全 文 ：南 方 农 业 学 报
收稿日期：2011-12-30
基金项目：国家林业局保护司项目（2012）
作者简介：*为通讯作者，肖江（1956-），博士，教授，主要从事电子技术教学及微机测控和电测技术研究工作，E- mail：xiaojiang56@
126.com。梁娜（1989-），研究方向为机械工程，E- mail：lcmz1616@163.com
濒危植物杏黄兜兰环境因子监测设计
梁 娜，肖 江*
（北京林业大学，北京 100083）
摘要：【目的】实时了解杏黄兜兰所在生存环境的各项参数，掌握其最佳生长环境，为进一步实时控制其环境参数，
促进物种的繁殖生长，防止物种的濒危灭绝，保护生态环境提供参考。【方法】运用AT89C51单片机为控制处理核心，以
杏黄兜兰生长环境的温度、湿度、光照强度为监测参数，选用DS18B20温度传感器、HS1101湿度传感器、TSL235光频转
换器进行数据采集，并采用PTR2000模块实现短距离无线传输。【结果】AT89C51单片机可实现对温度、湿度、光照强度
等多个环境因子的共同监测，将环境因子值显示于数码管，传输距离可达300 m。【结论】设计方案适用于杏黄兜兰所生
长的云南福贡、碧江、泸水等地区的环境监测，其传感器选型符合当地特殊的环境要求，数据采集及传输方式合理有
效，可以实现室外条件下多个环境因子的共同监测和无线传输。
关键词：杏黄兜兰；环境因子；监测；设计
中图分类号：TP29 文献标志码：A 文章编号：2095-1191（2012）09-1414-06
0 引言
【研究意义】杏黄兜兰特产于我国云南西北部福
贡、碧江、泸水等县。由于原生境遭到破坏，杏黄兜兰
已到了灭绝的边缘，被国际公约列为一级保护物种，
《中华人民共和国野生植物保护条例》（1996）列为国
家一级保护植物，具有“植物熊猫”之称（Guerrant and
Kaye，2007）。杏黄兜兰对环境依赖性极强，尤其对温
度、湿度、光照强度等环境因子的变化较为敏感。因
此，对杏黄兜兰的环境因子进行监测，已成为目前杏
黄兜兰保护的有力之举。【前人研究进展】毛罕平和
李萍萍（1996）自行研制了小型智能温室环境控制
系统，该系统可以较低的运行成本对温湿度、光照、
Design of monitoring environmental factors of endangered plant
Paphiopedilum armeniacum
LIANGNa，XIAO Jiang*
（Beijing Forestry University，Beijing 100083，China）
Abstract：【Objective】The present research was conducted to understand the real-time environmental parameters of
Paphiopedilum armeniacum and to master its optimal living environment in order to provide references for further environ-
mental parameters control， species growth promotion and propagation， species extinction prevention， and ecological envi-
ronment protection. 【Method】Using AT89C51 as the microcontroller， parameters such as temperature， humidity， and light
intensity of the living environment were monitored and the data were collected by DS18B20 temperature sensor， HS1101
humidity sensor， TSL235 light -frequency converter， respectively， and then the data were wirelessly transmitted by
PTR2000 module. 【Result】AT89C51 singlechip could jointly monitor temperature， humidity， light intensity， and other
environmental factors； the corresponding values of environmental factors were displayed on nixie tube with the transmission
distance of 300 meters. 【Conclusion】This research design is suitable for monitoring environmental factors of Fugong， Bijiang，
and Lushui regions of Yunnan Province， where Paphiopedilum armeniacum are grown. Environmental factors measure-
ments， such as outdoor joint monitoring and wireless transmission， could be understood based on the sensors adaptability
to local environment， reasonable data collection， and different transmission modes.
Key words： Paphiopedilum armeniacum； environmental factors； monitoring； design
DOI：10.3969/j：issn.2095-1191.2012.09.1414
南方农业学报 JOURNAL OF SOUTHERN AGRICULTURE 2012，43（9）：1414-1419
ISSN 2095-1191；CODEN NNXAAB http：//www.nfnyxb.com
CO2浓度等环境因子进行控制。汪永斌等（2002）设计
研制了温室群全数字式温度和湿度综合控制系统，
可在自动控制温室内根据设定的温湿度值来控制温
湿度。董乔雪和王一鸣（2002）设计了温室计算机分
布式自动控制系统，实现了温室集群控制。左志宇等
（2003）提出了一种基于Internet构架的温室控制系
统，可实现温室的远程监管功能。【本研究切入点】目
前，通过国内外科研工作者的不断努力，对于温室环
境控制与管理系统的开发已较完善，但相比之下对
于室外环境因子的监测仍不够成熟。本研究在以往
的单一环境因子监测的基础上，运用51单片机实现
对温度、湿度、光照强度等多个环境因子的共同监
测，并采用PTR2000模块实现对采集数据的短距离无
线传输。【拟解决的关键问题】采用单片机为控制核
心，以杏黄兜兰所在环境的环境参数为监测对象，将
采集到的数据用PTR2000模块实现短距离无线传输，
旨在实时了解杏黄兜兰所在生存环境的各项参数，
掌握其最佳生长环境，为进一步实时控制其环境参
数，促进物种的繁殖生长，保护生态环境提供参考。
1 设计原理
本设计以AT89C51单片机为控制核心，以杏黄兜
兰生长环境的温度、湿度、光照强度为监测参数，选
用Atmel公司的DS18B20温度传感器、Humirel公司的
HS1101湿度传感器和TSL235光频转换器进行数据采
集，经单片机数据处理后，将温度、湿度、光照强度的
数值显示于数码管，并采用PTR2000模块进行短距离
无线传输。系统的原理框如图1所示。
2 硬件设计
2. 1 单片机控制系统的选择
AT89C51是一种带4 K字节闪烁可编程可擦除只
读存储器的低电压、高性能CMOS 8位微处理器。由于
将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，
因此是一种高效微控制器。
2. 2 温度测量电路设计
2. 2. 1 温度传感器的选择 杏黄兜兰生长于海拔
1400~2100 m的石灰岩壁积土处或多石而排水良
好的草坡上，其生长适温约12~18℃，其中3~9月为
16~18℃，9月~翌年3月为12~16℃。选用美国DALLAS
半导体公司推出的高集成度单总线数字化测温电路
DS18B20可以满足其测量要求，其测温范围为 - 55~
125℃（余泽辉等，2007；李毅等，2009）。
2. 2. 2 温度测量电路的设计 DS18B20的供电方
式有寄生电源供电方式和外接电源供电方式两种。
外部电源供电方式是DS18B20最佳的工作方式，此种
供电方式工作稳定可靠，抗干扰能力强，电路也比较
简单（岳鹏霞，2010）。在外接电源方式下，可以充分
发挥DS18B20宽电源电压范围的优点，即使电源电压
Vcc降到3 V时，仍能够保证测量精度。因此，设计中
采用外接电源的供电方式，可使系统结构更趋简单，
可靠性更高。
2. 3 湿度测量电路设计
2. 3. 1 湿度传感器的选择 在本系统中选用Hu-
mirel公司的电容式湿度传感器HS1101，原理是根据
其薄膜电容在不同湿度环境下电容量的变化来反映
不同的湿度环境，供电电压范围为5~10 V，其湿度测
量范围为1%~99%，而杏黄兜兰全年均喜高湿环境，
通常湿度保持在60%~90%，湿度值在HS1101的测量
范围之内，因此传感器的选型比较合适。
2. 3. 2 湿度测量电路的设计 本设计中将HS1101
配以555振荡电路将电容量转化为频率量传送给单
片机。图2所示电路为典型的由555定时器构成的多
谐振荡电路（林敏和于忠得，2001）。湿度传感器
HS1101作为电容变量接至555的2、6引脚，利用其电
容变量的充放电来代替外加触发信号。充电回路为
R2、R4和C，当电容器充电至门限电压（约0.67 Vcc）
时，电路的状态发生翻转，输出为低电平，电容器通
过R2放电；当电容器放电达到触发电平（约0.33 Vcc）
时，电路的状态又发生翻转，如此不断循环。传感器
HS1101可由不同阻值的电阻R2与R4充放电。具体工
作循环可描述如下：
T1=（R2+R4）×C@%RH×ln2 （1）
T2=R2×C@%RH×ln2 （2）
T=T1+T2 （3）
F=1/T=1/（T1+T2）=1/［（2×R2+R4）×C%RH×
ln2］y （4）
在本设计中，选用TLC555多谐振荡器，其相应的
电阻阻值为R1=909 K、R2=576 K（岳鹏霞，2010）。将
湿度传感器HS1101配以555振荡电路，从而实现将电
容量转化为单片机可以直接识别的频率量进行检测。
图 1 系统原理
Fig.1 System block diagram
梁娜等：濒危植物杏黄兜兰环境因子监测设计 1415· ·
南 方 农 业 学 报
表 1 HS1101的频率输出参数
Tab.1 HS1101 frequency output parameter
湿度范围（%）Humidity range 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
频率（Hz）Frequency 7351 7224 7100 6976 6853 6728 6600 6468 6330 6186 6033
图 3 TSL235输出频率与光辐照度的关系
Fig.3 Relationship between output frequency and light irradiance
of TSL235
TSL235光频转换器的输出允许直接与微控制器
或其他逻辑电路接口相连，不需外部元件可直接实现
光照度至频率的高分辨率转换。设计中为使器件性能
达到最佳，在电源线处接有0.1 μF的去耦电容。
2. 5 输出显示方式的选择
环境因子的检测值温度、湿度、光照强度经单片
机处理后，输出于7SEG- MPX4- CC数码管。
2. 6 传输系统的设计
无线收发一体数传模块PTR2000芯片性能优异，
其所需外围元件少，设计非常方便。该器件工作频率
稳定可靠、功耗极低且便于设计生产（王强等，2008），
是目前低功率无线数传的理想选择。短距离无线数据
传输系统的功能框图如图4所示。PTR2000模块的工作
模式控制及工作频道选择如表2所示。
2. 6. 1 单片机与PTR2000接口电路设计 单片机与
PTR2000接口电路设计如图5所示。单片机的串行
数据输入引脚RXD、串行数据输出引脚TXD分别与
PTR2000的数据输出引脚DO、数据输入引脚DI相连，
实现串行数据传输；发射接收控制引脚TXEN、频道选
图 4 短距离无线数据传输系统功能框
Fig.4 System block diagram of short- range wireless data trans-
mission
表 2 模块工作模式控制及工作频道选择
Tab.2 Control module and working channel selection table
模块引脚输入电平 模块状态
Module pin input level Module status
TXEN CS PWR 工作频道号 芯片状态
Working channel Chip status
0 0 1 1 接收
0 1 1 2 接收
1 0 1 1 发射
1 1 1 2 发射
X X 0 - 待机
杏黄兜兰所在生长环境阴暗潮湿，环境湿度较大，全
年湿度值在60%~90%，对应频率为6600~6033 Hz。
HS1101的具体频率输出参数如表1所示。
HS1101的频率输出范围为6033~7351 Hz，由式
（4）可得其可调电容范围应为165~200 pF。当可调电
容值为最小值165 pF时，湿度值也达到最小值；当可
调电容值为最大值200 pF时，湿度值也达到最大值。
2. 4 光频转换器的选择
杏黄兜兰原生于光线阴暗的环境，不耐强光照
射（Berkovich and Karzarin，1996；Camacho and Liston，
2001），因此光照强度是监测其环境因子的必要参数
之一。本设计中选用TSL235光频转换器，它是在一个
单片集成电路上组合一个硅光二极管和电流—频率
转换器，其输出是频率直接与光照度成比例的方波。
器件对于从300~700 nm波长范围的光比较灵敏，而
这一波段的光对于杏黄兜兰的生长影响较大。杏黄
兜兰所在的云南碧江、泸水一带，其全年光照强度范
围为1000~20000 lx，即为1000~20000 W/m2，由TSL235
输出频率与光辐照度（图3）可知，其转化为频率的估
算值为100~2000 MHz。
图 2 湿度测量电路
Fig.2 Humidity measurement circuit
670 nm
μW/cm2
1416· ·
择引脚CS、节能控制引脚PWR分别与单片机控制口
的P2.0、P2.1、P2.2相连，从而决定PTR2000模块的工作
模式。
2. 6. 2 PC机与PTR2000模块的接口电路设计 PC机
与PTR2000接口电路设计如图6所示。PTR2000的节能
控制引脚PWR接至高电平，即固定工作在正常工作状
态；频道选择引脚CS接至低电平，即采用通信频道1，
固定工作在433.92 MHz；发射接收控制引脚TXEN由
经过MAX232的电平转换的PC机串口RTS信号来控
制。PC机端采用VB的MSComm控件编程实现。利用VB
实现串口通信是目前应用较为广泛的一种通信方式。
本设计采用VB的标准控件MSComm进行单片机与PC
机间的通信（张修太和胡雪惠，2007；李永胜，2008）。
3 软件设计
3. 1 主程序设计
程序初始化后，当有分按键按下时，启动相应的
环境因子监测子程序，单片机采集相应环境因子量，
显示于数码管，直至下次按键被按下时改变显示参
数；当总按键被按下时，启动循环监测子程序，单片机
采集温度、湿度、光照强度等环境因子量，并循环显示
于数码管。主程序流程图如图7所示。
3. 2 温度采集程序设计
温度传感器DS18B20输出为单片机可以直接识
别的数字信号，其无需模数转换即可工作。DS18B20
与单片机之间的数据传送靠严格的时序来实现。与
DS18B20通信前，首先必须对其初始化，初始化时序
时，由单片机首先发出最短为480 μs的低电平有效复
位脉冲，之后释放总线并进入接收状态，DS18B20检测
到总线变高后，等待15~60 μs发出低电平有效存在脉
冲响应，如图8（a）所示。编写时序时，单片机首先将总
线拉至低电平，在开始的15 μs内将要写的数据位送
到总线上，对总线来说，在15~60 μs内若为低电平，写
入的是0；若为高电平，写入的是1，如图8（b）所示。读
时序时，单片机首先将总线拉至低电平，保持1 μs后
将总线拉高，释放总线，DS18B20通过保持总线为高发
送“1”，将总线拉低发送“0”，并在稍后时刻释放总线，
如图8（c）所示。
图 5 单片机与PTR2000接口电路
Fig.5 MCU interface circuit with PTR2000
图 6 PC机与PTR2000接口电路
Fig.6 PC interface circuit with PTR2000
图 7 主程序流程
Fig.7 Main program flowchart
图 8 DS18B20时序
Fig.8 Timing diagram of DS18B20
梁娜等：濒危植物杏黄兜兰环境因子监测设计 1417· ·
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从DS18B20读出的温度值是二进制数的形式，必
须将其转换为十进制数才能以我们习惯的字符形式
显示出来。在默认情况下，DS18B20的转换精度为12
位，分辨率为1/16℃（0.0625℃），即把温度寄存器里的
二进制数乘以0.0625，就是实际的十进制温度值。通过
观察分析温度值与数字量的对应关系可知，十进制值
和二进制值之间关系明显：将二进制的高字节的低四
位和低字节的高四位组成一个字节，转化成十进制数
后就是温度的百、十、个位值（如果是负数首先对其求
补即可），而剩下的低字节的低四位转换成十进制数
后，就是温度的小数部分。由于实际只要精确到0.1℃，
可通过查表来简化这种转换。温度采集程序流程如图
9所示。
3. 3 湿度采集程序设计
在湿度的初始化程序中，设置定时器0采用方式
1，16位定时器；定时器1采用方式1，16位计数器，对外
部事件脉冲进行计数，负跳变加1。定时器T0的初值设
置为3CB0H。
定时器T0的工作原理为：从初始值3CB0H开始逐
一相减，直到减为零时中断一次，用于计时50 ms；定
时器T1的工作原理为：逐一累加，累加至频率溢出时
执行中断，其作用之一相当于重新计时，作用之二相
当于将TH1、TL1清零，即相当于执行重新启动。
在湿度转换程序中，根据HS1101的原理说明可知，
当输出频率在 6033~7351 Hz时，相对湿度为 0%
~100%。因此当555的输出频率在此范围内时，进行湿
度值的转换。在程序设计中，采用分段控制的方式进
行数据转换。当输出频率超出传感器可识别范围时，
显示为“0.00H”。湿度采集程序流程如图10所示。
3. 4 光照强度采集程序设计
在光照强度采集的初始化程序中，设置定时器0
采用方式1，16位计数器，对外部事件脉冲计数，T0负
跳变加1；定时器1采用方式1，16位定时器。定时器T1
的初值设置为3CB0H。同样要求定时器每50 ms中断
一次。
由TSL235输出频率的估算值为100~2000 MHz，
换算为光辐照度为100~2000 W/cm2，为了简便起见，
在程序设计中，将传感器输出频率值除以1000000，得
到数值范围为100~2000、以W/cm2为单位的光辐照度
值。光照强度采集程序流程如图11所示。
3. 5 数据显示与按键程序设计
数码管选用共阴极八段数码管。在温度显示程序
中，当温度值为负数且十位为0时，设置显示格式为
“-x.x”；当温度值为负数且十位不为0时，设置显示格
式为“-xx.x”；当温度值为正数且百位、十位均为0时，
设置显示格式为“x.x”；当温度值为正数且百位为0时，
图 10 湿度采集程序流程
Fig.10 Flowchart of humidity acquisition
图 11 光照强度采集程序流程
Fig.11 Flowchart of light intensity acquisition
图 9 温度采集程序流程
Fig. 9 Flowchart of temperature acquisition
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设置显示格式为“xx.x”。在湿度显示程序中，以小数形
式表示此时采集到的环境湿度值，并在最后一位显示
字母“H（humidity）”，以示当前数码管显示为湿度值；
在光照强度显示程序中，显示以W/cm2为单位的光辐
照度数值。
4 讨论
本设计方案弥补了当今温室植物环境监测为主
流，室外植物环境监测尚不完善的不足，对于诸如杏
黄兜兰等生长环境特殊的植物来说，设计更具针对性
和专一性，改变了当今大部分环境因子监测系统仅适
用于一般环境下的现实。同时，此设计可实现多个环
境因子的共同监测和无线传输，将多种环境参数同时
显示于数码管，并可达300 m的无线数据传输，监测人
员可以在远离植物生长区的监测台处实时掌握环境
参数，监测更方便，更具建设性。在杏黄兜兰环境因子
监测的基础上实时调整环境参数使其处于最佳的生
长环境，从而促进其良好的生长繁殖是下一步即将研
究的课题。
5 结论
设计方案适用于杏黄兜兰所生长的云南福贡、碧
江、泸水等地区的环境监测，其传感器选型符合当地特
殊的环境要求，数据采集及传输方式合理有效，可以实
现室外条件下多个环境因子的共同监测和无线传输。
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（责任编辑 孔令孜）
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