高附加值的花卉种植上和人工气候室试验中有所应用外，并没有在农业生产上得到广泛应用。近年来随着农业生产中温室
10、大棚的大面积推广，人工气候室的研究进展以及农业科技化水平的提高，进行温室合理给光以及降低给光成本的研究已显得越来越重要，新型节能高效给光措施更成为人们研究的热点，新型发光材料的成功研制为这一问题的解决提供了契机。新型高效节能Led光源正是最佳选择。采用多种特定单色LED集成光源具有如下优势：Led光源的光谱能够与植物光合作用吸收谱最佳匹配；Led光源的光强、光周期可以自动控制；Led光源具有节能、环保和抗震动等优势，在同样亮度下，LED光源耗电约是白炽灯的十分之一、日光灯的二分之一，可用于大规模工厂化植物养殖。无疑，这是农业生产中给光的最好方法，也是未来发展的必然趋势1.1.3 植物生长灯原理
11、与作用原理：光环境是植物生长发育不可缺少的重要物理环境因素之一，通过光质调节，控制植株形态建成是设施栽培领域的一项重要技术。 光线光谱与植物光合作用的关系 280 315nm 对形态与生理过程的影响极小；315 400nnm 叶绿素吸收少，影响光周期效应，阻止茎伸长； 400 520nm（蓝） 叶绿素与类胡萝卜素吸收比例最大，对光合作用影响最大； 520 610nm 色素的吸收率不高； 610 720nm（红） 叶绿素吸收率“高”，对光合作用与光周期效应有显著影响； 720 1000nm 吸收率低，刺激细胞延长，影响开花与种子发芽； 1000nm 转换成为热量。作用：经过应用测试,植物灯的波长
12、非常适合植物的生长、开花、结果。一般室内植物花卉，会随着时间而长势越来越差，主要原因就是缺少光的照射，通过适合植物所需光谱的Led灯照射，不仅可以促进其生长，而且还可以延长花期，提高花的品质。而把这种高效光源系统应用到大棚、温室等设施等农业生产上，一方面可以解决日照不足导致番茄、黄瓜等大棚蔬菜口感下降的弊端，另一方面还可以使冬季大棚茄果类蔬菜提前到春节前后上市，从而达到反季节培植的目的。1、作为补充光照，在一天的任何时间都可以增强光照，可以延长有效照明时间。 2、无论在黄昏或是夜晚，可以有效延长和科学控制植物所需要的光照。 3、在温室或植物实验室，可完全替代自然光，促进植物生长。 4、彻底解决
13、育苗阶段看天吃饭的情况，完全根据苗株交货期来合理安排时间。1.1.4 Led植物生长灯特征:波长类型丰富、正好与植物光合成和光形态建成的光谱范围吻合；频谱波宽度半宽窄，可按照需要组合获得纯正单色光与复合光谱；可以集中特定波长的光均衡地照射作物；不仅可以调节作物开花与结实，而且还能控制株高和植物的营养成分；系统发热少，占用空间小，可用于多层栽培立体组合系统，实现了低热负荷和生产空间小型化。Led在植物盆栽中应用:光环境是植物生长发育不可缺少的重要物理环境因素之一，通过光质调节，控制植株形态建成是设施栽培领域的一项重要技术。 作为第四代新型照明光源，Led具有许多不同于其他电光源的特点，这也使其成
14、为节能环保光源的首选。应用于植物培养领域的Led还表现以下特征：波长类型丰富、正好与植物光合成和光形态建成的光谱范围吻合；频谱波宽度半宽窄，可按照需要组合获得纯正单色光与复合光谱，；可以集中特定波长的光均衡地照射作物；不仅可以调节作物开花与结实，而且还能控制株高和植物的营养成分；系统发热少，占用空间小，可用于多层栽培立体组合系统，实现了低热负荷和生产空间小型化；此外，其特强的耐用性也降低了运行成本。由于这些显著的特征，Led十分适合应用于可控设施环境中的植物栽培，如植物组织培养、设施园艺与工厂化育苗和航天生态生保系统等。Led应用于植物设施栽培的研究:近十年来，我国设施园艺面积发展迅速，植物生
15、长的光环境控制照明技术已经引起重视。设施园艺照明技术主要应用于两个方面：一、在日照量少或日照时间短的时候作为植物光合作用的补充照明；二、作为植物光周期、光形态建成的诱导照明。 1、Led作为植物光合作用补充照明的研究 传统人工光源产生太多热量，如采用Led补充照明和水培系统，空气能够被循环使用，过多的热量和水份可以被移除，电能能够被高效地转变为有效光合辐射，最终转化为植物物质。研究表明：采用LED照明，生菜的生长速率、光合速率都提高20%以上，将Led用于植物工厂是可行的。 研究发现，与荧光灯相比，混合波长的Led光源能够显著促进菠菜、萝卜和生菜的生长发育，提高形态指标；能够使甜菜生物积累量最
16、大，毛根中甜菜素积累最显著，并在毛根中产生最高的糖分和淀粉积累。 与金属卤化灯相比，生长在符合波长Led下的胡椒、紫苏植株，其茎、叶的解剖学形态发生显著的变化，并且随着光密度提高，植株的光合速率提高。复合波长的Led可引起万寿菊和鼠尾草两种植物的气孔数目增多。 2、Led作为植物光周期、光形态建成的诱导照明 特定波长的Led可影响植物的开花时间、品质和花期持续时间。某些波长的LED能够提高植物的花芽数和开花数；某些波长的Led能够降低成花反应，调控了花梗长度和花期，有利于切花生产和上市。由此可见通过Led调控可以调控植物的开花和随后的生长。 3、Led应用于航天生态生保系统的研究 建立受控生态
17、生保系统(Controlled Ecological Life Support System,CELSS)是解决长期载人航天生命保障问题的根本途径，高等植物的栽培是CELSS的重要元件，其关键之一光照。 基于空间环境的特殊要求，空间高等植物栽培中使用的光源必须具有发光效率高、输出的光波适合于植物光合作用和形态建成、体积小、重量轻、寿命长、高安全可靠性记录和无环境污染等特点。与冷白荧光灯、高压钠灯和金属卤素灯等其它光源相比较，LED更能有效地将光能转化成光合有效辐射；此外,它具有寿命长、体积小、重量轻和呈固态等特点，因此，近年来在地面和空间植物栽培中倍受重视。研究表明LED照明系统能提供光谱能量
18、分布均匀的照明，其电能转换为植物所需光的效率超过金卤灯的520倍。1.2 植物生长灯国内发展概况中国作为LED灯生产大国正在积极布局鞭策低碳经济，已经出台多项产业政策支持鼓励LED企业发展成长，各路产业资本也是非常看好中国LED照明市场这个大蛋糕。包括欧司朗、通用电气、Lumileds、英飞特、cree等国外照明巨头和国内三安、银雨、勤上等照明行业“领头羊”纷纷积极布局，为中国将来LED大市场提早进行产业布局。专家断言，将来LED照明在国内的市场份额将上万亿元。中国已把LED光源在城村照明、城村景照明、交通照明和居家照明工程中的利用作为科技节能专项政策来推行，并列为“十二五”计划里面。中国将大
19、力支持LED应用在瓜果蔬菜照明LED应用在瓜果蔬菜照明、农业种植领域是一大趋势。现在中国大力支持人造LED灯具应用于植物生长领域，这样成熟的瓜果口感和颜色看上去更亮丽。最重要的LED照明比普通照明节电。LED节能灯是在中国快速发展的第四代照明光源，LED灯具有许多不同于其他电光源的特点，这也使其成为节能环保光源的首选。近10年来，我国设施园艺面积发展迅速，植物生长的光环境控制技术已经引起重视。设施园艺光照射技术主要应用于两个方面：在日照量少或日照时间短的时候作为植物光合作用的补充照射;作为植物光周期、光形态建成的诱导照射。LED在这两方面都有明显的优势。LED照明有望成为未来植物照明的主流。为
20、了节省能源消耗，找到一种同时具备高发光率与长寿命两种优势的照明工具显得尤为迫切。而目前普遍使用的荧光灯管又因为属于线性光源，无法提供大面积且均匀的照明光源。因此，LED照明比较适合为大面积植物均匀照明，他将成为植物照明领域的新宠。在传统农业生产中，一般使用普通电光源补充光照和对白光源覆盖彩色塑料薄膜等农业技术措施，改变光环境以调控设施栽培环境中植物的生长发育。但这些措施存在着不同程度的问题，如缺乏对具体光谱成分的分析导致光质处理不纯、光强不一致、接近甚至或低于植物的光补偿点，照射光源能效低等。LED能够解决这些难题，特别适合应用于人工光控制型植物设施栽培环境。目前国内的LED光源应用在植物生长
21、领域存在的主要问题是成本较高以及光的穿透能力不强等。农用照明灯具也存在着产品杂乱、生产设计不规范、缺乏统一的产品标准和质量管理等问题。以目前应用市场最大的植物照明灯具为例，尽管都根据植物的需求选择了以红光和蓝光为主的LED灯珠配置，但是在光质调节、光照强度设计方面缺乏科学统一的规范，更缺乏针对植物照明特殊的高温、高湿环境所进行的防水、防电及耐腐蚀设计。LED照明在农作物生长应用上将来会占有很好的地位。OFweek半导体照明网编辑经过研读LED照明应用在农作物上发展趋势发现，LED农作物照明市场一直呈上升发展趋势，我们预计到2012年或是一个重要的节点，2012将成为植物照明领域发展的分水岭。现
22、阶段LED发光效率不断提升，LED照明在农作物照明产品方面的研发也大大搞高，为了最终LED灯在农作物上发展起到推动作用。LED理论上可以有较长的寿命，而且抗振能力很好，所以非常适合用在汽车上;LED还低电压驱动，用在水底下也是很宁静，LED另一个特色是节能，若是用在长时间不间断点亮而且对显色指数要求不太高的场所，都可以胜任。可是，LED并不是没有缺点，现阶段LED的光衰还是过于严重、显色指数低和色容差都是家用灯具的致命伤。据OFweek半导体照明网此前的数据，有业内人士预估，2008年LED会开始替换普通的家庭照明，到2010年普及会大大改善，替换量会放大。但是此刻来看，这种估计还是过分的“灵
23、活”，让人难以预料的是，中国LED企业却有点“外强内弱”，现在，没具体数据表明中国市场到底有多少家LED照明企业，据业内不完全统计，仅珠三角地域，就不少于4000 家，占天下的70%份额。LED品种涵盖了家居、商照、电工等各个范畴，多在产业链中下流，而具备LED芯片生产技术的企业仅62家，即便算上有规模的封装企业，在产业链中上游的也不外几百家。而LED的利润在产业链上的比重分布，LED外延片与芯片约占70%，LED封装约占10%20%，LED应用只占10%20%。按照广东省十二五计划纲领，半导体照明、节能环保等新兴产业是广东培养成长的计划的新兴产业，近年来广东LED照明市场成长的势头很猛，预计
24、将来五年，LED代替白炽荧光灯数目将占到50%，将来十年，数据将增加到80%。但今朝，国内LED市场非常杂乱，品牌效应差、以次充好等现象严重，可以我国LED照明产业还是任重而道远。更值得注意的是，LED的整个行业发展还处于一个耘酿期、布局期，离真正的产出还有一段距离，真正的照明市场还有待进一步普及，现在市场还处于开发期，现阶段我们要在LED技术上面下更多的功夫，才能在市场来临之际从容应对。1.3 植物生长灯发展前景1.3.1 市场现状（1）近年来由于市场需求的推动，各地普遍采用温室大棚生产反季节蔬菜、瓜果、花卉等。反季节种植的主要问题是低温与光照不足。包括华北在内的黄河流域地区、包括东北的辽南
25、地区 、江苏、安徽北部地区、陕南的安康地区等，这正是我国冬季温室种植的重点区域，如进入10月份，月平均日照时数就锐减至4.9小时，大棚生产关键的10月至次年的2月份，平均日照只有4小时，11月是3小时。类似的如河北、河南、山西、山东等省的南部的大片地区都是重灾区。特别是近几年，这种灾难性气候出现的频次高，影响面积大，经济损失十分严重，已成为制约温室生产发展的一大障碍，而解决的最好办法之一，那就是根据作物生长的需要采取必要的补光措施。所以，用于温室大棚的LED给光光源系统具有良好的市场前景。（2）在育苗和组织培养的工厂化种植中，由于LED给光系统可使种苗发育快、健壮，抗病虫害能力强，并且适用各种
26、作物。另外，由于育苗和组织培养密度大，所需LED光源小，给光系统的成本低、效率高，投入少，收益高。因此，经济效益更加可观。1.3.2 Led植物生长灯作用与未来发展植物离不开光，光是植物生长必不可少的能量来源，众所周知，光对植物的光合作用、生长发育、形态建成和物质代谢等都有调控作用。而目前在温室、大棚种植中，弥补太阳光缺失所用的光源一般是萤光灯、高压钠灯和白炽灯等，这些光源的光谱能量分布是依据人眼对光的需求设计的，而植物生长所需要的光谱与人眼的需求是不一样的。但LED波长类型丰富，可调控的余地较大，适合用于植物的照明灯。 LED作为植物照明光源可以广泛应用于植物栽培、温室补光、植物工厂，具有促
27、进植物生长，调节植物形态建成，节能环保等多方面优势。不仅可发出光波较窄的单色光，如红色、橙色、黄色、绿色、蓝色、红外等，并能根据动植物不同需要任意组合，而且还是低发热特性的冷光源，可以近距离照射植物，提高空间利用率。LED植物生长灯能够为农业生物的生长提供合理的光环境条件，减少农药、激素等化学品的使用，确保食品安全，是低能耗的绿色光源。 经应用测试，LED植物灯的波长非常适合植物的生长、开花、结果。一般室内植物花卉，会随着时间而长势越来越差，主要原因就是缺少光的照射，通过适合植物所需光谱的LED灯照射，不仅可以促进其生长，而且还可以延长花期，提高花的品质。而把这种高效光源系统应用到大棚、温室等
28、设施等农业生产上，还可以解决日照不足导致番茄、黄瓜等大棚蔬菜口感下降的弊端。 不同波长的光线对于植物光合作用的影响是不同的，植物光合作用需要的光线，波长在400720nm左右。400520nm（蓝色）的光线以及610720nm（红色）对于光合作用贡献最大。520610nm（绿色）的光线，被植物色素吸收的比率很低。按照以上原理，植物灯都是做成红蓝组合、全蓝、全红三种形式，以提供红蓝两种波长的光线，覆盖光合作用所需的波长范围。在视觉效果上，红蓝组合的植物灯呈现粉红色。 而白光LED灯，最普遍的是使用蓝色核心，激发黄色荧光粉，由此复合产生视觉上的白光效果。能量分布上，在445nm的蓝色区和550nm
29、的黄绿色区存在两个峰值。而植物所需的610720nm红光，则非常缺乏。多年来在植物领域使用的人工光源主要有高压钠灯、萤光灯、金属卤素灯、白炽灯等，这些光源的突出缺点是能耗大、运行费用高，能耗费用约占全部运行成本的 50%60%.因此，提高发光效率、减少能耗一直是植物领域人工光照明应用的重要课题。据农业部统计，目前我国植物组培的总面积在2000万平方米以上，产值200亿元左右。随着现代化农业的不断发展，农业照明的需求还在不断扩大，但随之而来的是耗电量的大幅增加。随着节能理念的不断深入人心，农业照明巨大的市场机遇与能源消耗向传统农业照明灯具技术提出了新的挑战，更为新型农业照明灯具的开发与应用提供了
30、绝好的机遇。近十年来，我国设施园艺面积发展迅速，植物生长的光环境控制照明技术已经引起重视。设施园艺照明技术主要应用于两个方面：一、在日照量少或日照时间短的时候作为植物光合作用的补充照明；二、作为植物光周期、光形态建成的诱导照明。 1、LED作为植物光合作用补充照明的研究 传统人工光源产生太多热量，如采用LED补充照明和水培系统，空气能够被循环使用，过多的热量和水份可以被移除，电能能够被高效地转变为有效光合辐射，最终转化为植物物质。研究表明：采用LED照明，生菜的生长速率、光合速率都提高20%以上，将LED用于植物工厂是可行的。 研究发现，与荧光灯相比，混合波长的LED光源能够显著促进菠菜、萝卜
31、和生菜的生长发育，提高形态指标；能够使甜菜生物积累量最大，毛根中甜菜素积累最显著，并在毛根中产生最高的糖分和淀粉积累。 与金属卤化灯相比，生长在符合波长LED下的胡椒、紫苏植株，其茎、叶的解剖学形态发生显著的变化，并且随着光密度提高，植株的光合速率提高。复合波长的LED可引起万寿菊和鼠尾草两种植物的气孔数目增多。 2、LED作为植物光周期、光形态建成的诱导照明 特定波长的LED可影响植物的开花时间、品质和花期持续时间。某些波长的LED能够提高植物的花芽数和开花数；某些波长的LED能够降低成花反应，调控了花梗长度和花期，有利于切花生产和上市。由此可见通过LED调控可以调控植物的开花和随后的生长。
32、 3、 LED应用于航天生态生保系统的研究 建立受控生态生保系统(Controlled Ecological Life Support System,CELSS)是解决长期载人航天生命保障问题的根本途径，高等植物的栽培是CELSS的重要元件，其关键之一光照。 基于空间环境的特殊要求，空间高等植物栽培中使用的光源必须具有发光效率高、输出的光波适合于植物光合作用和形态建成、体积小、重量轻、寿命长、高安全可靠性记录和无环境污染等特点。与冷白荧光灯、高压钠灯和金属卤素灯等其它光源相比较，LED更能有效地将光能转化成光合有效辐射；此外,它具有寿命长、体积小、重量轻和呈固态等特点，因此，近年来在地面和空间
33、植物栽培中倍受重视。研究表明LED照明系统能提供光谱能量分布均匀的照明，其电能转换为植物所需光的效率超过金卤灯的520倍第 2 章 MCS-51单片机2.1 芯片简介MCS-51单片机内部结构：8051是MCS-51系列单片机的典型产品，包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：中央处理器：中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等
34、操作。数据存储器(RAM)8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。 图1 8051内部结构框图程序存储器(ROM)：8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。定时/计数器(ROM)：8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。并行输入输出(I/O)口：8051共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部
35、数据的传输。全双工串行口：8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。中断系统：8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。时钟电路：8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛(Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿(Princeto
36、n)结构。INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。下图是MCS-51系列单片机的内部结构示意:图2-1 MCS-51结构框图MCS-51的引脚说明：MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，右图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明。2.2 引脚功能MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，
37、右图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明，如图2-2所示：图2-2 引脚功能Pin9:RESET/Vpd复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指针写入07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，8051
38、的初始态。8051的复位方式可以是自动复位，也可以是手动复位。此外，RESET/Vpd还是一复用脚，Vcc掉电其间，此脚可接上备用电源，以保证单片机内部RAM的数据不丢失。Pin30:ALE/当访问外部程序器时，ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。而访问内部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。如果单片机是EPROM，在编程其间，将用于输入编程脉冲。Pin29:当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据将出现在P0和
39、P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，由CPU读入并执行。Pin31:EA/Vpp程序存储器的内外部选通线，8051和8751单片机，内置有4kB的程序存储器，当EA为高电平并且程序地址小于4kB时，读取内部程序存储器指令数据，而超过4kB地址则读取外部指令数据。如EA为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。显然，对内部无程序存储器的8031,EA端必须接地。在编程时，EA/Vpp脚还需加上21V的编程电压。第 3 章 系统单元电路设计3.1 方案设计单独的光控开关一般采用感光探头，当晚上光线弱时，自动开启草坪灯；早上光线较强时，自动关闭Led植物生长灯，达到自动控制
40、的作用。为节省电力，早期的光控开关，使用分立半导体器件，电路复杂，元器件较多，体积也较大，并且故障率高。随着半导体技术的发展，出现了时基集成电路，如NE555等，使光控开关电路简化。感光探头是影响光控开关性能的关键元器件，同时对它安装位置也有一定要求，力求避免各种干扰光线，但在实际使用中，感光探头难以判断各种干扰光线，经常会产生误动作。采用钟控器的Led植物生长灯控制器，要预先设定开关时间，使生长灯按时亮灯、准时熄灯，从而达到自动控制的目的。优点是定时开关预先设定的开关时间不受外界干扰，除本身故障外不会产生误动作。缺点是不能根据季节变化和特殊的天气情况自动变换开关时间，需人工经常调整开关时间，
41、费时费力，不利于节省电力。3.2 总体电路设计 单片机系统时控电路光控电路掉电存储充放电总电路LED负载蓄电池组充放电控制器图3-1 总体方框图利用单片机技术实现Led植物生长灯的光电控制、定时控制和节能控制。3.3 电源电路电源电路如图3-2所示。系统内12V蓄电池电压经过7805稳压后产生5V电压，作为控制器的主电源。电容C2作为高频旁路电容，将高频信号旁路到地。同样电容C3为滤波电容，C4为高频旁路电容。R1为限流电阻，LED1为5V电源指示灯。图3-2 电源电路3.4 光控电路该电路由光照度检测电路和单片机控制电路组成，如图3-3所示：图 3-3 光控电路光照度检测电路由光敏电阻器RG
42、，电位器RP，电阻器R1，R2和非门集成电路IC1组成。控制电路为单片机控制电路。白天光照较强，RG受光照射而呈低阻状态，IC1的输入端为低电平，输出端为高电平， 6脚为高电位，即给单片机P2.7口送入的是高电平。当光线较弱时，RG的阻值开始增大。随着光线的逐渐变弱，IC1的输入端电压也逐渐上升，当该电压上升至IC1的阀值电压时，其输出端变为低电平，6脚为低电位，即给单片机P2.7口送入的是低电平，单片机控制下级电路工作。调节RP的阻值，可以改变电路动作的灵敏度。3.5 时钟电路为了系统定时准确性的需要，系统需要一个实时的时钟，而平常的电子设计中常用的时钟是直接通过汇编语言对单片机进行编程实现
43、的，这样的时钟在电源断电时不能正常运行，再次通电后也不能保证时钟的持续运转。由于系统要求根据时间来准时开关灯箱电源，所以要求系统时间一定要准确，为了避免断电时钟不运行情况的发生，在本设计中选用了低功耗的实时时钟芯片DS1302提供系统的时钟，它具有功耗低、性能稳定、自带RAM、具有年月日功能，确保定时的可靠性。DS1302实时时钟芯片包括实时时钟/日历和31字节的静态RAM。它经过一个简单的串行接口与微处理器通信。实时时钟/日历提供秒、分、时、日、周、月和年等信息。对于小于31天的月，月末的日期自动进行调整，还包括了闰年校正的功能。时钟的运行可以采用24小时或带AM（上午）/PM（下午）的12
44、小时格式。DS1302工作时为了对任何数据传送进行初始化，需要将复位脚（RST）置为高电平且将8位地址和命令信息装入移位寄存器。数据在时钟（SCLK）的上升沿串行输入，前8位指定访问地址，命令字装入移位寄存器后，在之后的时钟周期，读操作时输出数据，写操作时输出数据。数据可以以每次一个字节或多达31字节的多字节形式传送至时钟/RAM或从其中送出。而且DS1302能在非常低的功耗下工作，消耗小于1微瓦的功率便能保存数据和时钟信息。DS1302具有一个用于主电源和备用电源的双电源引脚，即除了主电源外，我们可以在其8脚和地之间接一个大电容或者接一个备用电源，主电源正常时对电容或备用电源充电，当电源突然
45、断电或者进行电力维修时，电容或备用电源工作，以保证时钟芯片的正常工作。DS1302主要由移位寄存器、控制逻辑、振荡器、实时时钟以及RAM组成。为了初始化时进行数据传送，将RST置为高电平且把提供地址和命令信息的8位装入到移位寄存器。数据在SCLK的上升沿串行输入。无论是读周期还是写周期发生，也无论传送方式是单字节传送还是多字节传送，开始8位指定40个字节中的哪个单元将被访问。在开始的8个时钟周期把命令字节装入移位寄存器之后，时钟在读操作时输出数据，在写操作时输入数据。时钟脉冲的个数在单字节方式下为8加8，在多字节方式下为8加最大可达248的时钟脉冲个数。图3-4 DS1302实用时钟电路本设计
46、采用的是24小时运行模式。因为DS1302采用的是同步串行通信，简化了与微处理器的通信，微处理器与时钟芯片通信仅需三根线联接：（1）RST（复位）、（2）I/O（数据线）、和（3）SCLK（串行时钟）。在I/O口接到处理器的命令后，控制芯片的SCLK端向单片机传送数据或由单片机通过SCLK端向1302中写入数据。具体应用电路如图3-4所示。在系统正常工作时，晶振X1为时钟芯片提供工作必需的32.768KHZ的振荡周期，使时钟正常工作，系统电源对电容C4充电，在系统断电时，C4中存储的电量可以作为芯片的备用电源，维持时钟芯片正常工作，再次通电时系统电源为芯片供电，并且为电容C4充电，为系统下次断
47、电做好电能的储备。3.6 掉电存储电路为了能将系统所设定的一些参数，如设定的密码，设定的时间在系统掉电之后能够恢复，在设计时必须考虑如何存储这些参数。由于AT89C51片内没有EEPROM，必须采用外部扩展方式。在系统的设计过程中，通常采用的掉电存储芯片是24C02系列存储芯片，为了方便以后扩展，在这里选用有4K存储空间的24C04芯片。24C04接口采用I2C总线接口方式。I2C总线是一种用于IC器件之间连接的二线制总线。连接总线的器件的输出级必须是集电极或漏极开路，以具有线“与”功能。I2C总线的数据传送速率在标准工作方式下为100kbit/s，在快速方式下，最高传送速率可达400kbit/s。它通过串行数据线SDA及串行时钟线SCL两根线和连在总线上的处理机进行通信，并根据地址识别每个器件。采用I2C总线标准的单片机或IC器件，其内部不仅有I2C接口电路，而且将内部各单元电路按功能划分为若干相对独立的模块，通过软件寻址实现片选，减少了器件片选线的连接。CPU能通过指令将某个功能单元电路进行读或写的操作，还可对该单元的工作状况进行检测，从而实现对硬件系
