裴勇+袁家厚+劉洋+馬艷+黃妍

摘要：針對(duì)目前我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)中環(huán)境因素檢測(cè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、準(zhǔn)確性差、成本高等問(wèn)題，研制一種以單片機(jī)為控制核心的農(nóng)情測(cè)控儀。介紹該測(cè)控儀的工作原理與軟、硬件設(shè)計(jì)，檢驗(yàn)其主要技術(shù)指標(biāo)及系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。經(jīng)驗(yàn)證，該測(cè)控儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，能滿足測(cè)控精度要求，性價(jià)比較高，適宜在農(nóng)業(yè)設(shè)施中應(yīng)用推廣。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)設(shè)施；農(nóng)情測(cè)控儀；測(cè)控系統(tǒng)；模塊化結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2014）03-0021-03

我國(guó)在發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)、提高農(nóng)民收入的工作中，提出要增強(qiáng)科技創(chuàng)新能力，大力推廣設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)。農(nóng)情測(cè)控系統(tǒng)是設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分，可廣泛用于溫室大棚及畜禽養(yǎng)殖舍等各類農(nóng)業(yè)設(shè)施中。為適應(yīng)科技含量日益提高的溫室種植業(yè)、舍飼畜牧業(yè)對(duì)溫濕度測(cè)控性能的要求，鞍山市糧食科學(xué)研究所研制出MCS-AⅡ型全自動(dòng)農(nóng)情測(cè)控儀。該儀器能實(shí)時(shí)檢測(cè)空氣溫濕度、CO2、光照度等，并能自動(dòng)控制卷簾機(jī)等機(jī)構(gòu)。

1 測(cè)控儀總體設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。測(cè)控系統(tǒng)的所有元件均采用耐-40 ℃低溫的元件，各種傳感器模塊均采用數(shù)字模塊，省卻了信號(hào)調(diào)理及濾波電路，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；采用1-Wirez總線或串行傳輸，簡(jiǎn)化了布線安裝。

單片機(jī)采用STC12C5A60S2-35I，溫度傳感器采用DS18B20，濕度傳感器采用DHT21，CO2傳感器采用MG811，數(shù)字光強(qiáng)度模塊采用BH1750FVI（I2C接口），實(shí)時(shí)時(shí)鐘采用DS1302，鍵盤輸入/LED顯示芯片采用HD7279A，輸出部分經(jīng)過(guò)光電耦合后控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

1.1.1 單片機(jī)系統(tǒng) STC12C5A60S2-35I性能特點(diǎn)為：最高時(shí)鐘頻率35 MHz，60 K flash存儲(chǔ)器，1 280 B RAM，16 K E2PROM，具備AD轉(zhuǎn)換器，4 kV ESD保護(hù)，在系統(tǒng)可編程。這些特點(diǎn)決定了其幾乎不需要額外擴(kuò)展接口電路。本系統(tǒng)采用11.059 2 MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘，自定義四線傳輸結(jié)構(gòu)，這樣可充分發(fā)揮資源優(yōu)勢(shì)，降低成本。

1.1.2 傳感器模塊

1） 溫度傳感器采用美國(guó)Dallas公司的1-wire數(shù)字測(cè)溫元件DS18B20。該元件接線少，只用3根引線就可以掛接十幾個(gè)測(cè)溫元件，這就要求對(duì)這十幾個(gè)測(cè)溫元件進(jìn)行準(zhǔn)確完整無(wú)誤的管理，分辨出每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的位置。檢測(cè)裝置在保證功能可靠的前提下，應(yīng)盡量利用單片機(jī)本身的資源，以軟代硬，還要防止測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的各種干擾，在數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤時(shí)還要及時(shí)地發(fā)現(xiàn)并予以更正。

2） 濕度傳感器采用AM2301（DHT21），數(shù)字輸出，無(wú)需額外部件，超低能耗，超長(zhǎng)的信號(hào)傳輸距離（20 m），可完全互換。DHT21數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接，因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、響應(yīng)超快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT21傳感器都在極精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過(guò)程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。采用單線制串行接口，使得系統(tǒng)集成簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗和20 m以上的信號(hào)傳輸距離，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選擇。

3） CO2傳感器采用MG811模塊，主要由LM393、二氧化碳?xì)怏w感應(yīng)探頭構(gòu)成，工作電壓為直流6 V。其特點(diǎn)是：①具有信號(hào)輸出指示；②雙路信號(hào)輸出（模擬量輸出及TTL電平輸出）；③TTL輸出有效信號(hào)為低電平（當(dāng)輸出低電平時(shí)信號(hào)燈亮，可直接接單片機(jī)）；④模擬量輸出，0～2 V/0～4 V電壓輸出可選，默認(rèn)發(fā)0～2 V；⑤具有較長(zhǎng)的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性；⑥具有快速的響應(yīng)恢復(fù)特性；⑦對(duì)二氧化碳具有很高的靈敏度和良好的選擇性，測(cè)試濃度范圍為0～10 000 mg/L。

4） 光強(qiáng)度傳感器采用不區(qū)分光源數(shù)字型環(huán)境光強(qiáng)度傳感器BH1750FVI，其為日本RHOM株式會(huì)社近些年推出的一種兩線式串行總線接口的集成電路。其采用16位高精度數(shù)字進(jìn)行光強(qiáng)度檢測(cè)，可支持較大范圍的光照強(qiáng)度變化；采用I2C總線接口，可避免A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)帶來(lái)的誤差。

1.1.3 鍵盤輸入與顯示 系統(tǒng)采用單片LED數(shù)碼管顯示和鍵盤接口芯片HD7279A（DIP28塑封）。HD7279A是一片真正的單片LED數(shù)碼管顯示和鍵盤接口芯片，無(wú)需外圍電路，只需外接少量的電阻等，即可構(gòu)成完善的顯示、鍵盤接口電路。其與CPU的接口采用SPI串行接口方式，使用方便。其主要特點(diǎn)為：無(wú)需外圍電路，直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管；多種譯碼方式，各顯示位可分別控制譯碼方式；段尋址功能，可以單獨(dú)控制顯示段，便于使用獨(dú)立LED具有左移、右移、閃爍、消隱等多種顯示控制指令；鍵盤部分具有去抖動(dòng)功能，按鍵有效指示輸出。

1.1.4 控制輸出 系統(tǒng)需要控制驅(qū)動(dòng)的包括滴灌與噴灌電磁閥、排風(fēng)扇電機(jī)與卷簾電機(jī)、報(bào)警輸出等。為了防止電磁干擾，保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠，均采用獨(dú)立電源供電，通過(guò)光電耦合進(jìn)行控制。

1.1.5 主電路圖 系統(tǒng)主電。JI1—JI4為4路傳感器輸入端；單片機(jī)P1口具有A/D轉(zhuǎn)換功能；每路可以在50 m范圍內(nèi)掛接十幾個(gè)DS18B20，20 m長(zhǎng)度內(nèi)接1個(gè)數(shù)字濕度傳感器AM2301和1個(gè)CO2傳感器MG811或光強(qiáng)傳感器BH1750FVI（傳感器側(cè)加入電壓調(diào)節(jié)電路）；實(shí)時(shí)時(shí)鐘DS1302采用電池作為備用電源；鍵盤顯示電路（插口為P6）單獨(dú)供電，以減小對(duì)主電路板的電源干擾；JR1—JR4為4路控制信號(hào)輸出端，通過(guò)輸出板控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的應(yīng)用程序在結(jié)構(gòu)上與硬件配置相適應(yīng)，采用模塊化結(jié)構(gòu)。主程序調(diào)用具有不同硬件配置的子程序，協(xié)調(diào)組成完整的系統(tǒng)測(cè)控程序。軟件主要由主程序、數(shù)據(jù)巡回采集及處理子程序、鍵盤/顯示子程序、輸出控制程序等組成。

1.2.1 主程序 由于設(shè)施農(nóng)業(yè)對(duì)實(shí)時(shí)性要求相對(duì)不高，故主程序采用查詢方式執(zhí)行。1） 將各給定值及上、下限等參數(shù)由鍵盤或指定的flash memory單元傳送到指定的片內(nèi)RAM單元。2） 初始化。主要是定義定時(shí)計(jì)數(shù)器。3） 巡回檢測(cè)、顯示并調(diào)節(jié)各量。如果有越限，則聲光報(bào)警。

1.2.2 控制方法 農(nóng)業(yè)設(shè)施控制對(duì)精度要求不高，因此采用定時(shí)與開關(guān)量控制相結(jié)合的方法。實(shí)踐證明，該方法簡(jiǎn)單，能滿足一般農(nóng)業(yè)設(shè)施中的控制要求。

1.2.3 軟件設(shè)計(jì) 軟件主要由主程序、初始化程序、DS18B20單字節(jié)讀寫子程序、序列號(hào)匹配子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、SPI與I2C接口子程序、故障代碼處理子程序等構(gòu)成，能完成單項(xiàng)單點(diǎn)檢測(cè)、單線纜檢測(cè)、巡回采集等。

2 主要技術(shù)指標(biāo)及系統(tǒng)運(yùn)行可靠性

本測(cè)控儀已投入農(nóng)業(yè)設(shè)施中進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，提高了自動(dòng)化程度，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。其檢測(cè)精度可達(dá)到：溫度±0.5 ℃，濕度±3%RH，CO2氣體±1%。

本系統(tǒng)一般運(yùn)行于非工業(yè)環(huán)境的農(nóng)業(yè)設(shè)施中，但運(yùn)行實(shí)踐表明，干擾仍然存在。因此，必須采取有效的抗干擾措施。在硬件方面，將測(cè)量與控制電路電源分開，采用光電耦合器隔離。在軟件方面，采用程序陷阱技術(shù)、數(shù)字濾波技術(shù)、程序冗余技術(shù)和看門狗技術(shù)（watchdog），在程序“跑飛”時(shí)能有效復(fù)位。

3 結(jié)語(yǔ)

MCS-A型農(nóng)情測(cè)控儀的硬、軟件都采取了模塊化結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單可靠，具有較高的性價(jià)比，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)戶溫室大棚、菇房菌室、林業(yè)、花卉栽培、作物育種、養(yǎng)殖場(chǎng)、氣調(diào)保鮮庫(kù)等行業(yè)。今后，可以增加采集土壤濕度和O2，NH3等氣體濃度的功能模塊，以有線/無(wú)線傳輸方式通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行管理，獲得更廣的應(yīng)用范圍。

摘要：針對(duì)目前我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)中環(huán)境因素檢測(cè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、準(zhǔn)確性差、成本高等問(wèn)題，研制一種以單片機(jī)為控制核心的農(nóng)情測(cè)控儀。介紹該測(cè)控儀的工作原理與軟、硬件設(shè)計(jì)，檢驗(yàn)其主要技術(shù)指標(biāo)及系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。經(jīng)驗(yàn)證，該測(cè)控儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，能滿足測(cè)控精度要求，性價(jià)比較高，適宜在農(nóng)業(yè)設(shè)施中應(yīng)用推廣。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)設(shè)施；農(nóng)情測(cè)控儀；測(cè)控系統(tǒng)；模塊化結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2014）03-0021-03

我國(guó)在發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)、提高農(nóng)民收入的工作中，提出要增強(qiáng)科技創(chuàng)新能力，大力推廣設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)。農(nóng)情測(cè)控系統(tǒng)是設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分，可廣泛用于溫室大棚及畜禽養(yǎng)殖舍等各類農(nóng)業(yè)設(shè)施中。為適應(yīng)科技含量日益提高的溫室種植業(yè)、舍飼畜牧業(yè)對(duì)溫濕度測(cè)控性能的要求，鞍山市糧食科學(xué)研究所研制出MCS-AⅡ型全自動(dòng)農(nóng)情測(cè)控儀。該儀器能實(shí)時(shí)檢測(cè)空氣溫濕度、CO2、光照度等，并能自動(dòng)控制卷簾機(jī)等機(jī)構(gòu)。

1 測(cè)控儀總體設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。測(cè)控系統(tǒng)的所有元件均采用耐-40 ℃低溫的元件，各種傳感器模塊均采用數(shù)字模塊，省卻了信號(hào)調(diào)理及濾波電路，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；采用1-Wirez總線或串行傳輸，簡(jiǎn)化了布線安裝。

單片機(jī)采用STC12C5A60S2-35I，溫度傳感器采用DS18B20，濕度傳感器采用DHT21，CO2傳感器采用MG811，數(shù)字光強(qiáng)度模塊采用BH1750FVI（I2C接口），實(shí)時(shí)時(shí)鐘采用DS1302，鍵盤輸入/LED顯示芯片采用HD7279A，輸出部分經(jīng)過(guò)光電耦合后控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

1.1.1 單片機(jī)系統(tǒng) STC12C5A60S2-35I性能特點(diǎn)為：最高時(shí)鐘頻率35 MHz，60 K flash存儲(chǔ)器，1 280 B RAM，16 K E2PROM，具備AD轉(zhuǎn)換器，4 kV ESD保護(hù)，在系統(tǒng)可編程。這些特點(diǎn)決定了其幾乎不需要額外擴(kuò)展接口電路。本系統(tǒng)采用11.059 2 MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘，自定義四線傳輸結(jié)構(gòu)，這樣可充分發(fā)揮資源優(yōu)勢(shì)，降低成本。

1.1.2 傳感器模塊

1） 溫度傳感器采用美國(guó)Dallas公司的1-wire數(shù)字測(cè)溫元件DS18B20。該元件接線少，只用3根引線就可以掛接十幾個(gè)測(cè)溫元件，這就要求對(duì)這十幾個(gè)測(cè)溫元件進(jìn)行準(zhǔn)確完整無(wú)誤的管理，分辨出每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的位置。檢測(cè)裝置在保證功能可靠的前提下，應(yīng)盡量利用單片機(jī)本身的資源，以軟代硬，還要防止測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的各種干擾，在數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤時(shí)還要及時(shí)地發(fā)現(xiàn)并予以更正。

2） 濕度傳感器采用AM2301（DHT21），數(shù)字輸出，無(wú)需額外部件，超低能耗，超長(zhǎng)的信號(hào)傳輸距離（20 m），可完全互換。DHT21數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接，因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、響應(yīng)超快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT21傳感器都在極精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過(guò)程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。采用單線制串行接口，使得系統(tǒng)集成簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗和20 m以上的信號(hào)傳輸距離，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選擇。

3） CO2傳感器采用MG811模塊，主要由LM393、二氧化碳?xì)怏w感應(yīng)探頭構(gòu)成，工作電壓為直流6 V。其特點(diǎn)是：①具有信號(hào)輸出指示；②雙路信號(hào)輸出（模擬量輸出及TTL電平輸出）；③TTL輸出有效信號(hào)為低電平（當(dāng)輸出低電平時(shí)信號(hào)燈亮，可直接接單片機(jī)）；④模擬量輸出，0～2 V/0～4 V電壓輸出可選，默認(rèn)發(fā)0～2 V；⑤具有較長(zhǎng)的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性；⑥具有快速的響應(yīng)恢復(fù)特性；⑦對(duì)二氧化碳具有很高的靈敏度和良好的選擇性，測(cè)試濃度范圍為0～10 000 mg/L。

4） 光強(qiáng)度傳感器采用不區(qū)分光源數(shù)字型環(huán)境光強(qiáng)度傳感器BH1750FVI，其為日本RHOM株式會(huì)社近些年推出的一種兩線式串行總線接口的集成電路。其采用16位高精度數(shù)字進(jìn)行光強(qiáng)度檢測(cè)，可支持較大范圍的光照強(qiáng)度變化；采用I2C總線接口，可避免A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)帶來(lái)的誤差。

1.1.3 鍵盤輸入與顯示 系統(tǒng)采用單片LED數(shù)碼管顯示和鍵盤接口芯片HD7279A（DIP28塑封）。HD7279A是一片真正的單片LED數(shù)碼管顯示和鍵盤接口芯片，無(wú)需外圍電路，只需外接少量的電阻等，即可構(gòu)成完善的顯示、鍵盤接口電路。其與CPU的接口采用SPI串行接口方式，使用方便。其主要特點(diǎn)為：無(wú)需外圍電路，直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管；多種譯碼方式，各顯示位可分別控制譯碼方式；段尋址功能，可以單獨(dú)控制顯示段，便于使用獨(dú)立LED具有左移、右移、閃爍、消隱等多種顯示控制指令；鍵盤部分具有去抖動(dòng)功能，按鍵有效指示輸出。

1.1.4 控制輸出 系統(tǒng)需要控制驅(qū)動(dòng)的包括滴灌與噴灌電磁閥、排風(fēng)扇電機(jī)與卷簾電機(jī)、報(bào)警輸出等。為了防止電磁干擾，保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠，均采用獨(dú)立電源供電，通過(guò)光電耦合進(jìn)行控制。

1.1.5 主電路圖 系統(tǒng)主電。JI1—JI4為4路傳感器輸入端；單片機(jī)P1口具有A/D轉(zhuǎn)換功能；每路可以在50 m范圍內(nèi)掛接十幾個(gè)DS18B20，20 m長(zhǎng)度內(nèi)接1個(gè)數(shù)字濕度傳感器AM2301和1個(gè)CO2傳感器MG811或光強(qiáng)傳感器BH1750FVI（傳感器側(cè)加入電壓調(diào)節(jié)電路）；實(shí)時(shí)時(shí)鐘DS1302采用電池作為備用電源；鍵盤顯示電路（插口為P6）單獨(dú)供電，以減小對(duì)主電路板的電源干擾；JR1—JR4為4路控制信號(hào)輸出端，通過(guò)輸出板控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的應(yīng)用程序在結(jié)構(gòu)上與硬件配置相適應(yīng)，采用模塊化結(jié)構(gòu)。主程序調(diào)用具有不同硬件配置的子程序，協(xié)調(diào)組成完整的系統(tǒng)測(cè)控程序。軟件主要由主程序、數(shù)據(jù)巡回采集及處理子程序、鍵盤/顯示子程序、輸出控制程序等組成。

1.2.1 主程序 由于設(shè)施農(nóng)業(yè)對(duì)實(shí)時(shí)性要求相對(duì)不高，故主程序采用查詢方式執(zhí)行。1） 將各給定值及上、下限等參數(shù)由鍵盤或指定的flash memory單元傳送到指定的片內(nèi)RAM單元。2） 初始化。主要是定義定時(shí)計(jì)數(shù)器。3） 巡回檢測(cè)、顯示并調(diào)節(jié)各量。如果有越限，則聲光報(bào)警。

1.2.2 控制方法 農(nóng)業(yè)設(shè)施控制對(duì)精度要求不高，因此采用定時(shí)與開關(guān)量控制相結(jié)合的方法。實(shí)踐證明，該方法簡(jiǎn)單，能滿足一般農(nóng)業(yè)設(shè)施中的控制要求。

1.2.3 軟件設(shè)計(jì) 軟件主要由主程序、初始化程序、DS18B20單字節(jié)讀寫子程序、序列號(hào)匹配子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、SPI與I2C接口子程序、故障代碼處理子程序等構(gòu)成，能完成單項(xiàng)單點(diǎn)檢測(cè)、單線纜檢測(cè)、巡回采集等。

2 主要技術(shù)指標(biāo)及系統(tǒng)運(yùn)行可靠性

本測(cè)控儀已投入農(nóng)業(yè)設(shè)施中進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，提高了自動(dòng)化程度，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。其檢測(cè)精度可達(dá)到：溫度±0.5 ℃，濕度±3%RH，CO2氣體±1%。

本系統(tǒng)一般運(yùn)行于非工業(yè)環(huán)境的農(nóng)業(yè)設(shè)施中，但運(yùn)行實(shí)踐表明，干擾仍然存在。因此，必須采取有效的抗干擾措施。在硬件方面，將測(cè)量與控制電路電源分開，采用光電耦合器隔離。在軟件方面，采用程序陷阱技術(shù)、數(shù)字濾波技術(shù)、程序冗余技術(shù)和看門狗技術(shù)（watchdog），在程序“跑飛”時(shí)能有效復(fù)位。

3 結(jié)語(yǔ)

MCS-A型農(nóng)情測(cè)控儀的硬、軟件都采取了模塊化結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單可靠，具有較高的性價(jià)比，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)戶溫室大棚、菇房菌室、林業(yè)、花卉栽培、作物育種、養(yǎng)殖場(chǎng)、氣調(diào)保鮮庫(kù)等行業(yè)。今后，可以增加采集土壤濕度和O2，NH3等氣體濃度的功能模塊，以有線/無(wú)線傳輸方式通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行管理，獲得更廣的應(yīng)用范圍。

摘要：針對(duì)目前我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)中環(huán)境因素檢測(cè)勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低、準(zhǔn)確性差、成本高等問(wèn)題，研制一種以單片機(jī)為控制核心的農(nóng)情測(cè)控儀。介紹該測(cè)控儀的工作原理與軟、硬件設(shè)計(jì)，檢驗(yàn)其主要技術(shù)指標(biāo)及系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。經(jīng)驗(yàn)證，該測(cè)控儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，能滿足測(cè)控精度要求，性價(jià)比較高，適宜在農(nóng)業(yè)設(shè)施中應(yīng)用推廣。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)設(shè)施；農(nóng)情測(cè)控儀；測(cè)控系統(tǒng)；模塊化結(jié)構(gòu)；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-1161（2014）03-0021-03

我國(guó)在發(fā)展農(nóng)村經(jīng)濟(jì)、提高農(nóng)民收入的工作中，提出要增強(qiáng)科技創(chuàng)新能力，大力推廣設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)。農(nóng)情測(cè)控系統(tǒng)是設(shè)施農(nóng)業(yè)的重要組成部分，可廣泛用于溫室大棚及畜禽養(yǎng)殖舍等各類農(nóng)業(yè)設(shè)施中。為適應(yīng)科技含量日益提高的溫室種植業(yè)、舍飼畜牧業(yè)對(duì)溫濕度測(cè)控性能的要求，鞍山市糧食科學(xué)研究所研制出MCS-AⅡ型全自動(dòng)農(nóng)情測(cè)控儀。該儀器能實(shí)時(shí)檢測(cè)空氣溫濕度、CO2、光照度等，并能自動(dòng)控制卷簾機(jī)等機(jī)構(gòu)。

1 測(cè)控儀總體設(shè)計(jì)

1.1 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。測(cè)控系統(tǒng)的所有元件均采用耐-40 ℃低溫的元件，各種傳感器模塊均采用數(shù)字模塊，省卻了信號(hào)調(diào)理及濾波電路，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；采用1-Wirez總線或串行傳輸，簡(jiǎn)化了布線安裝。

單片機(jī)采用STC12C5A60S2-35I，溫度傳感器采用DS18B20，濕度傳感器采用DHT21，CO2傳感器采用MG811，數(shù)字光強(qiáng)度模塊采用BH1750FVI（I2C接口），實(shí)時(shí)時(shí)鐘采用DS1302，鍵盤輸入/LED顯示芯片采用HD7279A，輸出部分經(jīng)過(guò)光電耦合后控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

1.1.1 單片機(jī)系統(tǒng) STC12C5A60S2-35I性能特點(diǎn)為：最高時(shí)鐘頻率35 MHz，60 K flash存儲(chǔ)器，1 280 B RAM，16 K E2PROM，具備AD轉(zhuǎn)換器，4 kV ESD保護(hù)，在系統(tǒng)可編程。這些特點(diǎn)決定了其幾乎不需要額外擴(kuò)展接口電路。本系統(tǒng)采用11.059 2 MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘，自定義四線傳輸結(jié)構(gòu)，這樣可充分發(fā)揮資源優(yōu)勢(shì)，降低成本。

1.1.2 傳感器模塊

1） 溫度傳感器采用美國(guó)Dallas公司的1-wire數(shù)字測(cè)溫元件DS18B20。該元件接線少，只用3根引線就可以掛接十幾個(gè)測(cè)溫元件，這就要求對(duì)這十幾個(gè)測(cè)溫元件進(jìn)行準(zhǔn)確完整無(wú)誤的管理，分辨出每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的位置。檢測(cè)裝置在保證功能可靠的前提下，應(yīng)盡量利用單片機(jī)本身的資源，以軟代硬，還要防止測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)的各種干擾，在數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤時(shí)還要及時(shí)地發(fā)現(xiàn)并予以更正。

2） 濕度傳感器采用AM2301（DHT21），數(shù)字輸出，無(wú)需額外部件，超低能耗，超長(zhǎng)的信號(hào)傳輸距離（20 m），可完全互換。DHT21數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接，因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、響應(yīng)超快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)。每個(gè)DHT21傳感器都在極精確的濕度校驗(yàn)室中進(jìn)行校準(zhǔn)，校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲(chǔ)存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測(cè)信號(hào)的處理過(guò)程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。采用單線制串行接口，使得系統(tǒng)集成簡(jiǎn)易快捷。超小的體積、極低的功耗和20 m以上的信號(hào)傳輸距離，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場(chǎng)合的最佳選擇。

3） CO2傳感器采用MG811模塊，主要由LM393、二氧化碳?xì)怏w感應(yīng)探頭構(gòu)成，工作電壓為直流6 V。其特點(diǎn)是：①具有信號(hào)輸出指示；②雙路信號(hào)輸出（模擬量輸出及TTL電平輸出）；③TTL輸出有效信號(hào)為低電平（當(dāng)輸出低電平時(shí)信號(hào)燈亮，可直接接單片機(jī)）；④模擬量輸出，0～2 V/0～4 V電壓輸出可選，默認(rèn)發(fā)0～2 V；⑤具有較長(zhǎng)的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性；⑥具有快速的響應(yīng)恢復(fù)特性；⑦對(duì)二氧化碳具有很高的靈敏度和良好的選擇性，測(cè)試濃度范圍為0～10 000 mg/L。

4） 光強(qiáng)度傳感器采用不區(qū)分光源數(shù)字型環(huán)境光強(qiáng)度傳感器BH1750FVI，其為日本RHOM株式會(huì)社近些年推出的一種兩線式串行總線接口的集成電路。其采用16位高精度數(shù)字進(jìn)行光強(qiáng)度檢測(cè)，可支持較大范圍的光照強(qiáng)度變化；采用I2C總線接口，可避免A/D轉(zhuǎn)換系統(tǒng)帶來(lái)的誤差。

1.1.3 鍵盤輸入與顯示 系統(tǒng)采用單片LED數(shù)碼管顯示和鍵盤接口芯片HD7279A（DIP28塑封）。HD7279A是一片真正的單片LED數(shù)碼管顯示和鍵盤接口芯片，無(wú)需外圍電路，只需外接少量的電阻等，即可構(gòu)成完善的顯示、鍵盤接口電路。其與CPU的接口采用SPI串行接口方式，使用方便。其主要特點(diǎn)為：無(wú)需外圍電路，直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管；多種譯碼方式，各顯示位可分別控制譯碼方式；段尋址功能，可以單獨(dú)控制顯示段，便于使用獨(dú)立LED具有左移、右移、閃爍、消隱等多種顯示控制指令；鍵盤部分具有去抖動(dòng)功能，按鍵有效指示輸出。

1.1.4 控制輸出 系統(tǒng)需要控制驅(qū)動(dòng)的包括滴灌與噴灌電磁閥、排風(fēng)扇電機(jī)與卷簾電機(jī)、報(bào)警輸出等。為了防止電磁干擾，保證系統(tǒng)運(yùn)行可靠，均采用獨(dú)立電源供電，通過(guò)光電耦合進(jìn)行控制。

1.1.5 主電路圖 系統(tǒng)主電。JI1—JI4為4路傳感器輸入端；單片機(jī)P1口具有A/D轉(zhuǎn)換功能；每路可以在50 m范圍內(nèi)掛接十幾個(gè)DS18B20，20 m長(zhǎng)度內(nèi)接1個(gè)數(shù)字濕度傳感器AM2301和1個(gè)CO2傳感器MG811或光強(qiáng)傳感器BH1750FVI（傳感器側(cè)加入電壓調(diào)節(jié)電路）；實(shí)時(shí)時(shí)鐘DS1302采用電池作為備用電源；鍵盤顯示電路（插口為P6）單獨(dú)供電，以減小對(duì)主電路板的電源干擾；JR1—JR4為4路控制信號(hào)輸出端，通過(guò)輸出板控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的應(yīng)用程序在結(jié)構(gòu)上與硬件配置相適應(yīng)，采用模塊化結(jié)構(gòu)。主程序調(diào)用具有不同硬件配置的子程序，協(xié)調(diào)組成完整的系統(tǒng)測(cè)控程序。軟件主要由主程序、數(shù)據(jù)巡回采集及處理子程序、鍵盤/顯示子程序、輸出控制程序等組成。

1.2.1 主程序 由于設(shè)施農(nóng)業(yè)對(duì)實(shí)時(shí)性要求相對(duì)不高，故主程序采用查詢方式執(zhí)行。1） 將各給定值及上、下限等參數(shù)由鍵盤或指定的flash memory單元傳送到指定的片內(nèi)RAM單元。2） 初始化。主要是定義定時(shí)計(jì)數(shù)器。3） 巡回檢測(cè)、顯示并調(diào)節(jié)各量。如果有越限，則聲光報(bào)警。

1.2.2 控制方法 農(nóng)業(yè)設(shè)施控制對(duì)精度要求不高，因此采用定時(shí)與開關(guān)量控制相結(jié)合的方法。實(shí)踐證明，該方法簡(jiǎn)單，能滿足一般農(nóng)業(yè)設(shè)施中的控制要求。

1.2.3 軟件設(shè)計(jì) 軟件主要由主程序、初始化程序、DS18B20單字節(jié)讀寫子程序、序列號(hào)匹配子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、SPI與I2C接口子程序、故障代碼處理子程序等構(gòu)成，能完成單項(xiàng)單點(diǎn)檢測(cè)、單線纜檢測(cè)、巡回采集等。

2 主要技術(shù)指標(biāo)及系統(tǒng)運(yùn)行可靠性

本測(cè)控儀已投入農(nóng)業(yè)設(shè)施中進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用，提高了自動(dòng)化程度，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。其檢測(cè)精度可達(dá)到：溫度±0.5 ℃，濕度±3%RH，CO2氣體±1%。

本系統(tǒng)一般運(yùn)行于非工業(yè)環(huán)境的農(nóng)業(yè)設(shè)施中，但運(yùn)行實(shí)踐表明，干擾仍然存在。因此，必須采取有效的抗干擾措施。在硬件方面，將測(cè)量與控制電路電源分開，采用光電耦合器隔離。在軟件方面，采用程序陷阱技術(shù)、數(shù)字濾波技術(shù)、程序冗余技術(shù)和看門狗技術(shù)（watchdog），在程序“跑飛”時(shí)能有效復(fù)位。

3 結(jié)語(yǔ)

MCS-A型農(nóng)情測(cè)控儀的硬、軟件都采取了模塊化結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)單可靠，具有較高的性價(jià)比，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)戶溫室大棚、菇房菌室、林業(yè)、花卉栽培、作物育種、養(yǎng)殖場(chǎng)、氣調(diào)保鮮庫(kù)等行業(yè)。今后，可以增加采集土壤濕度和O2，NH3等氣體濃度的功能模塊，以有線/無(wú)線傳輸方式通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行管理，獲得更廣的應(yīng)用范圍。