基于单片机的小气候信息采集系统便携机设计

蒋淑敏，莫国民，王艳，余学敏

0 引言

小气候，是指在小范围地面状况（离地面1.5到2米以内）和性质不同的地段，由于它们的辐射特性、贴地气层的乱流交换和水分交换过程的不同而形成的气候[1]。小气候现象，决定于小地形和环境，如地段方位、坡面倾斜度、土壤植被性质，以及围绕地段有无林木、池塘、灌溉渠、建筑物等。小气候特点主要反映在温度、湿度和风的梯度上，都比大气候的变化要急剧得多。在小气候范围内，温度铅直梯度、不像大气候是十分之几度，而是几度、几十度，甚至是几百度以上。这种情况，对人类的生产、生活以及作物的生长发育，都有很大影响。

研究农业小气候的目的除探明各种类型的小气候特征、农业小气候变化规律、及其效应、形成机制和过程外，主要是为了充分利用和开发小气候资源，努力为农业现代化建设服务[2]。因此，就要求对小气候信息（包括温度、湿度、降雨量等）进行实时的监测，并将这些信息数据采集后进行分析、处理、加工，以进行农田预测预报管理，从而更好地指导农业生产。提出了一种基于单片机设计的专用于农田的小气候信息采集系统。

1 总体设计

为了满足不同地域、环境对小气候数据的需要，农林小气候的信息应有空气温度、空气湿度、土壤温度（3层）、土壤湿度、光照、露点温度、气压、蒸发量、降雨量、太阳辐射、光合有效辐射、风速、风向等15个参数。小气候信息采集系统便携机的任务，是完成15个参数的数据采集、计算、存储（本机存储和SD卡外存），并上传至上位机实现存储、打印、显示等功能[3]。便携机为独立单一的系统，可以在偏远地区无法实现与计算机联网时，自成系统，完成小气候数据采集、计算、存储、打印、显示等功能。

配合便携机的结果，同时可设计上位机，通过RS-485总线接受来自便携机的数据，进行数据存储、数据分析、归类、形成分析报告，也可通过大屏幕显示器进行实时小气候参数显示。

2 小气候信息采集系统（便携机）设计与实现

基于PIC18F87J10组成的小气候数据采集系统[4]（便携机）的构成如下图1所示。硬件电路包括：主控制器电路、前端传感器接口电路、时钟电路、存储电路、人机接口电路、通讯电路、电源电路及其他辅助电路。

图1 小气候信息采集系统（便携机）组成框图

2.1 主控制器（微处理器）的电路

主控制器承担着整个便携机系统的管理工作，是系统的核心，主要完成15个小气候参数的数据采集、存储、显示、通讯、实时时钟、打印等功能。该芯片完全能满足系统的设计要求，不但具有强大的处理能力、丰富的配置，而且极低功耗，适合在手持设备中使用。

2.2 前端传感器接口的设计

系统采集的15个小气候参数中风速、风向2个传感器输出为数字信号，其余13个传感器输出信息为模拟信号。

前端传感器接口电路由传感器[5]变送器、流压转换、防雷击保护、多路模拟开关及跟随器组成，主要完成对前端传感器输出的模拟信号、数字信号进行信号变换和输入保护。由于部分电路性能的好坏将直接影响整个系统的性能指标，因此器件的选择、电路结构的设计及PCB电路板制作需要重点考虑。系统原理图如图2所示。

图2 前端传感器接口电路原理图

2.2.1 模拟量接口的电路

1）传感器

模拟量接口主要完成对13个模拟量参数的转换。传感器将这些物理量变换成模拟量，其有效值在0.66V～+3.3V范围之间，经多路模拟开关切换，送至PIC18F87J10内部配置的A/D转换器，转换成数字量，给以保存和显示。

温湿度传感器，采用半导体温敏器件、高分子湿敏元件，经专用变送电路转换为标准电压信号，传送至CPU。温湿度的指标有空气温湿度和地面温湿度两种，而地温还有不同地面下深度三种。

气压传感器，采用进口气压模块，经电路转换为标准电压信号输出。

光照传感器，采用高灵敏度的硅兰光伏探测器作为传感器。

总辐射传感器，用来测量光谱范围为0.27－3.2微米的太阳总辐射。

光合有效辐射传感器，主要用于测量400—700nm波长的自然光。在植物生长和发育过程中，光辐射因子起着重要的作用。

蒸发量、降雨量传感器，是根据蒸发量、降雨量传感器盛水皿在一小时内水增加或减少重量的变化，经传感器感应出相应电量变化信号，再经过电路调整、放大处理、输出。

2）流压转换电路

各类传感器的输出经变送后，统一输出4～20mA的电流信号，用165Ω的电阻，将传感器输出电流转换成0.66V～3.3V的电压信号，送CPU采集。

3）防雷击保护

防雷击保护电路由TVS管[6]P6KE6.8CA瞬态电压抑制二极管（防雷管）组成，最小击穿电压 6.8V。这种器件在电路系统中起到分流、箝位作用，可以有效降低由于雷电、电路中开关通断时产生的高压脉冲（瞬时吸收功率大数百至数千瓦），避免雷电、高压脉冲损坏其它器件。

2.2.2 数字量接口的电路

数字量接口主要完成对风速、风向2个物理参数的转换。风是三维矢量，是由许多在空间和时间上随机变化的小尺度脉动叠加在大尺度运动上的气流所组成。风的测量包括风向和风速两项参数。系统中采用由天津气象仪器厂生产的EL18-1螺旋桨式联合风向风速传感器。其输出量为频率及8位格雷码，硬件连接只提供一个频率测量的接口即可。电原理如图3所示，系统采用了隔离设计，以提高系统运行的可靠性。

图3 风速风向测量电路

2.3 辅助电路设计

2.3.1 复位电路

系统上电、按键复位及看门狗电路由SP706完成。

2.3.2 A/D转换电路

PIC18F87J10内部集成了15路模拟量输入，分辨率为10位的逐次逼近A/D转换器。

当采用内部RC振荡器作为时钟源时，A/D转换时间约为44µS，由于采集的小气候信息参数都为慢信号，因此A/D转换时间完全能满足要求。

根据小气候参数及指标中空气温度的测量范围：－40～＋60℃（0～100的变换量），系统要能分辨出0.1℃（相当于1‰）的值；输出对应的模拟量为：4～20mA（流压转换对应的模拟电压0.66V～3.3V）。由10位的A/D分辨率，可计算得到AD转换实际最低有效位1LSB=2.58mV，系统分辨电压2.64mV，完全能够满足设计要求。通过电位器调节，即可设置A/D的参考电压分别为+3.3V和+0.66V。同样可得对其余小气候模拟参数的采集，也能满足设计要求。

2.3.3 电源电路

系统设计有太阳能供电电路、交流供电电路及蓄电池组成，蓄电池输出+12V直流电压。太阳能供电电路在阳光充足时，可对蓄电池充电，当光源不足时，蓄电池电压下降到一定的电压值，则切换由交流供电电路对蓄电池充电。+12V直流电压除直接供给传感器转换电路外，经稳压输出+5V和+3.3V，供便携机系统模拟电路和数字电路正常工作。图4为稳压电源线路图。

图4 稳压电源线路图

+5V输出由7805三端稳压块、滤波电容及瞬态电压抑制二极管组成，为系统提供模拟电路所需的电源。+3.3V电压由LM317T、滤波电容及瞬态电压抑制二极管组成，为系统提供数字电路所需的电源。

2.3.4 时钟电路的模块

时间是小气候信息采集系统中一个很重要的参考项，是一个很关键的参数。为了给用户提供详细的小气候信息数据，必须记录下各段小气候信息对应的时间。因此在系统中加入了低功耗的实时时钟芯片SD2303A，采用I2C总线接口与CPU相连，实现万年历及计时的功能。在设置打印时间、采样及存储、初始显示界面等功能时，系统需要对时钟进行调用。当系统停电时，时钟电路模块有自带的纽扣电池，为时钟芯片供电，以便系统有连续的时间。系统设计纽扣电池的寿命为2年。

2.3.5 存储的模块

当便携机自成系统时，则必须外插SD卡，通过菜单控制将存储在EEPROM中的小气候参数值，下载到SD卡中。这样，可方便异地将保存在SD卡中的数据在上传至计算机，便于统计分析。利用CPU的SPI总线连接，SD卡采用SPI工作模式。

系统同时设计有板载EEPROM存储模块，用于实时存放小气候参数。选用非易失性AT24C512芯片，每片存储容量64Kbyte，6片共394Kbyte。实现存储一年365天，每天记录24次，每次16个参数值。考虑到方便维修，存储芯片设计成独立PCB板，与便携机通过焊接连成一体。由于单片机的I2C总线资源已被其余外围电路占用，因此，设计采用通用I/O口与EEPROM连接，通过I/O线模拟I2C总线的时序，实现对EEPROM的访问。

2.3.6 人机接口的模块

系统设有8个功能键和1个复位键，完成系统人机对话功能、上电复位、在线复位和系统看门狗的功能。功能键通过行列矩阵的形式排列，可分别实现采样、下载、时间调整、查看、打印等功能。

系统采用LCM240×128点阵式液晶模块，主要完成人机接口的输出显示，包括：开机状态、菜单提示、参数采样结果显示、系统工作状态显示等界面。液晶模块内部采用T6963C控制器，CPU直接控制方式。

2.3.7 通讯的模块

PIC18F87J10内部有2个两个增强型可寻址USART模块，一个用于与带有RS-232串口的微型打印机连接，另一个用于与上位机通讯。

其一，采用MAX3232E接口芯片，供电电压+3.0V～3.6V，操作速率达250Kbps，用于与计算机的无线通讯和微型打印机的通讯，实现小气候参数的输出打印。

其二，PIC18F87J10第二个串口通过短接块切换，可实现2种不同的与计算机联机模式。一为通过RS-232，外加一个无线通讯模块实现与计算机的双向无线传输；二为将RS-232转换为RS-484总线形式，实现与计算机的双向有线传输。RS-485总线模式具有传输距离远、抗干扰能力强的特点。485线路连接如图5所示。

图5 RS-485接口电路

以上硬件设计充分考虑野外使用时的安全措施、预留相应扩展接口、方便维修人员对产品的维护、提高整机的性能和软件升级的简便。

3 软件设计与实现

便携机软件设计采用结构化的C程序设计，主要有采样、显示、打印、下载、时钟等子程序和按键、通讯、风速风向定时中断子程序组成。图6为单片机系统软件框图。

图6 单片机系统主程序流程图

配合计算机（上位机）的软件，可在计算机上实现与便携机的通讯及对上传的数据进行管理、归类统计、打印报表等功能。配合上位机显示，实时监测数据结果见图7。

图7 实时显示本次采样的数据和前一次采集的数据

4 结论

小气候预测预报将对农作物生长起到重要的预判和指导作用，本文设计的基于单片机的小气候信息采集系统，在系统测试、小气候参数监测及产品实际应用过程中都显示，该系统基本达到了预期的系统设计的功能性要求，可为单片机系统在小气候信息监测及处理领域的研究提供一种思路，是适合目前农田小气候信息自动监测的普及型设备。

[1]易明辉.气象学与农业气象学[M].北京:农业出版社，1990-6:198-205.

[2]金志凤，沈朝栋，黄寿波.我国农业小气候学研究特点及发展趋势[J].浙江大学学报（农业与生命科学版），2003-29（4）: 471-472.

[3]王谦，孙忠富，李秀红.基于嵌入式系统的农业环境监测系统的设计[J].微计算机信息，2006，22（8-2）: 38-40.

[4]郝丽丽，马小军，张娟.便携式多参数环境监测仪的设计[J].计算机测量及控制，2006.14（6）: 835-837.

[5]刘红兵.基于双单片机的智能遥测微型气象站[J].南京信息工程大学，2006.5: 19-25.

[6]王幸之，王雷，钟爱琴等.单片机应用系统电磁干扰与抗干扰技术[M].北京:北京航空航天大学出版社，2006.3:537-541.