1 引言
現(xiàn)代大型溫室中，所有環(huán)境因子如室內(nèi)溫、光、氣、濕、熱、營養(yǎng)液養(yǎng)分狀況與溫度、植物根部環(huán)境溫濕度等因子的監(jiān)測、傳感、調(diào)節(jié)，都由計算機進行綜合管理，實行自動控制。但是目前我國設施農(nóng)業(yè)才剛剛起步，相當一部分溫室生產(chǎn)效益低。溫室環(huán)境調(diào)控能力和調(diào)控水平、生產(chǎn)管理水平低，仍主要是依據(jù)管理者個人經(jīng)驗和主觀感覺進行決策的粗放式管理。溫室環(huán)境調(diào)控與生產(chǎn)管理設施未完善配套，較多溫室環(huán)境監(jiān)測與控制系統(tǒng)硬件與軟件依賴國外進口。因此, 開發(fā)出符合中國國情的自動化溫室系統(tǒng), 才是解決問題的關鍵。本課題的研究目標是開發(fā)一款基于485通訊的溫室控制器，能獨立對各個溫室模塊進行控制。同時也可以和上位機進行通信，接受上位機指令對各個模塊進行控制，并把采集的數(shù)據(jù)傳給上位機。
2 設計方案
系統(tǒng)硬件以89C52為控制核心，按設計要求控制器應具有以下功能：1）采集信息（如DI, AI, 網(wǎng)絡傳感器等）；2 ）控制（能夠?qū)O, DA, 網(wǎng)絡執(zhí)行機構進行操作）；3） 根據(jù)被控對象能嵌入一定的算法；4 ）具有LCD 顯示功能（點陣）；5 ）具有報警功能；6 ）根據(jù)需要能存儲數(shù)據(jù)；7 ）有鍵盤操作功能；8）遵循RS-485 協(xié)議，能夠與其他測控模塊通訊。根據(jù)上述功能要求，本智能控制器的功能框圖如圖1 所示：

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控制器需要和485總線的各個模塊進行通信，接受各種環(huán)境參數(shù)，并通過這些模塊對溫室中的環(huán)境進行控制。上位機需要從控制器中讀取環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)并對其發(fā)送參數(shù)設定值。與總線上模塊的通信模式和與上位機的通信模式分別如圖2，圖3所

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根據(jù)以上的功能要求，本智能控制器的電路原理框圖如圖4 所示。系統(tǒng)主要由下列幾個部分組成:
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3  硬件模塊設計
    1、數(shù)據(jù)存儲模塊
    數(shù)據(jù)存儲采用AT24C64型EEPROM ，擁有8K的數(shù)據(jù)存儲量。它的尋址范圍是0000H～1FFFH。存儲的數(shù)據(jù)有時間，溫度，光照強度，濕度等。時間包括年，月，日，時，分，秒,它們是兩位數(shù)，而溫度是兩位數(shù)，光照強度是三位數(shù)，濕度是兩位數(shù)，PH值要有四位數(shù)，CO2濃度也是四位數(shù)。由于數(shù)字要用ASC碼來存儲，所以一位數(shù)就要占一個字節(jié)，總共27個字節(jié)順序存儲。讀取時，嚴格按照每個參數(shù)的位數(shù)進行。要讀取指定參數(shù)的值，可通過計算它的存儲字節(jié)地址來讀取。
2、時鐘模塊
時鐘模塊采用DS1302,作為控制器的日歷時鐘。其主要特點是使用簡單，接口容易，與計算機連線少，還可以對實時時鐘備份電池進行慢速充電。DS1302內(nèi)部具有實時時鐘，日歷和用戶可用RAM。通過一個簡單的串行口與微機通信，時鐘可由用戶決定是以24小時制式或12小時制式工作。
時鐘模塊控制采樣的時間，按照一定的時間間隔，命令采樣系統(tǒng)工作，并把采樣的時間和采樣的結果一同存入數(shù)據(jù)存儲器中，再由上位機讀出。 
3、顯示與鍵盤
顯示采用LCM045，LCM045為4 位多功能通用型液晶顯示模塊,內(nèi)含看門狗(WDT)/時鐘發(fā)生器,2 種頻率的蜂鳴驅(qū)動電路,內(nèi)置顯示RAM ,可顯示任意字段筆劃,3-4 線串行接口,可與任何單片機接口、IC 接口，低功耗特性；顯示狀態(tài)50μA(典型值)， 省電模式<1μA ，工作電壓2.4～ 5.2V， 視角對比度可調(diào)，顯示清晰,穩(wěn)定可靠,使用編程簡單?？刂破饕婚_機就能顯示小時和分，這要靠讀取時鐘芯片的值。當按下功能鍵就要開始顯示各個環(huán)境參數(shù)的值，這些值要從數(shù)據(jù)存儲器當中讀取，并用上下鍵來移動數(shù)據(jù)，查看記錄。
鍵盤采用獨立式按鍵，共有四個鍵，包括功能鍵，上、下鍵，復位建。當按下功能鍵時，進入鍵盤中斷，對鍵盤命令進行處理。功能鍵的作用是切換當前顯示的環(huán)境參數(shù)，決定顯示的是溫度，濕度，光照強度等。上、下鍵的作用是查看當前顯示的環(huán)境參數(shù)的歷史紀錄。復位建就是使整個系統(tǒng)回到初始狀態(tài)。
4、串口擴展
由于控制器要分別與上位機和下位機進行通信，而89c52只有一個串口，所以必須再擴展一個串口滿足需要。8251是一個將并口擴展為串口的芯片，用其作為串口擴展芯片可以實現(xiàn)與485的通信。
  8251是把并口p0擴展為串口，所以將p0口接在8251的D0-D7上。用74LS373作為地址鎖存器，可以對8251進行尋址。由于接收器準備好信號RXRDY高電平有效，所以為了產(chǎn)生中斷，接了一個非門芯片7404。波特率發(fā)生器是電路中極其重要的部分，CD4040芯片的最低分頻數(shù)為1，也就是說可以把頻率分為1/2。晶振采用2.4576M有緣晶振。有緣晶振無需外圍電路，通電即可起振。把晶振產(chǎn)生的頻率輸入CD4040。將頻率分為1/2后接到工作時鐘CLK，分為1/27后變成19200hz作為輸入輸出時鐘。8251與89c52連接的硬件原理框圖如圖5所示：

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4 控制器軟件設計
   在單片機軟件開發(fā)過程中, 編制的程序要合理使用各種中斷機制。本系統(tǒng)就控制算法來說,有實時性要求, 任務復雜:有中斷、定時任務、循環(huán)執(zhí)行任務等, 并且人機交互操作還通常會動態(tài)地改變程序的運行模式, 尤其是人機界面——液晶的顯示輸出需要占用大量CPU 時間, 與此同時又不允許丟失重要的數(shù)據(jù)。還要隨時準備向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)。因此,需要綜合采用消息機制與狀態(tài)轉移法來統(tǒng)一地處理好CPU 的任務安排。
在中斷服務程序中, 向主程序的消息隊列添加相應的消息, 來達到將中斷服務程序中的數(shù)據(jù)處理部分分離出來的目的。本系統(tǒng)主要有兩個中斷：上位機中斷和鍵盤中斷。中斷服務程序返回主程序后, 主控程序只處理消息循環(huán), 判斷并為消息處理對象發(fā)送所需處理的消息, 而接受消息的對象則以消息響應函數(shù)的方式出現(xiàn), 當接收到主程序發(fā)來的消息后, 消息響應函數(shù)獲得控制權, 做完相應的處理后將控制權交還給主程序繼續(xù)消息循環(huán)的處理。用戶的輸入及對象的請求僅是向消息隊列中添加相應的消息。
主控程序還需要查詢消息隊列也就是時間,根據(jù)時間的不同, 調(diào)用相應的消息處理函數(shù), 在本系統(tǒng)中, 時間表現(xiàn)為一個變量, 通過給該變量置不同值來反映不同的消息。對于由中斷觸發(fā)的消息, 由于消息處理函數(shù)已經(jīng)脫離了中斷處理過程, 所以系統(tǒng)對消息處理不再象中斷服務程序那樣, 在時間上有十分苛刻的要求; 同時, 在消息處理過程中, 用戶仍可通過鍵盤中斷來與系統(tǒng)進行交互。
5  結束語
本項目是一個自動化技術與農(nóng)業(yè)結合的課題, 以89c52 單片機為核心的嵌入式控制器，通過8251擴展一個串口后和單片機原有的串口一起分別和上位機和下位機通訊，從下位機收集到的數(shù)據(jù)先存入數(shù)據(jù)存儲器，在接收到上位機的命令后再把數(shù)據(jù)傳到上位機進行管理。并在控制器上加入鍵盤和顯示的功能，能控制器能直接控制下位機。該控制器結構合理, 經(jīng)濟實用, 具有較高的推廣價值。