基于微控器的植株杆径变差测量系统设计

从植物生理角度讲，植物器官（茎、叶、果实等）体积的微变化动态与其体内的水分状况有关，当根系吸水充足时茎杆微膨胀，水分亏缺时茎杆微收缩。国外已有用茎杆直径的变化反映植株体内的水分和缺水状况的仪表。但其成本较高，为此本项研究主要研制基于微控器的植物茎杆变差测的测定系统。植株茎杆的直径是在微米级变化的，因而必须用精密的测量仪器才能测出其变化。
　　电感测微仪是一种广泛应用于精密机械制造业、晶体管和集成电路制造业以及国防、科研、计量部门的能够测量微小尺寸变化的精密测量仪器，它由主体和测头两部分组成，配上相应的测量装置（例如测量台架等），能够完成各种精密测量。因此，配以合适的台架它也可以完成对植株杆径的测量。在通过微控器对测量的数据进行处理，并记录下采集数据的时间，就可以组成一个植株杆径变化测量的实时数据采集系统。
　　1.硬件电路
　　该测量系统是由89C51微控器、电感测微仪、ADC574模数转换芯片、DS12C887时钟芯片、8279键盘控制芯片等组成。系统框图如图1所示：

　　图1 测量杆径的系统框图
　　其中89C51微控器与电感测微仪、AD57

4组成了数据采集部分与A/D转换部分；89C51微控器与键盘/显示器接口芯片8279组成了人机交互部分；89C51微控器与DS12C887时钟芯片构成了系统的计时部分；89C51微控器与RS232构成了通讯部分。89C51微控器通过内部定时中断每隔一小时从AD574读取采样值，并通过读取DS12C887记录此时的时间。如有需要还可通过键盘操作把测量值和时间在LED上显示。89C51微控器把采集到的数据及记录的时间存储起来，通过RS232通讯口可以把这些数据发送到PC机中。主要部分的工作原理分述如下:
　　1.1数据采集部分
　　1.1.1 电感测微仪工作原理
　　

图2 电感测微仪工作原理图
　　电测微仪通过电感传感器、测量电路等将被测物件的尺寸变化转变成电压信号输出。其工作原理如图2所示。当接通电源后，由有振荡器产生的震压加到了由电感测量头和调零电位器组成的电感电桥上（电感测量头由电感线圈和连接在测杆上一起位移的铁芯组成）。当铁芯出于线圈的中间位置（平衡位置），调零电位器也在中间位置时，电桥处于平衡状态，没有信号电压输出。若被测工件尺寸变化使测杆向上移动，铁芯向上位移时，电桥不平衡，产生了输出电压。同样，当铁芯向下位移时，也将产生出电压，不过这两个信号电压的相位相反，即相差180°。这样，利用电感测量头就可以把物件微小的尺寸变化量转换成相应的电压信号。同样，转动调零电位器，也可以使电桥不平衡，产生输出电压，利用它进行零位调整。
　　1.1.2 A/D转换
　　电感测微仪输出为脉动直流电压信号，在处理过程中会受到干扰和噪声的影响，为了提高采样精度，设计了二阶低通滤波电路。此外，电感测微仪的输出的电压范围为-50mv～+50mv,不能满足AD574对输入的要求，需对其输出电压进行放大。元件参数：R1=6.1K，R2=22K，R3=1K，R4=82K，R5=R6=10K；C1=470μF，C2=100μF。电路图如图6，其中Ui接电感测微仪的输出端，Uo接ADC574的通道一。

　　图3 主程序流程图
　　1.2 计时部分
　　计时部分是由DS12C887时钟芯片和89C51微控器组成。DS12C887时钟芯片是美国DALLAS公司生产的，它具有完备的时钟以及到2100年的日历时钟功能等。因此，利用此芯片系统可以方便的设定时间并记录时间。在本系统，89C51微控器读取了DS12C887内部RAM的02H、04H、07H、08H单元中的内容，以记录测量时的时间（月份、日期、时、分）。89C51与DS12C887连接的原理图如图1所示。

1.3 键盘及显示器部分
　　该部分由89C51微控器和专用键盘/显示器接口芯片8279组成。89C51微控器从读取DS12C887读取得值送到8279内以驱动8个LED显示月份、日期、时、分。对于键输入则经过8279处理后送到89C51内，以完成采集数据的显示和采集的数据及对应的采集时间向上位机发送。由于这部分的技术已相当成熟，在这不过多赘述。
　　1.4 通讯部分
　　本系统设计了通过RS232口微控器89C51和上位PC机进行半工通讯，89C51把采集的一段时间内的值（如一天）发送到PC机中。
　　2.软件设计
　　系统软件由主程序中断处理程序组成，主程序用于系统的初始化，8279、DS12C887初始化，内、外部中断初始化，定时器初始化。中断处理程序主要是响应键输入，以调用不同的子程序。子程序包括8279键盘显示器控制程序，A/D转换数字滤波子程序（采集数程序），标度转换程序，通讯程序。
　　2.1 主程序框图
　　本系统的主程序框图如图3所示，其主要功能是从DS12C887中读取并存储采样时的时间，存储处理后的采样值，并根据键输入显示时间和采样值。

　　2.2 通讯程序框图

89C51采用查询方式与PC机进行通讯，只有在PC机准备好接受数据后，89C51才开始发送数据，其流程图如图4，5所示。
　　2.3 部分程序清单
　　下面程序是对DS12C887设定时间的汇编程序。假设DS12C887的地址为5000H,月份、日期、小时、分钟分别存于53H、52H、51H、50H单元。
　　SETTIME: MOV R0,#50H
　　 MOV DPTR,#500AH
　　 MOVX A,@DPTR
　　 MOV A,#20H
　　 MOVX @DPTR,A ；至少244毫秒后开
　　INC DPTR ；始更新周期
　　MOV A,#80H
　　 MOVX @DPTR,A ；芯片停止工作，
　　；初始化各个时标
　　 MOV DPTR,#5002H ； 设置分钟
　　 MOV A,@R0
　　 INC R0
　　 MOVX @DPTR,A ；设置小时
　　 MOV DPL,#04H
　　 MOV A,@R0
　　 INC R0
　　 MOVX @DPTR,A ；设置日期

          MOV DPL,#07H
　　 MOV A,@R0
　　 INC R0
　　 MOVX @DPTR,A ；设置月份
　　 INC DPTR
　　 MOV A,@R0
　　INC R0
　　MO

VX @DPTR,A
　　 MOV DPTR,#500BH ；为24小时工作模式,
　　 MOV A,#02H
　　 MOVX @DPTR,A
　　
　　3.结论
　　本文设计了基于89C51微控器的植株杆径测量系统。经初步测试可以实时的测量植株杆径的变化，而且可以存储测量值和测量时的时间，并将其传输到上位计算机中，便于了进一步的分析植物茎杆的变差和缺水情况。目前系统的成本和功耗有待进一步降低以适合野外工作。此外，还应研制合适的单独使用的传感器测量装置。
　　本作者创新点在于利用电感测微仪配合微控器及外围电路以较低的成本达到了实时测量植株杆径微小变化的目的，该思路可以进一步得到改进并最终在实践中得到应用。