基于單片機(jī)的土壤溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),基于,單片機(jī),土壤,溫濕度,控制系統(tǒng),設(shè)計(jì) XX學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 成績 等級 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 題 目 基于單片機(jī)的土壤溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 院 XX學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級 12機(jī)制本03班 學(xué) 號 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 完成日期 摘 要 本設(shè)計(jì)基于CC2430無線片上系統(tǒng)為核心部件，用時(shí)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，同時(shí)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(chǔ)數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)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(jì)，目的在于實(shí)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)的最優(yōu)建網(wǎng)方案。 本文將以單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)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(shí)又增加了一系列的實(shí)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(jī)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(jī)控制系統(tǒng) 可靠性 系統(tǒng) Abstract It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in CC2430environments to protect the 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 connectors 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 the 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 safety. Keywords Singlechip microcomputer Forging machine 目 錄 1緒論 1 1.1課題的研究背景和歷史意義 1 1.2系統(tǒng)功能概述 2 2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 5 2.1單片機(jī)的作用和功能 6 2.2單片機(jī)的應(yīng)用場合 7 3 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 7 3.1各組成硬件概述 9 3.2無線傳輸核心技術(shù) 10 3.3 系統(tǒng)框圖 10 3.4 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)框圖 11 3.5 終端設(shè)備系統(tǒng)框圖 12 4 終端設(shè)備方案選擇 14 4.1數(shù)據(jù)采集 15 4.2數(shù)據(jù)顯示 17 4.3數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 18 4.4按鍵控制 19 5 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 22 5.1系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì) 23 5.2各功能模塊軟件程序設(shè)計(jì) 24 5.3 程序清單 24 結(jié)論 25 致謝 26 參考文獻(xiàn) 27 1 緒 論 1.1 課題的研究背景和歷史意義 單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心部分，由于單片機(jī)體積小，使用方便的特點(diǎn)，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(shí)現(xiàn)對溫度、濕度等精密量的測量，功能十分的強(qiáng)大。同樣由于單片機(jī)的體積小、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)和使用方便等方面的優(yōu)點(diǎn)，單片機(jī)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(jī)器人等方面。此外，由于單片機(jī)的適應(yīng)能力很強(qiáng)，所以在我們常用的手機(jī)、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(jī)等也有單片機(jī)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)用單片機(jī)。 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(jì)算機(jī)硬、軟件科學(xué)使人類開始有了加強(qiáng)，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(shí)踐反過來又促進(jìn)人腦的智慧。在人類的整個(gè)進(jìn)化過程中，以及在每個(gè)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(jī)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(jī)械制造出來。過去，各種機(jī)械離不開人的操作和控制，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(huì)消除了這個(gè)限制。計(jì)算機(jī)科學(xué)與機(jī)械工程之間的互相促進(jìn)，平行前進(jìn)，將使機(jī)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(yàn)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(shí)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(jì)算機(jī)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(jì)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)功能概述 本次設(shè)計(jì)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(diǎn)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(chǔ)工作，實(shí)現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的底層設(shè)計(jì)。整體設(shè)計(jì)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(jī)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(shí)間間隔、采集數(shù)據(jù)的類型（便于統(tǒng)計(jì)分析）、系統(tǒng)時(shí)間等信息。使用AT24C08串行EEPROM將數(shù)據(jù)同步存儲(chǔ)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(jì) 2.1 單片機(jī)的作用和功能 目前單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒有單片機(jī)的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動(dòng)化過程的實(shí)時(shí)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(jī)、攝像機(jī)、全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機(jī)。更不用說自動(dòng)控制領(lǐng)域的機(jī)器人、智能儀表、醫(yī)療器械了。因此，單片機(jī)的學(xué)習(xí)、開發(fā)與應(yīng)用將造就一批計(jì)算機(jī)應(yīng)用與智能化控制的科學(xué)家、工程師。 單片機(jī)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(gè)范疇： 1.在智能儀器儀表上的應(yīng)用 單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實(shí)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(jī)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(qiáng)大。例如精密的測量設(shè)備（功率計(jì)，示波器，各種分析儀）。 2.在工業(yè)控制中的應(yīng)用 用單片機(jī)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(bào)警系統(tǒng)，與計(jì)算機(jī)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(jī)控制，從電飯褒、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用 現(xiàn)代的單片機(jī)普遍具備通信接口，可以很方便地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為在計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)了單片機(jī)智能控制，從手機(jī)，電話機(jī)、小型程控交換機(jī)、樓宇自動(dòng)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(dòng)電話，集群移動(dòng)通信，無線電對講機(jī)等。 5.單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用 單片機(jī)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(jī)，各種分析儀，監(jiān)護(hù)儀，超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等等。 6.在各種大型電器中的模塊化應(yīng)用 某些專用單片機(jī)設(shè)計(jì)用于實(shí)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(jī)，看似簡單的功能，微縮在純電子芯片中（有別于磁帶機(jī)的原理），就需要復(fù)雜的類似于計(jì)算機(jī)的原理。如：音樂信號以數(shù)字的形式存于存儲(chǔ)器中（類似于ROM），由微控制器讀出，轉(zhuǎn)化為模擬音樂電信號（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(cuò)誤率，也方便于更換。 7.單片機(jī)在汽車設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用 單片機(jī)在汽車電子中的應(yīng)用非常廣泛，例如汽車中的發(fā)動(dòng)機(jī)控制器，基于CAN總線的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)智能電子控制器，GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，abs防抱死系統(tǒng)，制動(dòng)系統(tǒng)等等。 此外，單片機(jī)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(jī)的應(yīng)用場合 單片機(jī)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(gè)范疇： 1.在智能儀器儀表上的應(yīng)用　　單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表中，結(jié)合不同類型的傳感器，可實(shí)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(jī)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(qiáng)大。例如精密的測量設(shè)備（功率計(jì)，示波器，各種分析儀）。 2.在工業(yè)控制中的應(yīng)用　　用單片機(jī)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(bào)警系統(tǒng)，與計(jì)算機(jī)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(jī)控制，從電飯褒、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)機(jī)、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(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和通信領(lǐng)域中的應(yīng)用　　現(xiàn)代的單片機(jī)普遍具備通信接口，可以很方便地與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為在計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)了單片機(jī)智能控制，從手機(jī)，電話機(jī)、小型程控交換機(jī)、樓宇自動(dòng)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(dòng)電話，集群移動(dòng)通信，無線電對講機(jī)等。 5.單片機(jī)在醫(yī)用設(shè)備領(lǐng)域中的應(yīng)用　　單片機(jī)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(jī)，各種分析儀，監(jiān)護(hù)儀，超聲診斷設(shè)備及病床呼叫系統(tǒng)等等。此外，單片機(jī)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(jì) 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(jì)算機(jī)平臺上的傳感器，它使用計(jì)算機(jī)串口，通過軟件實(shí)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(jì)算機(jī)平臺中取出對應(yīng)關(guān)系，然后才能夠?qū)鞲衅魍ㄟ^終端設(shè)備獨(dú)立使用，告別計(jì)算機(jī)。這部分也是設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。設(shè)計(jì)中選擇了從計(jì)算機(jī)平臺中“偷取數(shù)據(jù)”的辦法實(shí)現(xiàn)獲得采樣與輸出的對應(yīng)關(guān)系。即在計(jì)算機(jī)平臺工作時(shí)將傳感器送出的數(shù)據(jù)定時(shí)竊取一個(gè)存入終端設(shè)備中，持續(xù)重復(fù)數(shù)次，然后按時(shí)間與計(jì)算機(jī)平臺中丟失的數(shù)據(jù)的相鄰兩個(gè)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(gè)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(chǔ)及按鍵五個(gè)部分。 中心控制單元主要是CC2430無線片上系統(tǒng)，強(qiáng)大的功能優(yōu)勢足以滿足系統(tǒng)的全部需求。數(shù)據(jù)收發(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(shí)現(xiàn)。 數(shù)據(jù)采集部分包括三個(gè)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MAX1301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)姆奖恪? SHT11空氣溫濕度采集模塊。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OLED屏幕（冷光屏）顯示數(shù)據(jù)。OLED屏是利用有機(jī)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，最符合系統(tǒng)需要。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分使用的AT24C08支持I2C 總線數(shù)據(jù)傳送協(xié)議。I2C 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(chǔ)能力為8k，在不影響使用的情況下減小了設(shè)計(jì)成本。 按鍵采用了上、下、左、右四個(gè)方向鍵和確認(rèn)、取消兩個(gè)功能鍵作。四個(gè)方向鍵采用 ADC 采樣輸入，兩個(gè)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生存和發(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術(shù)的名稱。ZigBee過去又稱為 “HomeRF Lite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”無線電技術(shù)，目前統(tǒng)一稱為ZigBee技術(shù)。[1] ZigBee是一種新興的短距離、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(qiáng)有力的無線物理層所規(guī)定的全部優(yōu)點(diǎn)：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(fèi)性電子設(shè)備、汽車自動(dòng)化、家庭和樓宇自動(dòng)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(jì)將采用這一組網(wǎng)方式，硬件設(shè)備采用德州儀器生產(chǎn)的無線單片機(jī)CC2430為核心部件，它是世界上首個(gè)真正的單芯片ZigBee解決方案，是世界上第一個(gè)真正意義上的SoC-ZigBee一站式產(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(gè)硅片內(nèi)，方便日后的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。 3.3 系統(tǒng)框圖 系統(tǒng)框圖是反映單片機(jī)系統(tǒng)各個(gè)組成部分與主控程序關(guān)系邏輯的圖，單片機(jī)滲透到我們生活的各個(gè)領(lǐng)域，幾乎很難找到哪個(gè)領(lǐng)域沒有單片機(jī)的蹤跡。導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，飛機(jī)上各種儀表的控制，計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，工業(yè)自動(dòng)化過程的實(shí)時(shí)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(jī)、攝像機(jī)、全自動(dòng)洗衣機(jī)的控制，以及程控玩具、電子寵物等等，這些都離不開單片機(jī)。更不用說自動(dòng)控制領(lǐng)域的機(jī)器人、智能儀表、醫(yī)療器械以及各種智能機(jī)械了。因此，單片機(jī)的學(xué)習(xí)、開發(fā)與應(yīng)用將造就一批計(jì)算機(jī)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： 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(jì)重點(diǎn)研究。 Zigbee路由節(jié)點(diǎn) Zigbee終端節(jié)點(diǎn) Zigbee中繼節(jié)點(diǎn) 土壤溫度采集模塊 土壤濕度采集模塊 PC檢測 空氣溫濕度采集模塊 無線傳輸 有線傳輸 中心控制單元 CC2430 OLED 顯示屏 ADC- MAX1301 TDR土壤濕度傳感器 DS18B20 土壤溫度傳感器 SHT-11 空氣溫度傳感器 按鍵控制 2.4G天線 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(gè)方面： 1）負(fù)壓計(jì)土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng) 負(fù)壓計(jì)，又稱張力計(jì)，以測量土壤負(fù)壓(張力)來顯示土壤水分狀況。負(fù)壓計(jì)瓷頭埋設(shè)于土壤中某一高程后，負(fù)壓計(jì)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(shí)又可換算為土壤含水率。負(fù)壓計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，易于制造，因此使用較為廣泛。但是負(fù)壓計(jì)易受環(huán)境溫度的影響，儀器穩(wěn)定性較差。此外，負(fù)壓計(jì)具有滯后性，往往不能及時(shí)反映土壤水分狀況，在土壤干燥過程中尤為顯著。 2）中子土壤濕度計(jì) 中子土壤濕度計(jì)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(dòng)即可測定不同高程點(diǎn)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(dòng)化或半自動(dòng)化監(jiān)測儀，從田間監(jiān)測室監(jiān)測，以防止或減少中子對人體的輻射。 3）γ透射儀 γ透射儀利用γ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(shí)驗(yàn)室內(nèi)應(yīng)用效果較好，可進(jìn)行土壤水分自動(dòng)化和半自動(dòng)化監(jiān)測。 4）時(shí)域反射儀 時(shí)域反射儀(TDR儀)，利用時(shí)域反射原理定點(diǎn)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，是目前較先進(jìn)的土壤濕度儀，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測，但價(jià)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(diǎn)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(shí)，也常具有溶質(zhì)交換，特別是由于元件埋設(shè)時(shí)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(shí)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。 考慮上述多種濕度采集方法的優(yōu)勢，我們決定采用時(shí)域反射儀，它設(shè)計(jì)靈活、便于自動(dòng)控制，更符合設(shè)計(jì)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0~12V，而我們的控制單元CC2430電壓范圍是2~3.3V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(huì)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(jì)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(jì)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)：4~20mA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+2.7V~+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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與終端的同時(shí)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(jì)變得方便，無疑的采用了這個(gè)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MAX1301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。 ① 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(shí)水分含量。傳感器的信號輸出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(jī)理無關(guān)。 ②特點(diǎn) 高穩(wěn)定性； 安裝維護(hù)操作簡便； 有效測量長度超過45cm，增加了精確度； 測量不受土壤類型影響； 支撐的材料為環(huán)氧樹脂，強(qiáng)度和壽命得到保證。 ③ 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(shí)，警告信號可以自動(dòng)響起來提醒人們應(yīng)該灌溉的時(shí)間到了。自動(dòng)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(jì)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(gè)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)作物適宜生長的最大的保證。 ④ 規(guī)格 電源要求：5vdc+20%@40ma 輸出：0～1ma，可選4～20ma或0～2.5v 全部尺寸：直徑：19mm；長度： 635mm 預(yù)熱時(shí)間：1秒 ⑤ 可選項(xiàng)： 4～20ma輸出 0～2.5v輸出 ⑥ 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(gè)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(gè)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(gè)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(dòng)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(gè)過程在先前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(gè)可選的方法是把事先用當(dāng)?shù)赝寥浪龅哪酀{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(shí)使用光耦控制啟動(dòng)，輸出選擇4~20mA電流方式， MAX1301可以與其完美的結(jié)合。 4.2 數(shù)據(jù)顯示 有機(jī)電致發(fā)光顯示(OLED)技術(shù)是下一代最有競爭力的平板顯示技術(shù)。目前, OLED的研究重點(diǎn)是提高器件的穩(wěn)定性、發(fā)光效率和高質(zhì)量動(dòng)態(tài)顯示的驅(qū)動(dòng)技術(shù)以達(dá)到實(shí)用化的要求。本設(shè)計(jì)采用OLED顯示屏原因是其功耗低、亮度高、尺寸小等優(yōu)點(diǎn)。 OLED模塊與CC2430相連接采用I2C總線模式。便于后期軟件實(shí)現(xiàn)和硬件擴(kuò)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(jì)采用的OLED簡介： 顏色：藍(lán)色 像素?cái)?shù)：128*64 驅(qū)動(dòng)IC：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：-20～70℃ 4.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) AT24C系列新品是美國ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM[14]。EEPROM意為電可改寫及可編程只讀存儲(chǔ)器，共有11種型號。本設(shè)計(jì)中采用的ATC24C08，存儲(chǔ)容量為0.5K。雖然很小，但已經(jīng)足夠我們使用，這也是考慮設(shè)計(jì)成本。主要的引腳及封裝形式在圖2-31中已經(jīng)給出，功能見表2-12。我們可以的到應(yīng)用中的連接配置：A0、A1、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(jī)的INT0和INT1連接，在CC2430中我們可以使用普通I/O口虛擬INT0和INT1（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(shí)序。其中主控制電路圖如下圖所示： 4.4 按鍵控制 設(shè)計(jì)中提供了上、下、左、右四個(gè)方向鍵和確認(rèn)、取消兩個(gè)功能鍵作為用戶輸入設(shè)備。四個(gè)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(jì) 5.1系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)是以C語言來進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，目的是為了便于日后擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)部分（ZigBee協(xié)議棧），軟件的設(shè)計(jì)采用模塊化結(jié)構(gòu)，使程序設(shè)計(jì)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(yùn)作。整體設(shè)計(jì)采用菜單的方式。可以設(shè)置相應(yīng)的功能。配合按鍵實(shí)現(xiàn)完善的功能和簡潔的人機(jī)對話方式。 5.2各功能模塊軟件程序設(shè)計(jì) 模塊化的程序包括數(shù)據(jù)采集、收發(fā)、存儲(chǔ)、顯示、時(shí)鐘及主程序幾個(gè)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、SHT11使用的是I2C總線模式，MAX1301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SPI總線模式完成數(shù)據(jù)的采集工作。這里面還包含定時(shí)器設(shè)置，我們要定時(shí)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(jì)算機(jī)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3-1。SHT11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 Relationship TEMPERATURE DIGITAL OUTPUT (Binary) DIGITAL OUTPUT (Hex) +125°C 0000 0111 1101 0000 07D0h +85°C* 0000 0101 0101 0000 0550h +25.0625°C 0000 0001 1001 0001 0191h +10.125°C 0000 0000 1010 0010 00A2h +0.5°C 0000 0000 0000 1000 0008h 0°C 0000 0000 0000 0000 0000h -0.5°C 1111 1111 1111 1000 FFF8h -10.125°C 1111 1111 0101 1110 FF5Eh -25.0625°C 1111 1110 0110 1111 FE6Fh -55°C 1111 1100 1001 0000 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(chǔ)后直接轉(zhuǎn)移至顯示緩沖區(qū)，因?yàn)槲覀儾恢攸c(diǎn)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(chǔ)：用C語言描述I2C總線，將采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至AT24C08中，同時(shí)要通過DMA直接存儲(chǔ)在CC2430的片內(nèi)ROM中作為備份。 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(shí)鐘：包含年月日信息，可以手動(dòng)調(diào)整，目的是隨同數(shù)據(jù)一起存儲(chǔ)發(fā)送。 主程序：包含按鍵掃描內(nèi)容，將各個(gè)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 C51 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(shí)的時(shí)間 //sbit DQ =P2^1;//根據(jù)實(shí)際情況定義端口 typedef unsigned char byte; typedef unsigned int word; //延時(shí) 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 480us DQ = 1; // allow line to return high delay(3); // wait for presence presence = DQ; // get presence signal delay(25); // wait for end of timeslot return(presence); // presence signal returned } // 0=presence, 1 = no part //從 1-wire 總線上讀取一個(gè)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 to start timeslot DQ = 1; // then return high delay(1); //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(gè)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 timeslot DQ = val&0x01; 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 c[2]; int x; }temp; ow_reset(); write_byte(0xCC); // Skip ROM write_byte(0xBE); // Read Scratch Pad temp.c[1]=read_byte(); temp.c[0]=read_byte(); ow_reset(); write_byte(0xCC); //Skip ROM write_byte(0x44); // Start Conversion return temp.x/2; 模擬SPI同步收發(fā)程序. #include #include #include #include //SPI接口 sbit cs = P2^3; sbit sclk = P2^4; sbit din = P2^2; sbit dout = P2^1; sbit ACC7=ACC^7; unsigned char da1; void LCD_Init(); void COM_Init();//測試用 void delay(t);//延時(shí)函數(shù) unsigned char SPI_InOut(unsigned char input); void main() //主函數(shù) { unsigned char m,i,s[10]; int a[2]; unsigned char j[10]={0x01,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,0x08,0x09}; COM_Init(); LCD_Init(); while(1) { for(i=0;i<9;i++) { m=j[i]; a[0]=SPI_InOut(m); //a[0]=da1; sprintf(s,"%2x",a[0]); PutStr(0,0,s); SBUF=m; while(!TI); TI=0; delay(2000); } } } //測試用COM void COM_Init()//9600 { TMOD=0x20; SCON=0x50; TH1=0xfd; TL0=0xfd; TR1=1; } void LCD_Init() { delay(10); //等待復(fù)位 LcmInit(); LcmClearTXT(); LcmClearBMP(); } void delay(t)//延時(shí)函數(shù) { unsigned int i,j; for(i=0;i>=1;//接收 ACC="getdata"; ACC7=dout; getdata="ACC"; //數(shù)據(jù)到getchar中 _nop_(); sclk=1; input=input<<1; // if(i==0) // da1=getdata; } //_nop_(); //_nop_(); //_nop_(); cs=1; return(getdata); } 結(jié) 論 在最近的一段時(shí)間的畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我們充分把握的設(shè)計(jì)方法和步驟，不僅復(fù)習(xí)所學(xué)的知識，而且還獲得新的經(jīng)驗(yàn)與啟示，在各種軟件的使用找到的資料或圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，會(huì)遇到不清楚的作業(yè)，老師和學(xué)生都能給予及時(shí)的指導(dǎo)，確保設(shè)計(jì)進(jìn)度，本文所設(shè)計(jì)的是基于單片機(jī)的土壤溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通過初期的定稿，查資料和開始正式做畢設(shè)，讓我系統(tǒng)地了解到了所學(xué)知識的重要性，從而讓我更加深刻地體會(huì)到做一門學(xué)問不易，需要不斷鉆研，不斷進(jìn)取才可要做的好，總之，本設(shè)計(jì)完成了老師和同學(xué)的幫助下，在大學(xué)研究的最感謝幫助過我的老師和同學(xué)，是大家的幫助才使我的論文得以通過。 致 謝 至此在論文完成之際，向我的導(dǎo)師表示由衷的感謝！真心的感謝我的導(dǎo)師這年來我諄諄教導(dǎo)，感謝我敬愛的老師，您不僅在學(xué)習(xí)學(xué)業(yè)上給我以精心的指導(dǎo)，同時(shí)還在思想給我以無微不至的關(guān)懷支持和理解，給予我人生的啟迪，使我在順利地完成大學(xué)階段的學(xué)業(yè)同時(shí)，也學(xué)到了很多有用的做人的道理，明確了人生目標(biāo)。知道自己想要什么了，不再是從前那個(gè)愛貪玩的我了。導(dǎo)師嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的治學(xué)態(tài)度，銳意創(chuàng)新的學(xué)術(shù)作風(fēng)，認(rèn)真加負(fù)責(zé)，公而忘私的敬業(yè)精神，豁達(dá)開朗的寬廣胸懷，平易近人。經(jīng)過近半年努力的設(shè)計(jì)與計(jì)算，查找了各類的基于單片機(jī)的土壤溫濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)資料，論文終于可以完成了，我的心里無比的激動(dòng)和開心。雖然它不是最完美的，也不是最好的，但是在我心里，它是我最珍惜的，因?yàn)槲易约阂呀?jīng)盡力的做了，它是我用心、用汗水成就的，也是我在大學(xué)四年來對所學(xué)知識的應(yīng)用和體現(xiàn)。四年的學(xué)習(xí)和生活，不僅豐富了我的知識，而且鍛煉了我的個(gè)人能力，更重要的是從周圍的老師和同學(xué)們身上潛移默化的學(xué)到了許多有用的知識，在此對所有關(guān)心我?guī)椭业谋磉_(dá)我由衷敬意，謝謝各位同學(xué)老師。 參考文獻(xiàn) [1] 鄭淑芳 單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 北京：科學(xué)出版社，2004.5 [2] 黃長藝單片機(jī)系統(tǒng)概述 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.1. 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