基于单片机的温室自动灌溉系统设计与实现

基于单片机的温室自动灌溉系统设计与实现内容摘要：

介绍。 硬件电路设计与实现 7 3 硬件电路设计与实现 应用软件介绍 本文使用 Protel DXP 2020 作为绘制底层硬件电路板的工具。 Protel DXP 2020 是Altium 公司在于 2020 年推出的电路设计软件，是一个 32位的电子设计系统。 它是一套构建在板设计与实现特性基础上的 EDA 设计软件，其主要功能包括电路原理图设计、印刷电路板设计、改进 型拓扑自动布线、模拟 /数字混合信号仿真、布局前后信号完整性分析、 PLD2020 可编程逻辑系统，以及完整的计算机辅助输出和编辑性能等。 本文从电路原理图设计开始，最终得到所需的印刷电路板图。 下文对 系统 的各个功能模块 进行了讲述， 绘制原理图是绘制 PCB 板的前提，只有正确的绘制原理图并形成正确的网络表才能绘制 PCB 板。 系统原理图如图 31所示， 最终绘制成的 PCB 电路板 如图 3图 310 和图 311 所示，根据该电路板及相关设备选型制作出的实物图如图 312 所示。 图 31 系统原理图 总结与展望 8 微处理器模块设计 CC2430 概述 CC2430是 TI公司设计的一款真正的片上系统解决方案，专为 Zigbee 应用量身制作，其内部集成有一个高性能的 CC2420 射频收发器和工业级标准的高性能 8051MCU，另外还有一些其它的强大的功能特性，配合业界领先的 Zigbee 协议栈， CC2430 提供了市场上最具竞争力的 Zigbee 解决方案。 其关键性能如下： A、高性能低功耗的 8051 微控制器内核。 B、符合 标准的 CC2420 射频收发器。 C、 优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。 D、 32/64/128KB 片内可编程 FLASH， 8KB 静态 RAM，其中 4KB 可在掉电状况下保持数据。 E、低功耗。 接收模式为 27mA,发送模式为 25mA； 休眠模式时仅 ，外部的中断或 RTC 能唤醒系统 ； 在待机模式时少于 的流耗，外部的中断能唤醒系统。 F、较宽的电压范围（ ）。 G、 21 个通用 I/O 口，两个具有 20 mA 的吸收电流能力。 H、 8 路 814 位可编程 ADC。 I、 2 个强大的支持几组协议的 USART。 J、一个 定时器，一个通用 16 位定时器和 2 个 8 位定时器； 一个看门狗定时器。 CC2430 外围电路设计 基于 TI 公司推出的 CC2430 实现嵌入式 ZigBee 应用的微处理器模块硬件电路如图 4所示。 微处理器模块主要包括微处理器电路和调试电路。 数据发送通过单极天线（ ANT）来实现，非平衡变压器及配套元件（ L L L C6）优化了天线性能，使节点间的最远传输距离可达 120 米。 晶振 XTAL2 满足了组网需要，晶振 XTAL1 用于终端节点休眠。 仿真器通过 JTAG 接口连接 CC2430 内部 JTAG 调试模块。 端口 为调试时钟接口， 为调试数据接口。 通过该两 端口可对片上闪存编程，访问存储器和寄存器，并可以设置断点、单步操作和修改寄存器。 P1口作为数据输出端，与 LCD液晶显示模块相连，为节省微处理器的 I/O 口，将 CC2430 的 、 、 与移位寄存器 74HC595 相连，寄存器的输出口与 LCD数据口（ DB0DB7）连接作为数据输入，再通过软件模拟 OCM128649的时序，实现实时数据的查询与显示。 硬件电路设计与实现 9 C3C11C14C4C7C12C13C8VCC33DC/DD/ LCD_LD LCD_CS LCD_CK LCD_E LCD_RS LCD_RW 电磁阀RESET_NR13VCC33VCC33R15R14XTAL2C9C10XTAL1L2 L3L1ANTC5C611112131415161718RESET_N10464598543AVDD_SOC20DVDD241DVDD37DVDD447DUOUPL424862AVDD140AVDD239AVDD338AVDD437AVDD536AVDD635AVDD731AVDD830AVDD929AVDD1028AVDD1127AVDD1225RF_P32TXRXW33RF_P34434432M_12132M_219RBISA122RBIAS22624RFG_IN23CC2430 水流开关 LCD_DAT 图 32 微处理器模块硬件电路 微处理器复位及调试接口电路设计 图 33 复位与调试接口电路 （ 1）复位电路 CC2430 有 3 种复位模式：强制复位引脚 RESET_N 为低电平、上电复位、看门狗定时器复位。 如图 34 所示为外部复位电路，引脚 10 为复位引脚，当按键 S1 按下时引脚 10输入一低电平脉冲 ，使系统复位。 （ 2）调试接口电路 总结与展望 10 JTAG(Joint Test Action Group，联合测试行动小组 )是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试。 JTAG 技术是一种嵌入式调试技术，它在芯片内部封装了专门的测试电路 TAP(Test Access Port，测试访问口 )，通过专用的 JTAG测试工具对内部节点进行测试。 CC2430 可通过两线接口对芯片进行调试。 端口 为调试时钟接口， 为调试数据接口。 通过该两端口可对片上闪存进行编程，可以访问存储器和寄存器，并可进行设 置断点、单步操作和修改寄存器。 当芯片处于非调试模式时，端口 和端口 可用作普通 I/O 口。 在 RESET_N 输入引脚为低电平时，在 端口施加两个高电平则系统进入调试模式。 数据采集模块设计 数据采集模块由传感器及其接口电路组成，主要完成作物根系处土壤湿度数据采集，传感器需具备较高的精度及较低的功耗，完成土壤湿度的准确测量。 按传感器工作特性设计外围接口电路，通过数据线采集数据、电源线驱动传感器。 本系统所采用的土壤水分传感器型号为 FDS100，其技术参数为：工作电压 5～ 12V，工作电流 15mA，测量精度≤ 3%，探针长度 ，输出模拟信号。 由于 CC2430 内部集成了 8通道的 8~14 位ADC，所以无需外置 A/D 转换器，通过 口即可实现信号的传输。 另外，本系统采用水流开关来监测灌溉阀门的状态、管路中液体是否流动和流动的量是否达到要求，以此来监测系统运行的可靠性。 5VI2C SCL12VI2C SDA GNDR19R20GND1 2 3P1012345P11Header 5 R8VCC3312P3水流开关 1122LS1SPEAKER12跳线帽R205VC3B2E1Q2D8VCC33R28 图 34 传感器通用接口电路 电源供应模块设计 电源供电部分采用 24V直流输入的电源适配器供电，电源输入后，经过桥整、电容滤波后，分为两路，经过 LM2596和 TPS79533后分别为板子提供 5V和 (VCC33)两种电平输入。 本系统用到的电压有 24V、 12V、 5V、。 TI公司的电源管理芯片 TPS79533解决了 5V到。 系统的电源电路如图 35所示，其中， VCC33跟电池输出的作用一样，都是为板上的元器件和芯片提供合适的工作电源；而 VCC5则是用来给控制板上的元器件和芯片供电；另外，它也可以为以 5V为工作电压的传感器供电 (监测节点上留有土硬件电路设计与实现 11 壤湿度传感器的接口，可用于扩展 )。 +Vin1Fback4N/F5G3OPUT2U4LM2596C9D10L3C8R14R13C1324VVCC12V/5V132J1BATT1R16D2231S8POWER_SW1R17C19EN1IN2GND3OUT4PASS5U4TPS79533C15R18C18C16C17D1D Schottky 3A5V132J2VCC33 图 35 系统的电源电路 控制模块硬件设计 控制模块主要由执行机构及其驱动电路组成。 本系统的执行机构采用了中间继电器，它按照微处理器的命令执行相应的操作。 而驱动电路是连接微处理器与执行机构的桥梁，在本电路中连接了 CC2430 和中间继电器。 功率驱动部分主要由光电耦合器 TPL521和三极管 2N3904 开关电路构成。 光电耦合器 TPL521 由 VCC33 供电，主要起隔离作用，把微处理器的控制信号和执行机构的功率信号隔离开来，提高系统抗干扰性，保护温室自动灌溉系统。 TPL521 的输入为来自微处理器 CC2430 的小功率信号，经过隔离后把该信号输出至三极管 2N3904。 三极管 2N3904 的作用是放大从处理 器 CC2430 输出的控制信号，把其变成可以驱动执行机构的信号。 控制模块硬件电路如图 36 所示， 口为低电平时，光耦导通，进而使三极管导通把 LED 点亮，表示该路控制的强电设备正常工作。 图 36 控制模块硬件电路图 为了提高精度，本系统在温室中多点采集作物根系的土壤湿度，微处理器接收 多点采集的同一时刻的同一环境参数，根据相应的算法进行均值估算，最后根据需要向相应的执行机构下达任务，执行灌溉命令。 总结与展望 12 人机交互模块设计 加装显示设备，可以更好的实现人机交互，使系统更人性化，本课题采用两种显示方式： LED 显示方式和 LCD 显示方式。 本设计采用 OCM128649 液晶显示模块，它是128 64 点阵型液晶模块，可显示各种字符及图形，可与 CPU 直接接口， OCM128649 液晶显示模块对外提供了以下几种信号线： 8位标准数据总线 (DB0DB7),读写控制线（ R/W） ,片选信号线 (CS),数据 /指令选择线（ A/O） ,允许信号线（ E） ，还有复位信号线（ /RST）。 显示模块原理图设计 根据信号线的逻辑电平 ,选择合适的微处理器 CC2430 的 I/O 引脚与之相连接。 为节省微处理器的 I/O口，将 CC2430 的 、 、 与移位寄存器 74HC595 相连，寄存器的输出口与液晶屏数据口（ DB0DB7）连接作为数据输入，再通过软件模拟OCM128649 的时序，实现实时数据的查询与显示。 另外 ,通过调节 LCD 的 LED+引脚的偏置电压 ,对 LCD 背光进行点亮、熄灭控制，即使在环境光亮程度较低的情况下 ,可以清晰的观察 LCD液晶屏上显示的界面和数据。 液晶显示模块硬件接口电路图如图 37所示。 图 37 液晶显示模块硬件接口电路图 按键电路设计 用户通过 键盘与系统交互，可对系统程序的运行做出某些配置，系统的键盘电路如图 38 所示。 硬件电路设计与实现 13 图 38 系统的键盘电路 图中按键 S S S5 和 S6 实现原理为由 端口采集按键电压，然后经 CC2430片内 AD 转换器识别电压值来判断按键值， S3 和 S4 直接经由端口 和 产生系统中断来判断按键值。 端口 和 具有 20 mA 的吸收电流能力，因此可用于驱动LED，以做显示之用。 PCB 电路板制作 绘制 PCB板 本文将整个系统设计为三个 PCB 板：主板、控制板和 CC2430 小模块板。 主板只包括用户常用的电源模块、人机交互模块；控制板包括控制模块、数据采集模块和电源模块； CC2430 小模块主要包括微处理器模块，单独画一块微处理器模块板子主要考虑CC2430 可以复用，系统调试过程中如果 CC2430 被烧坏，主板和控制板仍可以继续使用，减少了系统开发的费用。 在绘制 PCB 板之前，需要给各个元器件添加自己的封装，有些封装在 Protel 软件中的标准元件库中可以直接找到，但是有些元器件的封装需要自己绘制，如 OCM12864— 74HC59 LM2596 以及单片机 CC2430 等等都需要自己绘制封 装，这就要求查明芯片手册，弄清楚引脚以及元器件各部分尺寸，制作好这些封装后添加到库里就可以直接使用。  规划电路板 在给原理图添加好封装后就可以绘制 PCB 板。 电路板采用双层，电路板的。