基于单片机的土壤温湿度控制系统设计.docx
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基于单片机的土壤温湿度控制系统设计
摘要
本设计基于CC2430无线片上系统为核心部件，用时域反射型（TDR）抗腐蚀土壤湿度传感器采集湿度数据，以DS18B20采集土壤温度，同时根据农业生产的需要附加SHT11温湿度模块采集空气温湿度值，使用OLED屏显示测得数据，并用AT24C08存储数据。
本设计是土壤温湿度环境无线监测网络系统的初步设计，目的在于实现终端设备的功能，后待开发建立在IEEE802.15.4的ZigBee无线传感网络的最优建网方案。
本文将以单片机为核心设计了系统结构图、程序指令、流程图等等，在保留了原始土壤温湿度控制系统的基本功能的同时又增加了一系列的实用功能并简化其电路结构，其将以控制方便，灵活，只要改变输入单片机的控制程序，便可以控制土壤温湿度系统，方便，简洁。
关键词单片机控制系统可靠性系统
Abstract
Itcanreplacetheheavylaborinordertoachievetheproductionmechanizationandautomation,andcanworkinCC2430environmentstoprotectthepersonalDS18B20safety,Thereforewidelyusedinmachinebuilding,metallurgy,electronics,lightindustryandatomicenergysectors.ThisarticleisAT24C08mainlyofthepneumaticmanipulatortheoveralldesign,andpneumaticdesign.Thismechanismofmanipulatorincludescylindersandclawsandconnectorsparts,itcanmoveaccordingtotheduetrackontheZigBeemovementofgrabbing.
carryingandunloading.Thepneumaticpartofthedesignisprimarilytochoosetherightvalvesanddesignareasonablepneumaticcontrolloop,bycontrollingandregulatingpressure,flowanddirectionofthecompressedairtomakeitgetthenecessarystrength,speedandchangedthedirectionofmovementintheprescribedprocedurework.Itcanreplacetheheavylaborinordertoachievetheproductionmechanizationandautomation,andcanworkindangerousworkingenvironmentstoprotectthepersonalsafety.
KeywordsSinglechipmicrocomputerForgingmachine
目录
1绪论1
1.1课题的研究背景和历史意义1
1.2系统功能概述2
2控制系统硬件设计5
2.1单片机的作用和功能6
2.2单片机的应用场合7
3硬件系统的设计7
3.1各组成硬件概述9
3.2无线传输核心技术10
3.3系统框图10
3.4网络系统框图11
3.5终端设备系统框图12
4终端设备方案选择14
4.1数据采集15
4.2数据显示17
4.3数据存储18
4.4按键控制19
5系统软件的设计22
5.1系统软件总体设计23
5.2各功能模块软件程序设计24
5.3程序清单24
结论25
致谢26
参考文献27
1绪论
1.1课题的研究背景和历史意义
单片机作为控制系统的核心部分，由于单片机体积小，使用方便的特点，被应用在智能仪器上，再结合其他的传感器之类的，可以实现对温度、湿度等精密量的测量，功能十分的强大。
同样由于单片机的体积小、环境适应能力强和使用方便等方面的优点，单片机也被普遍应用于工业控制上，比如多种多样的通讯系统以及机器人等方面。
此外，由于单片机的适应能力很强，所以在我们常用的手机、电脑等物品上应用十分广泛。
还有，医院的医疗设备如呼吸机等也有单片机的广泛应用。
还有就是汽车系统、物流系统、电力系统、通讯系统等都广泛应用单片机。
现在已能上游天空和宇宙，下潜大洋深层，远窥百亿光年，近察细胞和分子。
新兴的电子计算机硬、软件科学使人类开始有了加强，并部分代替人脑的科技手段，这就是人工智能。
这一新的发展已经显示出巨大的影响，而在未来年代它还将不断地创造出人们无法想象的奇迹。
人类智慧的增长并不减少双手的作用，相反地却要求手作更多、更精巧、更复杂的工作，从而更促进手的功能。
手的实践反过来又促进人脑的智慧。
在人类的整个进化过程中，以及在每个人的成长过程中，脑与手是互相促进和平行进化的。
产品的智能化与机械工程之间的关系近似于脑与手之间的关系，其区别仅在于人工智能的硬件还需要利用机械制造出来。
过去，各种机械离不开人的操作和控制，其反应速度和操作精度受到进化很慢的人脑和神经系统的限制，人工智能将会消除了这个限制。
计算机科学与机械工程之间的互相促进，平行前进，将使机械工程在更高的层次上开始新的一轮大发展。
总结以往在土壤湿度采集过程中的经验可知，虽然测量的精确性可以保证，但是方便性与精确性却很难同时达到，便捷的手持设备可以方便采集到接近的数据，但不够精确又不耐腐蚀，使用寿命短，配合电子计算机的大型设备又不能随身携带。
更为困难的是在大面积的土地中是不可能人工采集方法获得数据的，我们无法安排足够的人力每天多次测量大面积的土地，所测得的数据也不便于统计分析。
因此无线传感网络的建设势在必得。
1.2系统功能概述
本次设计中网络架设及终端设备的远程控制将不做为重点研究内容，主要完成终端设备的数据采集、显示、发送与存储工作，实现无线传感网络的底层设计。
整体设计是将TDR土壤湿度传感器获得湿度数据、DS18B20采集的土壤温度数据利以及SHT11获得的空气温湿度数据通过CC2430无线单片机发送出去，并可以根据需要将数据显示在OLED显示屏上，通过导航按键可以方便设定采集数据的时间间隔、采集数据的类型（便于统计分析）、系统时间等信息。
使用AT24C08串行EEPROM将数据同步存储在设备终端，即便网络出现故障或者设备中断，所测得数据依然安全保存。
2控制系统硬件设计
2.1单片机的作用和功能
目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。
因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：
1.在智能仪器仪表上的应用
单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。
采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。
例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。
2.在工业控制中的应用
用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。
例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。
3.在家用电器中的应用
可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。
4.在计算机网络和通信领域中的应用
现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。
5.单片机在医用设备领域中的应用
单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。
6.在各种大型电器中的模块化应用某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。
如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。
如：
音乐信号以数字的形式存于存储器中（类似于ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于声卡）。
在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。
7.单片机在汽车设备领域中的应用单片机在汽车电子中的应用非常广泛，例如汽车中的发动机控制器，基于CAN总线的汽车发动机智能电子控制器，GPS导航系统，abs防抱死系统，制动系统等等。
此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。
2.2单片机的应用场合
单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：
1.在智能仪器仪表上的应用 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。
采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。
例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。
2.在工业控制中的应用 用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。
例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。
3.在家用电器中的应用 可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。
4.在计算机网络和通信领域中的应用 现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。
5.单片机在医用设备领域中的应用 单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。
此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。
3硬件系统的设计
3.1各组成硬件概述
TDR土壤湿度传感器的使用是十分不便的，我们并不知道它的输出与采样的对应关系，使用的传感器来自于计算机平台上的传感器，它使用计算机串口，通过软件实现数据的分析，最终得到湿度数据。
我们的工作就是需要从它的原有计算机平台中取出对应关系，然后才能够将传感器通过终端设备独立使用，告别计算机。
这部分也是设计的难点。
设计中选择了从计算机平台中“偷取数据”的办法实现获得采样与输出的对应关系。
即在计算机平台工作时将传感器送出的数据定时窃取一个存入终端设备中，持续重复数次，然后按时间与计算机平台中丢失的数据的相邻两个数据的平均值对比，这样就可以获得输出与采样的对应关系。
这种方法简便有效（只需要安装一个程控继电器即可），误差较低。
根据需要，完整的终端设备包括中心控制与数据收发、数据采集、数据显示、数据存储及按键五个部分。
中心控制单元主要是CC2430无线片上系统，强大的功能优势足以满足系统的全部需求。
数据收发部分利用CC2430自身的功能，通过2.4G天线、晶体振荡器及简单外围电路即可实现。
数据采集部分包括三个大部分：
TDR土壤湿度传感器和模数转换：
使用耐腐蚀TDR土壤湿度传感器和MAX1301高速率A/D转换搭建完成，可以将数据以数字信号的方式通过SPI总线模式送入中心控制单元。
DS18B20温度采集模块采集土壤温度，由于DS18B20是单总线模式，所以使用还是相当的方便。
SHT11空气温湿度采集模块。
数字信号直接输出，以I2C总线模式传送数据应用方便。
数据显示部分通过OLED屏幕（冷光屏）显示数据。
OLED屏是利用有机发光材料受激辐射发光原理，因此无需背光、亮度高、功耗低，最符合系统需要。
数据存储部分使用的AT24C08支持I2C总线数据传送协议。
I2C总线协议规定任何将数据传送到总线的器件作为发送器，任何从总线接收数据的器件为接收器，存储能力为8k，在不影响使用的情况下减小了设计成本。
按键采用了上、下、左、右四个方向键和确认、取消两个功能键作。
四个方向键采用ADC采样输入，两个功能键直接读取端口电平。
节约了CC2430的端口充分利用了内部的剩余资源（内部ADC）。
3.2无线传输核心技术
ZigBee名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来通知发现的新食物源的位置、距离和方向等信息，以此作为新一代无线通讯技术的名称。
ZigBee过去又称为“HomeRFLite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”无线电技术，目前统一称为ZigBee技术。
[1]
ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。
ZigBee采取了IEEE802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点：
省电、简单、成本又低的规格；ZigBee增加了逻辑网络、网络安全和应用层。
ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制等。
鉴于ZigBee技术的诸多优势，本次设计将采用这一组网方式，硬件设备采用德州仪器生产的无线单片机CC2430为核心部件，它是世界上首个真正的单芯片ZigBee解决方案，是世界上第一个真正意义上的SoC-ZigBee一站式产品，具有芯片可编程闪存以及通过认证的ZigBeeTM协议栈，它们都集成在一个硅片内，方便日后的网络建设。
3.3系统框图
系统框图是反映单片机系统各个组成部分与主控程序关系逻辑的图，单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。
导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。
更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了。
因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。
3.4网络系统框图
本系统的总体网络框图如图2-1所示，从图中可以看出，该总体网络系统框图分别如下图清单所示：
3.5终端设备系统框图
本系统的终端设备框图如图2-2所示，这部分内容将作为本次设计重点研究。
4终端设备方案选择
终端设备方案的选择主要包括以下几个方面：
1）负压计土壤湿度监测系统
负压计，又称张力计，以测量土壤负压（张力）来显示土壤水分状况。
负压计瓷头埋设于土壤中某一高程后，负压计内部的水分通过瓷头上的微孔同土壤水分进行交换，使内外水势渐趋平衡，仪器上所指示的负压值即代表土壤水势，可以直接反映土壤水分能为植物吸收利用的程度，同时又可换算为土壤含水率。
负压计结构简单，易于制造，因此使用较为广泛。
但是负压计易受环境温度的影响，仪器稳定性较差。
此外，负压计具有滞后性，往往不能及时反映土壤水分状况，在土壤干燥过程中尤为显著。
2）中子土壤湿度计
中子土壤湿度计以测量快中子与土壤水分中氢原子碰撞而转化为慢中子的数量来感知土壤水分状况。
土孔上下移动即可测定不同高程点的土壤含水量。
目前主要采用手工方法测量，也可以改造为自动化或半自动化监测仪，从田间监测室监测，以防止或减少中子对人体的辐射。
3）γ透射仪
γ透射仪利用γ射线透射土壤后的衰减程度来测定土壤水分状况。
此种装置在实验室内应用效果较好，可进行土壤水分自动化和半自动化监测。
4）时域反射仪
时域反射仪（TDR仪），利用时域反射原理定点测量某一土层内的土壤水分情况。
此仪器有较好的测量效果，是目前较先进的土壤湿度仪，便于实现自动化监测，但价格较为昂贵。
5）电阻/电容式土壤湿度监测系统
电阻/电容式土壤湿度监测系统包括电阻式土壤湿度监测系统和电容式土壤湿度监测系统，它们分别以电阻式土壤湿度传感器和电容式土壤湿度传感器为基础。
电阻式土壤湿度传感器，用装有电极的感湿材料做成传感器的感湿元件（探头），感湿材料常为石膏、陶瓷、尼龙丝绕块等。
将感湿元件埋设在土壤中某一定点上，使其同土壤保持紧密接触，以便感湿元件的水分与土壤水分达到平衡，由于感湿元件的电阻值与其含水量具有一定关系，测量感湿元件的电阻值可以得到感湿元件的湿度，从而间接求得土壤湿度。
感湿元件在同土壤进行水分交换的同时，也常具有溶质交换，特别是由于元件埋设时间较长以后，元件中常有溶质积累，从而影响到水分测定的精度。
此外，由于感湿元件具有一定的滞后作用，往往不能及时反映土壤水分现状。
电容法测定土壤湿度是根据土壤介电常数随土壤湿度变化的原理来进行的。
它同电阻法相比，受土壤盐分的影响较小。
考虑上述多种湿度采集方法的优势，我们决定采用时域反射仪，它设计灵活、便于自动控制，更符合设计要求。
在对湿度传感器的应用方面我们考虑了以下两种方案：
方案一：
使用12V、电源供电的传感器，得到的模拟信号为0~12V，而我们的控制单元CC2430电压范围是2~3.3V这样在模拟与数字信号转换方面就产生了困难要么使用信号压缩的方法将其转换为3.3V的模拟信号后再进行A/D转换，但是这样将会导致数据误差大。
如果先进行A/D转换再进行数字信号的电压转换，这样又增加了设计的复杂性。
本身传感器的12V电压也不利于功耗降低，对整体的网络设计不利。
方案二：
使用一种低电压的土壤湿度传感器自身工作电压为5V，输出数据为标准的传感器数据：
4~20mA电流。
在A/D转换方面，我们采用美信公司生产的MAX1301A芯片，它能完好的将电流转换为数字信号，并且可以直接和+2.7V~+5.25V设备相连接，这样与CC2430就可以方便的结合，再加上MAX1301A具有完全关闭模式，这样就可以配合CC2430的休眠模式实现网络与终端的同时休眠模式，可以将功耗降至最低。
方案二的优势使我们觉得设计变得方便，无疑的采用了这个方案。
4.1数据采集
（1）土壤湿度采集：
数据采集包括传感器和模数转换两大部分，使用耐腐蚀土壤湿度专用传感器和MAX1301高速率ADC搭建完成，可以将数据以数字信号的方式通过SPI总线模式送入中心控制单元。
①dr的工作原理
水分是决定土壤的介电常数的主要因素。
tdr土壤水分传感器测量土壤的介电常数，直接稳定地测量各种土壤的真实水分含量。
传感器的信号输出可以用来直接控制灌溉。
tdr可测量土壤水分的体积百分比，与土壤的本身的机理无关。
②特点
高稳定性；
安装维护操作简便；
有效测量长度超过45cm，增加了精确度；
测量不受土壤类型影响；
支撑的材料为环氧树脂，强度和寿命得到保证。
③远程操作
tdr土壤水分传感器与数采，远距离传输设备可以构成遥测系统。
例如：
土壤干燥时，警告信号可以自动响起来提醒人们应该灌溉的时间到了。
自动控制系统能开关水泵和阀门等。
配合一些附加的传感器，可能可以计算出土壤水分蒸发量和农作物所需的水分参数。
3个灌溉表技术（蒸发量，作物水胁迫指数cwsi和土壤水分）的综合应用可以提供农作物适宜生长的最大的保证。
④规格
电源要求：
5vdc+20%@40ma
输出：
0～1ma，可选4～20ma或0～2.5v
全部尺寸：
直径：
19mm；长度：
635mm
预热时间：
1秒
⑤可选项：
4～20ma输出
0～2.5v输出
⑥安装：
传感器测量土壤的有效部分为18英寸长，靠近电缆的9英寸和顶部的0.5英寸区域。
不包括在测量区域内。
测量有效区域必须与土壤紧密并可以被放置在任何的方向和深度。
对于比较深的农作物，例如果树，它通常垂直的放置。
对于垂直安装，挖一个0.5英寸足够深的洞把传感器放下到所要测量的区域。
用0.5英寸的土壤采样器可以很方便的挖出这个洞。
传感器必须与土壤紧密的接触。
确保土壤填满传感器，用一个直径0.5英寸的棒深入到土壤中，棒与传感器的距离大约为3英寸，与传感器同样的深度。
确保棒与传感器保持平行并避免碰到损坏传感器。
移动棒到相反的方向，距离同样为3英寸的位置，然后重复这个过程在先前2洞的90度方向。
在上部填上泥土来阻止水进入顶部。
一个可选的方法是把事先用当地土壤所做的泥浆沿着传感器注入孔中，然后插入传感器。
这些泥浆将填满传感器与土壤之间的间隙。
水平传感器将安装在沟中，然后填土埋好。
注意：
不要把传感器安装在太阳直接照射的地方
传感器使用时使用光耦控制启动，输出选择4~20mA电流方式，MAX1301可以与其完美的结合。
4.2数据显示
有机电致发光显示（OLED）技术是下一代最有竞争力的平板显示技术。
目前,OLED的研究重点是提高器件的稳定性、发光效率和高质量动态显示的驱动技术以达到实用化的要求。
本设计采用OLED显示屏原因是其功耗低、亮度高、尺寸小等优点。
OLED模块与CC2430相连接采用I2C总线模式。
便于后期软件实现和硬件扩展（节约主控模块CC2430的I/O端口）。
应用框图入图2-30所示，具体连接方法见附录一中的原理图。
本次设计采用的OLED简介：
颜色：
蓝色
像素数：
128*64
驱动IC：
SSD1303
对比度：
500：
1
视角：
160度
电压：
2.7-3.3v
工作电流：
10uA（典型值）
工作温度：
-20～70℃
4.3数据存储
AT24C系列新品是美国ATMEL公司的低功耗CMOS串行EEPROM[14]。
EEPROM意为电可改写及可编程只读存储器，共有11种型号。
本设计中采用的ATC24C08，存储容量为0.5K。
虽然很小，但已经足够我们使用，这也是考虑设计成本。
主要的引脚及封装形式在图2-31中已经给出，功能见表2-12。
我们可以的到应用中的连接配置：
A0、A1、A2以及GND均与电路中的地相连接，VCC接电源
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