基于C8051F020的便携式温室参数测量仪

肖助力，龚仁喜，胡立坤

(广西大学电气工程学院，南宁 530004)

随着社会经济的发展，人民生活水平的不断提高，瓜果、蔬菜及花卉的社会需求量和品质要求也不断提高，使得温室栽培技术得到迅速发展。在现代农业生产中，农作物的生长发育除了取决于其自身的生物学特性外还取决于其生长环境［1］。而大棚温室的主要作用是为农作物提供必要的生长环境［2］。现代化温室在计算机综合控制下，提供了与季节无关的、适合作物生长的环境，并实现了各种作物优质、高效、低耗的工业化生产［3］。

在温室栽培中，影响作物生长发育的外界环境因素主要有温度、湿度、光照强度和热通量度等［4］。为了实现对这些因素的控制，同时考虑目前温室大棚在我国的现实状况以及农户的经济承受能力，研究一种工作可靠、价格低廉的测量仪表就显得非常必要。

本文针对影响温室环境的几项参数，研制了一种实用的仪表。该测量仪通过选用性价比较高的温度、湿度、热流量及光照强度传感器，实现了对温室环境参数的精确测量。针对不同参数，可以通过按键手动操作单片机执行相应的测量操作，并将测量数据通过液晶显示器进行显示。该测量仪操作简单，携带方便，测量精度高，性能稳定，实用性较好。

1 测量仪硬件设计

1.1 总体结构

测量仪以单片机C8051F020为核心，外围配置适当的硬件接口电路来实现系统功能。温度、湿度、热流量及光照强度模拟量的采集通过4个传感器 PT10、TDR-3、HF-1土 壤 热流板和BH1750FVI来实现。为了满足对数据采集操作的实时性要求，测量仪采用DS1302作为实时时钟芯片，通过采集该芯片数据进行系统时间显示。另外为实现人机交互，测量仪还设计了串行通信接口、键盘输入控制功能以及液晶输出显示功能，CPU还配以时钟电路和复位电路等。测量仪结构如图1所示。

图1 测量仪结构

1.2 传感器测量模块

测量仪能测量的参数包括温室环境温度、光照强度、土壤温湿度和土壤热通量等。在选择传感器时，除了考虑能耗、体积和成本因素外，还选择灵敏度较高、响应较快、性能稳定、有数字量输出、免标定的传感器，这样不但可以减少干扰、提高精度，而且对整个系统的整合也有好处。

1.2.1 温度测量

温度是作物生长发育最重要的因素之一。大多数作物生长的温度变幅较窄，一般介于15～40℃。低于或高于这个限度，农作物生长速率则减缓。因此，测量仪必须有检测温室内环境温度和土壤温度的功能。本测量仪采用的是铂热电阻(PT100)。铂热电阻是利用导体的电阻率随温度变化而变化的原理来实现对温度的测量，电阻值与温度之间成近似线性关系。热电阻测温电路如图2所示。

1.2.2 光照强度测量

光照强度采集通常有光敏电阻、光敏二极管(或光敏三极管)和光电池3种方式。光敏电阻的光照特性是非线性的。光敏二极管的信号较弱，信号要进行较大倍数的放大。光电池具有性能稳定、寿命长、光谱响应范围宽、频率特性好、耐高温等优点，在光照度检测系统中得到了广泛应用。本测量仪选择型号为GY－30的数字式光强模块，其中的光强度传感器为BH1750FVI，测量范围0～65535lx，受红外线影响小，输出为数字量(I2C总线)，可直接接到单片机的I/O接口进行采集。光强度测量电路如图3所示。

图2 热电阻测温电路

图3 光强度测量电路

1.2.3 湿度测量

适宜的土壤湿度是农作物生长所必须的条件。为了实现对湿度方便准确的测量，选用型号为TDR－3的湿度传感器(也叫水分传感器)。该传感器的量程为0～100%(m3/m3)，其输出信号为4～20 mA标准电流环，可通过一个100 Ω的精密电阻将电流值转换为电压值，然后送入单片机的模拟量输入口，通过AD转换，将转换获得的测量值通过液晶显示器进行显示。湿度测量电路如图4所示。

图4 湿度测量电路

1.2.4 热流量测量

HF－1土壤热流量传感器(又称土壤热流板、土壤热通量板、热流计)主要用来测定土壤的能量平衡和土壤层的热传导率，它通过一个热电堆，以电压形式输出，电压正比于热通量，可以用于土壤内部测量。该传感器灵敏度为20～100 μV·W/m2，量程 ±100 W/m2，输出信号范围为 ±5 mV，其测量电路如图5所示。利用微功耗仪表放大器AD627，将传感器输出的微弱毫伏级信号放大200倍，送入单片机的AD转换模块进行采集和显示。

1.3 时钟模块

对于测量仪表，常常需要知道测量数据的时间。为实现数据的实时性，本测量仪添加了时钟模块电路。时钟芯片选用的是美国DALLAS公司推出的一款型号为DS1302的实时时钟芯片，该芯片内部集成了可编程日历时钟和31个字节的静态RAM，可以自动进行闰年补偿，并且自身还具有对备份电池进行涓流充电的功能，在便携式仪表中可有效地延长仪器电池的使用寿命。实时时钟电路如图6所示。

图6 实时时钟电路

1.4 液晶显示模块

对于测量仪，不仅需要采样外部的模拟量输入，同时还需要将这些模拟量显示出来，以便及时、方便地掌握实时数据，显示方式可以是数字或图像。本测量仪采用型号为HJ12864M－1的液晶显示器对采集的数据进行显示。液晶显示电路如图7所示。

图7 液晶显示电路

1.5 电源模块

测量仪既要对水分、温度、光强度和热通量传感器供电，还需要给液晶显示器、CPU、DS1302等芯片供电。供电电源需提供3种电压:12 V、5 V、3.3 V，其中:12 V给水分传感器供电;5 V给DS1302、液晶、温度和热通量传感器供电;3.3 V给光强度传感器、CPU等芯片供电。为防止外部干扰，该设计为各种电源添加了大量的滤波电容，其电源电路如图8所示。

图8 电源电路

1.6 通信模块

单片机测量系统通常需要与上位机进行通信，通信的主要方式是串行通信。C8051F020单片机的UART接口部分可实现该功能。但是UART提供的是COMS电平，上位的串行接口通常采用RS－232电平，因此，单片机要与上位机进行串行口通信首先要对电平进行转换。通过采用MAX232芯片就可以将COMS电平和RS－232进行转换。串行通信电路如图9所示。

图9 串行通信电路

2 测量仪软件设计

测量仪软件采用结构化程序设计方案，具有较好的模块性和可移植性，对于不同的系统功能或不同的应用环境，可以方便地进行编程重组。软件分为系统初始化程序、传感器采集及数据处理程序、液晶显示程序、键盘中断和定时器中断服务程序、DS1302实时时钟程序、UART串行通信程序等。其中传感器采集和数据处理程序包括PT100温度采集和处理程序、TDR－3水分采集和处理程序、BH1750FVI光强度采集和处理程序及HF－1热流量传感器采集和处理程序。

程序流程如图10所示。首先系统进行初始化操作，然后扫描按键。如果有按键按下，扫描判断该按键的位置和功能，然后进行相应的程序操作。例如，如果扫描到的是检测温度，则CPU将温度传感器的数据进行采集并处理，然后通过液晶显示器进行显示，并将采集到的数据存储起来发送给上位机，然后继续执行扫描操作。

3 测试结果

根据上述设计方案，研制了测量仪实验样机，对系统进行综合调试后，在温室内进行实际测试，测试结果如图11所示。从各项参数测量结果可以看出，温度测量最大误差为0.3℃，湿度测量的最大误差外0.3%，热通量测量的最大误差为0.2 W/m2，光强度测量的最大误差为4 lx。

图10 程序流程

图11 测试结果

4 结束语

本文综合运用传感器技术、自动检测技术和微型计算机技术，设计并开发了基于C8051F020的便携式温室参数测量仪。测试结果表明，该测量仪在温室环境参数的采集中，能比较准确对温度、湿度、光照强度和热流通量进行采集。同时，该测量仪采用独立电源供电，具有携带方便、操作简单、抗干扰性强、转换速度快、测量精度高和工作稳定可靠的特点，具有良好的推广应用前景。

［1］王丽斌.基于虚拟仪器技术的温室环境监测系统［D］.昆明:昆明理工大学，2010.

［2］肖东华.基于 ZigBee的温室环境监测系统的设计［J］.计算机光盘软件与应用，2012(3):155－156.

［3］任振辉.便携式温室环境测量仪的研制［J］.河北农业大学学报，2001，24(3):72 － 75.

［4］陈爱武，徐建华，赵瑾.温室环境智能监控系统设计［J］.中北大学学报，2007，28(3):217 －223.

［5］张健，刘小英，王敏.土壤参数检测系统的设计与实现［J］.农机化研究，2009(7):10 －16.

［6］于华丽.FM31256在温室环境检测仪中的应用［J］.农机化研究，2009(11);1 －12.

［7］傅仕杰，张英梅，王乐.基于 STM32温室环境测控系统的研究［J］.农业网络信息，2010(12):19－23.

［8］鲍可进.C8051F单片机原理及应用［M］.北京:中国电力出版社，2001.