摘要：隨著自動(dòng)化技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，精細(xì)農(nóng)業(yè)也成為農(nóng)業(yè)科技發(fā)展的主流。及時(shí)、準(zhǔn)確地采集農(nóng)作物生長(zhǎng)信息并進(jìn)行及時(shí)處理，對(duì)于提高農(nóng)作物質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期十分重要。用傳感器采集農(nóng)作物的生長(zhǎng)信息，通過(guò)運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)處理，再應(yīng)用單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、比較分析并發(fā)出管理指令，最后由執(zhí)行電路進(jìn)行相應(yīng)操作。本設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單、測(cè)量準(zhǔn)確、模塊化便于增加和改進(jìn)、成本低廉、可用于多種農(nóng)作物生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：測(cè)量;自動(dòng)化;生長(zhǎng)信息;作物管理

中圖分類號(hào)：TP29

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2020）04-0228-03

收稿日期：2019-11-21

作者簡(jiǎn)介：彭雪峰（1963—），男，遼寧彰武人，本科學(xué)歷，畢業(yè)于哈爾濱科學(xué)技術(shù)大學(xué)，理學(xué)學(xué)士學(xué)位，副教授，教師，研究方向?yàn)殡娮?/p>

技術(shù)傳感器應(yīng)用，所學(xué)專業(yè)：應(yīng)用物理，從事專業(yè)：電子技術(shù)。

Design of Crop Growth Information Collection and Management System

PENG Xue·-feng

（Information Electronic Technology College，Jiamusi University，Jiamusi 154007，China）

Abstract：With the wide application of automation technology in agricultural production，fine agriculture has also become the main-stream of agricultural science and technology development.The timely and accurate collection and processing of crop growth information is very important for improving crop quality，reducing production costs and shortening production cycles.The sensor is used to collect the growth information of crops，signal processing is carried out through operational amplifiers，and the data is recorded，compared and analyzed by a single chip microcomputer，and management instructions are issued.Finally，the corresponding operation is performed by the execution circuit.The design circuit is simple，accurate，modular，easy to increase and improve，low cost，and can be used fora variety of crops.

Key words：Measurement;Automation;Growth information;Crop management

在我國(guó)北方冬季里，由于溫度低，農(nóng)作物不能生長(zhǎng)，大量土地閑置。大力發(fā)展設(shè)施栽培技術(shù)，能夠提高土地產(chǎn)出率，是一個(gè)很好的發(fā)展方向。但是不同的農(nóng)作物對(duì)生產(chǎn)環(huán)境的要求是不一樣的，科學(xué)合理的生產(chǎn)環(huán)境才能生產(chǎn)出最優(yōu)的產(chǎn)品。溫度光照、土壤含水量是農(nóng)作物生長(zhǎng)的三個(gè)重要條件，這里設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的綜合信息智能管理系統(tǒng)。對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)的溫度、光照、土壤含水量信息進(jìn)行采集并進(jìn)行調(diào)節(jié)，真正實(shí)現(xiàn)了農(nóng)作物生產(chǎn)的自動(dòng)化。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件是由傳感器電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)和執(zhí)行電路4部分組成。先用石膏電阻、光電池2DU6和熱電偶TP03三種傳感器分別采集土壤濕度、農(nóng)作物的光照強(qiáng)度和大棚內(nèi)溫度信號(hào)，并由LM324運(yùn)算放大器進(jìn)行信號(hào)放大處理，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7812將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再利用80C51BH單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并發(fā)出執(zhí)行指令，最后由.LM324執(zhí)行電路來(lái)控制滴灌設(shè)備、遮光設(shè)備和通風(fēng)設(shè)備的動(dòng)作。

1.1 信號(hào)采集及處理電路設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)由濕度信號(hào)處理、光照信號(hào)處理和溫度信號(hào)處理單元組成，，如圖1所示[1]。這里采用LM324運(yùn)算放大器對(duì)三種信號(hào)進(jìn)行處理和放大。LM324是四通道運(yùn)算放大器，采用14腳雙列直插式，具有真正的差分輸入。采用單電源供電，可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態(tài)電流小，共模輸入范圍包括負(fù)電源，在許多應(yīng)用場(chǎng)合，不需要采用外設(shè)偏置電路。

1.1.1 濕度信號(hào)處理單元

濕度信號(hào)處理單元由LM324的8.9、10腳及相連部分電路組成。其中濕度傳感器采用石膏電阻RHo將0.5平的銅線平行并相距25 mm埋于80mmx40mmX12mm的石膏體內(nèi)，埋人長(zhǎng)度為70 mm，1，制作多只石膏電阻，如圖2所示。測(cè)量充分浸水后的石膏電阻的最小阻值R，Hm，由于制作工藝和尺寸不同，每一批

制作的石膏電阻的.值不同。這里R選取45092，誤差控制為+50 92，淘汰偏大和偏小的次品。當(dāng)濕度減小時(shí)，Rg變大，在一定范圍內(nèi)，濕度和Rg的阻值成反比。由于石膏電阻性能不穩(wěn)定，要定期更換。

本電路單元是一個(gè)同相比例放大電路。變阻器Rp、電阻R1和石膏電阻R構(gòu)成分壓電路，10腳電壓U3IN+與R。的阻值相關(guān)，當(dāng)R《《 R.時(shí)，U3n+與Rg成正比。合理地設(shè)計(jì)電阻值，使?jié)穸入妷篣k=2UIN+，這樣，濕度電壓UR就和石膏電阻Rg成正比，由于R直接體現(xiàn)土壤的濕度，其結(jié)果就是：濕度電壓UR與土壤的濕度成反比。調(diào)整變阻器Rp2的值，一般情況下，濕度電壓UR輸出在0-5V之間變化。況且當(dāng)濕度小于某個(gè)設(shè)定值時(shí)就啟動(dòng)滴灌作業(yè)“了。

1.1.2 溫度信號(hào)處理單元

溫度處理單元由LM324的1、2、3腳及其相連部分電路構(gòu)成。這里測(cè)量溫度傳感器采用K型鎳鉻-鎳硅TP03熱電偶。TPO3熱電偶具有測(cè)溫范圍廣、性能穩(wěn)定、響應(yīng)線性度好等優(yōu)點(diǎn)。但是正溫度系數(shù)元件，會(huì)給測(cè)量帶來(lái)誤差，這里在電路中串聯(lián)一個(gè)硅晶體二極管VD，（IN4148），利用其導(dǎo)通壓降的負(fù)溫度系數(shù)來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償，適當(dāng)調(diào)節(jié)Rp1的阻值，可以把誤差降低到最小值。電路結(jié)構(gòu)是文氏橋式差動(dòng)運(yùn)算放大電路。在圖中，U1_是輸入標(biāo)準(zhǔn)電壓，UIN+是輸入測(cè)溫電壓。其中Rp1也用來(lái)校準(zhǔn)比較溫度值。放大倍數(shù)設(shè)計(jì)為2倍。溫度電壓U_=2（U1N+-Un-）。這樣在測(cè)量溫度在0～+50C時(shí)，輸出電壓可控制在5V以內(nèi)[2]。

1.1.3 光照信號(hào)處理單元

光照信號(hào)處理單元由LM324的5、6、7腳及相連的部分電路構(gòu)成。光照度采集由2DU6硅光電池來(lái)完成。2DU6的開路電壓為300mV，短路電流小于5μA，光譜范圍寬，性能穩(wěn)定。

本電路單元也是一個(gè)同相比例放大電路。由硅光電池2DU6給三板管3AX31的基極供電，控制三極管導(dǎo)通狀態(tài)，根據(jù)理想運(yùn)放的虛斷路原理，三極管的集電極電流全部流過(guò)電阻R14，二者的乘積正是輸入電壓U2IN+，合理設(shè)計(jì)電阻值，光照電壓U，=2U2IN+，這樣，隨著光照強(qiáng)度的增加，硅光電池電壓的增高，光照電壓U隨之增大。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光照信號(hào)的采集和處理[3]。要注意的是，要適當(dāng)?shù)貙?duì)硅光電池2DU6進(jìn)行遮光處理，和調(diào)整變阻器Rp3的值，以免時(shí)輸出電壓在強(qiáng)光照射下超過(guò)5V。

1.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

為了使單片機(jī)能準(zhǔn)確識(shí)別上述三種電壓信號(hào)，我們必須加;人模數(shù)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。用三個(gè)AD7812作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)三種信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，如圖3所示。

這里設(shè)計(jì)三組數(shù)據(jù)并行讀取方式。傳送同步TFS與接收同步RFS由單片機(jī)P1.0口控制，數(shù)據(jù)輸出DOUT分別與單片機(jī)P1.1、P1.3、P1.5口連接，數(shù)據(jù)輸入DIN與單片機(jī)P1.2、P1.4、P1.6口連接，實(shí)現(xiàn)并行讀取。轉(zhuǎn)換起動(dòng)CONVST與單片機(jī)P2.0、P2.1、P2.2口控制。讀取時(shí)鐘SCLK與單片機(jī)P1.7控制，由軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘控制，避免了數(shù)據(jù)不同步，并使讀取數(shù)據(jù)在一個(gè)周期內(nèi)完成。這樣就很容易由單片機(jī)來(lái)控制三種數(shù)據(jù)讀取[4]。

1.3 單片機(jī)處理器電路設(shè)計(jì)

為了節(jié)約成本，我們這里采用通用的Intel80C51BH單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理。由單片機(jī)P1口接收和控制來(lái)至AD7812信號(hào)，由P2口輸出轉(zhuǎn)換指令信號(hào)，由PO口來(lái)輸出通風(fēng)、遮光和滴灌指令[5]，電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

1.4 執(zhí)行電路設(shè)計(jì)

由于單片機(jī)發(fā)出的指令信號(hào)功率太小，不能直接啟動(dòng)執(zhí)行開關(guān)，這里必須加驅(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)作。為節(jié)約成本，這里仍然采用LM324來(lái)實(shí)現(xiàn)、電路設(shè)計(jì)成三個(gè)同相比例運(yùn)算電路。電壓放大倍數(shù)為3，電路中通風(fēng)、遮光和滴灌指令經(jīng)由電阻R、R，、R，在三個(gè)IN+腳輸入，由三個(gè)OUT腳輸出。由于采用運(yùn)算放大電路，所以輸出功率很大。輸出信號(hào)控制開關(guān)三繼電器KA完成執(zhí)行任務(wù)如圖5所示，這里的R、R，和R。起限流作用，防止繼電器過(guò)載。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)確定60分鐘啟動(dòng)一次程序，全天候監(jiān)控記錄。該系統(tǒng)由測(cè)量數(shù)據(jù)處理、中央處理器和執(zhí)行輸出3個(gè)模塊組成。具體流程如圖6所示。

2.1 測(cè)量和數(shù)據(jù)處理模塊

首先，A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行初始化。將單片機(jī)的P2.0、P2.1、P2.2口置1，然后進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，為了使轉(zhuǎn)換在一個(gè)周期內(nèi)順利完成，這里用軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘控制，這樣就不會(huì)出現(xiàn)由于硬件不

同步而出現(xiàn)誤讀現(xiàn)象。三種信號(hào)并行讀取一周期內(nèi)完成。在讀取數(shù)據(jù)時(shí)要有-定的時(shí)間延遲，本設(shè)計(jì)為10μs，以確保讀取正確的數(shù)據(jù)。

2.2 中央處理器模塊和執(zhí)行輸出模塊

這個(gè)模塊主要包括單片機(jī)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換模塊的控制和對(duì)數(shù)據(jù)處理。單片機(jī)對(duì)A/D的模擬清零、通道選取地址寫入和控制模數(shù)轉(zhuǎn)換步驟;再將讀取值與預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，讀取值超出規(guī)定值時(shí)發(fā)出相關(guān)的執(zhí)行指令[6]。

3 結(jié)束語(yǔ)

農(nóng)作物生長(zhǎng)信息采集管理系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，可以很方便地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行拆分，單獨(dú)對(duì)每個(gè)信息量進(jìn)行管理，也可以對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行擴(kuò)展，增加測(cè)控量。設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單實(shí)用，采用常用的芯片，成本低，執(zhí)行采用繼電器開關(guān)，可以控制各種樣式的電氣設(shè)備，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。系統(tǒng)參數(shù)方便修改，測(cè)量范圍寬，精確度高。

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