完整版基于单片机的土壤温湿度采集系统设计毕业设计论文.docx
《完整版基于单片机的土壤温湿度采集系统设计毕业设计论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《完整版基于单片机的土壤温湿度采集系统设计毕业设计论文.docx（148页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
完整版基于单片机的土壤温湿度采集系统设计毕业设计论文
优秀论文归档资料
未经允许切勿外传
吉林农业大学
本科毕业设计
论文题目：
土壤温湿度采集系统设计
学生姓名：
专业年级：
电子信息科学与技术专业
指导教师：
职称讲师
2008年6月2日
题目与摘要I
1前言1
1.1题目的来源与开发意义1
1.2系统功能概述1
2系统硬件设计2
2.1系统硬件设计概述2
2.1.1无线传输核心技术——ZigBee2
2.1.2终端设备解决方案2
2.2系统框图3
2.2.1网络系统框图3
2.2.2终端设备系统框图4
2.3方案论证4
2.3.1网络制式选择4
2.3.2终端设备方案选择5
2.4硬件设计与物理实现6
2.4.1网络建设——ZigBee无线传输技术介绍7
2.4.2终端设备硬件实现方法9
2.4.2.1主控芯片CC2430与无线收发9
2.4.2.2数据采集13
2.4.2.3数据显示32
2.4.2.4数据存储33
2.4.2.5按键控制34
3系统软件设计35
3.1系统软件总体设计思想35
3.2各功能模块软件程序设计35
4系统调试45
4.1硬件电路调试45
4.2各功能模块软件调试45
5结论46
附录一系统总体硬件电路图48
附录二系统程序流程图49
附录三系统程序清单52
土壤温湿度采集系统设计
学生：
韩
专业：
电子信息科学与技术
指导教师：
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。
关键词：
ZigBee；OLED显示；温湿度采集；时域反射；无线传输；CC2430。
ADesignofaCollectingSystemforSoilTemperatureandHumidity
Name：
HanYunxiao
Major：
ElectronicsInformationScienceandTechnology
Tutor：
GongHe
Abstract:
ThisdesignbasesonCC2430wirelesssystemascorecomponent,usingTime-DomainReflector（TDR）Anti-corrosionSoilHumiditySensorstocollectthemeanwhile,addingSHT11temperature-needs,usingOLEDscreentogetthedata,andsavingthemwithAT24C08.Thisdesignisabasicdesignofsoiltemperature-oftheterminalequipments,thefollowingdesignbasesonIEEE802.15.4'sZigBeewirelesssensornet'sbestcreationplan.
Keywords:
ZigBee;oled;Collecttemperatureand）成立于1993年。
IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术。
IrDA标准的无线设备传输速率已从115.2kbps逐步发展到4Mbps、16Mbps。
目前，支持它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备（如PDA、手机）上被广泛使用。
它具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用成本低廉的特点。
IrDA用于工业网络上的最大问题在于只能在2台设备之间连接，并且存在有视距角度等问题。
四种无线传输的机制完全不同，无论从应用领域的功耗要求还是从技术创新方面考虑，ZigBee都具有最佳建网优势，这就是我们选择ZigBee作为本次设计网络拓扑方案的原因。
2.3.2终端设备方案选择
我们总结一下土壤墒情监测的方法如下：
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。
3γ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AD转换，但是这样将会导致数据误差大。
如果先进行AD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AD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。
2.4硬件设计与物理实现
本部分将不重点介绍ZigBee网络建设方法，只简单介绍ZigBee标准及特点。
着重介绍终端设备的硬件解决方案与原理。
2.4.1网络建设——ZigBee无线传输技术介绍
ZigBee与IEEE802.15.4
ZigBee是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的、有关组网、安全和应用软件方面的技术，IEEE802.15.4仅处理MAC层和物理层协议，ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化[3]。
ZigBee是由ZigBeeAlliance所主导的标准，定义了网络层（NetworkLayer）、安全层（SecurityLayer）、应用层（ApplicationLayer）、以及各种应用产品的资料（Profile）；而由国际电子电机工程协会（IEEE）所制订的802.15.4标准，则是定义了物理层（PHYLayer）及媒体存取层（MediaAccessControlLayer；MACLayer）。
ZigBee协议
ZigBee标准提供了网络、安全和应用支持服务，这些服务工作在IEEE802.15.4媒体存取控制（MAC）和物理层（PHY）无线标准之上。
它采用了一整套技术来实现可扩展、自组织、自恢复的网络，这种网络可以管理各种各样的数据传输模式（如图2-3所示）。
[4]
尽管ZigBee常常被默认为无线网格网络，但该标准实际上支持多种网络拓扑，包括星型、簇树型（clustertree）或星网格混合型网络（如图2-4所示）
ZigBee技术优势
1数据传输速率低：
10KB秒~250KB秒，专注于低传输应用
2功耗低：
在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用6~24个月
3成本低：
ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本
4网络容量大：
网络可容纳65,000个设备
5时延短：
典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。
6网络的自组织、自愈能力强，通信可靠
7数据安全：
ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法（美国新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一）,各个应用可灵
8工作频段灵活：
使用频段为2.4GHz、868MHz（欧洲）和915MHz（美国），均为免执照（免费）的频段
ZigBee通信可靠性保证
1物理层RF通信链接
直序扩频采用高处理增益
明晰的信道检测
对干扰能量进行检测
采用跳频技术Frequencyagility
2协议
基于CRC的误码检测校正
采取了避免冲突的策略CSMACA
为固定带宽的通信业务预留了专用的有保证的时隙
发送的数据包都有待于接受方的确认，如出现问题进行重发
保持数据包的及时传输Packetdatafreshness
3通信可靠机制
zigbee采用了CSMA－CA的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；明晰的信道检测
MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。
4网络的自组织、自愈能力强
zigbee的自组织功能：
无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络；
zigbee自愈功能：
增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。
在低信噪比的环境下ZigBee具有很强的抗干扰性能
ZigBee物理信道
如图如图2-5所示
图2-5ZigBee物理信道示意图
Fig.-5PhysicalchannelsketchmapofZigBee
2.4.2终端设备硬件实现方法
2.4.2.1主控芯片CC2430与无线收发
CC2430主要特征外设[5]：
CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器。
它使用1个8位MCU（8051），具有KB可编程闪存和8KB的RAM，还包括模数转换器（ADC）、几个定时器、AES128协同处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路以及21个可编程IO引脚。
引脚如图如图2-6所示，原理图如图2-6所示。
图2-6CC2430引脚示意图
Fig.2-6PinouttopviewofCC2430
CC2430包括3个8位输入输出端口，分别为P0、P1、P2。
其中，P0和P1分别有8个引脚，P2有5个引脚，共21个数字IO口引脚。
这些引脚都可以作为通用IO端口，同时通过独立编程还可以作为特殊功能的输
入输出，通过软件设置还可以改变引脚的输入输出硬件状态配置。
21个IO引脚都可以作为外部中断源输入口，因此如果需要，外部设备可以产生中断。
外部中断功能也可以唤醒休眠模式。
为了提高数据存取的效率，CC2430专门在内存与外设之间开辟了一条专用数据通道。
这条数据通道在DMA控制器硬件的控制下，直接进行数据交换而不通过8051内核，不用IO指令。
图2-7CC2430应用框图
Fig.2-7ApplicationblockdiagramofCC2430
DMA控制器可以把外设（如ADC、射频收发器）的数据移到内存而不需要CC2430内核的干涉。
这样，传输数据速度上限取决于存储器的速度。
采用DMA方式发送时，由DMA控制器向8051内核发送DMA请求，内核响应DMA请求，这时数据输入输出完全由DMA控制器指挥。
CC2430包括4个定时器：
1个一般的16位定时器和2个8位定时器，支持典型的定时计数功能；一个16位MAC定时器，用于为IEEE802.15.4的CSMA-CA算法以及IEEE802.15.4的MAC层提供定时。
CC2430的数据加密由一个支持先进的高级加密技术标准AES的协处理器来实现.该协处理器允许加密解密将使用最小CPU使用率。
AES安全协处理器工作在128位。
组128位的数据下载到协处理器中加密，须在下一组数据送至协处理器前完成加密.每组数据送至协处理器加密前，须给协处理器一个开始指令。
由于AES协处理器加密的数据都是以128位为一组的，因此当一组数据不足128位的时，必须在后面添加0后才能把数据送至协处理器加密。
CC2430的ADC支持14位的模数转换，这跟一般的单片机8位ADC不同。
这个ADC包括一个参考电压发生器、8个独立可配置通道、电压发生器和通过DMA模式把转化结果写入内存的控制器。
当使用ADC时，P0口必须配置成ADC输入作为8位ADC输入；把P0相应的引脚当作ADC输入使用，寄存器ADCCFC相应位置设置为1。
否则寄存器ADCCFG的各为处始值是0，则不当作ADC输入使用。
ADC完成顺序模数转换以及把结果送至内存而不需要CPU的干涉。
CC2430无线收发
CC2430的无线接收器是一个低中频接收器。
接收到的射频信号通过低噪声放大器放大而正交降频转换到中频。
在中频2MHz中，当ADC模数转换时，输入增益调相信号被过滤和放大。
CC2430的数据缓冲区通过“先进先出”的方式来接收128位数据。
使用“先进先出”方式读取数据需要通过特殊功能寄存器接口。
内存与先进先出缓冲区数据移动使用DMA方式来实现。
CRC校验使用硬件实现。
接受信号强度指标（RSSI）和相关值添加到帧中。
在接受模式中可以用中断来使用清除通道评估（CCA）。
CC2430的发送器是基于上变频器的。
接受数据存放在一个接受先进先出的数据缓冲区内。
发送数据帧的前导符和开始符由硬件生成。
通过数模转化把数字信号转换成模拟信号发送出去。
CC2430无线部分主要参数如下：
频带范围为2.400~2.4835GHz。
采用IEEE802.15.4规范要求的直接序列扩频方式。
数据速率达250kbps，碎片速率达2Mchips。
采用O-QPSK调制方式。
高接收灵敏度（-94dBm）。
抗邻频道干扰能力强（39dB）。
内部集成有VCO、LNA、PA以及电源稳压器。
采用低电压供电（2.1~3.6V）。
输出功率编程可控。
典型的外围电路配置如图2-8所示
IEEE802.15.4MAC硬件可支持自动帧可是生成、同步插入与检测、10比特的CRC校验、电源检测以及完全自动MAC层保护（CTR、CBC-MAC和CCM）。
图2-8CC2430应用电路
Fig.2-8CC2430ApplicationCircuit
IEE802.15.4调制模式
IEEE802.15.4的数字高频调制使用2.4G直接序列扩频（DSSS）技术。
扩展调制功能如图2-9所示[6]。
图2-9扩展调制功能示意图
Fig.2-9Expandandmodulatethefunction
从图2-9可以看出，在调制前需要将数据信号进行转换处理。
每1个字节信息分为2个符号，每个符号包括4比特。
根据符号数据，从16个几乎正交的伪随机序列中，选取其中一个序列作为传送序列。
根据所发送的连续的数据信息将所选出的PN序列串连接起来，并使用Q-QFSK的调制方法将这些集合在一起的序列调制到载波上。
在比特-符号转换时，将每个字节中的低4位转换成为一个符号，高4位转换成另一个符号。
每一个字节都要逐个进行处理，即从它的前同步码字段开始到最后一个字节。
在每个字节的处理过程中，优先处理低4位，随后处理高4位。
2.4.2.2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。
土壤湿度传感器（型号:
TDR）简介：
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。
MAX1301引脚如图2-10所示。
MAX1301ADC介绍：
MAX1301多量程、低功耗、16位逐次逼近型ADC采用添+5V单电源供电，并具有独立的数字电源，允许和2.7V至5.25V系统连接。
此ADC带有支持单端和全差分输人的内部采样保持（TH）电路进行单端信号转换时，有效模拟输入电压范围从地电
位以下的-VREF到地电位以上的+VREF。
允许的最大差分输人电压范围为-12V到+12V。
表2-1MAX1301电源与电源旁路
Table2-1.MAX1301PowerSuppliesandBypassing
供电输入端
电压范围（V）
典型电流值（mA）
电路类型
旁路
DVDDODGNDO
2.7to5.25
0.2
DigitalIO
0.1µFtoDGNDO
AVDD2AGND2
4.75to5.25
17.5
AnalogCircuitry
0.1µFtoAGND2
AVDD1AGND1
4.75to5.25
3.0
AnalogCircuitry
0.1µFtoAGND1
DVDDDGND
4.75to5.25
0.9
DigitalControlLogicandMemory
0.1µFtoDGND
表2-2MAX1301模拟输入配置字节
Table2-2.AnalogInputConfigurationByte
位
名称
描述
7
START
StartBit.Thefirstlogic1afterCSgoeslowdefinesthebeginningoftheanaloginputconfigurationbyte.
6
C2
Channel-SelectBits.SEL[2:
0]selecttheanaloginputchanneltobeconfigured
5
C1
4
C0
3
DIF
DifferentialorSingle-EndedConfigurationBit.DIF=0configurestheselectedanaloginputchannelforsingle-endedoperation.DIF=1configuresthechannelfordifferentialoperation.Insingle-endedmode,inputvoltagesaremeasuredbetweentheselectedinputchannelandAGND1,asshowninTable4.Indifferentialmode,theinputvoltagesaremeasuredbetweentwoinputchannels,asshowninTable5.BeawarethatchangingDIFadjuststheFSR,
2
R2
Input-Range-SelectBits.R[2:
0]selecttheinputv
升级会员 