基于51單片機(jī)的溫室測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)是溫室群的監(jiān)控系統(tǒng)，它是由多臺(tái)前沿機(jī)和主控機(jī)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)組成的。因此系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)視、環(huán)境控制等都是通過網(wǎng)絡(luò)通信來實(shí)現(xiàn)的。所以，前沿機(jī)的通信電路是系統(tǒng)重要組成部分。

　　溫室群環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求不高，傳輸?shù)男畔⒘恳膊惶?，因此串行異步通訊可以滿足其通訊需求，并且具有線路簡單，易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)采異步通訊。溫室群環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)要求遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳送，對(duì)數(shù)據(jù)傳送速率要求不太高并要有一定的抗干擾能力，因此RS-422最適合系統(tǒng)的要求。適當(dāng)降低傳輸速率，如9600bit／s，可以使傳送距離達(dá)到1200m以上，完全滿足系統(tǒng)要求。主控機(jī)口通信采用主機(jī)板上空閑的標(biāo)準(zhǔn)25芯COM2 口，進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換后掛接RS-422總線。使用這種轉(zhuǎn)換器時(shí)可以使用與RS-232相同的通訊軟件而無需進(jìn)行修改。其引腳定義如表8所列。

　　本系統(tǒng)采用RS-422與TTL電平轉(zhuǎn)換常用芯片：傳輸線驅(qū)動(dòng)器SN75174；傳輸線接收器SN75175，SN75174是一具有三態(tài)輸出的單片四差分線驅(qū)動(dòng)器。SN75175是具有三態(tài)輸山的單片四差分接收器。它們的設(shè)計(jì)符合EIA標(biāo)準(zhǔn)RS-422規(guī)范，適用于噪聲環(huán)境中總線線路較長的多點(diǎn)傳輸。芯片采用+5V電源，與其他芯片一致。通信線路采用標(biāo)準(zhǔn)RS-422九芯插接件。電路如圖5所示。

　　2.7 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)

　　本系統(tǒng)采用總線型監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。總線型拓樸結(jié)構(gòu)如圖6所示。在總線型控制網(wǎng)絡(luò)中，主控站通過總線來訪問各個(gè)前沿機(jī)。只有主控站有權(quán)控制總線，而各前沿機(jī)則不可以，并且各個(gè)前沿機(jī)之間不能直接進(jìn)行通信。這種拓樸結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：數(shù)字化的數(shù)據(jù)通過串行輸入／輸出總線進(jìn)行傳送；通訊協(xié)議采用RS232，RS422，RS485等；系統(tǒng)擴(kuò)展較為靈活：通信速率較低。

　　2.8 44780顯示模塊

　　本系統(tǒng)采用44780驅(qū)動(dòng)的LCD，HD44780(KS0062)是用低功耗CMOS技術(shù)制造的大規(guī)模點(diǎn)陣LCD控制器(兼帶驅(qū)動(dòng)器)，和4bit／8bit微處理器相連，它能使點(diǎn)陣LCD顯示大小寫英文字母、數(shù)字和符號(hào)等豐富的信息，同時(shí)有較強(qiáng)的通用性應(yīng)用，使用方便，用戶能用少量元件就可組成一個(gè)完整點(diǎn)陣LCD系統(tǒng)，送入相關(guān)的數(shù)據(jù)和指令即可實(shí)現(xiàn)所需的顯示。

　　44780顯示模塊有8條數(shù)據(jù)線，3條控制線，可與微處理器或微控制器相連，通過送入數(shù)據(jù)和指令，就可使模塊正常工作，44780顯示模塊和89C51單片機(jī)連接電路如圖7所示。

　　2.9 抗干擾設(shè)計(jì)

　　在微機(jī)測控系統(tǒng)中，系統(tǒng)抗干擾性能的好壞直接影響到整個(gè)系統(tǒng)工作的可靠性與安全性。因此，抗干擾設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)主要內(nèi)容，本系統(tǒng)采用的是由硬件和軟件相結(jié)合的抗干擾措施。

　　2.9.1 系統(tǒng)硬件抗干擾設(shè)計(jì)

　　(1) 濾波技術(shù)

　　將電源變壓器的進(jìn)線段加入濾波器，以消弱瞬變噪聲干擾；在直流電源線和地線之間接濾波電容，以抑制電源噪聲。

　　(2) 去耦電路

　　存印刷電路板的各個(gè)集成電路的電源線端與地線端之間配置去耦電容。

　　(3) 屏蔽技術(shù)

　　屏蔽技術(shù)主要由電場屏蔽，電磁場屏蔽和磁場屏蔽三類，本系統(tǒng)是電場和電磁場
屏蔽的方法。主要使用低電阻材料作為屏蔽材料，把需要隔離的部分保衛(wèi)起來。磁場屏蔽則應(yīng)采用高導(dǎo)磁率的材料。

　　(4) 光電隔離：

　　再I／O通道上采用光電隔離器，將單片機(jī)系統(tǒng)與各種傳感器、開關(guān)從電器上隔離開來，很大一部分干擾可被阻擋

　　2.9.2系統(tǒng)軟件抗干擾設(shè)計(jì)

　　對(duì)于微機(jī)測控系統(tǒng)，僅僅考慮硬件的抗干擾是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，采取一定的軟件抗干擾措施非常必要，它不儀能降低系統(tǒng)的硬件成本，又可以充分發(fā)揮軟件的優(yōu)勢，使系統(tǒng)具有自我診斷，自我恢復(fù)的能力。本系統(tǒng)采用的軟件抗干擾措施主要有以下幾種：

　　(1) 數(shù)字濾波技術(shù)，采用數(shù)字濾波技術(shù)除去輸入信號(hào)中所摻雜的各種隨機(jī)干擾。 (2) 軟件陷阱技術(shù)，當(dāng)系統(tǒng)受劍干擾，PC值發(fā)生變化，程序亂飛等情況，可以用軟件陷阱和看門狗將程序拉回到復(fù)位狀態(tài)。具體的講，可以在RAM中埋一些標(biāo)志，在每次程序復(fù)位時(shí)，通過這些標(biāo)志，可以判斷復(fù)位原因并根據(jù)不同的標(biāo)志直接跳到相應(yīng)的程序。這樣可以使程序運(yùn)行有連續(xù)性，用戶在使用時(shí)也不易察覺到程序被重新復(fù)位過。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)軟件主要由主程序、中斷子程序、數(shù)據(jù)采集與A／D轉(zhuǎn)換子程序、顯示子程序、報(bào)警子程序等六大模塊組成，因?yàn)镃語言編寫的軟件易于實(shí)現(xiàn)模塊化，生成的機(jī)器代碼質(zhì)量高、可讀性強(qiáng)、移植好，所以本系統(tǒng)的軟件采用C語言編寫，再KeilVision3 Demo版本的集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行編譯連接。

　　3.1 主程序設(shè)計(jì)

　　主程序主要完成硬件初始化、子程序調(diào)用等功能，主程序流程圖如圖8所示。

　　3.2 數(shù)據(jù)采集子程序設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集與A／D轉(zhuǎn)換子程序根據(jù)輸入?yún)?shù)對(duì)相應(yīng)的模擬信號(hào)進(jìn)行采樣、量化及處理，并將相應(yīng)信號(hào)的數(shù)值返回主程序。

　　3.3 顯示子程序設(shè)計(jì)

　　顯示子程序完成符號(hào)、數(shù)值的顯示輸出。

　　3.4 報(bào)警子程序

　　主要實(shí)現(xiàn)異常情況下控制告警信號(hào)輸山。如當(dāng)室內(nèi)溫度升高到某一點(diǎn)時(shí)，或濕度低于某一規(guī)定值時(shí)，音頻報(bào)警裝置會(huì)發(fā)出不同頻率的告警信號(hào)，同時(shí)相應(yīng)的指示燈亮(點(diǎn)亮報(bào)警指示燈的任務(wù)由顯示子程序來完成)，以引起工作人員的主意。

　　4 仿真與調(diào)試

　　4.1 仿真器選擇

　　本系統(tǒng)選用ME-52單片機(jī)仿真開發(fā)系統(tǒng)，它實(shí)時(shí)仿真頻率高達(dá)33MHz，提供2～24MHz的時(shí)鐘信號(hào)。同時(shí)它提供64KB程序代碼存儲(chǔ)器，支持仿真所有程序和數(shù)據(jù)地地址空間，支持Franklin V3.XX／Keil 6.xx編譯連接工具。具有分別獨(dú)立控制項(xiàng)目文件的項(xiàng)目管理器。另外具有VC++風(fēng)格的窗口駐留，窗口動(dòng)態(tài)切分和工作簿模式窗口界面。

　　4.2 仿真調(diào)試

　　在仿真調(diào)試階段，采用自底向上逐步集成的策略，逐模塊進(jìn)行仿真測試，在此基礎(chǔ)上逐步集成。譬如可先仿真顯示模塊、測溫子模塊、測濕度子模塊等，然后將仿真成功的模塊逐個(gè)加入主程序進(jìn)行仿真，在仿真過程中發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，采用分塊壓縮策略，快速找到并改正錯(cuò)誤；注意在集成過程中出現(xiàn)問題，大多是由于模塊間資源使用沖突引起的。當(dāng)軟件模塊仿真成功后，可與硬件一起進(jìn)行在線仿真，此時(shí)在調(diào)試中出現(xiàn)的問題大多是由于連接線連接錯(cuò)誤、虛焊、布線不合理等原因造成的。 隨著電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，智能溫室控制必將成為一種發(fā)展趨勢，文中提出利用51單片機(jī)和新型傳感器對(duì)溫室環(huán)境進(jìn)行測試，目前原型機(jī)己取得成功。調(diào)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)可靠性高、使用方便，下一步將住此基礎(chǔ)上開發(fā)控制系統(tǒng)，給用戶提供更大的方便。