农业设测控系统的应用研究

*河北省科学技术厅资助重点攻关项目（项目编号：01220140D）刘士光河北科技师范学院机械电子系主任，教授农业设施测控系统的应用研究*刘士光1马继伟1石瑞珍1刘建民2王剑锋1（1河北科技师范学院，秦皇岛066004；2西藏大学，拉萨850000）摘要本文简要介绍了在农业设施中以新型单片机AT89S8252为核心的测控仪表的组成特点及其硬件与软件的优化设计方法。重点介绍了在农业设施群中，通过多机通信技术，用一台PC机集中数据采集、管理、与控制各个设施中的测控仪表的主从多机工作模式，以及在这种工作模式中，单片机与PC机的串行通信接口硬件设计、通信软件设计、PC机的界面设计特点及设计方法。这些优良的设计使得该系统在农业设施中推广成为可能。关键词农业设施通信测控仪AT89S8252单片机界面1．引言农业设施主要包括温室大棚、粮库、养鱼暖室及畜禽养殖舍等，以温室大棚的测控系统为例，国内现有的大多数系统是从国外引进的，这些系统一是价格昂贵，二是存在水土不服的问题。国内在温室的自动控制与智能化方面进行了有价值的研究，但研究的系统体系结构不合理，软件功能比较弱，可靠性不高，系统组态不灵活，不能适应温室自动化控制的要求[1]。另外，目前的设施需要操作人员亲自去看仪表盘或显示屏，给用户使用带来很大的不便[2]。针对这些情况，本课题组设计并研制了应用于农业设施群的多机测控系统。该系统中的测控仪（下位从机）硬软件都采取了模块化结构构成硬软件最小系统，用户可以根据实际情况，选用合理的硬软资源配置，从而实现高性能价格比。由于PC机的分析处理能力较强，处理速度更快，界面显示信息丰富，便于在中央监控室集中管理，所以上位主机采用PC机。2．农业设施测控仪表的设计与研究2．1硬件设计测控仪硬件结构框图如图1所示。本设计的一个显著特点是使用了高性能的单片机AT89S8252，它除了具有高性能价格比的单片机AT89C52所有性能外，它还有2KB的EEPROM和硬件“看门狗”[3]，前者对于仪表的标定是非常宝贵的资源，后者为系统的可靠运行进一步加大了保险系数。这两者使系统省下了原本需要扩展的硬件电路。为了提高性能价格比，在设计中最大限度地利用单片机本身四个I/O接口而不另扩展。此外，系统组成还有传感器、变送器、多路模拟开关4067、A/D转换器ICL7135、输入设备－键盘、由电子模拟开关4052倒换的数码显示器（LED）与485标准[4]的通信接口电路以及输出控制电路等。2．2软件设计该仪表的应用程序在结构上与硬件配置相适应，采用模块化结构。软件的重点和难点就在于主程序如何把不同的硬件配置的系统子程序协调组成完整的完成确定功能的系统测控程序。它主要由主程序、数据巡回采集及处理（包括控制）子程序、显示子程序、通信子程序（后面比较详细地介绍）、键盘扫描子程序及定时中断服务程序等组成[5]。正是本仪表的硬软件模块化结构这个特点使它被批量生产从而降低成本、商品化、得以推广。比如，用于较大型温室大棚，需要检测与控制的量有温度、湿度、土壤含水量[6]、二氧化碳含量四个参数，并且每个参数可多达4个检测点。以上这些传感器将被检测量转为类型、数量级各异的电信号，再经过各自的变送器转换为标准的0～2V电压信号，以便它们通过多路模拟开关4067共用一个A／D转换器，这大大简化了硬件结构，提高了可靠性，降低了成本。并不是每个系统都需检测与控制以上所有物理量，同一参量不同系统检测点数与控制点数也各不相2图1测控仪表结构框图Fig.1Structurediagramofmeasuringandcontrollingmeter同，可根据需要选择模板组合。再比如，一个养殖场，多功能检测仪表主要用于检测温度、二氧化碳含量，所以系统使用的传感器就是温度传感器和CO2传感器，再根据养殖场规模的大小，决定使用传感器的多少。如果只需检测而不需要控制，则可把图1中的挂在P0口上的插接件及外部设备摘下；如果设施较小，挂在模拟开关输入端的传感器与变送器也可减少。同时，此测控仪表有相对独立性，当它不与PC机通信或不存在农业设施群而只是为一个农业设施配置一台测控仪时，它能独立地担当测控任务。与PC机通信3．主从多机工作模式的设计与研究在农业设施群的测控系统中，采用上位机和下位机的主从工作方式[7]，由于PC机的分析处理能力较强，处理速度更快，所以主机采用PC机；而以AT89S8252单片机为核心的智能式测控仪表（从机）既能独立地完成数据处理和控制任务，又可将数据传送给PC机，PC机将这些数据处理、显示、报警或集中存储在硬盘上，或将各给定值及其它参数传送给各个智能式测控仪表（从机），以实现集中管理和最优控制。虽然本课题的农业设施群的测控系统是在温室大棚群中调试的，但是由于它（硬软件）模块化特点的缘故，也适应于不同类型的设施群。3.1PC机与单片机串行通信接口的设计图2为PC机与单片机通讯接口结构框图。PC机内一般都RS-232串行标准接口，但其所传送的距离不超过30m，而在农业设施群中，通信距离一般是较远的，所以本系统为PC机设计一个RS-485串行通信卡，从而实现由RS-232串行接口标准到RS-485串行接口标准的转换[8]。AT89S8252单片机具有一个全双工的串行口，该串行口加上驱动电路SN75176芯片可以实现RS-485串行通信，进行远距离传送。在发送和接收端都进行协议转换后，RS-485协议对数据传送来说是相对透明的，所以依然可以使用PC机中的RS-232串行接口进行远距离的数据传送和控制。4067图2PC机与单片机通讯接口结构框图Fig.2StructurediagramofcommunicateinterfacebetweenmicrocontrollerandthePC75176RXDP3.7TXDAT89S8252从机1RXDP3.7TXDAT89S8252从机n75176PC机RS-485串行通信卡键盘矩阵P2.4-7P1.0P1.1P1.2P0.0-7P1.3P1.47P1.5P1.6P1.7P2.0TXDP2.1P2.2P2.3RXDP3.3-6P3.2B1B2B4B8D1INHID2D3D4D5POLORURAT89S8252ICL7135光耦驱动控制柜，电磁阀IN0IN15ABCD传感器变送器传感器变送器Y0YX04052XY3ABX3LED显示485接口40673３.2单片机侧的通信编程AT89S8252单片机的串行端口有4种工作方式。其中，方式0主要用于外接移位寄存器，以扩展单片机的I/O电路；方式1主要用于双机之间或外设电路的通信；方式2、3除有方式1的功能外，还可用作多机通信，以构成多微机系统，方式2、3的区别在于波特率的不同[9]。本系统单片机AT89S8252的串行端口工作于方式3，由于中断方式能更大限度地提高资源的利用率，使CPU不进行数据通信时做其他的工作，所以本系统单片机按串口工作方式3下的中断方式编程，程序流程框图参见图3。其中：a)为发送流程图；b)为接收流程图。实验证明，以上通信程序可读性好、编写容易，并且使上位机和下位机的通信变得直观、简单，而数据传输准确。3．3PC机的程序设计PC机采用VisualBasic(简称VB)编程[10]。目前，VB已成为WINDOWS系统开发的主要语言之一，以其高效、简单易学及功能强大的特点越来越为广大程序设计人员及用户所青睐。VB支持面向对象的程序设计，具有结构化的事件驱动编程模式，提供了可视化设计工具，开发人员不必为界面设计而编写大量程序代码，只需要按设计要求的屏幕布局，用系统提供的工具，在屏幕上画出各种“部件”，即图形对象，并设置这些图形对象的属性，VisualBasic便自动产生界面设计代码，从而可以十分简便地作出良好的人机界面，并通过串行口将所需的各种予置信号(数字信号)传给单片机系统，再由单片机系统经线性光电隔离器送到现场。予置数值可以分别显示在PC机软件窗口和单片机系统的予置数字表头上。同时，现场实测信号，也可以实时显示在本系统的检测数字表头上和PC机的界面上。如此设计界面直观，而且利于对现场信号进行实时监测与声光报警。采用本系统，对实验操作人员来说人机界面良好，简单易懂。44．．应应用用实实例例及及效效果果本系统已经通过了技术鉴定，其主要技术指标达国际先进水平，并以其结构简单、价格（是进口同规格产品价格的二分之一左右）低廉、组态灵活、节省能量等显著特点在唐山、秦皇岛地区得到一定范围的推广应用。为了提高检测精度和可靠性，在仪表（从机）硬件设计中，对传感器、变送器、A/D转换器、接地都做了精心设计与处理[11]；在软件设计中，采用了数字滤波与软件看门狗技术[12]。这些硬软件措施，使得系统具有较高的技术指标：测量范围：温度：－10℃～50℃湿度：20RH～95RH土壤含水量：1～45CO2含量：100PPM～3000PPM分辨率：温度：0.1℃湿度：0.1RH土壤含水量：0.1CO2含量：1PPM测量误差：温度：0.3℃湿度：3土壤含水量：3CO2含量：30PPM控制误差：温度：1℃湿度：4土壤含水量：5在农业设施群中，通过多机通信技术，用一台PC机实现了集中收集信息、显示、报警、控制各个设施中的测控仪表的主从多机工作模式，从而大大提高了农业设施群管理工作的自动化程度。参考文献中断开始保护现场CLRP3.7处于发送状态写SBUF发送完毕?关闭发送控制ETBP3.7清TI位恢复现场中断返回中断开始保护现场SETBP3.7打开接收控制读SBUF接收完毕?关闭接收控制CLRP3.7，清RI位恢复现场中断返回a)数据发送流程图b)数据接受流程图图3单片机与PC机串行通讯中断流程图Fig.3InterruptionflowchartofserialcommunicatebetweenmicrocontrollerandthePCYYNN4[1]齐文新、周学文，分布式智能型温室计算机控制系统的一种设计与实现[J].农业工程学报,2004(1).246～249.[2]金博、乔晓军、王成等，温室环境信息语言提示系统的设计与实现[J].农业工程学报,2004(3).209～211.[3]余永权.ATMEL89系列单片机应用技术[M]．北京：北京航天航空大学出版社，2002，7，31～35.[4]李华等，MCS－51系列单片机实用接口技术[M]．北京：北京航天航空大学出版社，1999，4．499～509.[5]陈伟人．MCS－51系列单片机实用子程序集锦[M]．清华大学出版社，1993，3．101～125.[6]杨正旺，金一锷.农业气象仪表原理[M]．北京：农业出版社，1989，5．114～115[7]曹保根．一主从式RS485应用系统的设计与调试[J]．电子技术，2000（2）．44～46[8]张毅刚、彭喜源、谭晓均、曲春波MCS-51单片机应用设计[M]哈尔滨工业大学出版社2001.1.234～248[9]胡乾斌、李光斌、李玲、甘锡英单片微型计算机原理与应用[M]华中理工大学出版社1998.10.179～196[10]谭浩强，薛淑斌，袁玫VisualBasic程序设计[M]．清华大学出版社，2000，7.3～299[11]刘迎春，叶湘摈．传感器原理设计与应用[M]．国防科技大学出版社，，2002，7，300～336.[12]潘潘新新民民，，王王燕燕芳芳..单单片片微微型型计计算算机机系系统统设设计计[M]．．北北京京：：人人民民邮邮电电出出版版社社，，11999933，，447711～447755DESIGNANDSTUDYOFMEASURINGANDCONTROLLINGSYSTEMFORAGRICULTURALESTABLISHMENTMASSLiuShiguang1,MaJiwei1,ShiRuizhen1,LiuJianmin2,WangJianfeng1（1HebeiNormalUniversityofScienceandTechnologyQinhuang