基于单片机的蔬菜大棚自动灌溉系统研究设计

2012年10月 农机化研究 第lO期 基于单片机的蔬菜大棚自动灌溉系统研究 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 鞠永胜1，李兴凯1，包君2 (1山东科技职业学院，山东潍坊261053；2山东交通职业学院，山东潍坊261206) 摘要：随着农业自动化水平的提高．农业灌溉逐步发展到自动灌溉系统。为此，介绍一种基于单片机和射频 模块nRF24Lol来实现无线数据传输，利用多点湿度传感器 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 环境湿度的蔬菜大棚自动灌溉控制系统。系统 由主站和分站组成，主站和分站可以通过无线射频模块交换实时湿度数据，并由主站处理后发送控制信号控制 分站的电磁阀实现自动灌溉。 关键词：自动灌溉系统；AvR单片机；无线射频技术 中国分类号：S126；s2742 文献标识码：A 文章编号：1003—188x(2012)10—0侣7一04 O引言 随着我国农业自动化水平的提高，农业灌溉由以 往的人工灌溉发展到现在的自动灌溉，并且在多种地 形和条件下使用，效果都非常不错。但是，这种灌溉 系统也有不少缺点，如不能检测当前环境的湿度，只 是按照灌溉时间间隔来进行控制；遇到比较大的种植 面积，布线非常复杂，电缆需要做防水保护，制作成本 和维护成本都非常高。所以，考虑到农业灌溉的特殊 性，本文提出了一种新型的自动灌溉系统，适用于多 种农业种植环境，以蔬菜大棚自动灌溉系统为例，从 硬件和软件设计方面 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ：首先，布线方面不采用传 统的线路铺设，而采用无线射频模块传输数据和接收 数据，具有较大的灵活性，并节约成本；其次，通过利 用高性能AVR单片机具有的sPI方式，来控制发送和 接收无线传输模块传输的数据，并可靠地控制电磁阀 动作，利用单片机控制具有较强的实时性，并且可以 移植到各种实时操作系统中实现；最后，蔬菜大棚室 外降雨等因素可以忽略，使程序更加稳定，并能有效 的节约维护成本。 1系统硬件设计 本系统由主站和分站组成点对多点的无线数据 传输网络，其中1个主站，多个分站，本设计中以3个 分站为例，每个分站上其他电路由一个湿度传感器、 电磁阀驱动电路和电磁阀构成。主站与分站之间距 收稿日期：2012—02—25 基金项目：潍坊市科技发展 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 项目(第20lloll6l号) 作者简介：鞠永胜(1970一)，男，山东潍坊人，讲师，硕士，(E—ma·1) xlaohulone@sohucom． 离理论不超过lkm，实际50m即可。主站和分站的核 心都是利用AVR单片机控制操作，主站单片机：主要 接收湿度数据并处理，然后发送数据到相应分站，分 站的单片机接收到数据后响应主站命令，从而控制电 磁阀动作。 1．1 AVR单片机 本设计中采用ATMEL公司8位单片机AT． m89a8L。该单片枧是ATMEL公司2002年第一季度 推出的一款新型AVR高档单片机，ATmega8L后面的 “L”代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 的是一款可以工作在低电压状态的单片机， 工作电压范围在2．7～5，5V，ATmega8L内部集成了 8kB在系统自编程FLAsH，可擦写次数达到了10000 次，具有独立的锁定为可选Boot代码区‘，这可以通过 片上Boot程序实现系统内编程实现读写的同时性。 片上还集成了512字节的EEPROM，擦写次数也达到 了10000次，lkB片内的sRAM可以大幅提高编程的 可靠性，用户可以通过对锁定为进行编程以实现用户 对程序的加密，使程序难以破解。ATmega8L具有丰 富的硬件接口电路，具有硬件sPI和IsP接口，AT． mega8L是基于先进的RIsc结构的8位单片机，由 130条指令构成，大多数指令执行的时问为单个时钟 周期，内部具有32个8位通用工作寄存器构成，AT— mega8L单片机主要是将32个通用寄存器和130条指 令结合在一起，所有的通用寄存器都与ALu(算术逻 辑单元)直接相连，实现了在一个时钟周期内执行的 一条指令同时访问(读写)两个独立寄存器的操作。 这种结构提高了代码效率，使得大部分指令的执行时 间仅为一个时钟周期。因此，AThega8在16MHz的工 作状态下可以达到16MIPs的性能，运行速度比过去 基于cIsc结构的5l单片机高出近10倍。由于AT— 万方数据 2012年lO月 农机化研究 第lO期 mega8L是不带ⅡAG接口的，所以要对ATmega8L在 线仿真另接一个仿真器或者采用ATmega88来做前期 的开发。批量生产时可将程序移植到A1hega8，并在 程序中的寄存器名称做修改。A1hega8／88最小系统 及下载电路如图1所示。 图l ATm喵a8／88最小系统及下载电路 Fig．1AT眦ga8／88皿ni咖m3ymem蛐d洲∞dei肿uil 本电路中的电源部分是根据nR砣4LDl的典型电 压3．3V匹配电源，即单片机部分和无线射频模块供电 也是通过3．3V供电。另外，IsP下载电路部分是提供 程序下载调试用的，方便系统开发设计及日后升级用。 1．2 nRF24LJDl及接口电路 nRF24加l是Nordic公司的一款无线芯片，该模 块特点是在2．4GHz全球开放IsM频段免许可证使 用，即该频段一般为民用通讯、遥控和数传等不需要 申请许可证就可以使用的。该芯片最高工作速率达 到了2Mbps，高效G聆K调制，抗干扰能力较强，适合 工业控制场合，因为是免许可证的频段，所以在同一 地区使用该频段的设备也相对多一些，为了避免误操 作，芯片内部固有126个频道，满足多点通信和跳频 通信的需要，并且内置硬件的cRC检错和点对多点路 由地址控制。该芯片最大的特点还是采用软件设定 地址的功能，即收到本机地址才会有输出数据，这个 过程是通过中断源的形式完成的，可以直接接在各种 单片机使用，特别是支持硬件sPI的单片机，编程更加 方便，其引脚分布及功能如图2所示。 cE：发射模式和接收模式使能引脚； csN，scK，M0sI，MIs0：sPI功能定义端，主要通过该4 位端口与AVR单片机通信； IRQ：中断标志位； VDD：芯片电源3．3V； VSS：GND： xc2，xcl：外接晶体振荡器引脚，典型值为16MH2； VDD—PA：芯片内部功放供电端，输出电压为1．8V； ANTl，ANl2：ANT天线输人端； IREF：基准电流参考端； 188 以上需要和单片机通信的引脚分别是cSN，scK， M0sI，MIs0及IRQ，注意芯片的VDD电源电压不要 超过3．3V，电流也不要过高，超过3．6V会造成芯片 永久烧毁。nRF24L0l的时序图如图3和图4所示。 圆回圆圈回 a l l l l● l nRF24L0l Ⅲ}2J J 【 QFN20●“ o瞩f3 l『 。团【 ■ mI 5 l {一L————————————_一 固团圈团圆 mOvmⅧm”I 、㈣l- 、uvJ- 图2 nRFH加1的引脚分布 Fig．2nRF24101PindiBhibuⅡo“ ，■■■■■—■■■■■■■■■■●■_ --1=}。{¨。}一_『⋯ r⋯● 图3 sPI读操作时序 ‘ Fig-3SPIr蛆d叩∞Iti佃nIIling ‘，’—— -rK ‘ m‘- ‘_ ^E -。-Ir 。 、●■—■■■■■——●■■—■—- 图4 sPI写操作时序 Fi94sPI埘ile0p啪ti帅limi“g 可以看出，在发送模式下，数据的高位在前，低位 在后，每写一位都要返回一个状态字，每次写操作都可 以读回一个完整的状态字，保证最大限度地不丢包。 nRF24LDl的工作模式发送接收模式、系统配置模式、 空闲状态模式以及关机模式等4种，如表1所示。 表l nRF24IDl配置为发射、接收、空闲及掉电4种工作模式表 1曲lnRn4IDleo曲舭fedlofourmod髑of叩哪60n tabIe—tr8llBl“t，mceive，f融蛐dpdwer—dawn m 惜 一 椭 聊倒回回回回 万方数据 2012年10月 农机化研究 第10期 续表 其中，发送接收模式有EnhancedshockBurstTM模 式、shockburstTM模式和直接发送接收模式3种。在 本设计中，采用Enhancedsho＆BurstTM模式。这种模 式下，软件编程会稍微简单，系统稳定性更高。 nR砣4加1的应用原理如图5所示。 图5 nRF24【Dl的厦用原理图 F195 Schematlcd18伊“ofnRn4L01appllcml0Ⅱ 此外需要注意的是，nRF24Iol的寄存器配置采用 宏定义命令，通过宏定义命令将18字节的寄存器参数 按照各个功能分解，以便于程序移植和修改。 1．3电磁阀驱动电路 电磁阀驱动电路是由2个NPN和2个PNP三极 管构成的H桥构成，外围触发采用施密特触发器组 成，每个分站的电磁阀由Dc一6V供电，采用脉冲控 制。分站AvR单片机从PINl和PIN2引脚输出控制 信号，触发三极管的导通和关闭实现电流的流向变化 控制电磁阀，如果PINl是高电平Q1导通，通过施密 特触发器后Q4也导通，电流流向是从右到左，如果 PIN2是高电平Q2和Q3导通，电流流向是从左到右， 由于采用脉冲施密特触发，即只在启动和关闭电磁阀 过程中消耗电量，这个过程类似于直流电机H桥驱动 电路正反转电路，所以电路简单可靠。电磁阀驱动电 路如图6所示。 2系统软件设计 系统软件的编写平台采用HPinfoTech的code— VisionAvR，该平台虽然不带nRF24L01的头文件库， 但是自带的sPI库文件会使编程更加方便。本文主要 介绍主站和分站的软件设计思路。 图6电磁阎驱动电路 Fig6 Electmm89“etlcvalvednveclfculI 21主站系统软件 主站是系统的核心，主要接收分站的湿度转换的 数据，并根据湿度数据的高低控制电磁阀的动作。由 于nRF24ml是采用sPI控制的，所以要配置好主站 单片机的sPI的工作方式，用到的寄存器包括AVR单 片机内部的sPcR，sPsR，sPDR。每位寄存器都是8位 的，要和nRF24LDl的寄存器区别开来。由于主站大 部分工作在接收时间上，所以配置寄存器位PRIM—Rx 为高，打开所有使用的接收数据通道EN—RxADDR寄 存器，设置好自动应答寄存器EN—AA，并能实现数据 宽度调节Rx—Pw—Px。最后，设置cE为高启动接收 模式，接收到数据包后需要校验数据的地址和cRc检 验，如果都正确，并可以识别是哪个分站发送的数据， AvR单片机将数据以合适的速率通过sPI口将数据 读出。当主站工作在发送状态时，主要是AVR单片 机根据预先设定好的程序，随着湿度数据变化发送控 制电磁阀的信号。由于大棚内的湿度变化是缓慢的， 所以程序设计中要有PID算法，将计算好超调量等数 据写入PID算法子程序当中，更好地控制电磁阀工 作，达到节水的目的。 2．2分站系统软件 分站系统软件包括发送湿度数据到主站和应答 主站命令，并控制电磁阀动作，期间要监控湿度信号， 配合好主站的PID算法，达到一种实时操作的目的。 nR砣4Lol工作在发送状态几乎和接收模式相反，配 置寄存器位PRIM—Rx设置为低，将湿度数据通过sPI 写入到Tx—ADDR和Tx—PLD中，有且只有csN为低 的时候发送数据是不断被写人的，并设置cE为高，启 动发射。注意cE高电平持续时间最小为10斗s，在这 里设置sPI功能函数的时候一定记得在头文件声明使 用了sPI函数，如#include。具体使用的函数 如下： 万方数据 2012年10月 农机化研究 第lO期 unsignedcharspi(unsignedchardata)； 调用该函数前必须要设置sPI控制寄存器sPcR， 即对sPcR赋值。该函数的功能是发送1个字节，同 时接收1个字节，sPl函数通讯使用查询方式，所以不 需要设置sPI中断允许标志位sPIE。下面是主从机 配置子程序： voidsetTxMode(void)／／设置传输模式 PWRjjP=l： CE=0： CS=1： delay—us(100)； DATA=0： 设置为o：发送模式 CLKl=1： CLKl=0： CS=0： CE=l： delay—us(100) ／／设置为配置模式 ／／配置寄存器O字节RxEN ／／设置为Activemodes(Tx) voidsetRxMode(void)／／设置为接收模式 PwR—uP=1；／／设置为配置模式 CE=O： CS=1： delay—us(100)； DATA=1；／／配置寄存器。字节RxEN 设置为1：接收模式 CLKl=1： CLKl=0： cs=0； ／／设置为Activemodes(Rx) CE=1： delay—us(100) 3结语 本设计提出一种以无线射频模块nRF24IDl和 AVR单片机构成的网络来传输物理量数据，并控制电 磁阀动作的蔬菜大棚自动灌溉系统。该系统结构简 单，灵活性较高，节约了大面积布线的成本，也降低了 故障率。检测的数据可以实时上传，并根据数据的变 化做出实时控制。然而，设计中不免存在其他遥控设 备的2．4G干扰和PID算法不科学等问题，希望通过 配置跳频方法消除干扰，改良传统的PID算法，已达 到更加节水的目的。 参考文献： [1]刘俊岩，张海辉，胡瑾，等基于z-gBee的温室自动灌溉系 统设计与实现[J]农机化研究，2012，34(1)：111—114 [2]蒋鼎国，张宇林，徐保国节水灌溉监控系统设计一基于 wsN和模糊控制策略[J]农机化研究，2012，34(2)：167 —171 [3]杨久红，王小增基于LPC2103的稻田自动灌溉系统[J] 农机化研究，2叭1，33(2)：80—83 [4]张洋，韩文霆作物灌水量决策支持系统开发[J]农机化 研究，20n，33(2)：147—149 [5]张涛DPSQKS一1型灌溉自动控制器的研制[J]．农机化 研究，2011，33(6)：84—86． [6]高军，任守华，朱景福农业灌溉远程控制系统的设计 [J]农机化研究，20ll，33(7)：11l一113． [7]张丽红，孙磊，伦翠芬，等基于cAN总线的连栋温室节水 灌溉控制系统[J]农机化研究，2011，33(6)：168—170 [8]石建飞，刘超，李爱传，等基于PLc的农田自动灌溉无线 监控系统设计[J]．农机化研究，20u，33(11)：28—31， ResearchandDesignOfVegetableShedAutOmatic ‘ IrrigationSystemBasedonSingle—chip JuYongshen91，LiXingkail，BaoJun2 (1shando“gV0cationalColl69eofScience＆Techn0109y，Weifa“g261053，chin8；2．ShandongTran8portVocational coⅡ89e，weifang261206，china) Abstract：Withtheimpmvementof89ricultumIautomaticlevel，89“cultumIi砸gatio“graduaIlydevel叩edintoautomatic irrigation8ystems．Thi8paperintmducesakindofRFmodulebasedonsin西echipcomputerandnRF24IDltorealize wirelessdatatransmission，usi“gmultipl8pointhumiditysensortodetecttheenvimnmentalhumidityingreenhousev89e- tableautomatici耐gationcontmlsystem．The8ystemconsistsofthemainstationandsubstations，themasterstationand thesubstationcanexchangereal—timehumiditydatathroughthe阳diofbquen。ymoduleandprocessedbythemastersta- tionaftersendsacontr01signaltocontroltheelectmmagneticvalVetorealizeautomaticirrigationstation． Keywortls：automaticirrigation8ystem；AVRsindechipmicrocompute。；wirelessradiofrequenoytechnology 190 万方数据 基于单片机的蔬菜大棚自动灌溉系统研究设计 作者： 鞠永胜， 李兴凯， 包君， Ju Yongsheng， Li Xingkai， Bao Jun 作者单位： 鞠永胜,李兴凯,Ju Yongsheng,Li Xingkai(山东科技职业学院,山东潍坊,261053)， 包君,Bao Jun(山东交通职业学院,山东潍坊,261206) 刊名： 农机化研究 英文刊名： Journal of Agricultural Mechanization Research 年，卷(期)： 2012,34(10) 参考文献(8条) 1.石建飞;刘超;李爱传 基于PLC的农田自动灌溉无线监控系统设计[期刊论文]-农机化研究 2011(11) 2.张丽红;孙磊;伦翠芬 基于CAN总线的连栋温室节水灌溉控制系统[期刊论文]-农机化研究 2011(06) 3.高军;任守华;朱景福 农业灌溉远程控制系统的设计[期刊论文]-农机化研究 2011(07) 4.张涛 DPSQKS-1型灌溉自动控制器的研制[期刊论文]-农机化研究 2011(06) 5.张洋;韩文霆 作物灌水量决策支持系统开发[期刊论文]-农机化研究 2011(02) 6.杨久红;王小增 基于LPC2103的稻田自动灌溉系统[期刊论文]-农机化研究 2011(02) 7.蒋鼎国;张宇林;徐保国 节水灌溉监控系统设计-基于WSN和模糊控制策略 2012(02) 8.刘俊岩;张海辉;胡瑾 基于ZigBee的温室自动灌溉系统设计与实现[期刊论文]-农机化研究 2012(01) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_njhyj201210047.aspx