基于C8051F020的便攜式溫室參數測量儀

肖助力，龔仁喜，胡立坤

(廣西大學電氣工程學院，南寧 530004)

隨著社會經濟的發展，人民生活水平的不斷提高，瓜果、蔬菜及花卉的社會需求量和品質要求也不斷提高，使得溫室栽培技術得到迅速發展。在現代農業生產中，農作物的生長發育除了取決于其自身的生物學特性外還取決于其生長環境［1］。而大棚溫室的主要作用是為農作物提供必要的生長環境［2］。現代化溫室在計算機綜合控制下，提供了與季節無關的、適合作物生長的環境，并實現了各種作物優質、高效、低耗的工業化生產［3］。

在溫室栽培中，影響作物生長發育的外界環境因素主要有溫度、濕度、光照強度和熱通量度等［4］。為了實現對這些因素的控制，同時考慮目前溫室大棚在我國的現實狀況以及農戶的經濟承受能力，研究一種工作可靠、價格低廉的測量儀表就顯得非常必要。

本文針對影響溫室環境的幾項參數，研制了一種實用的儀表。該測量儀通過選用性價比較高的溫度、濕度、熱流量及光照強度傳感器，實現了對溫室環境參數的精確測量。針對不同參數，可以通過按鍵手動操作單片機執行相應的測量操作，并將測量數據通過液晶顯示器進行顯示。該測量儀操作簡單，攜帶方便，測量精度高，性能穩定，實用性較好。

1 測量儀硬件設計

1.1 總體結構

測量儀以單片機C8051F020為核心，外圍配置適當的硬件接口電路來實現系統功能。溫度、濕度、熱流量及光照強度模擬量的采集通過4個傳感器 PT10、TDR-3、HF-1土 壤 熱流板和BH1750FVI來實現。為了滿足對數據采集操作的實時性要求，測量儀采用DS1302作為實時時鐘芯片，通過采集該芯片數據進行系統時間顯示。另外為實現人機交互，測量儀還設計了串行通信接口、鍵盤輸入控制功能以及液晶輸出顯示功能，CPU還配以時鐘電路和復位電路等。測量儀結構如圖1所示。

圖1 測量儀結構

1.2 傳感器測量模塊

測量儀能測量的參數包括溫室環境溫度、光照強度、土壤溫濕度和土壤熱通量等。在選擇傳感器時，除了考慮能耗、體積和成本因素外，還選擇靈敏度較高、響應較快、性能穩定、有數字量輸出、免標定的傳感器，這樣不但可以減少干擾、提高精度，而且對整個系統的整合也有好處。

1.2.1 溫度測量

溫度是作物生長發育最重要的因素之一。大多數作物生長的溫度變幅較窄，一般介于15～40℃。低于或高于這個限度，農作物生長速率則減緩。因此，測量儀必須有檢測溫室內環境溫度和土壤溫度的功能。本測量儀采用的是鉑熱電阻(PT100)。鉑熱電阻是利用導體的電阻率隨溫度變化而變化的原理來實現對溫度的測量，電阻值與溫度之間成近似線性關系。熱電阻測溫電路如圖2所示。

1.2.2 光照強度測量

光照強度采集通常有光敏電阻、光敏二極管(或光敏三極管)和光電池3種方式。光敏電阻的光照特性是非線性的。光敏二極管的信號較弱，信號要進行較大倍數的放大。光電池具有性能穩定、壽命長、光譜響應范圍寬、頻率特性好、耐高溫等優點，在光照度檢測系統中得到了廣泛應用。本測量儀選擇型號為GY－30的數字式光強模塊，其中的光強度傳感器為BH1750FVI，測量范圍0～65535lx，受紅外線影響小，輸出為數字量(I2C總線)，可直接接到單片機的I/O接口進行采集。光強度測量電路如圖3所示。

圖2 熱電阻測溫電路

圖3 光強度測量電路

1.2.3 濕度測量

適宜的土壤濕度是農作物生長所必須的條件。為了實現對濕度方便準確的測量，選用型號為TDR－3的濕度傳感器(也叫水分傳感器)。該傳感器的量程為0～100%(m3/m3)，其輸出信號為4～20 mA標準電流環，可通過一個100 Ω的精密電阻將電流值轉換為電壓值，然后送入單片機的模擬量輸入口，通過AD轉換，將轉換獲得的測量值通過液晶顯示器進行顯示。濕度測量電路如圖4所示。

圖4 濕度測量電路

1.2.4 熱流量測量

HF－1土壤熱流量傳感器(又稱土壤熱流板、土壤熱通量板、熱流計)主要用來測定土壤的能量平衡和土壤層的熱傳導率，它通過一個熱電堆，以電壓形式輸出，電壓正比于熱通量，可以用于土壤內部測量。該傳感器靈敏度為20～100 μV·W/m2，量程 ±100 W/m2，輸出信號范圍為 ±5 mV，其測量電路如圖5所示。利用微功耗儀表放大器AD627，將傳感器輸出的微弱毫伏級信號放大200倍，送入單片機的AD轉換模塊進行采集和顯示。

1.3 時鐘模塊

對于測量儀表，常常需要知道測量數據的時間。為實現數據的實時性，本測量儀添加了時鐘模塊電路。時鐘芯片選用的是美國DALLAS公司推出的一款型號為DS1302的實時時鐘芯片，該芯片內部集成了可編程日歷時鐘和31個字節的靜態RAM，可以自動進行閏年補償，并且自身還具有對備份電池進行涓流充電的功能，在便攜式儀表中可有效地延長儀器電池的使用壽命。實時時鐘電路如圖6所示。

圖6 實時時鐘電路

1.4 液晶顯示模塊

對于測量儀，不僅需要采樣外部的模擬量輸入，同時還需要將這些模擬量顯示出來，以便及時、方便地掌握實時數據，顯示方式可以是數字或圖像。本測量儀采用型號為HJ12864M－1的液晶顯示器對采集的數據進行顯示。液晶顯示電路如圖7所示。

圖7 液晶顯示電路

1.5 電源模塊

測量儀既要對水分、溫度、光強度和熱通量傳感器供電，還需要給液晶顯示器、CPU、DS1302等芯片供電。供電電源需提供3種電壓:12 V、5 V、3.3 V，其中:12 V給水分傳感器供電;5 V給DS1302、液晶、溫度和熱通量傳感器供電;3.3 V給光強度傳感器、CPU等芯片供電。為防止外部干擾，該設計為各種電源添加了大量的濾波電容，其電源電路如圖8所示。

圖8 電源電路

1.6 通信模塊

單片機測量系統通常需要與上位機進行通信，通信的主要方式是串行通信。C8051F020單片機的UART接口部分可實現該功能。但是UART提供的是COMS電平，上位的串行接口通常采用RS－232電平，因此，單片機要與上位機進行串行口通信首先要對電平進行轉換。通過采用MAX232芯片就可以將COMS電平和RS－232進行轉換。串行通信電路如圖9所示。

圖9 串行通信電路

2 測量儀軟件設計

測量儀軟件采用結構化程序設計方案，具有較好的模塊性和可移植性，對于不同的系統功能或不同的應用環境，可以方便地進行編程重組。軟件分為系統初始化程序、傳感器采集及數據處理程序、液晶顯示程序、鍵盤中斷和定時器中斷服務程序、DS1302實時時鐘程序、UART串行通信程序等。其中傳感器采集和數據處理程序包括PT100溫度采集和處理程序、TDR－3水分采集和處理程序、BH1750FVI光強度采集和處理程序及HF－1熱流量傳感器采集和處理程序。

程序流程如圖10所示。首先系統進行初始化操作，然后掃描按鍵。如果有按鍵按下，掃描判斷該按鍵的位置和功能，然后進行相應的程序操作。例如，如果掃描到的是檢測溫度，則CPU將溫度傳感器的數據進行采集并處理，然后通過液晶顯示器進行顯示，并將采集到的數據存儲起來發送給上位機，然后繼續執行掃描操作。

3 測試結果

根據上述設計方案，研制了測量儀實驗樣機，對系統進行綜合調試后，在溫室內進行實際測試，測試結果如圖11所示。從各項參數測量結果可以看出，溫度測量最大誤差為0.3℃，濕度測量的最大誤差外0.3%，熱通量測量的最大誤差為0.2 W/m2，光強度測量的最大誤差為4 lx。

圖10 程序流程

圖11 測試結果

4 結束語

本文綜合運用傳感器技術、自動檢測技術和微型計算機技術，設計并開發了基于C8051F020的便攜式溫室參數測量儀。測試結果表明，該測量儀在溫室環境參數的采集中，能比較準確對溫度、濕度、光照強度和熱流通量進行采集。同時，該測量儀采用獨立電源供電，具有攜帶方便、操作簡單、抗干擾性強、轉換速度快、測量精度高和工作穩定可靠的特點，具有良好的推廣應用前景。

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