毕业设计（论文）-基于单片机的大棚温度自动控制系统.doc

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1、1 摘要摘要 2 关键词关键词 2 引言引言 2 第一章第一章 绪论绪论 3 1.1 课题背景3 1.1.1 大棚环境对农作物生长的影响3 1.1.2 温室大棚的国内外发展现状及趋势5 1.1.3 本课题的研究意义及主要内容5 第二章第二章 总总体方案的体方案的设计设计 6 2.1 实现功能6 2.2 总体方案设计6 2.3 详细设计7 第三章第三章 系系统统硬件硬件设计设计 8 3.1 单片机的选择及其特性8 3.1.1 单片机的概述8 3.1.2 AT89C51 简介.8 3.2 温度传感器的选择及其电路设计11 3.2.1 温度传感器 AD590 简介11 3.2.2 温度测量电路12

2、3.2.3 A/D 转换器 ADC0809 简介13 3.2.4 分频器 CD4043 .15 3.3 湿度传感器的选择及其电路设计15 3.3. 1 湿度传感器 HS1101 简介15 3.3.2 湿度测量电路16 3.4 二氧化碳浓度的采集及电路17 3.4.1 二氧化碳浓度传感器 TGS4160 的简介 .17 3.5 单片机外围控制电路设计19 3.5.1 “看门狗”电路 19 3.6 键盘电路与显示单路设计20 3.6.1 键盘电路设计20 3.6.2 显示电路设计21 3.7 声光报警系统23 3.7.1 蜂鸣器简介23 3.8 执行机构电路设计23 3.8.1 固态继电器简介23

3、 3.8.2 执行机构电路24 第四章第四章 环环境参数境参数测测控系控系统软统软件件设计设计 26 4.1 编程语言26 4.1.1 控制程序设计26 2 4.1.2 主控制程序设计26 4.2 系统的各子程序28 4.2.1 数据采集子程序28 4.2.2 湿度信号采集流程图29 4.2.3.键盘子程序 30 4.2.4 键盘显示子程序31 总结总结 32 致致谢谢 33 参考文献参考文献 34 1 基于单片机的大棚温度自动控制系统 电子工程专业学生 指导教师 摘要：近年来我国的温室控制取得了长足的进步，首先在温室群控制方面，进行了初步的探索和 理论研究，其次在温室控制中引入了人工智能和先

4、进的控制算法。当前温室控制系统研究热点己由简 单的 DDC(直接数字控制)发展到分布式控制系统，如 DCS(分布式控制)、FCS(柔性控制)等网络化的控 制系统。实施远程控制。虽然国内温室规模有限，还没有形成规模经济，另外构建的费用也较高，但 从长远来看，温室监控系统分布式和网络化将是一种必然的趋势。本方案以 AT89C51 单片机系统为核 心来对温度，湿度和二氧化碳浓度进行实时控制和检测。检测单元能独立完成各自功能，并根据单片 机的指令对温度进行实时或定时采集。单片机负责控制指令的发送，并控制各机构进行温度采集，手 机测量数据，同时对测量结果进行处理及显示。 关键词：AT89C51 单片机

5、自动控制系统 传感器 控制器 引言 生态环境因素控制自动化:生态环境因素控制自动化的主要内容是温、湿度的自动调 节，灌水量、水温自动调节，CO2施肥自动调节，温室通风换气自动调节等。通过控制各 种相应的操作设备来控制上述内容，以达到给作物创造最佳生长环境的目的。对环境影 响因素采用的控制方法一般有两种：(1)单因子控制。这是对温度、湿度、光照和 CO2浓 度等进行单独控制的方法，其中主要是控制温度，其次是湿度，包括空气湿度和土壤 或基质的湿度。其局限性在于外界气候的变化随时影响到室内的小气候，靠人工指 令随时进行相应改变是很难办到的。(2)多因素综合控制。这是 80 年代发展起来的利用 计算机

6、控制温室环境因素的方法，将各种作物不同生长发育阶段需要的适宜环境条件要 求输入计算机程序，当某一环境因素发生改变时，其余因素自动做出相应修正或调整。 一般以光照条件为始变因素，温度、湿度和 CO2浓度为随变因素，使这 4 个主要环境因素 随时处于最佳配合状态。 2 第一章 绪论 1.1 课题背景 1.1.1 大棚环境对农作物生长的影响 作物的生长发育及产品的最终形成以及其产量与质量一方面取决于作物本身的遗传特 性，另一方面取则决于外部环境条件。在实际生产中，一方面通过育种技术来获得具有新 遗传性的品种，另一方面要通过先进的栽培技术及适宜的环境条件来控制其生长和发育。 影响作物生长发育的环境条件

7、主要包括:温度、湿度、光照、CO2浓度、土壤等。所有这些 环境条件之间是相互作用、相互联系、相互耦合的，某个控制变量发生改变，会影响其它 控制变量的变化。作物的生长发育是所有这些环境条件综合作用的结果。下面就这些环境 条件对作物的影响进行简略说明。 1.温度 温室内气温、地温对作物的光合作用、呼吸作用、根系的生长和水分、养分的吸收有 着显著的影响，因此影响作物生长发育的环境条件中，以温度最为敏感，也最为重要，对 温室环境控制的研究也是最先从温度控制开始的。不同种类的作物对温度的要求是不同的， 同一作物在不同发育阶段对温度的要求亦有所不同，而且在同一发育期阶段内对温度的要 求也会随着昼夜变化而呈

8、周期性地变化。一般说来在白天作物进行光合作用需要的温度较 高，晚上维持呼吸作用所需的温度要低一些。 作物生长发育适宜的温度，随种类、品种、生育阶段及生理活动的变化而变化。为了 增加光合产物的生成，抑制不必要的呼吸消耗，在一天中，随着光照强度的变化，实行变 温管理是一种很有效的管理方法。 2.湿度 温室内作物对水分的要求体现为对温室内空气湿度和土壤湿度的要求。空气湿度用相 对湿度来表示，因为相对湿度更能反应事实。根据有关研究记载，除了阴雨天以外，温室 内午后过低的空气湿度会导致作物发生光合作用的午休现象，因此空气相对湿度的大小直 接影响到作物的光合作用，这时就需要增加温室内的空气湿度。当温室内的

9、空气湿度较高 时，可能会诱发一些病虫害。温室中空气湿度的管理包括增湿和降湿。 土壤湿度对作物的影响也很大。如果土壤中水分过剩，湿度过高，导致土壤中的氧气 含量减少，作物根部呼吸困难，进而危害作物的生长发育。相反，当土壤中含水量减少时， 作物根部吸收的水分就相应的减少，从而阻碍作物的生长，严重时作物出现萎蔫现象。不 同的作物对湿度的要求不同，即使是同一种类在不同发育阶段对湿度的要求也不尽相同。 3 土壤湿度的管理就是把包括渗灌、滴灌、微灌等灌溉技术应用到温室中来。传统的大 水漫灌既浪费水资源，又容易使土壤发生板结，提高了室内湿度。在温室中应用渗灌技术 具有灌水均匀，提高地温，保持土壤疏松，降低室

10、内湿度，减轻病害发生，生育期提前等 优点。 3.光照 光照是植物环境中的重要因素，是植物生产有机质的能量来源，是作物生长发育的关 键条件之一。光照不足，必然影响到植物的生长。对作物生产的影响主要表现在光照强度、 光照时间、光质三个方面。 光质即光波的组成，研究表明作物叶片具有对可见光的高吸收率和对红外线的低吸收 率这一习性，这有利于作物在有效的利用光能进行光合作用的同时使光合器官免受高温的 伤害。 光照强度直接影响到光合作用的强度。光照强度过高或过低对作物都有害。当光照强 度高于光饱和点时，就需要降低温室内的光照强度。当光照强度低于光补偿点时，就需要 进行人工补光。温室中常用的人工光源有白炽灯

11、、卤钨灯、高压水银荧光灯、高压钠灯、 金属卤化物灯等。 4.CO2浓度 CO2是作物进行光合作用的主要原料。有关研究表明，蔬菜作物产量的 90%95%来自 光合作用。在露天条件下，空气中的 CO2浓度一般能满足光合作用的需要，但在温室环境 中由于光合作用的不断进行，CO2浓度随之下降，如不及时补充，尽管光照条件好，水肥 充足，作物仍然不能进行旺盛的光合作用，使营养物质积累减少，难以实现早熟高产。但 是，浓度过高，又可能对作物造成危害，出现叶片周边焦边，严重时甚至死亡等现象。 CO2施肥在国外己经发展到实际应用的水平。人工补充 CO2己成为发展高产、优质、高效 农业的重要措施之一。 温室内 CO

12、2的控制就是掌握好浓度。使作物获得最大生长率的 CO2浓度，取决于作物 的生长阶段、光照强度、温度等因素。为了最大限度的提高施肥效果，施放 CO2时，必须 控制在温度、湿度、光照度等条件满足之后进行。 综上所述，温室内各环境因子之间存在着强烈的相互作用，作物是在各环境因子的综 合影响下生长的，而不是单个因素作用的结果，各环境因子对温室作物的作用也不是简单 叠加的。因此，单因子控制是不能达到良好效果的。所以设计智能化温室环境测控系统时 须辅以有关的调控技术以及各环境因子之间的相互耦合系数，控制各参数因子处在相对最 佳组合的水平，这样才能使种植者获得最佳的产量与经济效益。 1.1.2 温室大棚的国

13、内外发展现状及趋势 现在世界各国的设施园艺发展很快，一些国家在实现自动化的基础上正向着完自动 化、无人化的方向发展。发达国家近二十年来建造的温室，自动化水平高，都设自动监 测、数据采集和集中控制系统，包括各种传感器、计算机及各种电气装置等。各国温室 技术研究的核心是温室复合环境优化控制研究。主要包括: 生态环境因素控制自动化:生态环境因素控制自动化的主要内容是温、湿度的自动调 4 节，灌水量、水温自动调节，CO2施肥自动调节，温室通风换气自动调节等。通过控制各 种相应的操作设备来控制上述内容，以达到给作物创造最佳生长环境的目的。对环境影 响因素采用的控制方法一般有两种：(1)单因子控制。这是对

14、温度、湿度、光照和 CO2浓 度等进行单独控制的方法，其中主要是控制温度，其次是湿度，包括空气湿度和土壤 或基质的湿度。其局限性在于外界气候的变化随时影响到室内的小气候，靠人工指 令随时进行相应改变是很难办到的。(2)多因素综合控制。这是 80 年代发展起来的利用 计算机控制温室环境因素的方法，将各种作物不同生长发育阶段需要的适宜环境条件要 求输入计算机程序，当某一环境因素发生改变时，其余因素自动做出相应修正或调整。 一般以光照条件为始变因素，温度、湿度和 CO2浓度为随变因素，使这 4 个主要环境因素 随时处于最佳配合状态。 环境监测控制技术:环境控制技术是温室技术的核心。现代大型温室中，所

15、有环境因 子如室内温、光、气、湿、热、营养液养分状况与温度、植物根部环境温湿度等因子的 监测、传感、调节，都由计算机进行综合管理，实行自动控制。国外先进温室，对室内 外气温、风力、降雨等气象情况，室内空气温湿度、土壤温度和含水量、光照强度、CO2 浓度、营养液的酸碱度(PH 值)、导电率(EC)和温度等环境参数，可利用计算机自动进行 检测并实施控制。有的系统还可监测叶面积指数、叶温、蒸腾量和长势等生物活体信息， 对生物体的重量、大小、形态等进行非接触式和非破坏性监测，从而对温室溜溉、施肥、 加热、降温、补光、保温、遮阳、CO2浓度、加湿、除湿等作业进行综合控制.还有人根 据产品市场价格变化的规

16、律和作物生长规律，对作物的光合作用条件进行优化控制，以 期获得最好的经济效益。 总的来说，国外现代温室环境控制系统性能先进，产出效益高，但价格昂贵，维护 不便，并且也是根据本国自己国情的不同有所侧重，因此不能全盘照搬用来指导我国的 温室生产。 温室环境系统是一个多变量的大惯性非线性系统，并且有藕合、延迟等现象，很难 对这类系统建立数学模型及用经典控制方法和现代控制方法实现控制。近年来，随着神 经网络、遗传算法、模糊推理等新的控制理论不断出现并逐渐应用于温室控制领域，这 一问题得到很好的解决。温室控制软件也越来越多，越来越方便与成熟，专家系统也不 断发展和完善，并成为当前温室控制技术研究的重要方

17、向。 1.1.3 本课题的研究意义及主要内容 本设计研究内容表述如下: (1)控制器以单片机为核心，整个系统包括主控制模块、数据采集与处理模块、输出 控制模块、键盘及显示模块。数据采集与处理模块能够完成温室内温度、湿度和二氧化 碳浓度的采集和处理。 (2)监控管理软件的设计为控制器(单片机)软件的设计和开发。采用单片机汇编语言编 写。 本课题针对于当前我国温室环境控制相关技术面临的一些问题提出一定的方案，希望 解决温室控制系统的高成本低效益的现实困难推进温室的产业化和智能化发展步伐，从 5 而有利于我国现代设施农业向规范化，低成本、产业化、智能化方向发展。 第二章 总体方案的设计 2.1 实现

18、功能 本设计是基于 AT89C51 单片机的温湿度智能控制采集系统，主要完成以下功能： (1)选择 AT89C51 单片机，了解其基本特性和功能，使用 AT89C51 实现对温湿度及 二氧化碳浓度的智能控制。 (2)使用温度传感器测量现场环境温度，进行数据的采集及传到单片机处理。 (3)使用湿度传感器对现场时读数据采集，由单片机进行数据处理和控制，实现范 围为 1%99%RH 的湿度控制。 (4)设计人机对话接口，键盘显示和报警系统。 (5)涉及执行机构电路，是单片机能够自动控制执行机构工作。 (6)在完成以上功能时，要确保系统的可靠性和稳定性，是系统能够长期稳定的工 作。 2.2 总体方案设

19、计 本系统主要有自动监控系统，自动控制系统，人机对话接口这三个部分组成。其原 理图下图 2.1： 单片机 检测系统控制系统人机对话 CO2 浓度 检测 湿度 检测 温度 检测 温度 执行 湿度 执行 报警 系统 键盘 系统 LED 显示 6 图 2.1 系统原理图 2.3 详细设计 经过仔细研究和分析，对系统的总体方案进行了详细设计，采用的芯片主要有： ATMEL 公司生产的 AT89C51 单片机，AD 公司生产的 AD590 集成温度传感器，电容式 湿度传感器 HS1101。单片机通过 AD0809AD 转换器把从传感器输出的模拟信号转换成 数字信号，通过单片机 T。对脉冲宽值的计算得到湿

20、度值。本课题所选用的二氧化碳传感 器是 FIGARO(弗加罗)公司生产的固态电化学型气体敏感元件 TGS4160。通过监测 S（） 、 S（）两个电极之间所产生的电势值 EMF，就可以测量 CO2的浓度值。 在这里温度及二 氧化碳浓度需要模数转换。在执行机构中，可以通过单片机直接控制来达到需要的数值。 显示部分由单片机分时把温度湿度及二氧化碳浓度值送到数码管显示。通过键盘可以设 定参数的上限值下限值，当当前参数超过设定值时，由单片机控制报警电路报警。同时 单片机控制相应的执行机构运行相应的动作，使得温度湿度及二氧化碳浓度恢复到正常 水平。 图 2. 2 总体方案框图 单 片 机 AT89 C5

21、1 驱动显示 键盘 X25045 湿度测点 CO2 浓度测点 温度测点AD590 HS1101 报警 ADC 0809 光电隔离驱动放大执行机构 TGS4160 7 第三章 系统硬件设计 硬件元器件的选择，必须考虑到功能的实现，必须考虑到到期间的实施性，价格和通 用性等几个方面。在电路的设计中，在实现其所要求的功能基础上，尽量使电路简单。 3.1 单片机的选择及其特性 3.1.1 单片机的概述 单片机又称单片微控制器它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集 成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便 宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，

22、学习使用单片机是了解计算机原理与结 构的最佳选择。 单片机也被称为微控制器（Microcontroller） ，是因为它最早被用在工业控制领域。单 片机由芯片内仅有 CPU 的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和 CPU 集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控 制设备当中。INTEL 的 Z80 是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专 用处理器的发展便分道扬镳。 、 本设计选用了 AT89C51 单片机，它是一种低功耗，低价格，高性能 8 位微处理器。 3.1.2 AT89C51 简介 AT89C51 是美国 ATMEL

23、公司生产的低电压，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 8k bytes 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM） ， 器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，与标准 MCS-51 指令系统及 8052 产品引脚兼容，片内置通用 8 位中央处理器（CPU）和 Flash 存储单元，功能强大的 AT89C51 单片机适合于许多较为复杂控制应用场合。 8051 单片机包含中央处理器、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

24、。 1.中央处理器 中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是把为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、指挥和调度整个单片机的工作，完成运算和控制输入输出 功能等工作。 2.数据存储器 内部有 128 个 8 位用户存储单元，他们是统一编址的，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。 3.程序存储器 共有 4096 个八位 ROM，用于存放用户程序、原始数据或表格。 4定时/计数器 8 有两个 16 位的可编程定时/计数器，以实

25、现定时或计数产生的用语程序控制转向。 引脚图如 3.1： 图 3.1 AT89C51 引脚图 1主要性能参数 AT89C51 系列单片机主要性能参数如下： 8k 字节可重擦写 Flash 闪速存储器 1000 次擦写周期 全静态操作：0Hz-24MHz 三级加密程序存储器 256 字节内部 RAM 32 个可编程 I/O 口线 3 个 16 位定时/计数器 8 个中断源 可编程串行 UART 通道 低功耗空闲和掉电模式。 2功能特性 8k 字节 Flash 闪速存储器，256 字节内部 RAM，32 个 I/O 口线，3 个 16 位定时/计 数器，一个 6 向量两级中断结构，一个全双工串行通

26、信口，片内振荡器及时钟电路。同时， AT89C51 可降至 0Hz 的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停 9 止 CPU 的工作，但允许 RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式 保存 RAM 中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。 3并行口简介 Vcc：电源电压 GND：接地端 P0 口：P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I/O 口，也即地址/数据总线复用口。作为 输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路，对端口 P0 写“1”时，可 作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，

27、这组口线分时转换地址 （低 8 位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。 在 Flash 编程时，P0 口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要 求外接上拉电阻。 表 3.1 引脚 P1.0 和 P1.1 的第二功能 引脚号功能特性 P1.0T2(定时计数器 2 外部计数脉冲输入),时钟输出 P1.1T2EX（定时计数器 2 捕获重装载触发和方向控制 P1 口：P1 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 的输出缓冲级可驱动 （吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口写“1” ，通过内部的上拉电阻把端口拉 到高电平，此时可作输入口。作输入口使用

28、时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部 信号拉低时会输出一个电流(IIL)。P1.0 和 P1.1 还可分别作为定时/计数器 2 的外部计数输 入（P1.0/T2）和输入（P1.1/T2EX） ，参见表 3.1。 Flash 编程和程序校验期间，P1 接收低 8 位地址。 P2 口：P2 是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 的输出缓冲级可驱动 （吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对端口 P2 写“1” ，通过内部的上拉电阻把端口 拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外 部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。 在访问外部程序

29、存储器或 16 位地址的外部数据存储器（例如执行 MOVX DPTR 指 令）时，P2 口送出高 8 位地址数据。在访问 8 位地址的外部数据存储器（如执行 MOVX RI 指令）时，P2 口输出 P2 锁存器的内容。 Flash 编程或校验时，P2 亦接收高位地址和一些控制信号。 P3 口：P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口。P3 口输出缓冲级可驱动 （吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对 P3 口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉 高并可作为输入端口。此时，被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流（IIL） 。 10 3.2 温度传感器的选择及其电路设计

30、在实际的工作当中，温度检测的方法一般用热电偶、热敏电阻以及集成温 度传感器等测温元件。热点偶的工作原理：两种不同成份的导体（称为热电偶 丝材或热电极）两端接合成回路，当接合点的温度不同时，在回路中就会产生 电动势，这种现象称为热电效应，而这种电动势称为热电势。热电偶就是利用 这种原理进行温度测量的，其中，直接用作测量介质温度的一端叫做工作端 （也称为测量端） ，另一端叫做冷端（也称为补偿端） ；冷端与显示仪表或配套 仪表连接，显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。热敏电阻工作原理：热敏 电阻是对温度敏感的半导体元件，主要特征是随着外界环境温度的变化，其阻 值会相应发生较大改变。电阻值对温度的依赖

31、关系称为阻温特性。热敏电阻根 据温度系数分为两类：正温度系数热敏电阻和负温度系数热敏电阻。正温度系 数热敏电阻简称 PTC（是 Positive Temperature Coefficient 的缩写） ，超过一定 的温度(居里温度)时，它的电阻值随着温度的升高呈阶跃性的增高。其原理是 在陶瓷材料中引入微量稀土元素，如 La、Nb 等，可使其电阻率下降到 10 .cm 以下，成为良好的半导体陶瓷材料。这种材料具有很大的正电阻温度系数，在 居里温度以上几十度的温度范围内，其电阻率可增大 410 个数量级，即产生所 谓 PTC 效应。 热电偶和热敏电阻的测量精度都比较高，成本比较低，而且测量的范围

32、也 比较广，但是它容易收到测量场所及环境的限制，高温和长期使用时由于环境 的限制会使其性能下降，需要定期检查与更换，给实际应用带来很大不便。而 由 AD 公司生产的 AD590 温度传感器，具有线性好、精度高、灵敏度高、体积 小、使用方便、价格比较低，并具有长期稳定性等优点，因此得到广泛应用。 所以本设计采用了 AD 公司生产的 AD590 集成温度芯片。 3.2.1 温度传感器 AD590 简介 AD590 是美国模拟器件公司生产的单片集成两端感温电流源。集成温度传 感器实质上是一种半导体集成电路. 集成温度传感器具有线性好、精度适中、 灵敏度高、价格总体上较低、体积小、使用方便等优点，得到

33、广泛应用。集成 温度传感器的输出形式分以为电压输出和电流输出两种。电压输出型的灵敏度 一般为 10mV/K，温度 0时输出为 0，温度 25时输出 2.982V。电流输出型 的灵敏度一般为 1mA/KAD590 正是基于这些特点，工作时它就是利用晶体管的 b-e 结压降的不饱和值 VBE 与热力学温度 T 和通过发射极电流 I 的下述关系实 现对温度的检测：它的主要特性如下： 流过器件的电流（mA）等于器件所处环境的热力学温度（开尔文）度数， 即：式中： 流过器件（AD590）的电流，单位为 mA； T热力学温度，单位为 K。AD590 的测温范围-55+150。 AD590 的电源电压范围为

34、 4V30V。电源电压可在 4V6V 范围变化， 11 电流 变化 1mA，相当于温度变化 1K AD590 可以承受 44V 正向电压和 20V 反向电压，因而器件反接也不会 被损坏。 输出电阻为 710MW。精度高。 AD590 共有 I、J、K、L、M 五档，其中 M 档精度最高，在- 55+150范围内，非线性误差为0.3。 3.2.2 温度测量电路 1基本应用电路 AD590 封装图简介 图 3. 3 AD590 封装图 AD590 基本使用方法如下： 图 3. 4 AD590 基本电路图 AD590 的输出电流值说明如下： 其输出电流是以绝对温度零度（-273）为基准，每增加 1，

35、它会增加 1A 输出电流，因此在室温 25时，其输出电流 Iout=（273+25） 12 =298A。AD590 产生的电流与绝对温度成正比，它可接收的工作电压为 4V30V，检测的温度范围为55150，它有非常好的线性输出性能， 温度每增加 1，其电流增加 1uA。 利用 AD590 温度传感器完成温度的测量，把转换的温度值的模拟量送入 ADC0809 的其中一个通道进行 A/D 转换，将转换的结果进行温度值变换之后送 入数码管显示 2温度测量电路 要想克服简单电路的缺陷，就要使得增益调整和补偿调整相互独立。本设 计用了具有独立调节功能的测温电路。AD590 的输出电流 I=(273+T)

36、uA(T 为摄 氏温度)，因此测得的电压为 U=(273+T)uAx10K=(273+T)x0.01V. 但由于 AD590 的增益有偏差，电阻也有误差，因此应对电路进行调整。调整方法为：把 AD590 放入冰水混合物中，调整电位器 R1，是输出电压 U=2.732V；或在室温 条件下通过调节电位器 R2，使输出电压 U=-2.73V，调整电位器 R3，使 U=1.25V。这样，可以保证电路有较高的精度。 温度测量电路图： 5K 20K 1K 25K 5K 10K 50K IN0 A2 LM358 12V A1 LF353 15V AD590 R19 0.01uF CAP 0.01uF CAP

37、 D3 DIODE SCHOTTKY 15v 15V 15V C13 0.1uF R17 R18 R19 R20 R21 R22 R23 D10 15V 5V C13 C14 图 3.5 温度测量电路 3.2.3 A/D 转换器 ADC0809 简介 单片机接受的是数字信号，而传感器经测量电路输出的是模拟电压信号， 因此就需要把模拟信号转换为数字信号的元件 A/D 转换器。 13 图 3.6 ADC0809 芯片图 1. ADC0809 内部电路组成及转换原理 ADC0809 是采样频率为 8 位的、以逐次逼近原理进行模数转换的器件。 其内部有一个 8 通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后

38、的信号，只选通 8 路模拟输入信号中的一个进行 A/D 转换。 主要特性 （1）8 路 8 位 AD 转换器，即分辨率 8 位。 （2）具有转换起停控制端。 （3）转换时间为 100s （4）单个5V 电源供电 （5）模拟输入电压范围 05V，不需零点和满刻度校准。 （6）工作温度范围为-4085 摄氏度 （7）低功耗，约 15mW。 内部结构 ADC0809 是 CMOS 单片型逐次逼近式 AD 转换器，它由 8 路模拟开关、 地址锁存与译码器、比较器、8 位开关树型 DA 转换器、逐次逼近 外部特性（引脚功能） ADC0809 芯片有 28 条引脚，采用双列直插式封装。下面说明各引脚功能。

39、 IN0IN7：8 路模拟量输入端。 2-12-8：8 位数字量输出端。 ADDA、ADDB、ADDC：3 位地址输入线，用于选通 8 路模拟输入中的一 路 ALE：地址锁存允许信号，输入，高电平有效。 START： AD 转换启动信号，输入，高电平有效。 EOC： AD 转换结束信号，输出，当 AD 转换结束时，此端输出一个 高电平（转换期间一直为低电平） 。 OE：数据输出允许信号，输入，高电平有效。当 AD 转换结束时，此端 输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。 CLK：时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于 640KHZ。 REF（+） 、REF（-）：基准电压。 Vcc：电源

40、，单一5V。 14 GND：地。 ADC0809 的工作过程是：首先输入 3 位地址，并使 ALE=1，将地址存入 地址锁存器中。此地址经译码选通 8 路模拟输入之一到比较器。START 上升沿 将逐次逼近寄存器复位。下降沿启动 AD 转换，之后 EOC 输出信号变低， 指示转换正在进行。直到 AD 转换完成，EOC 变为高电平，指示 AD 转换 结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当 OE 输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。 2 ADC0809 的技术指标 功耗为 15MW 单一电源，+5V 供电。 分辨率为 8 最大不可调误差： ADC080

41、91/2LSB ADC08091LSB 转换速度取决于芯片的时钟频率。 3.2.4 分频器 CD4043 在此系统中 ADC0809 只接两路模拟信号，一个是湿度电压信号，另一个 是 CO2浓度电压信号。为了使 ADC0809 的 CLK 引脚接上 500KHZ 脉冲，从单 片机 ALE/P 引脚（2MHZ）出来接上一个四分频计数器 CD4013 得到 500KHZ 脉冲，如图 3.7 所示 Q 端接至 CLK。 图 3.7 CD4013 电路图 3.3 湿度传感器的选择及其电路设计 由于应用领域的不同，对湿度传感器的技术要求也不尽相同。在常规的环 境参数中，湿度是最难准确测量的一个参数。用干

42、湿球湿度计或毛发湿度计来 测量湿度的方法，早已无法满足现代科技发展的需要。这是因为测量湿度要比 测量温度复杂的多，温度是个独立的被测量，而湿度却受其他因素（大气压强、 温度）的影响。此外，湿度的标准也是一个难题。国外生产的湿度标定设备价 格十分昂贵。 近年来，国内外在湿度传感器研发领域取得了长足进步。湿敏传感器正从 15 简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一 代湿度/温度测控系统创造了有利条件，也将湿度测量技术提高到新的水平。 目前，国内市场上出现了不少国内外湿度传感器产品，电容式湿敏元件较 为多见。本设计选用了电容式传感器 HS1101。 3.3. 1 湿度传

43、感器 HS1101 简介 温度检测采用 HS1101 型温度传感器，HS1101 是 HUMIREL 公司生产的变 容式相对湿度传感器，采用独特的工艺设计。 HS1101 测量湿度采用将 HS1101 置于 555 振荡电路中，将电容值的变化砖 换成电压频率信号，可以直接被微处理器采集。 湿度传感器 HS1101 特点： 基于独特工艺设计的电容元件，这些相对湿度传感器可以大批量生产。可 以应用于办公自动化，车厢内空气质量控制，家电，工业控制系统等。在需要 湿度补偿的场合他也可以得到很大的应用。 快速反应时间 专利的固态聚合物结构 长时间饱和下快速脱湿 高可靠性与长时间稳定性 全互换性 在标准环

44、境下不需校正 可用于线性电压或频率输出回炉 可以自动化焊接，包括波峰焊或水浸 3.3.2 湿度测量电路 HS1101 测量湿度采用将 HS1101 置于 555 振荡电路中，将电容值的变化砖 换成电压频率信号，可以直接被微处理器采集。 16 图 3.8 湿度测量电路 555 芯片外接电阻 R57，R58 与 HS1101，构成对 HS1101 的充电回路。7 端通过芯片内部的晶体管对地短路实现对 HS1101 的放电回路，并将引脚 2，6 端相连引入到片内比较器，构成一个多谐波振荡器，其中，R57 相对于 R58 必 须非常的小，但决不能低于一个最小值。R51 是防止短路的保护电阻。 HS11

45、01 作为一个变化的电容器，连接 2 和 6 引脚。引脚作为 R57 的短路 引脚。HS1101 的等效电容通过 R57 和 R58 充电达到上限电压（近似于 0.67 VCC，时间记为 T1） ，这时 555 的引脚 3 由高电平变为低电平，然后通过 R58 开始放电，由于 R57 被 7 引脚内部短路接地，所以只放电到触发界线（近 似于 0.33 VCC，时间记为 T2） ，这时 555 芯片的引脚 3 变为高电平。通过不同 的两个电阻 R19，R20 进行传感器的不停充放电，产生方波输出。充电、放电 时间分别为 （3-1） （3-2） 输出波形的频率和占空比的计计算公式如下： (3-3)

46、 17 (3-4) 由此可以看出，空气相对湿度与 555 芯片输出频率存在一定线性关系。表 2 给出了典型频率湿度关系（相对湿度：55%，输出频率：6.208kHz） 。可以通 过微处理器采集 555 芯片的频率，然后查表即可得出相对湿度值。为了更好提 高测量精度，将采用下位机负责采集频率，将频率值送入上位机进行分段处理。 我们很容易得到电容值和湿度的关系为： RH=(Cx-163)/0.39 （3-5） 根据上式，我们很容易求的相应的湿度值。 3.4 二氧化碳浓度的采集及电路 3.4.1 二氧化碳浓度传感器 TGS4160 的简介 本课题所选用的二氧化碳传感器是 FIGARO(弗加罗)公司生

47、产的固态电化 学型气体敏感元件 TGS4160。这种二氧化碳传感器除具有体积小、寿命长、选 择性和稳定性好等特点外，同时还具有耐高湿低温的特性，可广泛用于自动通 风换气系统或是 CO2气体的长期监测等应用场合。但是，由于 TGS4160 的预热 时间较长(一般为 2 小时)，所以，该器件比较适合于在室温下长时间通电连续 工作。此外，为了方便客户使用，外 FIGARO 公司还专门设计了带温度补偿的 传感器处理模块 AM4。该模块采用微处理器进行控制，CO2气体浓度的输出 信号电平为 0.03.0V，相当于 0-3000ppm 的浓度，并有中继转接控制口，可输 出高、低两种门限信号以供外接控制使用

48、。 TGS4160 传感器的主要技术参数如下： 测量范围：05000ppm； 使用寿命：2000 天； 加热器电压：5.00.2 VDC； 加热器电流：250mA； 加热器功耗：1.25W； 内部热敏电阻（补偿用）：100K5； 使用温度：1050； 使用湿度595RH； 产品尺寸：最大外径 24mm，高 24mm，引脚长 5.8mm。 TGS4160 二氧化碳传感器是一种内含热敏电阻的混合式 CO2敏感元件。该 18 元件在两个电极之间充有阳离子固体电解质。它的阴极由锂碳酸盐和镀金材料 制成，而阳极只是镀金材料。该敏感元件的基衬是用对苯二酯聚乙烯和玻璃纤 维加固，然后采用不锈钢网做圆柱型封装

49、。元件的内层采用 100 目双层不锈钢 网套在镀镍铜环上，并用高强度树脂粘合剂与基衬固定在一起。其外层顶盖上 又罩上了一层 60 目的不锈钢网。为了达到降低干扰气体影响的目的，TGS4160 在内外两层不锈钢网之间还填充有吸附材料（沸石） 。传感器的 6 个引脚通过 0.1mm 的箔导线与内部相连。其等效的内部结构见图 3.9 所示。图中，阳极与 传感器的第 3 脚 S（）相连，阴极与传感器的第 4 脚 S（）相连，加 热器与传感器的第 1，6 脚相连，内部热敏电阻与传感器的第 2，5 脚相连。内 部热敏电阻的作用是通过该电阻探测环境温度，以便对该传感器进行温度补偿， 从而使校正后的测量值更加准确。 图 3.8 TGS4160 等效内部结构 图 3.9 TGS4160 内部结构图 3.5 单片机外围控制电路设计 在本系统中单片机的外围电路较多，可分为以下几部分：看门狗电路、系 统电源、温湿度及 CO2浓度