基于單片機的小氣候信息采集系統(tǒng)便攜機設(shè)計

蔣淑敏，莫國民，王艷，余學敏

0 引言

小氣候，是指在小范圍地面狀況（離地面1.5到2米以內(nèi)）和性質(zhì)不同的地段，由于它們的輻射特性、貼地氣層的亂流交換和水分交換過程的不同而形成的氣候[1]。小氣候現(xiàn)象，決定于小地形和環(huán)境，如地段方位、坡面傾斜度、土壤植被性質(zhì)，以及圍繞地段有無林木、池塘、灌溉渠、建筑物等。小氣候特點主要反映在溫度、濕度和風的梯度上，都比大氣候的變化要急劇得多。在小氣候范圍內(nèi)，溫度鉛直梯度、不像大氣候是十分之幾度，而是幾度、幾十度，甚至是幾百度以上。這種情況，對人類的生產(chǎn)、生活以及作物的生長發(fā)育，都有很大影響。

研究農(nóng)業(yè)小氣候的目的除探明各種類型的小氣候特征、農(nóng)業(yè)小氣候變化規(guī)律、及其效應、形成機制和過程外，主要是為了充分利用和開發(fā)小氣候資源，努力為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)服務[2]。因此，就要求對小氣候信息（包括溫度、濕度、降雨量等）進行實時的監(jiān)測，并將這些信息數(shù)據(jù)采集后進行分析、處理、加工，以進行農(nóng)田預測預報管理，從而更好地指導農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。提出了一種基于單片機設(shè)計的專用于農(nóng)田的小氣候信息采集系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計

為了滿足不同地域、環(huán)境對小氣候數(shù)據(jù)的需要，農(nóng)林小氣候的信息應有空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度（3層）、土壤濕度、光照、露點溫度、氣壓、蒸發(fā)量、降雨量、太陽輻射、光合有效輻射、風速、風向等15個參數(shù)。小氣候信息采集系統(tǒng)便攜機的任務，是完成15個參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、計算、存儲（本機存儲和SD卡外存），并上傳至上位機實現(xiàn)存儲、打印、顯示等功能[3]。便攜機為獨立單一的系統(tǒng)，可以在偏遠地區(qū)無法實現(xiàn)與計算機聯(lián)網(wǎng)時，自成系統(tǒng)，完成小氣候數(shù)據(jù)采集、計算、存儲、打印、顯示等功能。

配合便攜機的結(jié)果，同時可設(shè)計上位機，通過RS-485總線接受來自便攜機的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)分析、歸類、形成分析報告，也可通過大屏幕顯示器進行實時小氣候參數(shù)顯示。

2 小氣候信息采集系統(tǒng)（便攜機）設(shè)計與實現(xiàn)

基于PIC18F87J10組成的小氣候數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[4]（便攜機）的構(gòu)成如下圖1所示。硬件電路包括：主控制器電路、前端傳感器接口電路、時鐘電路、存儲電路、人機接口電路、通訊電路、電源電路及其他輔助電路。

圖1 小氣候信息采集系統(tǒng)（便攜機）組成框圖

2.1 主控制器（微處理器）的電路

主控制器承擔著整個便攜機系統(tǒng)的管理工作，是系統(tǒng)的核心，主要完成15個小氣候參數(shù)的數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示、通訊、實時時鐘、打印等功能。該芯片完全能滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求，不但具有強大的處理能力、豐富的配置，而且極低功耗，適合在手持設(shè)備中使用。

2.2 前端傳感器接口的設(shè)計

系統(tǒng)采集的15個小氣候參數(shù)中風速、風向2個傳感器輸出為數(shù)字信號，其余13個傳感器輸出信息為模擬信號。

前端傳感器接口電路由傳感器[5]變送器、流壓轉(zhuǎn)換、防雷擊保護、多路模擬開關(guān)及跟隨器組成，主要完成對前端傳感器輸出的模擬信號、數(shù)字信號進行信號變換和輸入保護。由于部分電路性能的好壞將直接影響整個系統(tǒng)的性能指標，因此器件的選擇、電路結(jié)構(gòu)的設(shè)計及PCB電路板制作需要重點考慮。系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 前端傳感器接口電路原理圖

2.2.1 模擬量接口的電路

1）傳感器

模擬量接口主要完成對13個模擬量參數(shù)的轉(zhuǎn)換。傳感器將這些物理量變換成模擬量，其有效值在0.66V～+3.3V范圍之間，經(jīng)多路模擬開關(guān)切換，送至PIC18F87J10內(nèi)部配置的A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，給以保存和顯示。

溫濕度傳感器，采用半導體溫敏器件、高分子濕敏元件，經(jīng)專用變送電路轉(zhuǎn)換為標準電壓信號，傳送至CPU。溫濕度的指標有空氣溫濕度和地面溫濕度兩種，而地溫還有不同地面下深度三種。

氣壓傳感器，采用進口氣壓模塊，經(jīng)電路轉(zhuǎn)換為標準電壓信號輸出。

光照傳感器，采用高靈敏度的硅蘭光伏探測器作為傳感器。

總輻射傳感器，用來測量光譜范圍為0.27－3.2微米的太陽總輻射。

光合有效輻射傳感器，主要用于測量400—700nm波長的自然光。在植物生長和發(fā)育過程中，光輻射因子起著重要的作用。

蒸發(fā)量、降雨量傳感器，是根據(jù)蒸發(fā)量、降雨量傳感器盛水皿在一小時內(nèi)水增加或減少重量的變化，經(jīng)傳感器感應出相應電量變化信號，再經(jīng)過電路調(diào)整、放大處理、輸出。

2）流壓轉(zhuǎn)換電路

各類傳感器的輸出經(jīng)變送后，統(tǒng)一輸出4～20mA的電流信號，用165Ω的電阻，將傳感器輸出電流轉(zhuǎn)換成0.66V～3.3V的電壓信號，送CPU采集。

3）防雷擊保護

防雷擊保護電路由TVS管[6]P6KE6.8CA瞬態(tài)電壓抑制二極管（防雷管）組成，最小擊穿電壓 6.8V。這種器件在電路系統(tǒng)中起到分流、箝位作用，可以有效降低由于雷電、電路中開關(guān)通斷時產(chǎn)生的高壓脈沖（瞬時吸收功率大數(shù)百至數(shù)千瓦），避免雷電、高壓脈沖損壞其它器件。

2.2.2 數(shù)字量接口的電路

數(shù)字量接口主要完成對風速、風向2個物理參數(shù)的轉(zhuǎn)換。風是三維矢量，是由許多在空間和時間上隨機變化的小尺度脈動疊加在大尺度運動上的氣流所組成。風的測量包括風向和風速兩項參數(shù)。系統(tǒng)中采用由天津氣象儀器廠生產(chǎn)的EL18-1螺旋槳式聯(lián)合風向風速傳感器。其輸出量為頻率及8位格雷碼，硬件連接只提供一個頻率測量的接口即可。電原理如圖3所示，系統(tǒng)采用了隔離設(shè)計，以提高系統(tǒng)運行的可靠性。

圖3 風速風向測量電路

2.3 輔助電路設(shè)計

2.3.1 復位電路

系統(tǒng)上電、按鍵復位及看門狗電路由SP706完成。

2.3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路

PIC18F87J10內(nèi)部集成了15路模擬量輸入，分辨率為10位的逐次逼近A/D轉(zhuǎn)換器。

當采用內(nèi)部RC振蕩器作為時鐘源時，A/D轉(zhuǎn)換時間約為44μS，由于采集的小氣候信息參數(shù)都為慢信號，因此A/D轉(zhuǎn)換時間完全能滿足要求。

根據(jù)小氣候參數(shù)及指標中空氣溫度的測量范圍：－40～＋60℃（0～100的變換量），系統(tǒng)要能分辨出0.1℃（相當于1‰）的值；輸出對應的模擬量為：4～20mA（流壓轉(zhuǎn)換對應的模擬電壓0.66V～3.3V）。由10位的A/D分辨率，可計算得到AD轉(zhuǎn)換實際最低有效位1LSB=2.58mV，系統(tǒng)分辨電壓2.64mV，完全能夠滿足設(shè)計要求。通過電位器調(diào)節(jié)，即可設(shè)置A/D的參考電壓分別為+3.3V和+0.66V。同樣可得對其余小氣候模擬參數(shù)的采集，也能滿足設(shè)計要求。

2.3.3 電源電路

系統(tǒng)設(shè)計有太陽能供電電路、交流供電電路及蓄電池組成，蓄電池輸出+12V直流電壓。太陽能供電電路在陽光充足時，可對蓄電池充電，當光源不足時，蓄電池電壓下降到一定的電壓值，則切換由交流供電電路對蓄電池充電。+12V直流電壓除直接供給傳感器轉(zhuǎn)換電路外，經(jīng)穩(wěn)壓輸出+5V和+3.3V，供便攜機系統(tǒng)模擬電路和數(shù)字電路正常工作。圖4為穩(wěn)壓電源線路圖。

圖4 穩(wěn)壓電源線路圖

+5V輸出由7805三端穩(wěn)壓塊、濾波電容及瞬態(tài)電壓抑制二極管組成，為系統(tǒng)提供模擬電路所需的電源。+3.3V電壓由LM317T、濾波電容及瞬態(tài)電壓抑制二極管組成，為系統(tǒng)提供數(shù)字電路所需的電源。

2.3.4 時鐘電路的模塊

時間是小氣候信息采集系統(tǒng)中一個很重要的參考項，是一個很關(guān)鍵的參數(shù)。為了給用戶提供詳細的小氣候信息數(shù)據(jù)，必須記錄下各段小氣候信息對應的時間。因此在系統(tǒng)中加入了低功耗的實時時鐘芯片SD2303A，采用I2C總線接口與CPU相連，實現(xiàn)萬年歷及計時的功能。在設(shè)置打印時間、采樣及存儲、初始顯示界面等功能時，系統(tǒng)需要對時鐘進行調(diào)用。當系統(tǒng)停電時，時鐘電路模塊有自帶的紐扣電池，為時鐘芯片供電，以便系統(tǒng)有連續(xù)的時間。系統(tǒng)設(shè)計紐扣電池的壽命為2年。

2.3.5 存儲的模塊

當便攜機自成系統(tǒng)時，則必須外插SD卡，通過菜單控制將存儲在EEPROM中的小氣候參數(shù)值，下載到SD卡中。這樣，可方便異地將保存在SD卡中的數(shù)據(jù)在上傳至計算機，便于統(tǒng)計分析。利用CPU的SPI總線連接，SD卡采用SPI工作模式。

系統(tǒng)同時設(shè)計有板載EEPROM存儲模塊，用于實時存放小氣候參數(shù)。選用非易失性AT24C512芯片，每片存儲容量64Kbyte，6片共394Kbyte。實現(xiàn)存儲一年365天，每天記錄24次，每次16個參數(shù)值?？紤]到方便維修，存儲芯片設(shè)計成獨立PCB板，與便攜機通過焊接連成一體。由于單片機的I2C總線資源已被其余外圍電路占用，因此，設(shè)計采用通用I/O口與EEPROM連接，通過I/O線模擬I2C總線的時序，實現(xiàn)對EEPROM的訪問。

2.3.6 人機接口的模塊

系統(tǒng)設(shè)有8個功能鍵和1個復位鍵，完成系統(tǒng)人機對話功能、上電復位、在線復位和系統(tǒng)看門狗的功能。功能鍵通過行列矩陣的形式排列，可分別實現(xiàn)采樣、下載、時間調(diào)整、查看、打印等功能。

系統(tǒng)采用LCM240×128點陣式液晶模塊，主要完成人機接口的輸出顯示，包括：開機狀態(tài)、菜單提示、參數(shù)采樣結(jié)果顯示、系統(tǒng)工作狀態(tài)顯示等界面。液晶模塊內(nèi)部采用T6963C控制器，CPU直接控制方式。

2.3.7 通訊的模塊

PIC18F87J10內(nèi)部有2個兩個增強型可尋址USART模塊，一個用于與帶有RS-232串口的微型打印機連接，另一個用于與上位機通訊。

其一，采用MAX3232E接口芯片，供電電壓+3.0V～3.6V，操作速率達250Kbps，用于與計算機的無線通訊和微型打印機的通訊，實現(xiàn)小氣候參數(shù)的輸出打印。

其二，PIC18F87J10第二個串口通過短接塊切換，可實現(xiàn)2種不同的與計算機聯(lián)機模式。一為通過RS-232，外加一個無線通訊模塊實現(xiàn)與計算機的雙向無線傳輸；二為將RS-232轉(zhuǎn)換為RS-484總線形式，實現(xiàn)與計算機的雙向有線傳輸。RS-485總線模式具有傳輸距離遠、抗干擾能力強的特點。485線路連接如圖5所示。

圖5 RS-485接口電路

以上硬件設(shè)計充分考慮野外使用時的安全措施、預留相應擴展接口、方便維修人員對產(chǎn)品的維護、提高整機的性能和軟件升級的簡便。

3 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

便攜機軟件設(shè)計采用結(jié)構(gòu)化的C程序設(shè)計，主要有采樣、顯示、打印、下載、時鐘等子程序和按鍵、通訊、風速風向定時中斷子程序組成。圖6為單片機系統(tǒng)軟件框圖。

圖6 單片機系統(tǒng)主程序流程圖

配合計算機（上位機）的軟件，可在計算機上實現(xiàn)與便攜機的通訊及對上傳的數(shù)據(jù)進行管理、歸類統(tǒng)計、打印報表等功能。配合上位機顯示，實時監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果見圖7。

圖7 實時顯示本次采樣的數(shù)據(jù)和前一次采集的數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

小氣候預測預報將對農(nóng)作物生長起到重要的預判和指導作用，本文設(shè)計的基于單片機的小氣候信息采集系統(tǒng)，在系統(tǒng)測試、小氣候參數(shù)監(jiān)測及產(chǎn)品實際應用過程中都顯示，該系統(tǒng)基本達到了預期的系統(tǒng)設(shè)計的功能性要求，可為單片機系統(tǒng)在小氣候信息監(jiān)測及處理領(lǐng)域的研究提供一種思路，是適合目前農(nóng)田小氣候信息自動監(jiān)測的普及型設(shè)備。

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