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1、基于51单片机的温室测试系统设计设施农业是世界现代农业发展的主要方向之一，我国农业正处于从传统也向高产、优质、高效为目的的现代化农业转化新阶段，设施农业是我国今后比较长的时间内农业发展的个主要方向。环境控制对果树生产的重要作用已经为国内外大量的科学实验和生产的实践所证实。只有在适宜的生长环境下果疏才能充分发挥其高产潜力。多年的有关果树生长环境的研究，不仪知道了农业生产，也为温室环境测控的研究提供了理论和依据。但如何利用传感器技术，白动检测技术，通讯技术，计算机技术的发展和温室栽培的推广研制出对温室温度，湿度，二氧化碳浓度的智能测控系统，为果树提供最佳的生长环境，一直是农业研究者面临的重要课题。
2、矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。虽然国外采用了全智能控制，但是他们的成本太高，不适合我国国情，国内已有的日光温室主要采用自然能源，虽然造价比较低，但过于简陋，只有少数实现了温度、湿度、光照等单一因素的测控，不能满足日益现代化的农艺要求。本文研制一种价格比较适宜、扩展性较好的多功能温室智能测试系统。聞創沟燴鐺險爱氇谴净。1 系统组成及工作原理本系统功能由硬件和软件两大部分协调完成，硬件部分主要完成各种传感器信号的采集、转换、各种信息的显示等；软件主要完成信号的处理及控制功能等。残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。其工作原理是89C51单片机一次查询各传感器的输出信号，然后89C51对输入信号进行相应处理后通过显示模块4
3、4780输出，同时还可输出各种报警信号。酽锕极額閉镇桧猪訣锥。2 硬件构成该系统硬件主要包括以下几个模块：89C51主控模块、传感器模块、AD转换器、扩展、44780显示模块等。其中89C51主要完成外围硬件的控制以及一些运算功能，传感器完成信号的采样功能，AD转换器主要完成模数的转换、存储器主要完成程序和数据的存储、44780显示模块完成字符、数字的显示功能。彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。主控模块系统采用ATMEL公司生产的AT89C51单片机，它带有4kB闪速式存储器、128B内存，最大工作频率24MHz，同时，具有32条输入输出线，16位定时计数器，5个中断源，1个串行口。謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。
4、2.1 传感器的选取2.1.1 温度传感器采用AD590集成温度传感器，此传感器是电流型的，它的特性如表1所列。测量地表温与土温也可以用AD590集成温度传感器。由于传感器探头要插入土中，所以要将传感器及变换电路封装在金属探棒中。金属探棒可以起到防水、防腐的作用。又因为金属的导热性好，所以金属探棒不会影响传感器对温度的测量。 2.1.2 湿度传感器厦礴恳蹒骈時盡继價骚。采用IH3605电容式集成湿度传感器。其输出电压较高且线性较好。尢需进行信号放大和信号调整，可直接进行AD转换。其特性表如表2所列。茕桢广鳓鯡选块网羈泪。2.1.3 光照强度传感器本系统选用北京林业大学生产的光量子传感器，主要由
5、感应元件和匹配滤光片系统组成。感应元件选用硅太阳能电池，在太阳辐射作用下产牛的光电流与辐射强度成线性关系。标准的硅光电池的光谱响应在400nm-1100n。的范围，峰值波长为800nm。光量子传感器是一种灵敏的蓝色硅电池，在近红外区域700nm-1100nm只有相当低的响应，而在可见区域400700nm比一股硅电池的响应却要高得多，峰值响应在550-650nm之间。光量子传感器在光的照射下，输山变化十分微弱的电流信号(约几个微安)。所以光合有效辐射的检测电路应选用低漂移，共模抑制比高的集成运算放大器。放大电路采用电流一电压变换放大电路，如图1所示。光电子传感器的电气特性如表3所列。鹅娅尽損鹌惨
6、歷茏鴛賴。C02浓度传感器#e# 2.1.4 C02浓度传感器C02浓度传感器选用红外线气敏传感器。其测量范围宽，达-2000ppm，检测精度可达15。可以选用这种方法来监测温室空气中C02的浓度。籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。2.1.5 土壤水分传感器选用TDR-3型土壤水分传感器。TDR-3土壤水分传感器可测量土壤水分的体积百分比，与土壤本身的机理无关，是目前国际上最流行的土壤水分测量方法。TDR-3型土壤水分传感器是一款高精度、高灵敏度的测量土壤水分的传感器。預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。2.2 多路开关CD4051本系统选用了单端8通道模拟多路开关CD4051。它由电平位移电路，带禁止端INH的8选1
7、译码器和由该译码器对各个输出分别加以控制的八个CMOS双向模拟开关组成。其引脚如图2所示。INH为高电平时，八路通道全部不通。A、B、C分别为输入选通地址端，0-7为八路模拟输入信号端，COMMON端为被选通模拟信号的输出端CD4051传送的信号范围从VFE到VDD。由于环境因子的采样信号幅值为02V，所以将VEE端与Vss端相连并接地，VDD端接电源端Vcc，使得信号传送范周为O-Vcc，即0+5V，INH，A，B，C四端连接四根地址线，控制信号的选通，其真倩表见表4。选通的信号从COMMON端送到AD电路。渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。2.2.1 通道的分配七路环境因子的测量信号各占一个通道。通道
8、分配如表5所列。2.3 AD转换电路MC14433采用8位数据输出，转换精度为12000，相当于11位二进制AD转换器的精度。它还具有抗干扰性好、自动校零、自动极性输山、自动量程控制信号输出、单基准电压、外接元件少等特点。MC14433的引脚及外接元件如图3所示。铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。MC14433的转换速度较慢，不宜用查询方式。系统采用如图3中所示的中断方式。每次AD转换结束，EOC都输出一个正脉冲，其宽度为0.5个内部时钟振荡周期，如图3所示。将EOC端接入89C51的外部中断1引脚，利用EOC脉冲的下降沿触发中断。单片机处理中断服务程序，接收数据。动态分时输出 BCD码的QO-Q3和DS
9、i-DS；与89C51的PI口相连。 2.4 扩展电路与地址分配擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。2.4.1 扩展电路89C51芯片上带有扩展功能引脚。-EAVPP端：系统中该引脚接+5V高电平，程序计数器PC先访问内部程序存储器，当PC值超过OFFFH(4k)时，转向执行外部程序存储器内的程序。贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。-PSEN端：外部程序存储器读选通信号。本系统未扩展外部程序存储器，此引脚空。ALE-PROD端：系统扩展外部存储器时ALE输出锁存信号。89C51内部有128个字节的RAM存储器。存实时数据采集和处理时，仅靠片内的RAM是不够的，还需要利用89C51的扩展功能扩展外部数据存储器。常用的数据
10、存储器有静态SRAM和动态DRAM。由于DRAM需要不断刷新，设计时要增加刷新电路，电路复杂，可靠性差。因此SRAM在单片机测控系统中应用更普遍。坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。木系统采用常用的2KX8位SRAM6116。它采用CMOS工艺制造，单一+5V电源，典型存取时间200ns。与89C51硬件连接如图4所示。74LS373是带三态门的8D锁存器，用作地址锁存器。蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。2.4.2 端口及地址分配端口及地址分配如表6所列。根据以上端口分配，可以确定外设地址为：多路开关CD4051：XO-X7对应BOH-B7H；B8H-BFH全不通；外部扩展RAM：0800-OFFFH，共2k；执行信
11、号输出依靠P2.5线选锁存器74LS373，后将控制字从PO口输山到74LS373来完成。2.5 执行信号输出本系统的执行信号输出电路为试验性的仿真电路。系统模拟八路执行信号，针对七路环境因子信号的监视情况，主控机发出控制指令，控制单片机开启一路或多路执行信号电路，以实现对环境因子状态的调控。执行输出电路由控制字锁存器、发光二极管、电阻组成。各路执行信号所代表的执行机构或系统如表7所列。買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。2.6 通信方式 本系统是温室群的监控系统，它是由多台前沿机和主控机构成的网络组成的。因此系统的状态监视、环境控制等都是通过网络通信来实现的。所以，前沿机的通信电路是系统重要组成部分。綾镝
12、鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。温室群环境监控系统的实时性要求不高，传输的信息量也不太大，因此串行异步通讯可以满足其通讯需求，并且具有线路简单，易于实现的优点。本系统采异步通讯。温室群环境监控系统要求远距离数据传送，对数据传送速率要求不太高并要有一定的抗干扰能力，因此RS-422最适合系统的要求。适当降低传输速率，如9600bits，可以使传送距离达到1200m以上，完全满足系统要求。主控机口通信采用主机板上空闲的标准25芯COM2 口，进行电平转换后挂接RS-422总线。使用这种转换器时可以使用与RS-232相同的通讯软件而无需进行修改。其引脚定义如表8所列。驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。本系统采用RS-422与
13、TTL电平转换常用芯片：传输线驱动器SN75174；传输线接收器SN75175，SN75174是一具有三态输出的单片四差分线驱动器。SN75175是具有三态输山的单片四差分接收器。它们的设计符合EIA标准RS-422规范，适用于噪声环境中总线线路较长的多点传输。芯片采用+5V电源，与其他芯片一致。通信线路采用标准RS-422九芯插接件。电路如图5所示。猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。2.7 监控网络本系统采用总线型监控网络。总线型拓朴结构如图6所示。在总线型控制网络中，主控站通过总线来访问各个前沿机。只有主控站有权控制总线，而各前沿机则不可以，并且各个前沿机之间不能直接进行通信。这种拓朴结构的特点是：数
14、字化的数据通过串行输入输出总线进行传送；通讯协议采用RS232，RS422，RS485等；系统扩展较为灵活：通信速率较低。锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。2.8 44780显示模块本系统采用44780驱动的LCD，HD44780(KS0062)是用低功耗CMOS技术制造的大规模点阵LCD控制器(兼带驱动器)，和4bit8bit微处理器相连，它能使点阵LCD显示大小写英文字母、数字和符号等丰富的信息，同时有较强的通用性应用，使用方便，用户能用少量元件就可组成一个完整点阵LCD系统，送入相关的数据和指令即可实现所需的显示。構氽頑黉碩饨荠龈话骛。44780显示模块有8条数据线，3条控制线，可与微处理器或微控制
15、器相连，通过送入数据和指令，就可使模块正常工作，44780显示模块和89C51单片机连接电路如图7所示。輒峄陽檉簖疖網儂號泶。2.9 抗干扰设计在微机测控系统中，系统抗干扰性能的好坏直接影响到整个系统工作的可靠性与安全性。因此，抗干扰设计是系统设计的一个主要内容，本系统采用的是由硬件和软件相结合的抗干扰措施。尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。2.9.1 系统硬件抗干扰设计(1) 滤波技术将电源变压器的进线段加入滤波器，以消弱瞬变噪声干扰；在直流电源线和地线之间接滤波电容，以抑制电源噪声。识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。(2) 去耦电路存印刷电路板的各个集成电路的电源线端与地线端之间配置去耦电容。(3) 屏蔽技术屏蔽技术主要由电场屏蔽，电磁场屏蔽和磁场屏蔽三类，本系统是电场和电磁场屏蔽的方法。主要使用低电阻材料作为屏蔽材料，把需要隔离的部分保卫起来。磁场屏蔽则应采用高导磁率的材料。凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。(4) 光电隔离：再IO通道上采用光电隔离器，将单片机系统与各种传感器、开关从电器上隔离开来，很大
