土壤濕度檢測電路

北方民族大學(xué) 實訓(xùn)報告系（部、中心） 電氣信息工程學(xué)院 姓 名 莫文濤 學(xué) 號 專 業(yè) 電子信息工程 班 級 121班 同組人員 劉丹、楊文華 課程名稱 專業(yè)課程綜合實訓(xùn)系列 實訓(xùn)題目名稱 土壤濕度檢測電路 起止時間2015年3月2日2015年7月5日 成 績 指導(dǎo)教師簽名 北方民族大學(xué)教務(wù)處制教師評語：報告成績(30%)平時成績(50%)答辯成績(20%)總評成績土壤濕度檢測電路的設(shè)計與制作【摘要】本設(shè)計主要的內(nèi)容是土壤濕度檢測電路的設(shè)計與制作。該電路的工作原理是由AT89C51單片機和ADC0809組成系統(tǒng)的核心部分，濕度傳感器將采集到的數(shù)據(jù)直接傳送到ADC0809的IN端作為輸入的模擬信號。選用濕度傳感器和AD轉(zhuǎn)換，電路內(nèi)部包含有濕度采集、AD轉(zhuǎn)換、單片機譯碼顯示等功能。單片機需要采集數(shù)據(jù)時，發(fā)出指令啟動A/D轉(zhuǎn)換器工作，ADC0809根據(jù)送來的地址信號選通IN3通道，然后對輸入的模擬信號進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)束時，EOC輸出高電平，通知單片機可以讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，單片機通過調(diào)用中斷程序，讀取轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。最后，單片機把采集到的濕度數(shù)據(jù)經(jīng)過軟件程序處理后送到LED數(shù)碼管進行顯示?！娟P(guān)鍵詞】濕度傳感器AD轉(zhuǎn)換AT89C51 目錄一、設(shè)計方案選擇51、方框圖5二、土壤濕度檢測電路的單元電路61、濕度采集62、A/D轉(zhuǎn)換與ADC080973、AT89C51單片機10三、源程序15四、LED數(shù)碼管16五、軟件調(diào)試17六、安裝與調(diào)試18七、元器件清單20八、系統(tǒng)仿真20九、心得體會22一、設(shè)計方案選擇方案一： 可利用濕度傳感器采樣土壤中的濕度信號，以提供給顯示電路部分，關(guān)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(gòu)成的多諧振蕩器來提供。1、方框圖方案二：根據(jù)傳感器采集土壤濕度，提供給ADC0809進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換出的數(shù)字信號送給AT89C51單片機進行實時處理，同時由單片機控制ADC0809的轉(zhuǎn)換開始與結(jié)束，單片機把處理后的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理送達LED數(shù)碼管進行顯示。方案選擇： 在以上兩種方案中，方案一中的譯碼器74HC4511存在消隱狀態(tài)，即當(dāng)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控制ADC轉(zhuǎn)化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。所以最終選擇方案二作為本次畢業(yè)設(shè)計的制作方案。二、土壤濕度檢測電路的單元電路1、濕度采集 傳感器是能響應(yīng)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(yīng)于被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(yīng)的電子電路組成。傳感器的分類：按構(gòu)成分可分為基本型傳感器、組合型傳感器和應(yīng)用型傳感器；按機理可分為結(jié)構(gòu)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(dāng)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。2、A/D轉(zhuǎn)換與ADC0809 A/D轉(zhuǎn)換器用來將模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成一組相應(yīng)二進制數(shù)碼輸出。由于A/D轉(zhuǎn)換器的輸入量是隨時間連續(xù)變化的模擬信號，而輸出是隨時間斷續(xù)變化的離散數(shù)字信號，因此在轉(zhuǎn)換過程中，首先要對模擬信號進行采樣、保持，再進行量化、編碼。 所謂采樣，就是在一個微小時間內(nèi)對模擬信號進行取樣，把一個時間上是連續(xù)的信號變換為對時間離散的信號。采樣結(jié)束后，再將此取樣的模擬信號保持一段時間，使A/D轉(zhuǎn)換器有充分時間進行A/D轉(zhuǎn)換。這就是采樣、保持電路的基本作用。任何一個數(shù)字量的大小都是以某個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍來表示的。因此，在用數(shù)字量表示采樣電壓時，也必須把它化成這個最小數(shù)量單位的整數(shù)倍，這個轉(zhuǎn)化過程就叫做量化。 所規(guī)定的最小數(shù)量單位叫做量化單位，用D表示。顯然，數(shù)字信號最低有效位中的“1”所表示的數(shù)量大小，就等于D。一般被轉(zhuǎn)化的模擬電壓不可能被D整除，這種因素引起的誤差稱為量化誤差。 量化誤差又稱為分辨率。ADC輸出二進制位數(shù)越多，則分辨率越高，轉(zhuǎn)換精度也越高。 分辨率常以數(shù)字信號最低有效位中的“1”所對應(yīng)的電壓值表示。例如10位ADC，當(dāng)滿度輸入模擬電壓為5V，則最低有效位“1”所對應(yīng)的輸入電壓為：8位ADC為 顯然，10位ADC的分辨率比8位ADC高。因此，分辨率有時也可用A/D轉(zhuǎn)換器的輸出位數(shù)n表示。 ADC0809是采樣頻率為8位的、以逐次逼近原理進行模數(shù)轉(zhuǎn)換的器件。其內(nèi)部有一個8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A/D轉(zhuǎn)換。1主要特性1）8路8位AD轉(zhuǎn)換器，即分辨率8位。2） 具有轉(zhuǎn)換起?？刂贫?。3） 轉(zhuǎn)換時間為100s4）單個5V電源供電5）模擬輸入電壓范圍05V，不需零點和滿刻度校準(zhǔn)。6）工作溫度范圍為-4085攝氏度7）低功耗，約15mW。2內(nèi)部結(jié)構(gòu)ADC0809是CMOS單片型逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1322所示，它由8路模擬開關(guān)、地址鎖存與譯碼器、比較器、8位開關(guān)樹型DA轉(zhuǎn)換器、逐次逼近3外部特性（引腳功能） ADC0809芯片有28條引腳，采用雙列直插式封裝，如圖2-1所示。下面說明各引腳功能。IN0IN7：8路模擬量輸入端。2-12-8：8位數(shù)字量輸出端。ADDA、ADDB、ADDC：3位地址輸入線，用于選通8路模擬輸入中的一路ALE：地址鎖存允許信號，輸入，高電平有效。START：AD轉(zhuǎn)換啟動脈沖輸入端，輸入一個正脈沖（至少100ns寬）使其啟動（脈沖上升沿使0809復(fù)位，下降沿啟動A/D轉(zhuǎn)換）。EOC：AD轉(zhuǎn)換結(jié)束信號，輸出，當(dāng)AD轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸出一個高電平（轉(zhuǎn)換期間一直為低電平）。OE：數(shù)據(jù)輸出允許信號，輸入，高電平有效。當(dāng)AD轉(zhuǎn)換結(jié)束時，此端輸入一個高電平，才能打開輸出三態(tài)門，輸出數(shù)字量。CLK：時鐘脈沖輸入端。要求時鐘頻率不高于640KHZ。REF（+）、REF（-）：基準(zhǔn)電壓。Vcc：電源，單一5V。GND：地。 ADC0809的工作過程是：首先輸入3位地址，并使ALE=1，將地址存入地址鎖存器中。此地址經(jīng)譯碼選通8路模擬輸入之一到比較器。START上升沿將逐次逼近寄存器復(fù)位。下降沿啟動AD轉(zhuǎn)換，之后EOC輸出信號變低，指示轉(zhuǎn)換正在進行。直到AD轉(zhuǎn)換完成，EOC變?yōu)楦唠娖?，指示AD轉(zhuǎn)換結(jié)束，結(jié)果數(shù)據(jù)已存入鎖存器，這個信號可用作中斷申請。當(dāng)OE輸入高電平時，輸出三態(tài)門打開，轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量輸出到數(shù)據(jù)總線上。3、AT89C51單片機 單片機是單片微型計算機的簡稱。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(lǐng)域，故又稱為微控制器MCU，單片機只要和適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個單片機控制系統(tǒng)。(1).單片機的時鐘電路 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(guān)系。單片機本身就如一個復(fù)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(yīng)在唯一的時鐘信號控制下嚴(yán)格地按時序進行工作。(2).單片機的復(fù)位電路 單片機復(fù)位是使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(fù)位，單片機復(fù)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。(3).單片機的編程 該方案中主要是利用單片機的外部接口電路和單片機軟件編程實現(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KeilC51編程軟件， 它是集編程、編譯、仿真于一體，支持匯編，PLM語言和C語言的程序設(shè)計軟件。 MCS-51單片機研制于1980年，它是一款8位單片機。標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51有32個雙向I/O口擁有全雙工UART，兩組16位定時器，片內(nèi)時鐘電路。RAM和ROM都可以擴展至64KB。MCS-51單片機的引腳如圖所示，標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51單片機是40引腳雙列直插式集成電路芯片。（4）單片機最小應(yīng)用系統(tǒng) 圖2-3單片機最小應(yīng)用系統(tǒng)（5）單片機的引腳說明 MCS單片機都采用40引腳的雙列直插封裝方式。圖2-4為引腳排列圖，40條引腳說明如下： 圖2-4單片機的引腳排列圖1）主電源引腳Vss和VccVss接地Vcc正常操作時為+5伏電源2、外接晶振引腳XTAL1和XTAL2XTAL1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(dāng)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器的輸出端。是外接晶體的另一端。當(dāng)采用外部振蕩器時，此引腳接外部振蕩源。3）控制或與其它電源復(fù)用引腳RST/VPD，ALE/PROG，PSEN和EA/VppRST/VPD當(dāng)振蕩器運行時，在此引腳上出現(xiàn)兩個機器周期的高電平（由低到高跳變），將使單片機復(fù)位在Vcc掉電期間，此引腳可接電源圖2-98051引腳排列圖，上備用電源，由VPD向內(nèi)部提供備用電源，以保持內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)。ALE/PROG正常操作時為ALE功能（允許地址鎖存）提供把地址的低字節(jié)鎖存到外部鎖存器，ALE引腳以不變的頻率（振蕩器頻率的1/6）周期性地發(fā)出正脈沖信號。因此，它可用作對外輸出的時鐘，或用于定時目的。但要注意，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖，ALE端可以驅(qū)動（吸收或輸出電流）八個LSTTL電路。對于EPROM型單片機，在EPROM編程期間，此引腳接收編程脈沖（PROG功能）PSEN外部程序存儲器讀選通信號輸出端，在從外部程序存儲取指令（或數(shù)據(jù)）期間，PSEN在每個機器周期內(nèi)兩次有效。PSEN同樣可以驅(qū)動八LSTTL輸入。EA/Vpp、EA/Vpp為內(nèi)部程序存儲器和外部程序存儲器選擇端。當(dāng)EA/Vpp為高電平時，訪問內(nèi)部程序存儲器，當(dāng)EA/Vpp為低電平時，則訪問外部程序存儲器。對于EPROM型單片機，在EPROM編程期間，此引腳上加21伏EPROM編程電源（Vpp）。4）輸入/輸出引腳P0.0-P0.7，P1.0-P1.7，P2.0-P2.7，P3.0-P3.7。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(fù)載。P1口（P1.0-P1.7）是一個帶有內(nèi)部提升電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口。能驅(qū)動(吸收或輸出電流)四個LSTTL負(fù)載。P2口（P2.0-P2.7）是一個帶有內(nèi)部提升電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口，在訪問外部存儲器時，它輸出高8位地址。P2口可以驅(qū)動(吸收或輸出電流)四個LSTTL負(fù)載。P3口（P3.0-P3.7）是一個帶有內(nèi)部提升電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O口。能驅(qū)動(吸收或輸出電流)四個LSTTL負(fù)載。（6）單片機的中斷指令 在CPU和外設(shè)交換信息時，存在著快速CPU和慢速外設(shè)間的矛盾，機器內(nèi)部有時也可能出現(xiàn)突發(fā)事件，為此，計算機中通常采用中斷技術(shù)。 CPU和外設(shè)并行工作，當(dāng)外設(shè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好(或有某種突發(fā)事件發(fā)生)時向CPU提出請求，CPU暫停正在執(zhí)行的程序轉(zhuǎn)而為該外設(shè)服務(wù)(或處理緊急事件)，處理完畢再回到原斷點繼續(xù)執(zhí)行原程序。 中斷優(yōu)先級：當(dāng)有多個中斷源同時向CPU申請中斷時，CPU優(yōu)先響應(yīng)最需緊急處理的中斷請求，處理完畢再響應(yīng)優(yōu)先級別較低的，這種預(yù)先安排的響應(yīng)次序。 中斷的嵌套：在中斷系統(tǒng)中，高優(yōu)先級的中斷請求能中斷正在進行的較低級的中斷源處理，1）中斷技術(shù)是實時控制中的常用技術(shù)，51系列單片機有三個內(nèi)部中斷，二個外