3 硬件设计

3.1 微控制器概述和选用

计算机的产生加快了人类改造世界的步伐，但是它毕竟体积庞大。微控制器（单片机）就是在这种情况下诞生的。它是把中央处理器（CPU）、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、输入输出端口（IO）等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。它的结构与指令功能都是按照工业控制的要求设计的，在智能控制系统中，微控制器得到了广泛的应用【14】。

市场上比较流行的单片机种类主要有Intel公司、Atmel公司和Philip公司的8051系列单片机，Motorola公司的M6800系列单片机，Intel公司的MCS96系列单片机以及Microchip公司的PIC系列单片机等。各个系列的单片机各有所长，在处理速度、稳定性、IO能力、功耗、功能、价格等方面各有优劣。本文选用Atmel公司生产的AT89S52作为CPU。AT89S52是一种低功耗、低价格，高性能8位微处理器。 3.1.1 AT89S52单片机的特点

AT89S52的PDIP封装管脚如图3.1所示。

图3.1 AT89S52管脚图

3.1.2 AT89S52单片机的主要特性

AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8KBISP的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元。

AT89S52具有如下特点：40个引脚，8KB Flash片内程序存储器，256位的随机存取数据存储器，32个外部双向输入输出口，5个中断优先级，2层中断嵌套中断，3个可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，看门狗电路，片内时钟振荡器。此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。 3.2 二氧化碳数据的采集与处理

二氧化碳是植物进行光合作用的重要原料之一，可以提高植物光合作用的强度，并有利于作物的早熟丰产，增加含糖量，改善品质。而空气中的二氧化碳浓度一般约占空气体积的0.03%，远远不能满足作物优质高产

的需要。现代农业中，大都采用温室大棚进行作物的栽培和培育。在作物的整个生长期，都需要提供不同浓度的二氧化碳。适宜的二氧化碳浓度可以促使幼苗根系发达，活力增强、产量增加。而现代农业中的温室大棚，形成了一个相对封闭的环境，使得对二氧化碳浓度的控制成为可能。但是，空气中二氧化碳浓度的测量，是一个比较困难的问题，因为它涉及到测量方法、信号的获取和测量设备的成本。专业的二氧化碳浓度测量仪表的价格一般都在上万元台，在一般用户中难以普及，因此，本论文针对此问题设计一种能够应用在农业上的二氧化碳检测器。 3.2.1 二氧化碳传感器的选择

气体传感器主要可以分为金属氧化物半导体式传感器、固体电解质传感器、红外式传感器等，一般的半导体传感器测量时受环境影响较大，输出线性不稳定；电解式气体传感器气体的重复性比较差；红外线吸收散射式气体传感器灵敏度高，可重复性好，响应时间快，考虑到系统的长期稳定性和经济性选择采用红外二氧化碳传感器6004。 3.2.2 红外二氧化碳传感器的工作原理

本课题所选用的二氧化碳传感器是美国telaire公司生产的红外二氧化碳传感器6004，此传感器基于气体对红外光吸收的郎伯--比尔吸收定律，采用国际上最新的电调制红外光源、高灵敏度滤光传感一体化红外传感器、高精度前置放大电路、可拆卸式镀膜气室等，实现不同浓度、气体的高精度连续检测。其测量精度：二氧化碳浓度相对误差<2%；检测重复性<1%；测量范围：二氧化碳浓度0～5%。 1.红外气体测量的基本原理：

当红外光通过待测气体时，这些气体分子对特定波长的红外光有吸收作用，其吸收关系服从朗伯-比尔吸收定律。设入射光是平行光，其强度为错误！未找到引用源。，出射光的强度为错误！未找到引用源。，气体介质的厚度为错误！未找到引用源。．当由气体介质中的分子数错误！未找到引用源。的吸收所造成的光强减弱为错误！未找到引用源。时，根据朗伯-比尔吸收定律：

（3.1）

式中K为比例常数。 经积分得：

错（3.2） 式中：错误！未找到引用源。为吸收气体介质的分子总数；错误！未找到引用源。为积分常数。

显然，有：错误！未找到引用源。 式中错误！未找到引用源。为气体浓度。 则式（3.2）可写成：

错误！未找到引用源。 （3.3）

式（3.1）表明：光强在气体介质中随浓度错误！未找到引用源。及厚度错误！未找到引用源。按指数规律衰减。吸收系数取决于气体特性，各

误！未找到引用源。