本科毕业论文----基于单片机的土壤温湿度采集系统设计Word格式.doc

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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——ZigBee 2

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

I

Ⅰ

吉林农业大学本科毕业设计

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

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-corrosionSoilHumiditySensorstocollecthumiditydata,usingDS18B20tocollectsoiltemperature,inthemeanwhile,addingSHT11temperature-humiditymoduletocollectairtemperatureandairhumidityaccordingtoagricultureproductionneeds,usingOLEDscreentogetthedata,andsavingthemwithAT24C08.Thisdesignisabasicdesignofsoiltemperature-humiditywirelessmonitorsystem,thepurposeistorealizethefunctionoftheterminalequipments,thefollowingdesignbasesonIEEE802.15.4'

sZigBeewirelesssensornet'

sbestcreationplan.

Keywords:

ZigBee;

oled;

Collecttemperatureandhumidity;

TDR;

Wireless;

CC2430.

1前言

1.1题目的来源与开发意义

土壤墒情（温度和湿度等）是重要的土壤信息，是农作物和树木生长的重要生态因素，进行土壤墒情的测定，掌握土壤墒情变化的规律，对作物生态状况的监测和预报具有重要意义。

土壤墒情无线采集系统已成为现代农林监管的高科技手段，随着电子计算机技术的飞速发展和智能化测量技术的不断进步，以及ZigBdee无线传感网络技术的进一步成熟，因此土壤墒情无线监管系统的ZigBee解决方案已经成为可能。

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。

基于ZigBee无线传感网络设计的土壤温湿度无线采集系统，完全符合我们的要求，首先我们使用最专业的土壤温湿度采集传感器，湿度采集利用时域反射原理设计而成，精度极高，耐腐蚀极强，这也是长期在土壤中安置的前提保证。

智能型网络可以快捷方便的获得每个检测点的土壤状况数据，以超低功耗的传输机制使得系统灵活方便，即使每天使用高精度传感器多次测量也可以保证一块锂电池可以使用一、两年之久，当然，我们可以使用太阳能电池，能源问题完全不必担心。

配合电源管理芯片可以将终端采集设备的运行状况及时的报告给远端的监控设备确保运行正常。

使用计算机的统计与管理功能，我们可以方便高效的对土壤资源状况进行统计分析。

因此，决定建设套无线传感网络，于是设计终端便成为网络的基础环节，本设计也就由此开始了。

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系统硬件设计

2.1系统硬件设计概述

2.1.1无线传输核心技术——ZigBee

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。

2.1.2终端设备解决方案

在设计的开始前我们还需要作一部分工作：

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：

①TDR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。

②DS18B20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。

③SHT11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）。

2.2系统框图

Zigbee路由节点

Zigbee终端节点

Zigbee中继节点

土壤温度采集模块

土壤湿度采集模块

PC检测

空气温湿度采集模块

无线传输

有线传输

2.2.1网络系统框图

图2-1网络系统框图

Fig.2-1Blockdiagramofnetworksystem

本系统的总体网络框图如图2-1所示，这部分内容将是后待开发的主要内容，目前不做细致研究。

2.2.2终端设备系统框图

中心控制单元

CC2430

OLED

显示屏

ADC-MAX1301

TDR土壤湿度传感器

DS18B20土壤温度传感器

SHT-11空气温度传感器

按键控制

2.4G天线

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。

图2-2终端设备系统框图

Fig.2-2Systematicblockdiagramoftheterminaldevice

2.3方案