環(huán)境控制對果樹生產(chǎn)的重要作用已經(jīng)為國內外大量的科學實驗和生產(chǎn)的實踐所證實。只有在適宜的生長環(huán)境下果疏才能充分發(fā)揮其高產(chǎn)潛力。多年的有關果樹生長環(huán)境的研究，不儀知道了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，也為溫室環(huán)境測控的研究提供了理論和依據(jù)。但如何利用傳感器技術，白動檢測技術，通訊技術，計算機技術的發(fā)展和溫室栽培的推廣研制出對溫室溫度，濕度，二氧化碳濃度的智能測控系統(tǒng)，為果樹提供最佳的生長環(huán)境，一直是農(nóng)業(yè)研究者面臨的重要課題。
固然國外采用了全智能控制，但是他們的本錢太高，不適合我國國情，國內已有的日光溫室主要采用自然能源，固然造價比較低，但過于簡陋，只有少數(shù)實現(xiàn)了溫度、濕度、光照等單一因素的測控，不能滿足日益現(xiàn)代化的農(nóng)藝要求。本文研制一種價格比較適宜、擴展性較好的多功能溫室智能測試系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)組成及工作原理
本系統(tǒng)功能由硬件和軟件兩大部分協(xié)調完成，硬件部分主要完成各種傳感器信號的采集、轉換、各種信息的顯示等；軟件主要完成信號的處理及控制功能等。
其工作原理是89C51單片機一次查詢各傳感器的輸出信號，然后89C51對輸進信號進行相應處理后通過顯示模塊44780輸出，同時還可輸出各種報警信號。
2 硬件構成
該系統(tǒng)硬件主要包括以下幾個模塊：89C51主控模塊、傳感器模塊、A／D轉換器、擴展、44780顯示模塊等。其中89C51主要完成外圍硬件的控制以及一些運算功能，傳感器完成信號的采樣功能，A／D轉換器主要完成模／數(shù)的轉換、存儲器主要完成程序和數(shù)據(jù)的存儲、44780顯示模塊完成字符、數(shù)字的顯示功能。
主控模塊
系統(tǒng)采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51單片機，它帶有4kB閃速式存儲器、128B內存，最大工作頻率24MHz，同時，具有32條輸進輸出線，16位定時／計數(shù)器，5個中斷源，1個串行口。
2.1 傳感器的選取
2.1.1 溫度傳感器
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2.1.2 濕度傳感器
采用IH3605電容式集成濕度傳感器。其輸出電壓較高且線性較好。尢需進行信號放大和信號調整，可直接進行A／D轉換。
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本系統(tǒng)選用北京林業(yè)大學生產(chǎn)的光量子傳感器，主要由感應元件和匹配濾光片系統(tǒng)組成。感應元件選用硅太陽能電池，在太陽輻射作用下產(chǎn)牛的光電流與輻射強度成線性關系。標準的硅光電池的光譜響應在400nm-1100n。的范圍，峰值波長為800nm。光量子傳感器是一種靈敏的藍色硅電池，在近紅外區(qū)域700nm-1100nm只有相當?shù)偷捻憫诳梢妳^(qū)域400～700nm比一股硅電池的響應卻要高得多，峰值響應在550～-650nm之間。光量子傳感器在光的照射下，輸山變化十分微弱的電流信號(約幾個微安)。所以光合有效輻射的檢測電路應選用低漂移，共模抑制比高的集成運算放大器。放大電路采用電流一電壓變換放大電路。
2.1.4 C02濃度傳感器
C02濃度傳感器選用紅外線氣敏傳感器。其丈量范圍寬，達-2000ppm，檢測精度可達15％。可以選用這種方法來監(jiān)測溫室空氣中C02的濃度。
2.1.5 土壤水分傳感器
選用TDR-3型土壤水分傳感器。TDR-3土壤水分傳感器可丈量土壤水分的體積百分比，與土壤本身的機理無關，是目前國際上最流行的土壤水分丈量方法。TDR-3型土壤水分傳感器是一款高精度、高靈敏度的丈量土壤水分的傳感器。
2.2 多路開關CD4051
本系統(tǒng)選用了單端8通道模擬多路開關CD4051。它由電平位移電路，帶禁止端INH的8選1譯碼器和由該譯碼器對各個輸出分別加以控制的八個CMOS雙向模擬開關組成。其引腳如圖2所示。INH為高電平時，八路通道全部不通。A、B、C分別為輸進選通地址端，0-7為八路模擬輸進信號端，COMMON端為被選通模擬信號的輸出端CD4051傳送的信號范圍從VFE到VDD。由于環(huán)境因子的采樣信號幅值為0～2V，所以將VEE端與Vss端相連并接地，VDD端接電源端Vcc，使得信號傳送范周為O-Vcc，即0～+5V，INH，A，B，C四端連接四根地址線，控制信號的選通。選通的信號從COMMON端送到A／D電路。
2.2.1 通道的分配2.3 A／D轉換電路
MC14433采用8位數(shù)據(jù)輸出，轉換精度為1／2000，相當于11位二進制A／D轉換器的精度。它還具有抗干擾性好、自動校零、自動極性輸山、自動量程控制信號輸出、單基準電壓、外接元件少等特點。
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2.4 擴展電路與地址分配
2.4.1 擴展電路
89C51芯片上帶有擴展功能引腳。
- EA／VPP端：系統(tǒng)中該引腳接+5V高電平，程序計數(shù)器PC先訪問內部程序存儲器，當PC值超過OFFFH(4k)時，轉向執(zhí)行外部程序存儲器內的程序。
-PSEN端：外部程序存儲器讀選通訊號。本系統(tǒng)未擴展外部程序存儲器，此引腳空。
ALE／-PROD端：系統(tǒng)擴展外部存儲器時ALE輸出鎖存信號。
89C51內部有128個字節(jié)的RAM存儲器。存實時數(shù)據(jù)采集和處理時，僅靠片內的RAM是不夠的，還需要利用89C51的擴展功能擴展外部數(shù)據(jù)存儲器。常用的數(shù)據(jù)存儲器有靜態(tài)SRAM和動態(tài)DRAM。由于DRAM需要不斷刷新，設計時要增加刷新電路，電路復雜，可靠性差。因此SRAM在單片機測控系統(tǒng)中應用更普遍。
木系統(tǒng)采用常用的2KX8位SRAM6116。它采用CMOS工藝制造，單一+5V電源，典型存取時間200ns。2.4.2 端口及地址分配
根據(jù)以上端口分配，可以確定外設地址為：
多路開關CD4051：XO-X7對應BOH-B7H；B8H-BFH全不通；
外部擴展RAM：0800-OFFFH，共2k；
執(zhí)行信號輸出依靠P2.5線選鎖存器74LS373，后將控制字從PO口輸山到74LS373來完成。
2.5 執(zhí)行信號輸出
本系統(tǒng)的執(zhí)行信號輸出電路為試驗性的仿真電路。系統(tǒng)模擬八路執(zhí)行信號，針對七路環(huán)境因子信號的監(jiān)視情況，主控機發(fā)出控制指令，控制單片機開啟一路或多路執(zhí)行信號電路，以實現(xiàn)對環(huán)境因子狀態(tài)的調控。執(zhí)行輸出電路由控制字鎖存器、發(fā)光二極管、電阻組成。
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本系統(tǒng)是溫室群的監(jiān)控系統(tǒng)，它是由多臺前沿機和主控機構成的網(wǎng)絡組成的。因此系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視、環(huán)境控制等都是通過網(wǎng)絡通訊來實現(xiàn)的。所以，前沿機的通訊電路是系統(tǒng)重要組成部分。
溫室群環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的實時性要求不高，傳輸?shù)男畔⒘恳膊惶螅虼舜挟惒酵ㄓ嵖梢詽M足其通訊需求，并且具有線路簡單，易于實現(xiàn)的優(yōu)點。本系統(tǒng)采異步通訊。溫室群環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)要求遠間隔數(shù)據(jù)傳送，對數(shù)據(jù)傳送速率要求不太高并要有一定的抗干擾能力，因此RS-422最適合系統(tǒng)的要求。適當降低傳輸速率，如9600bit／s，可以使傳送間隔達到1200m以上，完全滿足系統(tǒng)要求。主控機口通訊采用主機板上空閑的標準25芯COM2 口，進行電平轉換后掛接RS-422總線。使用這種轉換器時可以使用與RS-232相同的通訊軟件而無需進行修改。
本系統(tǒng)采用RS-422與TTL電平轉換常用芯片：傳輸線驅動器SN75174；傳輸線接收器SN75175，SN75174是一具有三態(tài)輸出的單片四差分線驅動器。SN75175是具有三態(tài)輸山的單片四差分接收器。它們的設計符合EIA標準RS-422規(guī)范，適用于噪聲環(huán)境中總線線路較長的多點傳輸。芯片采用+5V電源，與其他芯片一致。通訊線路采用標準RS-422九芯插接件。2.7 監(jiān)控網(wǎng)絡
本系統(tǒng)采用總線型監(jiān)控網(wǎng)絡。總線型拓樸結構如圖6所示。在總線型控制網(wǎng)絡中，主控站通過總線來訪問各個前沿機。只有主控站有權控制總線，而各前沿機則不可以，并且各個前沿機之間不能直接進行通訊。這種拓樸結構的特點是：數(shù)字化的數(shù)據(jù)通過串行輸進／輸出總線進行傳送；通訊協(xié)議采用RS232，RS422，RS485等；系統(tǒng)擴展較為靈活：通訊速率較低。
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本系統(tǒng)采用44780驅動的LCD，HD44780(KS0062)是用低功耗CMOS技術制造的大規(guī)模點陣LCD控制器(兼帶驅動器)，和4bit／8bit微處理器相連，它能使點陣LCD顯示大小寫英文字母、數(shù)字和符號等豐富的信息，同時有較強的通用性應用，使用方便，用戶能用少量元件就可組成一個完整點陣LCD系統(tǒng)，送進相關的數(shù)據(jù)和指令即可實現(xiàn)所需的顯示。
44780顯示模塊有8條數(shù)據(jù)線，3條控制線，可與微處理器或微控制器相連，通過送進數(shù)據(jù)和指令，就可使模塊正常工作。
2.9 抗干擾設計在微機測控系統(tǒng)中，系統(tǒng)抗干擾性能的好壞直接影響到整個系統(tǒng)工作的可靠性與安全性。因此，抗干擾設計是系統(tǒng)設計的一個主要內容，本系統(tǒng)采用的是由硬件和軟件相結合的抗干擾措施。
2.9.1 系統(tǒng)硬件抗干擾設計
(1) 濾波技術
將電源變壓器的進線段加進濾波器，以消弱瞬變噪聲干擾；在直流電源線和地線之間接濾波電容，以抑制電源噪聲。
(2) 往耦電路
存印刷電路板的各個集成電路的電源線端與地線端之間配置往耦電容。
(3) 屏蔽技術
屏蔽技術主要由電場屏蔽，電磁場屏蔽和磁場屏蔽三類，本系統(tǒng)是電場和電磁場屏蔽的方法。主要使用低電阻材料作為屏蔽材料，把需要隔離的部分保衛(wèi)起來。磁場屏蔽則應采用高導磁率的材料。
(4) 光電隔離：
再I／O通道上采用光電隔離器，將單片機系統(tǒng)與各種傳感器、開關從電器上隔離開來，很大一部分干擾可被阻擋
2.9.2系統(tǒng)軟件抗干擾設計
對于微機測控系統(tǒng)，僅僅考慮硬件的抗干擾是遠遠不夠的，采取一定的軟件抗干擾措施非常必要，它不儀能降低系統(tǒng)的硬件本錢，又可以充分發(fā)揮軟件的上風，使系統(tǒng)具有自我診斷，自我恢復的能力。本系統(tǒng)采用的軟件抗干擾措檀越要有以下幾種：
(1) 數(shù)字濾波技術，采用數(shù)字濾波技術除往輸進信號中所摻雜的各種隨機干擾。 (2) 軟件陷阱技術，當系統(tǒng)受劍干擾，PC值發(fā)生變化，程序"亂飛"等情況，可以用軟件陷阱和看門狗將程序拉回到復位狀態(tài)。具體的講，可以在RAM中埋一些標志，在每次程序復位時，通過這些標志，可以判定復位原因并根據(jù)不同的標志直接跳到相應的程序。這樣可以使程序運行有連續(xù)性，用戶在使用時也不易察覺到程序被重新復位過。
3 軟件設計
該系統(tǒng)軟件主要由主程序、中斷子程序、數(shù)據(jù)采集與A／D轉換子程序、顯示子程序、報警子程序等六大模塊組成，由于C語言編寫的軟件易于實現(xiàn)模塊化，天生的機器代碼質量高、可讀性強、移植好，所以本系統(tǒng)的軟件采用C語言編寫，再KeilVision3 Demo版本的集成開發(fā)環(huán)境下進行編譯連接。
3.1 主程序設計
主程序主要完成硬件初始化、子程序調用等功能。
3.2 數(shù)據(jù)采集子程序設計數(shù)據(jù)采集與A／D轉換子程序根據(jù)輸進參數(shù)對相應的模擬信號進行采樣、量化及處理，并將相應信號的數(shù)值返回主程序。
3.3 顯示子程序設計
顯示子程序完成符號、數(shù)值的顯示輸出。
3.4 報警子程序
主要實現(xiàn)異常情況下控制告警信號輸山。如當室內溫度升高到某一點時，或濕度低于某一規(guī)定值時，音頻報警裝置會發(fā)出不同頻率的告警信號，同時相應的指示燈亮(點亮報警指示燈的任務由顯示子程序來完成)，以引起工作職員的主意。
4 仿真與調試
4.1 仿真器選擇
本系統(tǒng)選用ME-52單片機仿真開發(fā)系統(tǒng)，它實時仿真頻率高達33MHz，提供2～24MHz的時鐘信號。同時它提供64KB程序代碼存儲器，支持仿真所有程序和數(shù)據(jù)地地址空間，支持Franklin V3.XX／Keil 6.xx編譯連接工具。具有分別獨立控制項目文件的項目治理器。另外具有VC++風格的窗口駐留，窗口動態(tài)切分和工作簿模式窗口界面。
4.2 仿真調試
在仿真調試階段，采用"自底向上逐步集成"的策略，逐模塊進行仿真測試，在此基礎上逐步集成。譬如可先仿真顯示模塊、測溫子模塊、測濕度子模塊等，然后將仿真成功的模塊逐個加進主程序進行仿真，在仿真過程中發(fā)現(xiàn)錯誤，采用"分塊壓縮策略"，快速找到并改正錯誤；留意在集成過程中出現(xiàn)題目，大多是由于模塊間資源使用沖突引起的。當軟件模塊仿真成功后，可與硬件一起進行在線仿真，此時在調試中出現(xiàn)的題目大多是由于連接線連接錯誤、虛焊、布線不公道等原因造成的。 隨著電子技術的廣泛應用，智能溫室控制必將成為一種發(fā)展趨勢，文中提出利用51單片機和新型傳感器對溫室環(huán)境進行測試，目前原型機己取得成功。調試結果表明，本系統(tǒng)可靠性高、使用方便，下一步將住此基礎上開發(fā)控制系統(tǒng)，給用戶提供更大的方便。
