硬件电路的设计

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3.1系统的功能分析及体系结构设计

3.1.1系统功能分析

本设计由STC89C52单片机电路+LCD1602液晶显示电路+光照检测电路+土壤湿度传感器电路+A/D采样PCF8591电路+风扇控制电路+继电器控制电路+高亮LED灯补光电路+高亮LED灯加热电路+按键控制电路+电源电路组成。

1、通过光敏电阻检测光照强度，然后A/D模块PCF8591处理后，将光照强度值实时显示在液晶上，并且可以按键控制光照的强度值，

当光照低于设定的阈值，1颗白色高亮LED灯亮进行补光，光照高于设定的阈值，就不用管。

2、通过DS18B20检测温度值，并且实时显示在1602液晶上，并且可以通过按键设定温度值，当温度低于设定值时，通过一颗黄色高亮LED灯模拟。当温度超过设定值时，风扇旋转。

3、通过土壤湿度传感器检测土壤的湿度，并且将湿度值实时显示在液晶上，并且可以设定土壤的使读者，当土壤湿度小于设定的阈值，水泵加水。大于阈值时，不动作。

3.1.2系统总体结构

本系统具体框图如下图所示：

原理图：

光照检测电路设计

光敏电阻（photoresistor or light-dependent resistor，后者缩写为ldr）或光导管（photoconductor），常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。

本系统选择光敏电阻作为检测光照的器件，光敏电阻是用硫化隔或硒化隔等半导体材料制成的特殊电阻器，其工作原理是基于内光电效应。光照愈强，阻值就愈低，随着光照强度的升高，电阻值迅速降低，亮电阻值可小至1KΩ以下。光敏电阻对光线十分敏感，其在无光照时，呈高阻状态，暗电阻一般可达1.5MΩ。光敏电阻的特殊性能，随着科技的发展将得到极其广泛应用。在本设计中，通过串联一个电阻实现光敏电阻的分压，电阻为分压电阻，同时也保护光敏电阻。

其原理图如下图所示。

TRSD土壤湿度传感器模块电路设计

在本设计中选择土壤湿度传感器来检测土壤的湿度，通过电位器调节土壤湿度控制阀值，可以自动对菜园、花园以及花盆土壤湿度进行检测控制，从而实现自动浇水。

本土壤湿度传感器表面采用镀镍处理，有加宽传感器感应面积、提高导电性能、防止接触土壤使传感器容易生锈、延长传感器使用寿命等作用。

一、接线说明（3线制）

（1）VCC 外接3.3V-5V

（2）GND 外接GND

（3）DO 小板数字量输出接口（0和1）

（4）AO 小板电压模拟量输出

二、模块使用说明：

（1）本传感器适用于土壤的湿度检测；

（2）本传感器可以宽范围控制土壤的湿度，通过电位器调节控制相应阀值，湿度低于设定值时，DO输出高电平；高于设定值时，DO输出低电平。数字量输出DO可以与单片机直接相连，哦通过单片机来检测高低电平，由此来检测土壤湿度。模块中蓝色的电位器是用于土壤湿度的阀值调节，顺时针调节，控制的湿度会越大，逆时针越小。

（3）模块也有模拟接口，可以检测出土壤湿度的模拟信号。传感器的模拟量输出接口AO引脚可以与AD模块相连，通过AD转换，可以获得更精确的土壤湿度数值。

土壤湿度传感器模块内部电路图如下图所示，其中R1电阻为分压电阻，将土壤湿度传感器检测到的土壤湿度信息转化为模拟电压信号即AO，模拟量信号接入LM393比较器后，即可与LM393比较器芯片2号引脚所接的电位器分压后的模拟电压进行比较，进而得出DO数字信号（即高低电平信号）。C1、C2为滤波电容，C1电容对电源进行滤波，让电源输出更稳定。C2电容对模拟信号进行滤波，保证模拟信号输出的稳定性。R2、R3均为限流电阻，来保护LED灯，防止LED灯烧坏，LED灯均为低电平有效。R4为上拉电阻，上拉就是将不确定的信号通过一个电阻钳位在高电平，同时起限流作用。保证LM393比较器输出的高低电平信号在与单片机引脚连接时电平信号的读取更加稳定。

PCF8591 A/D采样电路设计

本系统选择PCF8591作为A/D采样芯片。PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bit CMOS数据获取器件。PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I²C总线接口。PCF8591的3个地址引脚A0, A1和A2可用于硬件地址编程，允许在同个I2C总线上接入8个PCF8591器件，而无需额外的硬件。在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I2C总线以串行的方式进行传输。

一、芯片特性

（1）单独供电

（2）PCF8591的操作电压范围2.5V-6V

（3）低待机电流

（4）通过I2C总线串行输入/输出

（5）PCF8591通过3个硬件地址引脚寻址

（6）PCF8591的采样率由I2C总线速率决定

（7）个模拟输入可编程为单端型或差分输入

（8）自动增量频道选择

（9）PCF8591的模拟电压范围从VSS到VDD

（10）PCF8591内置跟踪保持电路

（11）8-bit逐次逼近A/D转换器

其具体原理图如下图所示。两个电阻为上拉电阻，让数字信号的读取更稳定。

补光灯电路设计

超高亮LED是比一般LED发光二极管的亮度高近百倍的新型LED，其外壳是无色透明树脂封装，其发光体本身就能发出某一波长的光，从而呈现出某一种颜色。在本设计中，选择白色高亮LED灯作为照明灯使用。

一、白色高亮LED灯的优点。

（1）寿命长，可靠耐用，维护费用极为低廉，可连续使用105h，比普通白炽灯泡长100倍；

（2）高效率，其发光效率可达80%～90%，LED比节能灯还要节能1/4；

（3）点亮速度快。

在本设计中， LED灯均为高亮LED灯，电阻为限流电阻，保护三极管。当单片机的控制引脚为低电平时，高亮LED灯亮。否则，高亮LED灯不亮。补光灯电路原理图如下图所示。

系统软件设计