基于Intel80C51BH的設(shè)施栽培光照信息采集管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：氣候資源的分析和利用，對(duì)發(fā)展溫室大棚農(nóng)業(yè)十分重要。設(shè)計(jì)了一種由單片機(jī)控制的自動(dòng)光照信息采集系統(tǒng)。用光電池做為傳感器來(lái)采集光照信號(hào)，通過(guò)AD7812轉(zhuǎn)換器將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再利用Intel80C51BH單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、處理、比較分析并發(fā)出執(zhí)行指令，最后由執(zhí)行電路來(lái)執(zhí)行。本設(shè)計(jì)自動(dòng)化程度高、測(cè)光準(zhǔn)確、電路簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)容易、成本低、有實(shí)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)化；單片機(jī)；設(shè)施栽培；光照測(cè)量

    設(shè)施栽培技術(shù)主要是指利用普通的大棚或溫室大棚來(lái)生產(chǎn)蔬菜、水果等農(nóng)作物的技術(shù)。隨著設(shè)施栽培技術(shù)的普及，溫室大棚數(shù)量不斷增多。農(nóng)作物產(chǎn)量往往隨著氣候的變化而波動(dòng)，如何提高氣候意識(shí)，做到順應(yīng)氣候規(guī)律，合理利用氣候資源，對(duì)發(fā)展溫室大棚農(nóng)業(yè)有著極為重要的意義。在諸多氣候資源信息中光照度對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)極其重要，不同的作物對(duì)光照度的要求是不一樣的，科學(xué)合理地利用光照才能生產(chǎn)最優(yōu)的產(chǎn)品。現(xiàn)有的光照度測(cè)量設(shè)備存在很多缺點(diǎn)，本文研究并設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的自動(dòng)光照度測(cè)量、記錄和調(diào)節(jié)的智能管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、性能可靠，全天候監(jiān)控并記錄數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)分析并可自動(dòng)執(zhí)行。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)硬件是由光傳感器電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)和執(zhí)行電路組成。具體地說(shuō)是先用光電池來(lái)采集光照度信號(hào)，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD78 12將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再利用80C51BH單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和分析并發(fā)出執(zhí)行指令，最后由執(zhí)行電路來(lái)執(zhí)行調(diào)整遮光設(shè)備。
1．1 光照度采集及放大電路設(shè)計(jì)
1．1．1 光電池設(shè)計(jì)
    本設(shè)計(jì)的光照度采集由硅光電池來(lái)完成．安裝方法如圖1所示。

    圖中4個(gè)光電池G1～G4分別放置在4個(gè)獨(dú)立的只有上面透光的箱體底部，避免光線直射到光電池上，上面放置玻璃和遮光材料，根據(jù)透光權(quán)數(shù)的不同，從G1到G4上面的遮光材料的遮光程度是不同的。G1不放遮光材料，G2放置一層，G3放置2層，G4放置4層，遮光材料可用多層半透明的塑料膜代替。
1．1．2 運(yùn)算放大電路設(shè)計(jì)
    電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

    本單元的核心器件是OP07芯片，它是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運(yùn)算放大器集成電路。OP07同時(shí)具有輸入偏置電流低(±2 nA)和開(kāi)環(huán)增益高(300 V／mV)的特點(diǎn)。在這里OP07起到放大光照度信號(hào)的作用，輸入信號(hào)在2腳以負(fù)極性電流信號(hào)輸入，輸出信號(hào)以電壓形式由6腳輸出。隨著光強(qiáng)的增強(qiáng)，4個(gè)光電池相繼導(dǎo)通，這樣就把光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)。當(dāng)光照最強(qiáng)時(shí)(200 klux)，4個(gè)光電池都輸出最高電流，使4個(gè)三極管VT1～VT4都處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，這時(shí)輸出電壓最大，理論上輸出電壓UT=5．215 V?？紤]到電路中有一定的光電池電流和三極管的誤差，實(shí)際電壓要比這值略低。這里的RP是用于調(diào)零，如果要求測(cè)量精度不高時(shí)，RP可以省略，OP07的1、8管腳空置。
1．1．3 遮光材料調(diào)節(jié)
    由于具體應(yīng)用時(shí)環(huán)境不同，在應(yīng)用本系統(tǒng)前要對(duì)遮光材料的遮光程度進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)步驟如下：
    1)選最強(qiáng)光照時(shí)，適當(dāng)增加或減少G4上的遮光，使輸出電壓UT≤5．0V處于臨界狀態(tài)。
    2)按比例調(diào)節(jié)遮光材料厚度，從G1到G4低次為比例0：1：2：4。
    3)再重復(fù)幾次上述過(guò)程，使輸出電壓正好為5.0V臨界值。
1．2 A／D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)
    經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大電路輸出的含有光照度的信息的電壓是模擬信號(hào)，這里必須要經(jīng)過(guò)模／數(shù)轉(zhuǎn)換電路把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)才能被單片機(jī)接收和處理，本設(shè)計(jì)中采用AD7812作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器。AD7812是一種串行口的10位8通道逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器。與同類電路相比，有如下優(yōu)點(diǎn)：
    1)它是數(shù)據(jù)串行輸出，所以用這種A／D轉(zhuǎn)換器能節(jié)省單片機(jī)輸入引腳，便于系統(tǒng)擴(kuò)展。
    2)有8個(gè)輸入通道可以同時(shí)采集8路模擬信號(hào)，這也可以用來(lái)進(jìn)一步系統(tǒng)功能開(kāi)發(fā)。
    3)具有軟件轉(zhuǎn)換啟動(dòng)與軟件關(guān)斷特性。

    具體電路設(shè)計(jì)如圖3所示。CREF接10 nF電容，傳送同步TFS與接收同步RFS與單片機(jī)P1．0口連接，數(shù)據(jù)輸出DOUT與單片機(jī)P1．1口連接，數(shù)據(jù)輸入DIN與單片機(jī)P1．2口連接，讀取時(shí)鐘SCLK與單片機(jī)P1．3口連接，轉(zhuǎn)換起動(dòng)CONVST與單片機(jī)P1．4口連接。這樣就很容易由單片機(jī)來(lái)控制串行數(shù)據(jù)讀取。
1．3 單片機(jī)處理器電路設(shè)計(jì)
    Intel80C51BH單片機(jī)是美國(guó)Intel公司出產(chǎn)的實(shí)用性很強(qiáng)的8位單片機(jī)。它有4 kROM和64 keprom，21個(gè)特殊功能寄存器，很適合作為本設(shè)計(jì)處理器。單片機(jī)處理電路如圖4所示。由單片機(jī)P1口的前5位來(lái)接收和控制來(lái)自AD7812的信號(hào)，由P0．0口來(lái)輸出調(diào)節(jié)溫室大棚遮光指令。

1．4 執(zhí)行電路設(shè)計(jì)
    由于單片機(jī)發(fā)出的指令信號(hào)功率較小，所以不能直接啟動(dòng)執(zhí)行開(kāi)關(guān)或電機(jī)，必須用驅(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)作。為節(jié)約成本，這里仍然利用運(yùn)算放大器OP07來(lái)實(shí)現(xiàn)，電路設(shè)計(jì)成一個(gè)同相比例運(yùn)算電路，電壓放大倍數(shù)為3，電路中執(zhí)行指令信號(hào)經(jīng)由電阻R1在IN+腳輸入，由OUT腳輸出。由于采用運(yùn)算放大電路，所以輸出功率很大。輸出信號(hào)控制開(kāi)關(guān)繼電器KA完成執(zhí)行任務(wù)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    為了便于系統(tǒng)擴(kuò)展，將系統(tǒng)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)由測(cè)光照度電路、A／D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)處理和執(zhí)行輸出4個(gè)模塊組成。具體流程是這樣的：先由測(cè)量光照度電路將光強(qiáng)信號(hào)(0～200 klux)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)(0～5 V)，再由A／D轉(zhuǎn)換電路將這模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，最后由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理和判斷。當(dāng)條件符合時(shí)啟動(dòng)調(diào)光照調(diào)節(jié)電路，如圖6所示。

2．1 A／D轉(zhuǎn)換器模塊
    為了正常讀取數(shù)據(jù)，A／D轉(zhuǎn)換器必須在啟動(dòng)之前進(jìn)行初始化。先將單片機(jī)的P1．4口置1，然后軟件啟動(dòng)一次轉(zhuǎn)換過(guò)程即可。在轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，由于任何模數(shù)轉(zhuǎn)換需要一定的持續(xù)時(shí)間，所以在讀取數(shù)據(jù)時(shí)要有一定的時(shí)間延遲，本設(shè)計(jì)為5μs，以確保讀取正確的數(shù)據(jù)。
2．2 中央處理器模塊
    這個(gè)模塊主要包括單片機(jī)對(duì)A／D轉(zhuǎn)換模塊的控制、對(duì)數(shù)據(jù)處理以及對(duì)執(zhí)行電路的控制3個(gè)部分。
    單片機(jī)對(duì)A／D轉(zhuǎn)換器的控制主要包括對(duì)A／D的模擬通道選取地址寫入、清零和控制模數(shù)轉(zhuǎn)換步驟；數(shù)據(jù)處理部分主要是將讀取的與光照度相對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)與預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，當(dāng)溫度超出規(guī)定值時(shí)發(fā)出執(zhí)行指令。本設(shè)計(jì)確定30 min進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄和判斷一次，全天候監(jiān)控記錄。

3 結(jié)束語(yǔ)
    文中主要設(shè)計(jì)了一種溫室和大棚的自動(dòng)光照度管理系統(tǒng)。與已有的類似系統(tǒng)相比，有諸多優(yōu)點(diǎn)。采用模塊化設(shè)計(jì)思路，系統(tǒng)參數(shù)可以修改，系統(tǒng)可以擴(kuò)展為多點(diǎn)測(cè)量和多點(diǎn)執(zhí)行，也可以加入溫濕度采集和執(zhí)行通風(fēng)、澆水設(shè)備，還可以加入聲光報(bào)警等。系統(tǒng)測(cè)光范圍寬，精確度高，便于調(diào)節(jié)，使用靈活。設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單實(shí)用，實(shí)現(xiàn)方便，成本低，適合廣泛推廣。