温室湿度控制系统设计.docx
《温室湿度控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《温室湿度控制系统设计.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
温室湿度控制系统设计
第三章．系统硬件电路的设计
3.1脉冲产生电路设计
本设计采用了透射式光电传感器进行发射采集信号。
当红外光电发光二极管和高灵敏度的光电晶体管之间被物体遮挡住时，晶体管接收不到信号，传感器将输出一个低电平，而没有物体遮挡时，晶体管接收到信号时，则输出高电平，从而形成一个脉冲。
在光电传感器收发端间有一转盘，转盘安装在电动机的转轴上。
转盘上拥有若干个过孔，当转盘随着转轴旋转的时候，传感器将向外输出若干个脉冲。
并把这些脉冲通过一系列的波形整形成为单片机可识别的电平信号，通过程序计算即可算出电机转速。
转盘的过孔的个数决定了测量精度，个数越多，精度越高。
因为在单位时间内尽可能多地得到脉冲数，从而避免因两个过孔之间的距离过大，而正好在过孔之间停止了，造成较大的误差。
（a）转盘
（b）脉冲发射接收器
（c）组成图
图3.1转速测量硬件结构
3.2光电转换及信号电路设计
光电传感器将光信号转换为电信号，并设计相应的信号调理电路，得到单片机可识别的脉冲信号，输送给单片机STC89C52进行计数，同时得到计数的时间，由单片机按照设定好的程序进行计算得到电动机转速。
3.2.1光电传感器简介
光电传感器是把光信号转化为其他信号的传感器。
在实际应用首先把被测量变化转换成光信号变化，然后用光电元件将光信号转换成电信号。
光电传感器一般是由光源、光学通路和光电元件三部分组成。
光电检测方法具有反应快、精度高、非接触等优点，且可测参数多。
光电传感器的结构简单，形式多样，因此，光电式传感器在实际检测和控制中得到非常广泛应用。
光电开关有以下几种类型
（1）漫反射式光电开关：
集发射器、接收器于一体的传感器，被检测物体经过时，物体会将发射器足量光线反射到接收器上，传感器就能产生开关信号。
若被检测物体表面光亮或其反光率很高时，漫反射式的光电开关是首选检测装置。
（2）镜反射式光电开关：
集发射器、接收器于一体，当发射器发出光线并经反射镜反射回接收器，若被检测物体经过并且完全阻断光线时，就产生了检测开关信号。
（3）对射式光电开关：
集结构上分离且光轴相对放置的接收发射器，若发射器输出的光线能直接进入接收器，检测物体通过发射接收器之间并能够阻断光线，光电开关就能产生开关信号。
若检测物体为不透明物体时，对射式光电开关是最好的检测装置。
（4）槽式光电开关：
它通常采用U字型结构，它的发射器和接收器分别位于U型槽两边，形成一光轴，当检测物体通过U型槽并且阻断光轴时，光电开关就能够产生开关量信号。
槽式光电开关比较适合检测高速运动的物体，它能分辨半透明与透明物体,使用安全可靠。
（5）光纤式光电开关：
它采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，可以对距离远的被检测物体进行检测。
通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。
光源是光电传感器的重要组成部分，为使光电传感器能很好地工作，除了选用合适光电元件外，还必须配备合适光源。
发光二极管是把电能转变成光能的半导体器件。
它具有功耗低、体积小、响应快、寿命长、机械强度高等优点，而且还能与集成电路相匹配。
因此，在计算机、仪器仪表和自动控制设备中得到应用应用。
钨丝灯泡是一种最常用的光源，它具有丰富的红外线。
如果选用的光电元件对红外光敏感，在传感器工作时可加滤色片将钨丝灯泡的可见光滤除掉，仅用它的红外线做光源，这样，可有效防止其他光线的干扰。
激光与普通光线相比具有方向性好、频率单纯、能量高度集中，相干性好等优点，是非常理想的光源。
综上所述，各种光源各具优点，但从经济与使用便利方面考虑，并考虑到抗干扰性能，我们决定选用红外光二极管做系统测量的光源。
3.2.2脉冲信号处理电路设计
由光源、光学通路和光电器件组成的光电传感器在用于光电检测时，还必须配备适当的信号调理电路。
这些信号调理电路负责将光电传感器输出的微弱的光电信号进行放大、整形，转换成所单片机定时计数所需要的脉冲信号。
不同的光电元件，所要求的测量电路也不相同，为此设计时必须详加考虑。
信号处理电路图
整形电路主要是将正弦波信号转化为方波脉冲信号，正弦波信号电压其最大幅值约为4.8V，最小幅值为0V。
整形电路是一种滞回电压比较器，它具有惯性，以起到抗干扰的作用。
从而能够向输入端输入滞回比较器。
在整形电路的输入端接一个电容C7，能够起到是阻止其他信号的干扰的作用，并能够将放大的信号进行滤波、解耦。
R11和R17能防止电路短路，起到保护电路的作用。
一次整形后的信号基本上都为±5V的电平脉冲信号，在用脉冲计数时，常用+5V的脉冲信号。
若直接采用-5V的脉冲计数，会增加电路的复杂性，因此一般不直接使用，而是先进行二次整形。
第二次用三极管整形电路，当输出为-5V信号时，电阻R18和三极管VT2的基-射极组成并联电路电流经过R18、R17。
三极管VT2处于反向偏置状态，所以，VT2的集-射极未接通，故处于截止状态。
电源回路由R19，三极管VT2的集-射极组成，采用单电源+12V供电，由于集射极截止，处于断路状态，故输出电压U0为+12V。
当第一次整形输出为+5V的信号时，三极管VT2基-射极为正向偏置状态，有电流I通过，故此时三极管的集-射极处于通路状态。
电源电流流经电阻R19，三极管的集-射极到地端，由于集-射极导通时的电阻很小，可以忽略不计。
电源电压主要在R19上，输出电压约为0V。
综上所述，三极管整形的电路的输入关系是：
信号为-5V时，U0=+12V；信号为+5V时，U0=0V。
3.3测量系统主机部分设计
3.3.1单片机STC89C52
89C52是一种带8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，也称为单片机。
该单片机采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
并且将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，STCMEL的STC89C52是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种价廉、灵活性高的方案。
图2.1是单片机STC9C52，它将计算机的功能都集成到这个芯片内部，一个小小的芯片就能构成一台小型的电脑，因此也叫做单片机。
图2.1STC89C52芯片
89C52有40个管脚，分成两排，每排各有20个脚，其中左下角标有箭头的为第1脚，然后按照逆时针方向依次为第2脚、第3脚……第40脚。
在40个管脚中，其中的32个脚可用于各种控制，比如控制电机的正转与反转、控制电梯的升与降、控制小灯的亮与灭等，我们把32个引脚叫做单片机的“端口”，在单片机中，每个端口都有着一个特定名字，例如第一脚端口叫做“P1.0”
单片机管脚分布如图2.2所示
图2.252单片机管脚分布
STC89C52管脚分布
●VCC：
供电电压。
●GND：
接地。
●P0口：
P0口是一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流。
若P0口的管脚第一次写“1”，则被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
当在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
●P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能够接收、输出4个TTL门电流。
当P1口管脚写入“1”后，被内部上拉为高，则可用作输入，若P1口被外部下拉为低电平时，则将输出电流，这是内部上拉的缘故。
在用FLASH编程、校验时，P1口作为第八位地址接收。
●P2口：
P2口是一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器能够接收、输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，被内部上拉电阻拉高，则作为输入。
因此作为输入端口时，P2口被外部拉低，将输出电流。
这是因为内部上拉的缘故。
当P2口用于16位地址外部数据存储器或外部程序存储器进行存取时，P2口输出地址高八位。
当给出地址“1”时，利用内部上拉优势，当读写外部八位地址数据存储器时，P2口输出特殊功能寄存器的内容。
P2口用FLASH编程、校验时接收高八位控制信号和地址信号。
●P3口：
P3口是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，能够接收、输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，双向I/O口被内部上拉为高电平，并作为输入。
由于外部下拉是低电平，P3口将输出电流，这是因为上拉的缘故。
P3口作为AT89C51的一些特殊功能口，管脚备选功能
●P3.0RXD（串行输入口）
●P3.1TXD（串行输出口）
●P3.2/INT0（外部中断0）
●P3.3/INT1（外部中断1）
●P3.4T0（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）
●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：
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底位字节。
●在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变频率周期输出正脉冲信号，则频率为振荡器频率的1/6。
所以它可用作对外部输出脉冲或用于定时的目的。
然而需要注意的是：
当用作外部数据存储器时，则将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起用。
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/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP：
当/EA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。
计数脉冲输入T0T1
P0P1P2P3TXDRXDINT0INT1
中断输入
图2.3结构框图如所示
3．振荡器特性：
XTAL1和XTAL2各为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以作为为片内振荡器。
可以采用石晶振荡和陶瓷振荡均。
如果采用外部时钟源驱动元器件，XTAL2应不接。
有余输入到内部时钟信号时要通过一个二分频触发器，所以对外部时钟信号的脉宽没有任何要求，但是必须要保证脉冲的高低电平所要求的宽度。
4．芯片擦除：
PEROM阵列和三个锁定位的电擦除都可以通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来实现。
芯片擦操作中，代码阵列被全写“1”并在任何非空存储字节被重复编程以前，则该操作必须被执行。
此外，STC89C52设有稳态逻辑，则可以在低到零频率下静态逻辑，支持两种软件可选掉电模式。
闲置模式下，CPU停止工作。
但RAM、定时器、计数器、串口和中断系统仍在工作。
掉电模式下，保存RAM的内容并冻结振荡器，禁止用到的其他芯片功能，直至下一个硬件复位为止。
3.2.4定时与计数设计
根据设计需要选择方式1比较合适，当M1、M0为01时，定时器/计数器工作于方式1，这时定时器/计数器的等效电路如图6所示：
图6定时/计数器方式1逻辑结构框图
此时，定时/计数器为16位的计数器，由TLX（X=0，1）的低5位和THX的高8位组成。
TLX低5位溢出则向THX进位，THX计数溢出则置位TCON中的溢出标志位TFX。
系统选择定时/计数方式1，以T1作为计数器对光电开关产生的脉冲进行计数，用T0作为定时器，每10ms产生一定时中断对1602LCD液晶显示屏进行刷新，产生100次中断后，对T1接受到的脉冲数进行计算处理，得出转速。
（1）用于定时工作方式，其定时时间为：
T=（216-t1的初值）×振荡周期×12
此设计采用的是12MHz的晶振，定时器T0定时为10ms，将参数带入公式：
t1=65536-10000=55536；
换成十六进制，则t1=0xd8f0；
所以对于定时器T0有，TMOD=0x01；TH0=0xd8；TL0=0xf0；
（2）用于计数工作方式，计数长度为：
216=65536（个外部脉冲）
由此可知规定时间（1s）内外部脉冲个数不超过65536即可。
3.2.4.1定时/计数器的结构
定时/计数器的实质是加1计数器（16位），由高8位和低8位两个寄存器组成。
TMOD是定时/计数器的工作方式寄存器，确定工作方式和功能；TCON是控制寄存器，控制T0、T1的启动和停止及设置溢出标志。
定时/计数器结构如图7所示：
图7定时/计数器结构
3.2.4.2定时/计数器的控制
AT89S52单片机定时/计数器的工作由两个特殊功能寄存器控制。
TMOD用来设置其工作方式；TCON则用来控制其启动和中断申请。
1.工作方式寄存器TMOD
工作方式寄存器TMOD用于设置定时/计数器的工作方式，低四位用于T0，高四位用于T1。
其格式如下：
表1工作方式寄存器TMOD格式
GATE：
门控位。
GATE＝0，以运行控制位TRX（X=0，1）来启动定时/计数器运行；
GATA＝1，要用软件使TR0或TR1为1，同时外部中断引脚或也为高电平时，才能够启动定时/计数器工作；
C/T计数器模式和定时器模式选择位
C/T=1，选择计数器模式，计数器对外部输入引脚T0（P3.4）或T1（P3.5）的外部脉冲计数；
C/T=0，选择定时器模式。
M1M0：
工作方式设置位。
定时/计数器有四种工作方式，由M1M0进行设置。
表2M1M0工作方式
2.控制寄存器TCON
TCON的低4位用于控制外部中断,已在前面介绍。
TCON的高4位用于控制定时/计数器的启动和中断申请。
其格式如下：
表3控制寄存器TCON格式
位
7
6
5
4
3
2
1
0
字节地址：
88H
TF1
TR1
TF0
TR0
TCON
TF1（TCON.7）：
T1溢出中断请求标志位。
T1计数溢出时由硬件自动置TF1为1。
CPU响应中断后TF1由硬件自动清0。
T1工作时，CPU可随时查询TF1的状态。
所以，TF1可用作查询测试的标志。
TF1也可以用软件置1或清0，同硬件置1或清0的效果一样。
TR1（TCON.6）：
T1运行控制位。
TR1置1时，T1开始工作；TR1置0时，T1停止工作。
TR1由软件置1或清0。
所以，用软件可控制定时/计数器的启动与停止。
TF0（TCON.5）：
T0溢出中断请求标志位，其功能与TF1类同。
TR0（TCON.4）：
T0运行控制位，其功能与TR1类同。
中断控制
CPU对中断系统所有中断以及某个中断源的开放和屏蔽是由中断允许寄存器IE控制的。
表4
位
7
6
5
4
3
2
1
0
字节地址：
88H
EA
ES
ET1
EX1
ET0
EX0
IE
▪EX0（IE.0），外部中断0允许位；
▪ET0（IE.1），定时/计数器T0中断允许位；
▪EX1（IE.2），外部中断0允许位；
▪ET1（IE.3），定时/计数器T1中断允许位；
▪ES（IE.4），串行口中断允许位；
▪EA（IE.7），CPU中断允许（总允许）位。
3.3.21602液晶显示模块设计
图2.31602简介
1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源VCC（15脚）和地线GND（16脚），其控制原理与14脚的LCD完全一样，其中：
表3.11602管脚介绍
引脚
符号
功能说明
1
VSS
一般接地
2
VDD
接电源（+5V）
3
V0
液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。
4
RS
RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
5
R/W
R/W为读写信号线，高电平
（1）时进行读操作，低电平（0）时进行写操作。
6
E
E（或EN）端为使能（enable）端，下降沿使能。
7
DB0
底4位三态、双向数据总线0位（最低位）
8
DB1
底4位三态、双向数据总线1位
9
DB2
底4位三态、双向数据总线2位
10
DB3
底4位三态、双向数据总线3位
11
DB4
高4位三态、双向数据总线4位
12
DB5
高4位三态、双向数据总线5位
13
DB6
高4位三态、双向数据总线6位
14
DB7
高4位三态、双向数据总线7位（最高位）（也是busyflag）
15
BLA
背光电源正极
16
BLK
背光电源负极
表3.2寄存器选择控制表
RS
R/W
操作说明
0
0
写入指令寄存器（清除屏等）
0
1
读busyflag（DB7），以及读取位址计数器（DB0~DB6）值
1
0
写入数据寄存器（显示各字型等）
1
1
从数据寄存器读取数据
注：
关于E=H脉冲——开始时初始化E为0，然后置E为1，再清0.
busyflag（DB7）：
在此位为被清除为0时，LCD将无法再处理其他的指令要求。
表3.3显示地址
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
00H
01H
02H
03H
04H
05H
06H
07H
08H
09H
0AH
0BH
0CH
0DH
0EH
0FH
40H
41H
42H
43H
44H
45H
46H
47H
48H
49H
4AH
4BH
4CH
4DH
4EH
4FH
升级会员 