自研溫度傳感芯片在智慧農(nóng)業(yè)中的示范應(yīng)用_朱文旗.pdf

現(xiàn) 代 電 子 技 術(shù) M o d e r n E l e c t r o n i c s T e c h n i q u e J u n 2 0 2 2 V o l 4 5 N o 1 2 2 0 2 2 年 6 月 1 5 日 第 4 5 卷 第 1 2 期 0 引 言 在 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 領(lǐng) 域 最 具 標(biāo) 志 性 的 生 產(chǎn) 技 術(shù) 是 溫 室 大 棚 種 植 技 術(shù) 1 溫 室 大 棚 需 要 對(duì) 許 多 環(huán) 境 因 素 進(jìn) 行 調(diào) 控 如 溫 度 光 照 濕 度 二 氧 化 碳 濃 度 等 但 在 諸 多 因 素 中 溫 度 控 制 是 最 為 基 礎(chǔ) 的 2 溫 度 作 為 環(huán) 境 的 重 要 指 標(biāo) 之 一 其 本 身 具 有 時(shí) 滯 性 和 強(qiáng) 非 線 性 除 此 之 外 溫 室 大 棚 內(nèi) 的 溫 度 控 制 還 有 兩 大 難 題 1 干 擾 因 素 多 溫 室 大 棚 是 一 個(gè) 半 封 閉 半 開(kāi) 放 的 循 環(huán) 系 統(tǒng) 大 棚 內(nèi) 溫 度 易 受 到 外 界 氣 候 的 干 擾 與 影 響 光 照 是 影 響 大 棚 內(nèi) 溫 度 濕 度 的 關(guān) 鍵 要 素 室 外 空 氣 溫 度 濕 度 土 壤 性 質(zhì) 都 會(huì) 影 響 室 內(nèi) 溫 度 和 濕 度 的 穩(wěn) 定 性 3 2 分 布 不 均 勻 以 北 方 常 見(jiàn) 的 蔬 菜 大 棚 為 例 大 棚 D O I 1 0 1 6 6 5 2 j i s s n 1 0 0 4 3 7 3 x 2 0 2 2 1 2 0 0 4 引 用 格 式 朱 文 旗 常 昊 劉 超 超 等 自 研 溫 度 傳 感 芯 片 在 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 的 示 范 應(yīng) 用 J 現(xiàn) 代 電 子 技 術(shù) 2 0 2 2 4 5 1 2 1 9 2 4 自 研 溫 度 傳 感 芯 片 在 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 的 示 范 應(yīng) 用 朱 文 旗 1 常 昊 2 劉 超 超 3 王 洪 昌 4 李 萬(wàn) 里 4 鑒 海 防 4 1 北 方 工 業(yè) 大 學(xué) 北 京 1 0 0 1 4 4 2 中 國(guó) 科 學(xué) 院 微 電 子 研 究 所 北 京 1 0 0 0 2 9 3 北 京 天 創(chuàng) 金 農(nóng) 科 技 有 限 公 司 北 京 1 0 0 0 2 5 4 中 國(guó) 科 學(xué) 院 半 導(dǎo) 體 研 究 所 北 京 1 0 0 0 8 3 摘 要 溫 室 蔬 菜 大 棚 作 為 農(nóng) 業(yè) 生 產(chǎn) 的 重 要 基 礎(chǔ) 設(shè) 施 是 智 慧 農(nóng) 業(yè) 的 一 個(gè) 重 要 組 成 部 分 為 此 文 中 設(shè) 計(jì) 一 種 基 于 自 主 研 發(fā) 的 數(shù) 字 溫 度 傳 感 器 芯 片 I C 2 0 3 1 測(cè) 溫 系 統(tǒng) 相 比 于 傳 統(tǒng) 的 模 擬 溫 度 傳 感 器 測(cè) 溫 方 案 該 系 統(tǒng) 可 顯 著 提 高 電 路 的 抗 干 擾 能 力 并 簡(jiǎn) 化 主 控 電 路 結(jié) 構(gòu) 系 統(tǒng) 主 控 單 元 采 用 S T M 3 2 單 片 機(jī) 作 為 控 制 核 心 通 過(guò) S M B u s 通 信 接 口 讀 取 傳 感 器 芯 片 測(cè) 溫 值 并 顯 示 在 液 晶 模 塊 中 同 時(shí) S T M 3 2 通 過(guò) 串 口 和 W i F i 模 塊 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 的 有 線 和 無(wú) 線 傳 輸 配 合 P C 端 的 溫 度 監(jiān) 控 軟 件 可 對(duì) 大 棚 內(nèi) 各 測(cè) 溫 節(jié) 點(diǎn) 進(jìn) 行 監(jiān) 測(cè) 和 統(tǒng) 計(jì) 實(shí) 驗(yàn) 結(jié) 果 表 明 I C 2 0 3 1 溫 度 傳 感 器 芯 片 具 有 準(zhǔn) 確 穩(wěn) 定 的 測(cè) 溫 數(shù) 據(jù) 該 測(cè) 溫 系 統(tǒng) 可 有 效 解 決 溫 室 大 棚 中 測(cè) 溫 不 便 統(tǒng) 計(jì) 難 度 大 等 問(wèn) 題 關(guān) 鍵 詞 芯 片 應(yīng) 用 溫 度 傳 感 芯 片 智 慧 農(nóng) 業(yè) 溫 室 大 棚 測(cè) 溫 系 統(tǒng) 數(shù) 據(jù) 采 集 遠(yuǎn) 程 通 信 中 圖 分 類 號(hào) T N 3 4 4 3 4 文 獻(xiàn) 標(biāo) 識(shí) 碼 A 文 章 編 號(hào) 1 0 0 4 3 7 3 X 2 0 2 2 1 2 0 0 1 9 0 6 D e m o n s t r a t i o n a p p l i c a t i o n o f s e l f d e v e l o p e d t e m p e r a t u r e s e n s o r c h i p i n w i s d o m a g r i c u l t u r e Z H U W e n q i 1 C H A N G H a o 2 L I U C h a o c h a o 3 W A N G H o n g c h a n g 4 L I W a n l i 4 J I A N H a i f a n g 4 1 N o r t h C h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y B e i j i n g 1 0 0 1 4 4 C h i n a 2 I n s t i t u t e o f M i c r o e l e c t r o n i c s C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e B e i j i n g 1 0 0 0 2 9 C h i n a 3 B e i j i n g T i a n c h u a n g J i n n o n g T e c h n o l o g y C o L t d B e i j i n g 1 0 0 0 2 5 C h i n a 4 I n s t i t u t e o f S e m i c o n d u c t o r s C h i n e s e A c a d e m y o f S c i e n c e B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 C h i n a A b s t r a c t A s a n i m p o r t a n t i n f r a s t r u c t u r e f o r a g r i c u l t u r a l p r o d u c t i o n v e g e t a b l e g r e e n h o u s e h a s n a t u r a l l y b e c o m e a n i m p o r t a n t p a r t o f w i s d o m a g r i c u l t u r e O n t h i s b a s i s a t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t s y s t e m b a s e d o n t h e s e l f d e v e l o p e d d i g i t a l t e m p e r a t u r e s e n s o r c h i p I C 2 0 3 1 i s d e s i g n e d I n c o m p a r i s o n w i t h t h e t r a d i t i o n a l t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t s o l u t i o n w i t h a n a l o g t e m p e r a t u r e s e n s o r t h i s s y s t e m c a n s i g n i f i c a n t l y i m p r o v e t h e a n t i i n t e r f e r e n c e a b i l i t y o f t h e c i r c u i t a n d s i m p l i f y t h e m a i n c o n t r o l c i r c u i t s t r u c t u r e I n t h e m a i n c o n t r o l u n i t t h e S T M 3 2 s i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e r i s u s e d a s t h e c o n t r o l c o r e t o r e a d t h e t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t v a l u e o f t h e s e n s o r c h i p b y m e a n s o f t h e S M B u s c o m m u n i c a t i o n i n t e r f a c e a n d d i s p l a y i t i n t h e L C D m o d u l e A t t h e s a m e t i m e S T M 3 2 c a n p e r f o r m t h e w i r e d a n d w i r e l e s s d a t a t r a n s m i s s i o n b y m e a n s o f t h e s e r i a l p o r t a n d W i F i m o d u l e a n d c a n c o o p e r a t e w i t h t h e t e m p e r a t u r e m o n i t o r i n g s o f t w a r e o n t h e P C s i d e t o m o n i t o r a n d c o u n t t h e t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t n o d e s i n t h e g r e e n h o u s e T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e I C 2 0 3 1 t e m p e r a t u r e s e n s o r c h i p c a n o b t a i n a c c u r a t e a n d s t a b l e t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t d a t a a n d c a n e f f e c t i v e l y d e a l w i t h t h e i n c o n v e n i e n t t e m p e r a t u r e m e a s u r e m e n t a n d s t a t i s t i c s d i f f i c u l t y i n t h e g r e e n h o u s e i n c o m b i n a t i o n w i t h t h e t e m p e r a t u r e m e a s u r i n g s y s t e m K e y w o r d s c h i p a p p l i c a t i o n t e m p e r a t u r e s e n s o r c h i p w i s d o m a g r i c u l t u r e g r e e n h o u s e s t e m p e r a t u r e d e t e c t i o n s y s t e m d a t a c o l l e c t i o n r e m o t e c o m m u n i c a t i o n 收 稿 日 期 2 0 2 1 1 1 1 1 修 回 日 期 2 0 2 1 1 2 2 0 基 金 項(xiàng) 目 北 京 市 科 技 計(jì) 劃 Z 1 9 1 1 0 0 0 1 0 6 1 8 0 0 1 1 9 1 9現(xiàn) 代 電 子 技 術(shù) 2 0 2 2 年 第 4 5 卷 往 往 會(huì) 建 成 一 個(gè) 扇 形 空 間 這 種 結(jié) 構(gòu) 自 身 的 空 間 分 布 就 是 不 均 勻 的 再 加 上 設(shè) 備 分 布 太 陽(yáng) 輻 射 的 不 均 勻 性 使 得 大 棚 內(nèi) 的 溫 度 分 布 差 異 較 大 據(jù) 統(tǒng) 計(jì) 大 棚 內(nèi) 高 低 溫 差 2 可 以 達(dá) 到 4 6 而 市 面 上 的 溫 控 系 統(tǒng) 多 采 取 電 阻 式 的 溫 度 傳 感 器 存 在 精 度 低 反 應(yīng) 慢 等 不 足 4 模 擬 溫 度 傳 感 器 如 T M P 2 3 5 使 用 模 擬 輸 出 方 式 來(lái) 傳 遞 溫 度 在 使 用 時(shí) 需 要 A D C 模 塊 對(duì) 其 輸 出 進(jìn) 行 數(shù) 字 化 并 查 表 確 定 溫 度 5 而 系 統(tǒng) 所 使 用 的 自 研 I C 2 0 3 1 溫 度 傳 感 器 內(nèi) 部 使 用 S M B u s 通 信 接 口 結(jié) 合 低 功 耗 A D C 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 以 及 內(nèi) 部 的 校 準(zhǔn) 算 法 可 以 大 幅 提 高 測(cè) 溫 精 度 和 系 統(tǒng) 的 適 用 性 使 溫 度 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 更 加 智 能 化 和 數(shù) 字 化 1 系 統(tǒng) 整 體 設(shè) 計(jì) 本 文 I C 2 0 3 1 測(cè) 溫 系 統(tǒng) 主 要 用 于 對(duì) 蔬 菜 大 棚 的 溫 度 實(shí) 時(shí) 檢 測(cè) 顯 示 和 統(tǒng) 計(jì) 其 整 體 框 架 如 圖 1 所 示 該 系 統(tǒng) 控 制 核 心 為 S T M 3 2 F 1 0 3 單 片 機(jī) 外 接 5 V 直 流 電 源 進(jìn) 行 供 電 通 過(guò) I C 2 0 3 1 溫 度 傳 感 器 獲 取 溫 度 值 并 顯 示 在 0 9 6 寸 液 晶 屏 幕 上 同 時(shí) 溫 度 的 實(shí) 時(shí) 情 況 通 過(guò) A T K E S P 8 2 6 6 W i F i 模 塊 上 傳 到 上 位 機(jī) 方 便 用 戶 觀 察 和 統(tǒng) 計(jì) 圖 1 I C 2 0 3 1 測(cè) 溫 系 統(tǒng) 整 體 框 架 2 I C 2 0 3 1 自 研 溫 度 傳 感 器 芯 片 溫 度 傳 感 部 分 的 設(shè) 計(jì) 為 本 文 的 重 點(diǎn) 傳 感 采 用 自 研 的 I C 2 0 3 1 芯 片 為 實(shí) 現(xiàn) 高 精 度 快 響 應(yīng) 低 損 耗 低 成 本 的 指 標(biāo) 芯 片 設(shè) 計(jì) 過(guò) 程 中 采 用 了 以 下 關(guān) 鍵 技 術(shù) 2 1 基 于 S M B u s 通 信 接 口 復(fù) 用 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 基 于 S M B u s 通 信 協(xié) 議 復(fù) 用 設(shè) 計(jì) 實(shí) 現(xiàn) 封 裝 后 校 準(zhǔn) 芯 片 的 關(guān) 鍵 技 術(shù) 在 于 校 準(zhǔn) 指 令 與 內(nèi) 部 電 路 的 匹 配 和 校 準(zhǔn) 方 案 的 設(shè) 計(jì) 設(shè) 計(jì) 的 指 令 和 數(shù) 據(jù) 的 格 式 為 8 位 指 令 的 低 7 位 包 含 的 信 息 是 操 作 地 址 最 高 位 代 表 操 作 的 類 型 S D A 數(shù) 據(jù) 配 合 S C L 將 指 令 打 入 指 令 寄 存 器 中 指 令 譯 碼 器 對(duì) 指 令 寄 存 器 的 輸 出 進(jìn) 行 譯 碼 得 到 指 令 中 操 作 類 型 和 操 作 地 址 的 信 息 之 后 操 作 數(shù) 據(jù) 被 存 儲(chǔ) 在 數(shù) 據(jù) 總 線 寄 存 器 中 最 后 根 據(jù) 指 令 譯 碼 器 的 輸 出 將 指 令 的 操 作 地 址 通 道 打 開(kāi) 數(shù) 據(jù) 被 送 到 地 址 對(duì) 應(yīng) 的 寄 存 器 中 6 本 文 設(shè) 計(jì) 的 封 裝 后 在 線 校 準(zhǔn) 方 案 中 電 路 實(shí) 現(xiàn) 是 通 過(guò) S M B u s 總 線 指 令 將 數(shù) 據(jù) 寫 入 校 準(zhǔn) 模 塊 中 在 模 擬 燒 錄 的 模 式 下 對(duì) 芯 片 的 帶 隙 基 準(zhǔn) 電 壓 進(jìn) 行 修 調(diào) 達(dá) 到 要 求 后 再 通 過(guò) 指 令 控 制 將 修 調(diào) 位 的 熔 絲 熔 斷 達(dá) 到 溫 度 校 準(zhǔn) 的 目 的 2 2 低 功 耗 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 低 功 耗 的 A D C 設(shè) 計(jì) 技 術(shù) 是 基 于 S A R 型 A D C 采 樣 電 路 使 用 開(kāi) 關(guān) 電 容 來(lái) 傳 遞 電 壓 的 設(shè) 計(jì) 轉(zhuǎn) 換 電 路 使 用 時(shí) 序 分 時(shí) 控 制 A D 轉(zhuǎn) 換 電 路 工 作 時(shí) 序 包 括 采 樣 和 轉(zhuǎn) 換 兩 個(gè) 階 段 在 采 樣 階 段 采 樣 開(kāi) 關(guān) 打 開(kāi) 前 面 的 核 心 感 溫 電 路 將 差 分 信 號(hào) 輸 入 A D C 采 樣 電 容 的 一 端 基 準(zhǔn) 電 路 將 基 準(zhǔn) 電 壓 V R E F 輸 入 到 采 樣 電 容 的 另 一 端 采 樣 電 容 會(huì) 記 錄 兩 端 的 電 壓 差 此 時(shí) 比 較 器 不 工 作 串 并 數(shù) 據(jù) 轉(zhuǎn) 換 電 路 保 持 清 零 狀 態(tài) 采 樣 結(jié) 束 后 采 樣 開(kāi) 關(guān) 關(guān) 閉 基 準(zhǔn) 電 路 的 輸 出 端 關(guān) 閉 采 樣 電 容 的 輸 入 端 接 地 輸 出 端 電 壓 下 降 在 網(wǎng) 絡(luò) 的 電 荷 重 新 分 配 的 作 用 下 比 較 器 V P 和 V M 兩 端 的 輸 入 壓 差 比 例 縮 小 比 較 器 開(kāi) 始 工 作 比 較 采 樣 保 持 電 路 輸 出 與 D A C 輸 出 的 大 小 并 將 結(jié) 果 存 儲(chǔ) 在 逐 次 逼 近 型 寄 存 器 中 寄 存 器 的 輸 出 反 饋 回 D A C 電 路 得 到 一 個(gè) 新 的 基 準(zhǔn) 電 壓 新 的 電 壓 輸 入 到 比 較 器 中 進(jìn) 行 下 一 次 轉(zhuǎn) 換 結(jié) 果 同 樣 存 儲(chǔ) 在 寄 存 器 中 如 此 循 環(huán) 工 作 A D C 進(jìn) 行 逐 次 比 較 直 到 D A C 輸 出 電 壓 逐 漸 逼 近 參 考 電 壓 串 并 數(shù) 據(jù) 轉(zhuǎn) 換 電 路 輸 出 相 應(yīng) 的 并 行 結(jié) 果 數(shù) 據(jù) 轉(zhuǎn) 換 階 段 結(jié) 束 A D C 清 零 工 作 狀 態(tài) 恢 復(fù) 至 采 樣 階 段 A D 轉(zhuǎn) 換 一 次 過(guò) 程 結(jié) 束 2 3 校 準(zhǔn) 算 法 設(shè) 計(jì) 在 集 成 電 路 制 造 加 工 時(shí) 工 藝 偏 差 會(huì) 使 得 制 造 加 工 出 的 產(chǎn) 品 存 在 一 定 誤 差 因 此 在 設(shè) 計(jì) 中 需 要 既 考 慮 工 藝 偏 差 還 預(yù) 留 冗 余 設(shè) 計(jì) 但 由 于 電 路 工 作 狀 態(tài) 的 高 精 細(xì) 度 導(dǎo) 致 電 路 僅 能 在 一 定 范 圍 內(nèi) 消 除 工 藝 偏 差 使 電 路 工 作 狀 態(tài) 符 合 預(yù) 期 當(dāng) 工 藝 偏 差 超 出 冗 余 設(shè) 計(jì) 的 匹 配 能 力 時(shí) 會(huì) 導(dǎo) 致 電 路 工 作 狀 態(tài) 不 能 滿 足 預(yù) 期 要 求 所 以 本 文 在 電 路 設(shè) 計(jì) 中 引 入 補(bǔ) 償 校 準(zhǔn) 邏 輯 電 路 以 解 決 工 藝 偏 差 帶 來(lái) 的 負(fù) 面 影 響 保 證 設(shè) 計(jì) 制 造 的 集 成 電 路 處 于 正 常 工 作 狀 態(tài) 并 能 夠 輸 出 滿 足 性 能 指 標(biāo) 要 求 的 結(jié) 果 溫 度 補(bǔ) 償 校 準(zhǔn) 流 程 如 圖 2 所 示 圖 2 溫 度 校 準(zhǔn) 流 程 3 硬 件 設(shè) 計(jì) 溫 度 傳 感 器 新 的 應(yīng) 用 場(chǎng) 景 是 溫 度 傳 感 器 芯 片 設(shè) 計(jì) 與 相 關(guān) 外 圍 應(yīng) 用 電 路 設(shè) 計(jì) 的 全 新 方 向 2 0第 1 2 期 本 設(shè) 計(jì) 基 于 自 主 研 發(fā) 的 本 地 遠(yuǎn) 端 雙 通 道 數(shù) 字 式 傳 感 芯 片 并 將 其 應(yīng) 用 在 智 能 生 態(tài) 智 能 農(nóng) 業(yè) 等 典 型 的 溫 濕 度 傳 感 器 芯 片 應(yīng) 用 場(chǎng) 合 本 文 高 性 能 溫 度 傳 感 芯 片 的 有 效 設(shè) 計(jì) 需 要 搭 建 簡(jiǎn) 潔 合 適 的 外 圍 電 路 芯 片 外 圍 電 路 設(shè) 計(jì) 如 圖 3 所 示 圖 3 芯 片 外 圍 電 路 設(shè) 計(jì) 3 1 數(shù) 字 式 溫 度 傳 感 芯 片 I C 2 0 3 1 I C 2 0 3 1 是 帶 有 內(nèi) 置 本 地 溫 度 傳 感 器 的 遠(yuǎn) 程 溫 度 傳 感 器 監(jiān) 視 器 遠(yuǎn) 程 溫 度 傳 感 器 二 極 管 連 接 的 晶 體 管 通 常 是 低 成 本 的 N P N 或 P N P 型 晶 體 管 或 微 控 制 器 微 處 理 器 或 F P G A 中 的 二 極 管 對(duì) 于 多 個(gè) 集 成 電 路 遠(yuǎn) 程 精 度 為 1 無(wú) 需 校 準(zhǔn) 二 極 管 連 接 晶 體 管 遠(yuǎn) 程 感 溫 電 路 如 圖 4 所 示 其 中 兩 線 串 行 接 口 接 收 S M B u s 寫 字 節(jié) 讀 字 節(jié) 發(fā) 送 字 節(jié) 和 接 收 字 節(jié) 命 令 來(lái) 配 置 設(shè) 備 產(chǎn) 品 包 括 串 聯(lián) 電 阻 消 除 可 編 程 非 理 想 因 子 寬 的 遠(yuǎn) 程 溫 度 測(cè) 量 范 圍 最 高 可 達(dá) 1 5 0 和 二 極 管 故 障 檢 測(cè) 圖 4 二 極 管 連 接 晶 體 管 遠(yuǎn) 程 感 溫 電 路 3 2 主 控 電 路 S T M 3 2 F 1 0 3 器 件 采 用 C o r t e x M 3 內(nèi) 核 C P U 最 高 速 度 達(dá) 7 2 M H z 該 產(chǎn) 品 系 列 具 有 1 6 K B 1 M B F L A S H 多 種 控 制 外 設(shè) U S B 全 速 接 口 和 C A N S T M 3 2 具 有 高 效 的 I 2 C 接 口 方 便 與 多 種 外 部 設(shè) 備 進(jìn) 行 通 信 與 本 設(shè) 計(jì) 中 的 數(shù) 字 式 溫 度 傳 感 芯 片 可 進(jìn) 行 穩(wěn) 定 高 速 地 交 互 S T M 3 2 核 心 板 支 持 高 速 信 號(hào) 輸 出 溫 度 信 息 可 視 化 能 夠 得 到 體 現(xiàn) 7 3 3 顯 示 設(shè) 置 O L E D 液 晶 顯 示 裝 置 的 優(yōu) 點(diǎn) 在 于 顯 示 清 晰 數(shù) 據(jù) 顯 示 量 大 使 用 方 便 操 作 簡(jiǎn) 單 本 設(shè) 計(jì) 中 使 用 一 塊 0 9 6 寸 O L E D 顯 示 屏 來(lái) 進(jìn) 行 溫 度 顯 示 當(dāng) 用 戶 在 布 置 單 個(gè) 節(jié) 點(diǎn) 溫 度 傳 感 器 時(shí) 可 以 隨 時(shí) 進(jìn) 行 查 看 提 高 傳 感 器 布 控 的 效 率 8 O L E D 顯 示 驅(qū) 動(dòng) 電 路 如 圖 5 所 示 圖 5 O L E D 顯 示 驅(qū) 動(dòng) 電 路 3 4 數(shù) 字 式 溫 度 傳 感 芯 片 P C B 板 設(shè) 計(jì) 實(shí) 際 的 數(shù) 字 式 溫 度 傳 感 芯 片 P C B 與 原 理 圖 設(shè) 計(jì) 均 使 用 C a d a n c e C a p t u r e C I S 與 C a d a n c e P C B E d i t o r 強(qiáng) 大 的 設(shè) 計(jì) 軟 件 進(jìn) 行 芯 片 外 圍 電 路 原 理 圖 與 P C B 版 圖 如 圖 6 所 示 二 極 管 連 接 晶 體 管 遠(yuǎn) 程 感 溫 電 路 P C B 版 圖 如 圖 7 所 示 圖 6 芯 片 外 圍 電 路 原 理 圖 與 P C B 版 圖 朱 文 旗 等 自 研 溫 度 傳 感 芯 片 在 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 的 示 范 應(yīng) 用 2 1現(xiàn) 代 電 子 技 術(shù) 2 0 2 2 年 第 4 5 卷 圖 7 二 極 管 連 接 晶 體 管 遠(yuǎn) 程 感 溫 電 路 P C B 版 圖 4 系 統(tǒng) 的 部 署 與 應(yīng) 用 智 能 化 蔬 菜 大 棚 溫 度 檢 測(cè) 系 統(tǒng) 適 用 于 蔬 菜 大 棚 機(jī) 房 糧 倉(cāng) 等 室 內(nèi) 環(huán) 境 中 通 過(guò) 在 多 個(gè) 觀 測(cè) 點(diǎn) 布 置 傳 感 器 芯 片 實(shí) 現(xiàn) 對(duì) 整 體 空 間 內(nèi) 的 溫 度 檢 測(cè) 并 將 溫 度 數(shù) 據(jù) 實(shí) 時(shí) 反 饋 至 中 控 平 臺(tái) 建 模 生 成 環(huán) 境 溫 度 場(chǎng) 9 同 時(shí) 配 合 空 調(diào) 加 熱 器 風(fēng) 扇 等 溫 控 設(shè) 備 實(shí) 現(xiàn) 環(huán) 境 內(nèi) 溫 度 的 智 能 調(diào) 節(jié) 4 1 智 能 化 溫 度 監(jiān) 控 軟 件 P C 端 溫 度 監(jiān) 控 軟 件 采 用 C 語(yǔ) 言 編 寫 編 程 環(huán) 境 為 V i s u a l S t u d i o 2 0 1 7 基 于 N E T F r a m e w o r k 框 架 可 以 安 裝 于 絕 大 多 數(shù) W i n d o w s 操 作 系 統(tǒng) 的 計(jì) 算 機(jī) 中 其 界 面 如 圖 8 所 示 程 序 主 要 用 于 接 收 中 控 單 元 通 過(guò) A T K E S P 8 2 6 6 發(fā) 送 的 溫 度 數(shù) 據(jù) 并 顯 示 在 圖 形 化 界 面 中 同 時(shí) 支 持 用 戶 數(shù) 據(jù) 的 本 地 保 存 圖 8 P C 端 溫 度 監(jiān) 控 軟 件 界 面 4 2 中 控 單 元 中 控 單 元 是 主 控 計(jì) 算 機(jī) 與 溫 度 傳 感 器 之 間 的 橋 梁 將 溫 度 傳 感 器 芯 片 發(fā) 送 的 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行 解 析 并 發(fā) 送 至 主 控 計(jì) 算 機(jī) 同 時(shí) 將 計(jì) 算 機(jī) 發(fā) 出 的 指 令 轉(zhuǎn) 換 為 傳 感 器 芯 片 可 以 識(shí) 別 的 動(dòng) 作 指 令 1 0 中 控 單 元 基 于 S T M 3 2 F 1 0 3 程 序 采 用 C 語(yǔ) 言 編 寫 編 程 環(huán) 境 為 K e i l V i s i o n 5 并 借 助 S T M 3 2 C u b M X 開(kāi) 發(fā) 工 具 初 始 化 端 口 利 用 其 提 供 的 H A L 庫(kù) 函 數(shù) 能 極 大 地 簡(jiǎn) 化 開(kāi) 發(fā) 過(guò) 程 1 1 程 序 在 設(shè) 計(jì) 過(guò) 程 中 使 用 模 塊 化 編 程 的 方 法 主 要 的 模 塊 有 I C 2 0 3 1 溫 度 采 集 模 塊 O L E D 顯 示 模 塊 串 口 輸 出 模 塊 和 W i F i 傳 輸 模 塊 可 在 主 函 數(shù) 中 將 各 模 塊 初 始 化 調(diào) 用 執(zhí) 行 實(shí) 現(xiàn) 指 定 功 能 其 整 體 流 程 如 圖 9 所 示 各 模 塊 運(yùn) 行 步 驟 如 下 1 系 統(tǒng) 初 始 化 位 于 單 片 機(jī) 程 序 的 起 始 位 置 主 要 由 H A L 庫(kù) 函 數(shù) 實(shí) 現(xiàn) 依 次 對(duì) 串 口 I 2 C 和 液 晶 模 塊 進(jìn) 行 初 始 化 1 2 2 獲 取 溫 度 數(shù) 據(jù) 此 部 分 為 單 片 機(jī) 程 序 的 關(guān) 鍵 準(zhǔn) 確 的 溫 度 數(shù) 據(jù) 是 整 個(gè) 系 統(tǒng) 穩(wěn) 定 有 效 的 基 礎(chǔ) 通 過(guò) 單 片 機(jī) 向 I C 2 0 3 1 溫 度 傳 感 器 芯 片 的 指 定 I 2 C 地 址 發(fā) 送 和 接 收 指 令 實(shí) 現(xiàn) 進(jìn) 行 測(cè) 溫 功 能 的 參 數(shù) 配 置 和 溫 度 數(shù) 據(jù) 的 獲 取 最 后 單 片 機(jī) 將 讀 取 到 的 十 六 進(jìn) 制 溫 度 數(shù) 據(jù) 轉(zhuǎn) 換 為 十 進(jìn) 制 等 待 使 用 3 O L E D 顯 示 模 塊 O L E D 模 塊 的 配 置 提 高 了 單 個(gè) 溫 度 傳 感 器 模 塊 的 可 視 化 效 果 方 便 用 戶 觀 察 單 個(gè) 節(jié) 點(diǎn) 的 溫 度 數(shù) 據(jù) 該 模 塊 主 要 包 括 清 空 顯 示 屏 數(shù) 據(jù) 顯 示 和 刷 新 顯 示 屏 三 部 分 4 檢 測(cè) 模 塊 功 能 主 要 用 于 和 主 控 計(jì) 算 機(jī) 間 通 過(guò) 串 口 模 塊 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 傳 輸 配 置 串 口 工 作 模 式 為 異 步 傳 輸 然 后 向 計(jì) 算 機(jī) 發(fā) 送 數(shù) 據(jù) 并 等 待 應(yīng) 答 5 A T K E S P 8 2 6 6 傳 輸 通 過(guò) 該 模 塊 可 以 實(shí) 現(xiàn) 同 一 W i F i 環(huán) 境 下 中 控 單 元 和 主 控 計(jì) 算 機(jī) 之 間 的 無(wú) 線 數(shù) 據(jù) 傳 輸 1 3 配 置 E S P 8 2 6 6 為 S T A 模 式 然 后 建 立 T C P I P 協(xié) 議 進(jìn) 行 數(shù) 據(jù) 傳 輸 圖 9 單 片 機(jī) 程 序 整 體 流 程 4 3 溫 度 傳 感 器 布 控 溫 度 傳 感 芯 片 作 為 感 知 探 頭 是 整 套 系 統(tǒng) 的 數(shù) 據(jù) 來(lái) 源 針 對(duì) 示 范 環(huán) 境 對(duì) 溫 度 控 制 要 求 高 布 置 多 個(gè) 測(cè) 試 節(jié) 點(diǎn) 的 應(yīng) 用 需 求 采 用 本 項(xiàng) 目 研 制 的 智 能 化 高 精 度 本 地 遠(yuǎn) 端 多 通 道 溫 度 傳 感 芯 片 作 為 感 知 單 元 輔 以 遠(yuǎn) 端 測(cè) 溫 二 極 管 實(shí) 現(xiàn) 對(duì) 整 個(gè) 示 范 環(huán) 境 溫 度 的 高 精 度 監(jiān) 測(cè) 和 控 制 用 戶 可 以 根 據(jù) 實(shí) 際 需 求 在 大 棚 內(nèi) 布 置 單 個(gè) 測(cè) 溫 節(jié) 點(diǎn) 也 可 以 進(jìn) 行 多 節(jié) 點(diǎn) 的 布 控 從 而 實(shí) 現(xiàn) 對(duì) 整 個(gè) 大 棚 空 2 2第 1 2 期 間 內(nèi) 溫 度 的 測(cè) 量 單 節(jié) 點(diǎn) 與 雙 節(jié) 點(diǎn) 布 控 示 意 圖 見(jiàn) 圖 1 0 圖 1 0 溫 度 傳 感 芯 片 的 單 節(jié) 點(diǎn) 與 多 節(jié) 點(diǎn) 布 控 5 實(shí) 際 測(cè) 溫 效 果 5 1 空 氣 溫 度 測(cè) 量 空 氣 溫 度 測(cè) 量 示 意 圖 如 圖 1 1 所 示 在 實(shí) 際 測(cè) 溫 過(guò) 程 中 將 溫 度 傳 感 器 和 中 控 單 元 進(jìn) 行 封 裝 從 而 實(shí) 現(xiàn) 美 觀 防 潮 的 效 果 方 便 系 統(tǒng) 在 實(shí) 際 環(huán) 境 中 的 部 署 圖 1 1 空 氣 溫 度 測(cè) 量 5 2 系 統(tǒng) 在 大 棚 現(xiàn) 場(chǎng) 內(nèi) 部 署 在 實(shí) 際 測(cè) 試 中 完 成 了 系 統(tǒng) 在 大 棚 內(nèi) 的 部 署 如 圖 1 2 所 示 從 用 戶 的 反 饋 來(lái) 看 系 統(tǒng) 測(cè) 溫 準(zhǔn) 確 穩(wěn) 定 可 以 進(jìn) 一 步 推 廣 使 用 5 3 測(cè) 溫 精 度 為 驗(yàn) 證 系 統(tǒng) 的 測(cè) 溫 精 度 選 用 1 0 只 I C 2 0 3 1 芯 片 在 恒 溫 箱 內(nèi) 進(jìn) 行 測(cè) 溫 測(cè) 溫 范 圍 選 取 5 5 1 2 5 測(cè) 溫 間 隔 選 取 2 測(cè) 溫 結(jié) 束 后 將 1 0 只 晶 體 管 的 溫 度 值 取 平 均 再 經(jīng) 過(guò) 系 統(tǒng) 校 正 后 與 真 實(shí) 溫 度 進(jìn) 行 對(duì) 比 結(jié) 果 如 圖 1 3 所 示 由 圖 1 3 可 以 發(fā) 現(xiàn) 測(cè) 試 溫 度 線 與 真 實(shí) 溫 度 線 重 合 度 較 高 說(shuō) 明 I C 2 0 3 1 具 有 較 高 的 測(cè) 溫 精 度 可 以 用 于 蔬 菜 大 棚 內(nèi) 的 溫 度 檢 測(cè) 圖 1 2 大 棚 現(xiàn) 場(chǎng) 圖 圖 1 3 測(cè) 試 溫 度 與 真 實(shí) 溫 度 對(duì) 比 5 4 測(cè) 溫 速 度 將 本 系 統(tǒng) 使 用 的 I C 2 0 3 1 測(cè) 溫 模 塊 與 市 面 上 常 用 的 S H T 3 0 測(cè) 溫 模 塊 進(jìn) 行 對(duì) 比 測(cè) 溫 結(jié) 果 如 圖 1 4 所 示 在 對(duì) 兩 個(gè) 模 塊 同 時(shí) 進(jìn) 行 加 溫 時(shí) 發(fā) 現(xiàn) I C 2 0 3 1 對(duì) 溫 度 有 更 高 的 敏 感 性 并 且 升 溫 降 溫 要 遠(yuǎn) 快 于 S H T 3 0 可 以 更 加 及 時(shí) 精 確 地 獲 取 溫 度 數(shù) 據(jù) 測(cè) 溫 效 果 更 好 6 結(jié) 語(yǔ) 本 文 設(shè) 計(jì) 的 智 能 化 蔬 菜 大 棚 溫 度 檢 測(cè) 系 統(tǒng) 通 過(guò) 單 片 機(jī) S T M 3 2 F 1 0 3 來(lái) 讀 取 溫 度 傳 感 器 I C 2 0 3 1 溫 度 寄 存 器 中 的 數(shù) 據(jù) 然 后 對(duì) 其 進(jìn) 行 處 理 并 實(shí) 時(shí) 顯 示 在 O L E D 液 晶 朱 文 旗 等 自 研 溫 度 傳 感 芯 片 在 智 慧 農(nóng) 業(yè) 中 的 示 范 應(yīng) 用 2 3現(xiàn) 代 電 子 技 術(shù) 2 0 2 2 年 第 4 5 卷 屏 上 且 通 過(guò) A T K E S P 8 2 6 6 模 塊 通 過(guò) W i F i 將 數(shù) 據(jù) 傳 給 P C 上 位 機(jī) 方 便 用 戶 觀 察 和 統(tǒng) 計(jì) 圖 1 4 I C 2 0 3 1 與 S H T 3 0 測(cè) 溫 效 果 對(duì) 比 實(shí) 際 測(cè) 溫 結(jié) 果 表 明 本 文 系 統(tǒng) 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 調(diào) 試 方 便 處 理 數(shù) 據(jù) 快 速 靈 活 且 I C 2 0 3 1 傳 感 器 測(cè) 溫 穩(wěn) 定 準(zhǔn) 確 說(shuō) 明 該 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 方 案 正 確 可 行 可 有 效 實(shí) 現(xiàn) 蔬 菜 大 棚 等 復(fù) 雜 環(huán) 境 的 分 布 式 溫 度 檢 測(cè) 參 考 文 獻(xiàn) 1 趙 云 娥 張 風(fēng) 彥 吳 怡 暉 基 于 A r d u i n o 的 智 慧 農(nóng) 業(yè) 大 棚 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) J 單 片 機(jī) 與 嵌 入 式 系 統(tǒng) 應(yīng) 用 2 0 1 9 1 9 4 7 2 7 6 2 王 淏 劉 強(qiáng) 溫 室 大 棚 溫 度 自 動(dòng) 控 制 系 統(tǒng) 技 術(shù) 研 究 J 江 西 農(nóng) 業(yè) 2 0 2 0 1 0 3 9 4 0 3 羅 小 亞 吳 瑪 佳 基 于 S T C 8 9 C 5 2 大 棚 室 內(nèi) D H T 1 1 溫 濕 度 控 制 器 設(shè) 計(jì) J 河 南 科 技 2 0 1 8 3 4 5 7 5 8 4 李 銳 基 于 A T 8 9 C 5 1 單 片 機(jī) 的 大 棚 溫 控 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) J 電 子 制 作 2 0 2 0 2 8 1 0 5 B E R T W e i s s A L A I N S t a s 用 模 擬 溫 度 傳 感 器 更 快 速 更 輕 松 地 開(kāi) 發(fā) 數(shù) 字 溫 度 計(jì) J 中 國(guó) 電 子 商 情 基 礎(chǔ) 電 子 2 0 1 9 5 2 9 3 1 6 王 芬 芬 馮 海 英 丁 柯 一 種 兼 容 S M B u s 協(xié) 議 的 I 2 C 總 線 控 制 器 的 設(shè) 計(jì) J 電 子 與 封 裝 2 0 1 8 1 8 9 2 0 2 5 7 程 可 郭 悅 立 王 寧 高 寒 地 區(qū) 無(wú) 人 值 守 臺(tái) 站 利 用 S T M 3 2 單 片 機(jī) 進(jìn) 行 觀 測(cè) 環(huán) 境 溫 控 的 研 究 J 科 技 創(chuàng) 新 與 應(yīng) 用 2 0 2 1 8 9 3 9 5 8 劉 紅 恩 劉 金 龍 基 于 A R M 單 片 機(jī) 的 小 區(qū) 智 能 安 防 報(bào) 警 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 與 實(shí) 現(xiàn) J 科 技 與 創(chuàng) 新 2 0 1 7 1 7 4 8 5 0 9 劉 艷 昌 孫 華 吳 紀(jì) 紅 等 基 于 機(jī) 器 人 的 溫 室 大 棚 環(huán) 境 智 能 監(jiān) 控 系 統(tǒng) J 江 蘇 農(nóng) 業(yè) 科 學(xué) 2 0 1 7 4 5 1 6 2 1 4 2 1 8 1 0 堯 永 春 韋 學(xué) 謙 蔡 枝 尚 A T C 智 能 數(shù) 據(jù) 采 集 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) J 科 技 視 界 2 0 2 0 7 2 3 4 2 3 6 1 1 李 建 波 張 永 亮 梁 振 華 S T M 3 2 C u b e M X 定 時(shí) 器 中 斷 回 調(diào) 函 數(shù) 的 研 究 J 電 腦 知 識(shí) 與 技 術(shù) 2 0 2 0 1 6 8 2 4 8 2 4 9 1 2 王 史 春 基 于 S T M 3 2 的 H A L 庫(kù) 和 固 件 庫(kù) 嵌 入 式 產(chǎn) 品 開(kāi) 發(fā) 研 究 J 電 子 測(cè) 試 2 0 2 0 1 0 7 1 7 2 1 3 王 昊 宇 李 國(guó) 利 周 創(chuàng) 等 基 于 E S P 8 2 6 6 的 溫 室 大 棚 遠(yuǎn) 程 監(jiān) 控 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) J 科 技 創(chuàng) 新 與 應(yīng) 用 2 0 2 1 6 5 3 5 6 作 者 簡(jiǎn) 介 朱 文 旗 1 9 9 5 男 山 東 濰 坊 人 碩 士 研 究 生 研 究 方 向 為 集 成 電 路 設(shè) 計(jì) 常 昊 1 9 9 5 男 山 東 淄 博 人 博 士 研 究 生 研 究 方 向 為 集 成 電 路 可 靠 性 劉 超 超 1 9 8 8 女 山 東 濰 坊 人 碩 士 工 程 師 研 究 方 向 為 農(nóng) 產(chǎn) 品 加 工 與 貯 藏 工 程 王 洪 昌 1 9 9 6