1系统硬件设计
关于系统的硬件部分，设计重点是单片机现场控制模块以及下位机与上位机数据通信两部分。1)单片机及其外围电路的供电电源设计。由于电路输入为220V/50Hz的市电，而需要的输出为直流5V电压，因此需要对直流稳压电路进行集中设计。2)借助单片机最小控制系统，设计相关的外围控制电路，实现对被控对象控制的需要。3)温度传感器获取保鲜装置库体内部的相关数据，并经单片机实时采集显示。4)对串口通信部分进行设计，从而保证下位机现场测控模块可以与上位机(中心计算机)进行可靠的数据通信。5)设计用于测控的上位机系统，用以实时监测现场数据和控制下位机。下位机现场测控模块总体原理图如图2所示。1．1单片机介绍关于微型控制单片机的种类有许多种，选择灵活性高且物美价廉的单片机，不但能保证现场控制的相关需求，而且能实现对现场相关数据的精确采集和可靠控制。在此，选择带4k字节FLASH存储器的高性能CMOS8位微控制器AT89C51型单片机。该微处理器采用了ATMEL公司的高密度存储器技术进行制造，具有数据不易丢失的优点，并且其指令集和输出管脚与相关工业标准兼容性较好。因此，采用高效微控制器AT89C51，其物美价廉并且具有高效的处理速度，能够满足在工程应用中的相关要求。1．2直流稳压电源模块在前面已经述及，由于电路输入为220V/50Hz的市电，需要将其转化成输出为稳定的直流5V电压，因此专门为电路设计了直流稳压电源模块。该模块的整体设计结构如图3所示。左端的电源变压器对市电进行变换，调节为合适的交流电压，经过桥式整流电路3N250进行整流，将交流点变换为直流电。由于此时电源中仍还有谐波，因此借助滤波电容对其进行滤波，得到较为平稳的电压波形，最后借助LM7805模块对电源输出进行稳压。1．3库体温度测量模块DS18B20是美国DALLAS半导体公司生产的可组网数字式温度传感器传感器。其主要特点是:①单线接口方式，只需一个接口引脚即可与单片机通信;②使用中不需要任何外围元件;③测温范围－55～125℃，分辨率最大可达0．0625℃，输出为标准的单片机接入信号;②③④与单片机的连接简单可靠，外围电路大大减少，具有使用方便并且成本低的优点;⑤测量结果以9位数字量方式串行传送;⑥可用数据线供电，电压范围+3．0V～+5．5V。另外，传感器用不锈钢封装防水、防潮可靠性高。本设计中DS18B20引脚如图4所示。其中，GND为电源地;VDD为外接供电电源输入端;DQ为数字信号输入/输出端，用于把采集到的数据传递给单片机。1．4降温驱动电路单片机对采集到的库体温度与设定的保鲜温度值进行比较:当单片机采集到的库体温度值高于设定的保鲜温度值时，需要启动压缩机工作，将库体内的温度控制在设定的范围内;另一方面，当单片机采集到的库体温度低于设定的保鲜温度值时，此时需要关闭压缩机工作，使压缩机由工作状态停运，直到库体内的温度控制在设定的预定值。从以上分析可以看出:需要对压缩机的工作状态进行开关控制，而单片机的输出功率较小，不足以驱动压缩机工作。因此，需要设计相应的驱动电路，在这里选择固态继电器可以实现对压缩机的驱动控制。固态继电器是一种无触点开关，采用用隔离器件实现了单片机输出端与负载端的隔离，可以借助微小的控制信号实现对大电流负载的直接驱动。本系统中单片机28引脚输出高电平时，三极管Q2导通，驱动继电器导通，带动压缩机工作，达到降温目的。1．5显示电路借助LED数码管可以实时显示现场的温度信息。要对LED数码管进行编程，首先需要掌握LED数码管的相关工作原理。LED数码管实际上是由多个发光二极管按照一定的顺序排列组合形成的显示型器件，其接法有两种，分别是共阴极接法和共阳极接法。共阴极接法需要借助高电平进行驱动，而共阳极接法需要借助低电平进行驱动。关于数码管的数字显示，一般需要显示0～9共10个数字，当所有发光二极管全亮时，数字显示为“8”，对应于数字0～9分别进行编程，驱动相应码段的二极管，使得LED数码管显示期望的温度信息数据。数码管在单片机实际应用中大多是以动态显示的方式工作。对每个二极管的公共极增加位选通控制功能，采用独立的输入输出I/O接口进行选择，将需要显示的二极管的选通控制打开，不需要显示的关闭，就可以显示出期望的数字信息。实际中由于人的眼睛存在的视觉暂留现象，看起来仍然是静态显示。1．6串口通信模块本设计采用串行通信，串口即串行接口，现在的PC机一般有两个串行口COM1和COM2。串行口不同于并行口之处在于它的数据和控制信息是一位接一位地传送出去的。目前，人们普遍采用的单片机和PC机的通信方式仍然是ＲS－232(DB－9)串口为主。其原因是ＲS－232串口的线路简单，技术标准比较成熟，使用广泛。但在某些情况下，ＲS－232串口存在抗干扰能力差的缺点，并且由于ＲS－232串口电压较高，有时需要借助电压转换模块才可以与其它电路进行连接，给使用带来不便。如今USB接口技术取得了巨大的发展，PC机都带有若干个高速USB接口，USB接口和ＲS－232串口通信技术相比表现出极大的优越性。因此，随着USB接口技术的持续发展，USB接口通信技术大有取代ＲS－232串口通信技术的可能。USB接口通信技术和普通的ＲS－232串口通信技术相比，具有以下特点:1)USB具有即插即用的优点，可在设备运行工程中进行热插拔;而ＲS－232串口通信技术不具备这样的优点，串口安装完成后需要重启设备方可正常使用。2)USB串口通信比ＲS－232串口通信具有更高的传输速度。ＲS－232串口通信速率最高只有19～200波特率，而USB串口通信速度可达480Mbps。3)USB串口通信的使用比ＲS－232串口更方便，体积小，简单可靠。因此，本设计的串行通信模块采用USB接口实现通信。目前，常用的USB转接芯片包括PL2303、FT232、CH341及CP2101等。本设计中采用CH341为USB转接芯片，其基本引脚如图5所示。CH341T转接芯片可以与USB2．0兼容，并提供全速USB接口，需要的外围电路很少，只需配备相关的晶体和电容，成本低廉，可以满足本设计的通信要求。串口USB通信模块电路如图6所示。
2系统软件设计
系统软件设计框图如图7所示。下位机单片机采集系统首先采集温度传感器的现场数据，并经过单片机的串口将温度数据传送至上位机测控系统。上位机一方面实时显示下位机传送来的现场数据，另一方面通过与设定的要求的恒定温度进行比较:当判断得到库体内实时温度高于设定温度时，通过传输通信模块发送启动压缩机命令给下位机。下位机接收到命令之后启动压缩机进行降温，同时启动蜂鸣器进行报警提示。
3下位机与上位机通信
设计中采用USB通信模块电路完成上位机与下位机的可靠通信。串行通信程序主要包括两方面:一方面是下位机的通信程序，另一方面为上位机的通信程序。在编写程序之前，制定其双方通信协议是十分重要的，否则将无法保证通信数据的可靠性，从而失去通信的意义。对转接芯片CH341T的各接口与单片机和上位机的连接方式要相匹配，其20引脚VCC接电源供电电压5V，其7引脚UD－和8引脚UD+与USB接口的差分数据线对应连接。在电源电压为5V时，CH341T转接芯片的6号引脚V3口需要外接一退耦电容，其数值为0．01μF。CH341T的19号引脚TEN#为发送数据使能端，当该端子接低电平时有效使能。同时，CH341T转接芯片由于其硬件要求必须使用12MHz晶振，以保证正常工作。此时，单片机的晶振取为11．0592MHz，其目的是与上位机的波特率相匹配。为实现下位机和上位机的可靠数据通信，下位单片机和USB高速通信接口两者应该使用同一通信协议，并保证USB接口通信畅通。在采用汇编指令对下位单片机进行软件编程时，设置单片机的串口通信率为9600bit/s。在上位机设备管理器中，设置串口通信的波特率与下位机保持一致，当下位机每接收到一个8位数据时，将数据通过USB串口发送至上位机，实现下位机和上位机之间通过USB接口的可靠通信。
4结语
基于C51系列单片机通信技术设计了果蔬保鲜自动测控系统，完成了系统的硬件设计，包括下位机单片机现场控制模块、220V/50Hz市电转5V的直流稳压电源模块、库体温度测量模块、降温驱动电路、显示电路和通讯接口模块。同时，完成了系统的软件设计，并成功实现下位单片机系统与上位机之间的串口通信。设计的测控系统成本低、性能优，为果蔬保鲜系统的设计提供了借鉴。
作者：聂敏 吴凤娇 李启鑫 王凯 刘瑞雪 李敏 单位：西北农林科技大学 水利与建筑工程学院
