基于C8051F020單片機的小型農業(yè)氣象儀

1 農業(yè)氣象儀儀器特點
1.1 農業(yè)氣象儀采用功能強大的C8051F020單片機
    C8051F020單片機是Cygnal公司推出的完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片(SOC),具有與8051指令集完全兼容的CIP-51內核。它在一個芯片內集成了一個單片機數據采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有的模擬和數字外設及其它功能部件。這些外設或功能部件包括:2個多通道ADC子系統(tǒng)(每個子系統(tǒng)包括一個可編程增益放大器和一個模擬多路選擇器)、2個電壓輸出DAC、2個電壓比較器、電壓基準、SMBusPI2C總線接口、2個UART、SPI總線接口、5個通用的16位定時器、一個具有5個捕捉P比較模塊的可編程計數器P定時器陣列(PCA)、內部P外部振蕩器、8個8位通用數字IPO端口和64KB FLASH程序存儲器。CIP-51與標準的8051結構相比,指令執(zhí)行速度有很大的提高。70%指令的執(zhí)行時間為1個或2個系統(tǒng)時鐘周期,只有4條指令的執(zhí)行時間大于4個系統(tǒng)時鐘周期。CIP-51工作在最大系統(tǒng)時鐘頻率為25MHz時,它的峰值速度達到25MIPS。
    C8051F020實現(xiàn)了片內模擬與數字電路的3V供電標準(電壓范圍為2.7~3.6V),大大降低了系統(tǒng)功耗。完善的時鐘系統(tǒng)可以保證系統(tǒng)在滿足響應速度要求下,使系統(tǒng)的平均時鐘頻率達到最低。因此,C8051F020具有極佳的最小功耗系統(tǒng)設計環(huán)境。
1.2 農業(yè)氣象儀功能齊全,界面友好
    小型氣象站具有系統(tǒng)自檢、參數裝訂、清除裝訂、傳感器測試、大風報警等功能。氣象儀采用320@240點陣的液晶顯示器顯示實時氣象信息,同時通過串口向計算機發(fā)送這些數據。
2 系統(tǒng)的硬件設計
    小型農業(yè)氣象儀的原理框圖如圖1所示。

2.1 電源設計
    為保證農業(yè)氣象記錄儀工作穩(wěn)定可靠,在單片機的前端通道(風速、風向串行信號輸入)和后端通道(422信號輸出)均加光電隔離,故設備采用雙+5V開關電源,其中一路+5V給各傳感器、濾波、整形和電平轉換電路供電。由于C80512F020需要3.3V供電電壓,采用低壓差穩(wěn)壓器TPS7333將另一路+5V轉換為3.3V輸出。另外采用電壓基準源AD584產生APD轉換所需要的2.5V的基準電壓。
2.2 傳感器信號處理
    風速信號是脈沖信號,經過濾波、驅動和光隔后送到MCU的計數器T0。風向信號是一組電流信號,加100K排阻將其轉變?yōu)椴⑿虚_關量,再用施密特觸發(fā)器整形,經驅動和光隔后送入單片機的P2口。溫度和相對濕度信號都是4~20mA電流信號,分別加1008精密電阻后變?yōu)?.4~2V電壓信號,經過模擬放大器AD623AN放大后送入MCU。
    氣壓傳感器輸出的是0~5V電壓信號,而C8051F020要求信號電壓低于基準電壓2.5V,所以必須分壓后才能送入MCU。
2.3 串行通信接口
    C8051F020有兩個完全相同的UART[1],通過設置交叉開關控制寄存器將TX0、RX0、TX1、RX1分別連到P0.0、P0.1、P1.0和P1.1。UART0和UART1經光隔、驅動和電平轉換,成為雙向RS232接口,UART0與顯示控制單元實現(xiàn)全雙工通信。UART1將測量的氣象數據送入上位機存入數據庫。
3 軟件設計
    主程序的工作是每2s采樣一次風速和風向,向顯示控制單元發(fā)送氣象信息,并計算2min平均風速和多數風向;每10s采樣一次氣溫、相對濕度和氣壓,并計算平均值。如果顯示控制單元發(fā)出聯(lián)機請求,則進行聯(lián)機操作。
系統(tǒng)有2級中斷,UART0中斷和T3中斷。UART0中斷優(yōu)先級高于T3。當顯示控制單元發(fā)出聯(lián)機命令時,則產生UART0中斷,系統(tǒng)執(zhí)行聯(lián)機處理子程序。
    系統(tǒng)采用11.0592MHz晶振產生系統(tǒng)時鐘,用定時器T3計時,T3每50ms產生一次中斷,當產生40次中斷,即2s時執(zhí)行2s子程序;T3產生200次中斷時,即10s,系統(tǒng)執(zhí)行10s子程序。系統(tǒng)軟件流程圖見圖2。

4 結束語
    小型氣象儀研制成功后,先后做了多項試驗,包括溫度循環(huán)應力、電源拉偏等可靠性試驗;電磁兼容試驗和各項測量參數的精度標定試驗,并通過了本所的技術鑒定,現(xiàn)已安裝在國內60m海監(jiān)船上,從一年多來的使用情況看,該儀器性能穩(wěn)定,運行可靠,測量準確,取得了用戶的信任,并將在國內許多中小型民船上推廣應用。