系统框图入图 2—1 所示。 显示模块 电源模块 主控模块 键盘模块 执行模块 温度 检测 模块 湿度 检测 模块 亮度 检测 模块 CO2 检测 模块 图 1—1 系统框图 1 2.2 设计方案论证 1)主控制器模块 方案一:采用 51 单片机控制系统。单片机算术运算功能强,软件编程灵活、自 由度大,可用软件编程实现各种算法和逻辑控制,并且有功耗低、体积小、技术成熟 和成本低等优点,能满足题目要求。 方案二:采用 FPGA(现场可编程逻辑门阵列)作为系统的控制核心。由于 FPGA 具有强大的资源,使用方便灵活,易于进行功能扩展,并且可应用 EDA 软件仿真、调 试,易于进行功能扩展。但其成本偏高,引脚较多,硬件电路布线复杂。 根据以上具体分析选择方案一。 2)电源模块 方案一:采用稳压管稳压,可以稳定 5V 电压,但是稳压效果不稳定。 方案二:采用变压器降压,7805 作稳压管,稳压性能稳定。 综合考虑,采用方案二。 3)温度检测模块: 方案一:采用热敏电阻,此元件虽然价格便宜,但是其非线性特性会影响系统精 度。 方案二:选用美国 Dallas 半导体公司的数字化温度传感器 DS18B20。DS18B20 为 数字式温度传感器,无需其他外加电路,直接输出数字量。可直接与单片机通信,读 取测温数据,电路简单。此器件具有体积小、抗干扰强、价格便宜、性能稳定等优点 其各方面特性都满足此系统的设计要求 根据以上分析选择方案二。 4)湿度检测: 方案一:采用 HR202 湿敏电阻作为湿度检测传感器,其电阻随着湿度变化范围较 大,而且不是线性变化,检测输出量为模拟量,须经 AD 转换之后才能由单片机处 方案二:HS1101 是基于独特工艺设计的固态聚合物结构,在电路中等效于一个 电容器,其电容随所测空气的相对湿度增大而增大。具有极好的线性输出,在相对湿 度为 0~100%RH 的范围内, 电容的容量由 163 pF 变化到 202 pF, 其误差不大于±2% 2 RH;湿度量程为 1~99%RH,工作温度范围为-40℃~100℃;湿度输出受温度影响极 小(温度系数仅为 0.04 pF/℃);常温下使用无需温度补偿,无需校准。 综合考虑,采用方案二。 5)亮度检测: 方案一:采用光敏电阻作为亮度检测的传感器,其阻值较大,且随着光照强度增 强阻值减小。 方案二:采用光强传感器 TSL2561,一种高速、低功耗、宽量程、可编程灵活配 置的光强度数字转换芯片。该芯片可广泛应用于各类显示屏的监控,目的是在多变的 光照条件下,使得显示屏提供最佳的显示亮度并尽可能降低电源功耗;还可以用于街 道光照控制、安全照明等众多场合。 综合考虑,采用方案二。 6)显示模块: 方案一:采用液晶显示屏。液晶显示屏(LCD)具有功耗小、轻薄短小无辐射危 险,平面直角显示以及影象稳定不闪烁,可视面积大,画面效果好,抗干扰能力强等 特点。 方案二:采用四位七段数码显示管分别显示光照的有无、温度的百、十、个位。 数码管具有:低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化,对外界环境要求较低。同时 数码管采用 BCD 编码显示数字,程序编译容易,资源占用较少。 根据题目要求选择方案一。 7)键盘模块 键盘采用 4*4 矩阵键盘,键值读取方法采用扫描法,端口使用 P2 口,其中 P2.0~ P2.3 做行线,P2.4~P2.7 做列线,在对行、列扫描之前,先会扫描整个 P2 口,当读 到有键按下才,会去具体扫描行与列。 8)执行模块: 方案:当温度高于设定温度时,主控器控制报警模块工作;当湿度和 CO2 浓度 高于设定值时,主控器自动启动风扇电机,打开通风口降低湿度和 CO2 浓度高于设定 湿度和 CO2 浓度时,自动关闭通风口;当光照达不到设定值时,主控器启动光照模块。 3 系统框图如 图 2-2 显显检 检 温 温 电电检检 主温检 检 温温温温温温 温温检检 温温温温温温 湿温温温温温 电电温温 电电温温 温 温 湿温温温温温 二二二二温温 亮温温温温温 C 浓温温温温温 O2 亮温温温温温 键键检检 温温温温温温 湿温温温温温 键键温温 键键温温 C 浓温温温温温 O2 亮温温温温温 执执检检 温温温温温温 湿温温温温温 C 浓温温温温温 O2 亮温温温温温 图 2—2 系统框图 3.系统硬件设计 3.1 电路设计 1)主控电路:由 80C51 单片构成单片机最小系统是整个电路的核心,起到处理和 控制的功能。如图 3—1 所示 V C C P 1 1.0 P 2 1.1 P 3 1.2 P 4 1.3 P 5 1.4 P 6 1.5 P 7 1.6 8 9 R 10 D W 11 R E 12 13 14 15 16 17 18 19 20 U 1 P 1.0 V C C P 1.1 P 0.0( D A 0) P 1.2 P 0.1( D A 1) P 1.3 P 0.2( D A 2) P 1.4 P 0.3( D A 3) P 1.5 P 0.4( D A 4) P 1.6 P 0.5( D A 5) P 1.7 P 0.6( D A 6) R S ET P 0.7( D A 7) P 3.0( X ) E /V P R D A P P 3.1( X ) T D AE L /P P 3.2( N 0) I T P E S N P 3.3( N 1) 2.7( 15) I TP A P 3.4( 0) P T 2.6( 14) A P 3.5( 1) P T 2.5( 13) A P 3.6( R P W ) 2.4( 12) A P 3.7( D P R ) 2.3( 11) A XA1 P T L 2.2( 10) A XA0 T L P 2.1( 9) A G D N P 2.0( 8) A 8051 30pF G D N 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 V C C P 0.0 P 0.1 P 0.2 P 0.3 P 0.4 P 0.5 P 0.6 P 0.7 S 1 C 3 10pF R 1 10K G D N C 1 30pF C 2 Y 1 2 P 2.7 P 2.6 P 2.5 P 2.4 P 2.3 P 2.2 P 2.1 P 2.0 1 图 3—1 主控电路 4 2)电源电路:变压器和 7805 组成电源稳压电路。直流稳压电路的方框图, 如图 3—2 所示 图 3—2 直流稳压电路的方框图 如图 3—3 所示 T 1 U 1 D 1 220V 7805 V in V out GD N C4 100pF V CC C5 100pF GD N 图 3—3 电源电路 3)温度检测电路: 温度采集选用了 DS18B20 温度传感器,其特点如下: (1)在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向 通讯。 (2)测温范围 -55℃~+125℃,固有测温分辨率 0.5℃。 (3)支持多点组网功能,多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上,最多只能并 联 8 个,如果数量过多,会使供电电源电压过低,从而造成信号传输的不稳定,实现 多点测温。 (4)工作电源: 3~5V/DC。 5 (5)在使用中不需要任何外围元件。 (6)测量结果以 9~12 位数字量方式串行传送。 由 DS18B20 组成温度检测电路。如图 3—4 所示 G D N P2 3 2 1 D 18B V C S 20 C P1.1 R 6 4.7K V C C 图 3—4 温度检测电路 4)湿度检测电路: 湿度传感器 HS1 101 作为可变电容与单片机 LPC2132 管脚 P1.0 相连。控制电压 端之所以用电阻 R4=909k 欧,而不用 O.1μF 电容,是为了匹配湿度传感器 HS1101 的温度系数而引进的一个温度系数。R5=1k 欧是短路保护电阻,为了使占空比尽量接 近 50% ,R5 要选得比 R3 小得多,但应保证电路的输出频率在 6660Hz 附近,此处选 R4=49.4kQ,R3=576k 欧. 由 HS1101 组成湿度检测电路。如图 3—5 所示 6 V CC R2 49.9K P1.0 R5 1K R3 576K H S1101 Q T R D CCV T R H V CC 909K C6 R4 GD N 图 3—5 湿度检测电路 5)亮度检测电路: SL2561 内部连接一个光敏二极管和一个红外响应光敏二极管。这个集成电路具 有提供 20 位动态范围内近适光响应的能力。两个集成的积分式 A/D 转换器,可将光 敏电流转换成一个数字输出,并存入芯片内部通道 0 和通道 1 各自的寄存器中。数字 输出表示测量每一个通道的光强,可以是微处理器的输入。微控制器则通过对其内部 的 16 个寄存器的读写来实现对 TSL2561 的控制。 由 TSL2561 构成的亮度检测电路,如图 3—6 所示 R 10 2K T 2561 SL 1 2 3 6 5 4 R 11 3K R 13 2K R 12 2K V C C G D N 图 3—6 亮度检测电路 P1.3 P1.4 7 6)显示电路: 显示模块采用 LCD1602,它能够同时显示 16x02 即 32 个字符。 (16 列 2 行)在本 次设计中,第一行为提示信息,第二行为数据信息其引脚功能如下: 第 1 脚:VSS 为电源地。 第 2 脚:VDD 接 5V 电源正极。 第 3 脚:V0 为液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地电源时 对比度最高(对比度过高时会产生“鬼影” ,使用时通过一个 10K 的电位器调整对比 度) 。 第 4 脚:RS 为寄存器选择,高电平 1 时选择数据寄存器、低电平 0 时选择指令 寄存器。 第 5 脚:RW 为读写信号线,高电平(1)时进行读操作,低电平(0)时进行写操作。 第 6 脚:E(或 EN)端为使能(enable)端。 第 7~14 脚:D0~D7 为 8 位双向数据端。 第 15~16 脚:空脚或背灯电源。15 脚背光正极,16 脚背光负极。 LCD12864 组成显示电路。如图 3—7 所示 G D N P 3 C V C 7 C 33pF 7 1K R G D N R D W R E P 0.0 P 0.1 P 0.2 P 0.3 P 0.4 P 0.5 P 0.6 P 0.7 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 L D C 1602 G D N C 8 V C C 100pF 图 3—7 显示电路 8 7)键盘电路: 键盘采用 4*4 矩阵键盘,键值读取方法采用扫描法,端口使用 P2 口,其中 P2.0~ P2.3 做行线,P2.4~P2.7 做列线,在对行、列扫描之前,先会扫描整个 P2 口,当读 到有键按下才,会去具体扫描行与列。 如图 3—8 所示 S2 S3 S4 S5 R1151K S6 S7 S8 S9 R16 1K S10 S11 S12 S13 P2.0 P2.1 P2.2 S14 P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 S15 S16 S17 R17 1K R18 1K V CC P2.7 图 3—8 键盘电路 8)控制电路:当温度高于设定温度时,主控器控制报警模块工作;当湿度和 CO2 浓度高于设定值时,主控器自动启动风扇电机,打开通风口降低湿度和 CO2 浓度高于 设定湿度和 CO2 浓度时,自动关闭通风口;当光照达不到设定值时,主控器启动光照 模块。