温室大棚光照度的采集和实时显示系统设计

　　引言

　　温室大棚技术是近年来逐步发展起来的一种资源节约型高效设施农业技术，它突破了传统农业种植受地域、季节、气候、自然环境等因素的限制，为农业提供了适宜生长的环境。而光照作为植物生长的三大要素之一，是农作物制造养分的必要条件，也是形成温室小气候的主导因素。因此，使用光照度计对温室大棚的光照度进行测量是十分重要的。

　　1 系统组成

　　温室大棚数字光照度计系统分为 3 个部分( 见图1) ，包括数据采集部分、微处理器控制部分和通信部分。采集部分采用两个 S1087 型硅光电池组成差动结构，经过前置放大电路和程控差分放大电路的调理，实现光照数据的采集。在微处理器的控制部分，以 MSP430F149 作为控制核心，将采集到的光照数据进行 A/D 转换，然后根据所得的采样值控制模拟多路开关，以达到量程自动切换的目的，并可将光照度信息存储和实时显示。同时，将测量的光照值与阈值比较，当光照度超过设定的阈值时，采取相应的遮阳和补光处理。通信部分的 GSM 模块，当光照度值不在设定范围内时实现短信报警。

　　2 硬件系统设计
　　
　　微控制器是系统的核心，控制着整个系统各个模块的工作，所以微控制器的选择在本设计中至关重要。MSP430F149 是一款 16 位的超低功耗单片机，具有 12 位的数模转换器( ADC12) ; 拥有大容量的存储空间，包括多达 60K Flash ＲOM 和2K ＲAM ; 两通道的串行通信接口，可以满足 GPS、GSM 工作的需要。【图1】

　　
　　2． 1 电源转换电路

　　由于 GSM 模块工作电压高于单片机 MSP430F149和 GPS 模块所需电压值 3． 3V，故该装置需要两路电源转换电路。两路电路采用了可调整开关型降压稳压芯片 LM2576、KA78Ｒ05 及高效线性电源转换芯片 ASM1117－3． 3。其中，一路将12V 的电压通过芯片LM2576 转换成 3． 6 V 电压，供给 GSM 模块。这里 C2用作对12V 输入电源滤波，因为 LM2576 为开关电源，需要电容和电感做储能元件，利用其进行充放电，并通过改变占空比来改变充放电时间，实现输出电压的改变。D1、L1、C5 的功能是进行充放电，并依据芯片Datasheet 选择参考值，Ｒ1、Ｒ2 是两个分压电阻，送回Feedback 端，其分压决定了 Vout 的大小; C3、C4 电容起滤波作用。另一路先通过 KA78Ｒ05 把 12V 电压转为 5 V 电压，再经 ASM1117 降压至 3． 3 V 电压供给主控制器及 GPS 模块。KA78Ｒ05 是一款输出 5V 的低压差稳压集成芯片，最大压差为 0． 5V，输出精度为( 5±0． 12) V。C6 的作用是消减电源中的噪声，C8、C9 一大一小两个电容对输出+5V 电压滤波，提供稳定的+5V 电源。电源转换电路如图 2 所示。其中，V12 为12V 电压，VTC 为 GSM 模块供给电压。

　　2． 2 光电传感器探头的设计方法

　　差分式光照度计设计电路如图 3 所示。【图2-3略】
　　
　　2． 2． 1 信号的处理和转换

　　通常由光电探头获得的测量信号非常微弱，不能直接使用，需要对信号进行放大、滤波和数字化等工作。因为光电池的短路电流与光照度成正比，所以在本文设计电路时，选用电流放大器进行设计。放大电路放大光电信号的同时也把输入端的噪声进行放大，而且放大器本身也存在噪声。因此，还需要进行滤波处理抑制噪声，通常有硬件滤波和软件滤波，从而减小误差，提高测量精度; 经放大、滤波等处理后的信号仍是模拟信号，还需要 A/D 转换后，才能送入单片机处理。

　　2． 2． 2 差分式光照度测量

　　常用的光照度计是由 1 只光电池组成，通常因光照度的时间很短，不会引起光电池温度明显升高，光电池的温漂可以忽略。但是，本课题研究的用于温室大棚光照度的监测与控制，作为光电传感器的光电池需要长期暴露在阳光下，光电池自身温度的变化会严重影响它的光电特性，产生温漂。因此，温度漂移将成为测量误差的重要原因之一。

　　为了克服光电池的温漂，增大共模抑制比，提高测量精度，本文在光照度传感器探头的设计时采用了两只光电性能相同的光电池，组成差动结构，如图 3的 U4 所示。其中，探头包括 2 个 S1087 光电池、滤光片、平面状余弦校正器。光电池 1 作为光电传感器，接受光照; 光电池2 作为光电池 1 的补偿器，处于遮光状态，但光电池 1 和光电池 2 同时安装于同一块均温槽上。当温度发生变化时，两只光电池的温度同时变化，所产生的温漂也相同。光电池的光电流经过电流/电压转换电路，输出的信号进入差分放大器进行差分放大。差分电路对由于光照产生的差模信号有很强大的放大作用，而对由于温漂产生的共模信号有很强大抑制作用。由于本设计采用了差分结构，提高了电路的抗干扰能力和共模抑制比，保证了系统的测量精度。经差分放大器放大的光照信号经过 P5． 5 送入单片机进行数据处理，实现了光照度的自动控制。

　　2． 2． 3 程控增益差分放大电路的设计

　　本文光电传感器探头输出的电路电流信号，经前置放大后变成电压信号，一路是放大光照和噪声信号，另一路仅是放大噪声信号，将这两路电压信号相减就可提取需要的光照信号，因此设计了一个差分电路( 减法器) 。另外，被测光照变化范围较大，经前置放大后，模拟电压范围仍然较大，如果直接经 A/D 转换，小信号将得不到有效的放大，从而影响了整个系统的精度。因为，本文采用了这样的策略，对于小信号采用高放大倍数、对于大信号采用低放大倍数。实现方式: 根据未知输入参数的范围，自动选择合适的放大倍数，以切换到合适的量程，及在前置放大电路后设置一个程控增益放大器，借助多路模拟开关，由单片机控制其通断，以获取所需的量程。程控差分放大电路主要由可编程仪表放大器、模拟多路开关和MSP430F149 单片机组成。前置放大电路输出的信号经差分电路后将光照度信号放大，后送单片机进行 A/D 转换和处理，再通过单片机的 P5 口控制模拟多路开关的通断来选择放大的倍数，从而实现自动换挡和光照度的换算。V = K＇E ，K＇ = kGＲFS 。其中，k为光电探头修正系数，G 为差分放大器的放大倍数，ＲF为前置放大电路的反馈电阻，S 为 S1087 的光电灵敏度。

　　由于可见光的对应光照度范围很大，所以经 S1087 换成光电流范围也很大，而单片机能采集到的满量程电压为 3． 3V，因而设计了对应的量程挡，如表 1 所示。【表1】
　　

　　本文选用仪表放大器时考虑到的因素有: 系统是单电源供电的，选用单电源供电的芯片: 输入电压大; 共模抑制比高; 高输入阻抗; 增益可变且范围大; 保证 0 输入 0 输出等。在设计时综合考虑上述因素并通过多款仪表放大器的比较，最后选用 AMP04 来实现差分和程控放大功能。

　　图3 中的仪用放大器 AMP04 可以通过改变外部电阻 Ｒ 的值来得到不同的增益，增益值 G =100kΩ/Ｒ。输出电压 Vout= ( VIN+－VIN－) ×G。为了提高测量精度，选择4 个精密精度为 0． 1% 的金属膜电阻，分别是 100kΩ、10kΩ、1kΩ、100Ω。当 P5 = 00H 时，模拟多路开关都断开时，1 脚和 8 脚之间只有一个 100kΩ 电阻，G =1; 当P5 = 01H 时，S1 闭合，则 1 脚和 8 脚之间的电阻 ＲG=10kΩ / / ( 100kΩ+ＲW) ，若没有电位器 ＲW，则 ＲG＜10kΩ及 G＞10。要使增益变小有两种方法: 一种是通过不断地换电阻来使增益达到 10; 另外一种就是加精密电位器进行微调电阻值，使增益等于 10。第 1 种方法比较繁琐，在实际中很少用到，所以本文采用精密电阻和电位器串联的方法，通过调节对应的电位器来保证增益为 1、10、100、1 000。TS3A47 是 TI 公司的单电源低电压的四路常开单刀单置模拟开关，本文选用了其中三路模拟开关通道 1 到通道 3，其数字逻辑控制输入端IN1、IN2、IN3 分别与单片机的 P5． O、P5． 1、P5． 2 相连，P5 口对应的编码为 00H、01H、02H、04H，从而来自动切换系统的量程。因为数字逻辑控制输入口是 CMOS电平控制输入引脚，所以另一路闲置的模拟开关的 IN4需要接地。

　　2． 3 光照度控制电路

　　光照度控制电路如图 4 所示。光照度低于设定值，P0． 6 输出高电平，反向后为低电平; 固态继电器SSＲ 交流触电接通，交流触电线圈得电，接通遮盖电机。温室大棚遮盖打开，提高大棚光照，反之亦然。【图4】

　　2． 4 GPS 和 GSM 短信息服务模块

　　GSM 短信息模块是由新版西门子工业级 TC35I模块和 SIM 卡组成的，在该装置中负责收发户主短信息并通过串行口与主控制器通信。GPS 模块采用了瑞士公司的 NEO－6Q 芯片，可以实现年、月、日、时、分，秒进行精确计时同时可对温室大棚进行精确定位。另外添加的温度、光照度报警电路，如图 5 所示。【图5 略】
　　
　　3 系统软件设计
　　
　　软件设计采用的是模块化思想，本系统采用 C 程序软件开发平台 IAＲ Embedded Workbench，给程序的修改和调试带来了很大的方便。

　　3． 1 主程序流程图

　　系统上电后，主要包括单片机 I/O 端口和各个模块的初始化，设置光照度的适宜值，调用光照度采集子程序，以及数据处理子程序，按键控制子程序和 GPS子程序如图 6 所示。光照度下线设定为 100lx，上线设定为 2 000×102lx。【图6略】

　　3． 2 程控差分放大的调试

　　程控差分放大的调试是系统调试的关键之一，它关系到整个系统的测量精度。具体调试步骤: ①用两路电压在 0 ～ 3． 3V 之间连续可调的电路，一路电压V1 输入到差分放大器的同相端，另一路电压 V2 输入到反相端。②通过编程，给单片机 P5 口输出固定的值，控制模拟多路开关，选择差分放大器的放大倍数。

　　③放大的电压经 P5． 5 进行 A/D，并通过液晶 1: 1 的显示出来。④调节对应的电位器，使液晶显示出来的电压=( V1－V2) ×对应放大倍数。在调试过程中需要注意的是: 系统工作在正电压，所以要保证 V1－V2≥0，即 V1≥ V2。差分放大器的放大倍数 G 分别为 1、10、100、1 000 倍，记录的测试数据如表 2 所示。【表2】

　　
　　其中，V12 = V1－V2 是用万用电表测出，VLCD为液晶显示的电压，G1 为实际放大倍数。从表 2 可知，时间放大倍数 G’基本符合系统的设计。但是当 G =1 000时，不能保证 0 输入 0 输出，需要在软件中进行修正。修正方法: 每次采样值减去在 V12 = 0 的采样值。修正之后的测量数据如表 3 所示，明显比修正前的相对误差小得。

　　3． 3 实验结果分析

　　为了验证系统的性能，将调试好的系统安装在南京林业大学风景园林学院温室大棚中测试，在 2013年 8 月 20 日 9: 00－18: 00 约每隔 1h 进行一次数据采集实验。实验室采集具体过程: 按照系统设计连接好系统各模块，并将光照度采集探头固定在温室大棚内，然后启动电源，将温室内照度实时显示出来并定时存储。同时，每隔 1h 有人工测量温室大棚内的光照度作为参考，测量仪器为 TES－1332A 数字式照度计。经试验，可得到如表 4 所示的试验结果及误差分析。为了测试报警电路的性能和 GSM 模块的通信，人为地制造高温或者高强度光照试验结果发现报警电路正常，用户手机可以收到报警短信，证明 GSM 模块通信正常。【表3】

　　
　　4 结论

　　本系统实现了对温室大棚的光照度采集和实时显示，以及自动调节功能，结合目前已经发展成熟的GSM、GPS 网络通信技术，实现了温室环境的远程监控。本文利用 MSP430 单片机内部的 ADC 进行采样，简化了系统电路的设计。试验结果证明，本系统可以达到当初的设计要求，具有比较高的可靠性及稳定性。目前系统只以光照度为测控对象，而实际的温室环境是一个多参数的复杂环境，并且多个环境因子相互影响。系统在设计之前，为方便后续功能的扩展和开发，无论在硬件电路还是软件程序的设计上，都采用了模块化的设计思路。在未来的研究中，可以设计对温室温度、湿度、二氧化碳等环境因子的采集电路和相应的程序，将本系统完善成一个智能多参数环境的测控系统。

　　参考文献:

　　［1］ 许安祥． 我国温室农业的发展现状与趋势［J］． 排水灌溉，2000( 1) : 4－5．
　　［2］ 李彬． 基于 MSP430F149 的最小系统设计［J］． 应用天地，2009( 12) : 74－76．
　　［3］ 郭培源，付扬． 光电检测技术与应用［M］． 北京: 中国计量出版社，2003: 180－190．
　　［4］ 张乐峰，张鼎． 运算放大器应用技术手册［K］． 北京: 人民邮电出版社，2009: 200－220．