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摘要:灌溉和施肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的至關(guān)重要的兩個(gè)環(huán)節(jié)，分開(kāi)實(shí)施費(fèi)時(shí)費(fèi)力，水肥一體化智能灌溉施肥是提高生產(chǎn)效率的重要方法，其核心是研發(fā)以控制算法和傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)的智能控制系統(tǒng)及操作裝置。針對(duì)水肥一體化智能控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)臺(tái)缺乏的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種渦輪流量計(jì)信號(hào)模擬系統(tǒng)，包括下位機(jī)系統(tǒng)硬件電路和上位機(jī)應(yīng)用軟件兩部分。基于51單片機(jī)采用定時(shí)器中斷和串口通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了可模擬不同流量信號(hào)的下位機(jī)硬件電路，包含單片機(jī)模塊、用戶交互模塊、串口通信模塊、EEPROM存儲(chǔ)模塊。使用VisualStudio開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用C#語(yǔ)言進(jìn)行上位機(jī)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，包括用戶界面設(shè)計(jì)、上位機(jī)與下位機(jī)串口通信設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)可在實(shí)驗(yàn)室條件下為控制算法試驗(yàn)提供模擬流量信號(hào)，具有重要應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞:渦輪流量計(jì);單片機(jī);上位機(jī)軟件;串口通信;C#語(yǔ)言

灌溉和施肥是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的至關(guān)重要的兩個(gè)環(huán)節(jié)，分開(kāi)實(shí)施費(fèi)時(shí)費(fèi)力，水肥一體化智能灌溉施肥是提高生產(chǎn)效率的重要方法［1，2］，其核心是研發(fā)以控制算法和傳感器技術(shù)為基礎(chǔ)的智能控制系統(tǒng)及操作裝置［3－5］。水肥一體化和智能灌溉系統(tǒng)研究核心是智能控制算法研究和控制系統(tǒng)研發(fā)優(yōu)化［6－8］，在整個(gè)過(guò)程中，大量的實(shí)驗(yàn)室和田間試驗(yàn)必不可少，目前的研究大都采用在真實(shí)的系統(tǒng)上或使用流量計(jì)搭建小型系統(tǒng)開(kāi)展試驗(yàn)，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還無(wú)法開(kāi)展過(guò)載疲勞試驗(yàn)［9，10］。設(shè)計(jì)一渦輪流量計(jì)信號(hào)模擬器，在實(shí)驗(yàn)室條件下為控制算法試驗(yàn)系統(tǒng)提供模擬流量信號(hào)，具有重要應(yīng)用價(jià)值。

1模擬器總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由硬件部分與軟件部分組成，系統(tǒng)主要包括下位機(jī)上位機(jī)兩部分。下位機(jī)包括單片機(jī)模塊、按鍵模塊、顯示模塊、存儲(chǔ)模塊和渦輪流量計(jì)模擬接口，用戶可通過(guò)按鍵進(jìn)行用戶菜單的選擇，設(shè)置工作模式和工作參數(shù)，如果選擇下位機(jī)設(shè)置模式，可以只使用下位機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)單流量模擬，通過(guò)模擬接口輸出模擬流速信號(hào)。上位機(jī)軟件系統(tǒng)包括上位機(jī)模塊和通信模塊，上位機(jī)通過(guò)串口模塊把用戶設(shè)置好的參數(shù)傳輸?shù)较挛粰C(jī)，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，當(dāng)參數(shù)確認(rèn)完以后進(jìn)入模擬狀態(tài)，通過(guò)模擬輸出端把信號(hào)以方波的形式輸出。

2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

基于VisualStudio開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)了上位機(jī)應(yīng)用軟件，首先對(duì)上位機(jī)應(yīng)用軟件界面進(jìn)行初始化，等待用戶的模擬方式的選擇，如果選擇恒流速模擬，界面選擇框上顯示恒流速模擬字樣，并等待用戶輸入初始流速設(shè)置;如果選擇流量加速模擬方式，界面選擇框上顯示流速加速模擬字樣，并等待用戶輸入初始流速、最大流速和流速變化率等設(shè)置;如果選擇流速階躍模擬，界面選擇框上顯示流速階躍模擬字樣，并等待用戶輸入階躍流速設(shè)置。之后等待用戶設(shè)置Com口、波特率、數(shù)據(jù)位和停止位等串口參數(shù)，當(dāng)用戶點(diǎn)擊確定后，軟件首先讀取用戶參數(shù)輸入并進(jìn)行合法化檢查，如果參數(shù)不合法，軟件會(huì)彈出修改提示對(duì)話框提示用戶修改;如果參數(shù)合法，軟件會(huì)根據(jù)參數(shù)設(shè)置生產(chǎn)命令字符串通過(guò)串口下發(fā)到下位機(jī)中。如果用戶選擇退出，軟件釋放內(nèi)存空間并退出。

3下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)主要包括單片機(jī)模塊、供電模塊、串口通信模塊、用戶輸入模塊、顯示模塊、外觀設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)重點(diǎn)是單片機(jī)處理與控制模塊以及下位機(jī)與上位機(jī)串口通信兩部分。單片機(jī)模塊采用為常見(jiàn)的單片機(jī)最小系統(tǒng)，復(fù)位電路采用按鍵復(fù)位。晶振采用11.0592，采用11.0592M的目的是為了獲得精準(zhǔn)的串口通信頻率，即波特率，它能夠精準(zhǔn)生成9600的波特率，相比于12M晶振來(lái)說(shuō)可以準(zhǔn)確與上位機(jī)進(jìn)行通信而不會(huì)發(fā)生失真與亂碼。單片機(jī)使用較為實(shí)用的AT89C52，它是CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)置通用8位中央處理器和Flash存儲(chǔ)單元。AT89C52有40個(gè)引腳，32個(gè)I/O端口，同時(shí)內(nèi)含2個(gè)外中斷口，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口。52系列單片機(jī)雖然已經(jīng)是十年前使用的芯片，但它全備的功能與低廉的價(jià)格也是我們選擇的理由，其運(yùn)算速度與程序存儲(chǔ)量足以滿足本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，直插式的封裝也方便裝卸。單片機(jī)模塊主要功能在于串行通信口進(jìn)行與上位機(jī)的通信，2K字節(jié)EEPROM進(jìn)行的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，用來(lái)模擬流量時(shí)實(shí)時(shí)計(jì)時(shí)功能的定時(shí)器0，用來(lái)產(chǎn)生所需頻率脈沖方波的定時(shí)器1及單片機(jī)基本的用戶菜單顯示與輸入功能。本系統(tǒng)采用RS－232串口通信技術(shù)進(jìn)行下位機(jī)與上位機(jī)的通信，但RS232電平和單片機(jī)電平不一致，單片機(jī)TTL信號(hào)電平為［0，+5］，而RS－232信號(hào)電平為［－10，+10v］。MAX232芯片使用+5v單電源供電，可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和串口信號(hào)之間電平轉(zhuǎn)換。基于MAX232芯片設(shè)計(jì)了渦輪流量計(jì)模擬系統(tǒng)下位機(jī)硬件電路串口通信模塊，串口通信模塊電路分三部分，第1部分是電荷泵電路，由4只1uf極性電容(也可用非極性電容或0.1uf電容)構(gòu)成。第2部分是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道，本次只使用第二數(shù)據(jù)通道，把第一數(shù)據(jù)通道的輸入端接地，接收端空引腳。第3部分是供電線路，15腳接地、16腳5V電源。

4結(jié)語(yǔ)

第一，設(shè)計(jì)了渦輪流量計(jì)信號(hào)模擬系統(tǒng)組成。包括下位機(jī)系統(tǒng)硬件電路和上位機(jī)應(yīng)用軟件兩部分，上位機(jī)軟件接收用戶的流量信號(hào)模擬設(shè)置，通過(guò)串口發(fā)送給下位機(jī)，下位機(jī)根據(jù)上位機(jī)的命令信息產(chǎn)生模擬信號(hào)輸出。第二，設(shè)計(jì)研發(fā)了模擬系統(tǒng)下位機(jī)硬件電路。基于51單片機(jī)采用定時(shí)器中斷和串口通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了可模擬出不同流量信號(hào)的下位機(jī)硬件電路，包含了單片機(jī)模塊、用戶交互模塊、串口通信模塊、EEP-ROM存儲(chǔ)模塊。第三，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了模擬系統(tǒng)上位機(jī)應(yīng)用軟件。使用VisualStudio開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用C#語(yǔ)言進(jìn)行上位機(jī)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，包括用戶界面設(shè)計(jì)、上位機(jī)與下位機(jī)串口通信設(shè)計(jì)。用戶界面可以設(shè)置模擬方式、初始流量、流量變化率、最大流量等各個(gè)參數(shù)，通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行設(shè)置更簡(jiǎn)單便捷。

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作者：張華 張海輝 單位：西北農(nóng)林科技大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院