农作物生长信息采集管理系统设计

摘要：随着自动化技术在农业生产中广泛应用，精细农业也成为农业科技发展的主流。及时、准确地采集农作物生长信息并进行及时处理，对于提高农作物质量、降低生产成本、缩短生产周期十分重要。用传感器采集农作物的生长信息，通过运算放大器进行信号处理，再应用单片机对数据进行记录、比较分析并发出管理指令，最后由执行电路进行相应操作。本设计电路简单、测量准确、模块化便于增加和改进、成本低廉、可用于多种农作物生产。

关键词：测量;自动化;生长信息;作物管理

中图分类号：TP29

文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）04-0228-03

收稿日期：2019-11-21

作者简介：彭雪峰（1963—），男，辽宁彰武人，本科学历，毕业于哈尔滨科学技术大学，理学学士学位，副教授，教师，研究方向为电子

技术传感器应用，所学专业：应用物理，从事专业：电子技术。

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，由于温度低，农作物不能生长，大量土地闲置。大力发展设施栽培技术，能够提高土地产出率，是一个很好的发展方向。但是不同的农作物对生产环境的要求是不一样的，科学合理的生产环境才能生产出最优的产品。温度光照、土壤含水量是农作物生长的三个重要条件，这里设计一种基于单片机的综合信息智能管理系统。对农作物生长的温度、光照、土壤含水量信息进行采集并进行调节，真正实现了农作物生产的自动化。

1 系统硬件设计

本系统硬件是由传感器电路、模数转换器、单片机和执行电路4部分组成。先用石膏电阻、光电池2DU6和热电偶TP03三种传感器分别采集土壤湿度、农作物的光照强度和大棚内温度信号，并由LM324运算放大器进行信号放大处理，通过模数转换器AD7812将采集到的模拟信号转换成数字信号，再利用80C51BH单片机对数据进行分析并发出执行指令，最后由.LM324执行电路来控制滴灌设备、遮光设备和通风设备的动作。

1.1 信号采集及处理电路设计

电路设计由湿度信号处理、光照信号处理和温度信号处理单元组成，，如图1所示[1]。这里采用LM324运算放大器对三种信号进行处理和放大。LM324是四通道运算放大器，采用14脚双列直插式，具有真正的差分输入。采用单电源供电，可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流小，共模输入范围包括负电源，在许多应用场合，不需要采用外设偏置电路。

1.1.1 湿度信号处理单元

湿度信号处理单元由LM324的8.9、10脚及相连部分电路组成。其中湿度传感器采用石膏电阻RHo将0.5平的铜线平行并相距25 mm埋于80mmx40mmX12mm的石膏体内，埋人长度为70 mm，1，制作多只石膏电阻，如图2所示。测量充分浸水后的石膏电阻的最小阻值R，Hm，由于制作工艺和尺寸不同，每一批

制作的石膏电阻的.值不同。这里R选取45092，误差控制为+50 92，淘汰偏大和偏小的次品。当湿度减小时，Rg变大，在一定范围内，湿度和Rg的阻值成反比。由于石膏电阻性能不稳定，要定期更换。

本电路单元是一个同相比例放大电路。变阻器Rp、电阻R1和石膏电阻R构成分压电路，10脚电压U3IN+与R。的阻值相关，当R《《 R.时，U3n+与Rg成正比。合理地设计电阻值，使湿度电压Uk=2UIN+，这样，湿度电压UR就和石膏电阻Rg成正比，由于R直接体现土壤的湿度，其结果就是：湿度电压UR与土壤的湿度成反比。调整变阻器Rp2的值，一般情况下，湿度电压UR输出在0-5V之间变化。况且当湿度小于某个设定值时就启动滴灌作业“了。

1.1.2 温度信号处理单元

温度处理单元由LM324的1、2、3脚及其相连部分电路构成。这里测量温度传感器采用K型镍铬-镍硅TP03热电偶。TPO3热电偶具有测温范围广、性能稳定、响应线性度好等优点。但是正温度系数元件，会给测量带来误差，这里在电路中串联一个硅晶体二极管VD，（IN4148），利用其导通压降的负温度系数来进行补偿，适当调节Rp1的阻值，可以把误差降低到最小值。电路结构是文氏桥式差动运算放大电路。在图中，U1_是输入标准电压，UIN+是输入测温电压。其中Rp1也用来校准比较温度值。放大倍数设计为2倍。温度电压U_=2（U1N+-Un-）。这样在测量温度在0～+50C时，输出电压可控制在5V以内[2]。

1.1.3 光照信号处理单元

光照信号处理单元由LM324的5、6、7脚及相连的部分电路构成。光照度采集由2DU6硅光电池来完成。2DU6的开路电压为300mV，短路电流小于5μA，光谱范围宽，性能稳定。

本电路单元也是一个同相比例放大电路。由硅光电池2DU6给三板管3AX31的基极供电，控制三极管导通状态，根据理想运放的虚断路原理，三极管的集电极电流全部流过电阻R14，二者的乘积正是输入电压U2IN+，合理设计电阻值，光照电压U，=2U2IN+，这样，随着光照强度的增加，硅光电池电压的增高，光照电压U随之增大。从而实现对光照信号的采集和处理[3]。要注意的是，要适当地对硅光电池2DU6进行遮光处理，和调整变阻器Rp3的值，以免时输出电压在强光照射下超过5V。

1.2 模数转换电路设计

为了使单片机能准确识别上述三种电压信号，我们必须加;人模数转换环节。用三个AD7812作为模数转换器对三种信号进行模数转换，如图3所示。

这里设计三组数据并行读取方式。传送同步TFS与接收同步RFS由单片机P1.0口控制，数据输出DOUT分别与单片机P1.1、P1.3、P1.5口連接，数据输入DIN与单片机P1.2、P1.4、P1.6口连接，实现并行读取。转换起动CONVST与单片机P2.0、P2.1、P2.2口控制。读取时钟SCLK与单片机P1.7控制，由软件实现时钟控制，避免了数据不同步，并使读取数据在一个周期内完成。这样就很容易由单片机来控制三种数据读取[4]。

1.3 单片机处理器电路设计

为了节约成本，我们这里采用通用的Intel80C51BH单片机来实现数据处理。由单片机P1口接收和控制来至AD7812信号，由P2口输出转换指令信号，由PO口来输出通风、遮光和滴灌指令[5]，电路设计如图4所示。

1.4 执行电路设计

由于单片机发出的指令信号功率太小，不能直接启动执行开关，这里必须加驱动电路来实现动作。为节约成本，这里仍然采用LM324来实现、电路设计成三个同相比例运算电路。电压放大倍数为3，电路中通风、遮光和滴灌指令经由电阻R、R，、R，在三个IN+脚输入，由三个OUT脚输出。由于采用运算放大电路，所以输出功率很大。输出信号控制开关三继电器KA完成执行任务如图5所示，这里的R、R，和R。起限流作用，防止继电器过载。

2 系统软件设计

本设计确定60分钟启动一次程序，全天候监控记录。该系统由测量数据处理、中央处理器和执行输出3个模块组成。具体流程如图6所示。

2.1 测量和数据处理模块

首先，A/D转换器进行初始化。将单片机的P2.0、P2.1、P2.2口置1，然后进行模数转换，为了使转换在一个周期内顺利完成，这里用软件实现时钟控制，这样就不会出现由于硬件不

同步而出现误读现象。三种信号并行读取一周期内完成。在读取数据时要有-定的时间延迟，本设计为10μs，以确保读取正确的数据。

2.2 中央处理器模块和执行输出模块

这个模块主要包括单片机对A/D转换模块的控制和对数据处理。单片机对A/D的模拟清零、通道选取地址写入和控制模数转换步骤;再将读取值与预先设定的标准值进行比较，读取值超出规定值时发出相关的执行指令[6]。

3 结束语

农作物生长信息采集管理系统采用模块化设计思路，可以很方便地对系统进行拆分，单独对每个信息量进行管理，也可以对设计进行扩展，增加测控量。设计电路简单实用，采用常用的芯片，成本低，执行采用继电器开关，可以控制各种样式的电气设备，运行稳定可靠。系统参数方便修改，测量范围宽，精确度高。

参考文献：

[1]孙余凯，吴鸣山，项绮明.传感器应用电路300例[M].北京：电子工业出版社，2008：76-77.

[2]何道清.传感器与传感器技术[M].北京：科学出版社，2006：214-229.

[3]高晓蓉.传感器技术[M].成都：西南交通大学出版社，2003：136-146.，

[4]朱宇光.单片机应用新技术教程[M].北京：电子工业出版社，2000：28-123.

[5]姜武中.单片机原理与接口技术[M].北京：大连理工大学出版社，2002：203-219.

[6]赵秀珍，单永磊.单片微型计算机原理及应用[M].北京：中国水利水电出版社，2001：156-159.

[通联编辑：梁书]