棉花葉面溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與測(cè)試

常國權(quán)， 馮 賀， 李亞兵

(1.安陽工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息工程學(xué)院，河南安陽 455000； 2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所，河南安陽 455000)

棉花是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，在紡織、國防、醫(yī)藥、汽車工業(yè)等領(lǐng)域具有重要的作用，對(duì)棉花進(jìn)行科學(xué)、智能化生長環(huán)境監(jiān)測(cè)是提高棉花產(chǎn)量最重要的環(huán)節(jié)之一。為研究棉花葉面溫度對(duì)棉花生長及其產(chǎn)量的影響，進(jìn)而采取有效的控制措施，需要實(shí)時(shí)對(duì)棉花葉面溫度進(jìn)行采集，并將溫度和采集時(shí)間進(jìn)行存儲(chǔ)，農(nóng)業(yè)參數(shù)采集所用的傳感器大多采用串行數(shù)字接口(serial digital interface at 1200 baud，簡稱SDI-12)總線接口，SDI-12是一種基于微處理器的傳感器接口標(biāo)準(zhǔn)，是由美國水文組織提出的一種串行數(shù)據(jù)通信接口協(xié)議[1]，為單線總線技術(shù)，由于SDI-12具有接口簡單、功耗低、可組網(wǎng)、傳輸距離遠(yuǎn)、各節(jié)點(diǎn)獨(dú)立性強(qiáng)等特點(diǎn)，該技術(shù)在農(nóng)業(yè)多參數(shù)測(cè)控、水文和氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域中的應(yīng)用越來越廣泛。本研究設(shè)計(jì)一種能通過SDI-12總線進(jìn)行棉花葉面溫度的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)系統(tǒng)，并采用Apogee公司生產(chǎn)的符合SDI-12協(xié)議的高精度、非接觸紅外線溫度傳感器SI-411進(jìn)行數(shù)據(jù)試驗(yàn)和測(cè)試，該系統(tǒng)可以連接符合SDI-12協(xié)議的傳感器，對(duì)參數(shù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)，并可以存儲(chǔ)采集的時(shí)間、地點(diǎn)編號(hào)等信息，同時(shí)開發(fā)上位機(jī)軟件以方便進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理和對(duì)系統(tǒng)的管理。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由下位機(jī)采集系統(tǒng)、上位機(jī)管理軟件等2部分組成，核心是下位機(jī)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。下位機(jī)采集系統(tǒng)由STC15F2K32S2單片機(jī)、Flash存儲(chǔ)器W25Q64、128×64點(diǎn)陣液晶模塊、SDI-12接口、USB轉(zhuǎn)串口接口、4×5鍵盤、DS1302時(shí)鐘及備用電池等模塊組成。下位機(jī)采集系統(tǒng)使用USB線供電或者和PC通信，系統(tǒng)采用脫機(jī)工作方式，通過USB接口和PC進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；Flash存儲(chǔ)器W25Q64用來存儲(chǔ)采集的溫度數(shù)據(jù)和采集時(shí)間、地點(diǎn)編號(hào)等信息；128×64液晶模塊用來顯示溫度、時(shí)間及其他提示信息；4×5鍵盤主要用來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置和控制，如設(shè)置時(shí)間、啟動(dòng)采集等；DS1302時(shí)鐘模塊主要為系統(tǒng)提供一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)，并在采集溫度的同時(shí)存儲(chǔ)采集時(shí)間，系統(tǒng)斷電時(shí)由備用電池給時(shí)鐘模塊供電以維持系統(tǒng)時(shí)間；SDI-12接口的數(shù)據(jù)線使用的是單片機(jī)的P3.2引腳，該引腳具有中斷功能[2]，當(dāng)P3.2引腳產(chǎn)生中斷時(shí)，在中斷服務(wù)子程序中檢測(cè)SDI-12起始信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收和處理；蜂鳴器在用戶操作時(shí)可以發(fā)出聲音提示，也可以通過軟件設(shè)置關(guān)閉聲音提示。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 SDI-12接口電路設(shè)計(jì)

SDI-12傳感器和單片機(jī)的接口電路是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。如前文所述，SDI-12為單線總線接口，SDI-12傳感器只需要連接電源、地和數(shù)據(jù)線(data line)即可。本研究所采用的SDI-12協(xié)議傳感器是美國Apogee公司生產(chǎn)的高精度、非接觸紅外線溫度傳感器SI-411，它具有功耗低、精度高、非接觸、工作電壓范圍(4.5～24 V)寬等優(yōu)點(diǎn)，在植物、土壤、水流表面溫度測(cè)量方面的應(yīng)用較多[3]。由于SI-411傳感器的工作電壓范圍較寬，因此可直接用5 V電壓給其供電，STC15F2K32S2單片機(jī)的P3.2引腳通過R5、C5、DZ1、R9等組成的保護(hù)電路與SDI-12傳感器接口相連，STC15F2K32S2單片機(jī)的P3.2引腳支持上升沿和下降沿中斷[4]，這給程序檢測(cè)SDI-12總線上的數(shù)據(jù)帶來了較大方便，當(dāng)發(fā)送SDI-12協(xié)議命令時(shí)，P3.2引腳模擬SDI-12協(xié)議命令時(shí)序，對(duì)SDI-12傳感器返回的數(shù)據(jù)在單片機(jī)外部中斷服務(wù)子程序中進(jìn)行處理；RESET按鍵可以使單片機(jī)復(fù)位，這給程序的調(diào)試和下載帶來方便。SDI-12和單片機(jī)接口電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)其他接口電路設(shè)計(jì)

為輔助采集系統(tǒng)更好地工作，增加W25Q64存儲(chǔ)器、USB轉(zhuǎn)串口CH340G、128×64液晶模塊、4×5鍵盤、蜂鳴器、DS1302時(shí)鐘及備用電池等模塊。其中，W25Q64存儲(chǔ)器是WINBOND公司生產(chǎn)的64 Mb串行存儲(chǔ)器[5]，該存儲(chǔ)器工作電壓為3.3 V，需要用REG-1117穩(wěn)壓芯片提供3.3 V電壓，該芯片和STC單片機(jī)采用模擬串行外設(shè)接口(serial peripheral interface，簡稱SPI)時(shí)序通信方式進(jìn)行通信，因此，將STC單片機(jī)的普通IO口P2.3～P2.6直接和該芯片連接即可，但STC單片機(jī)的P2.3～P2.6接口需要配置為準(zhǔn)雙向口模式。

CH340G是沁恒股份有限公司生產(chǎn)的USB轉(zhuǎn)串口芯片，該芯片可以把STC單片機(jī)的晶體管-晶體管邏輯(transistor-transistor logic，簡稱TTL)串口信號(hào)轉(zhuǎn)換為USB信號(hào)，并在PC上虛擬出1個(gè)串口，通過該USB轉(zhuǎn)接芯片可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)供電、程序下載、串口通信等功能[6]。128×64液晶模塊采用SPI接口，因此STC單片機(jī)只需要5個(gè)普通IO口和該模塊連接即可[7]。限于篇幅，其他模塊的接口設(shè)計(jì)不再一一敘述。系統(tǒng)其他接口電路設(shè)計(jì)原理如圖3所示[8]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)、上位機(jī)管理軟件設(shè)計(jì)，其中下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。下位機(jī)軟件程序在Keil開發(fā)環(huán)境下采用C語言編寫，上位機(jī)管理軟件程序采用VC++6.0編寫。

SDI-12總線技術(shù)屬于單線總線技術(shù)，即在1根數(shù)據(jù)線上進(jìn)行雙向半雙工數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)線是三態(tài)的，使用負(fù)邏輯[9]。協(xié)議規(guī)定總線通信的波特率為1 200 bps，SDI-12幀格式為1位起始位，7位數(shù)據(jù)位，1位奇偶校驗(yàn)位(偶校驗(yàn))和1位停止位，數(shù)據(jù)最低位先發(fā)送，其中起始位為高電平，停止位為低電平[10]。與其他通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)不同，SDI-12既約定接口的電氣規(guī)范，又約定通信的內(nèi)容。所有在SDI-12總線上發(fā)送的字符必須是可打印的ASCⅡ字符，SDI-12數(shù)據(jù)記錄器和傳感器在數(shù)據(jù)線上通過ASCⅡ碼進(jìn)行通信。

SDI-12傳感器不工作時(shí)即進(jìn)入低功耗模式，數(shù)據(jù)記錄器需要通過數(shù)據(jù)線發(fā)送break信號(hào)喚醒傳感器，1個(gè)break信號(hào)時(shí)間至少為12 ms的連續(xù)高電平，傳感器從低功耗模式中被喚醒后，數(shù)據(jù)記錄器需要再發(fā)送1個(gè)至少為8.33 ms的連續(xù)低電平marking信號(hào)，然后才能發(fā)送包含地址碼的命令。傳感器匹配地址正確并接收到正確的命令后，拉低信號(hào)線 8.33 ms 并返回?cái)?shù)據(jù)。如果地址無效或空閑時(shí)間超過 100 ms，傳感器將返回到低功耗待機(jī)狀態(tài)[11]。SDI-12命令和響應(yīng)時(shí)序如圖4所示。

如前文所述，SDI-12總線上發(fā)送的命令字符均為ASCⅡ字符，命令由若干個(gè)字符組成，第1個(gè)字符通常為傳感器的地址，最后1個(gè)字符均為“!”，表示命令結(jié)束。而傳感器返回的數(shù)據(jù)最后2個(gè)字節(jié)總為0x0D、0x0A，即回車和換行。在數(shù)據(jù)記錄器發(fā)送命令之前，首先將STC單片機(jī)的P3.2引腳配置為準(zhǔn)雙向口模式，此時(shí)單片機(jī)控制SDI-12總線，由圖4可知，單片機(jī)先拉高總線至少12 ms，再拉低總線至少8.33 ms，之后就發(fā)送SDI-12命令字符。由于SDI-12協(xié)議規(guī)定的波特率為1 200 bps，故發(fā)送每1位占用的時(shí)間為(1÷1200)s，約為833 μs，若單片機(jī)給傳感器發(fā)送字符“1”，即二進(jìn)制數(shù)00110001，則單片機(jī)控制P3.2引腳產(chǎn)生的時(shí)序如圖5所示。注意，SDI-12的時(shí)序?yàn)樨?fù)邏輯，最低有效位先發(fā)送，EP(even parity)為偶校驗(yàn)位。STC單片機(jī)控制P3.2引腳發(fā)送1個(gè)命令字符的流程如圖6所示。

當(dāng)單片機(jī)接收傳感器返回的數(shù)據(jù)時(shí)，采用的是中斷方式。首先配置P3.2引腳為上升沿和下降沿均可觸發(fā)中斷，若在中斷服務(wù)子程序中檢測(cè)到的P3.2為高電平時(shí)，說明接收到了起始位(START)，為保證單片機(jī)在總線上采樣時(shí)總線處于穩(wěn)定狀態(tài)，在中斷檢測(cè)到的每個(gè)起始位后，在833 μs延時(shí)的基礎(chǔ)上再增加一定的延時(shí)時(shí)間(200～350 μs)，這樣就能保證在檢測(cè)后面的數(shù)據(jù)位時(shí)，833 μs的延時(shí)一定能處在數(shù)據(jù)穩(wěn)定的狀態(tài)。1個(gè)循環(huán)接收8個(gè)數(shù)據(jù)位(包括校驗(yàn)位)，1個(gè)字節(jié)接收完成之后需要對(duì)各位取反并去掉校驗(yàn)位，當(dāng)接收到0x0D、0x0A等2個(gè)字節(jié)后，表明傳感器返回的數(shù)據(jù)結(jié)束，置接收完成標(biāo)志為1，并在主程序中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、顯示等處理。STC單片機(jī)控制P3.2引腳接收1個(gè)數(shù)據(jù)字符的流程如圖7所示。

PC管理軟件是使用VC++6.0開發(fā)的，使用了串口類編程技術(shù)[12]。PC管理軟件的主要作用是把采集器存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成一定格式并導(dǎo)出到Excel中，以方便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。PC管理軟件主要通過串口和采集器進(jìn)行通信，采用API編程，上位機(jī)首先發(fā)送提取記錄命令，下位機(jī)收到命令后，1次讀取16條記錄(每條記錄包括采集時(shí)間、測(cè)試目標(biāo)溫度、表體溫度和采集位置編號(hào))，再按照一定的協(xié)議進(jìn)行封裝后發(fā)給上位機(jī)，然后等待上位機(jī)返回的握手命令，上位機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)校驗(yàn)無誤后進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理并顯示在列表框中，再次發(fā)送握手命令給下位機(jī)，下位機(jī)接收到命令后重復(fù)以上步驟，直到存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)提取完畢。上位機(jī)管理軟件的界面如圖8所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

為驗(yàn)證采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，使用SI-411溫度傳感器、 邏輯分析儀配合上位機(jī)管理軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證。采集系統(tǒng)發(fā)送“?R3!”指令給SI-411時(shí)，邏輯分析儀捕捉到的波形如圖9所示，可以看出，break信號(hào)約為 12.494 ms，marking信號(hào)約為9.162 ms，起始位及數(shù)據(jù)位寬度約為0.835 ms，符合協(xié)議要求。SI-411傳感器返回的部分?jǐn)?shù)據(jù)波形如圖10所示，起始位及數(shù)據(jù)位寬度約為0.849 ms，圖中標(biāo)注①的寬度約為4.28 ms，共包含5個(gè)1，其中第1個(gè)為起始位；標(biāo)注②的寬度約為1.7 ms，包含2個(gè)0；標(biāo)注③的寬度約為1.7 ms，包含2個(gè)1；標(biāo)注④的寬度約為0.849 ms，包含1個(gè)0，該位為停止位，去掉起始位和停止位，剩余的數(shù)據(jù)位為11110011，去掉最后1個(gè)校驗(yàn)位1，并取反后得到0000110，根據(jù)低位在前原則，該數(shù)的十進(jìn)制為48，即為字符“0”的ASCⅡ碼，按照同樣的分析方法，可以得到SI-411傳感器返回的數(shù)據(jù)為0 +29.88385+27.56718，其中“0”為傳感器地址，“+”后面依次為采集的目標(biāo)溫度和外殼溫度。液晶顯示采集到的溫度如圖11所示。

5 結(jié)論

以STC15F2K32S2單片機(jī)為核心，并擴(kuò)展SDI-12傳感器接口、W25Q64存儲(chǔ)器模塊、128×64液晶模塊、USB轉(zhuǎn)串口接口、4×5鍵盤、DS1302時(shí)鐘等外圍模塊設(shè)計(jì)的棉花葉面溫度采集系統(tǒng)可以對(duì)棉花葉面溫度和時(shí)間進(jìn)行采集并存儲(chǔ)，支持手動(dòng)采集、定時(shí)自動(dòng)采集、數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能，同時(shí)該系統(tǒng)又具有一定的通用性，可以用在其他農(nóng)作物、水文和氣象環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域中。經(jīng)過多次測(cè)試、改進(jìn)后，已在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所小批量投入使用，經(jīng)使用證明，該采集系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、操作簡單、管理方便，取得了較好的使用效果。

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