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1、精选优质文档-倾情为你奉上Arduino Moisture Sensor土壤湿度传感器 自动浇花请看下面PDF技术文件介绍这个水分传感器可用于检测土壤的水分，当土壤缺水时，传感器输出值将减小，反之将增大。使用这个传感器制作一款自动浇花装置，让您的花园里的植物不用人去管理。传感器表面做了镀金处理，可以延长它的使用寿命。将他插入土壤，然后使用AD转换器读取它。在他的帮助下，植物会提醒您：嘿，我渴了，请给我一点水。技术规格供电电压：3.3V 或5V接口定义：1脚信号，2脚地，3脚电源正输出信号类型：模拟量使用寿命：大约1年（表面镀金处理，加强了导电性和抗腐蚀性）模块尺寸：20X60mm这是一个简易的
2、水分传感器可用于检测土壤的水分，当土壤缺水时，传感器输出值将减小，反之将增大。使用这个传感器制作一款自动浇花装置，让您的花园里的植物不用人去管理。传感器表面做了镀金处理，可以延长它的使用寿命。将他插入土壤，然后使用AD转换器读取它。在他的帮助下，植物会提醒您：嘿，我渴了，请给我一点水。技术规格供电电压：3.3V -5V工作电流：最大45mA输出电压：0-2.3V【2.3V是完全浸泡在水中的电压值】，5V供电，湿度越大输出电压越大。接口定义：1脚信号，2脚地，3脚电源正使用寿命：大约1年（表面镀金处理，加强了导电性和抗腐蚀性）模块尺寸：60X20X5mmPDF：概述这是一个简易的水分传感器可用于
3、检测土壤的水分，当土壤缺水时，传感器输出值将减小，反之将增大。使用这个传感器制作一款自动浇花装置，让您的花园里的植物不用人去管理。传感器表面做了镀金处理，可以延长它的使用寿命。将它插入土壤，然后使用AD转换器读取它。在他的帮助下，植物会提醒您：嘿，我渴了，请给我一点水。技术指标电源电压: 3.3v or 5v输出电压: 02.3v工作电流: 最大45mA接口定义：1脚信号，2脚地，3脚电源正使用寿命：1年左右模块尺寸: 60x20x5mm典型电压值:1.0 300: 干燥土壤2.300700: 湿润土壤3.700950: 放到水中土壤湿度传感器工作原理土壤湿度传感器是判断土壤中水分含量的多少来
4、判定土壤的湿度大小。如图所示，当土壤湿度传感器探头悬空时，三极管基极处于开路状态，三极管截止输出为0；当插入土壤中时由于土壤中水分含量不同，土壤的电阻值就不同，三极管的基极就提供了大小变化的导通电流，三极管集电极到发射极的导通电流受到基极控制，经过发射极的下拉电阻后转换成电压。土壤湿度传感器的测试这里我们使用Arduino控制器来做测试，Arduino内部自带10位AD采样电路，程序简单，使用非常方便。Arduino实验代码如下：/* # Example code for the moisture sensor # Editor : Lauren # Date : 13.01.2012 # V
5、ersion : 1.0 # Connect the sensor to the A0(Analog 0) pin on the Arduino board # the sensor value description # 0 300 dry soil # 300700 humid soil # 700950 in water */ void setup() Serial.begin(57600); void loop() Serial.print(Moisture Sensor Value:); Serial.println(analogRead(0); delay(100); 土壤湿度检测
6、及自动浇水系统设计1 设计主要内容及要求 1.1 设计目的： 随着人们生活水平的提高花卉逐渐受到人们的青睐， 本设计要求利用单片机设计一 款 家庭智能浇 花器，实现自动浇花，节省人力，方便人们出差的时候不至于影响花卉的生长，如果在家也可以关断浇 花器 。 （1）了解土壤湿度检测的基本知识以及电工电子学、单片机、传感器等相关技术。 （2）初步掌握常用土壤湿度检测传感器的特点和应用场合，并选择恰当方法应用于本设计。 1.2 基本要求 （1）通过 c8051f020 单片机编程来实现土壤湿度的实时显示，并具有超量程报警装置。 （2）要求设计相关传感器系统和控制系统实现自动浇水功能。 （3）要求设计相
7、关的硬件电路，包括传感器的选型、控制系统和显示系统的硬件电路设计。 1.3 发挥部分 自由发挥 2 设计过程及论文的基本要求： 2.1 设计过程的基本要求 （1）基本部分必须完成，发挥部分可任选； （2）符合设计要求的报告一份，其中包括总体设计框图、电路原理图各一份； （3）报告的电子档需全班统一存盘上交。 2.2 课程设计论文的基本要求 （1）参照毕业设计论文规范打印，包括附录中的图纸。项目齐全、不许涂改，不少于 4000 字。图纸 为 A4，所有插图不允许复印。 （2）装订顺序：封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要、关键词、目录、正文（设计题目、设 计任务、 设计思路、 设计框图、 各部
8、分电路及相应的详细的功能分析和重要的参数计算、 工作过程分析、 元器件清单、主要器件介绍） 、小结、参考文献、附录（总体设计框图与电路原理图） 。 3 时间进度安排 顺序 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 阶段日期 计 划 完 成 内 容 讲解主要设计内容，安排学生查阅资料 检查任务框图的设计情况 检查整个设计理论方面的准备情况 指导学生进行传感器的选择 进程传感器及测量电路的硬件电路设计 讲解原理图的绘制要求 检查原理图完成情况，讲解及纠正错误 检查流程图的绘制及报告的书写要求 布置答辩 答辩、写报告 备注 打分 打分 打分 打分 打分 打分 打分 打分 打分 打分一 设计任务描述1
9、.1 设计题目：土壤湿度检测及自动浇水系统设计 1.2 设计要求1.2.1 设计目的：随着人们生活水平的提高花卉逐渐受到人们的青睐，本设计要求利用单片机设计一 款家庭智能浇花器，实现自动浇花，节省人力，方便人们出差的时候不至于影响花卉的生 长，如果在家也可以关断浇花器 。 （1）了解土壤湿度检测的基本知识以及电工电子学、单片机、传感器等相关技术。 （2）初步掌握常用土壤湿度检测传感器的特点和应用场合，并选择恰当方法应用于本 设计。1.2.2 基本要求：（1）通过 C8051F020 单片机编程来实现土壤湿度的实时显示，并具有超量程报警装 置。 （2）要求设计相关传感器系统和控制系统实现自动浇水
10、功能。 （3）要求设计相关的硬件电路，包括传感器的选型、控制系统和显示系统的硬件电 路设计。1二 设计思路我所设计的土壤湿度检测及自动浇水系统主要由七部分组成。 第一部分：精密对称方波发生器。用于驱动湿敏电阻，因为直流电流通过湿敏电阻时会 产生电化学迁移现象而损坏湿敏电阻，所以在这里我选择了具有稳幅作用的精密对 称方波发生器作为信号源。 第二部分：湿敏电阻传感器。由于湿敏电阻是最常见，价格也最低廉的一种湿度传感器 所以我选择了湿敏电阻作为本设计的核心传感器。 我选择的是 PCRC-55 这款湿敏传 感器。他是一种经过化学方法处理的聚苯乙烯聚合物。其电阻值（ R）与相对湿度 （RH）的曲线近似指
11、数曲线，即电阻值随相对湿度的增大为减小。 第三部分：对数放大器。为解决湿敏电阻自身的非线性问题，我选择了由晶体管和运算 放大器组成的对数放大电路来对湿敏电阻的指数型特性曲线进行线性化。 第四部分：相对湿度校准电路。利用湿度校准电路对 40%RH、100%RH 两点进行校准， 再通过滤波器产生一个代表相对湿度的直流输出电压，输出电压范围是 0+10V， 所对应的相对湿度变化范围是（0100%）RH。 第五部分：断点放大器。由于湿敏电阻在 RH40%时的非线性失真最为显著，我真对这 一情况采用断点放大器再做一次局部的线性化处理，即再进行一次线性补偿。 第六部分： 温度补偿电路。 利用集成恒流源的正
12、温度系数去补偿湿敏电阻的负温度系数， 大大降低了温漂。当环境温度发生变化时，必然导致组成对数放大器的晶体管的直 流工作点发生改变，而这也终究会影响到对数放大器的输出特性。因此我对组成对 数放大器的晶体管采取一定的温度补偿措施，即用一片廉价的集成音频放大器对其 补偿，以避免这种情况的发生。 第七部分：数据处理及自动浇水系统。利用单片机对湿敏电阻这一传感器所采集的代表 土壤湿度的电压信号进行处理、分析，并对土壤湿度进行实时显示、超范围报警以 及自动浇水。 对这以上就是我所设计的土壤湿度检测及自动浇水系统的设计思路。基于此设计思路设计 的土壤湿度检测及自动浇水系统的相对湿度测量范围为 0100%,测
13、量精度为2%，分辨 力可达 0.01%。2三 设计方框图精密对称 方波发生器湿敏电阻稳压电源对数放大器 （兼半波整流）稳压温度补偿电路 （恒温器）湿度校准电路 及滤波器断点补偿电路输出放大器C8051F020 单片机湿度显示、超量程报警 自动浇水3四 设计原理4.1 精密对称方波发生器湿敏电阻只能用交流的，直流会导致湿敏失效，因为直流的电场会导致高分子材料中 的带电粒子偏向两极，一定时间以后湿敏电阻就会失效。所以必须用交流维持其平衡，这 也是为什么测湿敏电阻阻值要用电桥而不能用普通万用表的原因。 水分子是极性分子，在直流电厂中会分解为 H2 和 O2, 影响测量，并且在湿敏传感器 中存在导电离
14、子，在高湿情况下，如采用直流电会漂移造成电导率漂移，影像传感器的使 用寿命。 综上所述：鉴于当直流电流通过湿敏电阻会产生电化学迁移现象而损坏湿敏电阻，因 此必须采用交流信号或对称方波信号来驱动湿敏电阻。 这里选用具有稳幅作用的精密对称方波发生器作为信号源，其输出信号中不包含直流 分量。4.2 湿敏电阻传感器湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化这一原理而 制成的。工业上流行的湿敏电阻主要有：半导体陶瓷湿敏电阻、氯化锂湿敏电阻、有机高 分子膜湿敏电阻。湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的 水蒸气吸附在感湿膜上时元件的电阻率和电阻值都发生变化。 P
15、CRC-55 型湿敏电阻是用经过化学方法处理的聚苯乙烯聚合物制成的。其电阻值（R） 与相对湿度（RH）的影响曲线如图 4.2.1 湿敏电阻特性曲线所示。该曲线近似为指数曲线。 当湿度从 20%变化到 100%时，电阻值就从 100M 迅速减小到 35K ，电阻变化量超过了 4 个数量级。因此，构成相对湿度测量仪时必须进行线性化，才能获得线性输出电压。 PCRC-55 的温度系数为0.36%RH/，精度为1% 。图 4.2.1 湿敏电阻特性曲线4.3 对数放大器为解决湿敏电阻的非线性问题，由晶体管和运算放大器构成对数放大器，对湿敏电阻 的指数型特性曲线进行线性化。44.4 相对湿度校准电路利用湿
16、度校准电路对 40%RH、 100%RH 两点进行校准， 再通过滤波器产生一个代表相 对湿度的直流输出电压， 输出电压范围是 0+10V， 所对应的相对湿度变化范围是 （0100%） RH。4.5 断点放大器所谓“断点”就是指 40%RH 这一点，由图 4.2.1 湿敏电阻特性曲线可见，PCRC-55 型湿敏电阻在 RH40%时的非线性失真最为显著， 针对这种情况可通过断点放大器再做一 次局部线性化处理。4.6 温度补偿电路4.6.1 湿敏电阻的温度补偿由于湿敏电阻具有负温度系数，因此要对其负温度系数进行一定的温度补偿，这里我 采用集成恒流源的正温度系数去补偿湿敏电阻的负温度系数。4.6.2
17、对数放大电路中晶体管的温度补偿当环境温度发生变化时，必然导致组成对数放大器的晶体管的直流工作点也发生变 化，而这也终究会影响到对数放大器的输出特性。因此要对组成对数放大器的晶体管采取 一定的温度补偿措施，即用一片廉价的集成音频放大器对其进行补偿。4.7 数据处理及自动浇水系统利用单片机对湿敏电阻这一传感器所采集的代表土壤湿度的电压信号进行处理、分 析，并对土壤湿度进行实时显示、超范围报警及自动浇水5五 电路设计5.1 精密对称方波发生器5.1.1 电路图电路图如图 5.1.1 精密对称方波发生器所示。图 5.1.1 精密对称方波发生器5.1.2 原理精密对称方波发生器由集成运放 IC-1a（L
18、F347） 、三端可调电流源 IC2（LM334） 、和 二极管桥路 （VD1VD4） 组成。 利用二极管桥路和电阻 R2、R3 构成的正反馈电路使 IC-1a 产生振荡。该方波发生器具有对称输出、限流和稳幅的特性。 R1 为设定电阻（RSET） ，取 R1=15 时可将 LM334 的输出电流限定在 5mA 左右。利 用二极管桥路的正、反向钳位作用，能把输出方波电压 U01 的幅度限制在8V。谐振频率 约为 100HZ。 随着振荡电容 C1 不断的进行充、放电，在 U01 端便形成了以零伏为对称轴的方波信 号，其直流分量为零。R2、R3 组成分压器，用于设定 IC1 的阈值电压（即门限电压）
19、 ，进 而控制 IC-1a 的翻转状态。 对称方波发生器输出的 U01 信号通过缓冲器（IC-1b）驱动湿敏电阻。65.2 湿敏电阻传感器5.2.1 电路图电路图如图 5.2.1 湿敏电阻传感器所示。图 5.2.1 湿敏电阻传感器5.2.2 原理PCRC-55 型湿敏电阻是用经过化学方法处理的聚苯乙烯聚合物制成的。其电阻值（R） 与相对湿度（RH）的影响曲线如图 5.2.2 湿敏电阻特性曲线所示。当相对湿度从 20%变化 到 100%时，电阻值就从 100M 迅速减小到 35K 电阻变化量超过 4 个数量级。图 5.2.2 湿敏电阻特性曲线 在方波信号的正半周期，VD5 截止，在负半周期，VD
20、5 导通。75.3 对数放大器5.3.1 电路图电路图如图 5.3.1 对数放大器所示。图 5.3.1 对数放大器5.3.2 原理对数放大器由晶体管 VT1 和运放 IC-1c 构成。 将 VT1 的基极接地、集电极接 A 点（虚地）时，相当于把集电极与基极短接，VT1 就等效于硅二极管。 此对数放大器用来补偿湿敏电阻的指数曲线，使之近似于线性关系。实现对湿敏电阻 的线性化。 在方波信号的正周期，IC-1c 作为反相放大器使用，输出的是负向方波信号，在负半 周期，对数放大器不工作。因此对数放大器兼有半波整流作用。85.4 相对湿度校准电路5.4.1 电路图电路图如图 5.4.1 相对湿度校准电
21、路所示。图 5.4.1 相对湿度校准电路5.4.2 原理相对湿度校准电路由 IC-1d 和电位器 RP1、RP2 组成。RP1 用以校准 40%RH 的刻度， RP2 用来校准 100%RH 的刻度。95.5 断点放大器5.5.1 电路图电路图如图 5.5.1 断点放大器电路所示。图 5.5.1 断点放大器电路5.5.2 原理所谓“断点”就是指 40%RH 这一点。PCRC-55 型湿敏电阻在 RH40%时的非线性失 真最为显著，针对这种情况断点放大器再做一次局部的线性化处理。 断电放大器 （IC-3b） 就并联在输出放大器 （IC-3a） 的两端。 当 RH40%时， 利用 IC-3b 可以
22、改变 IC-3a 的增益，使相对湿度特性曲线在 040%范围内更接近于线性。 当 RH40%时，IC-3b 输出低电平，故 VT4、VD6 截止，断电放大器不工作，对 （40%100%）相对湿度的线性化任务全部由对数放大器来完成。仅当 RH=40%时，IC-3b 的输出变成高电平，使 VT4、VD6 导通，断电放大器才开始工作，可使 040%相对湿度范 围内的输出电压与相对湿度仍保持线性关系。 电路中 R13 和 VD6 的作用是防止在断点附近产生抖动现象。105.6 温度补偿电路5.6.1 电路图电路图如图 5.6.1 温度补偿电路所示。图 5.6.1 温度补偿电路5.6.2 原理 湿敏电阻
23、的温度补偿利用 LM334 的正温度系数（+0.33%/）去补偿湿敏电阻的负温度系数（-0.36%/） ， 实际温度系数仅为-0.03%/，它与传感器的1%精度指标相比完全可以忽略。LM334 的 安装位置应尽量靠近湿敏电阻。 LM334 即可构成恒流源，还可作为电压灵敏度为 227 V/K 的温度传感器使用，这里 仅利用其恒流特性，从而大大提高了方波幅度的稳定性。对数放大电路中晶体管的温度补偿当环境温度发生变化时， 必然导致组成对数放大器的晶体管 VT1 的直流工作点也发生 变化，而这也终究会影响到对数放大器的输出特性。因此要对 VT1 采取一定的温度补偿措 施。 温度补偿电路实际上是由 I
24、C4IC6 和 VT2、VT3 等组成的小型恒温槽是控制器，并且 需将 VT2、VT3 与 VT1 紧贴在一起。将 VT2 的集电极短接，利用其发射结作为温度传感 器使用。IC5 是温控电路。VT3 作为加热器，给 VT1 提供一个+50（典型值）的工作温 度，使之不受外界环境温度变化的影响。IC6（7812）给 IC5 提供+12V 稳定电压。IC5 的 参考电压 U3=+0.63V，该电压所对应的 VT1 管壳温度恰好为+50。一旦 VT1 始终工作在 +50恒温状态，从而消除了环境温度变化对 VT1 工作点的影响。VDZ 为 3V 稳压管。115.7 数据处理及自动浇水系统5.7.1 单
25、片机外围电路 电源电路在电源电路中， IC8 SPX1117-3.3 是稳压芯片将输入电压 5V 转换成 3.3V 作为 C8051F020 单片机的主要供电电源。S1 为输入电源开关按钮，在下载完数据后可用此按键 来更新下载数据。其电路图如图 5.7.1 电源电路所示。图 5.7.1 电源电路12复位电路当开发板上电时， C4 经充电后复位端电压相当于低电平实现上电复位： 当断电后通过 1N4148 形成放电回路。其电路图如图 5.7.2 复位电路所示。图 5.7.2 复位电路液晶显示（LCD）接口电路单片机留有一个 LCD 液晶接口，相对应的液晶为 MzL05-12864，它是一款仅写入的
26、 串行 SPI 接口方式的液晶， 给液晶仅需 5 个控制口即可完成对其控制。 单片机使用模拟 SPI 的方式对液晶进行操作。其电路图如图 5.7.3 液晶接口电路所示。图 5.7.3 液晶接口电路13晶振电路Y1 为晶体振荡器，其振荡频率为 22.11842MHZ，为单片机提供其工作所需要的时钟， C7、C8 起到帮助晶振的作用。电路图如图 5.7.4 晶振电路所示。图 5.7.4 晶振电路报警(LED)电路LED 以灌电流的方式点亮，阻流电阻选择了 10K。电路图如图 5.7.5 报警电路所示。图 5.7.5 报警电路145.7.2 模块单片机程序设计主要有五部分组成。 第一部分：采集表示湿
27、度的电压信号。 第二部分：十六进制至 BCD 的转换。 第三部分：液晶显示（湿度） 第四部分：报警（湿度过高，超量程） 第五部分：自动浇水（湿度过低，需要浇水）5.7.3 程序 采集表示湿度的电压信号程序MOV 30H,ADC0H MOV 31H,ADC0L十六进制数至 BCD 的转换程序BCD: CLR A MOV 41H,A MOV 40H,A MOV 39H,A MOV 38H,A MOV 37H,A MOV R5,#16 H2B: CLR C MOV A,31H RLC A MOV 31H,A MOV A,30H RLC A MOV 30H,A MOV A,41H ADDC A,41H
28、 DA A MOV 41H,A MOV A,40H ADDC A,40H DA A MOV 40H,A MOV A,39H ADDC A,39H MOV 39H,A DJNZ R5,H2B MOV A,41H MOV B,#1615DIV AB MOV 38H,A MOV 37H,B MOV A,39H MOV 41H,A MOV A,40H MOV B,#16 DIV AB MOV 40H,A MOV 39H,B RET液晶显示（湿度）程序SYSCLK_Init: MOV OSCICN,#05H RET PORT_Init: CLR A MOV XBR0,A MOV P74OUT,#0F0H
29、 RET LCD_Init: LCALL Delay MOV P7,#038H MOV P6,#01H MOV P6,#0H LCALL Delay MOV P7 ,#0EH MOV P6,#01H MOV P6,#0H LCALL Delay MOV P7,#06H MOV P6,01H MOV P6,#0H LCALL Delay MOV P7,#01H MOV P6,#01H MOV P6,#0H LCALL Delay RET Line: CLR A MOV A,40H MOVC A,A+DPTR MOV P7,A MOV P6,#05H MOV P6,#04H LCALL Delay
30、 /系统时钟初始化为片内的 4MHz 时钟 /清零累加器 /没有选择数字外设 /P4P7 口设为推拉方式 /调用延时程序 /功能设置：两行显示，57 点阵 /写命令 /结束写命令 /调用延时程序 /开显示，开光标，字符不闪烁 /写命令 /结束写命令 /调用延时程序 /I/D=1，AC 自动增 1；S=0，整体显示不移动 /写命令 /结束写命令 /调用延时程序 /清除 DDRAM，置 AC=0 /写命令 /结束写命令 /调用延时程序 /累加器清零 /十位的数送累加器 /查表，取 ASCII 码字符 /字符送数据口 P7 /写数据操作 /结束写操作 /调用延时程序16CLR C MOV A,40H
31、 LCALL DELAY LCALL DELAY LCALL DELAY LCALL DELAY NN: MOV A,39H MOVC A,A+DPTR MOV P7,A MOV P6,#05H MOV P6,#04H LCALL Delay MOV A,#0AH MOVC A,A+DPTR MOV P7,A MOV P6,#05H MOV P6,#04H LCALL Delay MOV A,38H MOVC A,A+DPTR MOV P7,A MOV P6,#05H MOV P6,#04H LCALL Delay LCALL Delay MOV A,37H MOVC A,A+DPTR MOV
32、 P7,A MOV P6,#05H MOV P6,#04H LCALL Delay LCALL Delay MOV A,#0BH MOVC A,A+DPTR MOV P7,A MOV P6,#05H MOV P6,#04H LCALL Delay LCALL Delay MOV A,#0DH MOVC A,A+DPTR MOV P7,A MOV P6,#05H MOV P6,#04H/进位位清零 /十位数送累加器 /调用延时程序 /调用延时程序 /调用延时程序 /调用延时程序 /个位的数送累加器 /查表，取 ASCII 码字符 /字符送数据口 P7 /写数据操作 /结束写操作 /调用延时程序
33、/显示小数点 /查表，取 ASCII 码字符 /字符送数据口 P7 /写数据操作 /结束写操作 /调用延时程序 /十分位的数送累加器 /查表，取 ASCII 码字符 /字符送数据口 P7 /写数据操作 /结束写操作 /调用延时程序 /调用延时程序 /百分位的数送累加器 /查表，取 ASCII 码字符 /字符送数据口 P7 /写数据操作 /结束写操作 /调用延时程序 /调用延时程序 /显示空格 /查表，取 ASCII 码字符 /字符送数据口 P7 /写数据操作 /结束写操作 /调用延时程序 /调用延时程序 /显示“S” /查表，取 ASCII 码字符 /字符送数据口 P7 /写数据操作 /结束写
34、操作17LCALL Delay /调用延时程序 LCALL Delay /调用延时程序 RET NCDdata: DB 30H,31H,32H,33H,34H,35H,36H,37H,38H,39H,2EH,20H,63H,53H/ASCII 码表报警（湿度过高，超量程）程序MM: MOV A,40H CLR C SUBB A,#03H JC NN MOV A,#0FDH MOV P0,A /十位的数送累加器 /进位位清零 /十位的数与 3 比较（判断是否大于 30） /进位位为 1 时跳 （小于 30 时跳到 NN,大于 30 时顺序执行） /第二盏灯亮 /第二盏灯已亮（湿度已超量程、报警）
35、自动浇水（湿度过低，需要浇水）程序SUBB A,#02H JNC MM MOV A,#0FEH MOV P0,A /十位的数与 2 比较（判断是否小于 20） /进位位为 0 时跳（大于 20 时跳到 MM,小于 20 时顺序执行） /第一盏灯亮 /第一盏灯已亮（浇水）18六 工作过程分析6.1 精密对称方波发生器工作过程分析利用二极管桥路和电阻 R2、R3 构成的正反馈电路使 IC-1a 产生振荡。该方波发生器 具有对称输出、限流和稳幅的特性。 R1 为设定电阻（RSET） ，取 R1=15 时可将 LM334 的输出电流限定在 5mA 左右。利 用二极管桥路的正、反向钳位作用，能把输出方波
36、电压 U01 的幅度限制在8V。谐振频率 约为 100HZ。 随着振荡电容 C1 不断的进行充、放电，在 U01 端便形成了以零伏为对称轴的方波信 号，其直流分量为零。R2、R3 组成分压器，用于设定 IC1 的阈值电压（即门限电压） ，进 而控制 IC-1a 的翻转状态。 对称方波发生器输出的 U01 信号通过缓冲器（IC-1b）驱动湿敏电阻。6.2 湿敏电阻传感器工作过程分析PCRC-55 型湿敏电阻是用经过化学方法处理的聚苯乙烯聚合物制成的。当相对湿度从 20%变化到 100%时，电阻值就从 100M 迅速减小到 35K 电阻变化量超过 4 个数量级。 对称方波发生器输出的 U01 信号
37、通过缓冲器（IC-1b）驱动湿敏电阻，再接至对数放 大器 IC-1c 的反相输入端 A。A 点亦称求和点或虚地点，该点的电位可是为 0V。设湿敏电 阻 R 上的电流为 IRH，很容易求出 U 01 IRH ? ?（6.2.1） R 在方波信号的正半周期，VD5 截止，在负半周期，VD5 导通。6.3 对数放大器工作过程分析将 VT1 的基极接地、集电极接 A 点（虚地）时，相当于把集电极与基极短接，VT1 就等效于硅二极管。VT1 的发射极电压（UBE）与集电极电流（IC）呈对数关系，其表达 式为UBE ? kT IC ? ln ?（6.3.1） q IS式中 k 为玻尔兹曼常数 k ? 8.
38、63?10?5 qV / K ，q 为电子电量（ q ? 1.60219?10?19 C ） ，T 为热 力学温度（K） ，IS 为晶体管反向饱和电流。根据这一特性可设计成对数放大器用来补偿湿 敏电阻的指数曲线，使之近似于线性关系。利用电路实现线性化的原理如下 湿敏电阻的电阻值相对湿度的关系式可近似表示为R ? Ae? RH ?（6.3.2）式中 A 为一变量，RH 代表相对湿度（单位是%） 。令 VT1 发射极输出电压为 U02， 显然，U02=UBE。考虑到 IC=IRH 与式（6.2.1）和式（6.3.2）一并代入式（6.3.1）中化简后 得到? kT U 01 ? U 02 ? UBE
39、 ? ? ? q ? ln R ? ? ? RH ?（6.3.3） ? ?19不难看出，U02 与相对湿度成正比，这就实现了对湿敏电阻的线性化。 在方波信号的正周期，U01=+8V，使 VD5 截止，U01 途径湿敏电阻、求和点 A，接 VT1 的集电极，在利用电路中的 VT1 对 IRH 求对数。因 IC-1c 作为反相放大器使用，故 U02 输出的是负向方波信号，在负半周期时，U01=-8V，使 VD5 导通对数放大器不工作。 因此对数放大器兼有半波整流作用。6.4 湿度校准工作过程分析U02 送至 IC-1d 的反相输入端。 RP1 用以校准 40%RH 的刻度，RP2 用来校准 100
40、%RH 的刻度。 校准后的信号通过滤波电容（C3）得到直流信号，再经过输出放大器 IC-3a 放大，获 得 0+10V 的输出电压6.5 断点校准工作过程分析所谓“断点”就是指 40%RH 这一点。PCRC-55 型湿敏电阻在 RH40%时的非线性失 真最为显著，针对这种情况断点放大器再做一次局部的线性化处理。 当 RH40%时，利用 IC-3b 可以改变 IC-3a 的增益，使相对湿度特性曲线在 040%范 围内更接近于线性。 设 IC-3a 的同相输入端电压为 U1（这也是 IC-3b 的反相输入端电压） ，IC-3b 的同相输 入端电压为 U2。不难计算出 U2=+0.37V，该电压即为
41、 IC-3b 的参考电压。当 RH40%时， 因 U1U2，IC-3b 输出低电平，故 VT4、VD6 截止，断电放大器不工作，对（40%100%） 相对湿度的线性化任务全部由对数放大器来完成。 仅当 RH=40%时， U10.36VU2， IC-3b 的输出变成高电平，使 VT4、VD6 导通，断电放大器才开始工作，可使 040%相对湿度范 围内的输出电压与相对湿度仍保持线性关系。 电路中 R13 和 VD6 的作用是防止在断点附近产生抖动现象。6.6 温度校准工作过程分析6.6.1 湿敏电阻的温度补偿利用 LM334 的正温度系数（+0.33%/）去补偿湿敏电阻的负温度系数（-0.36%/
42、） ， 实际温度系数仅为-0.03%/，它与传感器的1%精度指标相比完全可以忽略。LM334 的 安装位置应尽量靠近湿敏电阻。 LM334 即可构成恒流源，还可作为电压灵敏度为 227 V/K 的温度传感器使用，这里 仅利用其恒流特性，从而大大提高了方波幅度的稳定性。206.6.2 对数放大电路中晶体管的温度补偿当环境温度发生变化时， 必然导致组成对数放大器的晶体管 VT1 的直流工作点也发生 变化，而这也终究会影响到对数放大器的输出特性。因此要对 VT1 采取一定的温度补偿措 施。 温度补偿电路实际上是由 IC4IC6 和 VT2、VT3 等组成的小型恒温槽是控制器，并且 需将 VT2、VT
43、3 与 VT1 紧贴在一起。将 VT2 的集电极短接，利用其发射结作为温度传感 器使用。IC5 是温控电路。VT3 作为加热器，给 VT1 提供一个+50（典型值）的工作温 度，使之不受外界环境温度变化的影响。IC6（7812）给 IC5 提供+12V 稳定电压。IC5 的 参考电压 U3=+0.63V，该电压所对应的 VT1 管壳温度恰好为+50。一旦 VT1 始终工作在 +50恒温状态，从而消除了环境温度变化对 VT1 工作点的影响。VDZ 为 3V 稳压管。6.7 数据处理及自动浇水系统工作过程分析6.7.1 单片机运行 自动浇水：湿度过低，需要浇水。当湿度显示的数小于“20S”时，表示
44、湿度过低，此时需要浇水（左边第一盏灯亮） 。液晶 显示器显示湿度。 如图 6.7.1 湿度过低，需要浇水所示。图 6.7.1 湿度过低，需要浇水21报警：湿度过高，超量程报警。当湿度显示的数大于“30S”时，表示湿度过高，已超量程， （左边第二盏灯亮） 。液晶显 示器显示湿度 如图 6.7.2 湿度过高，超量程报警所示。图 6.7.2 湿度过高，超量程报警22显示：湿度显示。当湿度显示的数界于“20S30S”时，表示湿度适宜，液晶显示器显示湿度。 如图 6.7.3 湿度显示所示。图 6.7.3 湿度显示236.7.2 源程序$INCLUDE(C8051F020.INC) ORG 0000H L
45、JMP MAIN ORG 007BH LJMP ADISR ORG 0100H MAIN: MOV AMX0CF,#00 MOV AMX0SL,#00 MOV REF0CN,#03H MOV ADC0CF,#58H MOV XBR2,#40H MOV P1MDOUT,#00H MOV ADC0CN,#80H MOV EIE2,#02H SETB EA ORL ADC0CN,#10H LCALL STOP LCALL SYSCLK_Init LCALL PORT_Init MOV 35H,#0FFH AJMP $ ADISR: MOV 30H,ADC0H MOV 31H,ADC0L LCALL
46、BCD LCALL STOP LCALL SYSCLK_Init LCALL PORT_Init LCALL Delay ANL ADC0CN,#0DEH ORL ADC0CN,#10H LOP1: RETI BCD: CLR A MOV 41H,A MOV 40H,A MOV 39H,A MOV 38H,A MOV 37H,A MOV R5,#16/调用系统时钟初始化 /调用通用 I/O 口及交叉开关初始化/调用系统时钟初始化 /调用通用 I/O 口及交叉开关初始化 /调用延时程序24H2B: CLR C MOV A,31H RLC A MOV 31H,A MOV A,30H RLC A M
47、OV 30H,A MOV A,41H ADDC A,41H DA A MOV 41H,A MOV A,40H ADDC A,40H DA A MOV 40H,A MOV A,39H ADDC A,39H MOV 39H,A DJNZ R5,H2B MOV A,41H MOV B,#16 DIV AB MOV 38H,A MOV 37H,B MOV A,39H MOV 41H,A MOV A,40H MOV B,#16 DIV AB MOV 40H,A MOV 39H,B RET STOP: LCALL SYSCLK_Init LCALL PORT_Init LCALL Delay LCALL Delay LCALL Delay LCALL LCD_Init LCALL Delay MOV DPTR,#NCDdata Line: CLR A MOV A,40H MOVC A,A+DPTR /十六进制至 BCD 的转换 /调用系