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当前，我国农业生产正由“资源依存型”向“科技依存型”转变，提高作物产量和质量是农业生产所面临的重大问题。一般而言，作物产量的90％以上来自光合作用，因此，加强农作物光合作用的研究，提高光能利用率具有十分重要的意义。由于光合作用研究的是活的有机体，光合速率受光照、温度、CO2浓度、营养状况、叶龄等因素的影响而有很大变动，因此，测定方法应快速、准确且操作方便；此外，光合测定一般是在野外的环境中进行，测定仪器应体积小、重量轻、便于携带，而且对测定数据可以进行分析、存储和打印。因此，光合测定仪的发展方向是多功能、智能化、便携式、低功耗以及人机交互界面友好。
本文以C8051F高速单片机作为处理器，介绍新型智能光合测定仪的设计。
1 系统结构和功能
植株光合作用有四种测定状态，分别是单叶闭路、单叶开路、群体闭路、群体开路。光合测定的主要目的是通过对
浓度、空气温度TC、叶片温度TL、湿度RH和光照强度PAR的测定和转换，再计算出反映光合作用的四项技术指标：光合速率、蒸腾速率、水分利用率和气孔导度，以便对作物的生长情况进行科学的分析和判断。光合测定仪的系统结构如图1所示。它主要包括主控制器、键盘、人机界面、数据采集、打印和电源等部分。光合测定仪的主要功能有以下几方面：
(1) 可同时采集5路模拟输入量，A/D转换精度在12位以上；
(2) 人机操作界面友好，显示信息丰富，中、英文操作界面可选；
(3) 键盘具有设置参数、修改数据、选择操作命令等功能；
(4) 具有高速数据运算、分析、存储和管理功能；
(5) 可根据需要在工作现场实时打印数据，便于分析研究；
(6) 具有与PC机通信进行数据传送的功能。
2 硬件系统设计
2.1、主控制器
根据测试仪器小体积、低功耗、高可靠性、低成本的设计要求，主控制器选用Cygnal公司C8051F020高速单片机。C8051F020单片机突出的特点是高速指令处理能力，它采用CIP-51微控器内核，与MCS-51指令集完全兼容，在系统时钟频率25MHz工作时，峰值速度可达25MIPS。此外，C8051F020除具有标准8051的数字外设部件之外，它还内嵌了多通道12位A/D、D/A和2个增强型UART串口。该单片机还集成了4KB RAM存储器和64KB Flash以及外部数据存储器接口、可编程增益放大器、电压比较器、电压基准、温度传感器、看门狗定时器及电源监视器等部件，比常规51单片机有更多的定时计数器、中断、数字I/O接口。
C8051F020配置了标准的JTAG接口。在上位机软件的支持下，通过串行的JTAG接口可直接对安装在最终应用系统上的单片机进行非侵入式、不占用片内资源、全速在线的调试，无需另配置编程器和仿真器。
2.2、数据采集与存储
光合测定需要采集的5路模拟输入量，经信号调理转换、滤波后送入C8051F020内置的12位A/D转换器进行采样。图2所示是其中的温度、湿度A/D转换接口电路原理图。由于传感器输出的信号电压是0－5V，而单片机A/D转换工作电压是0－2.5V，因此通过R12和Rv20的分压进行电压调整。在调理过程中，可能出现负压或高压，二极管D15阴极接+3V作为高压保护，当转换后的电压超过3V时，将其保护到3V。D16阳极接地作为低压保护，当转换后的电压低于0V时，将其保护到0V。C8和R12构成RC滤波电路。其它三个模拟量的A/D转换电路与此相同。
AT45DB081采用了基于SPI总线的串行输入和串行输出的操作方式，数据的读写只需通过C8051F020的P0.3和P0.4进行，外围电路非常简单。
此外，由74HC573锁存器和SRAM 存储器IS62LV1024也扩展了1MB 的存储区。C8051F020的P7口作为数据地址复用线，P7口作为地址线时输出的低八位地址由D触发器74HC573锁存，而C8051F020的P6口输出高八位地址。P7口作为数据线时，通过片选使能输入CE2、/CE1和读使能/OE、写使能/WE对IS62LV1024的控制，即可实现P7口对IS62LV1024的数据读写。
2.3 时钟电路
为了获取各次采样时间、当前时间以及便于对历史数据的管理。采用高精度实时时钟芯片S-3530A获取年、月、日、时、分、秒的时钟信息。S-3530A 内置晶振、电压检测电路和稳压电路等，并支持 总线，从而简化了电路设计。
2.4 液晶显示
由于光合测定仪要求显示信息丰富、中英文菜单操作方便，而且功耗低。因此，显示采用了以SED1335作为驱动器的320×240单色模块M320240。SED1335的LCD接口可直接与M320240相连，而与C8051F020单片机的接口是把SED1335配置为Intel8位总线模式，采用把C8051F020的P3口与SED1335数据线DB0-DB7相连的直接访问方式。
2.5 串行接口电路
为简化电路设计，数据打印输出采用了通用的串行接口电路。C8051F020单片机内部集成了两个通用串行同步/异步模块USART0和USART1，均支持两种不同的串行协议，即通用异步协议(USART协议)和同步协议(SPI协议)。本文采用USART协议，通过RS232接口芯片MAX3221E与打印机通信。该串行接口也可不接打印机而直接与PC机通信。
其它电路还有把C8051F020的P1.0-P1.7口线搭接成4×4矩阵式按键接口，有10个数字键和6个功能键。为保持系统的稳定可靠运行和便于在野外环境下使用，采用了5节NiMH D7500mAh的大容量充电电池供电。
3 软件设计
软件设计采用模块化编程结构，可分为主程序、数据采集与处理程序、LCD显示程序、按键扫描和获取程序、时钟芯片读写程序、串行通信程序。所有程序均采用C语言编写，可以方便地调试和下载程序代码。主程序流程如图3所示。
图3 主程序流程图
主程序主要完成C8051F020单片机系统的初始化、设置系统时钟，调按键处理和显示程序，根据读取按键所选择的菜单上的功能选项调用相应的子程序。
LCD显示子程主要完成各项功能菜单的显示，包括开机界画、中英文操作系统选择、用户设置、模式选择、数据采集与处理、结果输出、确认与修改和显示结果等。
按键扫描和获取子程序完成按键的读取，进而通过相应程序模块的调用完成按键所代表的功能。用户设置子程序主要完成时间、日期、用户名、起始样品号的设置。
数据采集与处理程序完成对浓度、空气或叶片温度、湿度、光照强度的测量和转换，并计算出光合速率、蒸腾速率、水分利用率、气孔导度及相应的平均值和标准差。
同时，还可将A/D采样和计算得到的数据进行存储，用户可根据需要进行浏览、打印和删除数据。
串行通信程序完成数据的打印输出或与上位机PC的数据传输。
4 结束语
基于8051F020单片机的光合测定仪功耗低、体积小、重量轻，便于携带，很适合野外工作现场的使用；由于采用了LCD图形液晶显示方式，界面友好、显示信息丰富、操作方便；可以在现场进行测量数据的打印输出，分析研究方便；使用实践证明，测量仪器稳定性好，测量精度高，完全满足了光合测定分析研究的需要。
本文以C8051F高速单片机作为处理器，介绍新型智能光合测定仪的设计。
1 系统结构和功能
植株光合作用有四种测定状态，分别是单叶闭路、单叶开路、群体闭路、群体开路。光合测定的主要目的是通过对
浓度、空气温度TC、叶片温度TL、湿度RH和光照强度PAR的测定和转换，再计算出反映光合作用的四项技术指标：光合速率、蒸腾速率、水分利用率和气孔导度，以便对作物的生长情况进行科学的分析和判断。光合测定仪的系统结构如图1所示。它主要包括主控制器、键盘、人机界面、数据采集、打印和电源等部分。光合测定仪的主要功能有以下几方面：(1) 可同时采集5路模拟输入量，A/D转换精度在12位以上；
(2) 人机操作界面友好，显示信息丰富，中、英文操作界面可选；
(3) 键盘具有设置参数、修改数据、选择操作命令等功能；
(4) 具有高速数据运算、分析、存储和管理功能；
(5) 可根据需要在工作现场实时打印数据，便于分析研究；
(6) 具有与PC机通信进行数据传送的功能。
2 硬件系统设计
2.1、主控制器
根据测试仪器小体积、低功耗、高可靠性、低成本的设计要求，主控制器选用Cygnal公司C8051F020高速单片机。C8051F020单片机突出的特点是高速指令处理能力，它采用CIP-51微控器内核，与MCS-51指令集完全兼容，在系统时钟频率25MHz工作时，峰值速度可达25MIPS。此外，C8051F020除具有标准8051的数字外设部件之外，它还内嵌了多通道12位A/D、D/A和2个增强型UART串口。该单片机还集成了4KB RAM存储器和64KB Flash以及外部数据存储器接口、可编程增益放大器、电压比较器、电压基准、温度传感器、看门狗定时器及电源监视器等部件，比常规51单片机有更多的定时计数器、中断、数字I/O接口。
C8051F020配置了标准的JTAG接口。在上位机软件的支持下，通过串行的JTAG接口可直接对安装在最终应用系统上的单片机进行非侵入式、不占用片内资源、全速在线的调试，无需另配置编程器和仿真器。
2.2、数据采集与存储
光合测定需要采集的5路模拟输入量，经信号调理转换、滤波后送入C8051F020内置的12位A/D转换器进行采样。图2所示是其中的温度、湿度A/D转换接口电路原理图。由于传感器输出的信号电压是0－5V，而单片机A/D转换工作电压是0－2.5V，因此通过R12和Rv20的分压进行电压调整。在调理过程中，可能出现负压或高压，二极管D15阴极接+3V作为高压保护，当转换后的电压超过3V时，将其保护到3V。D16阳极接地作为低压保护，当转换后的电压低于0V时，将其保护到0V。C8和R12构成RC滤波电路。其它三个模拟量的A/D转换电路与此相同。
AT45DB081采用了基于SPI总线的串行输入和串行输出的操作方式，数据的读写只需通过C8051F020的P0.3和P0.4进行，外围电路非常简单。
此外，由74HC573锁存器和SRAM 存储器IS62LV1024也扩展了1MB 的存储区。C8051F020的P7口作为数据地址复用线，P7口作为地址线时输出的低八位地址由D触发器74HC573锁存，而C8051F020的P6口输出高八位地址。P7口作为数据线时，通过片选使能输入CE2、/CE1和读使能/OE、写使能/WE对IS62LV1024的控制，即可实现P7口对IS62LV1024的数据读写。
2.3 时钟电路
为了获取各次采样时间、当前时间以及便于对历史数据的管理。采用高精度实时时钟芯片S-3530A获取年、月、日、时、分、秒的时钟信息。S-3530A 内置晶振、电压检测电路和稳压电路等，并支持 总线，从而简化了电路设计。
2.4 液晶显示
由于光合测定仪要求显示信息丰富、中英文菜单操作方便，而且功耗低。因此，显示采用了以SED1335作为驱动器的320×240单色模块M320240。SED1335的LCD接口可直接与M320240相连，而与C8051F020单片机的接口是把SED1335配置为Intel8位总线模式，采用把C8051F020的P3口与SED1335数据线DB0-DB7相连的直接访问方式。
2.5 串行接口电路
为简化电路设计，数据打印输出采用了通用的串行接口电路。C8051F020单片机内部集成了两个通用串行同步/异步模块USART0和USART1，均支持两种不同的串行协议，即通用异步协议(USART协议)和同步协议(SPI协议)。本文采用USART协议，通过RS232接口芯片MAX3221E与打印机通信。该串行接口也可不接打印机而直接与PC机通信。
其它电路还有把C8051F020的P1.0-P1.7口线搭接成4×4矩阵式按键接口，有10个数字键和6个功能键。为保持系统的稳定可靠运行和便于在野外环境下使用，采用了5节NiMH D7500mAh的大容量充电电池供电。
3 软件设计
软件设计采用模块化编程结构，可分为主程序、数据采集与处理程序、LCD显示程序、按键扫描和获取程序、时钟芯片读写程序、串行通信程序。所有程序均采用C语言编写，可以方便地调试和下载程序代码。主程序流程如图3所示。
图3 主程序流程图
主程序主要完成C8051F020单片机系统的初始化、设置系统时钟，调按键处理和显示程序，根据读取按键所选择的菜单上的功能选项调用相应的子程序。
LCD显示子程主要完成各项功能菜单的显示，包括开机界画、中英文操作系统选择、用户设置、模式选择、数据采集与处理、结果输出、确认与修改和显示结果等。
按键扫描和获取子程序完成按键的读取，进而通过相应程序模块的调用完成按键所代表的功能。用户设置子程序主要完成时间、日期、用户名、起始样品号的设置。
数据采集与处理程序完成对浓度、空气或叶片温度、湿度、光照强度的测量和转换，并计算出光合速率、蒸腾速率、水分利用率、气孔导度及相应的平均值和标准差。
同时，还可将A/D采样和计算得到的数据进行存储，用户可根据需要进行浏览、打印和删除数据。
串行通信程序完成数据的打印输出或与上位机PC的数据传输。
4 结束语
基于8051F020单片机的光合测定仪功耗低、体积小、重量轻，便于携带，很适合野外工作现场的使用；由于采用了LCD图形液晶显示方式，界面友好、显示信息丰富、操作方便；可以在现场进行测量数据的打印输出，分析研究方便；使用实践证明，测量仪器稳定性好，测量精度高，完全满足了光合测定分析研究的需要。