基于C8051F020的便攜式溫室參數(shù)測量儀

肖助力，龔仁喜，胡立坤

(廣西大學電氣工程學院，南寧 530004)

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，瓜果、蔬菜及花卉的社會需求量和品質要求也不斷提高，使得溫室栽培技術得到迅速發(fā)展。在現(xiàn)代農業(yè)生產(chǎn)中，農作物的生長發(fā)育除了取決于其自身的生物學特性外還取決于其生長環(huán)境［1］。而大棚溫室的主要作用是為農作物提供必要的生長環(huán)境［2］。現(xiàn)代化溫室在計算機綜合控制下，提供了與季節(jié)無關的、適合作物生長的環(huán)境，并實現(xiàn)了各種作物優(yōu)質、高效、低耗的工業(yè)化生產(chǎn)［3］。

在溫室栽培中，影響作物生長發(fā)育的外界環(huán)境因素主要有溫度、濕度、光照強度和熱通量度等［4］。為了實現(xiàn)對這些因素的控制，同時考慮目前溫室大棚在我國的現(xiàn)實狀況以及農戶的經(jīng)濟承受能力，研究一種工作可靠、價格低廉的測量儀表就顯得非常必要。

本文針對影響溫室環(huán)境的幾項參數(shù)，研制了一種實用的儀表。該測量儀通過選用性價比較高的溫度、濕度、熱流量及光照強度傳感器，實現(xiàn)了對溫室環(huán)境參數(shù)的精確測量。針對不同參數(shù)，可以通過按鍵手動操作單片機執(zhí)行相應的測量操作，并將測量數(shù)據(jù)通過液晶顯示器進行顯示。該測量儀操作簡單，攜帶方便，測量精度高，性能穩(wěn)定，實用性較好。

1 測量儀硬件設計

1.1 總體結構

測量儀以單片機C8051F020為核心，外圍配置適當?shù)挠布涌陔娐穪韺崿F(xiàn)系統(tǒng)功能。溫度、濕度、熱流量及光照強度模擬量的采集通過4個傳感器 PT10、TDR-3、HF-1土 壤 熱流板和BH1750FVI來實現(xiàn)。為了滿足對數(shù)據(jù)采集操作的實時性要求，測量儀采用DS1302作為實時時鐘芯片，通過采集該芯片數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)時間顯示。另外為實現(xiàn)人機交互，測量儀還設計了串行通信接口、鍵盤輸入控制功能以及液晶輸出顯示功能，CPU還配以時鐘電路和復位電路等。測量儀結構如圖1所示。

圖1 測量儀結構

1.2 傳感器測量模塊

測量儀能測量的參數(shù)包括溫室環(huán)境溫度、光照強度、土壤溫濕度和土壤熱通量等。在選擇傳感器時，除了考慮能耗、體積和成本因素外，還選擇靈敏度較高、響應較快、性能穩(wěn)定、有數(shù)字量輸出、免標定的傳感器，這樣不但可以減少干擾、提高精度，而且對整個系統(tǒng)的整合也有好處。

1.2.1 溫度測量

溫度是作物生長發(fā)育最重要的因素之一。大多數(shù)作物生長的溫度變幅較窄，一般介于15～40℃。低于或高于這個限度，農作物生長速率則減緩。因此，測量儀必須有檢測溫室內環(huán)境溫度和土壤溫度的功能。本測量儀采用的是鉑熱電阻(PT100)。鉑熱電阻是利用導體的電阻率隨溫度變化而變化的原理來實現(xiàn)對溫度的測量，電阻值與溫度之間成近似線性關系。熱電阻測溫電路如圖2所示。

1.2.2 光照強度測量

光照強度采集通常有光敏電阻、光敏二極管(或光敏三極管)和光電池3種方式。光敏電阻的光照特性是非線性的。光敏二極管的信號較弱，信號要進行較大倍數(shù)的放大。光電池具有性能穩(wěn)定、壽命長、光譜響應范圍寬、頻率特性好、耐高溫等優(yōu)點，在光照度檢測系統(tǒng)中得到了廣泛應用。本測量儀選擇型號為GY－30的數(shù)字式光強模塊，其中的光強度傳感器為BH1750FVI，測量范圍0～65535lx，受紅外線影響小，輸出為數(shù)字量(I2C總線)，可直接接到單片機的I/O接口進行采集。光強度測量電路如圖3所示。

圖2 熱電阻測溫電路

圖3 光強度測量電路

1.2.3 濕度測量

適宜的土壤濕度是農作物生長所必須的條件。為了實現(xiàn)對濕度方便準確的測量，選用型號為TDR－3的濕度傳感器(也叫水分傳感器)。該傳感器的量程為0～100%(m3/m3)，其輸出信號為4～20 mA標準電流環(huán)，可通過一個100 Ω的精密電阻將電流值轉換為電壓值，然后送入單片機的模擬量輸入口，通過AD轉換，將轉換獲得的測量值通過液晶顯示器進行顯示。濕度測量電路如圖4所示。

圖4 濕度測量電路

1.2.4 熱流量測量

HF－1土壤熱流量傳感器(又稱土壤熱流板、土壤熱通量板、熱流計)主要用來測定土壤的能量平衡和土壤層的熱傳導率，它通過一個熱電堆，以電壓形式輸出，電壓正比于熱通量，可以用于土壤內部測量。該傳感器靈敏度為20～100 μV·W/m2，量程 ±100 W/m2，輸出信號范圍為 ±5 mV，其測量電路如圖5所示。利用微功耗儀表放大器AD627，將傳感器輸出的微弱毫伏級信號放大200倍，送入單片機的AD轉換模塊進行采集和顯示。

1.3 時鐘模塊

對于測量儀表，常常需要知道測量數(shù)據(jù)的時間。為實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時性，本測量儀添加了時鐘模塊電路。時鐘芯片選用的是美國DALLAS公司推出的一款型號為DS1302的實時時鐘芯片，該芯片內部集成了可編程日歷時鐘和31個字節(jié)的靜態(tài)RAM，可以自動進行閏年補償，并且自身還具有對備份電池進行涓流充電的功能，在便攜式儀表中可有效地延長儀器電池的使用壽命。實時時鐘電路如圖6所示。

圖6 實時時鐘電路

1.4 液晶顯示模塊

對于測量儀，不僅需要采樣外部的模擬量輸入，同時還需要將這些模擬量顯示出來，以便及時、方便地掌握實時數(shù)據(jù)，顯示方式可以是數(shù)字或圖像。本測量儀采用型號為HJ12864M－1的液晶顯示器對采集的數(shù)據(jù)進行顯示。液晶顯示電路如圖7所示。

圖7 液晶顯示電路

1.5 電源模塊

測量儀既要對水分、溫度、光強度和熱通量傳感器供電，還需要給液晶顯示器、CPU、DS1302等芯片供電。供電電源需提供3種電壓:12 V、5 V、3.3 V，其中:12 V給水分傳感器供電;5 V給DS1302、液晶、溫度和熱通量傳感器供電;3.3 V給光強度傳感器、CPU等芯片供電。為防止外部干擾，該設計為各種電源添加了大量的濾波電容，其電源電路如圖8所示。

圖8 電源電路

1.6 通信模塊

單片機測量系統(tǒng)通常需要與上位機進行通信，通信的主要方式是串行通信。C8051F020單片機的UART接口部分可實現(xiàn)該功能。但是UART提供的是COMS電平，上位的串行接口通常采用RS－232電平，因此，單片機要與上位機進行串行口通信首先要對電平進行轉換。通過采用MAX232芯片就可以將COMS電平和RS－232進行轉換。串行通信電路如圖9所示。

圖9 串行通信電路

2 測量儀軟件設計

測量儀軟件采用結構化程序設計方案，具有較好的模塊性和可移植性，對于不同的系統(tǒng)功能或不同的應用環(huán)境，可以方便地進行編程重組。軟件分為系統(tǒng)初始化程序、傳感器采集及數(shù)據(jù)處理程序、液晶顯示程序、鍵盤中斷和定時器中斷服務程序、DS1302實時時鐘程序、UART串行通信程序等。其中傳感器采集和數(shù)據(jù)處理程序包括PT100溫度采集和處理程序、TDR－3水分采集和處理程序、BH1750FVI光強度采集和處理程序及HF－1熱流量傳感器采集和處理程序。

程序流程如圖10所示。首先系統(tǒng)進行初始化操作，然后掃描按鍵。如果有按鍵按下，掃描判斷該按鍵的位置和功能，然后進行相應的程序操作。例如，如果掃描到的是檢測溫度，則CPU將溫度傳感器的數(shù)據(jù)進行采集并處理，然后通過液晶顯示器進行顯示，并將采集到的數(shù)據(jù)存儲起來發(fā)送給上位機，然后繼續(xù)執(zhí)行掃描操作。

3 測試結果

根據(jù)上述設計方案，研制了測量儀實驗樣機，對系統(tǒng)進行綜合調試后，在溫室內進行實際測試，測試結果如圖11所示。從各項參數(shù)測量結果可以看出，溫度測量最大誤差為0.3℃，濕度測量的最大誤差外0.3%，熱通量測量的最大誤差為0.2 W/m2，光強度測量的最大誤差為4 lx。

圖10 程序流程

圖11 測試結果

4 結束語

本文綜合運用傳感器技術、自動檢測技術和微型計算機技術，設計并開發(fā)了基于C8051F020的便攜式溫室參數(shù)測量儀。測試結果表明，該測量儀在溫室環(huán)境參數(shù)的采集中，能比較準確對溫度、濕度、光照強度和熱流通量進行采集。同時，該測量儀采用獨立電源供電，具有攜帶方便、操作簡單、抗干擾性強、轉換速度快、測量精度高和工作穩(wěn)定可靠的特點，具有良好的推廣應用前景。

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