環(huán)境控制對果樹生產(chǎn)的重要作用已經(jīng)為國內(nèi)外大量的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)的實(shí)踐所證實(shí)。只有在適宜的生長環(huán)境下果疏才能充分發(fā)揮其高產(chǎn)潛力。多年的有關(guān)果樹生長環(huán)境的研究，不儀知道了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，也為溫室環(huán)境測控的研究提供了理論和依據(jù)。但如何利用傳感器技術(shù)，白動檢測技術(shù)，通訊技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和溫室栽培的推廣研制出對溫室溫度，濕度，二氧化碳濃度的智能測控系統(tǒng)，為果樹提供最佳的生長環(huán)境，一直是農(nóng)業(yè)研究者面臨的重要課題。

　　固然國外采用了全智能控制，但是他們的本錢太高，不適合我國國情，國內(nèi)已有的日光溫室主要采用自然能源，固然造價比較低，但過于簡陋，只有少數(shù)實(shí)現(xiàn)了溫度、濕度、光照等單一因素的測控，不能滿足日益現(xiàn)代化的農(nóng)藝要求。本文研制一種價格比較適宜、擴(kuò)展性較好的多功能溫室智能測試系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

　　本系統(tǒng)功能由硬件和軟件兩大部分協(xié)調(diào)完成，硬件部分主要完成各種傳感器信號的采集、轉(zhuǎn)換、各種信息的顯示等；軟件主要完成信號的處理及控制功能等。

　　其工作原理是89C51單片機(jī)一次查詢各傳感器的輸出信號，然后89C51對輸進(jìn)信號進(jìn)行相應(yīng)處理后通過顯示模塊44780輸出，同時還可輸出各種報警信號。

2 硬件構(gòu)成

　　該系統(tǒng)硬件主要包括以下幾個模塊：89C51主控模塊、傳感器模塊、A／D轉(zhuǎn)換器、擴(kuò)展、44780顯示模塊等。其中89C51主要完成外圍硬件的控制以及一些運(yùn)算功能，傳感器完成信號的采樣功能，A／D轉(zhuǎn)換器主要完成模／數(shù)的轉(zhuǎn)換、存儲器主要完成程序和數(shù)據(jù)的存儲、44780顯示模塊完成字符、數(shù)字的顯示功能。

主控模塊

　　系統(tǒng)采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51單片機(jī)，它帶有4kB閃速式存儲器、128B內(nèi)存，最大工作頻率24MHz，同時，具有32條輸進(jìn)輸出線，16位定時／計(jì)數(shù)器，5個中斷源，1個串行口。

2.1 傳感器的選取

2.1.1 溫度傳感器

2.1.2 濕度傳感器

　　采用IH3605電容式集成濕度傳感器。其輸出電壓較高且線性較好。尢需進(jìn)行信號放大和信號調(diào)整，可直接進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換。

　　本系統(tǒng)選用北京林業(yè)大學(xué)生產(chǎn)的光量子傳感器，主要由感應(yīng)元件和匹配濾光片系統(tǒng)組成。感應(yīng)元件選用硅太陽能電池，在太陽輻射作用下產(chǎn)牛的光電流與輻射強(qiáng)度成線性關(guān)系。標(biāo)準(zhǔn)的硅光電池的光譜響應(yīng)在400nm-1100n。的范圍，峰值波長為800nm。光量子傳感器是一種靈敏的藍(lán)色硅電池，在近紅外區(qū)域700nm-1100nm只有相當(dāng)?shù)偷捻憫?yīng)，而在可見區(qū)域400～700nm比一股硅電池的響應(yīng)卻要高得多，峰值響應(yīng)在550～-650nm之間。光量子傳感器在光的照射下，輸山變化十分微弱的電流信號(約幾個微安)。所以光合有效輻射的檢測電路應(yīng)選用低漂移，共模抑制比高的集成運(yùn)算放大器。放大電路采用電流一電壓變換放大電路。

　　C02濃度傳感器選用紅外線氣敏傳感器。其丈量范圍寬，達(dá)-2000ppm，檢測精度可達(dá)15％?？梢赃x用這種方法來監(jiān)測溫室空氣中C02的濃度。

2.1.5 土壤水分傳感器

　　選用TDR-3型土壤水分傳感器。TDR-3土壤水分傳感器可丈量土壤水分的體積百分比，與土壤本身的機(jī)理無關(guān)，是目前國際上最流行的土壤水分丈量方法。TDR-3型土壤水分傳感器是一款高精度、高靈敏度的丈量土壤水分的傳感器。

2.2 多路開關(guān)CD4051

　　本系統(tǒng)選用了單端8通道模擬多路開關(guān)CD4051。它由電平位移電路，帶禁止端INH的8選1譯碼器和由該譯碼器對各個輸出分別加以控制的八個CMOS雙向模擬開關(guān)組成。其引腳如圖2所示。INH為高電平時，八路通道全部不通。A、B、C分別為輸進(jìn)選通地址端，0-7為八路模擬輸進(jìn)信號端，COMMON端為被選通模擬信號的輸出端CD4051傳送的信號范圍從VFE到VDD。由于環(huán)境因子的采樣信號幅值為0～2V，所以將VEE端與Vss端相連并接地，VDD端接電源端Vcc，使得信號傳送范周為O-Vcc，即0～+5V，INH，A，B，C四端連接四根地址線，控制信號的選通。選通的信號從COMMON端送到A／D電路。

2.3 A／D轉(zhuǎn)換電路

　　MC14433采用8位數(shù)據(jù)輸出，轉(zhuǎn)換精度為1／2000，相當(dāng)于11位二進(jìn)制A／D轉(zhuǎn)換器的精度。它還具有抗干擾性好、自動校零、自動極性輸山、自動量程控制信號輸出、單基準(zhǔn)電壓、外接元件少等特點(diǎn)。

2.4 擴(kuò)展電路與地址分配

2.4.1 擴(kuò)展電路

89C51芯片上帶有擴(kuò)展功能引腳。

-　　EA／VPP端：系統(tǒng)中該引腳接+5V高電平，程序計(jì)數(shù)器PC先訪問內(nèi)部程序存儲器，當(dāng)PC值超過OFFFH(4k)時，轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲器內(nèi)的程序。

　　-PSEN端：外部程序存儲器讀選通訊號。本系統(tǒng)未擴(kuò)展外部程序存儲器，此引腳空。

　　ALE／-PROD端：系統(tǒng)擴(kuò)展外部存儲器時ALE輸出鎖存信號。

　　89C51內(nèi)部有128個字節(jié)的RAM存儲器。存實(shí)時數(shù)據(jù)采集和處理時，僅靠片內(nèi)的RAM是不夠的，還需要利用89C51的擴(kuò)展功能擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲器。常用的數(shù)據(jù)存儲器有靜態(tài)SRAM和動態(tài)DRAM。由于DRAM需要不斷刷新，設(shè)計(jì)時要增加刷新電路，電路復(fù)雜，可靠性差。因此SRAM在單片機(jī)測控系統(tǒng)中應(yīng)用更普遍。

　　木系統(tǒng)采用常用的2KX8位SRAM6116。它采用CMOS工藝制造，單一+5V電源，典型存取時間200ns。2.4.2 端口及地址分配

　　根據(jù)以上端口分配，可以確定外設(shè)地址為：

　　多路開關(guān)CD4051：XO-X7對應(yīng)BOH-B7H；B8H-BFH全不通；

　　外部擴(kuò)展RAM：0800-OFFFH，共2k；

　　執(zhí)行信號輸出依靠P2.5線選鎖存器74LS373，后將控制字從PO口輸山到74LS373來完成。

2.5 執(zhí)行信號輸出

　　本系統(tǒng)是溫室群的監(jiān)控系統(tǒng)，它是由多臺前沿機(jī)和主控機(jī)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)組成的。因此系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視、環(huán)境控制等都是通過網(wǎng)絡(luò)通訊來實(shí)現(xiàn)的。所以，前沿機(jī)的通訊電路是系統(tǒng)重要組成部分。

　　溫室群環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時性要求不高，傳輸?shù)男畔⒘恳膊惶螅虼舜挟惒酵ㄓ嵖梢詽M足其通訊需求，并且具有線路簡單，易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)采異步通訊。溫室群環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)要求遠(yuǎn)間隔數(shù)據(jù)傳送，對數(shù)據(jù)傳送速率要求不太高并要有一定的抗干擾能力，因此RS-422最適合系統(tǒng)的要求。適當(dāng)降低傳輸速率，如9600bit／s，可以使傳送間隔達(dá)到1200m以上，完全滿足系統(tǒng)要求。主控機(jī)口通訊采用主機(jī)板上空閑的標(biāo)準(zhǔn)25芯COM2 口，進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后掛接RS-422總線。使用這種轉(zhuǎn)換器時可以使用與RS-232相同的通訊軟件而無需進(jìn)行修改。

2.7 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)

　　本系統(tǒng)采用總線型監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。總線型拓樸結(jié)構(gòu)如圖6所示。在總線型控制網(wǎng)絡(luò)中，主控站通過總線來訪問各個前沿機(jī)。只有主控站有權(quán)控制總線，而各前沿機(jī)則不可以，并且各個前沿機(jī)之間不能直接進(jìn)行通訊。這種拓樸結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：數(shù)字化的數(shù)據(jù)通過串行輸進(jìn)／輸出總線進(jìn)行傳送；通訊協(xié)議采用RS232，RS422，RS485等；系統(tǒng)擴(kuò)展較為靈活：通訊速率較低。

　　本系統(tǒng)采用44780驅(qū)動的LCD，HD44780(KS0062)是用低功耗CMOS技術(shù)制造的大規(guī)模點(diǎn)陣LCD控制器(兼帶驅(qū)動器)，和4bit／8bit微處理器相連，它能使點(diǎn)陣LCD顯示大小寫英文字母、數(shù)字和符號等豐富的信息，同時有較強(qiáng)的通用性應(yīng)用，使用方便，用戶能用少量元件就可組成一個完整點(diǎn)陣LCD系統(tǒng)，送進(jìn)相關(guān)的數(shù)據(jù)和指令即可實(shí)現(xiàn)所需的顯示。

　　44780顯示模塊有8條數(shù)據(jù)線，3條控制線，可與微處理器或微控制器相連，通過送進(jìn)數(shù)據(jù)和指令，就可使模塊正常工作。

　　在微機(jī)測控系統(tǒng)中，系統(tǒng)抗干擾性能的好壞直接影響到整個系統(tǒng)工作的可靠性與安全性。因此，抗干擾設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個主要內(nèi)容，本系統(tǒng)采用的是由硬件和軟件相結(jié)合的抗干擾措施。

2.9.1 系統(tǒng)硬件抗干擾設(shè)計(jì)

(1) 濾波技術(shù)

　　將電源變壓器的進(jìn)線段加進(jìn)濾波器，以消弱瞬變噪聲干擾；在直流電源線和地線之間接濾波電容，以抑制電源噪聲。

(2) 往耦電路

　　存印刷電路板的各個集成電路的電源線端與地線端之間配置往耦電容。

(3) 屏蔽技術(shù)

　　屏蔽技術(shù)主要由電場屏蔽，電磁場屏蔽和磁場屏蔽三類，本系統(tǒng)是電場和電磁場屏蔽的方法。主要使用低電阻材料作為屏蔽材料，把需要隔離的部分保衛(wèi)起來。磁場屏蔽則應(yīng)采用高導(dǎo)磁率的材料。

(4) 光電隔離：

　　再I／O通道上采用光電隔離器，將單片機(jī)系統(tǒng)與各種傳感器、開關(guān)從電器上隔離開來，很大一部分干擾可被阻擋

2.9.2系統(tǒng)軟件抗干擾設(shè)計(jì)

　　對于微機(jī)測控系統(tǒng)，僅僅考慮硬件的抗干擾是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，采取一定的軟件抗干擾措施非常必要，它不儀能降低系統(tǒng)的硬件本錢，又可以充分發(fā)揮軟件的上風(fēng)，使系統(tǒng)具有自我診斷，自我恢復(fù)的能力。本系統(tǒng)采用的軟件抗干擾措檀越要有以下幾種：

　　(1) 數(shù)字濾波技術(shù)，采用數(shù)字濾波技術(shù)除往輸進(jìn)信號中所摻雜的各種隨機(jī)干擾。 (2) 軟件陷阱技術(shù)，當(dāng)系統(tǒng)受劍干擾，PC值發(fā)生變化，程序"亂飛"等情況，可以用軟件陷阱和看門狗將程序拉回到復(fù)位狀態(tài)。具體的講，可以在RAM中埋一些標(biāo)志，在每次程序復(fù)位時，通過這些標(biāo)志，可以判定復(fù)位原因并根據(jù)不同的標(biāo)志直接跳到相應(yīng)的程序。這樣可以使程序運(yùn)行有連續(xù)性，用戶在使用時也不易察覺到程序被重新復(fù)位過。

3 軟件設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)軟件主要由主程序、中斷子程序、數(shù)據(jù)采集與A／D轉(zhuǎn)換子程序、顯示子程序、報警子程序等六大模塊組成，由于C語言編寫的軟件易于實(shí)現(xiàn)模塊化，天生的機(jī)器代碼質(zhì)量高、可讀性強(qiáng)、移植好，所以本系統(tǒng)的軟件采用C語言編寫，再KeilVision3 Demo版本的集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行編譯連接。

3.1 主程序設(shè)計(jì)

　　主程序主要完成硬件初始化、子程序調(diào)用等功能。

　　數(shù)據(jù)采集與A／D轉(zhuǎn)換子程序根據(jù)輸進(jìn)參數(shù)對相應(yīng)的模擬信號進(jìn)行采樣、量化及處理，并將相應(yīng)信號的數(shù)值返回主程序。

3.3 顯示子程序設(shè)計(jì)

　　顯示子程序完成符號、數(shù)值的顯示輸出。

3.4 報警子程序

　　主要實(shí)現(xiàn)異常情況下控制告警信號輸山。如當(dāng)室內(nèi)溫度升高到某一點(diǎn)時，或濕度低于某一規(guī)定值時，音頻報警裝置會發(fā)出不同頻率的告警信號，同時相應(yīng)的指示燈亮(點(diǎn)亮報警指示燈的任務(wù)由顯示子程序來完成)，以引起工作職員的主意。

4 仿真與調(diào)試

4.1 仿真器選擇

　　本系統(tǒng)選用ME-52單片機(jī)仿真開發(fā)系統(tǒng)，它實(shí)時仿真頻率高達(dá)33MHz，提供2～24MHz的時鐘信號。同時它提供64KB程序代碼存儲器，支持仿真所有程序和數(shù)據(jù)地地址空間，支持Franklin V3.XX／Keil 6.xx編譯連接工具。具有分別獨(dú)立控制項(xiàng)目文件的項(xiàng)目治理器。另外具有VC++風(fēng)格的窗口駐留，窗口動態(tài)切分和工作簿模式窗口界面。

4.2 仿真調(diào)試

　　在仿真調(diào)試階段，采用"自底向上逐步集成"的策略，逐模塊進(jìn)行仿真測試，在此基礎(chǔ)上逐步集成。譬如可先仿真顯示模塊、測溫子模塊、測濕度子模塊等，然后將仿真成功的模塊逐個加進(jìn)主程序進(jìn)行仿真，在仿真過程中發(fā)現(xiàn)錯誤，采用"分塊壓縮策略"，快速找到并改正錯誤；留意在集成過程中出現(xiàn)題目，大多是由于模塊間資源使用沖突引起的。當(dāng)軟件模塊仿真成功后，可與硬件一起進(jìn)行在線仿真，此時在調(diào)試中出現(xiàn)的題目大多是由于連接線連接錯誤、虛焊、布線不公道等原因造成的。 隨著電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，智能溫室控制必將成為一種發(fā)展趨勢，文中提出利用51單片機(jī)和新型傳感器對溫室環(huán)境進(jìn)行測試，目前原型機(jī)己取得成功。調(diào)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)可靠性高、使用方便，下一步將住此基礎(chǔ)上開發(fā)控制系統(tǒng)，給用戶提供更大的方便。