基于微控器的植株桿徑變差測量系統(tǒng)設(shè)計

    從植物生理角度講，植物器官（莖、葉、果實等）體積的微變化動態(tài)與其體內(nèi)的水分狀況有關(guān)，當(dāng)根系吸水充足時莖桿微膨脹，水分虧缺時莖桿微收縮。國外已有用莖桿直徑的變化反映植株體內(nèi)的水分和缺水狀況的儀表。但其成本較高，為此本項研究主要研制基于微控器的植物莖桿變差測的測定系統(tǒng)。植株莖桿的直徑是在微米級變化的，因而必須用精密的測量儀器才能測出其變化。

　　電感測微儀是一種廣泛應(yīng)用于精密機(jī)械制造業(yè)、晶體管和集成電路制造業(yè)以及國防、科研、計量部門的能夠測量微小尺寸變化的精密測量儀器，它由主體和測頭兩部分組成，配上相應(yīng)的測量裝置（例如測量臺架等），能夠完成各種精密測量。因此，配以合適的臺架它也可以完成對植株桿徑的測量。在通過微控器對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并記錄下采集數(shù)據(jù)的時間，就可以組成一個植株桿徑變化測量的實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

1.硬件電路

　　該測量系統(tǒng)是由89C51微控器、電感測微儀、ADC574模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、DS12C887時鐘芯片、8279鍵盤控制芯片等組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示：

　　圖1   測量桿徑的系統(tǒng)框圖

　　其中89C51微控器與電感測微儀、AD57

   4組成了數(shù)據(jù)采集部分與A/D轉(zhuǎn)換部分；89C51微控器與鍵盤/顯示器接口芯片8279組成了人機(jī)交互部分；89C51微控器與DS12C887時鐘芯片構(gòu)成了系統(tǒng)的計時部分；89C51微控器與RS232構(gòu)成了通訊部分。89C51微控器通過內(nèi)部定時中斷每隔一小時從AD574讀取采樣值，并通過讀取DS12C887記錄此時的時間。如有需要還可通過鍵盤操作把測量值和時間在LED上顯示。89C51微控器把采集到的數(shù)據(jù)及記錄的時間存儲起來，通過RS232通訊口可以把這些數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)中。主要部分的工作原理分述如下:

1.1數(shù)據(jù)采集部分

1.1.1   電感測微儀工作原理

　　

圖2 電感測微儀工作原理圖

　　電測微儀通過電感傳感器、測量電路等將被測物件的尺寸變化轉(zhuǎn)變成電壓信號輸出。其工作原理如圖2所示。當(dāng)接通電源后，由有振蕩器產(chǎn)生的震壓加到了由電感測量頭和調(diào)零電位器組成的電感電橋上（電感測量頭由電感線圈和連接在測桿上一起位移的鐵芯組成）。當(dāng)鐵芯出于線圈的中間位置（平衡位置），調(diào)零電位器也在中間位置時，電橋處于平衡狀態(tài)，沒有信號電壓輸出。若被測工件尺寸變化使測桿向上移動，鐵芯向上位移時，電橋不平衡，產(chǎn)生了輸出電壓。同樣，當(dāng)鐵芯向下位移時，也將產(chǎn)生出電壓，不過這兩個信號電壓的相位相反，即相差180°。這樣，利用電感測量頭就可以把物件微小的尺寸變化量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號。同樣，轉(zhuǎn)動調(diào)零電位器，也可以使電橋不平衡，產(chǎn)生輸出電壓，利用它進(jìn)行零位調(diào)整。

1.1.2   A/D轉(zhuǎn)換

　　電感測微儀輸出為脈動直流電壓信號，在處理過程中會受到干擾和噪聲的影響，為了提高采樣精度，設(shè)計了二階低通濾波電路。此外，電感測微儀的輸出的電壓范圍為-50mv～+50mv,不能滿足AD574對輸入的要求，需對其輸出電壓進(jìn)行放大。元件參數(shù)：R1=6.1K，R2=22K，R3=1K，R4=82K，R5=R6=10K；C1=470μF，C2=100μF。電路圖如圖6，其中Ui接電感測微儀的輸出端，Uo接ADC574的通道一。

　　圖3 主程序流程圖

1.2 計時部分

　　計時部分是由DS12C887時鐘芯片和89C51微控器組成。DS12C887時鐘芯片是美國DALLAS公司生產(chǎn)的，它具有完備的時鐘以及到2100年的日歷時鐘功能等。因此，利用此芯片系統(tǒng)可以方便的設(shè)定時間并記錄時間。在本系統(tǒng)，89C51微控器讀取了DS12C887內(nèi)部RAM的02H、04H、07H、08H單元中的內(nèi)容，以記錄測量時的時間（月份、日期、時、分）。89C51與DS12C887連接的原理圖如圖1所示。        

1.3 鍵盤及顯示器部分                  

　　該部分由89C51微控器和專用鍵盤/顯示器接口芯片8279組成。89C51微控器從讀取DS12C887讀取得值送到8279內(nèi)以驅(qū)動8個LED顯示月份、日期、時、分。對于鍵輸入則經(jīng)過8279處理后送到89C51內(nèi)，以完成采集數(shù)據(jù)的顯示和采集的數(shù)據(jù)及對應(yīng)的采集時間向上位機(jī)發(fā)送。由于這部分的技術(shù)已相當(dāng)成熟，在這不過多贅述。

1.4 通訊部分

　　本系統(tǒng)設(shè)計了通過RS232口微控器89C51和上位PC機(jī)進(jìn)行半工通訊，89C51把采集的一段時間內(nèi)的值（如一天）發(fā)送到PC機(jī)中。

2.軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件由主程序中斷處理程序組成，主程序用于系統(tǒng)的初始化，8279、DS12C887初始化，內(nèi)、外部中斷初始化，定時器初始化。中斷處理程序主要是響應(yīng)鍵輸入，以調(diào)用不同的子程序。子程序包括8279鍵盤顯示器控制程序，A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字濾波子程序（采集數(shù)程序），標(biāo)度轉(zhuǎn)換程序，通訊程序。        

2.1  主程序框圖

　　本系統(tǒng)的主程序框圖如圖3所示，其主要功能是從DS12C887中讀取并存儲采樣時的時間，存儲處理后的采樣值，并根據(jù)鍵輸入顯示時間和采樣值。

2.2  通訊程序框圖

　　89C51采用查詢方式與PC機(jī)進(jìn)行通訊，只有在PC機(jī)準(zhǔn)備好接受數(shù)據(jù)后，89C51才開始發(fā)送數(shù)據(jù)，其流程圖如圖4，5所示。

2.3 部分程序清單

　　下面程序是對DS12C887設(shè)定時間的匯編程序。假設(shè)DS12C887的地址為5000H,月份、日期、小時、分鐘分別存于53H、52H、51H、50H單元。

　　SETTIME: MOV R0,#50H

　　         MOV DPTR,#500AH

　　         MOVX A,@DPTR

　　         MOV  A,#20H

　　         MOVX @DPTR,A      ；至少244毫秒后開

　　INC  DPTR           ；始更新周期

　　MOV  A,#80H

　　         MOVX @DPTR,A       ；芯片停止工作，

　??；初始化各個時標(biāo)

　　         MOV  DPTR,#5002H   ；  設(shè)置分鐘

　　          MOV  A,@R0

　　          INC   R0

　　          MOVX @DPTR,A       ；設(shè)置小時

　　          MOV  DPL,#04H

　　          MOV  A,@R0

　　          INC   R0

　　          MOVX @DPTR,A        ；設(shè)置日期

              MOV  DPL,#07H

　　          MOV  A,@R0

　　          INC   R0

　　          MOVX @DPTR,A         ；設(shè)置月份

　　          INC   DPTR

　　          MOV  A,@R0

　　INC   R0

　　MO

VX @DPTR,A

　　          MOV DPTR,#500BH      ；為24小時工作模式,

　　          MOV  A,#02H

　　          MOVX @DPTR,A  

　　

3.結(jié)論

　　本文設(shè)計了基于89C51微控器的植株桿徑測量系統(tǒng)。經(jīng)初步測試可以實時的測量植株桿徑的變化，而且可以存儲測量值和測量時的時間，并將其傳輸?shù)缴衔挥嬎銠C(jī)中，便于了進(jìn)一步的分析植物莖桿的變差和缺水情況。目前系統(tǒng)的成本和功耗有待進(jìn)一步降低以適合野外工作。此外，還應(yīng)研制合適的單獨(dú)使用的傳感器測量裝置。

　　本作者創(chuàng)新點(diǎn)在于利用電感測微儀配合微控器及外圍電路以較低的成本達(dá)到了實時測量植株桿徑微小變化的目的，該思路可以進(jìn)一步得到改進(jìn)并最終在實踐中得到應(yīng)用。

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