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标题: 基于AT89C52单片机的缺水微弱电位监控系统设计 [打印本页]

作者: liyf 时间: 2012-1-27 19:49
标题: 基于AT89C52单片机的缺水微弱电位监控系统设计

Monitoring System for the Water Press Voltage based on the Microprocessor
摘要：本文从实验角度摸索出适合测量植物电信号的放大电路，微弱信号放大电路，建立了植物水分情况变化时电信号监测系统，整个系统由测量放大电路、A/D转换电路、单片机、MAX232、计算机组成。用C-51语言实现单片机数据采集、报警、键盘显示。
关键字：微弱信号，单片机，放大，监控系统
Abstract： In this paper， we explode the amplified circuit which suited for measuring plant electrical signals. We established the plant electrical signals monitoring system when water in the plant changed; the system consists of measuring and amplifying circuit， A/D altering circuit， key displaying circuit， microcontroller， and personal computer. Finally use c-51 language to realize data acquisition of microcontroller， alarm， keyboard display.
Keywords： Weak Signal， Microprocessor， Amplifier， Monitoring System
1 引言
植物在缺水时其表面电位的变化可作为一个特殊的植物响应用于表征植物缺水的指标。在缺水条件下，叶片表面气孔开度变小，导致光合作用下降。而植物在光合作用下降时，其体内物质传输速度变慢，导致其表面电位信号发生变化。本文就根据这一原理设计了一款基于单片机的缺水微弱电位监控系统设计，将植物电位的这种变化通过一定的放大器件放大后，经A/D转换后送单片机由MAX232经RS232电平转换后送上位机处理分析数据。
2.系统的硬件组成
2. 1系统的总体设计
系统由电源、屏蔽罩、传感器件、测量放大电路（滤波电路）、A/D转换电路、键盘显示电路、串口通信电路、AT89C52单片机、计算机等部分组成。
系统的结构框图如图1所示，在整个测量过程中设计被测信号幅值范围在20mV-100mV，直流信号。所设计放大电路能够针对不同的输入信号采用不同的放大倍数及滤波截止频率，信号通过电极传感器进入放大电路放大后然后经A/D转换和光耦隔离后，进入单片机，由MAX232与单片机串口通讯，将数据送上位机。对奇异数据进行分析，处理。建立植物电信号与植物缺水之间的关系。

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3 功能电路设计
3.1 系统供电电源及参数选择
本装置的直流稳压电源采用通常的桥式全波整流、电容滤波、三端固定输出的集成稳压器件7805和7905进行设计。输出±5V稳压电源。模拟、数字两部分电源采用独立供电方式，防止相互电源之间的干扰。并且所有的集成稳压芯片根据功耗均按需要装有充分裕量的散热片。系统为单相220 V交流，用一个三绕组的12W变压器供电，由双9V绕组通过整流桥、7805，7905分别输出±5V电压提供给模拟部分电路;由单9V绕组通过整流桥、7805输出+5V电压提供给数字部分电路。考虑到数字部分带显示，数码管的电流及各芯片的耗流情况设计输出电流至少达到400mA， 12 W的变压器足以满足需要，选择2200μF/25V的滤波电容即可。
3.2 测量放大电路的选择
因植物电信号属于微弱电信号，范围在十几毫伏至几百毫伏。对测量放大电路参数要求较高，因此测量放大电路的选择十分关键。在选择电路方案时需注意以下三点：测量时易受到工频50Hz和极化电压等干扰。前者主要以共模形式存在，幅值可达几伏甚至几十伏特，所以本系统测量放大电路的前置放大级应有较高的共模抑制比;后者是由于测量电极与植物体之间构成化学原电池而产生的直流电压值较高，因此测量放大电路的前级增益不能过大;由于信号源内阻可达几十千欧至几百千欧，所以测量放大电路的输入阻抗必须在几兆欧左右。如图2所示，采用两极放大，第一级为差模输入，选用自稳零斩波运算放大器ICL7650。第二级为同相比例放大，选用普通运算放大器OP07，该方案的特点是第一级采用高性能运算放大器，具有较高的共模抑制比，电路简单。

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3.3 TLC2543与AT89C52单片机接口电路
具有11路输入通道的12位模数转换器TLC2543是美国德州仪器公司于近年推出的一种性能价格比较优的12位刀D转换芯片。它有三个控制端输入：片选（CS）、输入/输出时钟（CLK）以及地址输入端（DIN），可以通过一个串行的3态输出口与主处理器或其它外围串口通信。
考虑到采样精度的要求，电极传感器转化的电压信号经放大后直接与A/D转换的输入端相连接，如图2-7所示是TLC2543和AT89C52接口简图，采用75451为驱动器（两个双输入与门）。这种采样电路精度高，光耦简单，并使模拟部分与数字部分实现了完全隔离。A/D转换器采用TLC2543，该芯片是一种单电源串行控制的12位摸数转换器，可采集11路信号，单片机的连接仅占用4根口线， TLC2543的I/O时钟、数据输入、片选CS分别由引脚P0.3， P0.2， P0.1提供。TLC2543的转换结果数据通过P0.0脚接收，每根线用光耦隔离。
目前使用的51系列单片机没有SPI （Signal Processing Interface）接口能力，为了与TLC2543接口，可以利用软件合成SPI操作，完成A/D数据的采集。本系统中TLC2543与单片机之间只用4根线，转换结束端EOF未接入单片机，这是由于两个工作周期之间计算指令执行时间的方法确定转换是否结束，这样可以省去一根接线。
3.4 复位电路
如图3所示，为了提高系统的可靠性，系统加入了“看门狗定时器十串行EZPROM+电压监控”。X25045把三种常用的功能组合在单个封装之内，可以用简单的三线总线SPl接口和软件协议对其进行编程和读写，X25045的4线串行接口与CPU直接接口P3.5， P3.4， P3.3 ， P3.2。当系统受到干扰，造成程序跑飞时，看门狗电路将使系统复位。这种组合减小了电路板的面积，降低了系统成本。

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3.5 报警电路
系统设计了如图4的报警电路，报警电路的作用是在串行通信测试中，若通信不成功则由蜂鸣器报警，蜂鸣器的控制端由AT89C52单片机的P0.5脚控制，为了消除蜂鸣器报警时对电路带来的干扰，在设计电路时给蜂鸣器两端并联一个0.1 μ F的电容。

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3.6 单片机与上位机的串口通信
本文采用单片机的RXD和TKD口与RS-232串行总线接口标准实现单片机和PC机的双机异步通信。RS-232串行接口是微机系统常用的总线标准接口，它以串行方式传送数据信息，用于数据通讯设备和数据终端设备之间的串行接口总线，适用于通讯距离不超过15米的情况，本文的植物电信号是通过串行口传送到PC机的，通讯距离较短因此采用了RS232标准。由于RS-232标准采用负逻辑，用RS-232总线进行通讯时由于TTL电平和RS-232电平互不兼容，所以两者接口时，必须经过电平转换。为了减少供电电源组数，芯片MAX232采用5V电源，外接5个0. l μ F的电容，可产生士l0V的电源形成RS-232C的收发器。本文采用最简单的通讯模式，仅用发送数据（TXD）、接收数据（RXD）和信号地三根线即可构成符合RS-232总线标准的全双工串行通讯口。
4 系统的软件实现
本论文设计的监测系统软件主要由以下几部分组成：
（1）初始化程序; （2）实时采样、数据处理; （3）串行口中断处理; （4）报警软件; （5）键盘与显示; （6）系统复位程序;
监测模块软件采用模块化结构设计，各种功能都由相应的子程序完成。如图5所示是主程序流程图。

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上电后先经过一段延时，待电源稳定之后对系统进行初始化。初始化包括对设置中断标志位和变量的初值、设置各接口芯片的工作方式，设置蜂鸣器的初始状态等。MAX7219的初始化包括译码选择、亮度选择等。TLC2543的初始化包括输出数据的长度、输出数据的格式以及输入通道的选择。串行口初始化完成的工作有：对串行口控制寄存器编程，确定串行口的工作方式，对TMOD寄存器编程，装载定时器的初值，确定通信波特率。接着进入主循环：首先是数据采样和分析部分，它由三个子模块组成：植物电信号采样分析子模块。然后是显示子模块，用于显示植物电信号的数值。按键处理模块完成查询和设置参数的任务。根据数据分析结果决定是否上传报警信息和状态信息。为了提高MAX7219抗干扰能力，又在主循环中定期对MAX7219进行软件抗干扰处理。
5 本文作者创新点：
本文深入研究分析了植物在缺水下其表面电位变化机理，做了大量预备实验，初步摸索出适合放大植物电信号的测量放大电路，设计了植物电信号监测系统，绘制了对植物电信号的测量方法和测量手段做一个初步探索，以期对以后的工作提供一个参考依据和新的思路。
参考文献：
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[2] Ronaldo M. Salles， Student Member， IEEE， and Javier A. Barria， Collaborative Web Computing Environment：An Infrastructure for Scientific Computation， IEEE COMMUNICATIONS LETTERS， VOL. 6， NO. 5， MAY 2002.
[3] 陈姝意，李少远.污水处理的综合自动化控制系统[J].控制工程，2006（2）：102-104，107
作者简介:
孙清伟（1957-）男，汉族，河南西平人，大学学历，高级工程师，研究方向：计算机应用
薛冰(1979年-), 男, 汉族, 河南济源人，硕士研究生, 讲师, 主要研究方向: 数据库及嵌入式操作系统。
作者联系方式：河南省平顶山市新城区平顶山工学院计算机系孙清伟收 467064[1]

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