基于單片機的土壤溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計說明書1219

1、成績等級本科畢業(yè)論文（設(shè)計）題目基于單片機的土壤溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計學(xué)院xx學(xué)院專業(yè)機械設(shè)計制造及其自動化班級12機制本03班學(xué)號121010100318學(xué)生姓名藺多海指導(dǎo)教師王偉鋒完成日期摘要本設(shè)計基于cc2430無線片上系統(tǒng)為核心部件，用時域反射型(tdr)抗 腐蝕土壤濕度傳感器采集濕度數(shù)據(jù)，以ds18b20采集土壤溫度，同吋根據(jù)農(nóng) 業(yè)生產(chǎn)的需要附加sht11溫濕度模塊采集空氣溫濕度值，使用oled屏顯示測 得數(shù)據(jù)，并用at24c08存儲數(shù)據(jù)。本設(shè)計是土壤溫濕度環(huán)境無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系 統(tǒng)的初步設(shè)計，目的在于實現(xiàn)終端設(shè)備的功能，后待開發(fā)建立在ieee 802. 15.4的zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的

2、最優(yōu)建網(wǎng)方案。本文將以單片機為核心設(shè)計了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖、程序指令、流程圖等等，在 保留了原始土壤溫濕度控制系統(tǒng)的基本功能的同時又增加了一系列的實用 功能并簡化其電路結(jié)構(gòu)，其將以控制方便，靈活，只要改變輸入單片機的控 制程序，便可以控制土壤溫濕度系統(tǒng)，方便，簡潔。關(guān)鍵詞 單片機控制系統(tǒng) 可靠性 系統(tǒng)abstractit can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in cc2430environments to protect the

3、 personal ds18b20safety, therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors.this article is at24c08 mainly of the pneumatic manipulator the overall design, and pneumatic design. this mechanism of manipulator includes cylinders and claws and c

4、onnectors parts, it can move according to the due track on the zigbee movement of grabbing.carrying and unloading. the pneumatic part of the design is primarily to choose the right valves and design a reasonable pneumatic control loop, by controlling and regulating pressure, flow and direction of th

5、e compressed air to make it get the necessary strength, speed and changed the direction of movement in the prescribed procedure work.it can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal

6、safety.keywords singlechip microcomputer forging machine1緒論11.1課題的研究背景和歷史意義11.2系統(tǒng)功能概述22控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 52.1單片機的作用和功能62. 2單片機的應(yīng)用場合73硬件系統(tǒng)的設(shè)計73.1各組成硬件概述93. 2無線傳輸核心技術(shù)103.3系統(tǒng)框圖103.4網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框圖113.5終端設(shè)備系統(tǒng)框圖124終端設(shè)備方案選擇 144.1數(shù)據(jù)采集154. 2數(shù)據(jù)顯示錯誤!未定義書簽。4. 3數(shù)據(jù)存儲錯誤!未定義書簽。4. 4按鍵控制錯誤!未定義書簽。5系統(tǒng)軟件的設(shè)計225.1系統(tǒng)軟件總體設(shè)計235. 2各功能模塊軟件程序設(shè)計

7、245.3程序清單錯誤!未定義書簽。結(jié)論25致謝26參考文獻(xiàn)271緒論1.1課題的研究背景和歷史意義單片機作為控制系統(tǒng)的核心部分，由于單片機體積小，使用方便的特點，被應(yīng)用在智能儀器上，再結(jié)合其他的傳感器之類的，可以實現(xiàn)對溫度、濕度等精 密量的測量，功能十分的強大。同樣由于單片機的體積小、環(huán)境適應(yīng)能力強和使 用方便等方面的優(yōu)點，單片機也被普遍應(yīng)用于工業(yè)控制上，比如多種多樣的通訊 系統(tǒng)以及機器人等方面。此外，由于單片機的適應(yīng)能力很強，所以在我們常用的 手機、電腦等物品上應(yīng)用十分廣泛。還有，醫(yī)院的醫(yī)療設(shè)備如呼吸機等也有單片 機的廣泛應(yīng)用。還有就是汽車系統(tǒng)、物流系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等都廣泛應(yīng) 用單

8、片機。現(xiàn)在已能上游天空和宇宙，下潛大洋深層，遠(yuǎn)窺百億光年，近察細(xì)胞和分 子。新興的電子計算機硬、軟件科學(xué)使人類開始有了加強，并部分代替人腦的科 技手段，這就是人工智能。這一新的發(fā)展已經(jīng)顯示出巨大的影響，而在未來年代 它還將不斷地創(chuàng)造出人們無法想象的奇跡。人類智慧的增長并不減少雙手的作用，相反地卻要求手作更多、更精巧、更復(fù)雜的工作，從而更促進(jìn)手的功能。手的實踐反過來又促進(jìn)人腦的智慧。在人 類的整個進(jìn)化過程屮，以及在每個人的成長過程中，腦與手是互相促進(jìn)和平行進(jìn) 化的。產(chǎn)品的智能化與機械工程之間的關(guān)系近似于腦與手之間的關(guān)系，其區(qū)別僅 在于人工智能的硬件還需要利用機械制造出來。過去，各種機械離不開人的

9、操作 和控制，其反應(yīng)速度和操作精度受到進(jìn)化很慢的人腦和神經(jīng)系統(tǒng)的限制，人工智 能將會消除了這個限制。計算機科學(xué)與機械工程z間的互相促進(jìn)，平行前進(jìn)，將 使機械工程在更高的層次上開始新的一輪大發(fā)展。總結(jié)以往在土壤濕度采集過程中的經(jīng)驗可知，雖然測量的精確性可以保證， 但是方便性與精確性卻很難同時達(dá)到，便捷的手持設(shè)備可以方便采集到接近的數(shù) 據(jù)，但不夠精確又不耐腐蝕，使用壽命短，配合電子計算機的大型設(shè)備又不能隨 身攜帶。更為困難的是在大面積的土地中是不可能人工采集方法獲得數(shù)據(jù)的，我 們無法安排足夠的人力每天多次測量大面積的土地，所測得的數(shù)據(jù)也不便于統(tǒng)計 分析。因此無線傳感網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)勢在必得。1.2系統(tǒng)功

10、能概述本次設(shè)計中網(wǎng)絡(luò)架設(shè)及終端設(shè)備的遠(yuǎn)程控制將不做為重點研究內(nèi)容，主要完 成終端設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、顯示、發(fā)送與存儲工作，實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的底層設(shè)計。 整體設(shè)計是將tdr 土壤濕度傳感器獲得濕度數(shù)據(jù)、ds18b20采集的土壤溫度數(shù)據(jù) 利以及sht11獲得的空氣溫濕度數(shù)據(jù)通過cc2430無線單片機發(fā)送出去，并可以 根據(jù)需要將數(shù)據(jù)顯示在oled顯示屏上，通過導(dǎo)航按鍵可以方便設(shè)定采集數(shù)據(jù)的 時間間隔、采集數(shù)據(jù)的類型（便于統(tǒng)計分析）、系統(tǒng)時間等信息。使用at24c08 串行eeprom將數(shù)據(jù)同步存儲在設(shè)備終端，即便網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障或者設(shè)備中斷，所 測得數(shù)據(jù)依然安全保存。2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計2.1單片機的作用和功

11、能目前單片機滲透到我們?；畹母鱾€領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機 的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳 輸，工業(yè)自動化過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能ic卡，民用 豪華轎車的安全保障系統(tǒng)，錄像機、攝像機、全白動洗衣機的控制，以及程控玩 具、電子寵物等等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領(lǐng)域的機器人、智 能儀表、醫(yī)療器械了。因此，單片機的學(xué)習(xí)、開發(fā)與應(yīng)用將造就一批計算機應(yīng)用 與智能化控制的科學(xué)家、工程師。單片機廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī) 用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的智能化管理及過程控制等領(lǐng)域，大致可分如下幾 個范疇：1. 在智能儀器儀表

12、上的應(yīng)用單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等 優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實現(xiàn)諸如電壓、功率、 頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、長度、硬度、元素、壓力等物理 量的測量。采用單片機控制使得儀器儀表數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起 采用電子或數(shù)字電路更加強大。例如精密的測量設(shè)備（功率計，示波器，各種分 析儀）。2 在工業(yè)控制中的應(yīng)用用單片機可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。例如工廠流水線的 智能化管理，電梯智能化控制、各種報警系統(tǒng)，與計算機聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級控制系統(tǒng) 等。3. 在家用電器中的應(yīng)用可以這樣說，現(xiàn)在的家用電器基本上都采

13、用了單片機控制，從電飯褒、洗衣 機、電冰箱、空調(diào)機、彩電、其他咅響視頻器材、再到屯子秤量設(shè)備，五花八門, 無所不在。4. 在計算機網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)代的單片機普遍具備通信接口，可以很方便地與計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為 在計算機網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設(shè)備慕本 上都實現(xiàn)了單片機智能控制，從手機，電話機、小型程控交換機、樓宇自動通信 呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、再到日常工作中隨處可見的移動電話，集群移動通信, 無線電對講機等。5. 單片機在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用單片機在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當(dāng)廣泛，例如醫(yī)用呼吸機，各種分析儀，監(jiān) 護儀，超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等等。6.

14、在各種大型電器中的模塊化應(yīng)用某些專用單片機設(shè)計用于實現(xiàn)特定功能，從 而在各種電路中進(jìn)行模塊化應(yīng)用，而不要求使用人員了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)。如音樂集 成單片機，看似簡單的功能，微縮在純電子芯片中（有別于磁帶機的原理），就 需要復(fù)雜的類似于計算機的原理。如：音樂信號以數(shù)字的形式存于存儲器中（類 似于rom）,由微控制器讀出，轉(zhuǎn)化為模擬咅樂電信號（類似于聲卡）。在大型電路中，這種模塊化應(yīng)用極大地縮小了體積，簡化了電路，降低了損壞、 錯誤率，也方便于更換。7單片機在汽車設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用單片機在汽車電子中的應(yīng)用非常廣泛，例如 汽車中的發(fā)動機控制器，基于can總線的汽車發(fā)動機智能電子控制器，gps導(dǎo)航 系統(tǒng)，ab

15、s防抱死系統(tǒng)，制動系統(tǒng)等等。此外，單片機在工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領(lǐng)域都有著十分 廣泛的用途。2.2單片機的應(yīng)用場合單片機廣泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專用設(shè)備的 智能化管理及過程控制等領(lǐng)域，大致可分如下兒個范疇：1 在智能儀器儀表上的應(yīng)用 單片機具有體積小、功耗低、控制功能強、 擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的 傳感器，可實現(xiàn)諸如電壓、功率、頻率、濕度、溫度、流量、速度、厚度、角度、 長度、硬度、元素、壓力等物理量的測量。釆用單片機控制使得儀器儀表數(shù)字化、 智能化、微型化，且功能比起采用電子或數(shù)字電路更加強大。例如精密的

16、測量設(shè) 備（功率計，示波器，各種分析儀）。2. 在工業(yè)控制屮的應(yīng)用 用單片機可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采 集系統(tǒng)。例如工廠流水線的智能化管理，電梯智能化控制、各種報警系統(tǒng)，與計 算機聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級控制系統(tǒng)等。3在家用電器中的應(yīng)用 可以這樣說，現(xiàn)在的家用電器基本上都采用了單 片機控制，從電飯褒、洗衣機、電冰箱、空調(diào)機、彩電、其他音響視頻器材、再 到電子秤量設(shè)備，五花八門，無所不在。4 在計算機網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用 現(xiàn)代的單片機普遍具備通信接口， 可以很方便地與計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為在計算機網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供 了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設(shè)備基本上都實現(xiàn)了單片機智能控制，從手機, 電

17、話機、小型程控交換機、樓宇自動通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、再到日常工 作屮隨處可見的移動電話，集群移動通信，無線電對講機等。5 .單片機在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用單片機在醫(yī)用設(shè)備中的用途亦相當(dāng)廣泛，例如醫(yī)用呼吸機，各種分析儀，監(jiān)護儀，超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等 等。此外，單片機在工商，金融，科研、教育，國防航空航天等領(lǐng)域都有著十分 廣泛的用途。3硬件系統(tǒng)的設(shè)計3.1各組成硬件概述tdr 土壤濕度傳感器的使用是十分不便的，我們并不知道它的輸出與采樣的 對應(yīng)關(guān)系，使用的傳感器來自于計算機平臺上的傳感器，它使用計算機串口，通 過軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析，最終得到濕度數(shù)據(jù)。我們的工作就是需要從它的原有計 算機

18、平臺屮取出對應(yīng)關(guān)系，然后才能夠?qū)鞲衅魍ㄟ^終端設(shè)備獨立使用，告別計 算機。這部分也是設(shè)計的難點。設(shè)計中選擇了從計算機平臺中“偷取數(shù)據(jù)”的辦 法實現(xiàn)獲得釆樣與輸出的對應(yīng)關(guān)系。即在計算機平臺工作時將傳感器送出的數(shù)據(jù) 定時竊取一個存入終端設(shè)備中，持續(xù)重復(fù)數(shù)次，然后按時間與計算機平臺中丟失 的數(shù)據(jù)的相鄰兩個數(shù)據(jù)的平均值對比，這樣就可以獲得輸出與采樣的對應(yīng)關(guān)系。 這種方法簡便有效（只需要安裝一個程控繼電器即可），誤差較低。根據(jù)需要，完整的終端設(shè)備包括中心控制與數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù) 據(jù)存儲及按鍵五個部分。中心控制單元主要是cc2430無線片上系統(tǒng),強大的功能優(yōu)勢足以滿足系統(tǒng) 的全部需求。數(shù)據(jù)收

19、發(fā)部分利用cc2430自身的功能，通過2.4g天線、晶體振蕩 器及簡單外圍電路即可實現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集部分包括三個大部分：tdr 土壤濕度傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換:使用耐腐蝕tdr 土壤濕度傳感器和max 1301 高速率a/d轉(zhuǎn)換搭建完成，可以將數(shù)據(jù)以數(shù)字信號的方式通過spi總線模式送入 中心控制單元。ds18b20溫度采集模塊采集土壤溫度，由于ds18b20是單總線模式，所以使 用還是相當(dāng)?shù)姆奖?。sht11空氣溫濕度釆集模塊。數(shù)字信號直接輸出，以i2c總線模式傳送數(shù)據(jù) 應(yīng)用方便。數(shù)據(jù)顯示部分通過0led屏幕（冷光屏）顯示數(shù)據(jù)。0led屏是利用有機發(fā)光 材料受激輻射發(fā)光原理，因此無需背光、亮度高、功耗低，

20、最符合系統(tǒng)需要。 數(shù)據(jù)存儲部分使用的at24c08支持i2c總線數(shù)據(jù)傳送協(xié)議。t2c總線協(xié)議規(guī)定 任何將數(shù)據(jù)傳送到總線的器件作為發(fā)送器，任何從總線接收數(shù)據(jù)的器件為接收 器，存儲能力為8k,在不影響使用的情況下減小了設(shè)計成本。按鍵采用了上、下、左、右四個方向鍵和確認(rèn)、取消兩個功能鍵作。四個方 向鍵采用adc采樣輸入，兩個功能鍵直接讀取端口電平。節(jié)約了 cc2430的端口 充分利用了內(nèi)部的剩余資源（內(nèi)部adc）。3. 2無線傳輸核心技術(shù)zigbee名字來源于蜂群使用的賴以牛存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過跳 zigzag形狀的舞蹈來通知發(fā)現(xiàn)的新食物源的位置、距離和方向等信息，以此作 為新一代無線通訊技

21、術(shù)的名稱。zigbcc過去又稱為“homcrf lite"、“rf-easylink”或"firefly”無線電技術(shù)，目前統(tǒng)一稱為zigbee技術(shù)。1 zigbee是-種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、低復(fù)雜度的無線 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。zigbee采取了 ieee 802. 15. 4強有力的無線物理層所規(guī)定的全部優(yōu) 點：省電、簡單、成本又低的規(guī)格；zigbee增加了邏輯網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全和應(yīng)用 層。zigbee聯(lián)盟預(yù)測的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)控制、消費性電子設(shè)備、汽車自 動化、家庭和樓宇自動化、醫(yī)用設(shè)備控制等。鑒于zigbee技術(shù)的諸多優(yōu)勢，本次設(shè)計將采用這一組網(wǎng)方式，駛件設(shè)

22、備采 用德州儀器牛產(chǎn)的無線單片機cc2430為核心部件，它是世界上首個真正的單芯 片zigbee解決方案，是世界上第一個真止意義上的soc-zigbee -站式產(chǎn)品，具 有芯片可編程閃存以及通過認(rèn)證的zigbee tm協(xié)議棧，它們都集成在一個硅片內(nèi)， 方便口后的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。3. 3系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖是反映單片機系統(tǒng)齊個組成部分與主控程序關(guān)系邏輯的圖，單片機 滲透到我們生活的各個領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個領(lǐng)域沒有單片機的蹤跡。導(dǎo)彈的 導(dǎo)航裝置，飛機上各種儀表的控制，計算機的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動化 過程的實時控制和數(shù)據(jù)處理，廣泛使用的各種智能ic卡，民用豪華轎車的安全 保障系統(tǒng)，錄像機、攝像機、全

23、自動洗衣機的控制，以及程控玩具、電子寵物等 等，這些都離不開單片機。更不用說自動控制領(lǐng)域的機器人、智能儀表、醫(yī)療器 械以及各種智能機械了。因此，單片機的學(xué)習(xí)、開發(fā)與應(yīng)用將造就一批計算機應(yīng) 用與智能化控制的科學(xué)家、工程師。3.4網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)的總體網(wǎng)絡(luò)框圖如圖2-1所示，從圖中可以看出，該總體網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框 圖分別如下圖清單所示：pc檢測zigbee路由節(jié)點zigbee終端節(jié)點zigbcc中繼節(jié)點土壤溫度采集模塊 土壤濕度采集模塊 空氣溫濕度采集模塊 無線傳輸冇線傳輸3. 5終端設(shè)備系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)的終端設(shè)備框圖如圖2-2所示，這部分內(nèi)容將作為本次設(shè)計重點研 究。oled顯示屏tdr 土壤濕度傳感

24、器=>adc-max1301 (=>ds18b20 土壤溫度傳感器屮心控制單元cc2430sht-1i空氣溫度傳感器按鍵控制4終端設(shè)備方案選擇終端設(shè)備方案的選擇主要包括以下幾個方面：1）負(fù)壓計土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)負(fù)壓計，又稱張力計，以測量土壤負(fù)壓（張力）來顯示土壤水分狀況。負(fù)壓計 瓷頭埋設(shè)于土壤屮某一高程后，負(fù)壓計內(nèi)部的水分通過瓷頭上的微孔同土壤水分 進(jìn)行交換，使內(nèi)外水勢漸趨平衡，儀器上所指示的負(fù)壓值即代表土壤水勢，可以 直接反映土壤水分能為植物吸收利用的程度，同時乂可換算為土壤含水率。負(fù)壓 計結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，因此使用較為廣泛。但是負(fù)壓計易受環(huán)境溫度的影響， 儀器穩(wěn)定性較差。此外，

25、負(fù)壓計具有滯后性，往往不能及時反映土壤水分狀況， 在土壤干燥過程屮尤為顯著。2）中子土壤濕度計中子土壤濕度計以測量快中子與土壤水分中氫原子碰撞而轉(zhuǎn)化為慢中子的 數(shù)量來感知土壤水分狀況。土孔上下移動即可測定不同高程點的土壤含水量。目 前主要采用手工方法測量，也可以改造為自動化或半自動化監(jiān)測儀，從田間監(jiān)測 室監(jiān)測，以防止或減少屮子對人體的輻射。3）丫透射儀y透射儀利用丫射線透射土壤后的衰減程度來測定土壤水分狀況。此種裝 置在實驗室內(nèi)應(yīng)用效果較好，可進(jìn)行土壤水分a動化和半自動化監(jiān)測。4）時域反射儀時域反射儀（tdr儀），利用時域反射原理定點測量某一土層內(nèi)的土壤水分 情況。此儀器有較好的測量效果，是目

26、前較先進(jìn)的土壤濕度儀，便于實現(xiàn)自動化 監(jiān)測，但價格較為昂貴。5）電阻/電容式土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)電阻/電容式土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)包括電阻式土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)和電容式土 壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)，它們分別以電阻式土壤濕度傳感器和電容式土壤濕度傳感器為 基礎(chǔ)。電阻式土壤濕度傳感器，用裝有電極的感濕材料做成傳感器的感濕元件（探 頭），感濕材料常為石膏、陶瓷、尼龍絲繞塊等。將感濕元件埋設(shè)在土壤中某一 定點上，使其同土壤保持緊密接觸，以便感濕元件的水分與土壤水分達(dá)到平衡， 由于感濕元件的電阻值與其含水量具有一定關(guān)系，測量感濕元件的電阻值可以得 到感濕元件的濕度，從而間接求得土壤濕度。感濕元件在同土壤進(jìn)行水分交換的 同時，也

27、常具有溶質(zhì)交換，特別是由于元件埋設(shè)吋間較長以后，元件中常有溶質(zhì) 積累，從而影響到水分測定的精度。此外，由于感濕元件具有一定的滯后作用， 往往不能及時反映土壤水分現(xiàn)狀。電容法測定土壤濕度是根據(jù)土壤介電常數(shù)隨土壤濕度變化的原理來進(jìn)行 的。它同電阻法相比，受土壤鹽分的影響較小?？紤]上述多種濕度采集方法的優(yōu)勢，我們決定采用時域反射儀，它設(shè)計靈活、便 于自動控制，更符合設(shè)計要求。在對濕度傳感器的應(yīng)用方面我們考慮了以下兩種方案：方案一：使用12v、電源供電的傳感器，得到的模擬信號為012v,而我們的控 制單元cc2430電壓范圍是23.3v這樣在模擬與數(shù)字信號轉(zhuǎn)換方面就產(chǎn)生了困難 要么使用信號壓縮的方法將

28、其轉(zhuǎn)換為3. 3v的模擬信號后再進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換，但是 這樣將會導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤差大。如果先進(jìn)行a/d轉(zhuǎn)換再進(jìn)行數(shù)字信號的電壓轉(zhuǎn)換，這 樣又增加了設(shè)計的復(fù)雜性。本身傳感器的12v電壓也不利于功耗降低，對整體的 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計不利。方案二：使用一種低電壓的土壤濕度傳感器自身工作電壓為5v,輸出數(shù)據(jù) 為標(biāo)準(zhǔn)的傳感器數(shù)據(jù):420ma電流。在a/d轉(zhuǎn)換方面，我們采用美信公司生產(chǎn) 的max1301a芯片，它能完好的將電流轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并且可以直接和 +2. 7廠+5.25v設(shè)備相連接，這樣與cc2430就可以方便的結(jié)合，再加上max1301a 具有完全關(guān)閉模式，這樣就可以配合cc2430的休眠模式實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與終端的同

29、時 休眠模式，可以將功耗降至最低。方案二的優(yōu)勢使我們覺得設(shè)計變得方便，無疑的采用了這個方案。4. 1數(shù)據(jù)采集（1）土壤濕度采集：數(shù)據(jù)采集包括傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換兩大部分，使用耐腐蝕土 壤濕度專用傳感器和max 1301高速率adc搭建完成，可以將數(shù)據(jù)以數(shù)字信號的方 式通過spi總線模式送入中心控制單元。 dr的工作原理水分是決定土壤的介電常數(shù)的主要因素。tdr 土壤水分傳感器測量土壤的介電常 數(shù)，直接穩(wěn)定地測量各種土壤的真實水分含量。傳感器的信號輸岀可以用來直接 控制灌溉。tdr可測量土壤水分的體積百分比，與土壤的本身的機理無關(guān)。 特點高穩(wěn)定性；安裝維護操作簡便；有效測量長度超過45cm,增加了精

30、確度；測量不受土壤類型影響；支撐的材料為環(huán)氧樹脂，強度和壽命得到保證。 遠(yuǎn)程操作tdr 土壤水分傳感器與數(shù)采，遠(yuǎn)距離傳輸設(shè)備可以構(gòu)成遙測系統(tǒng)。例如：土壤干 燥時，警告信號可以自動響起來提醒人們應(yīng)該灌溉的時間到了。自動控制系統(tǒng)能 開關(guān)水泵和閥門等。配合一些附加的傳感器，可能可以計算出土壤水分蒸發(fā)量和 農(nóng)作物所需的水分參數(shù)。3個灌溉表技術(shù)（蒸發(fā)量，作物水脅迫指數(shù)cwsi和土壤 水分）的綜合應(yīng)用可以提供農(nóng)作物適宜牛長的最大的保證。 規(guī)格電源要求：5vdc+20%40ma輸出：olma,可選420ma或02. 5v全部尺寸：直徑：19mm；長度：635mm預(yù)熱時間：1秒 可選項：420呃輸出025v輸

31、出 安裝：傳感器測量土壤的有效部分為18英寸長，靠近電纜的9英寸和頂部的0. 5英寸 區(qū)域。不包括在測量區(qū)域內(nèi)。測量有效區(qū)域必須與土壤緊密并可以被放置在任何 的方向和深度。對于比較深的農(nóng)作物，例如果樹，它通常垂直的放置。對于垂直 安裝，挖一個0.5英寸 足夠深的洞把傳感器放下到所要測量的區(qū)域。用0.5英 寸的土壤采樣器可以很方便的挖出這個洞。傳感器必須與土壤緊密的接觸。確保 土壤填滿傳感器，用一個直徑0. 5英寸的棒深入到土壤中，棒與傳感器的距離大 約為3英寸，與傳感器同樣的深度。確保棒與傳感器保持平行并避免碰到損壞傳 感器。移動棒到相反的方向，距離同樣為3英寸的位置，然后重復(fù)這個過程在先 前

32、2洞的90度方向。在上部填上泥土來阻止水進(jìn)入頂部。一個可選的方法是把事先用當(dāng)?shù)赝寥浪?做的泥漿沿著傳感器注入孔中，然后插入傳感器。這些泥漿將填滿傳感器與土壤 之間的間隙。水平傳感器將安裝在溝中，然后填土埋好。注意：不要把傳感器安 裝在太陽直接照射的地方傳感器使用時使用光耦控制啟動，輸出選擇420ma電流方式，max 1301可 以與其完美的結(jié)合。4. 2數(shù)據(jù)顯示有機電致發(fā)光顯示（0led）技術(shù)是下一代最有競爭力的平板顯示技術(shù)。0前， 0led的研究重點是提高器件的穩(wěn)定性、發(fā)光效率和高質(zhì)量動態(tài)顯示的驅(qū)動技術(shù) 以達(dá)到實用化的要求。本設(shè)計采用0led顯示屏原因是其功耗低、亮度高、尺寸 小等優(yōu)點。0l

33、ed模塊與cc2430相連接采用i2c總線模式。便于后期軟件實現(xiàn)和硬件擴 展（節(jié)約主控模塊cc2430的i/o端口）。應(yīng)用框圖入圖2-30所示，具體連接方 法見附錄一中的原理圖。本次設(shè)計采用的0led簡介：顏色：藍(lán)色像素數(shù)：128*64驅(qū)動 tc： ssd1303對比度：500： 1視角:160度電壓：2. 7-3. 3v工作電流:10ua （典型值）工作溫度：-2070°c4. 3數(shù)據(jù)存儲at24c系列新品是美國atmel公司的低功耗cmos串行eepr0m14。eeprom 意為電可改寫及可編程只讀存儲器，共有11種型號。本設(shè)計中采用的atc24c08,存儲容量為0. 5ko雖然

34、很小，但已經(jīng)足夠我們使用，這也是考慮設(shè)計成本。主 要的引腳及封裝形式在圖2-31屮已經(jīng)給出，功能見表2-12。我們可以的到應(yīng)用 中的連接配置：ao. al> a2以及gnd均與電路中的地相連接，vcc接電源（我們 使用3. 3v的電源即可），wp接地，scl、sda分別于單片機的into和int1連接, 在cc2430中我們可以使用普通1/0 口虛擬into和inti （scl、sda需要經(jīng)過10k 電阻與電源向連接來穩(wěn)定）。這樣芯片的地址為0。詳細(xì)連接參看附錄。圖2-32 給出了 at24c08的寫時序。其屮主控制電路圖如下圖所示：vk5vvcc5vjzr*q丄三-=avicrtavn

35、ozavw532wmmhii 'm<hb 心一hin<."5rxirxt譏 wxmmdicxi （mldcon xktfaoa（mq；ao<0： 6w0:ref託心ict）o cvoo01-01 ai«ii mo二1mu mxx nc1&5_iz-iwjvud2 noa 刃g(shù); 0vcc6xvtd2 avw3vox hi4. 4按鍵控制設(shè)計中提供了上、下、左、右四個方向鍵和確認(rèn)、取消兩個功能鍵作為用戶輸入設(shè)備。四個方向鍵采用adc采樣輸入，功能鍵直接讀取端口電平。5系統(tǒng)軟件的設(shè)計5.1系統(tǒng)軟件總體設(shè)計木系統(tǒng)是以c語言來進(jìn)行軟件設(shè)計，目的是為

36、了便于日后擴展網(wǎng)絡(luò)部分（zigbee協(xié)議棧），軟件的設(shè)計采用模塊化結(jié)構(gòu)，使程序設(shè)計的邏輯關(guān)系更加簡潔明了。使硬件在軟件的控制下協(xié)調(diào)運作。整體設(shè)計采用菜單的方式?？梢栽O(shè)置相應(yīng)的功能。配合按鍵實現(xiàn)完善的功能和簡潔的人機對話方式。5. 2各功能模塊軟件程序設(shè)計模塊化的程序包括數(shù)據(jù)采集、收發(fā)、存儲、顯示、時鐘及主程序兒個部分。 其中使用的串行通信包含了三種總線模式：ds18b20為單總線模式，oled顯示、 si1t11使用的是i2c總線模式,max 1301使用的是spi總線模式。數(shù)據(jù)采集：土壤濕度采集主要是配置adc的工作，通過設(shè)置的spt總線模式完成 數(shù)據(jù)的釆集工作。這里面還包含定時器設(shè)置，我們

37、要定時開啟adc和傳感器（通 過繼電器控制）采集數(shù)據(jù)。其中的對應(yīng)關(guān)系需要與計算機平臺配合使用。當(dāng)獲得 數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系后，加入到程序中，通過查表顯示最終的濕度數(shù)據(jù)。土壤溫度部分 利用單總線模式與cc2430通信，溫度與數(shù)據(jù)對應(yīng)參看表3-k siit11用i2c總線 與cc2430通信。表3-1溫度-數(shù)據(jù)關(guān)系table 3-1 temperature ture/data relationshiptemperaturedigital output(binary)digital output (hex)+125° c0000 0111 1101000007d0h+85° c*0000

38、 0101 010100000550h+25.0625° c0000 0001 100100010191h+10. 125° c0000 0000 1010001000a2h+0.5° c0000 0000 000010000008h0° c0000 0000 00000000ooooh-0.5° c1111 1111 11111000fff8h-10. 125° c1111 1111 01011110ff5eh-25. 0625° cmi mo onomife6fh-55° c1111 1100 10010000

39、fc90h數(shù)據(jù)收發(fā)：配置cc2430發(fā)送緩沖區(qū)。把要發(fā)送的數(shù)據(jù)移入緩沖區(qū)；接受數(shù) 據(jù)存儲后肓接轉(zhuǎn)移至顯示緩沖區(qū)，因為我們不重點研究數(shù)據(jù)的收發(fā)所以不細(xì)致的 研究接收方法。數(shù)據(jù)存儲：用c語言描述i2c總線，將采集的數(shù)據(jù)存儲至at24c08中，同時 要通過dma直接存儲在cc2430的片內(nèi)rom屮作為備份。數(shù)據(jù)顯示：用i2c串行模式配置oled屏，包括開啟和亮度調(diào)整等。時鐘：包含年月口信息，可以手動調(diào)整，目的是隨同數(shù)據(jù)一起存儲發(fā)送。主程序：包含按鍵掃描內(nèi)容，將各個模塊連接起來，主要表現(xiàn)為調(diào)用子程序。其中，系統(tǒng)程序流程圖如下圖所示：其中，spi程序流程圖如下圖所示:5. 3程序清單/ds1820 c5

40、1 子程序這里以11.0592m晶體為例，不同的晶體速度可能需要調(diào)整延時的時間/sbit dq =p2a 1;根據(jù)實際情況定義端口typedef unsigned char byte;typedef unsigned int word;延時void delay(word useconds)for(;useconds>0;useconds);復(fù)位byte ow_reset(void) byte presence;dq = 0; /pull dq line low delay(29); / leave it low for 480usdq = 1; / allow line to retur

41、n high delay(3); / wait for presence presence 二 dq; / get presence signal delay(25); / wait for end of timeslot retum(presence); / presence signal returned / 0二presence, 1 = no part 從1 -wire總線上讀取一個字節(jié) byte read_byte(void)byte i;byte value = 0; for (i=8;i>0;i-)value»= 1;dq = 0; / pull dq low t

42、o start timeslotdq = 1; / then return high delay(l); /for (i=0; i<3; i+); if(dq)value|=0x80;delay(6); / wait for rest of timeslot return(value);向1-wire總線上寫一個字節(jié)void write_byte(char val)byte i;for (i=8; i>0; i) / writes byte, one bit at a time dq = 0; / pull dq low to start timeslotdq = val&

43、oxol;delay(5); / hold value for remainder of timeslot dq= 1;val=val/2;delay(5);讀取溫度char read_temperature(void)union byte c2;int x;temp;ow_reset();write_byte(oxcc); / skip rom write_byte(oxbe); / read scratch pad temp.c l=read_byte(); temp.co=read_byte();ow_reset();write_byte(oxcc); /skip rom write_b

44、yte(0x44); / start conversion return temp.x/2;模擬spi同步收發(fā)程序.#include<reg52.h>#include<stdio.h>#include<intrins.h>#include<lcd12864.h>/spi 接口sbit cs = p2a3;sbit sclk = p2a4;sbit din 二 p2a2;sbit dout = p2ai;sbit acc7=acca7;unsigned char dal;void lcd_init();void com_init();/測試用voi

45、d delay(t);/延時函數(shù)unsigned char spi_inout(unsigned char input);void main()主函數(shù)unsigned char m,i,s10;int a2;unsigned char j10=0x01,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,0x08,0x09;comnit();lcd_init();while(l)fbr(i=0;i<9;i+)m=ji;ao=spi _inout(m);/a0=dal;sprintf(s,"%2xn,a0);putstr(o,o,s);sbuf 二 m;while(!ti

46、);ti=0;delay(2000);測試用comvoid comnit()/9600tmod=0x20;scon=0x50;thl=0xfd;tlo=oxfd;tr1=1;void lcd_init()delay(lo); 等待復(fù)位lcmlnit();lcmcleartxto;lcmclearbmp();void delay(t)/延時函數(shù) unsigned int i,j;for(i=0;i<t;i+)fbr(j=0;j<121;j+)模擬spi,發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，同時輸入值input返回值getdataunsigned char spi_inout(unsigned char input) / unsigned char i=,8",getdata;cs=o;while(i)sclk=l;din=(bit)(input&ox8o);/ 輸出/_nop_();/delay(l);sclk=o; 下降沿getdata»= 1;接收acc二"getdata”;acc7=dout;getdata二”acc”； 數(shù)據(jù)到 getchar 中_nop_();sclk=l;input=input«l;/ if(i=o)/ dal=getdata;/_nop_();/_nop_