基于Intel80C51BH的设施栽培光照信息采集管理系统设计

摘要：气候资源的分析和利用，对发展温室大棚农业十分重要。设计了一种由单片机控制的自动光照信息采集系统。用光电池做为传感器来采集光照信号，通过AD7812转换器将采集到的模拟信号转换成数字信号，再利用Intel80C51BH单片机对数据进行记录、处理、比较分析并发出执行指令，最后由执行电路来执行。本设计自动化程度高、测光准确、电路简单、实现容易、成本低、有实用价值。
关键词：自动化；单片机；设施栽培；光照测量

    设施栽培技术主要是指利用普通的大棚或温室大棚来生产蔬菜、水果等农作物的技术。随着设施栽培技术的普及，温室大棚数量不断增多。农作物产量往往随着气候的变化而波动，如何提高气候意识，做到顺应气候规律，合理利用气候资源，对发展温室大棚农业有着极为重要的意义。在诸多气候资源信息中光照度对农作物生长极其重要，不同的作物对光照度的要求是不一样的，科学合理地利用光照才能生产最优的产品。现有的光照度测量设备存在很多缺点，本文研究并设计了一种基于单片机的自动光照度测量、记录和调节的智能管理系统。本系统设计简单、性能可靠，全天候监控并记录数据，对数据分析并可自动执行。

1 系统硬件设计
    本系统硬件是由光传感器电路、模数转换器、单片机和执行电路组成。具体地说是先用光电池来采集光照度信号，通过模数转换器AD78 12将采集到的模拟信号转换成数字信号，再利用80C51BH单片机对数据进行记录和分析并发出执行指令，最后由执行电路来执行调整遮光设备。
1．1 光照度采集及放大电路设计
1．1．1 光电池设计
    本设计的光照度采集由硅光电池来完成．安装方法如图1所示。

    图中4个光电池G1～G4分别放置在4个独立的只有上面透光的箱体底部，避免光线直射到光电池上，上面放置玻璃和遮光材料，根据透光权数的不同，从G1到G4上面的遮光材料的遮光程度是不同的。G1不放遮光材料，G2放置一层，G3放置2层，G4放置4层，遮光材料可用多层半透明的塑料膜代替。
1．1．2 运算放大电路设计
    电路设计如图2所示。

    本单元的核心器件是OP07芯片，它是一种低噪声，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。OP07同时具有输入偏置电流低(±2 nA)和开环增益高(300 V／mV)的特点。在这里OP07起到放大光照度信号的作用，输入信号在2脚以负极性电流信号输入，输出信号以电压形式由6脚输出。随着光强的增强，4个光电池相继导通，这样就把光强信号转换成电流信号。当光照最强时(200 klux)，4个光电池都输出最高电流，使4个三极管VT1～VT4都处于饱和导通状态，这时输出电压最大，理论上输出电压UT=5．215 V。考虑到电路中有一定的光电池电流和三极管的误差，实际电压要比这值略低。这里的RP是用于调零，如果要求测量精度不高时，RP可以省略，OP07的1、8管脚空置。
1．1．3 遮光材料调节
    由于具体应用时环境不同，在应用本系统前要对遮光材料的遮光程度进行调节。调节步骤如下：
    1)选最强光照时，适当增加或减少G4上的遮光，使输出电压UT≤5．0V处于临界状态。
    2)按比例调节遮光材料厚度，从G1到G4低次为比例0：1：2：4。
    3)再重复几次上述过程，使输出电压正好为5.0V临界值。
1．2 A／D转换电路设计
    经过运算放大电路输出的含有光照度的信息的电压是模拟信号，这里必须要经过模／数转换电路把模拟信号转换成数字信号才能被单片机接收和处理，本设计中采用AD7812作为模数转换器。AD7812是一种串行口的10位8通道逐次逼近型A／D转换器。与同类电路相比，有如下优点：
    1)它是数据串行输出，所以用这种A／D转换器能节省单片机输入引脚，便于系统扩展。
    2)有8个输入通道可以同时采集8路模拟信号，这也可以用来进一步系统功能开发。
    3)具有软件转换启动与软件关断特性。

    具体电路设计如图3所示。CREF接10 nF电容，传送同步TFS与接收同步RFS与单片机P1．0口连接，数据输出DOUT与单片机P1．1口连接，数据输入DIN与单片机P1．2口连接，读取时钟SCLK与单片机P1．3口连接，转换起动CONVST与单片机P1．4口连接。这样就很容易由单片机来控制串行数据读取。
1．3 单片机处理器电路设计
    Intel80C51BH单片机是美国Intel公司出产的实用性很强的8位单片机。它有4 kROM和64 keprom，21个特殊功能寄存器，很适合作为本设计处理器。单片机处理电路如图4所示。由单片机P1口的前5位来接收和控制来自AD7812的信号，由P0．0口来输出调节温室大棚遮光指令。

1．4 执行电路设计
    由于单片机发出的指令信号功率较小，所以不能直接启动执行开关或电机，必须用驱动电路来实现动作。为节约成本，这里仍然利用运算放大器OP07来实现，电路设计成一个同相比例运算电路，电压放大倍数为3，电路中执行指令信号经由电阻R1在IN+脚输入，由OUT脚输出。由于采用运算放大电路，所以输出功率很大。输出信号控制开关继电器KA完成执行任务。

2 系统软件设计
    为了便于系统扩展，将系统进行模块化设计。该系统由测光照度电路、A／D转换器、数据处理和执行输出4个模块组成。具体流程是这样的：先由测量光照度电路将光强信号(0～200 klux)转换成电压信号(0～5 V)，再由A／D转换电路将这模拟电压信号转换成单片机能识别的数字信号，最后由单片机进行数据分析、处理和判断。当条件符合时启动调光照调节电路，如图6所示。

2．1 A／D转换器模块
    为了正常读取数据，A／D转换器必须在启动之前进行初始化。先将单片机的P1．4口置1，然后软件启动一次转换过程即可。在转换的过程中，由于任何模数转换需要一定的持续时间，所以在读取数据时要有一定的时间延迟，本设计为5μs，以确保读取正确的数据。
2．2 中央处理器模块
    这个模块主要包括单片机对A／D转换模块的控制、对数据处理以及对执行电路的控制3个部分。
    单片机对A／D转换器的控制主要包括对A／D的模拟通道选取地址写入、清零和控制模数转换步骤；数据处理部分主要是将读取的与光照度相对应的数字信号与预先设定的标准值进行比较，当温度超出规定值时发出执行指令。本设计确定30 min进行数据记录和判断一次，全天候监控记录。

3 结束语
    文中主要设计了一种温室和大棚的自动光照度管理系统。与已有的类似系统相比，有诸多优点。采用模块化设计思路，系统参数可以修改，系统可以扩展为多点测量和多点执行，也可以加入温湿度采集和执行通风、浇水设备，还可以加入声光报警等。系统测光范围宽，精确度高，便于调节，使用灵活。设计电路简单实用，实现方便，成本低，适合广泛推广。