1、- i -本科毕业论文（20 届）基于单片机的土壤湿度检测仪的设计所在学院专业班级 电子信息工程学生姓名指导教师完成日期- ii -基于单片机的土壤湿度检测仪的设计目 录前言 .2第 1 章 系统分析 .3第 1.1 节 本系统所要实现的功能 .3第 1.2 节 本系统的设计思路 .3第 1.3 节 本系统设计的原则 .3第 2 章 系统的硬件设计 .4第 2.1 节 系统框图 .4第 2.2 节 系统主要硬件部分设计 .5第 3 章 系统的软件设计 .20第 3.1 节 系统软件设计流程 .20第 3.2 节 单片机 C51 语言编程 .22第 4 章 系统测试 .23第 4.1 节 系统的
2、 Proteus 软件仿真 .23第 4.2 节 实物调试与测试结果 .24第 4.3 节 设计过程中遇到的问题 .28结论 .29参考文献 .30致谢 .31附录 .32附录 1：硬件原理总图 .32附录 2：土壤湿度检测仪实物图 .32附录 3：部分源程序 .33第 1 页基于单片机的土壤湿度检测仪的设计【摘要】：在影响环境的众多因素中湿度是至关重要的，本文设计了一种基于STC89C52 单片机的土壤湿度检测仪，通过终端传感器检测环境中的湿度的变化。其硬件系统包括信号采集电路、A/D 转换电路、单片机、微型液晶显示器和报警电路等； 软件系统包括 A/D 转换的驱动程序、液晶驱动程序两个模块
3、。实践证明该湿度检测仪具有测量精度高、通用性强等特点，具有一定的实用价值。【关键词】：土壤湿度；检测仪；单片机；A/D 转换；Abstract: Among the many environmental factors, humidity factors are most important. A humidity measuring instrument based on STC89C52 the testing meter of soils humidity is designed in the paper. Through the change of the terminal senso
4、rs to detect the humidity. The hardware included signal amplifying circuit, A/D transforming circuit, single chip, mini liquid crystal display and alarming circuit. The software included two module, which are respectively the driving program of A/D transforming and the driving program of liquid crys
5、tal display. The practice has proved that the humidity measuring instrument has high measuring accuracy, generality, and a certain practical value.Key words: soil；testing meter；single chip；A/D transformation.第 2 页前言随着人们生活水平的提高，人们对食品的绿色健康更加关注，如何培育出优良品种的植株，一直是人们不断研究的课题。因而基于单片机的湿度检测系统对解决这些问题有着非常重大的意义。以
6、前种植植被一般都用温室栽培，为了充分的利用好温室栽培这一高效技术，就必需有一套科学的，先进的管理方法，用以对不同种类植被生长的各个时期所需的土壤湿度等进行实时的监控。土壤湿度检测仪是一种 24 小时不间断监控并记录湿度的仪器，被广泛的应用于农业研究、食品、医药、化工、气象、环保、电子、实验室等众多领域。目前，随着工业控制自动化进程的加快，它的使用越来越普遍，并且在不断的延伸。在日常的生产生活中，经常需要检测环境中的湿度，而运用到工农业生产领域则要求更为严格。随着科技的发展，环境监测在农业领域的应用越来越广泛，例如要确定某些幼苗的生长特性与湿度有什么样的关系等。这些都需要利用湿度的实时记录才能实
7、现。继而湿度检测仪被广泛应用于粮仓、种植园、温室大棚、自动控制等众多领域。可以对土壤的湿度进行检测和控制,以实现数据采集、湿度调节以及超限报警等各项功能，为此设计了一种基于 STC89C52 单片机的湿度检测仪。第 3 页第 1 章 系统分析第 1.1 节 本系统所要实现的功能1、能够实时、准确的显示采样湿度值。2、通过自行设定湿度上限和下限实现土壤湿度的实时监测和报警。第 1.2 节 本系统的设计思路在单片机构成的测控系统中，测量或控制的参数有时是一些连续变化的非电量模拟信号，如温度、湿度、压力等。这类信号必须通过传感器转换成为电信号后，再由 A/D转换器转换成为数字量信号送入单片机进行处理
8、，最后通过 LCD 完成湿度值的显示。本系统设计的一种基于 STC89C52 单片机的土壤湿度检测仪，湿度测量范围为0100%RH。YL-69 土壤湿度传感器通过小板模拟量输出 AO 和 AD 模块相连，由于传感器用到了LM3931，反相端电压高于同相端，输出低电平，由于采用单电源供电，负电源为地电平，那么输出电压也大约是 0V。当反相端电压低于同相端，输出高电平，输出电压大约为+5V 。该模拟信号进入 A/D 转换芯片的 CH0 通道进行转换处理，所得到数字信号再送入单片机 STC89C52 进行数据处理并由液晶显示 。第 1.3 节 本系统设计的原则要求单片机系统应具有可靠性高、操作维护方
9、便、性价比高等特点。高可靠性是单片机系统应用的前提，在系统设计的每一个环节，都应该将可靠性作为首要的设计准则。提高系统的可靠性通常从以下几个方面考虑：使用可靠性高的元器件；设计电路板时布线和接地要合理；对供电电源采用抗干扰措施；输入输出通道抗干扰措施；进行软硬件滤波；系统自诊判断功能等。在系统的软硬件设计时，应从操作者的角度考虑操作和维护方便，要尽可能减少人机交换接口，多采用操作内置或简化的方法。单片机除体积小、功耗低等特点外，最大的优势在于高性能性价比。一个单片机应用系统能否被广泛使用，性价比是其中一个关键因素。因此，再设计时，除了保持高性能外，尽可能降低成本，如简化外围硬件电路，在系统性能
10、和速度允许的情况下尽可能使用软件功能取代硬件功能等。第 4 页第 2 章 系统的硬件设计第 2.1 节 系统框图系统主要由单片机模块、湿度检测模块、显示模块、A/D 转换模块和电源模块组成，其整体框图如图 2-1 所示。电源模块复位模块A/D 转换模块土壤湿度传感器单片机显示模块时钟模块图 2-1 系统框图土壤湿度检测仪 1的信号处理系统包括土壤湿度传感器、 A/D 采集电路、 单片机和微型液晶显示器。 其工作过程是： 土壤湿度传感器将湿度信号送至 A/D 采集电路， 经 A/D 转换后， 所得数字信号送入单片机进行数据处理， 最后将处理结果发送到微型液晶显示器显示。如图 2-2。土壤湿度传感
11、器 A/D 采集电路 单片机 微型液晶显示器图 2-2 记录仪的组成框图第 5 页第 2.2 节 系统主要硬件部分设计2.2.1. STC89C52 单片机STC89C52 RC/RD+系列单片机是 STC 推出的新一代高速低功耗超强抗干扰的单片机2，指令代码完全兼容传统 8051 单片机，它是一个 40 引脚的集成电路芯片，采用DIP（双列直插）形式封装。STC89C52 具有以下标准功能： 8k 字节 flash，256 字节RAM， 32 位 I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位 定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外
12、，STC89C52 可降至0HZ 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器 /计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。8 位微控制器 8k字节在系统可编程 Flash。P0 口：P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。作为输出口，每位能驱动 8 个 TTL逻辑电平。对 P0 端口写“ 1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0 口也被作为低 8 位地址/ 数据复用。在这种模式下， P0 具有内部上拉电阻。在 Flash 编程
13、时，P0 口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P1 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL） 。此外，P1.0 和 P1.2 分别作定时器 /计数器 2 的外部计数输入（P1.0/T2 ）和时器/计数器 2 的触发输入（P1.1/T2EX） ，具体如下表所示。 在 Flash 编程和校验时，P1 口接收低 8 位地址字节。引脚号第二功能
14、P1.0 T2（定时器/计数器 T2 的外部计数输入） ，时钟输出P1.1 T2EX（定时器/计数器 T2 的捕捉/重载触发信号和方向控制）P1.5 MOSI（在线系统编程用）P1.6 MISO（在线系统编程用）P1.7 SCK（在线系统编程用）P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL） 。第 6 页在访问外部程序存储器或用 16 位地址读取外部数据存储器（例如执行 MOVX
15、 DPTR） 时，p2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2 口使用很强的内部上拉发送1。在使用 8 位地址（如 MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2 口输出 P2 锁存器的内容。在 flash 编程和校验时， P2 口也接收高 8 位地址字节和一些控制信号。P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 输出缓冲器能驱动 4 个 TTL 逻辑电平。对 P3 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL） 。P3 口亦作为 STC89C52 特殊功能（第二功能）使用，如下表
16、所示。在 flash 编程和校验时，P3 口也接收一些控制信号。端口引脚 第二功能P3.0 RXD(串行输入口)P3.1 TXD(串行输出口)P3.2 INTO(外中断 0)P3.3 INT1(外中断 1)P3.4 TO(定时/计数器 0)P3.5 T1(定时/计数器 1)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)此外，P3 口还接收一些用于 flash 闪存编程和程序校验的控制信号。RST复位输入。当振荡器工作时，RST 引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时， ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存
17、地址的低 8 位字节。一般情况下，ALE 仍以时钟振荡频率的 1/6 输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个 ALE 脉冲。对 flash 存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG） 。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（ SFR）区中的 8EH 单元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。该位置位后，只有一条 MOVX 和 MOVC 指令才能将 ALE 激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置 ALE 禁止位无效。PSEN 程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当 STC89C52
18、 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次 PSEN 有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次 PSEN 信号。EA/VPP外部访问允许，欲使 CPU 仅访问外部程序存储器（地址为 0000H-FFFFH） ，EA 端必须保持低电平（接地） 。需注意的是：如果加密位 LB1 被编程，复位时内部会锁存 EA 端状态。如 EA 端为高电平（接第 7 页VCC 端） ，CPU 则执行内部程序存储器的指令。Flash 存储器编程时，该引脚加上+12V 的编程允许电源 VPP，当然这必须是该器件是使用 12V 编程电压 VPP。如图 2-3 所示。中央处理器C P U
19、时钟电路 R O M R A M 定时 / 计数器R O MP 1 P 2串行接口 中断系统P 0 P 3T X D R X DI N T 1I N T 0图 2-3 单片机结构示意图2.2.2. 主控电路一个单片机嵌入式系统的核心，其实就是一个单片机的最小系统，或者称为最小应用系统，是指用最小的元件组成的单片机可以工作的系统。由图 2-4 可知最小系统应由时钟电路和复位电路构成。如图 2-4 所示，STC89C52 单片机芯片内部集成了振荡电路，它是利用一个高增益反相放大器构成的振荡电路，引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是放大器的输入端和输出端。外接晶体谐振器以及电容 C4 和 C5
20、构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中，片内的放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。这个振荡器为单片机提供时序脉冲。而采用 12MHZ 的晶振，主要是为了方便定时操作 3。单片机的复位是指使单片机进入初始化工作状态。当单片机的复位引脚 RESET 出现2 个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果 RESET 持续为高电平，单片机将处于循环复位的状态。但是单片机本身不能自动复位，必须配合相应的外部电路第 8 页才能实现复位操作。复位操作通常有两种基本形式：上电复位和开关复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。开关复位则是在单片机已运行时，按下复位键后松
21、开，也能使 RESET 保持一段时间的高电平，从而实现开关复位的操作。图 2-4 单片机最小系统电路2.2.3. 电源电路本系统的土壤湿度传感器需要+5V 供电，而我用的电源适配器供电电压为 +12V，因此需要接一个 12V 转 5V 的电路。12V 转 5V 电路采用的芯片是三端稳压 IC 集成稳压器LM7805。用 LM78/LM79 系列三端稳压 IC 来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压 IC 型号中的 LM78 或 LM79 后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如LM7806 表示输出电压为正 6V，LM7909 表示输出电压为负 9V。 因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用） 。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。 当制作中需要一个能输出 1.5A 以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为 N 个 1.5A，但应用时需注意：并联使用的集成稳压电路应
