基于單片機(jī)的多功能測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張小云 裴騰達(dá)

摘 要：針對(duì)溫室大棚的環(huán)境智能監(jiān)測(cè)研究，本文設(shè)計(jì)了一種以STC89C52RC單片機(jī)為控制核心的多功能測(cè)量系統(tǒng)。通過對(duì)系統(tǒng)的單片機(jī)和PC機(jī)進(jìn)行聯(lián)調(diào)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室內(nèi)光照度、溫度和濕度等重要環(huán)境因子的監(jiān)測(cè)及實(shí)時(shí)顯示以及對(duì)聲光報(bào)警電路的控制，溫度的偏差控制在±0.5℃，濕度的偏差控制在±5%RH，光照度的偏差控制在±1lx。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；溫度；濕度；光照度

中圖分類號(hào)：TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言（Introduction）

溫室大棚是設(shè)備農(nóng)業(yè)的一種形式，國產(chǎn)溫室每年都在以新增100—150萬公頃的面積快速地發(fā)展[1]。溫濕度和光照度是農(nóng)業(yè)溫室生產(chǎn)中非常關(guān)鍵的測(cè)量參數(shù)，它們的準(zhǔn)確、及時(shí)測(cè)量將會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和研究帶來非常大的幫助。溫室環(huán)境測(cè)量技術(shù)運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)測(cè)量溫室中的溫度、CO2濃度等環(huán)境因子，以達(dá)到對(duì)溫室內(nèi)環(huán)境的測(cè)控要求[2]。智能溫室的大力推廣，對(duì)于我們運(yùn)用科學(xué)技術(shù)服務(wù)“三農(nóng)”、建設(shè)美麗中國具有非常重要的意義。

針對(duì)我國的現(xiàn)代化溫室智能控制水平相對(duì)落后的現(xiàn)狀，結(jié)合某公司的智慧農(nóng)業(yè)項(xiàng)目，我們采用單片機(jī)技術(shù)和虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)了該溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。由于本系統(tǒng)遵循了操作簡便、較高可靠性、便于維護(hù)和性價(jià)比高的設(shè)計(jì)原則，因此對(duì)于實(shí)際應(yīng)用到工農(nóng)業(yè)環(huán)境因子監(jiān)測(cè)方面也會(huì)有優(yōu)異的效果。

2 總體方案設(shè)計(jì)（The overall program design）

本系統(tǒng)的下位機(jī)是由STC89C52RC單片機(jī)系統(tǒng)為控制中心，加上DHT11、DS18B20、BH1750三個(gè)傳感器模塊以及按鍵控制數(shù)碼管顯示和聲光報(bào)警等模塊組成的；上位機(jī)是由美國國家儀器（NI）公司的軟件LabVIEW[3]為基礎(chǔ)開發(fā)的一個(gè)用戶圖形接口。要求達(dá)到的技術(shù)指標(biāo)：測(cè)溫范圍：0—50℃；測(cè)濕范圍：20%—90%RH；測(cè)光范圍：1—65535lx。

本系統(tǒng)的工作原理是：上電后，STC89C52RC單片機(jī)首先完成初始化工作。然后，系統(tǒng)自動(dòng)采集溫濕度、光照度傳感器數(shù)據(jù)，最后通過單片機(jī)的串行口和RS-232總線通信協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)顯示、處理，上位機(jī)對(duì)報(bào)警參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)并控制相應(yīng)聲光報(bào)警電路報(bào)警，同時(shí)通過三個(gè)不同按鍵控制相應(yīng)數(shù)碼管顯示。整個(gè)系統(tǒng)采用單總線技術(shù)和I2C總線控制技術(shù)，單片機(jī)采用C語言編程，PC機(jī)采用G語言編程。

3 溫室環(huán)境測(cè)量系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)（The

hardware circuit design of greenhouse

environment monitoring system）

3.1 環(huán)境因子采集電路的設(shè)計(jì)

傳感器作為溫室設(shè)備準(zhǔn)確控制的首要條件，它的正確選取是進(jìn)行自動(dòng)控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。我們根據(jù)本文要求的技術(shù)指標(biāo)，選擇具有長期穩(wěn)定性且性價(jià)比的數(shù)字式傳感器。

（1）溫度采集電路的設(shè)計(jì)

大部分溫室環(huán)境控制設(shè)備如供熱設(shè)備、遮陽布等都與溫度控制相關(guān)，因此，溫度測(cè)量是溫室環(huán)境控制的關(guān)鍵。本文選擇達(dá)拉斯公司生產(chǎn)的DS18B20單總線數(shù)字溫度傳感器[4]。DS18B20數(shù)字溫度傳感器體積小、精度高、使用壽命長，適用于本文需要高可靠性的系統(tǒng)。單片機(jī)和DS18B20之間僅需一條連接線（加上地線），可使用單片機(jī)的一般I/O口P2.0。它的測(cè)溫范圍滿足本文0—50℃的測(cè)溫需求。

（2）濕度采集電路的設(shè)計(jì)

為了使?jié)穸葌鞲衅髋c單片機(jī)的通信更加方便，也為了增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性能，我們?cè)诖诉x用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器[5]測(cè)量本系統(tǒng)的濕度數(shù)據(jù)。DHT11設(shè)置了校準(zhǔn)參數(shù)，所以測(cè)得的數(shù)據(jù)十分可靠。它采用單線制串行接口，這樣使得電路的設(shè)計(jì)更加簡單，并且它的體積超小、功耗極低。DHT11可測(cè)濕范圍為20%—90%RH，測(cè)濕精度為±5%RH，滿足本文測(cè)濕要求。

（3）光照度采集電路的設(shè)計(jì)

在合適的條件下增加光照度，能夠增強(qiáng)高緯度缺光地區(qū)溫室內(nèi)作物的光合作用，提高光照度不足的地區(qū)農(nóng)作物的產(chǎn)量。溫室中主要使用光照度傳感器檢測(cè)棚內(nèi)的光照度，然后采取適當(dāng)?shù)拇胧┰黾踊驕p少光照度。本文采用日本羅姆半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的BH1750光強(qiáng)度傳感器。BH1750是一種基于I2C的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路[6]。它能以較高的探測(cè)分辨率分辨很大的光強(qiáng)度變化區(qū)間（1lx-65535lx），并且接口電路非常簡單，BH1750只需將SCL和SDA分別接單片機(jī)的P2.2和P2.3即可。如果系統(tǒng)中有多片BH1750相級(jí)聯(lián)，則每兩片IC可以并用這兩個(gè)I/O端口，然后其中一片IC的ADDR接低電平，另一片的接高電平即可[7]。

3.2 單片機(jī)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的STC89C52RC單片機(jī)是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的增強(qiáng)型8051單片機(jī)[8]，它的時(shí)鐘晶振電路用于產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，來控制單片機(jī)內(nèi)部的各種微操作，本文我們?cè)O(shè)計(jì)晶振為11.0592MHz。復(fù)位對(duì)單片機(jī)來說，是準(zhǔn)備工作，此時(shí)程序還沒開始執(zhí)行。STC89C52RC單片機(jī)及其連接的晶振電路和復(fù)位電路如圖1所示。

3.3 其他外圍電路的設(shè)計(jì)

（1）按鍵控制電路

單片機(jī)組成的各種硬件電路中，按鍵是最常見的人機(jī)交互輸入方式。本文通過三個(gè)觸發(fā)式按鍵一對(duì)一的連接單片機(jī)的三個(gè)輸入口，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫濕度和光照度數(shù)碼管亮滅一對(duì)一的控制。具體的控制過程我們需要通過用C語言編程來實(shí)現(xiàn)。

（2）MAX7219數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)顯示電路

MAX7219是一種集成化的共陰極顯示驅(qū)動(dòng)器，它連接單片機(jī)和7段共陰極數(shù)碼管顯示。MAX7219可以通過編寫控制碼對(duì)數(shù)碼管進(jìn)行亮度控制。另外，本文我們選用三個(gè)四位一體的共陰極數(shù)碼管[9]來顯示實(shí)時(shí)采集到的溫室內(nèi)的亮度和溫濕度。

（3）聲光報(bào)警電路

聲光報(bào)警電路模塊由蜂鳴器報(bào)警電路和發(fā)光二極管報(bào)警電路兩部分構(gòu)成。當(dāng)室內(nèi)的溫濕度和光照度傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)在正常范圍內(nèi)時(shí)，發(fā)光二極管處在熄滅的狀態(tài)，蜂鳴器也不會(huì)發(fā)出響聲；但是當(dāng)溫濕度和光照度不在設(shè)定值范圍時(shí)，三者對(duì)應(yīng)的發(fā)光二極管會(huì)被點(diǎn)亮，蜂鳴器也會(huì)發(fā)出嘀嘀的聲響，以此來提醒用戶采取相關(guān)措施。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)（The system software design）

4.1 主程序流程圖和串口處理流程圖

主程序是系統(tǒng)運(yùn)行的總體框架[10]，它規(guī)定了單片機(jī)按照怎樣的操作步驟進(jìn)行有序運(yùn)轉(zhuǎn)。串口處理程序表明上位機(jī)與單片機(jī)之間約定好的通信方式，通過此程序可以實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)之間數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通。如圖2所示為本系統(tǒng)的主程序流程圖和串口處理流程圖。

communication

4.2 測(cè)量系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

DS18B20通過單總線協(xié)議跟單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。測(cè)溫子程序運(yùn)行時(shí)，首先初始化DS18B20，此時(shí)顯示溫度為+85℃，然后對(duì)單片機(jī)進(jìn)行寫數(shù)據(jù)操作，在進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換后將溫度數(shù)據(jù)讀出來，最后通過按鍵控制在相應(yīng)數(shù)碼管上實(shí)時(shí)顯示溫度數(shù)據(jù)。

單片機(jī)通過單總線協(xié)議對(duì)DHT11進(jìn)行讀寫。測(cè)濕程序開始后，先延時(shí)180ms，然后將總線拉高40us，主機(jī)設(shè)為輸入模式等待從機(jī)響應(yīng)。當(dāng)從機(jī)變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，完成數(shù)據(jù)的接收、檢驗(yàn)和處理，然后結(jié)束子程序。

BH1750可以通過I2C總線協(xié)議跟單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。本文設(shè)定BH1750工作在連續(xù)高分辨率模式，測(cè)量開始后，先對(duì)BH1750初始化，然后延時(shí)180ms，接著連續(xù)讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。程序的執(zhí)行嚴(yán)格按照讀寫時(shí)序進(jìn)行。

4.3 上位機(jī)程序設(shè)計(jì)

（1）數(shù)據(jù)采集模塊

LabVIEW通過VISA串口驅(qū)動(dòng)程序與單片機(jī)進(jìn)行通信。將串口設(shè)置成符合系統(tǒng)要求的參數(shù)，為了界面的布局將串口通信部分隱藏。系統(tǒng)的通信模式為上位機(jī)為主，下位機(jī)為從。報(bào)警限設(shè)置用于設(shè)置溫濕亮度的上下門限值，上位機(jī)有三個(gè)報(bào)警控件，默認(rèn)為綠色，報(bào)警時(shí)顯示紅色。當(dāng)從串口接收的數(shù)值超過設(shè)定的報(bào)警門限值時(shí)，上位機(jī)向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，啟動(dòng)報(bào)警。每路均設(shè)有報(bào)警指示燈，用來提醒系統(tǒng)管理者注意。數(shù)據(jù)顯示存儲(chǔ)用于提取從串口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并以文本和曲線圖的形式顯示。圖3為上位機(jī)采集圖。

（2）數(shù)據(jù)分析和管理

這兩個(gè)模塊主要應(yīng)用到是LabVIEW中數(shù)據(jù)工具包，利用SQL實(shí)現(xiàn)了與數(shù)據(jù)庫Access的融合，能完成采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢、刪除和分析。數(shù)據(jù)分析模塊用于對(duì)選擇的日期進(jìn)行分析計(jì)算，得出最大值、最小值、均值和超限次數(shù)。數(shù)據(jù)管理用于查詢數(shù)據(jù)庫中的表格：設(shè)定的參數(shù)、溫濕度和光照度數(shù)值，對(duì)這些表格進(jìn)行查詢、刪除或?qū)С觥?/p>

5 結(jié)論（Conclusion）

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，基于STC89C52RC單片機(jī)的溫室環(huán)境多功能測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度高，測(cè)量偏差在要求范圍內(nèi)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，通過串口協(xié)議實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)間的通信，再加上上下位機(jī)軟件編程能夠?qū)崿F(xiàn)溫室內(nèi)的溫濕度、光照度情況的實(shí)時(shí)就地監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)和管理。將此系統(tǒng)應(yīng)用于現(xiàn)代溫室大棚中，對(duì)作物的科學(xué)生產(chǎn)具有很好的使用價(jià)值，并且提高了農(nóng)業(yè)技術(shù)人員的現(xiàn)代化管理水平，具有良好的推廣價(jià)值。

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作者簡介：

張小云（1989-），女，碩士生.研究領(lǐng)域：無線通信技術(shù).

裴騰達(dá)（1984-），男，本科，助教. 研究領(lǐng)域：無線通信系統(tǒng).