基于C8051F020单片机的小型农业气象仪

1 农业气象仪仪器特点
1.1 农业气象仪采用功能强大的C8051F020单片机
    C8051F020单片机是Cygnal公司推出的完全集成的混合信号系统级芯片(SOC),具有与8051指令集完全兼容的CIP-51内核。它在一个芯片内集成了一个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有的模拟和数字外设及其它功能部件。这些外设或功能部件包括:2个多通道ADC子系统(每个子系统包括一个可编程增益放大器和一个模拟多路选择器)、2个电压输出DAC、2个电压比较器、电压基准、SMBusPI2C总线接口、2个UART、SPI总线接口、5个通用的16位定时器、一个具有5个捕捉P比较模块的可编程计数器P定时器阵列(PCA)、内部P外部振荡器、8个8位通用数字IPO端口和64KB FLASH程序存储器。CIP-51与标准的8051结构相比,指令执行速度有很大的提高。70%指令的执行时间为1个或2个系统时钟周期,只有4条指令的执行时间大于4个系统时钟周期。CIP-51工作在最大系统时钟频率为25MHz时,它的峰值速度达到25MIPS。
    C8051F020实现了片内模拟与数字电路的3V供电标准(电压范围为2.7~3.6V),大大降低了系统功耗。完善的时钟系统可以保证系统在满足响应速度要求下,使系统的平均时钟频率达到最低。因此,C8051F020具有极佳的最小功耗系统设计环境。
1.2 农业气象仪功能齐全,界面友好
    小型气象站具有系统自检、参数装订、清除装订、传感器测试、大风报警等功能。气象仪采用320@240点阵的液晶显示器显示实时气象信息,同时通过串口向计算机发送这些数据。
2 系统的硬件设计
    小型农业气象仪的原理框图如图1所示。

2.1 电源设计
    为保证农业气象记录仪工作稳定可靠,在单片机的前端通道(风速、风向串行信号输入)和后端通道(422信号输出)均加光电隔离,故设备采用双+5V开关电源,其中一路+5V给各传感器、滤波、整形和电平转换电路供电。由于C80512F020需要3.3V供电电压,采用低压差稳压器TPS7333将另一路+5V转换为3.3V输出。另外采用电压基准源AD584产生APD转换所需要的2.5V的基准电压。
2.2 传感器信号处理
    风速信号是脉冲信号,经过滤波、驱动和光隔后送到MCU的计数器T0。风向信号是一组电流信号,加100K排阻将其转变为并行开关量,再用施密特触发器整形,经驱动和光隔后送入单片机的P2口。温度和相对湿度信号都是4~20mA电流信号,分别加1008精密电阻后变为0.4~2V电压信号,经过模拟放大器AD623AN放大后送入MCU。
    气压传感器输出的是0~5V电压信号,而C8051F020要求信号电压低于基准电压2.5V,所以必须分压后才能送入MCU。
2.3 串行通信接口
    C8051F020有两个完全相同的UART[1],通过设置交叉开关控制寄存器将TX0、RX0、TX1、RX1分别连到P0.0、P0.1、P1.0和P1.1。UART0和UART1经光隔、驱动和电平转换,成为双向RS232接口,UART0与显示控制单元实现全双工通信。UART1将测量的气象数据送入上位机存入数据库。
3 软件设计
    主程序的工作是每2s采样一次风速和风向,向显示控制单元发送气象信息,并计算2min平均风速和多数风向;每10s采样一次气温、相对湿度和气压,并计算平均值。如果显示控制单元发出联机请求,则进行联机操作。
系统有2级中断,UART0中断和T3中断。UART0中断优先级高于T3。当显示控制单元发出联机命令时,则产生UART0中断,系统执行联机处理子程序。
    系统采用11.0592MHz晶振产生系统时钟,用定时器T3计时,T3每50ms产生一次中断,当产生40次中断,即2s时执行2s子程序;T3产生200次中断时,即10s,系统执行10s子程序。系统软件流程图见图2。

4 结束语
    小型气象仪研制成功后,先后做了多项试验,包括温度循环应力、电源拉偏等可靠性试验;电磁兼容试验和各项测量参数的精度标定试验,并通过了本所的技术鉴定,现已安装在国内60m海监船上,从一年多来的使用情况看,该仪器性能稳定,运行可靠,测量准确,取得了用户的信任,并将在国内许多中小型民船上推广应用。