基于Intel80C51BH的设施栽培光照信息采集管理系统设计
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。
2 系统软件设计
为了便于系统扩展,将系统进行模块化设计。该系统由测光照度电路、A/D转换器、数据处理和执行输出4个模块组成。具体流程是这样的:先由测量光照度电路将光强信号(0~200 klux)转换成电压信号(0~5 V),再由A/D转换电路将这模拟电压信号转换成单片机能识别的数字信号,最后由单片机进行数据分析、处理和判断。当条件符合时启动调光照调节电路,如图6所示。
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