李佳林，劉永春

（四川理工學(xué)院 四川 自貢 643000）

基于DSP控制的節(jié)水灌溉系統(tǒng)研究

李佳林，劉永春

（四川理工學(xué)院 四川 自貢 643000）

設(shè)計(jì)了一種基于DSP控制的節(jié)水灌溉系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)監(jiān)控土壤濕度狀況，自動實(shí)現(xiàn)對土壤的節(jié)水灌溉。系統(tǒng)以TMS320C5402為核心，采用AQUA－TEL－TDR傳感器的TDR原理，將輸出的電信號通過MAX1246轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；通過串口與PC機(jī)相連，PC機(jī)將計(jì)算出所需的灌溉量和時(shí)間并反饋給C5402，啟動報(bào)警裝置和開始灌溉。

節(jié)水灌溉；TMS320C5402；AQUA－TEL－TDR；MAX1246；MAX3111

TMS320C5402具有低功耗，低成本，高性能等特點(diǎn)，可廣泛用于科研教學(xué)，圖像處理，工業(yè)控制等領(lǐng)域。

目前，基于單片機(jī)的控制的節(jié)水灌溉系統(tǒng)不能實(shí)時(shí)，迅速地做出反應(yīng)，而且穩(wěn)定性不高，因此，筆者就針對這些問題，討論了基于TMS320C5402的節(jié)水灌溉系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)當(dāng)中的應(yīng)用。

1 節(jié)水灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

基于DSP控制的節(jié)水灌溉系統(tǒng)主要用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的智能管理。該系統(tǒng)通過AQUA－TEL－TDR傳感器檢測土壤濕度，然后將所檢測到的土壤濕度模擬量通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，上傳到TMS320C5402進(jìn)行分析處理，并在LCD上顯示土壤的相對濕度；同時(shí)TMS320C5402采用串行通信方式將濕度值傳輸?shù)絇C機(jī)，PC機(jī)通過設(shè)定程序計(jì)算出所需的灌水量和灌水時(shí)間，并顯示于電腦界面，將相關(guān)信息反饋給TMS320C5402[1]。

若需灌水，則TMS320C5402啟動報(bào)警裝置，發(fā)出灌水信號，通過放大驅(qū)動設(shè)備，打開電磁閥進(jìn)行倒計(jì)時(shí)灌水；如無需灌水，則PC機(jī)上所需灌水時(shí)間和灌水量均為0。

圖1為節(jié)水灌溉系統(tǒng)的系統(tǒng)機(jī)構(gòu)框圖，它主要由TMS320 C5402為核心控制元件，LED顯示，A/D轉(zhuǎn)換器，AQUA－TELTDR傳感器及PC機(jī)等。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of the system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要包括采集土壤的濕度值和串行采樣芯片MAX1246.該系統(tǒng)采用性價(jià)比高的QUA－TEL－TDR土壤水分傳感器，該傳感器采用先進(jìn)的TDR原理，可直接輸出電信號；并且適用于任何類型的土壤，可長期埋沒于土壤中，測量誤差：0－100%，誤差：＜3%，功耗低，質(zhì)量輕，便于攜帶.MAX1246是將AQUA－TEL－TDR土壤水分傳感器輸出的電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，MAX1246工作能耗低，采樣速度轉(zhuǎn)換快，精度高，以及接口邏輯簡單，可進(jìn)行靈活的編程控制。

TMS320C5402所發(fā)送的時(shí)鐘信號CLKX0作為MAX1246的串行時(shí)鐘信號SCLK，同時(shí)發(fā)送的時(shí)鐘信號CLKX0作為TMS320C5402所接收的時(shí)鐘信號CLKR0，C5402的數(shù)據(jù)發(fā)送端DX0與MAX1246的數(shù)據(jù)輸入端DIN連接，MAX1246的數(shù)據(jù)輸出端DOUT連接至C5402的數(shù)據(jù)接收端DR0，MAX1246的串行選通輸出SSTRB接到C5402的FSR0，C5402的XF提供MAX1246的片選信號[2]。

圖2 C5402與MAX1246的接口電路Fig.2 C5402 and MAX1246 interface circuit

2.2 LCD顯示系統(tǒng)電路

選用 FYD12864作為液晶顯示模塊，其成本低，具有靈活的接口方式和簡單方便的操作指令，并且內(nèi)部含有國標(biāo)一級，二級簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊。顯示電路如圖3所示，首先設(shè)置TMS320C5402的引腳CLKMD1，CLKMD2，CLKMD3為101，使得TMS320C5402工作于外部晶振PLL*1的模式下。FYD12864的PSB引腳連接+5 V，是LCD工作于4位或8位的并口模式，A，K引腳分別接+5 V和GND，從而啟動LCD背光。然后將TMS320C5402的P0－7口與FYD12864的數(shù)據(jù)端口進(jìn)行連接，3條地址線分別控制FYD12864的RS，R/W以及復(fù)位RESET引腳。

圖3 LCD顯示系統(tǒng)電路Fig.3 LCD display system circuit

2.3 超限報(bào)警電路

本系統(tǒng)采用簡易的聲光報(bào)警電路，該報(bào)警設(shè)備選用電壓式蜂鳴器，驅(qū)動該報(bào)警器只需要10 mA的電流，因此只需要在兩條引線上加3～15 V的直流電壓，便可產(chǎn)生3 kHz左右的蜂鳴聲音，蜂鳴器的一端接在高電平+5 V，另一端接P1.0，在初始態(tài)P1.0時(shí)，始終輸出高電平1。當(dāng)報(bào)警器需要報(bào)警時(shí)，則只需對其端口清零即可，運(yùn)用延時(shí)程序?qū)崿F(xiàn)其聲音的長短。圖中的發(fā)光二極管LED為超高線報(bào)警器，當(dāng)P1.1端輸出為低電平0時(shí)，二極管導(dǎo)通，燈光發(fā)出報(bào)警信號[3]。

圖4 超限報(bào)警電路Fig.4 Transfinite alarm circuit

2.4 TMS320C5402與PC機(jī)串行通信接口

要實(shí)現(xiàn)DSP與PC機(jī)的正常通信，主要是實(shí)現(xiàn)TMS320C 5402與MAX3111的接口設(shè)計(jì)。當(dāng)TMS320C5402的McBSP串行接口工作于SPI模式下，便可直接與MAX3111進(jìn)行連接，最終實(shí)現(xiàn)與RS－232設(shè)備的異步數(shù)據(jù)傳輸。其接口電路如圖所示，C5402發(fā)送時(shí)鐘信號CLKX作為MAX3111的串行時(shí)鐘輸入，而發(fā)送的幀同步信號FSK作為MAX3111的片選信號CS，DX作為發(fā)送數(shù)據(jù)的發(fā)送端與DIN相連，DR作為接收數(shù)據(jù)的接收端。MAX3111的TX和RX端分別接至TIN和TOUT，這樣便可實(shí)現(xiàn)UART與RS－232電平裝換，同時(shí)將MAX3111的IRQ中斷信號與C5402的以外部中斷相連，即可實(shí)現(xiàn)該中斷方式下，數(shù)據(jù)的正確，可靠傳輸[4]。

圖5 串口通信電路Fig.5 Serial communication circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)是為了實(shí)現(xiàn)TMS320C5402與PC機(jī)之間的應(yīng)答式雙向傳輸，主要是對McBSP的各個(gè)寄存器及MAX3111進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得他們的時(shí)序保持一致，并符合PC機(jī)的串口通信協(xié)議。選擇C語言進(jìn)行編寫程序，以便于該軟件的可移植性和可讀性。圖6和圖7分別為中斷程序和主程序流程圖。

圖6 中斷程序流程圖Fig.6 Interrupt program flow chart

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：采用TMS320C5402實(shí)現(xiàn)的節(jié)水灌溉系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確的檢測土壤的濕度變化情況，當(dāng)檢測值小于預(yù)定值時(shí)，系統(tǒng)將啟動灌溉裝置，同時(shí)啟動報(bào)警器。通過PC機(jī)又可以修改預(yù)定值，從而改變所需的灌溉量和灌溉時(shí)間，該系統(tǒng)具有良好的人機(jī)界面和操作性能。

圖7 主程序流程圖Fig.7 Main program flow chart

5 結(jié)束語

該系統(tǒng)采用TMS320C5402為控制器核心，實(shí)現(xiàn)了對土壤濕度的自動檢測和灌溉控制。運(yùn)用C5402的高速處理數(shù)據(jù)的能力，完成了對土壤濕度信號的采集，處理以及顯示，通過PC機(jī)計(jì)算出所需灌溉量和時(shí)間反饋給C5402，從而達(dá)到了自動控制灌溉的目的。該系統(tǒng)功耗低，成本低，操作簡單，可擴(kuò)展性強(qiáng)，不但實(shí)現(xiàn)了對土壤濕度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，而且也避免了水資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)節(jié)水的目的[5-6]。

[1]王琴芳.單片機(jī)控制的節(jié)水灌溉系統(tǒng)的研究 [D].武漢：華中科技大學(xué)，2005.

[2]汪春梅，任志剛.TMS320C5000系列DSP系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[3]鄒龍龍.農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].吉林：吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)，2011.

[4]戴杉虎.片機(jī)在節(jié)水灌溉系統(tǒng)中的應(yīng)用 [J].機(jī)電工業(yè)技術(shù)，2011，40（8）:139-140.

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CUI Fen-yu.Water-saving irrigation engineering several problems which should be paid attention[J].Jilin Vegetables，2010（2）：109-110.

Research of water-saving irrigation control system based on DSP

LI Jia-lin，LIU Yong-chun
（Sichuan University of Science&Engineering， Zigong 643000， China）

A water-saving irrigation control system based on DSP is presented，which can be applied to real-time monitoring for the soil moisture and also realize the automatic water-saving irrigation on Soil.The system is controlled by TM S320C5402，and adopts the TDP principle of the AQUA－TEL－TDR sensor to transfer the electrical signals into digital signals through MAX1246； moreover， through the serial port， it can be connected with PC which will calculate the required amount of irrigation and time， and then feedback them to C5402， finally， start the alarm device and begin to irrigate.

water-saving irrigation； TMS320C5402； AQUA－TEL－TDR； MAX1246； MAX3111

TP277

A

1674－6236（2013）04－0107－03

2012－10－16稿件編號201210101

李佳林（1987—），男，四川內(nèi)江人，碩士研究生。研究方向：嵌入式開發(fā)，圖像視頻采集。