【文章內容簡介】 定而積累數(shù)據(jù)， 通信模塊是實現(xiàn)上位機和單片機之間的通信， 上位機將控制信號通過 RS485 送到單片機 實現(xiàn)信息的下 傳。 下面給出主程序流程圖，如 附錄 所示： 溫室大棚種植提高了人們的生活水平并得到了迅速的推廣和應用 .溫室大棚種植的環(huán)境 ,如溫度、濕度和二氧化 碳含量等是對農(nóng)作物生長影響最大的因素 ,傳統(tǒng)的人工檢測方式難以實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)綜合生態(tài)信息管理與科學種植的要求 ,國內對溫室大棚參數(shù)自動監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應用尚在起步階段 ,而引進國外具有多功能的大型連棟溫室控制系統(tǒng)價格昂貴 ,很難適合中國農(nóng)村的實際需求 .為此 ,作者研制了一種性價比較高、運行可靠的自動測試系統(tǒng) ,以適合中國溫室大棚種植科學化管理的推廣與應用。 測試系統(tǒng)的組成及原理 本系統(tǒng)采用最簡捷的數(shù)字采集系統(tǒng)將其動態(tài)參數(shù)實時地測量并顯示 ,設計分為硬件部分和軟件部分 .硬件方框圖如圖 。分為傳感 器及其整理電路模塊、 A/D 轉換模塊、單片機模塊、按鍵與顯示模塊 .傳感器把被測參數(shù)轉換為電信號 ,并經(jīng)過整理電路調理變?yōu)? 0～ 5V 的直流電壓信號 ,再經(jīng)過 A/D 轉換器轉換為數(shù)字信號 ,送入單片機內 ,經(jīng)過計算 ,以分時顯示的形式 ,把 3 個被測信號實時地輪流顯示出來 .軟件采用匯編語言的程序模塊構成。 圖 動態(tài)參數(shù)測試系統(tǒng)方框圖 測試系統(tǒng)的設計 河南機電高等?？茖W校畢業(yè)設計論文 13 設計的關鍵是傳感器及其整理電路。傳感器性能的好壞直接影響到測量精度、測量范圍和響應速度。因此，選擇合適的傳感器直接關系到整個系統(tǒng)的性能 .溫度傳感器選用單 片雙端集成溫度傳感器 AD590,濕度傳感器選用濕敏電容 HS1100, CO2傳感器選用固態(tài)電化學型 CO2 傳感器 TGS4160 。 （ 1） 溫度測量電路 采用溫度傳感器 AD590,其測溫放大電路設計如 示。電路中的 ICL7650S芯片是斬波穩(wěn)零運算放大器。直流電壓 +12V 通過電阻 R電位器 RP1 加到 AD590上 ,AD590 的輸出電流在 R1 , RP1 上產(chǎn)生電壓降 ,使放大器 I CL7650S 反相輸入端的電位隨溫度而變化 ,在其輸出端獲得與被測溫度成正比的直流電壓。電路中的電位器 RP1 用于調零 , RP3 用于調滿刻度 ,這樣可以極大地改善 AD590 非線性引起的誤差 , R 用于調節(jié)放大器 I CL7650S 的輸入失調 , I CL7650S 輸出端的 R5 和 C1 構成濾波器用于濾除斬波尖峰干擾。電路的測溫范圍為 0～ 100℃ ,相應輸出為 0～ 5V,呈現(xiàn)線性關系。 圖 溫度傳感器 AD590的檢測電路 （ 2） 濕度測量電路 采用的 HS1100濕度傳感器是 Sensation公司基于獨特工藝設計的電容元件， HS1100 濕度傳感器的原理是由濕度傳感器的干濕介質在外界的相對濕度 變化時 ，吸附 /脫附空氣中的水汽分子 ,使感濕介質的介電常數(shù)發(fā)生變化 ,引起濕度傳感器的電容值改變 .濕度傳感器實際上相當于 1個可變電容 ,其電容的變化值與空氣中河南機電高等?？茖W校畢業(yè)設計論文 14 的相對濕度成一一對應的正比線性關系 ,相對濕度越大 ,濕度傳感器的電容越大 。相對濕度越小 ,濕度傳感器的電容越小。 將電容的變化量準確地轉變?yōu)閱纹瑱C接受的信號 ,常用 2 種方法 :一是將該濕敏電容置于運放與容阻組成的放大器電路中 ,所產(chǎn)生的電壓信號經(jīng)直流放大、 再經(jīng) A/D 轉換為數(shù)字信號；另一種是將該濕敏電容置于振蕩電路中 ,將電容值的變化轉為與之呈反比的電 壓頻串信號 ,可直接被計算機所采集。在此采用第 1 種測量方法 ,測量電路如圖 示。 Uf 為外加的 10 kHz 方波信號。 C2 是固定電容 ,為了獲得最佳的靈敏度放大系數(shù)取其電容值為 180 pF,由此將相對濕度的基準點定為 55%,并且與濕度傳感器 HS1100 的電容 CT 構成一開關電容分壓放大電路 , CT 與 C2 的連接點電壓 UC 為運放的同相輸入電壓信號 , U02 為運放輸出電壓信號 ,其輸入 /輸出特性 :當輸入電壓 UC 減小時 ,輸出電壓 U02增大。當相對濕度減小時 , CT 容抗增大 ,UC 增大 ,而 U02 減小 ,反 之當濕度增大時 ,U02 增大。 圖 濕 度 /電壓轉換電路 （ 3） CO2 含量測量電路 采用 TGS4160 型 CO2 傳感器測量 CO2 ,它是一種電化學型氣體的敏感元件 ,當該元件暴露在 CO2氣體環(huán)境中時 ,就會產(chǎn)生電化學反應 ,通過監(jiān)測 S( + ) ,S ( ) 2個電極之間所產(chǎn)生的電勢值 EMF,就可以測量 CO2 的含量值。為使傳感器保持在最敏感的溫度上 ,需要給加熱器提供加熱電壓進行加熱 ,加熱電壓穩(wěn)定在 (5177。)V 內。為了保證 CO2 含量的準確測量 ,除了保證加熱電壓穩(wěn)定及對環(huán)境溫度的變 化進行溫度補償外 ,更主要的是要測量兩電極之間變化的電勢值 ,而不是絕對電勢值 .在 10～ +50℃溫度范圍內 ,基本不受溫度的影響保持常量 .傳感器測量范圍是 350～ 1 000 mL L 1,但根據(jù)溫室大棚 CO2 含量的實際情況 ,在此設定所測量的 CO2 含量在 350～ 900 mL L 1之間 ,在這個范圍內可以滿足測試系統(tǒng)河南機電高等?？茖W校畢業(yè)設計論文 15 的實際需要 .但要把 TGS4160 的輸出信號轉換成 0～ 5 V 的電壓 ,需要把傳感器的輸出信號 CO2 含量對應的絕對電勢值轉換到傳感器兩極之間變化的電勢值 ,然后再放大。設計采用 2 級減法運算放大電路實現(xiàn) (圖 ) 圖 測量 CO2電路的減法電路 . 微處理器系統(tǒng) 微處理器選擇 ATMEL公司生產(chǎn)的 AT89C51單片機 ,A/D轉換器選用 ADC0809,利用 ADC0809轉換器三態(tài)輸出鎖存功能 ,直接與 AT89C51的總線相連接口電路如圖 所示 ,按鍵電路設計為 4 個按鍵 ,其中 SW4 是復位鍵 ,另 3 個是功能鍵。設置的按鍵的功能是 :按 S W1 顯示溫度的參數(shù) 值；按 S W2 顯示濕度的參數(shù)值；按 S W3 顯示 CO2 含量參數(shù)值 。復位鍵的作用是 ,當按下“ S W1” ,“ S W2” 或“ S W3” 任意 1個鍵時 ,顯示器則只顯示其對應的參數(shù)值 ,可以通過按復位來使顯示器恢復輪流顯示 .顯示采用 4 位 LED 顯示，其中 3 位顯示所測量參數(shù)信號的大小 ,另 1位代表所測信號的通道 .利用 AT89C51 的 P0口和 P2口的低 4位來驅動顯示。在 P0口的 8根數(shù)據(jù)線和段碼管的 8根數(shù)據(jù)線之間接一單向驅動芯片 74LS244,增加 P0口的驅動能力 ,驅動芯片的輸出口又接了 8 個 470Ω的電 阻 RP ,可以作為限流電阻 ,以免段碼管的功耗太大而燒壞管子。 P2口的低 4位輸出是選擇位段碼。顯示電路的工作方式是動態(tài)掃描法。 河南機電高等?？茖W校畢業(yè)設計論文 16 圖 微處理器硬件接口電路 程序模塊 主程序 系統(tǒng)上電時 ,初始化程序將 70H,71H,72H內存單元清零， P3口置零。 剛上電時 ,系統(tǒng)默認位循環(huán)顯示 3 個通道的參數(shù)值狀態(tài) .當進行一次測量時 ,將顯示每一通道的 A /D 轉換值 ,每個通道的數(shù)據(jù)顯示時間為 1 s 左右。主程序在調用測試子程序 ,顯示子程序和判斷按鍵之間循環(huán) ,主程序圖見圖 。 顯示子程序 顯示子程序采用動態(tài)掃描法實現(xiàn) 4 位數(shù)碼管的數(shù)值顯示 .測得的 A/D 轉換數(shù)據(jù)放在 70H,71H 和 72H 內存單元中 ,測量數(shù)據(jù)在顯示時需要轉換為 BCD 碼放在 73H, 74H 和 75H 單元中 ,其中 76H 存放通道標志數(shù)。寄存器 R3用作 3路循環(huán)控制 ,R0 用作顯示數(shù)據(jù)地址指針 .由于顯示器用的是段碼顯示 ,不能顯示各參數(shù)的單位 ,但各個通道的單位是一定的。 A /D 轉換測量子程序 模 /數(shù)轉換測量子程序用來控制對 ADC0809 三路模擬輸入電壓的 A/D 轉換 ,并將對應的數(shù)值 移入 70H,71H 和 72H內存單元 。 河南機電高等?？茖W校畢業(yè)設計論文 17 圖 顯示數(shù)據(jù)轉換子程序 溫度的測量范圍是 0～ 100℃ ,模擬量輸出是 0～ 5V；濕度的測量范圍是 0～100%,模擬量輸出為 0～ V； CO2 含量的測量范圍是 350～ 900mLL 1,輸出為 0～ V。運用程序進行數(shù)據(jù)處理可達到要求的精度。 河南機電高等?？茖W校畢業(yè)設計論文 18 第 3 章 溫室大棚的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展 ,農(nóng)民增收緩慢的問題逐漸成為阻礙我國經(jīng)濟穩(wěn)定發(fā)展的一大隱患。解決此問題的關鍵是大力發(fā)展農(nóng)業(yè)科技 ,逐步走向農(nóng)業(yè)現(xiàn)代 化。溫室大棚技術在農(nóng)業(yè)中有著舉足輕重的作用 ,是提高農(nóng)業(yè)科技水平的關鍵。 系統(tǒng)設計 系統(tǒng)組成 本系統(tǒng)采用的是網(wǎng)絡式的數(shù)據(jù)采集結構。上位機由 AT89S51 單片機作 為控制器 ,外加 LCD1602 和若干按鍵構成人機交互界面 ,同時設有報警裝置。上位機硬件框圖如圖 :上位機主要完成的功能是接收下位機傳遞的數(shù)據(jù)并顯示溫室大棚中的平均溫度和平均濕度。用戶可以通過按鍵對進行溫度和濕度的設定。同時 ,還具有報警機制 ,當某處的溫度和濕度出現(xiàn)異常時進行聲光報警并顯示異常點。下位機由 ATtiny2313 和溫濕度傳感器組成。主要完成的工作是溫度信號與濕度信號的采集 ,同時傳輸給上位機。 ATtiny2313 是 AT2MEL 公司發(fā)布的 AVR 系列中的一款低端產(chǎn)品。該芯片采用的 RISC 結構 ,比相同時鐘的 51單片機執(zhí)行速度快約 12 倍。它有 20 個引腳 ,其中有 18 個是可編程的 I0 口 ,具有豐富的擴展功能 ,并且內部集成了 RC 振蕩器 ,無需外部晶振。芯片還具有三個定時器其中一個帶有捕獲功能 ,兩個外部中斷。芯片價格低廉也是其優(yōu)點之一。上位機與下位機通信采用的 RS485 總線形式 ,這種通信接口允許在簡單的一對雙絞線 上進行多點雙向通信 ,它所具有的噪聲抑制能力、數(shù)據(jù)傳輸速率、電纜長度及可靠性是其他標準無法比擬的。 河南機電高等?？茖W校畢業(yè)設計