基于Intel80C51BH的设施栽培光照信息采集管理系统

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。