摘 要： 將組態王這一通用現場監控軟件運用于農田環境監測系統，為環境監測提供了一個新的解決方案。系統采用模塊化、層次化設計，下位機以單片機為核心，控制溫濕度信號的采集，并通過RS-232將信號傳送給上位機用于實時顯示。仿真與實驗證實，系統運行穩定可靠，信號采集精度高，完全達到了預期指標，具有廣泛推廣應用價值。
關鍵詞： 組態王；單片機；溫濕度；傳感器；監測系統
我國是世界上人口最多的國家，糧食生產的安全性無疑是至關重要的。目前，我國工業化進程不斷加快，能否保證糧食的安全生產，將直接影響我國經濟能否平穩較快的發展，也直接影響著國家的戰略安全。隨著農業現代化進程的不斷深入，農田管理智能化將是農業發展的主要方向。農田智能化管理系統不僅可以大大減少人力物力，更能科學有效地控制農作物的生長環境，保障農作物的良好生長，達到糧食安全生產的目的。
對農作物生長影響最大的是生長環境，為了使管理人員更好地掌控農田環境的變化，設計了一款基于組態王的農田溫濕度監測系統。系統將計算機、通信、嵌入式和傳感器等技術有效地結合在一起，為農田智能化管理系統提供了一個有效的解決方案。該系統通過傳感器采集環境溫濕度信息，通過微處理器處理以后，再通過RS-232將采集到的信號傳送給計算機，最后通過組態軟件進行實時監測，實現對農田環境的智能監測。
1 系統總體設計
系統在保證測量精度高、監測實時性好的基礎上，考慮到價格低廉、結構簡單、易于實現等因素，采用STC89C52單片機作為微處理器，控制信號的采集與傳輸。系統總體框圖如圖1所示。
采集模塊獲取農田環境的溫度和濕度信息，經模數轉換后將數字信號通過串口傳送給單片機[1]，單片機對采集來的信號進行三方面的處理：一是傳送給LCD進行現場顯示；二是將信號通過RS-232傳送給計算機主控界面，進行實時顯示；三是控制報警電路。
2 采集模塊設計
溫濕度采集模塊采用DHT11數字溫濕度傳感器，DHT11是由一個電阻式感溫原件和一個NTC測溫元件結合在一起的智能采集模塊，與傳統的單個溫度傳感器DS18B20、濕度傳感器HS1101相比，DHT11工作原理簡單、電路設計簡潔，省去了諸多電路設計的麻煩；且內部自帶A/D轉換模塊，簡化了軟件編程的難度；DHT11在傳輸過程中有自我校驗設計，幫助用戶減少錯誤數據的采集，增加了系統運行的可靠性；另外DHT11體積小、功耗低、信號傳輸距離可達20 m，完全能夠滿足本系統的設計要求。
DHT11具有4個獨立的引腳，每個引腳具有不同的功能。其中1號引腳接電源，電源的范圍在3.0 V～5.5 V。2號引腳接數據口，用于數據傳輸。3號引腳懸空。4號引腳接地。DHT11在電路設計時，電源引腳（VDD，GND）之間可增加一個100 nF的電容，用以去耦濾波。一般數據口連接線長度短于20 m時用5 k?贅上拉電阻，大于20 m時則需要根據實際情況使用合適的上拉電阻[2]。在實際設計中數據口連接線長度遠遠短于20 m，因此選擇5 kΩ上拉電阻。其引腳電路與單片機連接圖如圖2所示。
3 處理模塊設計
3.1 主處理器
主處理器選用STC89C52單片機，片內有8 KB存儲器，能夠滿足系統存儲需要而不需要外加擴展存儲器，簡化了系統硬件電路設計。它外加一個T2定時器，芯片內定時器總數增加到3個，為該系統的擴展留下空間。中斷源由6個變成8個，增加了外部中斷的可行性[3-4]。同時，STC89C52是一款開發比較成熟的單片機，在社會生活中得到了廣泛應用。STC89C52價格低廉、操作簡單，并且支持在線下載，給本設計的軟件仿真帶來了諸多便利。
3.2 LCD顯示
顯示器模塊由1602液晶顯示器及其相配套的驅動器和偏壓產生電路構成?？赏瑫r顯示兩行字符。連接時顯示器的BD0～BD7引腳與STC89C52的P0口連接，完成數據傳輸，控制引腳RS、RW、E與P1.5、P1.4、P1.2連接，完成讀寫控制。在和單片機連接過程中要注意3號引腳的連接，3號引腳用來控制LCD的明暗度，連接不慎會導致LCD無法顯示。溫濕度LCD顯示結果如圖3所示。
3.3 報警電路
系統采用蜂鳴報警電路，通過MCS-52的一個I/O口經驅動器驅動壓電式蜂鳴器發出轟鳴報警信號。壓電式蜂鳴器約需10 mA的驅動電流，可以使用TTL系列集成電路7406或7407低電平驅動，也可以用一個晶體三極管驅動。P1.3接晶體管基極輸入端。當P1.3輸出低電平“0”時，晶體管導通，壓電蜂鳴器兩端獲得約+5 V電壓而鳴叫；當P1.3輸出高電平“1”時，三極管截止，蜂鳴器停止發聲。
3.4 外圍電路
(1)晶振電路
單片機工作的時間基準是由時鐘電路提供的，在單片機的XTAL1和XTAL2兩個管腳接一只晶振及兩只電容就構成了單片機的時鐘電路，電路中電容器對振蕩頻率有微調作用。本系統中采用12 MHz的晶振電路。
(2)復位電路
單片機的RST管腳為主機提供了一個外部復位信號輸入口。復位信號是高電平有效，高電平有效的持續時間為2個機器周期以上。單片機的復位可由手動復位方式完成[5]。
(3)上下限控制按鍵電路
由于89C52的P2口內部有上拉電阻，為簡化電路，用按鍵開關直接接對應引腳P2.0、P2.1、P2.2 、P2.4。當S1沒有按下時，P1.0=1；當S1按下時，P1.0=0。在本系統中S1開關用于切換溫濕度顯示界面和溫度上下限值設定界面。當S1按一下時1602液晶顯示器顯示溫度的下限值設定，通過S3、S4改變其大小。再按一下S1進入上限值設定，通過S3、S4改變其大小。繼續按S1回到溫濕度顯示界面，進入濕度上下值設定。
4 算法設計
4.1 DHT11信號采集算法
DHT11與單片機傳輸過程中，DATA 用于單片機與 DHT11之間的通信和同步，采用單總線數據格式，具體格式在下面說明，當前小數部分用于以后擴展,現讀出為零。操作流程如下：一次完整的數據傳輸為40 bit，高位先出。數據格式：8 bit濕度整數數據+8 bit濕度小數數據+8 bit溫度整數數據+8 bit溫度小數數據+8 bit校驗和數據。傳送正確時校驗和數據等于“8 bit濕度整數數據+8 bit濕度小數數據+8 bti溫度整數數據+8 bit溫度小數數據”所得結果的末8位。單片機發送一次開始信號后，DHT11從低功耗模式轉換到高速模式，等待主機開始信號結束后，DHT11發送響應信號，送出40 bit的數據，并觸發一次信號采集，用戶可選擇讀取部分數據。從模式下，DHT11接收到開始信號觸發一次溫濕度采集，如果沒有接收到主機發送開始信號，DHT11不會主動進行溫濕度采集，采集數據后轉換到低速模式。其具體通信過程說明如下。
總線空閑狀態為高電平，主機把總線拉低等待DHT11響應，總線拉低時間必須大于18 ms，保證DHT11能檢測到起始信號。DHT11接收到主機的開始信號后，等待主機開始信號結束,然后發送80 μs低電平響應信號.主機發送開始信號結束后，延時等待20 μs～40 μs后, 讀取DHT11的響應信號，主機發送開始信號后，可以切換到輸入模式，或者輸出高電平均可， 總線由上拉電阻拉高。
總線為低電平，說明DHT11發送響應信號，DHT11發送響應信號后，再把總線拉高80 μs，準備發送數據，每1 bit數據都以50 μs低電平時隙開始,高電平的長短決定了數據位是0還是1。如果讀取響應信號為高電平，則DHT11沒有響應，需檢查線路是否連接正常。當最后1 bit數據傳送完畢后，DHT11拉低總線50 ?滋s，隨后總線由上拉電阻拉高進入空閑狀態[6]。其溫、濕度讀取軟件流程圖如圖4所示。
4.2 信號處理算法設計
處理模塊由STC89C52單片機、LCD1602、按鍵電路、報警電路、復位時鐘電路組成，其中STC89C52單片機在該模塊中發揮著重要作用，在本設計中絕大多數工作都由它來完成，包括數據讀取、數據顯示、數據處理、數據發送、報警控制等。通過對單片機程序的編譯，系統把各個小模塊有效地結合在一起，統一工作。單片機在工作時首先進行系統初始化，初始化結束后調用讀取溫濕度子程序從DHT11中把溫度和濕度讀入單片機。在單片機中先調用LCD顯示子程序，使LCD顯示采集到的數據。同時判斷是否需要改變上下值，如果需要則調用上下值設定子程序并回到調用讀取溫濕度子程序的位置，如果不需要則繼續向下判斷是否報警，需要則調用報警子程序，不需要則繼續向下調用發送程序，延時2 s后程序回到調用溫濕度讀取子程序的位置。處理模塊的軟件流程圖如圖5所示。
5 主控界面設計
組態王軟件是一款通用的工業監控軟件，它融過程控制設計、現場操作以及工廠資源管理于一體，將一個企業內部的各種生產系統和應用以及信息交流匯集在一起，實現最優化管理。組態王與單片機有直接的通信協議，給本設計的完成帶來了極大的便利。
主控界面由數字輸出和曲線圖兩部分組成。數字輸出可顯示當前農田環境的溫度和濕度，曲線圖則用來觀察溫度和濕度的變化。曲線圖可設定為每隔1 h采集一次，通過曲線圖可以直觀地觀察到溫度和濕度的變化情況，為制定有效的農田管理方案提供依據（為便于觀察，這里的曲線圖是1 s采集一次） 。主控界面如圖6所示。
系統采用模塊化、層次化設計。單片機與監控計算機之間采用RS-232總線通信標準，用簡單、高效的通信電路實現監控數據的讀取。通過組態王實現監控信息的采集和實時顯示，完成農田環境溫濕度參數的監測。同時組態王軟件得到的數據，供有關人員瀏覽、查詢和進行控制，滿足了系統監測的要求。
通過仿真與調試，完全實現了系統的預期功能。系統可實現對農田環境溫濕度全面、實時、自動的監控，及時發現問題，采取有效防護措施，減少不利于農作物生長的災害發生。系統結構簡單、價格低廉，但又不失測量精度高、監控實時性好、工作穩定性強等特點，對農田環境監測以及其他現場環境監測提供了一個比較有價值的解決方案，也可以融入到環境綜合監控系統中發揮作用，具有廣泛的應用價值。
參考文獻
[1] 王琪，蔣樂平.基于PSoC的飛艇艇內溫度采集系統設計[J].電子技術應用，2012，38（1）：41-47.
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[3] 李建忠.單片機原理及應用（第2版）[M].西安：西安電子科學大學出版社，2008.
[4] 吳煒.基于8031單片機的倉庫溫度與濕度自動測試儀設計[J].南通航運職業技術學院學報，2009（4）：66-68.
[5] 李江華.基于MCS_51單片機安防系統監控主機的設計與實現[D].長沙：國防科學技術大學，2007.
[6] 張洪潤，孫悅，張亞凡.傳感器技術與應用教程[M].北京：清華大學出版社，2009.