【正文】 到在LabVIEW上準(zhǔn)確的顯示出光照﹑溫度﹑濕度等環(huán)境因素的實時采集數(shù)值。2. 2 系統(tǒng)總設(shè)計方案本課題通過傳感器對果園進(jìn)行生態(tài)環(huán)境參數(shù)的采集，將所采集到的模擬數(shù)據(jù)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后傳送到單片機(jī)，并通過單片機(jī)進(jìn)行實時處理，接著經(jīng)過串行接口把分析處理過的數(shù)據(jù)送給計算機(jī)，計算機(jī)終端使用LabVIEW設(shè)計出顯示窗口，能夠及時的顯示出串行接口發(fā)送來的數(shù)據(jù)。所以本課題是基于虛擬儀器技術(shù)、傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)這三大技術(shù)，主要以計算機(jī)作為核心對于果園生態(tài)環(huán)境中溫度、濕度、光照這些因素實行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測，從而來達(dá)到對于果園生態(tài)環(huán)境的智能化管理和監(jiān)測。調(diào)理電路前端采集裝置串行通信虛擬儀器顯示PC終端果 園 環(huán) 境單片機(jī)C51A/D轉(zhuǎn)換光照傳感器濕度傳感器溫度傳感器 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖3 前端采集裝置設(shè)計本課題中硬件電路的設(shè)計要求是要用AT89C51單片機(jī)為主要設(shè)計芯片，采集數(shù)據(jù)主要利用傳感器完成。傳感器包括溫度、濕度、光照傳感器等，能夠?qū)崟r采集溫濕度、光照等信號，并轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號[3]。對影響果園果樹生長的環(huán)境因素采集范圍的要求：溫度的范圍是：－50℃～150℃，根據(jù)此要求選用DS18B20溫度傳感器；濕度的范圍是：0～100%，因此選用濕度傳感器HS1101；光照的范圍：0～200KLax，本設(shè)計中選擇光敏電阻進(jìn)行設(shè)計。3. 1 前端采集裝置各部分設(shè)計思想對于整個系統(tǒng)來說，硬件設(shè)計是基礎(chǔ)，因此需要考慮到很多方面的要求，用以達(dá)到實現(xiàn)這個設(shè)計的基本功能。具體主要需要考慮的因素有如下幾個：①系統(tǒng)的穩(wěn)定程度；②器件本身的通用性；③軟件編程是否容易實現(xiàn)；④系統(tǒng)在其他方面的功能和性能指標(biāo)。由此可以看出，硬件電路設(shè)計用于對影響果樹生長的光照﹑溫度﹑濕度因素的數(shù)據(jù)采集，對于整個課題的順利實現(xiàn)有著至關(guān)重要的作用，下面就開始從每個功能模塊的設(shè)計和實現(xiàn)上來逐個的對其進(jìn)行細(xì)致的分析和探討。3. 2 溫度采集電路設(shè)計在對于溫度的采集電路中，本文主要采用DS18B20單總線數(shù)字式溫度計進(jìn)行設(shè)計，單總線指的就是將地址線﹑控制線和數(shù)據(jù)線合成為一根信號線，在這根信號線上可以連接多個器件，在適當(dāng)?shù)臅r間任何一個器件都可以驅(qū)動該根總線。DS18B20是一種新型數(shù)字式集成溫度傳感器，它只有唯一的一個數(shù)據(jù)輸入/輸出口，使用起來非常方便，也正因為這個原因被廣泛的應(yīng)用于測量溫度。本課題選擇DS18B20是因為它符合該選題中溫度的采集范圍從55℃到+125℃且精度+℃這個要求，因為任何一個DS18B20都有唯一的一個64位序列碼，這就使它允許任何數(shù)量的DS18B20同時連接在同一個單線總線上，也可在一根總線上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。此外，DS18B20不需要外部電源，可以直接從數(shù)據(jù)線上獲取供電。 DS18B20引腳圖 DS18B20引腳功能8引腳SOIC封裝TO9封裝符號說明51GND接地42DQ數(shù)據(jù)輸入/輸出引腳。對于單線操作：漏極開路。當(dāng)工作在寄生電源模式的時候用來提供電源。33VDD可選的VDD引腳。工作于寄生電源模式時，VDD必須接地。注釋：所有上表未提及的連接都無連接電路中采用DS18B20測量溫度，輸出的為全數(shù)字化信號。這種全數(shù)字化信號可以免去使用傳統(tǒng)測量溫度方法時的很多外圍電路，因此更便于單片機(jī)對輸入的信號進(jìn)行處理和控制。該芯片最大的優(yōu)點就是用單總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，所以它能直接與計算機(jī)連接，并且可以直接輸出溫度。本系統(tǒng)是利用AT89C51單片機(jī)對其進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)的實時采集，再與LCD一起實現(xiàn)對溫度的顯示，從而實現(xiàn)了溫度的快速采集顯示需求。 DS18B20溫度采集電路3. 3 濕度采集電路設(shè)計濕度的采集電路選用濕度傳感器HS1101進(jìn)行電路的設(shè)計。HS1101傳感器在設(shè)計電路中的作用相當(dāng)于一個電容器件，該電容器件的數(shù)值隨著濕度的增大而增大。它符合所需要的濕度范圍：0～100%的要求，具有快速的反映時間，HS1101濕度受溫度影響變化非常的小，具有長時間的穩(wěn)定和高度的可靠性，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下不需要進(jìn)行任何校正，長時間的飽和情況下能快速的脫濕，因此對于選擇它進(jìn)行電路設(shè)計非常合適。 HS1101實物圖 HS1101常用參數(shù)表參數(shù)符號參數(shù)值單位工作溫度Ta－40～100176。C儲存溫度Tstg－40～125176。C供電電壓Vs10Vac濕度范圍RH0～100%RH焊接時間t10S濕度采集電路設(shè)計的主導(dǎo)思想是將HS1101放在555振蕩電路中，微波處理器直接采集電路中的電容值變換，并將其轉(zhuǎn)換為電壓的頻率信號。芯片555電路中，連接的R4﹑R5與HS1101一起，共同組成一個充電回路。放電回路則由芯片內(nèi)部的晶體管通過引腳7和地端相連短路來實現(xiàn)。引腳2和引腳6相連，引入到片內(nèi)，和片內(nèi)比較器一起組成一個多諧波的振蕩器，引腳3引出后連接的電阻R7是保護(hù)電阻，目的在于防止短路，之后連接到AT89C51的P34輸入端。電路中R5相對于R4來說一定要非常小，但是不能太小以至于不能起到該電阻在電路中的作用。HS1101濕度傳感器在整個電路中的作用類似于一個可以變化的電容器，與引腳2和引腳6連接在一起。HS1101的等效電容，在R4和R5的作用下充電達(dá)到上限電壓（此時的時間記作T1），達(dá)到上限電壓時555芯片引腳3的電壓由高電平轉(zhuǎn)換為低電平，接著利用R4進(jìn)行放電，因為引腳7由于R5內(nèi)部短路接地，因此開始放電并放電到觸發(fā)界線（此時時間記作T2）就停止，這個時候芯片555的引腳3電壓又變?yōu)楦唠娖?。利用此原理，通過兩個不同的電阻對傳感器進(jìn)行不停的充放過程，并輸出產(chǎn)生的方波波形。 濕度采集電路對于充電﹑放電的時間，以及最終輸出方波要通過什么樣的方法轉(zhuǎn)換為濕度，這都需要涉及一些計算函數(shù)，通過這些函數(shù)的計算之后，才能轉(zhuǎn)換為我們讀取的濕度數(shù)值。充電﹑放電的時間計算公式分別為：輸出波形的頻率和占空比的計算公式如下：通過上面的公式進(jìn)行分析可以看出，空氣濕度相對于芯片555的輸出頻率大小之間存在著一定的線性關(guān)系，通過采集到555芯片的頻率，然后按照下面的表格進(jìn)行對照，這樣就能夠通過查表得出其相對濕度的數(shù)值。 典型頻率濕度關(guān)系RH0102030405060708090100Frequency685267346618650363886271615260295901576656233. 4 光照采集電路設(shè)計光照對于果樹的成長和發(fā)育起著至關(guān)重要的作用。果樹的整個生命周期中，都必須在一定的光照下才能進(jìn)行生長發(fā)育。對于光照采集的電路設(shè)計中，選用的主要元件為對于光照強(qiáng)度變化具有非常靈敏的感應(yīng)能力的光敏電阻，光敏電阻是一種隨著光照強(qiáng)度的變化，其自身的阻值也會發(fā)生相應(yīng)的變化的電阻器件。本電路設(shè)計中采用的為GL3516光敏電阻，因為它的暗電阻往往超過1MΩ，而亮電阻則在5KΩ～10KΩ，因此R6阻值選擇為10KΩ，當(dāng)其為暗電阻時，電路中光敏電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于R6阻值，采集到的電壓值基本為0可與光照強(qiáng)度0KLax對應(yīng)，當(dāng)其為亮電阻時，電阻值與R6大小基本相同，此時采集到電壓與200KLax相對應(yīng)。這部分所設(shè)計的電路就是充分利用了光敏電阻的這種特性，當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生改變時，阻值隨著光照而變化，從而電路中光敏電阻兩端的電壓也隨之發(fā)生變化，這樣就能通過對于電壓變化的檢測，將電壓信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)對于果園中光照強(qiáng)度的采集。本電路的設(shè)計目的在于完成對于果園光照強(qiáng)度的采集，而實際情況中采集到的是電壓值的變化，因此電路中還需要再設(shè)計一個A/D轉(zhuǎn)換電路，選用的A/D轉(zhuǎn)換器就是芯片ADC0832。ADC0832是一種8位分辨率雙通道的A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨率可達(dá)到256級，可以實現(xiàn)一般適量的模擬量轉(zhuǎn)換要求，作為單通道模擬信號輸入的時候，ADC0832的輸入電壓為0V到5V，由于本設(shè)計電路預(yù)想情況下輸出的應(yīng)該是檢測到的光照強(qiáng)度，而實現(xiàn)的途徑是通過電阻值的變化引起電壓值發(fā)生變化，并對電壓值進(jìn)行記錄，因此這個輸出電壓必須通過A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換作用，將輸入的電壓信號最終轉(zhuǎn)換為本課題中要求的光照強(qiáng)度進(jìn)行輸出。 光照強(qiáng)度的采集電路3. 5 AT89C51單片機(jī)AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)[4]。它是一種低功耗﹑高性能的CMOS 8位微控制器，具有32個可編程的I/O口，2個16位定時/計數(shù)器以及256KB RAM單元，因此它可以不需要額外的擴(kuò)展EEPROM或者靜態(tài)RAM就可以實現(xiàn)所要求的功能[8]。從眾多單片機(jī)中選用AT89C51作為核心芯片的原因，也是因為它能夠簡化電路﹑提高整個系統(tǒng)的可靠性。AT89C51單片機(jī)是整個硬件系統(tǒng)設(shè)計的核心，它除了是協(xié)調(diào)整個電路的控制器之外，還是整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理器。 AT89C51芯片中P0口是一個8位的漏極開路的雙向I/O口，它可以用作輸出口，如果它訪問的是外部程序或者數(shù)據(jù)存儲器時，P0口也可以用作低8位的地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。P1口是一個8位的內(nèi)部有上拉電阻的雙向I/O口，P1口輸出的緩存器可以用來驅(qū)動4個TTL邏輯門電路。P2口﹑P3口和P1口的功能基本相同，P3口也具有一些特殊的功能也可稱作其第二功能。 P3口的特殊功能端口引腳第二功能RXD串行輸入端TXD串行輸出端INT0外部中斷0INT1外部中斷1T0 計時器0T1 計時器1WR 外部數(shù)據(jù)存儲寫選通RD外部數(shù)據(jù)存儲讀選通 由于AT89C51內(nèi)部有一個有個高增益反相放大器，引腳XTAL1為該放大器的輸入端，XTAL2為該放大器的輸出端，這個反相放大器和作為反饋元件的石英晶體諧振器，可以構(gòu)成一個自激振蕩器。 單片機(jī)C51電路3. 6 MAX232在單片機(jī)中，只要談到串行通信，必然要想到MAX232。MAX232芯片是一個使用+5V單電源供電的標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片，是常用的一種電平轉(zhuǎn)換芯片，一般被使用在串行通信中。單片機(jī)輸出的是TTL或者CMOS電平，而TTL電平或者CMOS電平中規(guī)定的邏輯0電平為0V，邏輯1的電平為+5V，在單片機(jī)與計算機(jī)的串行通信過程中，輸出電壓的數(shù)值往往高達(dá)12V，如果這樣直接與單片機(jī)連接的話，非常容易造成芯片的燒毀，所以需要MAX232芯片進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)換。 從MAX232的原理上來看，可以將其分為3部分。第一部分是電荷泵，它的主要作用是可以將直流的5V電源轉(zhuǎn)換為177。10V的電源，用來滿足TTL/CMOS電平轉(zhuǎn)換成所需要的電平。第二部分是將TTL或者CMOS電平轉(zhuǎn)換成RS232電平，在本電路中，將引腳12與AT89C51單片機(jī)的串行發(fā)送的端TXD相連，將引腳7與RS232相連接，通過這種方式，實現(xiàn)了從單片機(jī)中輸出TTL/CMOS電平，將這個輸出的電平在MAX232內(nèi)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而成為所需要的電平。第三部分就是把177