基于單片機(jī)的溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、 基于單片機(jī)的溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要我國設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉已成為農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域中重點(diǎn)關(guān)注的問題之一，由于國外的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)造價(jià)高、使用復(fù)雜而難以推廣，開發(fā)滿足當(dāng)前設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求的灌溉控制系統(tǒng)具有重要意義。本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了作物根系處土壤濕度的監(jiān)測與自動(dòng)控制。該系統(tǒng)以CC2430單片機(jī)為核心，采用模塊化設(shè)計(jì)思路，主要包含微處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、電源供應(yīng)模塊與人機(jī)交互模塊。系統(tǒng)將周期采集的土壤濕度數(shù)據(jù)傳送到微處理器模塊，由決策算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后做出是否灌溉的指令，在灌溉過程中由數(shù)據(jù)采集模塊持續(xù)監(jiān)測土壤濕度，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，反饋控制灌溉設(shè)備的啟停，

2、以此實(shí)現(xiàn)土壤濕度維持在預(yù)設(shè)圍。系統(tǒng)采用人機(jī)交互模塊實(shí)現(xiàn)灌溉閾值的可配置，滿足不同設(shè)施作物種植的參數(shù)定制需求，同時(shí)提供實(shí)時(shí)土壤濕度查看和灌溉設(shè)備狀態(tài)管理功能。初步試驗(yàn)表明，系統(tǒng)把土壤濕度提高30所需的時(shí)間在5060min之，控制誤差在3以，且運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡單，準(zhǔn)確性和快速性指標(biāo)能滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)灌溉要求。系統(tǒng)成本低、可維護(hù)性強(qiáng)，從而具有良好的推廣應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：溫室自動(dòng)灌溉；土壤濕度監(jiān)測；單片機(jī)- 31 - / 36目錄1 緒論11.1 研究背景11.2 研究現(xiàn)狀11.3 研究目的21.4 論文結(jié)構(gòu)22 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與器件選型32.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)32.2 器件選型42.2.1 微處理器選型42

3、.2.2 土壤濕度傳感器選型52.2.3 LCD液晶顯示模塊選型62.3 本章小結(jié)63 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)73.1 應(yīng)用軟件介紹73.2 微處理器模塊設(shè)計(jì)83.2.1 CC2430概述83.2.2 CC2430外圍電路設(shè)計(jì)83.2.3 微處理器復(fù)位與調(diào)試接口電路設(shè)計(jì)93.3數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)103.4電源供應(yīng)模塊設(shè)計(jì)103.5 控制模塊硬件設(shè)計(jì)113.6 人機(jī)交互模塊設(shè)計(jì)123.6.1 顯示模塊原理圖設(shè)計(jì)123.6.2 按鍵電路設(shè)計(jì)123.7 PCB電路板制作133.7.1 繪制PCB板133.8 系統(tǒng)實(shí)物制作163.9 本章小結(jié)164 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)174.1 應(yīng)用軟件介紹174.2 系統(tǒng)需求分

4、析184.3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)194.3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)194.3.2 傳感器采集程序設(shè)計(jì)214.3.3 顯示程序設(shè)計(jì)224.4 灌溉模型設(shè)計(jì)244.5 系統(tǒng)應(yīng)用方案設(shè)計(jì)264.5.1 控制方式的選擇264.5.2 工作方式的選擇264.6 本章小結(jié)275 系統(tǒng)應(yīng)用驗(yàn)證275.1 驗(yàn)證容285.2 本章小結(jié)286 總結(jié)與展望296.1 總結(jié)296.2 展望29參考文獻(xiàn)30致311 緒論1.1 研究背景自古以來，我國就是一個(gè)以農(nóng)業(yè)為主的國家，即便到了現(xiàn)代社會，農(nóng)業(yè)仍是我國國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)。但我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率低下，長期以來一直以經(jīng)驗(yàn)種植為主，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率僅為發(fā)達(dá)國家的1/10。為解決三農(nóng)問題，國家正

5、大力發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，溫室是其中一個(gè)重要的組成部分，可增加作物年均成熟次數(shù)，增大作物產(chǎn)量，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，因此，大力發(fā)展溫室產(chǎn)業(yè)，對我國這樣一個(gè)人口多耕地少的國家而言具有極大的戰(zhàn)略意義1。目前，我國的溫室面積已突破210萬hm2，總面積達(dá)世界第一，但我國溫室管理水平落后，大多控制系統(tǒng)采用定時(shí)控制或者手動(dòng)控制方式2。在灌溉管理方面，通常存在澆水不與時(shí)、不均、灌水不足或過量灌水等現(xiàn)象3。自動(dòng)灌溉系統(tǒng)通常對作物根系的土壤濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，獲得作物根系的需水量，以此作為自動(dòng)灌溉的依據(jù)。溫室自動(dòng)灌溉可實(shí)現(xiàn)土壤濕度和營養(yǎng)成分的有效管理，是保證設(shè)施作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的重要措施4。隨著精準(zhǔn)感知技術(shù)、定量控制技術(shù)的迅速

6、發(fā)展,自動(dòng)控制技術(shù)在節(jié)水灌溉中有了新的發(fā)展5，通過灌溉控制器適時(shí)、適量地灌水，在節(jié)省水、人工和提高作物產(chǎn)量方面取得了一定的成效，可顯著提高灌溉精準(zhǔn)度，提高水的利用率。本文設(shè)計(jì)一種操作簡單、精確灌溉的低成本自動(dòng)化控制灌溉系統(tǒng)，使之既能保證植物的良好的生長狀態(tài)，又能做到盡量節(jié)水，對溫室農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有重要意義。1.2 研究現(xiàn)狀在國外，早在20世紀(jì)50年代，利用電子設(shè)備、計(jì)算機(jī)設(shè)備和程序控制的灌排系統(tǒng)就得到很大發(fā)展，并在法國、美國、日本等發(fā)達(dá)國家得到日益廣泛的應(yīng)用。1966年美國利用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)了一套AgriMate自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，系統(tǒng)中的現(xiàn)場處理器由LabVIEW的個(gè)人計(jì)算機(jī)控制。現(xiàn)場處理器配置了

7、模擬輸入、鎖存和繼電器板，用戶可以監(jiān)控水箱水位、閥門位置、泵的狀態(tài)和土壤濕度等，而修改設(shè)定點(diǎn)即可改變灌溉計(jì)劃。水的用法、水箱水位和降水情況等都是存儲在灌溉數(shù)據(jù)庫文件里的數(shù)據(jù)，用戶能夠讀出這些數(shù)據(jù)以與當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以圖形方式顯示給定月份的土壤濕潤度和外加的水，其發(fā)展程度已經(jīng)非常高6。相關(guān)研究依靠氣象數(shù)據(jù)，通過對比過去灌區(qū)的蒸發(fā)量與灌水量，結(jié)合各分灌區(qū)的植物種類分布、地形、土壤成分等數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析，并自動(dòng)制定出當(dāng)前各項(xiàng)灌溉指標(biāo)的灌溉系統(tǒng)，存在灌溉依據(jù)的間接性，很可能偏離灌溉目標(biāo)5。近年來相關(guān)研究已經(jīng)深入到將氣象因素、蒸騰量和土壤含水率相結(jié)合的綜合灌溉控制系統(tǒng)。但國外的設(shè)備普遍價(jià)格昂貴、專業(yè)性

8、較強(qiáng)，不適合普通用戶使用。國在這方面的研究起步較晚，但也取得一定成就7-12，比如農(nóng)業(yè)工程大學(xué)研制了以INTEL公司的8031系統(tǒng)單片機(jī)為核心的自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)為多通道土壤水分檢測、多路控制灌溉的控制系統(tǒng)。建豐等研發(fā)的多功能網(wǎng)絡(luò)式自動(dòng)灌溉方法與其裝置，實(shí)現(xiàn)了定時(shí)、定量，根據(jù)土壤濕度，預(yù)先制定灌溉計(jì)劃的灌水功能。但總體上，國灌溉自動(dòng)化程度不高，相關(guān)設(shè)備落后，與國外的先進(jìn)水平還有很大的差距。國外專家在這方面已做出了不可否認(rèn)的成就9-16，但這些自動(dòng)灌溉系統(tǒng)由于造價(jià)高、專業(yè)性強(qiáng)而難以推廣。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測作物根域的土壤濕度信號，從而對作物進(jìn)行適時(shí)適量按需灌溉，不但可以做到精準(zhǔn)灌溉，達(dá)

9、到節(jié)水的目的，而且操作簡單，開發(fā)成本低，適于推廣。1.3 研究目的溫室在作物生長過程中，根系會從土壤孔隙中吸取水分，通過對作物根域附近的土壤濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)測直接反映作物根系的需水量。我國現(xiàn)階段大多灌溉控制系統(tǒng)采用定時(shí)控制或者手動(dòng)控制方式，澆水不與時(shí)、不均、灌水不足或過量灌水現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生；更為先進(jìn)的，依靠氣象數(shù)據(jù)和對比過去灌區(qū)的蒸發(fā)量與灌水量制定出當(dāng)前各項(xiàng)灌溉指標(biāo)的灌溉系統(tǒng)，存在灌溉依據(jù)的間接性，很可能偏離灌溉目標(biāo)。本課題將研究解決以上問題，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的信息采集與自動(dòng)灌溉控制一體化系統(tǒng)，它具有設(shè)備成本低、可維護(hù)性強(qiáng)、可靠性高等獨(dú)特的優(yōu)勢，并能給用戶提供預(yù)警支持，從而減少農(nóng)民勞作強(qiáng)度，增加

10、產(chǎn)量。1.4 論文結(jié)構(gòu)本論文章節(jié)結(jié)構(gòu)按如下安排：第一章介紹溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的研究背景、國外研究現(xiàn)狀、研究目的和論文結(jié)構(gòu)。第二章給出系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖，選擇器件類型以與對設(shè)計(jì)中用到的元器件的介紹。第三章硬件電路的設(shè)計(jì)，包括微處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、電源供應(yīng)模塊以與人機(jī)交互模塊電路設(shè)計(jì)。第四章主要是軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，介紹單片機(jī)開發(fā)軟件IAR，重點(diǎn)是各個(gè)模塊軟件設(shè)計(jì)。第五章主要是系統(tǒng)的應(yīng)用與驗(yàn)證。第六章主要是總結(jié)與展望。2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與器件選型本系統(tǒng)以單片機(jī)(CC2430)為核心，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，主要由微處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、電源供應(yīng)模塊、人機(jī)交互模塊與相關(guān)軟件組成。單片

11、機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，它控制本系統(tǒng)的各種功能，因此選擇性能可靠的單片機(jī)就顯得尤為重要，考慮到滿足功能要求、穩(wěn)定性、性價(jià)比、開發(fā)等因素，選用TI生產(chǎn)的CC2430。土壤濕度傳感器是本系統(tǒng)的測量元件，傳感器性能的好壞直接影響到本系統(tǒng)性能的好壞。本設(shè)計(jì)采用的FDS-100，其技術(shù)參數(shù)為：工作電壓512V，工作電流15mA，測量精度3%，探針長度5.3cm，輸出模擬信號。在本系統(tǒng)中，采用LCD作為顯示單元，LCD液晶顯示器具有功耗低、壽命長、無輻射、不易引起視疲勞等優(yōu)點(diǎn)，正在廣泛應(yīng)用于儀表、家用電器、計(jì)算機(jī)、醫(yī)療儀器與交通和通信領(lǐng)域。本系統(tǒng)采用OCM12864-9液晶顯示模塊，它是128×64

12、點(diǎn)陣型液晶模塊，可顯示各種字符與圖形，可與CPU直接接口。2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所謂的模塊化設(shè)計(jì)，簡單的說就是將產(chǎn)品的某些要素組合起來，構(gòu)成一個(gè)具有特定功能的子系統(tǒng)，將這個(gè)子系統(tǒng)作為通用性的模塊與其他產(chǎn)品要素進(jìn)行多種組合，構(gòu)成新的系統(tǒng)，產(chǎn)生多種不同功能或一樣功能、不同性能的系列產(chǎn)品。模塊化是在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上發(fā)展起來一種新的設(shè)計(jì)思想，現(xiàn)已成為一種新的設(shè)計(jì)思想被廣泛采用，尤其是信息時(shí)代電子產(chǎn)品不斷推出新，模塊化設(shè)計(jì)的產(chǎn)品正在不斷涌現(xiàn)。模塊化設(shè)計(jì)已被廣泛用于機(jī)床、電子產(chǎn)品、航空、航天等設(shè)計(jì)領(lǐng)域。模塊化設(shè)計(jì)是綠色設(shè)計(jì)方法之一，它已經(jīng)從理念轉(zhuǎn)變?yōu)楸容^成熟的設(shè)計(jì)方法17。本文設(shè)計(jì)的溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)溫室

13、作物根系處土壤濕度的自動(dòng)控制，采用模塊化設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)主要由微處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、電源供應(yīng)模塊以與人機(jī)交互模塊組成。整個(gè)系統(tǒng)以單片機(jī)(CC2430)為控制核心，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，首先將數(shù)據(jù)采集模塊采集到的土壤濕度數(shù)據(jù)傳送到微處理器模塊上，并將采集到的土壤濕度數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上,由存儲在單片機(jī)的決策算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后做出是否灌溉的指令，與此同時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊對土壤濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，將土壤濕度參數(shù)信息送入微處理器模塊發(fā)出是否繼續(xù)灌水的指令，直到土壤濕度維持在我們預(yù)先設(shè)定的灌溉閾值停止灌水。另外系統(tǒng)針對不同農(nóng)作物與其不同發(fā)育期，可預(yù)先通過人機(jī)交互模塊輸入相關(guān)參數(shù)，使得土壤濕度達(dá)到我們預(yù)期的

14、標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到節(jié)水和精確灌溉的目的，靈活適用于多種場合。系統(tǒng)示意圖如2-1所示：圖2-1 溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)示意圖2.2 器件選型在系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)上，最重要的是低功耗的設(shè)計(jì)。低功耗的設(shè)計(jì)可以分為硬件和軟件兩個(gè)方面，在硬件方面體現(xiàn)在芯片的選擇上。2.2.1 微處理器選型微處理器是整個(gè)系統(tǒng)的核心，直接關(guān)系到系統(tǒng)的整體性能、價(jià)位、開發(fā)難度等。在選擇微處理器芯片時(shí)需考慮以下因素：A、芯片集成度高低有些芯片部集成有FLASH、AD等外圍設(shè)備，外圍設(shè)備越多，硬件電路越簡單，系統(tǒng)功耗也會越小，因此應(yīng)盡量選擇集成度高的芯片。B、開發(fā)商開發(fā)套件完備程度不同的開發(fā)商提供的開發(fā)系統(tǒng)不盡一樣，開發(fā)套件完備程度關(guān)系到系統(tǒng)開發(fā)

15、的難度，選擇芯片時(shí)應(yīng)考慮開發(fā)商提供的資料是否滿足開發(fā)需求。C、價(jià)格高低下面首先對當(dāng)前幾種主流的微處理器芯片加以介紹。（1）TI公司的CC2430A、高性能8位8051微控制器核，是常規(guī)8051CPU處理速度的8倍。B、128KB可編程FLASH和8KB的RAM。C、接收模式功耗低于27mA，發(fā)射模式低于25mA。D、休眠模式僅0.9A的功耗，在待機(jī)模式時(shí)少于0.6A的功耗。E、集成可編程的8-14位8路輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC。（2）SN250：A、16位XAP2b微處理器。B、128KB的FLASH與5KB的RAM。C、兩種休眠模式：處理器空閑Processor idle；深度休眠Deep sle

16、ep，功耗1.0uA。D、集成有12位ADC。（3）JN5121：A、16MHz32位的RISC處理器。B、96K RAM,64KROM。對比以上各芯片的性能參數(shù)，TI公司的CC2430具有最低的系統(tǒng)功耗，較高的主頻速度，較多的外圍設(shè)備。低功耗對以電池供電的溫室設(shè)備而言極為重要，超低工作功耗并具有休眠功能的CC2430在此方面有著最為出色的表現(xiàn)；8路8-14位的部可編程ADC應(yīng)用方便，可以省去外接ADC芯片，集成的128 KB可編程閃存和8KB的RAM，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)不需考慮外接ADC和擴(kuò)展存儲器。2.2.2 土壤濕度傳感器選型當(dāng)前土壤水分傳感器基本為模擬型號，數(shù)字型的非常少見，下面羅列了幾種型號

17、：A、FDS-100土壤水分傳感器：測量圍：0100%；測量精度：±3%；供電：5V10V；輸出信號：02.0VDC；工作電流：21mA 。B、SWR2土壤水分傳感器：測量圍：0100%；測量精度：050%（m3/m3）圍為±2%；供電：4.5V5.5V；輸出信號：02.5VDC；工作電流：60mA。C、TR-5A 型土壤水分傳感器：測量圍：0100%；測量精度：050%（m3/m3）圍為±2%；供電：12V24V；輸出信號：420mA標(biāo)準(zhǔn)電流環(huán)；工作電流：50mA。比較以上幾種傳感器，F(xiàn)DS-100傳感器功耗最低，測量精度雖然稍為遜色，但價(jià)格最為便宜，并且應(yīng)用也

18、最多，主要考慮功耗和價(jià)格因素，因此本系統(tǒng)采用FDS-100型傳感器 用于測量土壤水分含量。 2.2.3 LCD液晶顯示模塊選型LCD液晶屏采用OCM12864-9，該LCD具有16*8的英文字母顯示能力和8*4的漢字顯示能力。由于CC2430的I/O口有限，為了節(jié)省有限的系統(tǒng)資源，故采用74HC595串并轉(zhuǎn)換芯片，顯示數(shù)據(jù)經(jīng)CC2430串行輸入74HC595后再由其并行輸入給LCD。OCM12864-9字符點(diǎn)陣液晶顯示模塊描述：Ø 主要工藝：COGØ 顯示容：128X64點(diǎn)陣 Ø 顯示模式：STN，POSITIVE Ø 驅(qū)動(dòng)條件：1/64Duty,1/9

19、Bias Ø 背光：LED，白色 Ø 工作溫度：-20+70Ø 儲存溫度：-30+802.3 本章小結(jié)本章主要是對溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，以與設(shè)備各模塊元器件的選用和相關(guān)介紹。3 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1 應(yīng)用軟件介紹本文使用Protel DXP 2004作為繪制底層硬件電路板的工具。Protel DXP 2004是Altium公司在于2004年推出的電路設(shè)計(jì)軟件，是一個(gè)32位的電子設(shè)計(jì)系統(tǒng)。它是一套構(gòu)建在板設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)特性基礎(chǔ)上的EDA設(shè)計(jì)軟件，其主要功能包括電路原理圖設(shè)計(jì)、印刷電路板設(shè)計(jì)、改進(jìn)型拓?fù)渥詣?dòng)布線、模擬/數(shù)字混合信號仿真、布局前后信號完整性分析、P

20、LD2004可編程邏輯系統(tǒng)，以與完整的計(jì)算機(jī)輔助輸出和編輯性能等。本文從電路原理圖設(shè)計(jì)開始，最終得到所需的印刷電路板圖。下文對系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊進(jìn)行了講述，繪制原理圖是繪制PCB板的前提，只有正確的繪制原理圖并形成正確的網(wǎng)絡(luò)表才能繪制PCB板。系統(tǒng)原理圖如圖3-1所示，最終繪制成的PCB電路板如圖3-9、圖3-10和圖3-11所示，根據(jù)該電路板與相關(guān)設(shè)備選型制作出的實(shí)物圖如圖3-12所示。圖3-1 系統(tǒng)原理圖3.2 微處理器模塊設(shè)計(jì)3.2.1 CC2430概述CC2430是TI公司設(shè)計(jì)的一款真正的片上系統(tǒng)解決方案，專為Zigbee應(yīng)用量身制作，其部集成有一個(gè)高性能的CC2420射頻收發(fā)器和工業(yè)

21、級標(biāo)準(zhǔn)的高性能8051MCU，另外還有一些其它的強(qiáng)大的功能特性，配合業(yè)界領(lǐng)先的Zigbee協(xié)議棧，CC2430提供了市場上最具競爭力的Zigbee解決方案。其關(guān)鍵性能如下：A、高性能低功耗的8051微控制器核。B、符合802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的CC2420射頻收發(fā)器。C、優(yōu)良的無線接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性。D、32/64/128KB片可編程FLASH，8KB靜態(tài)RAM，其中4KB可在掉電狀況下保持?jǐn)?shù)據(jù)。E、低功耗。接收模式為27mA,發(fā)送模式為25mA；休眠模式時(shí)僅0.9A的流耗，外部的中斷或RTC 能喚醒系統(tǒng)；在待機(jī)模式時(shí)少于0.6A的流耗，外部的中斷能喚醒系統(tǒng)。F、較寬的電壓圍（2.0V-3

22、.6V）。G、21個(gè)通用I/O口，兩個(gè)具有20 mA的吸收電流能力。H、8路8-14位可編程ADC。I、2個(gè)強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的USART。J、一個(gè)IEEE802.15.4MAC定時(shí)器，一個(gè)通用16位定時(shí)器和2個(gè)8位定時(shí)器；一個(gè)看門狗定時(shí)器。3.2.2 CC2430外圍電路設(shè)計(jì)基于TI公司推出的CC2430實(shí)現(xiàn)嵌入式ZigBee應(yīng)用的微處理器模塊硬件電路如圖4所示。微處理器模塊主要包括微處理器電路和調(diào)試電路。數(shù)據(jù)發(fā)送通過單極天線（ANT）來實(shí)現(xiàn)，非平衡變壓器與配套元件（L1、L2、L3、C6）優(yōu)化了天線性能，使節(jié)點(diǎn)間的最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)120米。晶振XTAL2滿足了組網(wǎng)需要，晶振XTAL1用于終

23、端節(jié)點(diǎn)休眠。仿真器通過JTAG接口連接CC2430部JTAG調(diào)試模塊。端口P2.1為調(diào)試時(shí)鐘接口，P2.2為調(diào)試數(shù)據(jù)接口。通過該兩端口可對片上閃存編程，訪問存儲器和寄存器，并可以設(shè)置斷點(diǎn)、單步操作和修改寄存器。P1口作為數(shù)據(jù)輸出端，與LCD液晶顯示模塊相連，為節(jié)省微處理器的I/O口，將CC2430的P1.3、P1.5、P2.0與移位寄存器74HC595相連，寄存器的輸出口與LCD數(shù)據(jù)口（DB0-DB7）連接作為數(shù)據(jù)輸入，再通過軟件模擬OCM12864-9的時(shí)序，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的查詢與顯示。圖3-2 微處理器模塊硬件電路3.2.3 微處理器復(fù)位與調(diào)試接口電路設(shè)計(jì)圖3-3 復(fù)位與調(diào)試接口電路（1）復(fù)

24、位電路 CC2430有3種復(fù)位模式：強(qiáng)制復(fù)位引腳RESET_N為低電平、上電復(fù)位、看門狗定時(shí)器復(fù)位。如圖3-4所示為外部復(fù)位電路，引腳10為復(fù)位引腳，當(dāng)按鍵S1按下時(shí)引腳10輸入一低電平脈沖，使系統(tǒng)復(fù)位。（2）調(diào)試接口電路JTAG(Joint Test Action Group，聯(lián)合測試行動(dòng)小組)是一種國際標(biāo)準(zhǔn)測試協(xié)議，主要用于芯片部測試與對系統(tǒng)進(jìn)行仿真、調(diào)試。JTAG技術(shù)是一種嵌入式調(diào)試技術(shù)，它在芯片部封裝了專門的測試電路TAP(Test Access Port，測試訪問口)，通過專用的JTAG測試工具對部節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測試。CC2430可通過兩線接口對芯片進(jìn)行調(diào)試。端口P2.1為調(diào)試時(shí)鐘接口，P

25、2.2為調(diào)試數(shù)據(jù)接口。通過該兩端口可對片上閃存進(jìn)行編程，可以訪問存儲器和寄存器，并可進(jìn)行設(shè)置斷點(diǎn)、單步操作和修改寄存器。當(dāng)芯片處于非調(diào)試模式時(shí)，端口P1.1和端口P2.2可用作普通I/O口。在RESET_N輸入引腳為低電平時(shí)，在P2.2端口施加兩個(gè)高電平則系統(tǒng)進(jìn)入調(diào)試模式。3.3 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊由傳感器與其接口電路組成，主要完成作物根系處土壤濕度數(shù)據(jù)采集，傳感器需具備較高的精度與較低的功耗，完成土壤濕度的準(zhǔn)確測量。按傳感器工作特性設(shè)計(jì)外圍接口電路，通過數(shù)據(jù)線采集數(shù)據(jù)、電源線驅(qū)動(dòng)傳感器。本系統(tǒng)所采用的土壤水分傳感器型號為FDS-100，其技術(shù)參數(shù)為：工作電壓512V，工作電流15m

26、A，測量精度3%，探針長度5.3cm，輸出模擬信號。由于CC2430部集成了8通道的814位ADC，所以無需外置A/D轉(zhuǎn)換器，通過P0.0口即可實(shí)現(xiàn)信號的傳輸。另外，本系統(tǒng)采用水流開關(guān)來監(jiān)測灌溉閥門的狀態(tài)、管路中液體是否流動(dòng)和流動(dòng)的量是否達(dá)到要求，以此來監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。圖3-4 傳感器通用接口電路3.4 電源供應(yīng)模塊設(shè)計(jì)電源供電部分采用24V直流輸入的電源適配器供電，電源輸入后，經(jīng)過橋整、電容濾波后，分為兩路，經(jīng)過LM2596和TPS79533后分別為板子提供5V和3.3V(VCC33)兩種電平輸入。本系統(tǒng)用到的電壓有24V、12V、5V、3.3V。TI公司的電源管理芯片TPS79533

27、解決了5V到3.3V的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)的電源電路如圖3-5所示，其中，VCC33跟電池輸出的作用一樣，都是為板上的元器件和芯片提供合適的工作電源；而VCC5則是用來給控制板上的元器件和芯片供電；另外，它也可以為以5V為工作電壓的傳感器供電(監(jiān)測節(jié)點(diǎn)上留有土壤濕度傳感器的接口，可用于擴(kuò)展)。圖3-5 系統(tǒng)的電源電路3.5 控制模塊硬件設(shè)計(jì)控制模塊主要由執(zhí)行機(jī)構(gòu)與其驅(qū)動(dòng)電路組成。本系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用了中間繼電器，它按照微處理器的命令執(zhí)行相應(yīng)的操作。而驅(qū)動(dòng)電路是連接微處理器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的橋梁，在本電路中連接了CC2430和中間繼電器。功率驅(qū)動(dòng)部分主要由光電耦合器TPL521和三極管2N3904開關(guān)電路構(gòu)成。

28、光電耦合器TPL521由VCC33供電，主要起隔離作用，把微處理器的控制信號和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的功率信號隔離開來，提高系統(tǒng)抗干擾性，保護(hù)溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)。TPL521的輸入為來自微處理器CC2430的小功率信號，經(jīng)過隔離后把該信號輸出至三極管2N3904。三極管2N3904的作用是放大從處理器CC2430輸出的控制信號，把其變成可以驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的信號?？刂颇K硬件電路如圖3-6所示，P0.3口為低電平時(shí)，光耦導(dǎo)通，進(jìn)而使三極管導(dǎo)通把LED點(diǎn)亮，表示該路控制的強(qiáng)電設(shè)備正常工作。圖3-6 控制模塊硬件電路圖為了提高精度，本系統(tǒng)在溫室中多點(diǎn)采集作物根系的土壤濕度，微處理器接收多點(diǎn)采集的同一時(shí)刻的同一環(huán)境參數(shù)

29、，根據(jù)相應(yīng)的算法進(jìn)行均值估算，最后根據(jù)需要向相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)下達(dá)任務(wù)，執(zhí)行灌溉命令。3.6 人機(jī)交互模塊設(shè)計(jì)加裝顯示設(shè)備，可以更好的實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，使系統(tǒng)更人性化，本課題采用兩種顯示方式：LED顯示方式和LCD顯示方式。本設(shè)計(jì)采用OCM12864-9液晶顯示模塊，它是128×64點(diǎn)陣型液晶模塊，可顯示各種字符與圖形，可與CPU直接接口，OCM12864-9液晶顯示模塊對外提供了以下幾種信號線：8位標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)總線(DB0-DB7),讀寫控制線（R/W）,片選信號線(CS),數(shù)據(jù)/指令選擇線（A/O）,允許信號線（E），還有復(fù)位信號線（/RST）。3.6.1 顯示模塊原理圖設(shè)計(jì)根據(jù)信號線的邏輯

30、電平,選擇合適的微處理器CC2430的I/O引腳與之相連接。為節(jié)省微處理器的I/O口，將CC2430的P1.3、P1.5、P2.0與移位寄存器74HC595相連，寄存器的輸出口與液晶屏數(shù)據(jù)口（DB0-DB7）連接作為數(shù)據(jù)輸入，再通過軟件模擬OCM12864-9的時(shí)序，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的查詢與顯示。另外,通過調(diào)節(jié)LCD的LED+引腳的偏置電壓,對LCD背光進(jìn)行點(diǎn)亮、熄滅控制，即使在環(huán)境光亮程度較低的情況下,可以清晰的觀察LCD液晶屏上顯示的界面和數(shù)據(jù)。液晶顯示模塊硬件接口電路圖如圖3-7所示。圖3-7 液晶顯示模塊硬件接口電路圖3.6.2 按鍵電路設(shè)計(jì)用戶通過鍵盤與系統(tǒng)交互，可對系統(tǒng)程序的運(yùn)行做出某

31、些配置，系統(tǒng)的鍵盤電路如圖3-8所示。 圖3-8 系統(tǒng)的鍵盤電路圖中按鍵S1、S2、S5和S6實(shí)現(xiàn)原理為由P0.6端口采集按鍵電壓，然后經(jīng)CC2430片AD轉(zhuǎn)換器識別電壓值來判斷按鍵值，S3和S4直接經(jīng)由端口P0.5和P0.6產(chǎn)生系統(tǒng)中斷來判斷按鍵值。端口P1.0和P1.1具有20 mA的吸收電流能力，因此可用于驅(qū)動(dòng)LED，以做顯示之用。3.7 PCB電路板制作3.7.1 繪制PCB板本文將整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為三個(gè)PCB板：主板、控制板和CC2430小模塊板。主板只包括用戶常用的電源模塊、人機(jī)交互模塊；控制板包括控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和電源模塊；CC2430小模塊主要包括微處理器模塊，單獨(dú)畫一塊微處

32、理器模塊板子主要考慮CC2430可以復(fù)用，系統(tǒng)調(diào)試過程中如果CC2430被燒壞，主板和控制板仍可以繼續(xù)使用，減少了系統(tǒng)開發(fā)的費(fèi)用。在繪制PCB板之前，需要給各個(gè)元器件添加自己的封裝，有些封裝在Protel軟件中的標(biāo)準(zhǔn)元件庫中可以直接找到，但是有些元器件的封裝需要自己繪制，如OCM128649、74HC595、LM2596以與單片機(jī)CC2430等等都需要自己繪制封裝，這就要求查明芯片手冊，弄清楚引腳以與元器件各部分尺寸，制作好這些封裝后添加到庫里就可以直接使用。Ø 規(guī)劃電路板在給原理圖添加好封裝后就可以繪制PCB板。電路板采用雙層，電路板的大小形狀尺寸都要考慮進(jìn)去，考慮到所選盒子的包裝

33、，所以版面尺寸設(shè)計(jì)的比較大。在規(guī)劃電路板時(shí)還要考慮電路板與外界的接口部分，操作是否方便，是否便于測量等等，如適配器插頭、電源開關(guān)以與溫濕度傳感器都要要放到板的邊緣。同時(shí)還要注意單片機(jī)的時(shí)鐘電路盡量靠近單片機(jī)。Ø 手動(dòng)布線自動(dòng)布線遵循的原則是路線最短，但是如果采用自動(dòng)布線，PCB板的美觀性就顯得很差，而且對于高頻電路，自動(dòng)布線容易造成高頻對信號線的干擾，還有就是如果頂層和底層信號線平行的話，容易產(chǎn)生電容耦合，從而造成信號干擾。所以此次設(shè)計(jì)采用手動(dòng)布線，對于簡單的電路部分可以部分自動(dòng)布線。Ø 覆銅和補(bǔ)淚滴在完成所有布線并檢查無誤后就可以進(jìn)行覆銅，增強(qiáng)板子的抗干擾能力，考慮到大多

34、數(shù)廠子制版條件，本設(shè)計(jì)采用網(wǎng)格法覆銅。補(bǔ)淚滴可以保護(hù)焊盤，避免多次焊接時(shí)焊盤的脫落，還可以減少阻抗的急劇跳變。覆銅后板如下圖所示：圖3-9 微處理器模塊TOP層圖3-10 主板TOP層圖3-11控制板TOP層3.8 系統(tǒng)實(shí)物制作當(dāng)PCB板畫完之后，將印制板文件送到制板廠家進(jìn)行電路板的制作，在實(shí)驗(yàn)室完成元器件的插裝、焊接并裝入包裝盒后?？紤]到溫室環(huán)境具有濕度大、酸性大、基礎(chǔ)設(shè)施少、作物眾多且動(dòng)態(tài)變化等特點(diǎn)，系統(tǒng)包裝盒在設(shè)計(jì)上需要考慮密封，防止溫室中的水蒸氣進(jìn)入設(shè)備，使系統(tǒng)的電子器件短路。另外在考慮到美觀等因素，系統(tǒng)采用航空接頭作為 接插件。3.9 本章小結(jié)本章重點(diǎn)介紹了各個(gè)功能模塊的硬件電路設(shè)計(jì)

35、，借助Protel DXP 2004電路設(shè)計(jì)軟件完成原理圖以與PCB版的制作，為以后的軟件設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 應(yīng)用軟件介紹IAR Embedded Workbench（簡稱EW）的C/C+交叉編譯器和調(diào)試器是今天世界最完整的和最容易使用專業(yè)嵌入式應(yīng)用開發(fā)工具。EW對不同的微處理器提供一樣直觀用戶界面。EW今天已經(jīng)支持35種以上的8位、16位、32位ARM的微處理器結(jié)構(gòu)。IAR界面如圖4-1所示圖4-1 IAR主界面操作步驟：Ø 使用IAR開發(fā)環(huán)境首先應(yīng)建立一個(gè)新的工作區(qū)。用戶打開IAR Embedded Workbench時(shí)，已經(jīng)建好了一個(gè)工作區(qū)，可選擇打開最近使用

36、的工作區(qū)或向當(dāng)前工作區(qū)添加新的工程。Ø 單擊Project菜單，選擇Create New Project，彈出建立新工程對話框，確認(rèn) Tool chain已經(jīng)選擇8051，在Project templates選擇Empty project單擊下方OK按鈕。Ø 根據(jù)需要選擇工程保存的位置，更改工程名，如ledtest單擊Save來保存。這樣便建立了一個(gè)空的工程。系統(tǒng)產(chǎn)生兩個(gè)創(chuàng)建配置：調(diào)試和發(fā)布。在這里我們只使用 Debug 即調(diào)試。項(xiàng)目名稱后的星號(*)指示修改還沒有保存。選擇菜單 FileSaveWorkspace,保存工作區(qū)文件，并指明存放路徑，這里把它放到新建的工程目錄

37、下。Ø 選擇ProjectMake或按F7鍵編譯和連接工程，如圖4-2所示。圖4-2 IAR編譯連接界面成功編譯工程，并且沒有錯(cuò)誤信息提示后，按照下圖連接硬件系統(tǒng)。圖4-3 IAR連接圖選擇IAR集成開發(fā)環(huán)境中菜單ProjectDebug或按快捷鍵CTRL+D進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)，也可按工具欄上按鈕進(jìn)入程序下載，程序下載完成后，IAR將自動(dòng)跳轉(zhuǎn)至仿真狀態(tài)。Ø 安裝完成仿真器驅(qū)動(dòng)后，通過USB接口把ZigBee開發(fā)系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)連接后，進(jìn)入IAR編譯環(huán)境進(jìn)行仿真調(diào)試。選擇菜單ProjectDebug或按快捷鍵CTRL+D進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)，也可按工具欄上按鈕進(jìn)入調(diào)試。4.2 系統(tǒng)需求分析溫室

38、環(huán)境具有濕度大、基礎(chǔ)設(shè)施少、作物眾多且動(dòng)態(tài)變化等特點(diǎn)。溫室設(shè)施農(nóng)業(yè)中的灌溉如果能夠自動(dòng)控制，則可以減少不必要的勞動(dòng)，因此信息化的應(yīng)用在農(nóng)業(yè)方面是比較重要的。比如管理一個(gè)連棟溫室，面積很大，在灌溉中需要人跑好遠(yuǎn)去打開開關(guān)，然后才能灌溉，等灌溉完畢還需要再去關(guān)閉開關(guān)。當(dāng)然也可以通過在每個(gè)灌水開關(guān)（電氣開關(guān)）布線，將所有線路連接到一個(gè)配電室。其基本思路如下圖4-4所示，當(dāng)然這可以實(shí)現(xiàn)，有專門的人員去管理每個(gè)灌溉線路，確保指定時(shí)間后按時(shí)關(guān)閉電線開關(guān)。這個(gè)時(shí)候，管理員必須要非常的盡職盡責(zé)。可是，人都會有犯錯(cuò)誤、疏忽的時(shí)候，如果一次的失誤如忘記拉開關(guān)，可能會導(dǎo)致溫室灌水太多，從而造成經(jīng)濟(jì)上的損失。 圖4-

39、4非自動(dòng)控制條件下的作物灌溉系統(tǒng)示意圖農(nóng)業(yè)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展使得對各種作物的種植都具有了一定的科學(xué)數(shù)據(jù)，如果能把各種信息采集設(shè)備所獲取的數(shù)據(jù)應(yīng)用到作為栽培之中，那么勢必會大大的提高生產(chǎn)力。本文主要探討作物需水自動(dòng)化控制系統(tǒng)在作物灌溉中的應(yīng)用。主要解決以下一些問題：（1）科學(xué)的灌溉模型；（2）通過對作物根域的土壤濕度信號進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，直接反映作物根系的需水量；（3）針對不同作物與其不同發(fā)育期，通過人機(jī)交互系統(tǒng)輸入相關(guān)參數(shù)，使得土壤濕度達(dá)到預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到節(jié)水和精確灌溉的目的，并能靈活適用于多種場合；（4）實(shí)時(shí)監(jiān)測灌溉閥門的狀態(tài)，并且做到自動(dòng)控制和手動(dòng)控制皆可使用。這些問題的解決，對于作物灌溉系統(tǒng)的

40、智能化以與自動(dòng)化具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。4.3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)4.3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)軟件啟動(dòng)后首先進(jìn)行初始化設(shè)置，如單片機(jī)串口初始化等。串口的初始化包括：確定編程寄存器的工作方式、確定串行口控制與需要進(jìn)行的中斷設(shè)置等。接收數(shù)據(jù)進(jìn)入寄存器，并由軟件讀入數(shù)據(jù)，檢查數(shù)據(jù)讀入的位數(shù)，當(dāng)數(shù)據(jù)完整時(shí)程序返回?cái)?shù)據(jù)，由濕度轉(zhuǎn)化函數(shù)轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制數(shù)，傳遞給數(shù)據(jù)分析、決策控制模塊，然后判定是否打開閥門。閥門開啟后實(shí)時(shí)監(jiān)控土壤濕度值，在土壤濕度值滿足閾值后，關(guān)閉閥門。如果未達(dá)到閾值則開啟閥門重新灌溉，如果達(dá)到閾值則存儲出水量、閥門打開時(shí)間、參考閾值與系統(tǒng)時(shí)間等，然后關(guān)閉數(shù)據(jù)接收。軟件流程圖如圖4-5所示。圖4-5 系統(tǒng)

41、主程序設(shè)計(jì)圖針對不同的控制對象，本系統(tǒng)可根據(jù)需要設(shè)計(jì)不同的控制策略。結(jié)合農(nóng)民已有的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)不同地區(qū)土壤條件、氣候條件、作物種類與生長階段、按照灌溉的要求特性與作物的生長狀況，制定出合理的、便于實(shí)施的灌溉制度，包括不同作物、不同生育期的灌水起始點(diǎn)，灌水上限，預(yù)警閾值等方面。合理灌溉技術(shù)的關(guān)鍵是控制灌水的均勻度，以適量的水進(jìn)行適時(shí)灌溉，既能滿足作物對水的需要，又不至于造成土壤含水量過多和空氣濕度過大，引起作物發(fā)生各種霉病。4.3.2 傳感器采集程序設(shè)計(jì)本系統(tǒng)選用的土壤水分傳感器FDS-100，模擬傳感器輸出模擬信號，在用CC2430處理相應(yīng)的數(shù)據(jù)之前需先將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后再交由CC2

42、430處理。將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的設(shè)備是ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器），CC2430部帶有一個(gè)8-14位的ADC，并且具有8路可配置的通道以與一個(gè)參考電壓發(fā)生器。在使用CC2430部的AD之前需先根據(jù)實(shí)際需求對其做出相應(yīng)的配置，以使其工作在合適的狀態(tài)下。1. ADC主要特性（1）參考電壓參考電壓為AD轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓，CPU正是以其為標(biāo)準(zhǔn)來計(jì)算模擬輸入信號的大小。CC2430部的ADC經(jīng)過寄存器配置可以選擇多種形式的參考電壓：A、部1.25V參考電壓。B、P0.7輸入電壓。C、CC2430供電電壓。D、P0.6和P0.7兩個(gè)引腳的差分輸入電壓。（2）輸入通道輸入通道為模擬信號的輸入端口，通道越多，CP

43、U可采集的模擬信號路數(shù)越多。經(jīng)過寄存器配置可將CC2430P0口的8個(gè)引腳均配置為部AD的輸入通道。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，需將不同模擬傳感器的信號輸出連接至8路通道中的一個(gè)。（3）分辨率分辨率為模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后的位數(shù)，是ADC的一個(gè)重要參數(shù)，分辨率越高，轉(zhuǎn)換后的信號越精確，但相應(yīng)的轉(zhuǎn)換時(shí)間也越長。CC2430部ADC總共有四種形式的分辨率：8位、10位、12位、14位，這可通過相應(yīng)的寄存器來配置，本文選用14位分辨率的ADC。2.模擬傳感器采集程序設(shè)計(jì)因?yàn)镃C2430部ADC具有連續(xù)轉(zhuǎn)換多個(gè)通道的功能，因此在設(shè)計(jì)程序時(shí)應(yīng)將幾個(gè)通道的輸入信號依次轉(zhuǎn)換完畢以簡化程序設(shè)計(jì)，并降低系統(tǒng)轉(zhuǎn)換功耗。具體程

44、序流程如圖4-6所示。圖4-6 數(shù)據(jù)采集程序流程4.3.3 顯示程序設(shè)計(jì)要想實(shí)現(xiàn)土壤濕度與時(shí)間的顯示，最重要的是對LCD12864的讀寫操作，LCD12864有自己的RAM地址與指令，以與自身的標(biāo)準(zhǔn)字符庫。液晶顯示模塊OCM128649指令表如表4-1所示。表41 液晶顯示模塊OCM128649指令表指令指令代碼用途A0 /RD /WRD7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0顯示開關(guān)0 1 01 0 1 0 1 1 1 00：關(guān)閉 1:開始顯示行列開始0 1 00 1 顯 示 開 始 地 址設(shè)置RAM顯示和地址行顯示頁碼地址設(shè)置0 1 01 0 1 1 頁 碼 地 址設(shè)置RAM頁碼地址行

45、顯示狀態(tài)讀取0 0 1狀 態(tài) 0 0 0 0讀取狀態(tài)數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)讀取1 0 1讀 取 數(shù) 據(jù)從RAM中讀數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)寫入1 1 0寫 入 數(shù) 據(jù)向RAM中寫數(shù)據(jù)ADC選擇0 1 01 0 1 0 0 0 0 00:正常1不正常顯示正常與否0 1 01 0 1 0 0 1 1 00:正常1不正常結(jié)束0 1 01 1 1 0 1 1 1 0清理讀/修改/寫復(fù)位0 1 01 1 1 0 0 0 1 0部復(fù)位電源控制設(shè)置0 1 00 0 1 0 1 設(shè)置模式選擇部電源控制模式設(shè)置空指令0 1 01 1 1 0 0 0 1 1空指令代碼測試0 1 01 1 1 1 * * * *芯片代碼測試讀/修改/寫

46、0 1 01 1 1 0 0 0 0 0寫:+1 讀：0顯示所有點(diǎn)開關(guān)0 1 01 0 1 0 0 1 0 00：正常顯示 1：所有點(diǎn)開始 LCD初始化函數(shù)如下：void LCDInit(void)P1DIR |= 0xFF;P2DIR |= 0xFF;P0DIR |= 0xFF;P1_2 = 0;/打開背景燈delay_us(1000);WriteLCD(COMMAND , 0xE2);/復(fù)位delay_us(1000);WriteLCD(COMMAND , 0xA3);delay_us(1000);WriteLCD(COMMAND , 0xA0);delay_us(1000);WriteL

47、CD(COMMAND , 0xC8);delay_us(1000);WriteLCD(COMMAND , 0x24);delay_us(1000);WriteLCD(COMMAND , 0x81);delay_us(1000);WriteLCD(COMMAND , 0x14);delay_us(1000);WriteLCD(COMMAND , 0x2F);delay_us(1000);WriteLCD(COMMAND , 0x40);/從第一列開始顯示delay_us(1000);WriteLCD(COMMAND , 0xB0);delay_us(1000);WriteLCD(COMMAND

48、, 0x10);delay_us(1000);WriteLCD(COMMAND , 0x00);delay_us(1000);WriteLCD(COMMAND , 0xAF);WriteLCD(COMMAND , 0x81);WriteLCD(COMMAND , 0x1b);ClearScreen(); SetContrast(20,80);4.4 灌溉模型設(shè)計(jì)在溫室栽培條件下，土壤水分平衡公式可表示為：式中：IT時(shí)間段的灌水量(mm)； GT時(shí)間段的地下水補(bǔ)給量(mm)； TT時(shí)間段的作物蒸發(fā)量(m1)： ET時(shí)間段的作物用水量（ml） D深層滲水量(mm)； 。 ASWT時(shí)間段土壤有效儲水

49、量的變化量(mm)：在溫室條件下，將上述公式表述的灌溉過程和用水過程可用圖4-7平衡示意圖進(jìn)行表示：圖4-7 溫室土壤水平衡示意圖在溫室灌溉過程中，灌溉水量主要用于補(bǔ)充作物根系層的含水量，同時(shí)會有少量水分滲漏到地下水中，而灌溉的主要目的是補(bǔ)充作物根系層的土壤含水量，由此可以確定每次灌溉水量定額。一般將能夠?yàn)楦堤峁┧枞克值?0%90的根系深度確定為有效根系層，由于高度不同和根的類型不同，不同作物有效根系的深度也不一樣，因此灌水的深度不一樣。土壤臨界含水量和土壤持水量之間的土壤含水量最適于植物的吸收利用，將其定義為適宜含水量。一般情況下，土壤持水量和臨界含水量之間的差值是允許耗水量，一般為

50、30%70，據(jù)此我們可以確定一次灌水的定額，凈灌水定額可用下列公式計(jì)算：式中： 灌溉定額(mm)：允許耗水量占有效含水量的百分比()；土壤持水量，體積百分比()；作物凋萎系數(shù)，體積百分比()；Z有效根系層深度(cm)；土壤濕潤比，體積百分比()；灌溉水利用系數(shù)，體積百分比()。結(jié)合溫室管理人員已有的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)不同地區(qū)土壤條件、作物種類與生長階段、按照灌溉的要求特性與作物的生長狀況，本系統(tǒng)可根據(jù)需要制定出合理的、便于實(shí)施的灌溉策略，包括不同作物在不同生育期的凈灌水定額，灌溉水利用系數(shù)，灌水起始點(diǎn)，灌水上限，預(yù)警閾值等方面。合理灌溉技術(shù)的關(guān)鍵是控制灌水的均勻度，以適量的水進(jìn)行適時(shí)灌溉，既能滿足作物

51、對水的需要，又不至于造成土壤含水量過多和空氣濕度過大，引起作物發(fā)生各種霉病。4.5 系統(tǒng)應(yīng)用方案設(shè)計(jì)基于項(xiàng)目的實(shí)際情況，本系統(tǒng)采用輪灌的方式對溫室作物進(jìn)行灌溉，以解決水資源競爭問題，也有利于灌溉水在土壤較粘的情況時(shí)充分下滲。把大區(qū)域劃分成小區(qū)域?qū)嵤┹喒嗟淖龇朔怂畨翰粔?、水源不足的困難，能提高灌溉水利用效率，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉的目的。4.5.1 控制方式的選擇目前我國設(shè)施農(nóng)業(yè)中灌溉控制設(shè)備很不統(tǒng)一，有電機(jī)、水泵、電磁閥等，要使系統(tǒng)的控制信號具有通用性就要用系統(tǒng)的控制信號去控制一個(gè)開關(guān)，而這個(gè)開關(guān)去控制灌溉輸水控制設(shè)備的電源的通斷，從而達(dá)到系統(tǒng)控制灌溉的目的。繼電器是目前使用得最廣泛的可控開關(guān)，

52、性能也比較可靠，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)就選用繼電器作為控制灌溉輸水控制設(shè)備電源的開關(guān)。繼電器有大有小，有交流控制也有直流控制，它的觸點(diǎn)開關(guān)既能通過直流也能通過交流。由于是控制繼電器開關(guān)的吸合，因此，要選用直流控制的繼電器。這種直流控制的繼電器功率一般較小，不能承受大電流交流電流過。對于交、直流供電且電流較小的灌溉輸水控制設(shè)備來說，可以直接用這種繼電器來控制。但是對于交流供電且電流較大的灌溉輸水控制設(shè)備來說，就不能直接用這種繼電器來控制電源。這時(shí)，可以再加一個(gè)可通過較大電流的交電器，用直流小功率繼電器去控制大功率交流繼電器，大功率交流繼電器又去控制灌溉輸水控制設(shè)備的交流電源，這樣系統(tǒng)同樣可以實(shí)現(xiàn)溫室灌溉

53、的自動(dòng)控制。也就是說，本文設(shè)計(jì)的溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)給出的控制信號具有通用性。4.5.2 工作方式的選擇土壤濕度是灌溉控制的最重要參數(shù)，由于溫室設(shè)施農(nóng)業(yè)中土壤比較平整均勻，具有一定的一致性，可以在一定面積圍的土壤設(shè)置幾個(gè)測試點(diǎn)，取幾個(gè)測試點(diǎn)的平均值來代表這一面積圍土壤的含水狀況，這樣既可以不需要太多的成本去購置傳感器又可以使土壤水分的測量比較準(zhǔn)確。當(dāng)系統(tǒng)用來控制灌溉時(shí)，可以將兩個(gè)傳感器均勻分布埋設(shè)在這片土壤里，再取兩個(gè)傳感器測量的平均值來表示整片土壤的含水狀況，根據(jù)這個(gè)平均值來控制灌溉。同時(shí)還可以用于花卉、盆景等經(jīng)濟(jì)植物的栽培中，分別將兩個(gè)傳感器插在不同種類的花卉盆或盆景中，根據(jù)不同種類花卉或盆景

54、對水分的不同要求設(shè)置不同的土壤缺水判斷標(biāo)準(zhǔn)和灌溉方式。針對不同的作物和不同的作物發(fā)育期需要有不同的土壤缺水判斷標(biāo)準(zhǔn)和灌溉方式。這里所說的土壤缺水判斷標(biāo)準(zhǔn)指的就是作物缺水或是不缺水狀態(tài)下土壤水吸力的界限值。系統(tǒng)根據(jù)要求設(shè)置了兩種灌溉方式以供操作者在面對不同土質(zhì)時(shí)選擇使用。 閉環(huán)控制方式在這種澆灌方式下，可以設(shè)定土壤濕度上限值、下限值兩個(gè)參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到土壤濕度低于下限值時(shí)，表示作物缺水，微處理器模塊給出控制信號，控制澆水。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到土壤濕度高于上限值時(shí)，表示澆水足夠，停止?jié)菜?。同時(shí)微處理器模塊將將采集到的土壤濕度數(shù)據(jù)和灌溉狀況在人機(jī)交互模塊的液晶屏上顯示出來。這種灌溉方式是針對那些滲水快的土

55、壤設(shè)計(jì)的，當(dāng)灌溉后水能很快下滲，不需要延時(shí)等待。 時(shí)間控制方式在這種澆灌方式下，可以設(shè)定土壤濕度上限值和延時(shí)時(shí)間兩個(gè)參數(shù)。當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測到土壤水濕度低于設(shè)定的下限值時(shí)，表示作物缺水，微處理器模塊給出控制信號，控制澆水。當(dāng)澆水時(shí)間達(dá)到延時(shí)時(shí)間tl后，表示澆水足夠，系統(tǒng)停止?jié)菜?。這種灌溉方式是針對灌溉系統(tǒng)比較熟悉，預(yù)先知道灌溉量的情況設(shè)計(jì)的。即管理人員對灌溉系統(tǒng)很熟悉，知道它一分鐘能夠澆多少水，同時(shí)也知道某種作物在缺水后需要補(bǔ)充多少水分，這時(shí)管理員就可以設(shè)定一定的延時(shí)時(shí)間，澆灌夠確知的作物需水量后就停止?jié)补?。上述兩種灌溉方式是基本上能夠滿足系統(tǒng)工作時(shí)的要求。4.6 本章小結(jié)軟件是控制模塊的靈魂，要求和硬件配合，本章主要解決何時(shí)灌和灌多長時(shí)間的決策問題，還要兼顧人員對參數(shù)的修改，對數(shù)據(jù)的存儲等問題。在硬件電路的基礎(chǔ)上，完成對各個(gè)功能模塊的軟件設(shè)計(jì)，包括主程序的設(shè)計(jì)、土壤濕度傳感器采集程序的設(shè)計(jì)和顯示程序設(shè)計(jì)等。5 系統(tǒng)應(yīng)用驗(yàn)證5.1 驗(yàn)證容本系統(tǒng)是針對設(shè)施農(nóng)業(yè)設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，在使用中需要針對部署方案進(jìn)行測試。本系統(tǒng)在西北農(nóng)林科技大