1、 基于单片机的气象数据收集系统来监测温室S. Ameur a, M. Laghrouche a, A. Adane b,*Mouloud Mammeri University, LIEPHEM Laboratory, Department of Electronics, Faculty ofEngineering, PO Box 17 RP 15000, Tizi Ouzou, Algeria University of Sciences and Technology of Algiers (USTHB), Department of Telecommunication,Faculty of
2、Electrical Engineering, PO Box 32 El Alia, Bab Ezzouar, Algiers, AlgeriaReceived 16 August 2000; accepted 5 September 2000摘要气象数据收集系统是基于一个 80C32 单片机实现的，它隔一定时间（时间可由编程设定从一分钟到一个小时不等）同时扫描十个传感器。每一天收集的数据都储存在一个可移动的、非挥发性的随机存储器暗合中，然后数据被传送到一个更强处理能力的计算机上。这个系统是灵活的，且很容转移。它曾被用于去监测位于 Tizi Ouzou 附近一个地点温室的香蕉的生长。结果显示，
3、香蕉的产量在相对湿度和温度（在 25 度附近变化）达到较高值时产量最大。1、 简介在气象站，经常要做不同的测量来及时地反映天气。他们主要通过观察地球表面的日射量、空气温度、大气压、湿度、降雨量、风速和风向。得到的数据然后被各个领域利用，像太阳能转化，水文地理学和农学。大约有 50 个气象站遍布在阿尔及利亚，但是他们并没有覆盖整个国家。其中部分气象站仍旧按照条例和冗长的程序来工作。再者，每天在偏远的地方管理气象站是很难的，譬如那些坐落在撒哈拉沙漠或者阿忒拉斯和霍加山脉的。因此利用电子系统来是实验自动化将在这样的地方收集气象数据变得更加容易。今天，单片机设备被用于收集气象数据，并且大部分都是为太阳
4、能应用精心设计的1-5.例如，一个基于单片机运用的微机系统，其致力于日射数据的收集，这样的一个系统曾被Peterson 和 Lehman 在 1985 年4构造出来过。更近一点， Thomas et al. 也建立过基于太阳发光监视器的微处理器5。这样的系统收集的数据通常被记录在磁带或者硬盘上。然而，现在在可移动存储器上存储已经成为可能6。除此之外，最近新的集成电路已经在市面上出现，这种电路能实时处理信号，并且成本很小。这些电路就是单片机，也就是集合了所有外围电路的微处理器的集成7。我们的实验室曾设计出一个基于单片机得气象数据手机系统。这个系统在下面的章节中有介绍，他能单独运作一个月。然后这样
5、记录下来的数据被携带在一个非挥发性随机存储器暗盒中，通过 RS232 传输到一个私人电脑中。这个系统的实验在一个 Tizi Ouzou 附近偏远的农场的温室中进行。它也被用来检测香蕉的成长。在这样的实验中，开始获得的数据也同时被呈现出来了。2. 大致描述我们的系统通过图片 1 的结构图表示出来了。它主要由几个输入放大器，一个八角的多路复用卡，一个因特尔 80C32 单片机，一个装备有可移动非挥发性随机存储器暗盒，一个文字数字的显示器和键盘。单片机通过多路复用卡从八个输入端接收传感器信号，并直接与另外两个输入相连。接着数据收集系统能同时和十个传感器相连。它的主要工作模式包括在 NOVRAM 暗盒
6、中储存数据，直到其装满为止，还包括等待直到其从系统中移除，并且用一个空的替换它。接着那个装满的 NOVRAM 暗盒从实验地点带到实验室，插入如图二所表述的读数卡。最后，数据通过 Centronics 接口被传送到一个私人电脑（如图 1） 。数据收集系统也能进行实时工作。在这种情况下，数据是通过 RS232 口从单片机传送到电脑的。作为一个选择，它也能和路由器和数据挖掘机链接。由于它必须在偏远的地区独立工作，因此由一个光电模块与电池耦合来为其供电。3、电子电路3.1、 状态电路设计输入放大器的方案的选择取决于所选用的传感器。在日射量测量的情况中，图 3 所描述的电路是用于调试来自 Kipp 和
7、Zonen 日射强度计的信号。遵循厂家的技术要求，这样一个仪器的灵敏度是 6.5 uV 每瓦每平方米。简单的说，从日射强度计的输出所获得的信号被放大、集成，然后和参照电压 4.08 伏直流电压相比较。当比较器输入端的信号达到这个电压，74LS123 单稳态多频振荡器被释放，并且 FET（场效应晶体管）达到饱和，导致积分器电容的放电。这样的循环一直持续着，使得整个电路输出端的脉冲上扬。每个脉冲表示 100J 每平方米，脉冲的数量和日射量成比例。然后这个数字被单片机计算处理（见 图 1）。像图 4 所表述的一样，从摇摆的雨量计获得的脉冲和降雨率通过一个电极电路传送到单片机（移除所有的负脉冲），一个
8、光耦合器和一个运行放大器。图 5 的电路表示空气湿度的测量。它主要由等于在 0 摄氏度的时候 100 欧的 PT100 白金电阻，并且随着温度成比例变化。（也可以利用 Allen-Bradley 电阻）。这个电阻有一个恒定的电流通过。因此，电阻的电压降与温度成比例。然后这个电压被放大并和参照电压相比较，因此输出信号的变化范围能覆盖从 0 摄氏度到 55 摄氏度的温度变化。温度电路的输出连接在多路复用卡的八个输入之一上（如图 1）。对于别的气象传感器类型，输入放大器是基于同样的电路方案。拿湿度测量的情况来说，信号由一个半导体传感器收集，然后应用到提供方波的 Clapp 振荡器的输入端（如图 6）
9、。3.2 多路复用卡如图 7 所示，多路复用卡由一个 CD4051 和两个 CD4052 多路复用器（分别用 MUX-1，MUX-2 和 MUX-3 表示），两个弛张振荡器和一个电压频率转换器（VFC）组成。MUX-1 按顺序选择由八个不同气象传感器产生的信号。在 MUX-1 输出端获得的信号的序列由 MUX-2 芯片信号分离。然后他们要么直接或者根据所用传感器的型号通过如图 7 所示的三个器件中的一个被输送到 MUX-3 复用器。弛张振荡器由 TL084 运算放大器，用于将容性传感器的变化转化成频率的变化。同样地，NE555 弛张振荡器使得电阻传感器（如热敏电阻器）的变化转化成频率变化成为可
10、能。电压频率转换器是基于一个 AD537 芯片，为了使其针对 0 到 10 伏变化的输入信号，由这个设备产生的信号的频率通常选择在 0 到100Hz。风速计能兼容电压/ 频率的转化。然而电压频率转换器的使用是特别针对那些远离数据收集系统的气象传感器的情况的，产生的微弱信号随时间慢慢变化。在相对湿度的测量中，相关调控电路产生的脉冲直接通过 MUX-1 和 MUX-2 被传送到 MUX-3。.3.3 处理卡如图 1 所示的方案，处理卡由带有简易缓冲和寻址设备的 80C32 单片机制成。原则上，单片机是由一个中央处理单元（CPU）、一个计时器、输入/输出（I/O）电路，一个串行接口和一个 256 字
11、节的内部随机存储器(RAM)组成。80C32 单片机由一个 12 兆赫兹晶体驱动。计时器由三个独立的计数器组成。其中一个（To 接口）与多路复用器电路的输出相连，另外两个（T2 和 INTo 接口）用于分别记录集和日射量得测量和降雨率。处理卡的外部存储单元由一个 27C64 可擦拭编程只读存储器和插入卡中的两个 48Z04 非挥发性随机存储器暗盒。这也就意味着它的容量是 8Kbytes 的可擦拭的只读存储器和 4Kbytes 的非挥发性地随机存储器之和。4. 系统的软件部分单片机由汇编语言编程。系统的软件是根据下面的子程序组织的。 初始化和计时子程序：单片机的时钟被初始化，两个相邻的测量的时间
12、间隙被测出来了。 构造子程序：数据收集系统的构造是根据所使用的传感器的数量和型号，外围设备，同一个传感器的两个相邻测量的时间间隙和数据收集系统的工作模式。 非挥发性随机存储器寻址子程序：最初收集时间，日期和当地时间（分和小时）被储存在 NOVRAM 的第一个地址。 数据收集子程序：产生一系列的专用的窗口。 数据转移子程序：这个子程序对数据收集系统，外部设备和辅助电脑。5. 实验部分数据收集系统已经在一个设置在偏远的距离 Tizi Ouzou 西部(阿尔及利亚)20 千米的农场的正方形温室中测试，并且主要用于检测香蕉的生长。实验的目的是选择可以用做温室检测的气象参数。所说的温室 40 米宽，7
13、米高，由一个电镀的钢铁结构覆盖有 200 微米透明的聚乙烯薄膜构成。它有一个锥形顶，4 个垂直的侧墙和两个分别朝南和朝北的门。地基每年由黏土和沙性土壤和肥料混合而成。在有利的气象条件下，一棵香蕉树在长出香蕉之前要生长九个月。在收获所有的香蕉后，香蕉树被砍掉并且一个新的来代替他。考虑到这些生长条件，温室中在不同时期种植了 600 威廉香蕉树，温室中采用滴水浇灌。在适当的时候同时打开两张门，从而实现了对口通风。在夏天，温室会更经常地通风并且水也定时在室内喷洒。从1998 年 7 月到 1999 年 7 月为了观测香蕉的生长，户外和户内的温度、相对湿度和日射两量每五分钟就通过数据手机系统进行测量。室
14、内温度的测量是通过测量温室顶部和地表三个点（中间和两个各门附近）来实现。测量日射强度的日射强度计被平放在温室的附近。根据所用的传感器，通过数据收集系统所得到的测量精度从 0.1%到 2%之间变化。图 8-10 阐述了测量的方法，图中包括在 1998 年 10 月一个典型的天气中所获得的不同的温度，相对湿度和日射量，图便是根据每小时的基础上绘制。如图 8 所示，内部温度纵比周围温度要高，主要是因为温室效应。图 9 表明相对湿度在温室内超过了 80%，除了在下午该值是将近 70%。由此观测到的相对湿度的降低主要是因为温度的升高。从图 10 的所示中，我们能推断出，在 1998 年 10 月 12
15、日，地表所接受的纵的日射量是 3.2KWh 每平方米。总的来说，进入温室的日射比例取决于太阳在空中的位置、形状和温室的尺寸、聚乙烯覆盖膜的光学特性以及植物和土壤的反射率。让我们用 Q0，Ap 和 A0 分别表示在温室外部测得的总的日射量，聚乙烯膜的反射系数和植被表明的反射系数。在香蕉植被的情况下，香蕉树叶很大，并且几乎覆盖了所有的温室地表。因此，植物吸收的日射量大致等于：Q=Q0 (1-ap)(1-a0). (1)为了简化，由于温室内的热能交换和日射散射产生的影响因素在这个方程中被忽略了。根据 Hasson8的实验数据，输入温室内得纵的日射量比例不超过百分之 70%，并且叶子的反射系数等于 0
16、.3 。从方程(1), 可以看出，1998 年 10 月 12 日香蕉树吸收的入射能量(Q) 正是1.6kWh 每平方米。 这个值就是整个日射量，而日射量对温室内物体温度、土壤水分蒸发蒸腾损失总量和光合作用起促进作用。威廉香蕉适合在潮湿的，温度变化在 9 度到 38 度得环境中生长。在 1998/99 时期，每两个月就要产大约 10 捆（每捆重大约 45Kg）香蕉。然而，也观测到过例外。例如，内部温度在二月可能低于 9 度，在七月和八月高于 38 度。在这些月份中，香蕉生长缓慢且产量下降。香蕉的最佳生长环境是从 1998 年 9 月到 10 月。这段时期，内部温度在 25 度附近变化，相对湿度
17、接近 80%，香蕉产量达到最大，香蕉捆数也达到了 60 捆。6. 结束语在 1998/99 期间的记录情况，数据收集系统长期独立工作，没有故障。得到的数据库是经过可靠的精确的测量获得的相对湿度、日射量和温室内外的温度。通过对数据的分析和香蕉的生长表明温室内部温度必须设定在 25 度附近来增加产量。在冬天，内部温度有时候低于 9 摄氏度，温室吸收的太阳能不足够使得其变暖。在夏天，天气太热，内部温度通常高于 38 摄氏度。为了保证温度在 25 摄氏度附近，最近我们给数据手机系统加了一个温度调节器（如图 1 所示）这个卡控制着一个加热器或者一个警铃。当内部温度低于 9 摄氏度时候，加热器自动启动，热
18、空气被吹进温室。相对的，如果温度高于 38 摄氏度，警铃启动。在这种情况下，温室必须通风冷却。除了这些防御措施，温室内部温度有时候与 25 摄氏度相差较大。主要是因为有些实验地点气候条件比较严峻。正像课本中所描述的一样，在极度严峻的气候条件下，适当的覆盖材料和技术能帮助解决温室的温度调控问题。9-11。例如， Kurata10研究了一个菲涅耳棱镜温室屋顶。他证明了这样的借口增加了冬天温室的穿透性并使其再夏天降低。Singh 和 Dhaulakhandi11 用一个额外的褐色塑料薄膜盖住温室来减少冬天的热量散失。在十分炎热的夏季，我们用一块白的覆盖物来限制我们研究的温室的太阳能摄入。例如，在极度
19、恶劣的气候环境中，在聚乙烯上叠加塑料薄膜的技术似乎能改善温室的温度调控功能。因此，进一步研究额外覆盖物来减少冬天热量散失和夏天热量摄入变得更加有意义。参考文献1 Katz P. Digital control using microprocessors. London: Prentice Hall, 1981.2 Lesea A, Zaks R. Microprocessor interfacing techniques. Berkeley (CA): Sybex, 1977.30 S. Ameur et al. / Renewable Energy 24 (2001) 19303 Nicho
20、ls EA, Nichols JC, Musson KR. Data communications for microcomputers. New York:McGraw Hill, 1982.4 Peterson C, Lehman P. An inexpensive microcomputer system for solar radiation data collection.Solar Energy 1985;34:1812.5 Thomas A, Ganesan A, Mujeeb SA. Solar irradiance monitor. Renewable Energy1993;
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