基于C8051F023便携式水稻生长环境参数记录仪的设计

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摘 要：针对如何实现水稻生长环境参数采集的问题，设计了以单片机C8051F023和无线收发模块nRF24L01为核心的便携式收发系统。系统开机由液晶显示器HTG240160C显示待机画面、当前时间，键盘选择“设置”、“选项”、“检测”、“通讯”功能菜单，完成相应的菜单功能。实验测试表明：利用该系统完成的水稻生长环境参数采集，结构简单、可靠，操作方便，易于掌握。

关键词：水稻生长 无线收发 参数采集 设计

中图分类号：TP368.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）05（a）-0138-02

我国是水稻生产大国，随着我国近几年水稻种植面积逐年扩大，优质但抗病性差的水稻品种面积增加，使水稻生产中的重要病害之一稻瘟病在水稻种植区中大面积流行。影响稻瘟病流行的气象因素，最主要的是温度和湿度，其次是光和风。目前的水稻生长环境参数采集形式单一，其中最常用的方法是水稻田间管理人员手工记录温度、湿度等传感器的数据，录入计算机软件系统，通过软件系统的运算，实现水稻生长环境数据的模拟和方针[1]。这种方式实时性差，误差率高，很难做到监控系统与现场环境的“无缝”连接。基于传统参数采集方式的弊端，在水稻生长田间架设工作站，集合各种参数采集传感器，利用无线通讯装置，实时发送各种参数数据，由监控室的上位机软件接收。上位机软件实现各种数据的分析和计算，预警水稻稻瘟病的发生几率，保证水稻的稳产增收[2]。此外，系统设置了便携式的参数采集记录仪，田间管理人员可以手持记录仪在田间工作站，现场对数据进行无线采集、存储、形成曲线，也可利用USB接口上传至上位机。

1 系统的设计方案

如图1所示为水稻生长环境参数采集系统的总体设计方案框图，系统包括三大部分，水稻田间工作站的参数采集系统、手持便携式记录仪接收系统和上位机软件管理系统。

工作站参数采集分为两部分，温、湿度采集系统和风速、风向、光照参数采集系统，这些参数的采集都是通过各自的数字式传感器完成的，这里温、湿度采集系统为主系统，其他参数均集中到主系统，完成数据包的打包，发送。手持便携式记录仪能够实现对工作站集中的参数进行无线接收，并显示、存储。上位机软件管理系统通过GPRS网络和USB接口两种方式进行数据的接收，由相应的软件实现各种参数的实时显示、计算、模拟仿真和与internet进行数据传输[3]。

2 系统的硬件设计

2.1 记录仪键盘功能介绍

键盘是仪器仪表非常重要的组成部分，通过对键盘的操作，完成一些特定的功能。手持便携式记录仪开机待机状态显示一幅图形界面，显示当前的时间，此外还显示当前电池的容量。记录仪键盘包括⑴方向键：完成显示器显示条款上、下、左、右的选择和调整；⑵功能键：实现记录仪的测试、存储、查询等各种功能的选择；⑶设置键：完成时间、水稻格田序号、水稻种类、采集参数类别等设置；⑷通讯键：完成记录仪与上位机的数据传输，通过无线通讯模块或USB口把数据传到上位机软件系统中，实现数据的存储、分析和打印的功能；⑸帮助键：通过该键盘显示联系方式，以便有问题与开发者及时沟通；⑹开关键：完成仪表的开机、关机功能，并有指示灯的亮、灭，表示电源开关键的状态[4]。

2.2 系统部分硬件电路原理图

记录仪系统的硬件电路主要包括c8051f023单片机、HTG240160C液晶显示器、nRF24L01无线收发模块、PCF8563日历时钟芯片、AT24C512数据存储器、CH341AUSB转接芯片、键盘电路、JTAG接口等。因为系统电路图很复杂，这里仅给出部分主要电路的原理图。

3 系统的软件设计

3.1 主程序流程图

主程序模块主要完成系统各部分初始化和实现各功能子程序的调用，以及实际检测中各功能模块的协调在无键盘中断申请时，单片机通过循环对数据进行显示和发送。

现场工作站与手持式记录仪均是以单片机为核心的数据处理系统，手持式记录仪软件主程序流程图如图2所示。

系统开机首先清除内存，显示待机画面，包括欢迎界面、当前时间、“选项”和“检测”提示行、电池容量；然后程序一直等待按键，当有按键被触发时，程序调用对应的按键子程序，完成水稻生长环境各种参数的采集、系统时间设定、环境参数上传、参数查询等特定的功能，当进入相应的按键功能后，若用户还对键盘操作，则还可实现深层次的功能[5]。

3.2 无线收发芯片nRF24L01的软件设计

手持便携式接收记录仪通过无线收发芯片nRF24L01实现近距离的数据传输，nRF24L01是真正的GFSK单收发芯片、内置链路层，具有自动应答及自动重发功能，数据传输率为1或2 Mbps，125个可选工作频道，很短的频道切换时间可用于跳频，可接受5V电平的输入。水稻田间管理人员通过无线模块进行现场各种数据采集、存储、分析、发送、接收等功能。通过单片机C8051F023对芯片nRF24L01的通道个数、工作模式、发送和接收数据包的格式等进行设置，程序设计中采用模块化的程序设计思路，主要包括初始化程序、接收数据程序和发送数据程序等[6]。

单片机C8051F023通过SPI接口对nRF24L01进行读、写操作，SPI接口是在CPU和低速器件之间进行同步串行数据传输，在主器件的移位脉冲下，数据按位传输，高位在前，低位在后，为全双工通信，数据传输速度总体来说比I2C总线要快，速度可达到几Mbps。C8051F023通过SPI接口完成指令和寄存器的配置，水稻生长环境的各种参数也是由SPI接口完成的无线收发，在程序设计中光照、温湿度、酸碱度等都被单片机转换成二进制的数值进行运算和传送。

3.3 记录仪电池容量检测程序设计

硬件系统供电电源采用可充电的锂电池，锂电池输出电压会随着其能量的减少而下降，为避免电池能量过低而造成系统无法正常工作，系统设计能够显示自身的电池容量。由单片机C8051F023的AIN0.6引脚作为电源电压采集输入端，由于锂电池的电压要高于单片机所能承受的电压范围，所以硬件设计中采用电阻分压来降低锂电池的电压，分压后被单片机采集的电压值与锂电池电压具有一定的比例关系，软件设计时要将电压值换算成电池容量数据，加以显示[7]。

电源电压容量的检测程序如下[8]：

uchar ADC0_data（void）

{

uchar d；

uchar a，b；

ADC0CF = 0x28； //增益 = 1；转换时钟周期（11.0592/2）Mhz

REF0CN = 0x0b； //外部基准电压开启

AMX0CF = 0x00； //为独立的单端输入

AMX0SL = 0x06； //通道选择AIN0.6

AD0LJST = 0； //ADC0H：ADC0L 寄存器数据右对齐。

AD0EN = 1； //ADC0 使能

AD0INT = 0； //ADC0 转换结束中断标志

AD0BUSY = 1；

while（！AD0INT）；

b=ADC0L；

a=ADC0H；

d=（a*255+b-821）/5；//将电池容量转换成0-39之间的数

return d；

4 结语

介绍的便携式水稻生长环境参数采集系统，以单片机C8051F023和无线收发模块nRF24L01核心，完成了水稻温、湿度、风速、光照等数据的无线收发。若对系统进行适当扩展，还可实现对水稻格田水位、水稻格田进水流量、水稻格田出水流量、降雨量等数据进行传输。若对系统进行升级，增加硬件成本和改进软件程序设计，还可实现图像采集、视频系统和入语音系统，监控中心可以随时观察水稻格田周围的情况，对经过水稻格田的动物和人给予提示、警告。

参考文献

[1] 王玉梅.北方寒地水稻病虫害无公害综合防治技术[J]，植物保护，2007（2）： 69-73.

[2] 黄春艳，朱传楹，张增敏，等.北方寒地稻区稻瘟病预测预报研究[J].中国农学报，1998，14（5）：27-29.

[3] 赵自君.黑龙江省水稻主产区稻瘟病流行情况气候区划及预测预报模型的研究[D].大庆：黑龙江八一农垦大学，2008.

[4] 崔秋丽.基于单片机的植物生长环境监控系统设计[J].内江科技，2012，11： 157.

[5] 张涛，王金岗.单片机原理与接口技术[M].北京：冶金工业出版社，2007.

[6] 吴叶兰，黄伟平.一种基于USB总线的单片机最小系统设计[J].中国现代教育设备，2009（13）：30-31.

[7] 苗文山，李铁鹰.基于GPRS技术的远程电能表抄表系统的设计[J].机械工程与自动化，2008（4）：206-210.

[8] 童长飞.C8051F系列单片机开发与C语言编程[M].北京：航空航天大学出版社，2005.