基于單片機的土壤溫濕度檢測計設計設計

1、西華大學電氣信息學院智能化測控應用系統(tǒng)設計報告 目 錄1 緒論11.1選題背景及意義11.2設計任務與要求12 總體方案設計23單元模塊設計53.1各單元模塊功能介紹及電路設計53.1.1時鐘模塊簡介53.1.2 復位模塊簡介63.1.3 報警模塊簡介63.1.4 顯示模塊簡介73.2特殊器件的介紹83.3.1 土壤濕度傳感器簡介83.3.2 51系列單片機簡介93.3.3 LCD1602簡介93.3.4 蜂鳴器簡介133.3各單元模塊的聯(lián)接134軟件設計144.1軟件設計原理144.2軟件設計所用工具144.3系統(tǒng)軟件流程框圖155系統(tǒng)調(diào)試165.1 硬件調(diào)試165.2 軟件調(diào)試166系統(tǒng)功

2、能及結論176.1系統(tǒng)功能功能實現(xiàn)情況176.2設計中遇到的問題及解決176.3后期展望187總結與體會198參考文獻20附錄1：相關設計圖21附錄2：元器件清單表23附錄3：相關設計軟件241 1 緒論1.1選題背景及意義在中國廣大面積的農(nóng)村，沒有發(fā)達的工商業(yè)，有的只是大量閑置的田地。如果利用這些閑置的田地，種植美麗的花卉、樹苗，能給當?shù)貛硪还P可觀的收入。而這些花卉及樹苗的種植對土壤濕度有著極高的要求。在植物的成長過程中，土壤的濕度起著一個很重要的作用，并且不同的植物，對土壤的濕度需求是不同的。土壤濕度可以直接影響營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和植物的生長發(fā)育，同時還影響土壤中各種養(yǎng)分的有效性。當土壤濕度

3、不適當時，不僅嚴重影響其正常生長，甚至會導致種植品死亡，造成種植戶的嚴重經(jīng)濟損失。為此，從事該類農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的種植戶非常需要一種成本低、體積小且檢測可靠的土壤濕度檢測儀，為水分供應提供依據(jù)。土壤濕度是作物生長發(fā)育的基本條件和作物產(chǎn)量預報的重要參數(shù)。同時,它也是水文學、氣象學等科學研究領域的重要環(huán)境因子和過程參數(shù),獲取土壤濕度信息以制定人工干預調(diào)節(jié)措施是穩(wěn)固生產(chǎn)的重要保證, 對于土壤濕度的研究也具有重要意義。實時、有效地監(jiān)測土壤墑情顯得尤為重要。1.2國內(nèi)外發(fā)展狀況 目前，在低溫條件下(通常指100以下)，濕度的測量已經(jīng)相對成熟。利用新型單總線式數(shù)字濕度傳感器實現(xiàn)對濕度的測試與控制得到更快的開發(fā)。但

4、人們對它的要求越來越高，要為現(xiàn)代人工作、科研、學習、生活提供更好的更方便的設施就需要從數(shù)字單片機技術入手，設計一種造價低廉、使用方便且測量準確的溫濕度測量儀，使一切向著數(shù)字化，智能化控制方向發(fā)展。濕度測量被廣泛的應用于農(nóng)業(yè)研究、食品、醫(yī)藥、化工、氣象、環(huán)保、電子、實驗室等眾多領域。目前，隨著工業(yè)控制自動化進程的加快，它的運用越來越普遍，并且在不斷的延伸。在日常的生產(chǎn)生活中，經(jīng)常需要檢測環(huán)境中的濕度，而運用到工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領域則要求更為嚴格。隨著科技的發(fā)展，環(huán)境監(jiān)測在農(nóng)業(yè)領域的應用越來越廣泛，例如要確定某些幼苗的生長特性與溫度、濕度有什么樣的關系等。這些都需要利用溫濕度的實時記錄才能實現(xiàn)。繼而濕度測

5、量儀被廣泛應用于糧倉、種植園、溫室大棚、自動控制等眾多領域?？梢詫Νh(huán)境的濕度進行檢測和控制,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、濕度調(diào)節(jié)以及超限報警等各項功能。溫濕度傳感器除電阻式、電容式濕敏元件之外，還有電解質(zhì)離子型濕敏元件、重量型濕敏元件（利用感濕膜重量的變化來改變振蕩頻率）、光強型濕敏元件、聲表面波濕敏元件等。濕敏元件的線性度及抗污染性差，在檢測環(huán)境濕度時，濕敏元件要長期暴露在待測環(huán)境中，很容易被污染而影響其測量精度及長期穩(wěn)定性。1.3設計的主要內(nèi)容 本文設計的是基于單片機STC89C52的溫濕度檢測系統(tǒng)，主要以廣泛應用的土壤濕度傳感器YL-69作為溫度和濕度的檢測，該儀器具有測量精度較高、硬件電路簡單、并

6、能很好的進行顯示，可測試不同土壤環(huán)境濕度的特點。單片機是系統(tǒng)的控制核心，所以單片機的性能關系到整個系統(tǒng)的好壞。因此單片機的選擇，對所設計系統(tǒng)的實現(xiàn)以及功能的擴展有著很大的影響。本次設計是以STC89C52單片機為核心，配合土壤濕度傳感器YL-69，以及相關的外圍電路組成的簡易濕度檢測系統(tǒng)，通過終端傳感器檢測環(huán)境中的濕度的變化，可以接收所測土壤環(huán)境的濕度信號，并對采集到的數(shù)據(jù)進行處理和傳輸，檢測人員可以通過1602液晶顯示器顯示的數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控環(huán)境的濕度數(shù)據(jù)。傳感器得到的土壤濕度信號，經(jīng)電路轉(zhuǎn)換為電信號，通過轉(zhuǎn)換送到單片機進行數(shù)據(jù)處理，然后送到顯示部分進行顯示。本文給出了系統(tǒng)硬件電路的設計和軟件

7、程序的設計，實現(xiàn)了土壤濕度的實時自動檢測的功能。實踐證明該溫濕度測量儀具有測量精度高、通用性強等特點，具有一定的實用價值。系統(tǒng)主要由STC89C52單片機、土壤濕度傳感器YL-69、LCD1602和其他外圍電路組成，實現(xiàn)的基本功能和要求如下:（1）用STC89C52單片機通過編程來控制土壤濕度正常與否的顯示；（2）通過調(diào)節(jié)模塊中藍色的電位器的大小來控制濕度控制范圍；（3）超出設計范圍時蜂鳴報警；（4）畫出相關設計圖，能做出實物，寫出設計和和總結報告2 總體方案設計要求單片機系統(tǒng)應具有可靠性高、操作維護方便、性價比高等特點。高可靠性是單片機系統(tǒng)應用的前提，在系統(tǒng)設計的每一個環(huán)節(jié)，都應該將可靠性作

8、為首要的設計準則。提高系統(tǒng)的可靠性通常從以下幾個方面考慮：使用可靠性高的元器件；設計電路板時布線和接地要合理；對供電電源采用抗干擾措施；輸入輸出通道抗干擾措施；進行軟硬件濾波；系統(tǒng)自診判斷功能等。在系統(tǒng)的軟硬件設計時，應從操作者的角度考慮操作和維護方便，要盡可能減少人機交換接口，多采用操作內(nèi)置或簡化的方法。單片機除體積小、功耗低等特點外，最大的優(yōu)勢在于高性能價格比。一個單片機應用系統(tǒng)能否被廣泛使用，性價比是其中一個關鍵因素。因此，再設計時，除了保持高性能外，盡可能降低成本，如簡化外圍硬件電路，在系統(tǒng)性能和速度允許的情況下盡可能使用軟件功能取代硬件功能等。 方案一：可利用濕度傳感器采樣土壤中的濕

9、度信號，以提供給顯示電路部分，關于濕度含量可采用ADC的方法將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后再用譯碼器將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號提給顯示電路實現(xiàn)顯示，ADC轉(zhuǎn)換電路所需脈沖由555構成的多諧振蕩器來提供。 數(shù)碼顯示譯碼器濕度采集A/D轉(zhuǎn)換 圖2.1 方案一流程圖方案二: 在本次設計中，以51單片機為主控芯片，各部分功能用外部電路來完成，主要包括時鐘晶振電路，濕度測量電路，液晶顯示模塊，報警模塊，按鍵模塊，系統(tǒng)結構框圖如下圖所示。STC89C52單片機時 鐘 模 塊LCD1602顯示模塊濕度采集模塊復 位 模 塊報警模塊圖2.2 方案二流程圖最終方案選擇：在以上兩種方案中，方案一中的譯碼器74HC4511

10、存在消隱狀態(tài)，即當ADC轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)超過1001時，對于10101111六個代碼，譯碼器輸出均為低電平，顯示器不能正常顯示出每一單位下的濕度值。所以該方案的精確度不及方案二，而且方案二中單片機除體積小、功耗低等特點外，最大的優(yōu)勢在于高性能價格比。單片機控制速度遠遠快于方案一，這種方法的工作速率較高，而且精度較高。，再設計時，除了保持高性能外，簡化外圍硬件電路，在系統(tǒng)性能和速度允許的情況下能使用軟件功能取代硬件功能等。所以最終選擇方案二作為本次畢業(yè)設計的制作方案。3單元模塊設計本次設計采用單片機最小系統(tǒng)，所謂單片機的最小系統(tǒng)是指使單片機能運行程序、正常工作的最簡單電路系統(tǒng)，是保證單片正常啟動、開

11、始工作的必須電路，缺一不可。單片機最小系統(tǒng)一般由單片機、程序存儲器、時鐘電路和復位電路組成。對于51單片機，由于片內(nèi)有4K的程序存儲器，所以其最小系統(tǒng)除了單片機本身外，只需外接時鐘電路與復位電路即可。在單片機構成的系統(tǒng)中，土壤濕度傳感器YL-69首先將濕度信號轉(zhuǎn)換成高低數(shù)字電平信號，單片機對送入的數(shù)字量信號進行處理后，通過LCD顯示測量的溫濕度值。在本次設計中，以STC89C52單片機為主控芯片，各部分功能用外部電路來完成，主要包括時鐘晶振電路，濕度測量電路，液晶顯示模塊，報警模塊，按鍵模塊等。3.1各單元模塊功能介紹及電路設計 3.1.1 時鐘模塊簡介 圖3.1.1.1 內(nèi)部時鐘電路 單片機

12、的時鐘電路用于生產(chǎn)單片機工作所需要的時鐘信號，而時序所研究的是指令執(zhí)行中各 地址信號之間的相互關系。單片機本身就如一個復雜的同步時序電路，為了保證同步工 作方式的實現(xiàn)，電路應在唯一的時鐘信號控制下嚴格地按時序進行工作。C51系列單片機各功能部件的運行都已時鐘信號為基準，有條不紊、的工作。因此，時鐘頻率直接影響單片機的速度，時鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本次設計采用的是內(nèi)部時鐘方式。51單片機內(nèi)部有一個用以構成振蕩器的高增益反相放大器，它的輸入端為芯片引腳XTAL1，輸出端引腳XTAL2。這兩個引腳跨界石英晶體和微調(diào)電容，構成一個穩(wěn)定的自激振蕩器。石英晶體和電容應盡可能安裝得與單片

13、機芯片靠近，以減少寄生電容，更好的保證振蕩器穩(wěn)定、可靠的工作。為了提高溫度穩(wěn)定性，應采用溫度穩(wěn)定性較好的電容。3.1.2 復位模塊簡介 圖3.1.2.1 按鍵電平復位電路 單片機的復位電路是使 CPU 和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。無論是單片機剛開始接上電源時，還是斷電后或者發(fā)生故障后都要復位，單片機復位的條件是：必須使 RES/Vpd 或者 RST 引腳（9 腳）加上持續(xù)兩個周期以上的高電平。復位電路有上電自動復位和按鈕復位兩種方式，本設計采用的是按鍵手動復位，按鍵手動電平復位是通過RST端經(jīng)電阻與電源Vcc接通來實現(xiàn)，具體電路如圖3.1.2.2所示。

14、3.1.3 報警模塊簡介 圖3.1.3.1 蜂鳴器報警電路報警電路采用蜂鳴器報警電路，蜂鳴器與家用電氣上的喇叭在用法上也有相似的地方，通常工作電流比較大，電路上的TTL點評基本上驅(qū)動不了蜂鳴器，需要增加一個電流放大的電路才可以，即此一個管腳很難驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出聲音,所以增加了一個三極管來增加通過蜂鳴器的電流。 蜂鳴器的正極性的一端聯(lián)接到5V電源上面，另一端接到三極管的集電極，三極管的基極由單片機的一個管腳通過一個與門來控制，當管腳為低時，與非門輸出高電平，三極管導通，這樣蜂鳴器的電流形成回路，發(fā)出聲音。當管腳為高時，與非門輸出低電平，三極管截至，蜂鳴器不發(fā)出聲音。其電路如圖3.1.3.

15、1所示。3.1.4 顯示模塊簡介圖3.1.4.1 LCD1602顯示電路液晶顯示模塊已作為很多電子產(chǎn)品的通過器件，如在計算器、萬用表、電子表及很多家用電子產(chǎn)品中都可以看到，顯示的主要是數(shù)字、專用符號和圖形。用LCD顯示一個字符時比較復雜，因為一個字符由6×8或8×8點陣組成，既要找到和顯示屏幕上某幾個位置對應的顯示RAM區(qū)的8字節(jié)，還要使每字節(jié)的不同位為“1”，其它的為“0”，為“1”的點亮，為“0”的不亮。這樣一來就組成某個字符。但由于內(nèi)帶字符發(fā)生器的控制器來說，顯示字符就比較簡單了，可以讓控制器工作在文本方式，根據(jù)在LCD上開始顯示的行列號及每行的列數(shù)找出顯示RAM對應

16、的地址，設立光標，在此送上該字符對應的代碼即可。該部分電路功能主要將主機處理后的數(shù)據(jù)顯示出來，該模塊與單片機連接簡單，只需一個8位I/O接口與液晶模塊的8位數(shù)據(jù)段相連、再用三位控制口分別與液晶模塊的RS、R/W、E相連接。在本系統(tǒng)中，為了布線簡單及驅(qū)動能力更強，我們用單片機的P0口接8位數(shù)據(jù)，用P2.0、P2.1、P2.2分別于RS、R/W、E相連。由于P0口內(nèi)沒有上拉電阻，需在P0口與液晶模塊之間加了1K歐姆的排阻，從機部分電路上圖如圖所示。3.2特殊器件的介紹3.2.1土壤濕度傳感器簡介傳感器是能響應規(guī)定的被測物理量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成為可用信號輸出的器 件或裝置。它通常由直接響應于被

17、測物理量的敏感元件和產(chǎn)生可用信號輸出的轉(zhuǎn)換元件 及相應的電子電路組成。 傳感器的分類： 按構成分可分為基本型傳感器、組合型傳感器和應用型傳感器； 按機理可分為結構型傳感器，物理性傳感器、混合型傳感器和生物型傳感器； 按作用形式可分為主動型傳感器和被動傳感器； 按變換工作能量的供給形式可分為能量變換型傳感器和能量控制型轉(zhuǎn)換器； 按輸出信號形式分為溫度、壓力、濕度、流量、流速、磁場和光通量等傳感器。 濕度的采集可以用濕度傳感器來實現(xiàn)。將濕度傳感器看作可調(diào)變阻器，當濕度傳感 器采集到濕度時，電阻值發(fā)生變化，濕度最小時的電阻值為 10K，濕度最大時為 0.1。 變化的幅度是根據(jù)濕度傳感器采集到的濕度大

18、小而定。隨著電阻值的變化，電路的輸出電壓也跟著變化。調(diào)節(jié)電阻值的大小，可得到想要的電壓，滿足電路的需求。此次設計采用的是土壤濕度傳感器YL-69圖3.2.1.1 土壤濕度傳感器原理圖土壤濕度傳感器特性：（1）土壤濕度傳感器YL-69，表面采用鍍鎳處理，有加寬的感應面積，可以提高導電性能 ，防止接觸土壤容易生銹的問題，延長使用壽命； （2）可以寬范圍控制土壤的濕度，通過電位器調(diào)節(jié)控制相應閥值，濕度低于設定值時，DO輸出高電平；高于設定值時，DO輸出低電平； （3）采用三線制，界限簡單，只需把VCC外接3.3V-5V電壓，GND外接數(shù)字地，DO“小板數(shù)字量輸出接口（0和1）”接到單片機即可；（4）

19、比較器采用LM393芯片，工作穩(wěn)定， （5）設有固定螺栓孔，方便安裝值得說明的是：此傳感器適用于土壤的濕度檢測；模塊中藍色的電位器是用于土壤濕度的閥值調(diào)節(jié)，順時針調(diào)節(jié)，控制的濕度會越大，逆時針越??；數(shù)字量輸出D0可以與單片機直接相連，通過單片機來檢測高低電平，由此來檢測土壤濕度；3.2.2、51系列單片機簡介所謂單片機，通俗來講，就是把中央處理器 CPU、 存儲器、定時器、I/O 接口電路等一些計算機的主要功能部件集成在一塊集成電路芯片上 的微型計算機。單片機特別適合控制領域，故又稱為微控制器 MCU，單片機只要和適當?shù)能浖巴獠吭O備相結合，便可成為一個單片機控制系統(tǒng)。STC89C5X單片機是

20、51系列單片機的衍生品種，采用40個引腳的雙列直插封裝（DIP）方式，其引腳排列如下圖所示。 圖3.2.2.1 51單片機DIP封裝方式的引腳排列圖40個引腳按其功能可分為如下3類：（1） 電源及時鐘引腳Vcc、Vss；XTAL1、XTAL2。（2） 控制引腳PSEN、ALE/PROG、EA/Vpp、RST。（3） I/O口引腳P0、P1、P2、P3，為4個8位I/O口的外部引腳。1、電源及時鐘引腳 Vss： 接數(shù)字地。 Vcc ：正常操作時為+5 V電源。 XTAL1 內(nèi)部振蕩電路反相放大器的輸入端，是外接晶體的一個引腳。當采用外部 振蕩器時，此引腳接地。 XTAL2： 內(nèi)部振蕩電路反相放大

21、器的輸出端。是外接晶體的另一端。當采用外部振蕩器時，此引腳接外部振蕩源。 2、控制引腳RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳

22、被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 EA /Vpp：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。3、并行I/O口引腳8051單片機設有4個雙向I/O口（P0、P1、P2、P3），每一組I/O口線都可以獨立

23、地用作輸入或輸出口。 P0 口（P0.0 - P0.7）：是一個 8 位漏極開路型雙向 I/O 口，在訪問外部存儲器 時，它是分時傳送的低字節(jié)地址和數(shù)據(jù)總線，P0 口能以吸收電流的方式驅(qū)動八個 LSTTL 負載。實際應用中常作為分時使用的地址/數(shù)據(jù)總線口，對外部程序或數(shù)據(jù)存儲器尋址時低8位地址與數(shù)據(jù)總線分時使用P0口：先送低8位地址信號到P0口，由地址鎖存信號ALE的下降沿將地址信號鎖存到地址鎖存器后，再作為數(shù)據(jù)總線的口線對數(shù)據(jù)進行輸入或輸出。 P1 口（P1.0 - P1.7）：是一個帶有內(nèi)部提升電阻的 8 位準雙向 I/O 口。能驅(qū)動(吸 收或輸出電流)四個 LSTTL 負載。用作輸入線時

24、，口鎖存器必須由單片機先寫入“1”，每一位都可編程為輸入或輸出線。 P2 口（P2.0 - P2.7）：是一個帶有內(nèi)部提升電阻的 8 位準雙向 I/O 口，在訪問外部存儲器時，它輸出高 8 位地址，與P0口一起組成16位地址總線，用于對外部存儲器的接口電路進行尋址。P2 口可以驅(qū)動(吸收或輸出電流)四個 LSTTL 負載。 P3 口（P3.0 - P3.7）：是一個帶有內(nèi)部提升電阻的 8 位準雙向 I/O 口。能驅(qū)動(吸 收或輸出電流)四個 LSTTL 負載。作為第一功能使用時，與P1口一樣；作為第二功能使用時，每一位都有特定用途，其特殊用途如表所示： 表3.2.2.1 P3口的第二功能端口引

25、腳第二功能注 釋P3.0RXD串行口數(shù)據(jù)接收端P3.1TXD串行口數(shù)據(jù)發(fā)送端P3.2/INT0外中斷請求0P3.3/INT1外中斷請求1P3.4T0定時/計數(shù)器0外部計數(shù)信號輸入P3.5T1定時/計數(shù)器1外部計數(shù)信號輸入P3.6/WR外部RAM寫選通信號輸出P3.7/RD外部RAM讀選通信號輸出3.3.3 LCD1602簡介液晶顯示器是一種被動的顯示器，及液晶本身不發(fā)光，而是利用液晶經(jīng)過處理后能改變光線通過方向的特性，從而達到白底黑字或黑底白字顯示的目的。液晶顯示器具有厚度薄、省電、抗干擾能力強、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動、易于實現(xiàn)全彩色顯示的特點，目前已經(jīng)被廣泛應用在智能儀器儀表和單片機測

26、控系統(tǒng)中、便攜式電腦、數(shù)字攝像機、PDA移動通信工具等眾多領域。 當前市場上液晶顯示器種類繁多，按排列形狀可分為字段型、點陣字符型和點陣圖形型。除了黑白顯示外，液晶顯示器還有多灰度有彩色顯示等。如果根據(jù)驅(qū)動方式來分，可以分為靜態(tài)驅(qū)動（Static）、單純矩陣驅(qū)動（Simple Matrix）和主動矩陣驅(qū)動（Active Matrix）三種。 單片機應用中，常用點陣字符型LCD顯示器。要有相應的LCD控制器、驅(qū)動器來對LCD顯示器進行掃描、驅(qū)動，還要RAM和ROM來存儲單片機寫入的命令和顯示字符的點陣。由于LCD的面板較為脆弱，制造商已將LCD控制器、驅(qū)動

27、器、RAM、ROM和LCD顯示器用PCB連接到一起，稱為液晶顯示模塊（LCd Module，LCM）。只需購買現(xiàn)成的液晶顯示模塊即可。單片機控制LCM時，只要向LCM送入相應的命令和數(shù)據(jù)就可顯示需要的內(nèi)容。本設計選用的是常見的點陣型液晶顯示模塊：1602字符型LCM（兩行，每行16個字符）。下圖所示為字符型LCD模塊的電路框圖，它由日立公司生產(chǎn)的控制器HD44780、驅(qū)動器HD44100及幾個電阻和電容組成。HD44100是擴展顯示字符位用的（例如，16字符´1行模塊就可不用HD44100，16字符´2行模塊就要用一片HD44100）圖3.3.3.1 字符型LCD模塊的電路

28、框圖（3）1602字符型LCM的特性 內(nèi)部具有字符發(fā)生器ROM（CGROM）,即字符庫。可顯示192個5´7點陣字符。由字符庫可看出LCM顯示的數(shù)字和字母部分的代碼值，恰好與ASCII碼表中的數(shù)字和字母相同。所以在顯示數(shù)字和字母時，只需向LCM送入對應的ASCII碼即可。模塊內(nèi)有64字節(jié)的自定義字符RAM(CGRAM),用戶可自行定義8個5´7點陣字符。 模塊內(nèi)有80字節(jié)的數(shù)據(jù)顯示存儲器（DDRAM）。引腳功能說明： 表3.3.3.1 液晶顯示模塊的部分引腳接口說明如下：（1）液晶1,2端為電源；15,16為背光電源；為防止直接加5V電壓燒壞背光燈，在15腳串接一

29、個10歐姆電阻用于限流。 （2）液晶3端為液晶對比度調(diào)節(jié)端，通過一個10k歐姆電位器接地來調(diào)節(jié)液晶顯示對比度。首次使用時，在液晶上電狀態(tài)下，調(diào)節(jié)至液晶上面一行顯示出黑色小格為止。 （3）液晶4端為向液晶控制器寫數(shù)據(jù)/寫命令選擇端，接單片機P2.0口。 （4）液晶5端為讀/寫選擇端，接單片機P2.1口。 （5）液晶6端為使能信號，是操作時必須的信號，接單片機的P2.2口。LCD1602基本操作時序（1）讀狀態(tài) 輸入：RS=L,R/W=H,E=H 輸出：D0D7=狀態(tài)字（2）讀數(shù)據(jù) 輸入：RS=H,R/W=H,E=H 輸出：無（3）寫指令 輸入：RS=L,R/W=L,D0D7=指令碼,E=高脈沖

30、輸出：D0D7=數(shù)據(jù)（4）寫數(shù)據(jù) 輸入：RS=H,R/W=L,D0D7=數(shù)據(jù),E=高脈沖 輸出：無3.3.4 蜂鳴器簡介蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應用于計算機、各種各樣的電子設備儀器中，用作發(fā)聲器件，它主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。其結構原理如下所訴。 1壓電式蜂鳴器 壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。有的壓電式蜂鳴器外殼上還裝有發(fā)光二極管。多諧振蕩器由晶體管或集成電路構成。當接通電源后（1.515V直流工作電壓）,多諧振蕩器起振,輸出1.52.5kHZ的音頻信號，阻抗匹配器推動壓電蜂鳴片

31、發(fā)聲。壓電蜂鳴片由鋯鈦酸鉛或鈮鎂酸鉛壓電陶瓷材料制成。在陶瓷片的兩面鍍上銀電極，經(jīng)極化和老化處理后，再與黃銅片或不銹鋼片粘在一起。  2電磁式蜂鳴器 電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場。振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性地振動發(fā)聲。3.3各單元模塊的聯(lián)接見附錄1 相關設計圖 4軟件設計4.1軟件設計原理本系統(tǒng)軟件設計采用結構化和模塊化設計方法，便于功能擴展，本系統(tǒng)的軟件設計采用C語言編寫。濕度傳感器將當前的濕度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成二進制值通過三線制接口傳送給單片機，單片機

32、將采樣芯片送來的數(shù)據(jù)進行補償算法獲得精確實際采樣值。然后根據(jù)需要將其送到液晶顯示器顯示。   系統(tǒng)上電以后，初始化，讀取存在濕度上下限報警值。進入主循環(huán)程序首先對按鍵是否觸發(fā)進行判斷，如有按鍵觸發(fā)則進入設置上限報警值界面設置相應的上限報警值；而后訪問濕度采樣芯片獲取濕度采樣二進制值經(jīng)補償處理轉(zhuǎn)換成精確數(shù)據(jù)，接著判斷當前濕度值是否超限，若濕度超限，則驅(qū)動蜂鳴器報警，直到環(huán)境的濕度都下降到報警值以下則停止報警。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)廣泛的應用于工業(yè)過程控制中，生產(chǎn)工作現(xiàn)場常彌布著各種干擾信號。這樣，由于干擾的作用會在被測電流或電壓上疊加上干擾信號(即噪聲)。而由傳感

33、器輸出的信號一般比較微弱，所以干擾信號的作用會顯得突出，稱為數(shù)據(jù)采集的主要障礙.因此，采取適當?shù)目垢蓴_措施是必要的。如在電源、地線、去耦電路、硬件設計上采用了單片機上電復位電路，而在軟件設計中則加入采用抗干擾措施。4.2軟件設計所用工具完成該設計的軟件編程主要是利用單片機的外部接口電路和單片機編程軟件實現(xiàn)的，所以程序的正確可行是實現(xiàn)該方案的必要條件，編寫程序時主要利用的軟件是 Keil 編程軟件。Keil C51是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。Keil則為其提供了包

34、括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。C51工具包的整體結構，uVision與Ishell分別是C51 for Windows和for Dos的集成開發(fā)環(huán)境(IDE），可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個開發(fā)流程。開發(fā)人員可用IDE本身或其它編輯器編輯C或匯編源文件。然后分別由C51及C51編譯器編譯生成目標文件（.OBJ）。目標文件可由LIB51創(chuàng)建生成庫文件，也可以與庫文件一起經(jīng)L51連接定位生成絕對目標文件(.ABS）。ABS文件由OH51轉(zhuǎn)換成標準的Hex文件，以供調(diào)試器dSc

35、ope51或tScope51使用進行源代碼級調(diào)試，也可由仿真器使用直接對目標板進行調(diào)試，也可以直接寫入程序存貯器如EPROM中。4.3系統(tǒng)軟件流程框圖開始初始化濕度采樣判斷濕度是否超限 N Y LCD顯示LCD顯示蜂鳴器報警是否結束采樣 N Y結束圖4.2.1 系統(tǒng)軟件設計流程圖5系統(tǒng)調(diào)試5.1 硬件調(diào)試在安裝前要做好檢查工作，確保元器件質(zhì)量功能可靠，尤其要注意晶體管的型號，電容器的耐壓和極性，按照原理圖組裝電路,使元件安裝的位置、極性正確、布局合理；整機清潔無污物，導線不雜亂。由于電路的要求，所以我們按照單元電路逐級安裝，逐級調(diào)試然后聯(lián)合調(diào)試的方法。在安裝調(diào)試過程中用到的儀器主要有示波器，萬

36、用表。其步驟如下： 1、按照系統(tǒng)設計，將系統(tǒng)需要的各個組件連接好。 2、根據(jù)芯片說明書，了解各個組件的工作原理，開始著手調(diào)試各功能模塊。 3、把各個功能模塊編寫成單獨的源文件進行調(diào)試，調(diào)試成功以后，再將各部分聯(lián)合在一起。 4、調(diào)試了各模塊之后，接下來的工作就是將各源程序段連接起來，進行綜合調(diào)試了，綜合調(diào)試需要我們特別注意細節(jié)部分，這樣才能盡可能的減少錯誤的產(chǎn)生。下圖為主控硬件調(diào)試完成后無誤的硬件圖片。圖5.1.1 硬件調(diào)試結果圖5.2 軟件調(diào)試在Keil軟件中完成設計程序的編寫以后，按照要求進行編譯、連接、調(diào)試、仿真等，然后分別由C51編譯器編譯生成目標

37、文件（.OBJ）。再由OH51轉(zhuǎn)換成標準的Hex文件，以供調(diào)試器使用進行源代碼級調(diào)試，可由仿真器使用直接對程序進行調(diào)試，也可以直接寫入單片機程序存貯器中驗證。6系統(tǒng)功能及結論6.1 系統(tǒng)功能實現(xiàn)情況本次課題設計了一種基于單片機技術的土壤濕度監(jiān)測儀。該設計是通過以STC89C52單片機為工作處理器中心，以土壤濕度傳感器為核心，實現(xiàn)本次設計目標。土壤濕度傳感器用于土壤的濕度檢測，可以寬范圍控制土壤的濕度。通過模塊中藍色的電位器調(diào)節(jié)土壤濕度相應閥值，隨著電阻值的變化，電路的輸出也跟著變化，調(diào)節(jié)電阻值的大小，可得到想要的濕度控制范圍，滿足電路的需求順時針調(diào)節(jié)，控制的濕度范圍會越大，逆時針時控制的濕度范

38、圍越小。數(shù)字量輸出D0因為直接與單片機相連，通過單片機來檢測高低電平，由此來檢測土壤濕度，濕度低于設定值時，DO輸出高電平，此時單片機控制LCD1602分兩行顯示“Humidity: Normal”；高于設定值時，DO輸出低電平，此時單片機控制LCD1602分兩行顯示“Humidity: Deviant”，并且蜂鳴器鳴叫報警。6.2設計中遇到的問題及解決 在本次土壤濕度檢測系統(tǒng)的設計制作過程中，都十分注意每個工作步驟的檢查，確保制作成功。比如在合理布線、檢查裝配無誤的情況下，如果還出現(xiàn)電路無輸出的情況，那么可以肯定是原理圖錯誤，這是要回到原理圖進行檢查，總體檢查順序我們采用的順序是原理圖、原件

39、選用情況、焊接工藝等。在這個過程中所遇到的問題或可能遇到的問題及解決方法做一下總結。1、單片機最小系統(tǒng)的時鐘模塊中，如采用內(nèi)部時鐘模塊，在單片機的輸入引腳XTAL1，輸出引腳XTAL2，這兩個引腳跨界石英晶體和微調(diào)電容時，石英晶體和電容應盡可能安裝得與單片機芯片靠近，以減少寄生電容，更好的保證振蕩器穩(wěn)定、可靠的工作。為了提高溫度穩(wěn)定性，應采用溫度穩(wěn)定性較好的電容。2、LCD顯示模塊，為防止直接加5V電壓燒壞背光燈，在15腳串接一個10歐姆電阻用于限流。液晶對比度調(diào)節(jié)端，通過一個10k歐姆電位器接地來調(diào)節(jié)液晶顯示對比度。首次使用時，在液晶上電狀態(tài)下，調(diào)節(jié)至液晶上面一行顯示出黑色小格為止。根據(jù)LC

40、D型號的不同，所需要的背光電阻大小會不同，可自行調(diào)節(jié)。若電阻選擇過大，則背光燈不能點亮。3、蜂鳴器的正極性的一端聯(lián)接到5V電源上面，另一端接到三極管的集電極，三極管的基極由單片機的一個管腳通過一個與門來控制，當管腳為低時，與非門輸出高電平，三極管導通，這樣蜂鳴器的電流形成回路，發(fā)出聲音。當管腳為高時，與非門輸出低電平，三極管截至，蜂鳴器不發(fā)出聲音。我們設計中時用單片機輸出高電平驅(qū)動三極管導通時，NPN型三極管沒有導通，后來才發(fā)現(xiàn)單片機引腳輸出電流太小，驅(qū)動不了。將三極管換成PNP型，低電平驅(qū)動蜂鳴器發(fā)聲。4、電路板焊接時一定要仔細，以免造成虛焊。整體布局和布線要事先規(guī)劃好，使得各模塊能正常工作

41、，不受干擾。5、應盡量做到降低成本和避免復雜的電路，應此選用一些常用的電子器件，使系統(tǒng)具有實用性，小型化等特點。6.3后期展望 在本次設計過程中，從一開始的只考慮功能的實現(xiàn)性，希望這個濕度測量儀能夠運用到實際的測量和學習中，到中間思維的拓展和延伸，在這次課程設計后，我們將從以下幾個方面來改進和完善。 1、電源供電部分采用充電電池供電，使得整個設備輕便易攜帶。2、加入A/D轉(zhuǎn)換模塊，將接收到的所測土壤環(huán)境的濕度信號，在數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的處理后，通過1602液晶顯示器顯示出土壤實際濕度數(shù)據(jù)，實時監(jiān)控環(huán)境的濕度數(shù)據(jù)。讓該該濕度測量儀具有測量精度高、通用性強特點。3、增加存儲器的部分，用于存儲采

42、集到的濕度信息。數(shù)據(jù)存儲區(qū)擴展模塊的設計，主要是實現(xiàn)RAM擴展，C51單片機總共支持64KB的片外數(shù)據(jù)存儲區(qū)。數(shù)據(jù)存儲區(qū)擴展程序主要完成RAM數(shù)據(jù)復制。4、增加其他傳感器的接口部分，通過查找資料了解到市面上大多數(shù)傳感器采用12V供電、5V供電、3.3V供電，本濕度測量儀現(xiàn)有的功能可以接收5V供電的傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。因此需要設計5V轉(zhuǎn)3.3V、12V的電路來為其他的傳感器供電，可以采用電阻分壓的方法來實現(xiàn)。 5、完成PCB板的設計，本次設計雖然畫了PCB板，但由于在焊接等方面出現(xiàn)問題，導致第一次焊接時出現(xiàn)問題，最后才采用萬用板焊接實物。PCB的設計流程可分為網(wǎng)表輸入、規(guī)則設置、元器件布

43、局、布線、檢查、復查、輸出等步驟。在PCB圖的設計過程中要考慮到元器件的布局、電子電路性能、生產(chǎn)裝配技術等。 7總結與體會對此次課程設計進行一個總結，因為我這次設計采用的是單片機為主的濕度檢測，所以要求硬件和軟件相結合，兩者必須完整配合，協(xié)調(diào)一致。在學校學習的單片機知識偏重于理論而不是應用，通過做課程設計的這個機會，我把理論聯(lián)系到了實際。通過一次的溫習了以前學習的專業(yè)基礎知識，可以使我們可以獨立設計和完成一個簡單的單片機控制系統(tǒng)，體驗了從原理圖的設計、電路板的制作和單片機系統(tǒng)的調(diào)試的整個過程，給即將走向工作崗位的我又上了一堂精彩的課。通過這次課程設計，系統(tǒng)的掌握了單片機、液晶顯示、土

44、壤濕度傳感器、電容等元器件的工作原理及其應用；熟練的使用萬用表、示波器等相關實驗儀器和設備，能使用相關軟件設計電路圖并進行仿真；使我對模擬電子、數(shù)字電子技術在實踐中的應用有了更深刻的理解；對像Protues、Keil、Altium Designer等工程軟件有了深入的了解，能獨立完成電路圖的繪制。在設計電路的過程中，充分了解了各元器件的功能作用，把課本知識變得生動有趣，當實驗現(xiàn)象出現(xiàn)的那一刻，心中非常的激動，因為是我們獨立完成的課程設計，所以很有成就感，同時這個設計也激發(fā)了我們對學習電子方面知識的積極性。 在編程過程中遇到很多麻煩，比如就是仿真與實際電路存在一定的差異，所以

45、要根據(jù)實際的測量值來調(diào)試程序。但是都在我們積極地查閱資料與商討中得到解決。在設計中除了學會許多專業(yè)知識外，在遇到困難時，積極的去請教我的指導老師，我通過看現(xiàn)有的教材、視屏，去圖書館查閱資料，去網(wǎng)上搜索相關信息這些方式，不僅完成了我的課程設計，而且大大增強了我的自學能力和求知心理，更重要的是我拓展了思路，開闊了視野，活躍了思想。學會了理論聯(lián)系實際。 在這個階段，我們在學習上和思想上都受益匪淺，這除了自身的努力外，與老師的支持和他的循循善誘是分不開的，其實在做這個設計的過程中我們也遇到了一些困難，有時候感到頭疼，但是我沒有灰心喪氣，加上老師的細致指導，我們都一一克服，這些都是從這次設計中

46、的收獲，所以我們要感謝指導老師鄭老師，他的嚴謹細致，一絲不茍的作風是我學習、工作中的榜樣，他的不拘一格的思想也給予我無盡的啟迪。8參考文獻1 張毅剛，彭喜元編.單片機原理及應用M. 北京：高等教育出版社，2010.2 楊素行編.模擬電子技術基礎簡明教程M.北京：高等教育出版社，2006. 3 余孟嘗編.數(shù)字電子技術基礎簡明教程M.北京：高等教育出版社，2006. 4 林志琦.基于Proteus的單片機可視化軟硬件仿真M.北京：北京航空航天大學出版社，2006.5 來清民編.傳感器與單片機接口及實例M. 北京：北京航空航天大學

47、出版社，2008. 6 陳有卿,張曉東編.報警集成電路和報警器制作實例M.北京:北京人民郵電出版社2001. 7 孟立凡等.傳感器原理及技術M.北京：國防工藝出版社，2005. 8 張正偉.傳感器原理與應用M.北京：中央廣播電視大學出版社，2002.9 胡漢才單片機原理與接口技術M北京：清華大學出版社，1995.6 10 何立民.單片機高級教程M北京：北京航空航天大學出版社，200111 趙曉安.MCS-51單片機原理及應用M. 天津：天津大學出版社，2001.312 肖洪兵.跟我