楊術(shù)明，楊樹川，馬伏龍

（寧夏大學(xué) 機械工程學(xué)院，寧夏 銀川 751100）

現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要一環(huán)就是對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的一些重要參數(shù)進(jìn)行檢測和控制.溫室環(huán)境與生物的生長、發(fā)育、能量交換密切相關(guān)，進(jìn)行環(huán)境測控是實現(xiàn)溫室生產(chǎn)管理自動化、科學(xué)化的基本保證，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，結(jié)合作物生長發(fā)育規(guī)律，控制環(huán)境條件，使作物達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的栽培目的.溫室中CO2是作物進(jìn)行光合作用不可或缺的要素之一，為研究其濃度高低對作物生長的影響，就需在一定的時間間隔內(nèi)對其濃度進(jìn)行連續(xù)的測量［1］.測量工作簡單，但工作量大.本文的目的是集成應(yīng)用微控制器技術(shù)、傳感器技術(shù)及數(shù)字濾波技術(shù)，設(shè)計一種溫室CO2濃度數(shù)據(jù)自動記錄儀，實現(xiàn)溫室CO2濃度的自動測量和存儲，并可任意調(diào)整測量的間隔時間，提高了溫室環(huán)境因子研究中濃度測量工作的自動化程度.

1 總體結(jié)構(gòu)及工作過程

根據(jù)使用要求，本設(shè)計以單片機作為記錄儀的控制中心，以時鐘模塊、傳感器模塊、顯示模塊、存儲模塊及通訊模塊分別完成定時、濃度測量、數(shù)據(jù)顯示、存儲及數(shù)據(jù)輸出的功能.記錄儀總體結(jié)構(gòu)如圖1所示.記錄儀工作時，定時對溫室中的CO2濃度進(jìn)行實時測量，并將測量數(shù)據(jù)與時鐘模塊提供的時間數(shù)據(jù)融合后，以一定的數(shù)據(jù)幀格式保存在存儲器中.測量完成后，將記錄儀與PC 機連接并上傳測量數(shù)據(jù)以便對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.為提高測量精度，在軟件設(shè)計上選用數(shù)字濾波技術(shù)來減少隨機誤差.

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of hardware system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括單片機的選擇，時鐘模塊、顯示模塊、通訊模塊以及傳感器模塊與單片機的接口設(shè)計.

2.1 單片機的選擇

由于通訊模塊和傳感器模塊都需使用串行口，所以本設(shè)計選用內(nèi)部有2個串行口的高速型51系列單片機STC12C5A32AD 作為系統(tǒng)的處理器.其片內(nèi)集成了32kB的FLASH 型程序存儲器，1kB的數(shù)據(jù)存儲器以及32kB的EEPROM.EEPROM 可在線進(jìn)行讀寫操作，因此，可將其作為測量數(shù)據(jù)的存儲空間，從而簡化了電路結(jié)構(gòu)，同時也降低了記錄儀的成本.

2.2 時鐘模塊

時鐘模塊采用美國DALLAS公司生產(chǎn)的DS12C887時鐘芯片，該時鐘芯片內(nèi)部集成了普通時鐘芯片所需的晶振和外部鋰電池相關(guān)電路，不需任何外圍電路，大大減化了電路結(jié)構(gòu).DS12C887芯片具有微功耗、外圍接口簡單、精度高、工作穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，廣泛用于各種需要較高精度的實時時鐘場合中.DS12C887和單片機的接口有2種：直接訪問方式和間接訪問方式.模式選擇腳MOT 接地，選擇INTEL時序.因DS12C887的RAM 只有128字節(jié)，無需高位地址識別，所以采用直接訪問方式，接口電路如圖2所示.

2.3 顯示模塊

顯示模塊和鍵盤共同組成人機交互接口，以便執(zhí)行數(shù)據(jù)上傳、存儲器擦除、歷史數(shù)據(jù)查詢及系統(tǒng)自檢等命令.顯示模塊采用點陣型液晶顯示模塊MzLH04－12864，該模塊自帶16×16和12×122種字號的漢字庫（包含一、二級漢字庫）以及8×16和6×102種字號的ASCII碼字庫，并且自帶基本繪圖功能，包括繪制點、直線、矩形、圓形等，從而使系統(tǒng)在不擴充外部存儲器的情況下就可以實現(xiàn)漢字交互界面，方便大多數(shù)人群的使用.MzLH04－12864通過串行SPI接口與單片機進(jìn)行通訊，接口電路如圖3所示.

圖2 DS12887與單片機的接口電路Fig.2 Interface of DS12C887and STC12C5A32AD

圖3 液晶顯示模塊接口電路Fig.3 the LCD Module Interface

2.4 通訊模塊

單片機串行口的通訊在物理層上屬于TTL電平，TTL電平只能應(yīng)用于距離較短的場合.PC 機則提供的是標(biāo)準(zhǔn)RS232串行口，串行通訊接口RS232C采用負(fù)邏輯，即邏輯“1”為－5～－15V，邏輯“0”為＋5～＋15V，而TTL電平的邏輯“0”和邏輯“1”分別是0V 和5V，二者的電氣規(guī)范不一致，因此要完成單片機與PC機的數(shù)據(jù)通訊，必須對單片機輸出的TTL電平進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換.本設(shè)計中采用MAX232來完成電平轉(zhuǎn)換工作，其接口電路如圖4所示.

圖4 通訊模塊電路Fig.4 Communication Module Schematic

2.5 CO2 傳感器模塊

CO2傳感器模塊采用數(shù)字式紅外CO2傳感器模塊C20，其分辨率10μL／L，量程0～5 000μL／L，可通過硬件或軟件方式進(jìn)行零點校準(zhǔn).C20模塊與單片機之間通過串行口進(jìn)行通信，在本設(shè)計中，C20的串行口與單片機STC12C5A32AD的第2個串行口進(jìn)行通信.默認(rèn)通信協(xié)議為波特率9 600，數(shù)據(jù)位8位和1位停止位.

系統(tǒng)軟件由上位機軟件和下位機軟件組成，上位機軟件基于Visual Basic6.0開發(fā)，主要用來接收單片機上傳的測量數(shù)據(jù)，以便對數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析.下位機軟件按功能主要包括主程序模塊、傳感器通信模塊子程序、顯示模塊子程序、時鐘模塊子程序、存儲模塊子程序及鍵盤處理子程序6部分組成.主程序模塊是下位機軟件的核心，通過顯示模塊子程序和鍵盤處理子程序組成人機交互界面，主要實現(xiàn)濃度測量、數(shù)據(jù)上傳、歷史數(shù)據(jù)查詢、存儲器擦除及系統(tǒng)自檢等功能.在上述子程序中，濃度數(shù)據(jù)的接收與處理、數(shù)據(jù)融合與存儲是下位機軟件設(shè)計產(chǎn)關(guān)鍵.

3.1 濃度數(shù)據(jù)的接收與處理

C20傳感器在硬件上與單片機通過串行口進(jìn)行連接，在軟件上則通過命令的方式進(jìn)行驅(qū)動.單片機通過串行口按相應(yīng)的協(xié)議向C20發(fā)送命令字，則可對C20的數(shù)據(jù)輸出格式和輸出速度進(jìn)行設(shè)置.默認(rèn)情況下，C20以2幀／s的速率通過TX 引腳向外傳輸有關(guān)CO2濃度信息的數(shù)據(jù).每幀數(shù)據(jù)格式如下：

Z dat1 z dat2 13 10

Z，z分別表示高分辨率和快速響應(yīng)2種輸出模式，dat1和dat2是用5位數(shù)表示的濃度值，傳感器輸出的是數(shù)字的ASCII碼.在高分辨率模式下，內(nèi)部已對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行了濾波處理，精度較高.快速響應(yīng)模式下則對測量數(shù)據(jù)不進(jìn)行任何處理就直接輸出，因此數(shù)據(jù)波動較大，只能通過外部軟件對誤差進(jìn)行濾波處理.常用的數(shù)字濾波算法有限幅濾波法、中值濾波法、算術(shù)平均濾波法、加權(quán)平均濾波法、滑動平均濾波法、低通濾波法及復(fù)合濾波法等［4］.由于單片機內(nèi)部資源的限制，在編寫算術(shù)平均濾波算法程序時為了減小數(shù)據(jù)的存儲容量，對測得的值直接進(jìn)行相加運算，測完N 次后，進(jìn)行平均值計算.為了對記錄儀測量精度進(jìn)行評價，本設(shè)計對快速響應(yīng)模式下30次的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析，分析結(jié)果表明，無軟件濾波和軟件濾波條件下，其標(biāo)準(zhǔn)差分別為4.97和3.88，因此采用軟件濾波方法后可有效提高測量儀的精度.

3.2 數(shù)據(jù)融合與存儲

3.2.1 數(shù)據(jù)融合

因濃度與時間是密切相關(guān)的，所以在存儲數(shù)據(jù)時要將濃度和時間數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，以一定的數(shù)據(jù)幀格式存儲，每個數(shù)據(jù)幀占7個字節(jié).數(shù)據(jù)幀詳細(xì)格式如表1所示.

表1 數(shù)據(jù)幀格式Tab.1 Data Frame Format

其中，幀內(nèi)容每項括號中的數(shù)字為該項所占用的字節(jié)數(shù).時間數(shù)據(jù)中時、分各分配1個字節(jié).幀尾CS為校驗位，采用累加和的方法對幀的內(nèi)容進(jìn)行校驗.

3.2.2 數(shù)據(jù)存儲

單片機STC12C5A32AD 具有很高的集成度，其內(nèi)部集成了28kB可重復(fù)擦寫的EEPROM.為對內(nèi)部EEPROM 進(jìn)行了在線操作，定義了以下特殊功能寄存器.

SFR ISP＿DATA ＝0XC2； ／／ISP操作時的數(shù)據(jù)寄存器，讀寫操作FLASH 數(shù)據(jù)都預(yù)先存入.

SFR ISP＿ADDRH ＝0XC3； ／／ISP操作時的地址寄存器高8位.

SFR ISP＿ADDRL ＝0XC4； ／／ISP操作時的地址寄存器低8位.

SFR ISP＿CMD ＝0XC5； ／／ISP操作時的命令模式寄存器，須命令觸發(fā)寄存器觸發(fā)方可生效.

SFR ISP＿TRIG ＝0XC6； ／／ISP操作時的命令觸發(fā)器寄存器.

SFR ISP＿CONTR ＝0XC7； ／／ISP 操作時的控制寄存器.

與其他存儲器不同的是，在對EEPROM 某個存儲單元操作之前，需先向特殊功能寄存器ISP＿TRIG 連續(xù)寫0x5A 和0x0A5 2個數(shù)據(jù)，方能觸發(fā)在線訪問功能.單片機對EEPROM 訪問有3種方式，即字節(jié)寫、字節(jié)讀及扇區(qū)擦除.

STC12C5A32AD 內(nèi)部集成的28kB的EEPROM 存儲器在結(jié)構(gòu)上共分為56個扇區(qū)，每1個扇區(qū)的存儲空間占512個字節(jié).對于溫室環(huán)境因子研究，一般每隔1h測量1次數(shù)據(jù)，按表1所述數(shù)據(jù)幀格式，則可保存4 096個記錄，即記錄儀可連續(xù)記錄169d的數(shù)據(jù)，完全可以滿足一般研究的要求.

4 結(jié)束語

根據(jù)溫室環(huán)境因子研究工作的要求，設(shè)計了一種基于單片機的CO2濃度數(shù)據(jù)記錄儀，實現(xiàn)了溫室中CO2濃度的自動測量和存儲，提高了溫室環(huán)境因子研究中濃度測量工作的自動化程度.在軟件設(shè)計上，通過選用先進(jìn)的數(shù)字濾波方法提高濃度傳感器的測量精度，提高了記錄儀的穩(wěn)定性和精確性.

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