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

彭雪峰

（佳木斯大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，黑龍江 佳木斯 154007）

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，如何提高氣候意識，做到順應(yīng)氣候規(guī)律，合理利用氣候資源，對發(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農(nóng)作物生長極其重要，不同的作物對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)有的光照度測量設(shè)備存在很多缺點，本文研究并設(shè)計了一種基于單片機的自動光照度測量、記錄和調(diào)節(jié)的智能管理系統(tǒng)。本系統(tǒng)設(shè)計簡單、性能可靠，全天候監(jiān)控并記錄數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)分析并可自動執(zhí)行。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)硬件是由光傳感器電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、單片機和執(zhí)行電路組成。具體地說是先用光電池來采集光照度信號，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7812將采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再利用80C51BH單片機對數(shù)據(jù)進行記錄和分析并發(fā)出執(zhí)行指令，最后由執(zhí)行電路來執(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

1.1.1 光電池設(shè)計

本設(shè)計的光照度采集由硅光電池來完成，安裝方法[1]如圖1所示。

圖1 光電池的安裝方法Fig.1 Solar battery installation method

圖中4個光電池G1～G4分別放置在4個獨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 運算放大電路設(shè)計

電路設(shè)計如圖2[2]所示。

圖2 光傳感器測量及放大電路Fig.2 Optical sensor and amplifier circuit

本單元的核心器件是OP07芯片，它是一種低噪聲，非斬波穩(wěn)零的雙極性運算放大器集成電路。OP07同時具有輸入偏置電流低（±2 nA）和開環(huán)增益高（300 V/mV）的特點。在這里OP07起到放大光照度信號的作用，輸入信號在2腳以負(fù)極性電流信號輸入，輸出信號以電壓形式由6腳輸出。隨著光強的增強，4個光電池相繼導(dǎo)通，這樣就把光強信號轉(zhuǎn)換成電流信號。當(dāng)光照最強時（200 klux），4個光電池都輸出最高電流，使4個三極管VT1～VT4都處于飽和導(dǎo)通狀態(tài)，這時輸出電壓最大，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，實際電壓要比這值略低。這里的RP是用于調(diào)零，如果要求測量精度不高時，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)用時環(huán)境不同，在應(yīng)用本系統(tǒng)前要對遮光材料的遮光程度進行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)步驟如下：

1）選最強光照時，適當(dāng)增加或減少G4上的遮光，使輸出電壓UT≤5.0 V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)幾次上述過程，使輸出電壓正好為5.0 V臨界值。

1.2 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

經(jīng)過運算放大電路輸出的含有光照度的信息的電壓是模擬信號，這里必須要經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號才能被單片機接收和處理，本設(shè)計中采用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：

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)省單片機輸入引腳，便于系統(tǒng)擴展。

2）有8個輸入通道可以同時采集8路模擬信號，這也可以用來進一步系統(tǒng)功能開發(fā)。

3）具有軟件轉(zhuǎn)換啟動與軟件關(guān)斷特性。

具體電路設(shè)計如圖3所示。CREF接10 nF電容，傳送同步TFS與接收同步RFS與單片機P1.0口連接，數(shù)據(jù)輸出DOUT與單片機P1.1口連接，數(shù)據(jù)輸入DIN與單片機P1.2口連接，讀取時鐘SCLK與單片機P1.3口連接，轉(zhuǎn)換起動CONVST與單片機P1.4口連接。這樣就很容易由單片機來控制串行數(shù)據(jù)讀取[3]。

圖3 模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路Fig.3 A/D Converter Circuit

1.3 單片機處理器電路設(shè)計

Intel80C51BH單片機是美國Intel公司出產(chǎn)的實用性很強的8位單片機。它有4 kROM和64 keprom，21個特殊功能寄存器，很適合作為本設(shè)計處理器[4]。單片機處理電路如圖4所示。由單片機P1口的前5位來接收和控制來自AD7812的信號，由P0.0口來輸出調(diào)節(jié)溫室大棚遮光指令[5]。

圖4 80C51BH單片機控制電路Fig.4 80C51BH single chip control circuit

1.4 執(zhí)行電路設(shè)計

由于單片機發(fā)出的指令信號功率較小，所以不能直接啟動執(zhí)行開關(guān)或電機，必須用驅(qū)動電路來實現(xiàn)動作。為節(jié)約成本，這里仍然利用運算放大器OP07來實現(xiàn)，電路設(shè)計成一個同相比例運算電路，電壓放大倍數(shù)為3，電路中執(zhí)行指令信號經(jīng)由電阻R1在IN+腳輸入，由OUT腳輸出。由于采用運算放大電路，所以輸出功率很大。輸出信號控制開關(guān)繼電器KA完成執(zhí)行任務(wù)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖5 動作執(zhí)行電路Fig.5 The Action Implementation Circuit

為了便于系統(tǒng)擴展，將系統(tǒng)進行模塊化設(shè)計。該系統(tǒng)由測光照度電路、A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)據(jù)處理和執(zhí)行輸出4個模塊組成。具體流程是這樣的：先由測量光照度電路將光強信號（0～200 klux）轉(zhuǎn)換成電壓信號（0～5 V），再由A/D轉(zhuǎn)換電路將這模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成單片機能識別的數(shù)字信號，最后由單片機進行數(shù)據(jù)分析、處理和判斷。當(dāng)條件符合時啟動調(diào)光照調(diào)節(jié)電路，如圖6所示。

圖6 軟件系統(tǒng)設(shè)計流程Fig.6 Software design process

2.1 A/D轉(zhuǎn)換器模塊

為了正常讀取數(shù)據(jù)，A/D轉(zhuǎn)換器必須在啟動之前進行初始化。先將單片機的P1.4口置1，然后軟件啟動一次轉(zhuǎn)換過程即可。在轉(zhuǎn)換的過程中，由于任何模數(shù)轉(zhuǎn)換需要一定的持續(xù)時間，所以在讀取數(shù)據(jù)時要有一定的時間延遲，本設(shè)計為5 μs，以確保讀取正確的數(shù)據(jù)。

2.2 中央處理器模塊

這個模塊主要包括單片機對A/D轉(zhuǎn)換模塊的控制、對數(shù)據(jù)處理以及對執(zhí)行電路的控制3個部分。

單片機對A/D轉(zhuǎn)換器的控制主要包括對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應(yīng)的數(shù)字信號與預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值進行比較，當(dāng)溫度超出規(guī)定值時發(fā)出執(zhí)行指令。本設(shè)計確定30 min進行數(shù)據(jù)記錄和判斷一次，全天候監(jiān)控記錄[6]。

3 結(jié)束語

文中主要設(shè)計了一種溫室和大棚的自動光照度管理系統(tǒng)。與已有的類似系統(tǒng)相比，有諸多優(yōu)點。采用模塊化設(shè)計思路，系統(tǒng)參數(shù)可以修改，系統(tǒng)可以擴展為多點測量和多點執(zhí)行，也可以加入溫濕度采集和執(zhí)行通風(fēng)、澆水設(shè)備，還可以加入聲光報警等。系統(tǒng)測光范圍寬，精確度高，便于調(diào)節(jié)，使用靈活。設(shè)計電路簡單實用，實現(xiàn)方便，成本低，適合廣泛推廣。

[1]金發(fā)慶.傳感器技術(shù)與應(yīng)用[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[2]孫余凱，吳鳴山，項綺明.傳感器應(yīng)用電路300例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[3]劉翔.基于單片機的自動溫度測量報警系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2011（1）：125－127.LIU Xiang.Design for auto temperature alarm system based on SCM[J].Electronic Design Engineering，2011（1）:125－127.

[4]張振榮，晉明武，王毅平.MCS－51單片機原理及實用技術(shù)[M].北京：人民郵電出版社，2000.

[5]胡漢才.單片機原理及其接口技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001.

[6]張洪潤.單片機應(yīng)用技術(shù)教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000.