從植物生理角度講，植物器官（莖、葉、果實等）體積的微變化動態與其體內的水分狀況有關，當根系吸水充足時莖桿微膨脹，水分虧缺時莖桿微收縮。國外已有用莖桿直徑的變化反映植株體內的水分和缺水狀況的儀表。但其成本較高，為此本項研究主要研制基于微控器的植物莖桿變差測的測定系統。植株莖桿的直徑是在微米級變化的，因而必須用精密的測量儀器才能測出其變化。
電感測微儀是一種廣泛應用于精密機械制造業、晶體管和集成電路制造業以及國防、科研、計量部門的能夠測量微小尺寸變化的精密測量儀器，它由主體和測頭兩部分組成，配上相應的測量裝置（例如測量臺架等），能夠完成各種精密測量。因此，配以合適的臺架它也可以完成對植株桿徑的測量。在通過微控器對測量的數據進行處理，并記錄下采集數據的時間，就可以組成一個植株桿徑變化測量的實時數據采集系統。
1.硬件電路
該測量系統是由89C51微控器、電感測微儀、ADC574模數轉換芯片、DS12C887時鐘芯片、8279鍵盤控制芯片等組成。系統框圖如圖1所示：
圖1 測量桿徑的系統框圖
其中89C51微控器與電感測微儀、AD57
4組成了數據采集部分與A/D轉換部分；89C51微控器與鍵盤/顯示器接口芯片8279組成了人機交互部分；89C51微控器與DS12C887時鐘芯片構成了系統的計時部分；89C51微控器與RS232構成了通訊部分。89C51微控器通過內部定時中斷每隔一小時從AD574讀取采樣值，并通過讀取DS12C887記錄此時的時間。如有需要還可通過鍵盤操作把測量值和時間在LED上顯示。89C51微控器把采集到的數據及記錄的時間存儲起來，通過RS232通訊口可以把這些數據發送到PC機中。主要部分的工作原理分述如下:
1.1數據采集部分
1.1.1 電感測微儀工作原理
圖2 電感測微儀工作原理圖
電測微儀通過電感傳感器、測量電路等將被測物件的尺寸變化轉變成電壓信號輸出。其工作原理如圖2所示。當接通電源后，由有振蕩器產生的震壓加到了由電感測量頭和調零電位器組成的電感電橋上（電感測量頭由電感線圈和連接在測桿上一起位移的鐵芯組成）。當鐵芯出于線圈的中間位置（平衡位置），調零電位器也在中間位置時，電橋處于平衡狀態，沒有信號電壓輸出。若被測工件尺寸變化使測桿向上移動，鐵芯向上位移時，電橋不平衡，產生了輸出電壓。同樣，當鐵芯向下位移時，也將產生出電壓，不過這兩個信號電壓的相位相反，即相差180°。這樣，利用電感測量頭就可以把物件微小的尺寸變化量轉換成相應的電壓信號。同樣，轉動調零電位器，也可以使電橋不平衡，產生輸出電壓，利用它進行零位調整。
1.1.2 A/D轉換
電感測微儀輸出為脈動直流電壓信號，在處理過程中會受到干擾和噪聲的影響，為了提高采樣精度，設計了二階低通濾波電路。此外，電感測微儀的輸出的電壓范圍為-50mv～+50mv,不能滿足AD574對輸入的要求，需對其輸出電壓進行放大。元件參數：R1=6.1K，R2=22K，R3=1K，R4=82K，R5=R6=10K；C1=470μF，C2=100μF。電路圖如圖6，其中Ui接電感測微儀的輸出端，Uo接ADC574的通道一。
圖3 主程序流程圖
1.2 計時部分
計時部分是由DS12C887時鐘芯片和89C51微控器組成。DS12C887時鐘芯片是美國DALLAS公司生產的，它具有完備的時鐘以及到2100年的日歷時鐘功能等。因此，利用此芯片系統可以方便的設定時間并記錄時間。在本系統，89C51微控器讀取了DS12C887內部RAM的02H、04H、07H、08H單元中的內容，以記錄測量時的時間（月份、日期、時、分）。89C51與DS12C887連接的原理圖如圖1所示。
1.3 鍵盤及顯示器部分
該部分由89C51微控器和專用鍵盤/顯示器接口芯片8279組成。89C51微控器從讀取DS12C887讀取得值送到8279內以驅動8個LED顯示月份、日期、時、分。對于鍵輸入則經過8279處理后送到89C51內，以完成采集數據的顯示和采集的數據及對應的采集時間向上位機發送。由于這部分的技術已相當成熟，在這不過多贅述。
1.4 通訊部分
本系統設計了通過RS232口微控器89C51和上位PC機進行半工通訊，89C51把采集的一段時間內的值（如一天）發送到PC機中。
2.軟件設計
系統軟件由主程序中斷處理程序組成，主程序用于系統的初始化，8279、DS12C887初始化，內、外部中斷初始化，定時器初始化。中斷處理程序主要是響應鍵輸入，以調用不同的子程序。子程序包括8279鍵盤顯示器控制程序，A/D轉換數字濾波子程序（采集數程序），標度轉換程序，通訊程序。
2.1 主程序框圖
本系統的主程序框圖如圖3所示，其主要功能是從DS12C887中讀取并存儲采樣時的時間，存儲處理后的采樣值，并根據鍵輸入顯示時間和采樣值。
2.2 通訊程序框圖
89C51采用查詢方式與PC機進行通訊，只有在PC機準備好接受數據后，89C51才開始發送數據，其流程圖如圖4，5所示。
2.3 部分程序清單
下面程序是對DS12C887設定時間的匯編程序。假設DS12C887的地址為5000H,月份、日期、小時、分鐘分別存于53H、52H、51H、50H單元。
SETTIME: MOV R0,#50H
MOV DPTR,#500AH
MOVX A,@DPTR
MOV A,#20H
MOVX @DPTR,A ；至少244毫秒后開
INC DPTR ；始更新周期
MOV A,#80H
MOVX @DPTR,A ；芯片停止工作，
；初始化各個時標
MOV DPTR,#5002H ； 設置分鐘
MOV A,@R0
INC R0
MOVX @DPTR,A ；設置小時
MOV DPL,#04H
MOV A,@R0
INC R0
MOVX @DPTR,A ；設置日期
MOV DPL,#07H
MOV A,@R0
INC R0
MOVX @DPTR,A ；設置月份
INC DPTR
MOV A,@R0
INC R0
MO
VX @DPTR,A
MOV DPTR,#500BH ；為24小時工作模式,
MOV A,#02H
MOVX @DPTR,A
3.結論
本文設計了基于89C51微控器的植株桿徑測量系統。經初步測試可以實時的測量植株桿徑的變化，而且可以存儲測量值和測量時的時間，并將其傳輸到上位計算機中，便于了進一步的分析植物莖桿的變差和缺水情況。目前系統的成本和功耗有待進一步降低以適合野外工作。此外，還應研制合適的單獨使用的傳感器測量裝置。
本作者創新點在于利用電感測微儀配合微控器及外圍電路以較低的成本達到了實時測量植株桿徑微小變化的目的，該思路可以進一步得到改進并最終在實踐中得到應用。
參考文獻
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