農作物生長信息采集管理系統設計

摘要：隨著自動化技術在農業生產中廣泛應用，精細農業也成為農業科技發展的主流。及時、準確地采集農作物生長信息并進行及時處理，對于提高農作物質量、降低生產成本、縮短生產周期十分重要。用傳感器采集農作物的生長信息，通過運算放大器進行信號處理，再應用單片機對數據進行記錄、比較分析并發出管理指令，最后由執行電路進行相應操作。本設計電路簡單、測量準確、模塊化便于增加和改進、成本低廉、可用于多種農作物生產。

關鍵詞：測量;自動化;生長信息;作物管理

中圖分類號：TP29

文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）04-0228-03

收稿日期：2019-11-21

作者簡介：彭雪峰（1963—），男，遼寧彰武人，本科學歷，畢業于哈爾濱科學技術大學，理學學士學位，副教授，教師，研究方向為電子

技術傳感器應用，所學專業：應用物理，從事專業：電子技術。

Design of Crop Growth Information Collection and Management System

PENG Xue·-feng

（Information Electronic Technology College，Jiamusi University，Jiamusi 154007，China）

Abstract：With the wide application of automation technology in agricultural production，fine agriculture has also become the main-stream of agricultural science and technology development.The timely and accurate collection and processing of crop growth information is very important for improving crop quality，reducing production costs and shortening production cycles.The sensor is used to collect the growth information of crops，signal processing is carried out through operational amplifiers，and the data is recorded，compared and analyzed by a single chip microcomputer，and management instructions are issued.Finally，the corresponding operation is performed by the execution circuit.The design circuit is simple，accurate，modular，easy to increase and improve，low cost，and can be used fora variety of crops.

Key words：Measurement;Automation;Growth information;Crop management

在我國北方冬季里，由于溫度低，農作物不能生長，大量土地閑置。大力發展設施栽培技術，能夠提高土地產出率，是一個很好的發展方向。但是不同的農作物對生產環境的要求是不一樣的，科學合理的生產環境才能生產出最優的產品。溫度光照、土壤含水量是農作物生長的三個重要條件，這里設計一種基于單片機的綜合信息智能管理系統。對農作物生長的溫度、光照、土壤含水量信息進行采集并進行調節，真正實現了農作物生產的自動化。

1 系統硬件設計

本系統硬件是由傳感器電路、模數轉換器、單片機和執行電路4部分組成。先用石膏電阻、光電池2DU6和熱電偶TP03三種傳感器分別采集土壤濕度、農作物的光照強度和大棚內溫度信號，并由LM324運算放大器進行信號放大處理，通過模數轉換器AD7812將采集到的模擬信號轉換成數字信號，再利用80C51BH單片機對數據進行分析并發出執行指令，最后由.LM324執行電路來控制滴灌設備、遮光設備和通風設備的動作。

1.1 信號采集及處理電路設計

電路設計由濕度信號處理、光照信號處理和溫度信號處理單元組成，，如圖1所示[1]。這里采用LM324運算放大器對三種信號進行處理和放大。LM324是四通道運算放大器，采用14腳雙列直插式，具有真正的差分輸入。采用單電源供電，可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的電源下，靜態電流小，共模輸入范圍包括負電源，在許多應用場合，不需要采用外設偏置電路。

1.1.1 濕度信號處理單元

濕度信號處理單元由LM324的8.9、10腳及相連部分電路組成。其中濕度傳感器采用石膏電阻RHo將0.5平的銅線平行并相距25 mm埋于80mmx40mmX12mm的石膏體內，埋人長度為70 mm，1，制作多只石膏電阻，如圖2所示。測量充分浸水后的石膏電阻的最小阻值R，Hm，由于制作工藝和尺寸不同，每一批

制作的石膏電阻的.值不同。這里R選取45092，誤差控制為+50 92，淘汰偏大和偏小的次品。當濕度減小時，Rg變大，在一定范圍內，濕度和Rg的阻值成反比。由于石膏電阻性能不穩定，要定期更換。

本電路單元是一個同相比例放大電路。變阻器Rp、電阻R1和石膏電阻R構成分壓電路，10腳電壓U3IN+與R。的阻值相關，當R《《 R.時，U3n+與Rg成正比。合理地設計電阻值，使濕度電壓Uk=2UIN+，這樣，濕度電壓UR就和石膏電阻Rg成正比，由于R直接體現土壤的濕度，其結果就是：濕度電壓UR與土壤的濕度成反比。調整變阻器Rp2的值，一般情況下，濕度電壓UR輸出在0-5V之間變化。況且當濕度小于某個設定值時就啟動滴灌作業“了。

1.1.2 溫度信號處理單元

溫度處理單元由LM324的1、2、3腳及其相連部分電路構成。這里測量溫度傳感器采用K型鎳鉻-鎳硅TP03熱電偶。TPO3熱電偶具有測溫范圍廣、性能穩定、響應線性度好等優點。但是正溫度系數元件，會給測量帶來誤差，這里在電路中串聯一個硅晶體二極管VD，（IN4148），利用其導通壓降的負溫度系數來進行補償，適當調節Rp1的阻值，可以把誤差降低到最小值。電路結構是文氏橋式差動運算放大電路。在圖中，U1_是輸入標準電壓，UIN+是輸入測溫電壓。其中Rp1也用來校準比較溫度值。放大倍數設計為2倍。溫度電壓U_=2（U1N+-Un-）。這樣在測量溫度在0～+50C時，輸出電壓可控制在5V以內[2]。

1.1.3 光照信號處理單元

光照信號處理單元由LM324的5、6、7腳及相連的部分電路構成。光照度采集由2DU6硅光電池來完成。2DU6的開路電壓為300mV，短路電流小于5μA，光譜范圍寬，性能穩定。

本電路單元也是一個同相比例放大電路。由硅光電池2DU6給三板管3AX31的基極供電，控制三極管導通狀態，根據理想運放的虛斷路原理，三極管的集電極電流全部流過電阻R14，二者的乘積正是輸入電壓U2IN+，合理設計電阻值，光照電壓U，=2U2IN+，這樣，隨著光照強度的增加，硅光電池電壓的增高，光照電壓U隨之增大。從而實現對光照信號的采集和處理[3]。要注意的是，要適當地對硅光電池2DU6進行遮光處理，和調整變阻器Rp3的值，以免時輸出電壓在強光照射下超過5V。

1.2 模數轉換電路設計

為了使單片機能準確識別上述三種電壓信號，我們必須加;人模數轉換環節。用三個AD7812作為模數轉換器對三種信號進行模數轉換，如圖3所示。

這里設計三組數據并行讀取方式。傳送同步TFS與接收同步RFS由單片機P1.0口控制，數據輸出DOUT分別與單片機P1.1、P1.3、P1.5口連接，數據輸入DIN與單片機P1.2、P1.4、P1.6口連接，實現并行讀取。轉換起動CONVST與單片機P2.0、P2.1、P2.2口控制。讀取時鐘SCLK與單片機P1.7控制，由軟件實現時鐘控制，避免了數據不同步，并使讀取數據在一個周期內完成。這樣就很容易由單片機來控制三種數據讀取[4]。

1.3 單片機處理器電路設計

為了節約成本，我們這里采用通用的Intel80C51BH單片機來實現數據處理。由單片機P1口接收和控制來至AD7812信號，由P2口輸出轉換指令信號，由PO口來輸出通風、遮光和滴灌指令[5]，電路設計如圖4所示。

1.4 執行電路設計

由于單片機發出的指令信號功率太小，不能直接啟動執行開關，這里必須加驅動電路來實現動作。為節約成本，這里仍然采用LM324來實現、電路設計成三個同相比例運算電路。電壓放大倍數為3，電路中通風、遮光和滴灌指令經由電阻R、R，、R，在三個IN+腳輸入，由三個OUT腳輸出。由于采用運算放大電路，所以輸出功率很大。輸出信號控制開關三繼電器KA完成執行任務如圖5所示，這里的R、R，和R。起限流作用，防止繼電器過載。

2 系統軟件設計

本設計確定60分鐘啟動一次程序，全天候監控記錄。該系統由測量數據處理、中央處理器和執行輸出3個模塊組成。具體流程如圖6所示。

2.1 測量和數據處理模塊

首先，A/D轉換器進行初始化。將單片機的P2.0、P2.1、P2.2口置1，然后進行模數轉換，為了使轉換在一個周期內順利完成，這里用軟件實現時鐘控制，這樣就不會出現由于硬件不

同步而出現誤讀現象。三種信號并行讀取一周期內完成。在讀取數據時要有-定的時間延遲，本設計為10μs，以確保讀取正確的數據。

2.2 中央處理器模塊和執行輸出模塊

這個模塊主要包括單片機對A/D轉換模塊的控制和對數據處理。單片機對A/D的模擬清零、通道選取地址寫入和控制模數轉換步驟;再將讀取值與預先設定的標準值進行比較，讀取值超出規定值時發出相關的執行指令[6]。

3 結束語

農作物生長信息采集管理系統采用模塊化設計思路，可以很方便地對系統進行拆分，單獨對每個信息量進行管理，也可以對設計進行擴展，增加測控量。設計電路簡單實用，采用常用的芯片，成本低，執行采用繼電器開關，可以控制各種樣式的電氣設備，運行穩定可靠。系統參數方便修改，測量范圍寬，精確度高。

參考文獻：

[1]孫余凱，吳鳴山，項綺明.傳感器應用電路300例[M].北京：電子工業出版社，2008：76-77.

[2]何道清.傳感器與傳感器技術[M].北京：科學出版社，2006：214-229.

[3]高曉蓉.傳感器技術[M].成都：西南交通大學出版社，2003：136-146.，

[4]朱宇光.單片機應用新技術教程[M].北京：電子工業出版社，2000：28-123.

[5]姜武中.單片機原理與接口技術[M].北京：大連理工大學出版社，2002：203-219.

[6]趙秀珍，單永磊.單片微型計算機原理及應用[M].北京：中國水利水電出版社，2001：156-159.

[通聯編輯：梁書]