摘要： 本文從實驗角度摸索出適合測量植物電信號的放大電路， 微弱信號放大電路，建立了植物水分情況變化時電信號監(jiān)測系統(tǒng)，整個系統(tǒng)由測量放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)、MAX232、計算機(jī)組成。用C-51語言實現(xiàn)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集、報警、鍵盤顯示。
關(guān)鍵字： 微弱信號， 單片機(jī)， 放大， 監(jiān)控系統(tǒng)
1 引言
植物在缺水時其表面電位的變化可作為一個特殊的植物響應(yīng)用于表征植物缺水的指標(biāo)。在缺水條件下，葉片表面氣孔開度變小，導(dǎo)致光合作用下降。而植物在光合作用下降時，其體內(nèi)物質(zhì)傳輸速度變慢，導(dǎo)致其表面電位信號發(fā)生變化。本文就根據(jù)這一原理設(shè)計了一款基于單片機(jī)的缺水微弱電位監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計，將植物電位的這種變化通過一定的放大器件放大后，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送單片機(jī)由MAX232經(jīng)RS232電平轉(zhuǎn)換后送上位機(jī)處理分析數(shù)據(jù)。
2.系統(tǒng)的硬件組成
2. 1系統(tǒng)的總體設(shè)計
系統(tǒng)由電源、屏蔽罩、傳感器件、測量放大電路（濾波電路）、A/D轉(zhuǎn)換電路、鍵盤顯示電路、串口通信電路、AT89C52單片機(jī)、計算機(jī)等部分組成。
系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，在整個測量過程中設(shè)計被測信號幅值范圍在20mV-100mV，直流信號。所設(shè)計放大電路能夠針對不同的輸入信號采用不同的放大倍數(shù)及濾波截止頻率，信號通過電極傳感器進(jìn)入放大電路放大后然后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換和光耦隔離后，進(jìn)入單片機(jī)，由MAX232與單片機(jī)串口通訊，將數(shù)據(jù)送上位機(jī)。對奇異數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，處理。建立植物電信號與植物缺水之間的關(guān)系。
圖1 監(jiān)測系統(tǒng)功能框圖
3 功能電路設(shè)計
3.1 系統(tǒng)供電電源及參數(shù)選擇
本裝置的直流穩(wěn)壓電源采用通常的橋式全波整流、電容濾波、三端固定輸出的集成穩(wěn)壓器件7805和7905進(jìn)行設(shè)計。輸出±5V穩(wěn)壓電源。模擬、數(shù)字兩部分電源采用獨(dú)立供電方式，防止相互電源之間的干擾。并且所有的集成穩(wěn)壓芯片根據(jù)功耗均按需要裝有充分裕量的散熱片。系統(tǒng)為單相220 V交流，用一個三繞組的12W變壓器供電，由雙9V繞組通過整流橋、7805，7905分別輸出±5V電壓提供給模擬部分電路;由單9V繞組通過整流橋、7805輸出+5V電壓提供給數(shù)字部分電路�？紤]到數(shù)字部分帶顯示，數(shù)碼管的電流及各芯片的耗流情況設(shè)計輸出電流至少達(dá)到400mA， 12 W的變壓器足以滿足需要，選擇2200μF/25V的濾波電容即可。
3.2 測量放大電路的選擇
因植物電信號屬于微弱電信號，范圍在十幾毫伏至幾百毫伏。對測量放大電路參數(shù)要求較高，因此測量放大電路的選擇十分關(guān)鍵。在選擇電路方案時需注意以下三點：測量時易受到工頻50Hz和極化電壓等干擾。前者主要以共模形式存在，幅值可達(dá)幾伏甚至幾十伏特，所以本系統(tǒng)測量放大電路的前置放大級應(yīng)有較高的共模抑制比;后者是由于測量電極與植物體之間構(gòu)成化學(xué)原電池而產(chǎn)生的直流電壓值較高，因此測量放大電路的前級增益不能過大;由于信號源內(nèi)阻可達(dá)幾十千歐至幾百千歐，所以測量放大電路的輸入阻抗必須在幾兆歐左右。如圖2所示，采用兩極放大，第一級為差模輸入，選用自穩(wěn)零斬波運(yùn)算放大器ICL7650。第二級為同相比例放大，選用普通運(yùn)算放大器OP07，該方案的特點是第一級采用高性能運(yùn)算放大器，具有較高的共模抑制比，電路簡單。
圖2 測量放大電路
3.3 TLC2543與AT89C52單片機(jī)接口電路
具有11路輸入通道的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC2543是美國德州儀器公司于近年推出的一種性能價格比較優(yōu)的12位刀D轉(zhuǎn)換芯片。它有三個控制端輸入：片選（CS）、輸入/輸出時鐘（CLK）以及地址輸入端（DIN），可以通過一個串行的3態(tài)輸出口與主處理器或其它外圍串口通信。
考慮到采樣精度的要求，電極傳感器轉(zhuǎn)化的電壓信號經(jīng)放大后直接與A/D轉(zhuǎn)換的輸入端相連接，如圖2-7所示是TLC2543和AT89C52接口簡圖，采用75451為驅(qū)動器（兩個雙輸入與門）。這種采樣電路精度高，光耦簡單，并使模擬部分與數(shù)字部分實現(xiàn)了完全隔離。A/D轉(zhuǎn)換器采用TLC2543，該芯片是一種單電源串行控制的12位摸數(shù)轉(zhuǎn)換器，可采集11路信號，單片機(jī)的連接僅占用4根口線， TLC2543的I/O時鐘、數(shù)據(jù)輸入、片選CS分別由引腳P0.3， P0.2， P0.1提供。TLC2543的轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)通過P0.0腳接收，每根線用光耦隔離。
目前使用的51系列單片機(jī)沒有SPI （Signal Processing Interface）接口能力，為了與TLC2543接口，可以利用軟件合成SPI操作，完成A/D數(shù)據(jù)的采集。本系統(tǒng)中TLC2543與單片機(jī)之間只用4根線，轉(zhuǎn)換結(jié)束端EOF未接入單片機(jī)，這是由于兩個工作周期之間計算指令執(zhí)行時間的方法確定轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，這樣可以省去一根接線。
3.4 復(fù)位電路
如圖3所示，為了提高系統(tǒng)的可靠性，系統(tǒng)加入了“看門狗定時器十串行EZPROM+電壓監(jiān)控”。X25045把三種常用的功能組合在單個封裝之內(nèi)，可以用簡單的三線總線SPl接口和軟件協(xié)議對其進(jìn)行編程和讀寫，X25045的4線串行接口與CPU直接接口P3.5， P3.4， P3.3 ， P3.2。當(dāng)系統(tǒng)受到干擾，造成程序跑飛時，看門狗電路將使系統(tǒng)復(fù)位。這種組合減小了電路板的面積，降低了系統(tǒng)成本。
圖3 看門狗復(fù)位電路
3.5 報警電路
系統(tǒng)設(shè)計了如圖4的報警電路，報警電路的作用是在串行通信測試中，若通信不成功則由蜂鳴器報警，蜂鳴器的控制端由AT89C52單片機(jī)的P0.5腳控制，為了消除蜂鳴器報警時對電路帶來的干擾，在設(shè)計電路時給蜂鳴器兩端并聯(lián)一個0.1 μ F的電容。
圖4 報警電路
3.6 單片機(jī)與上位機(jī)的串口通信
本文采用單片機(jī)的RXD和TKD口與RS-232串行總線接口標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)單片機(jī)和PC機(jī)的雙機(jī)異步通信。RS-232串行接口是微機(jī)系統(tǒng)常用的總線標(biāo)準(zhǔn)接口，它以串行方式傳送數(shù)據(jù)信息，用于數(shù)據(jù)通訊設(shè)備和數(shù)據(jù)終端設(shè)備之間的串行接口總線，適用于通訊距離不超過15米的情況，本文的植物電信號是通過串行口傳送到PC機(jī)的，通訊距離較短因此采用了RS232標(biāo)準(zhǔn)。由于RS-232標(biāo)準(zhǔn)采用負(fù)邏輯，用RS-232總線進(jìn)行通訊時由于TTL電平和RS-232電平互不兼容，所以兩者接口時，必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換。為了減少供電電源組數(shù)，芯片MAX232采用5V電源，外接5個0. l μ F的電容，可產(chǎn)生士l0V的電源形成RS-232C的收發(fā)器。本文采用最簡單的通訊模式，僅用發(fā)送數(shù)據(jù)（TXD）、接收數(shù)據(jù)（RXD）和信號地三根線即可構(gòu)成符合RS-232總線標(biāo)準(zhǔn)的全雙工串行通訊口。
4 系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)
本論文設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng)軟件主要由以下幾部分組成：
（1） 初始化程序; （2） 實時采樣、數(shù)據(jù)處理; （3） 串行口中斷處理; （4） 報警軟件; （5） 鍵盤與顯示; （6） 系統(tǒng)復(fù)位程序;
監(jiān)測模塊軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，各種功能都由相應(yīng)的子程序完成。如圖5所示是主程序流程圖。
圖5 主程序流程圖
上電后先經(jīng)過一段延時，待電源穩(wěn)定之后對系統(tǒng)進(jìn)行初始化。初始化包括對設(shè)置中斷標(biāo)志位和變量的初值、設(shè)置各接口芯片的工作方式，設(shè)置蜂鳴器的初始狀態(tài)等。MAX7219的初始化包括譯碼選擇、亮度選擇等。TLC2543的初始化包括輸出數(shù)據(jù)的長度、輸出數(shù)據(jù)的格式以及輸入通道的選擇。串行口初始化完成的工作有：對串行口控制寄存器編程，確定串行口的工作方式，對TMOD寄存器編程，裝載定時器的初值，確定通信波特率。接著進(jìn)入主循環(huán)：首先是數(shù)據(jù)采樣和分析部分，它由三個子模塊組成：植物電信號采樣分析子模塊。然后是顯示子模塊，用于顯示植物電信號的數(shù)值。按鍵處理模塊完成查詢和設(shè)置參數(shù)的任務(wù)。根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果決定是否上傳報警信息和狀態(tài)信息。為了提高M(jìn)AX7219抗干擾能力，又在主循環(huán)中定期對MAX7219進(jìn)行軟件抗干擾處理。
5 本文作者創(chuàng)新點：
本文深入研究分析了植物在缺水下其表面電位變化機(jī)理，做了大量預(yù)備實驗，初步摸索出適合放大植物電信號的測量放大電路，設(shè)計了植物電信號監(jiān)測系統(tǒng)，繪制了對植物電信號的測量方法和測量手段做一個初步探索，以期對以后的工作提供一個參考依據(jù)和新的思路。
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[3] 陳姝意，李少遠(yuǎn).污水處理的綜合自動化控制系統(tǒng)[J].控制工程，2006（2）：102-104，107
作者簡介:
孫清偉（1957-）男，漢族，河南西平人，大學(xué)學(xué)歷，高級工程師，研究方向：計算機(jī)應(yīng)用
薛冰(1979年-), 男, 漢族, 河南濟(jì)源人，碩士研究生, 講師, 主要研究方向: 數(shù)據(jù)庫及嵌入式操作系統(tǒng)。
作者聯(lián)系方式：河南省平頂山市新城區(qū)平頂山工學(xué)院計算機(jī)系 孫清偉收 467064
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