孫敬姝，李 蕊，李志有，梁 浩，付成偉

（吉林大學(xué)物理學(xué)院，吉林長春130012）

1 引 言

單片機(jī)具有體積小、功耗低、控制功能強(qiáng)、擴(kuò)展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合不同類型的傳感器，通過不同設(shè)計(jì)程序可以實(shí)現(xiàn)對各種物理量的測量及智能化控制.理科學(xué)生對單片機(jī)的智能化系統(tǒng)了解的甚少，為了培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)，針對節(jié)水灌溉的現(xiàn)狀，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于MSP430F149單片機(jī)控制的自動微灌演示系統(tǒng).該系統(tǒng)利用MSP430單片機(jī)及其外圍電路完成對TSL230單總線數(shù)字光強(qiáng)傳感器和SHT－10溫濕度傳感器的控制和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)對環(huán)境相對濕度、溫度、光強(qiáng)采集與處理，并根據(jù)植物需要進(jìn)行自動灌溉.

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其流程是：通過溫、濕度傳感器、光強(qiáng)傳感器采集環(huán)境數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，利用LED顯示當(dāng)前環(huán)境的光強(qiáng)、濕度和溫度，當(dāng)測得的值達(dá)到預(yù)先設(shè)定的值時(shí)，由單片機(jī)控制開啟灌溉開關(guān)演示系統(tǒng)進(jìn)行自動灌溉演示.

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)主機(jī)

選用TI公司的16位MSP430F149單片機(jī)作為自動控制電路的核心.該單片機(jī)硬件集成度高，為單片機(jī)與傳感器、固態(tài)繼電器、顯示屏連接提供了充足的I／O端口，方便數(shù)據(jù)采集與信號傳輸.MSP430提供多種晶振方案，可為不同模塊選擇不同時(shí)鐘源.超低功耗是MSP430突出特性，具有可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間檢測而不會消耗大量的電量的功能.

3.2 溫度濕度測量

如圖2所示，采用SENSIRION公司生產(chǎn)的SHT10溫濕度傳感器芯片，提供全標(biāo)定的兩線數(shù)字輸出，即采用IIC傳輸模式與單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有響應(yīng)時(shí)間短、低功耗可完全浸沒等特點(diǎn).濕度測量范圍為0～100%RH，測量精度為±4.5%，溫度測量范圍為－40～＋123.8℃，測量精度在25℃時(shí)為±0.5%.圖中A3，A4，A5分別與I／O口相連，A3為數(shù)據(jù)通信，A4為時(shí)鐘通信，A5控制傳感器開啟.默認(rèn)的測量分辨率分別為14bit（溫度）、12bit（濕度）.此部分采用I2C通信模式.

由于濕度傳感器的非線性，傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)存在一定誤差，為了獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，用修正公式計(jì)算得溫度濕度.T＝d1＋d2T，Vdd＝3V時(shí)d1＝－39.60，14bit時(shí)d2＝0.01.RH＝c1＋c2RH＋c3RH2，12bit時(shí)c1＝－4，c2＝0.040 5，c3＝－2.8×10－6.由于實(shí)際溫度與測量參考溫度25℃的顯著不同，應(yīng)考慮濕度傳感器的溫度修正系數(shù)：RHture＝（T－25）×（t1＋t2×RH）＋RHlinear，12bit時(shí)，t1＝0.01，t2＝0.000 08.RHtrue為計(jì)算得到的相對濕度，T為溫度.

圖2 傳感器電路

3.3 光強(qiáng)測量

如圖2所示，使用的光強(qiáng)傳感器TSL230在單片電路中集成了1個(gè)可配置的硅光電二極管和1個(gè)電流／頻率轉(zhuǎn)換器，可直接輸出正比于入射光強(qiáng)度的頻率信號，該器件能直接單片機(jī)接口.TSL230還具備靈敏度和滿度輸出頻率可編程調(diào)整的特點(diǎn).傳感器的靈敏度有3種級別：1×、10×和100×，靠2個(gè)邏輯輸入端S0和S1來控制，傳感器有4個(gè)可選的分頻系數(shù)，具體的分頻系數(shù)靠2個(gè)邏輯輸入端S2和S3來控制，根據(jù)系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)的連接，S0和L S1：H靈敏度選1×；S3：H和S2：L輸出頻率分頻系數(shù)10×.

設(shè)計(jì)程序用于測量脈沖信號周期：如圖2所示通過TA1管腳輸入，即接單片機(jī)的P1.2／TA1端口，使用第二功能，工作方式是捕獲信號下降沿來觸發(fā)定時(shí)器中斷.捕獲時(shí)單片機(jī)會通過硬件自動將計(jì)數(shù)器中的值保存在捕獲模塊的寄存器中，當(dāng)捕獲信號發(fā)生下降沿時(shí)，就會觸發(fā)捕獲中斷，因?yàn)閭鞲衅鬏敵龅臑橹芷谛盘枺x取多次捕獲的定時(shí)器計(jì)數(shù)器的平均值f即可算出脈沖信號周期.使用單片機(jī)32.768kHz的內(nèi)部晶振，因分頻系數(shù)為10，用fture＝32 768／f×10計(jì)算信號頻率.在入射光波長為670nm，溫度為25℃時(shí)，根據(jù)已知光強(qiáng)與頻率的確切線性關(guān)系可標(biāo)定出光強(qiáng).

3.4 顯示電路

本系統(tǒng)使用的顯示屏是由Sitronix電子公司生產(chǎn)的中文圖形LCM控制器，最多可驅(qū)動256×32個(gè)液晶點(diǎn).ST7920具有低功率電源消耗（2.7～5.5V），可以滿足本系統(tǒng)的省電需求，如圖3所示.單片機(jī)的P2.0～P2.7端口與ST7920的輸入相連接，控制數(shù)據(jù)總線，控制代碼.P3.0～P3.2端口與顯示屏的命令控制位相連，通過改變E，RW，RS各位的電平高低，實(shí)現(xiàn)選擇寄存器和對命令讀寫的操作.

圖3 顯示電路

顯示程序：顯示模塊的主要功能是通過調(diào)用顯示程序?qū)⒚看螠y量出的光強(qiáng)、溫度、濕度等數(shù)值通過調(diào)用寫數(shù)據(jù)函數(shù)顯示到屏上相應(yīng)位置.ST7920的指令集包括基本指令和擴(kuò)充指令，每條指令的長度都是8位.16×16點(diǎn)陣中文字符的代碼為16位，分2次傳送.編寫寫數(shù)據(jù)函數(shù).通過對ST7920說明書上中文字型碼表的查詢，可得到各種字符的地址編碼，編寫相應(yīng)程序.

3.5 灌溉開關(guān)控制電路

灌溉開關(guān)控制電路如圖4所示，單片機(jī)為I／O口P6.6，輸出25W，12V.由于電壓高于單片機(jī)輸出電壓，且電流過大，電路使用固態(tài)繼電器JGX－2FA將信號放大，同時(shí)保證電流為2A.當(dāng)測得數(shù)據(jù)達(dá)到適當(dāng)條件時(shí)，P6.6輸出高電平，繼電器輸出12V左右電壓，系統(tǒng)開始工作.

圖4 灌溉開關(guān)控制電路

3.6 程序流程

程序流程圖如圖5所示，初始化后，調(diào)用溫度、濕度、光強(qiáng)測量程序，通過調(diào)用顯示程序，把溫度、濕度、光強(qiáng)顯示到屏上相應(yīng)位置.

判斷溫度是否低于10℃，如果低，不開啟灌溉開關(guān)，否則再繼續(xù)判斷濕度，濕度大于70%，不開啟灌溉開關(guān)，否則再次判斷溫度是否高于閾值35℃，如果低于閾值則開啟灌溉開關(guān)，否則判斷光強(qiáng)是否高于閾值15 000lx，高于閾值關(guān)閉灌溉開關(guān)，低于閾值開灌溉開關(guān).到此，單片機(jī)完成1次數(shù)據(jù)測量與判斷.

如果灌溉開關(guān)沒有打開，則返回初始化，進(jìn)行新一輪的數(shù)據(jù)測量，直到開啟灌溉開關(guān).灌溉開始后，進(jìn)入低功耗狀態(tài)，定時(shí)為3s.3s后觸發(fā)中斷，返回初始化，進(jìn)行新一輪測量判斷.

圖5 程序流程圖

4 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)證明，基于MSP430單片機(jī)的自動灌溉演示裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，成本低廉，能實(shí)時(shí)進(jìn)行自動監(jiān)控等特點(diǎn)，用于演示教學(xué)，有利于提高學(xué)生的綜合素質(zhì).

[1] 張鑫，華臻.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.8：10－100.

[2] 李蕊，孫敬姝，李志有，等.太陽能自動微灌演示系統(tǒng)[J].物理實(shí)驗(yàn)，2010，30（4）：15－17.