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基于單片機(jī)的土壤溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)-wenkub.com

2025-06-16 12:53 本頁面
   

【正文】 C1111 1111 0101 1110FF5Eh176。C0000 0000 1010 001000A2h+176。表31 溫度數(shù)據(jù)關(guān)系Table 31 Temperature Ture/Data RelationshipTEMPERATUREDIGITAL OUTPUT (Binary)DIGITAL OUTPUT (Hex)+125176。其中的對(duì)應(yīng)關(guān)系需要與計(jì)算機(jī)平臺(tái)配合使用。 各功能模塊軟件程序設(shè)計(jì)模塊化的程序包括數(shù)據(jù)采集、收發(fā)、存儲(chǔ)、顯示、時(shí)鐘及主程序幾個(gè)部分。使硬件在軟件的控制下協(xié)調(diào)運(yùn)作。四個(gè)方向鍵采用 ADC 采樣輸入,功能鍵直接讀取端口電平。這樣芯片的地址為0。本設(shè)計(jì)中采用的ATC24C08,存儲(chǔ)圖231 AT24C08封裝圖Fig. 231 The package drawing of AT24C08。便于后期軟件實(shí)現(xiàn)和硬件擴(kuò)展(節(jié)約主控模塊CC2430的I/O端口)。 數(shù)據(jù)顯示有機(jī)電致發(fā)光顯示(OLED)技術(shù)是下一代最有競爭力的平板顯示技術(shù)。然后傳感器會(huì)慢慢返回到校準(zhǔn)條件。139。需要注意的是:℃,此時(shí)的工作頻率不能大于標(biāo)定值的15%(如:12位精確度時(shí),每秒最多進(jìn)行3次測量)。為表明測量完成,SHT11會(huì)使數(shù)據(jù)線為低,此時(shí)控制器必須重新啟動(dòng)SCK,然后傳送兩字節(jié)的測量數(shù)據(jù)與1字節(jié)CRC校驗(yàn)和。輸出特性:濕度值輸出 SHT11可通過I2C總線直接輸出數(shù)字量濕度值。CMOSensTM技術(shù)不僅將溫濕度傳感器結(jié)合在一起,而且還將信號(hào)放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、標(biāo)準(zhǔn)I2C總線等電路全部集成在一個(gè)芯片內(nèi)(如圖227所示)。SCK:串行時(shí)鐘輸入;VDD電源端:~;電源引腳(VDD,GND)之間可增加一個(gè)100nF的電容,用以去耦濾波。DATA在SCK時(shí)鐘下降沿之后改變狀態(tài),并僅在SCK時(shí)鐘上升沿有效。DS18B20的讀寫時(shí)序圖如圖425所示,溫度寄存器格式如表29。采取數(shù)據(jù)總線供電方式可以節(jié)省一根導(dǎo)線,但完成溫度測量的時(shí)間較長;采取外部供電方式則多用一根導(dǎo)線,但測量速度較快。1號(hào)存貯器存放溫度值的符號(hào)如果溫度為負(fù)(),則1號(hào)存貯器8位全為1,否則全為0。開始8位是產(chǎn)品類型編碼(DSl820編碼均為10H)。這允許在許多不同的地方放置溫度敏感器件。DSl820數(shù)字溫度計(jì)提供9位(二進(jìn)制)溫度讀數(shù),指示器件的溫度。圖223 DS1820引腳圖Fig. 223 Pin of DS18B20在了解MAX1301以后設(shè)計(jì)了MAX1301與CC2430的連接方式(圖222),其中CC2430采用I/O口模擬,設(shè)計(jì)SPI總線。然后將數(shù)字地層和模擬地層在單點(diǎn)連接到一起。為獲得最佳系統(tǒng)性能,仔細(xì)考慮PCB的布局非常關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)中使用了LM393運(yùn)放作為緩沖器。對(duì)于二進(jìn)制開關(guān)應(yīng)用,可以通過一個(gè)接地電阻將420mA信號(hào)與MAX1301相連。采樣次數(shù)的平方根決定了性能的改善程度。MAX1301的外部基準(zhǔn)電流取決于所提供的基準(zhǔn)電壓和工作模式[11]。REFCAP上的電壓經(jīng)過緩沖, 基準(zhǔn)電壓。內(nèi)部和外部基準(zhǔn):MAX1301可采用內(nèi)部基準(zhǔn)或外部基準(zhǔn)。上電以后,應(yīng)該先讓電源穩(wěn)定下來。這種方法可以防止MAX1301在嘈雜的數(shù)字環(huán)境下,由于干擾而錯(cuò)誤地退出完全關(guān)斷模式。外部采集模式控制字節(jié)。完全關(guān)斷模式(模式7):當(dāng)M[2:0]=111時(shí),器件進(jìn)人完全關(guān)斷模式,總電源電流下降到1μA(典型值)。內(nèi)部時(shí)鐘模式控制字節(jié)。局部關(guān)斷模式(模式6):如表210所示,設(shè)置M[2:0]=110時(shí),器件進(jìn)人局部關(guān)斷模式。在隨后對(duì)應(yīng)起始位的SCLK上升沿,SSTRB返回低電平。內(nèi)部時(shí)鐘在SCLK的第8個(gè)下降沿后100ns到400ns之間啟動(dòng)。仔細(xì)進(jìn)行電路板布局,使轉(zhuǎn)換期間DIN和SCLK的狀態(tài)變化對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)果的影響極小。外部采樣模式(模式1):采用外部采集模式時(shí),吞吐速率最低。外部時(shí)鐘模式:MAX1301工作在外部時(shí)鐘模式時(shí),可獲得最快的吞吐速率。③內(nèi)部時(shí)鐘模式,模式2(圖213)高吞吐速率。②外部采集模式,模式1(圖212) 最低吞吐速率。MAX1301采用下列三種方法之一將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào):①外部時(shí)鐘模式,模式0(圖211)最高吞吐速率。對(duì)于MAX1301, LSB采用公式3進(jìn)行計(jì)算:(公式3)其中N是位數(shù)(N=14), FSR為滿量程范圍(見圖216和圖217)。輸人電壓范圍圖219 DOUT和SSTRB時(shí)序Fig. 219 DOUT and SSTRB Timing Timing 這些參數(shù)可用表22所示的模擬輸人配置字節(jié)來進(jìn)行配置。器件配置為外部采集模式(模式1),且先前的轉(zhuǎn)換結(jié)果位B13—B5已經(jīng)從DOUT移出。圖218 模擬輸入配置字節(jié)和模式控制字節(jié)的時(shí)序Fig. 218 Analog Input Configuration Byte and ModeControl Byte Timing起始位:如表25所示,使用3種輸人數(shù)據(jù)字格式與MAX1301進(jìn)行通信。由于SSTRB永遠(yuǎn)都不會(huì)是高阻態(tài),因此其它設(shè)備不能共享該信號(hào)線。SCLK速率可高達(dá)10MHz(內(nèi)部時(shí)鐘模式、模式2)、(外部時(shí)鐘模式、模式0) (外部時(shí)鐘模式,模式1)。差分共模范圍:MAX1301的差分共模范圍(VCMDR)必須保持在14V至+10V以內(nèi),以得到有效的轉(zhuǎn)換結(jié)果.差分共模范圍定義見公式2:(公式2)除了共模輸人電壓范圍的限制外,每個(gè)獨(dú)立的模擬輸人相對(duì)于AGND1還必須限制在177。加到模擬輸人通道后都將產(chǎn)生滿量程輸出電壓結(jié)果。圖217說明了可軟件選擇的差分模擬輸人電壓范圍,并能夠產(chǎn)生有效數(shù)字輸出.在 時(shí),每一個(gè)模擬輸人差分對(duì)兒均能通過設(shè)置R[2:0]控制位獨(dú)立編程為3 種差分輸入范圍之一。2MHz輸人帶寬使該系列器件能夠數(shù)字化高速瞬變信號(hào)。12V的差分轉(zhuǎn)換輸人時(shí),應(yīng)將CH2的模擬配置字節(jié)設(shè)置成量程為177。單端轉(zhuǎn)換內(nèi)部以AGND1作為參考點(diǎn)(表23和表24)。 圖215給出了簡化的模擬輸人電路。采樣保持電路:MAX1301具有開關(guān)電容T / H架構(gòu),允許模擬輸人信號(hào)以電荷的形式存儲(chǔ)在采樣電容上。同時(shí)在盡可能靠近器件的位置將AGND圖214 模擬輸入電流與電壓關(guān)系Fig. 214 Analog Input Current vs. Input Voltage圖215 簡化的模擬輸入電路Fig. 215 Simplified Analog Input CircuitAGNDAGXDDGND 和 (表21)。圖213 內(nèi)部時(shí)鐘模式(模式2)Fig. 213 Internal ClockMode Conversion (Mode 2)圖212 外部采樣模式(模式1)Fig. 212 External AcquisitionMode Conversion (Mode 1)電源:為使工作環(huán)境保持低噪聲, MAX1301為電路的每一部分提供獨(dú)立的電源。12V, 177。3V、177。表21MAX1301電源與電源旁路Table 21. MAX1301 Power Supplies and Bypassing供電輸入端電壓范圍 (V)典型電流值(mA)電路類型旁路DVDDO/DGNDO to Digital I/O to DGNDOAVDD2/AGND2 to Analog Circuitry to AGND2AVDD1/AGND1 to Analog Circuitry to AGND1DVDD/DGND to Digital Control Logic and Memory to DGND表22 MAX1301 模擬輸入配置字節(jié)Table 22. Analog Input Configuration Byte位名稱描述7STARTStart Bit. The first logic 1 after CS goes low defines the beginning of the analog input configuration byte.6C2ChannelSelect Bits. SEL[2:0] select the analog input channel to be configured5C14C03DIF/Differential or SingleEnded Configuration Bit. DIF/ = 0 configures the selected analog input channel for singleended operation. DIF/ = 1 configures the channel for differential operation. In singleended mode, input voltages are measured between the selected input channel and AGND1, as shown inTable 4. In differential mode, the input voltages are measured between two input channels, as shown in Table 5. Be aware that changing DIF/adjusts the FSR,2R2InputRangeSelect Bits. R[2:0] select the input voltage range, as shown in1R10R0圖211外部時(shí)鐘模式(模式0)Fig. 211 External ClockMode Conversion (Mode 0)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換可通過軟件編程實(shí)現(xiàn)多種通道配置和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用。MAX1301引腳如圖210所示。一個(gè)可選的方法是把事先用當(dāng)?shù)赝寥浪龅哪酀{沿著傳感器注入孔中,然后插入傳感器。確保土壤填滿傳感器,棒與傳感器的距離大約為3英寸,與傳感器同樣的深度。測量有效區(qū)域必須與土壤緊密并可以被放置在任何的方向和深度。配合一些附加的傳感器,可能可以計(jì)算出土壤水分蒸發(fā)量和農(nóng)作物所需的水分參數(shù)。 ②特點(diǎn) 高穩(wěn)定性; 安裝維護(hù)操作簡便; 有效測量長度超過45cm,增加了精確度; 測量不受土壤類型影響; 支撐的材料為環(huán)氧樹脂,強(qiáng)度和壽命得到保證。土壤濕度傳感器(型號(hào):TDR)簡介:① dr的工作原理 水分是決定土壤的介電常數(shù)的主要因素。在比特符號(hào)轉(zhuǎn)換時(shí),將每個(gè)字節(jié)中的低4位轉(zhuǎn)換成為一個(gè)符號(hào),高4位轉(zhuǎn)換成另一個(gè)符號(hào)。比特符號(hào)轉(zhuǎn)換符號(hào)碼元轉(zhuǎn)換PSK調(diào)制調(diào)制信號(hào)二進(jìn)制數(shù)據(jù)圖29 擴(kuò)展調(diào)制功能示意圖Fig. 29 Expand and modulate the function 從圖29可以看出,在調(diào)制前需要將數(shù)據(jù)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理。輸出功率編程可控。高接收靈敏度(94dBm)。CC2430無線部分主要參數(shù)如下:~。CC2430的發(fā)送器是基于上變頻器的。內(nèi)存與先進(jìn)先出緩沖區(qū)數(shù)據(jù)移動(dòng)使用DMA方式來實(shí)現(xiàn)。接收到的射頻信號(hào)通過低噪聲放大器放大而正交降頻轉(zhuǎn)換到中頻。當(dāng)使用ADC時(shí),P0口必須配置成ADC輸入作為8位ADC輸入;把P0相應(yīng)的引腳當(dāng)作ADC輸入使用,寄存器ADCCFC相應(yīng)位置設(shè)置為1。組128位的數(shù)據(jù)下載到協(xié)處理器中加密,須給協(xié)處理器一個(gè)開始指令。采用DMA方式發(fā)送時(shí),由DMA控制器向8051內(nèi)核發(fā)送DMA請(qǐng)求,內(nèi)核響應(yīng)DMA請(qǐng)求,這時(shí)數(shù)據(jù)輸入/輸出完全由DMA控制器指揮。為了提高數(shù)據(jù)存取的效率,CC2430專門在內(nèi)存與外設(shè)之間開辟了一條專用數(shù)據(jù)通道。其中,P0和P1分別有8個(gè)引腳,P2有5個(gè)引腳,共21個(gè)數(shù)字I/O口引腳。在低信噪比的環(huán)境下ZigBee具有很強(qiáng)的抗干擾性能ZigBee物理信道如圖如圖25所示圖25 ZigBee物理信道示意圖 Physical channel sketch map of ZigBee 終端設(shè)備硬件實(shí)現(xiàn)方法 主控芯片CC2430與無線收發(fā) CC2430主要特征外設(shè)[5]:CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架構(gòu),在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它采用了一整套技術(shù)來實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展、自組織、自恢復(fù)的網(wǎng)絡(luò),這種網(wǎng)絡(luò)可以管理各種各樣的數(shù)據(jù)傳輸模式(如圖23所示)。著重介紹終端設(shè)備的硬件解決方案與原理。圖23 ZigBee協(xié)議棧示意圖[2]Fig. 23 Agreement inn sketch map of ZigBee應(yīng)用層/行規(guī)應(yīng)用構(gòu)架網(wǎng)絡(luò)/安全層MAC子層物理層ZigBee或OEMZigBee聯(lián)盟平臺(tái)應(yīng)用層ZigBee 平臺(tái)通信棧硬件實(shí)現(xiàn)方案二:使用一種低電壓的土壤濕度傳感器自身工作電壓為5V,輸出數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)的傳感器數(shù)據(jù):4~20mA電流??紤]上述多種濕度采集方法的優(yōu)勢,我們決定采用時(shí)域反射儀,它設(shè)計(jì)靈活、便于自動(dòng)控制,更符合設(shè)計(jì)要求。感濕元件在同土壤進(jìn)行水分交換的同時(shí),也常具有溶質(zhì)交換,特別是由于元件埋設(shè)時(shí)間較長以后,元件中常有溶質(zhì)積累,從而影響到水分測定的精度。此儀器有較好的測量效果,是目前較先進(jìn)的土壤濕度儀,便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測,但價(jià)格較為昂貴。目前主要采用手工方法測量,也可以改造為自動(dòng)化或半自動(dòng)化監(jiān)測儀,從田間監(jiān)測室監(jiān)測,以防止或減少中子對(duì)人體的輻射。但是負(fù)壓計(jì)易受環(huán)境溫度的影響,儀器穩(wěn)定性較差。四種無線傳輸?shù)臋C(jī)制完全不同,無論從應(yīng)用領(lǐng)域的功耗要求還是從技術(shù)創(chuàng)新方面考慮,ZigBee都具有最佳建網(wǎng)優(yōu)勢,這就是我們選擇ZigBee作為本
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