蘭 萍，袁志朋，劉旭光，劉洪春，頓 珠

（西藏大學(xué) 工學(xué)院 電子信息系，西藏 拉薩 850000）

農(nóng)業(yè)、牧業(yè)都離不開水，而水資源的總量又是有限的，而且很多地方水資源的運(yùn)送非常困難，所以如何更加節(jié)約水資源、如何更加有效率的利用有限的水資源是一個(gè)非常嚴(yán)峻的問題。為了有效節(jié)約水資源、提高水資源利用率，本文結(jié)合幾種較常見的傳感器與SPCE061A單片機(jī)、太陽能電池板設(shè)計(jì)了一款比較廉價(jià)的、自帶能源的、更好的適應(yīng)于西藏牧區(qū)的智能噴灌系統(tǒng)。本文的設(shè)計(jì)可以在一定程度上提高水資源的利用率，也可以為智能灌溉的發(fā)展提供一個(gè)參考方向。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)中硬件包括，凌陽公司的SPCE061A單片機(jī)1和太陽能電池板2、控制器、蓄電池、土壤濕潤(rùn)傳感器、光照傳感器、雨滴傳感器、小型抽水機(jī)、滅蚊燈、逆變器、繼電器3等。本文中主要利用土壤濕潤(rùn)傳感器、光照傳感器、雨滴傳感器4采集環(huán)境信息并傳遞給單片機(jī)，通過SPCE061A單片機(jī)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行分析5和計(jì)算控制控制抽水機(jī)、音樂播放、滅蚊器工作。

1.1.1 SPCE061A簡(jiǎn)介

SPCE061A 是 繼 μ’nSPTM（Microcontroller and Signal Processor）系列產(chǎn)品SPCE500A等之后凌陽科技推出的又一款16位結(jié)構(gòu)的微控制器。與SPCE500A不同的是，在存儲(chǔ)器資源方面考慮到用戶的較少資源的需求以及便于程序調(diào)試等功能，SPCE061A里只內(nèi)嵌32K字的閃存（FLASH）。較高的處理速度使μ’nSPTM能夠非常容易地、快速地處理復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)。16位 µ；’nSPTM微處理器；工作電壓（CPU）VDD 為 2.4～3.6 V （I/O）VDDH 為 2.4～5.5 V；CPU 時(shí)鐘：0.32～49.152 MHz；內(nèi)置 2 K字 SRAM；內(nèi)置 32 K FLASH；可編程音頻處理；晶體振蕩器；系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下（時(shí)鐘處于停止?fàn)顟B(tài)），耗電僅為2µ；A@3.6 V；個(gè)16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（可自動(dòng)預(yù)置初始計(jì)數(shù)值）；2個(gè)10位DAC（數(shù)－模轉(zhuǎn)換）輸出通道；32位通用可編程輸入/輸出端口；14個(gè)中斷源可來自定時(shí)器A/B，時(shí)基，2個(gè)外部時(shí)鐘源輸入，鍵喚醒；具備觸鍵喚醒的功能；使用凌陽音頻編碼SACM_S240方式（2.4 K位/秒），能容納210秒的語音數(shù)據(jù)；鎖相環(huán)PLL振蕩器提供系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)；32768 Hz實(shí)時(shí)時(shí)鐘；7通道10位電壓模－數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和單通道聲音模－數(shù)轉(zhuǎn)換器；聲音模－數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入通道內(nèi)置麥克風(fēng)放大器和自動(dòng)增益控制（AGC）功能；具備串行設(shè)備接口；具有低電壓復(fù)位（LVR）功能和低電壓監(jiān)測(cè)（LVD）功能；內(nèi)置在線仿真電路ICE（In-Circuit Emulator）接口；具有保密能力；具有WatchDog功能。

1.1.2 SPR4096簡(jiǎn)介

針對(duì)凌陽科技公司的存儲(chǔ)器芯片SPR4096/SPR1024，開發(fā)的簡(jiǎn)易燒寫器。該燒寫器配合PC機(jī)ResWriter工具（凌陽科技教育推廣中心提供，下文敘述），通過EZ-Probe下載線，完成對(duì)SPR4096/1024存儲(chǔ)器芯片的擦除、寫入、校驗(yàn)等功能。并且在SPR模組上留有與SPCE061A單片機(jī)的接口，可以很容易地實(shí)現(xiàn)SPR模組與61板連接。

1.1.3 系統(tǒng)工作原理簡(jiǎn)介

采集各種牧草適宜的濕度信息存入單片機(jī)，在單片機(jī)里錄入程序每隔一段時(shí)間控制系統(tǒng)通過濕度傳感器將土壤中的濕度測(cè)量出來并且傳給單片機(jī)，然后單片機(jī)將收到的濕度與牧草所需的濕度相對(duì)比，如果濕度大于或等于牧草所需濕度則程序停止，如果濕度小于牧草所需濕度，則在夜晚到來的時(shí)候單片機(jī)控制系統(tǒng)開始噴灌，同時(shí)傳感器繼續(xù)測(cè)量土壤濕度，一旦土壤濕度達(dá)到牧草所需濕度則立即停止噴灌。而系統(tǒng)所帶的降雨傳感器則在系統(tǒng)開始工作時(shí)監(jiān)測(cè)天氣，一旦出現(xiàn)降雨，馬上通知系統(tǒng)讓整個(gè)系統(tǒng)處于暫停階段，降雨結(jié)束后，濕度傳感器重新測(cè)量土壤濕度，如果濕度大于或等于牧草所需濕度則程序停止，如果濕度小于牧草所需濕度，則單片機(jī)控制系統(tǒng)開始噴灌，同時(shí)傳感器繼續(xù)測(cè)量土壤濕度，一旦土壤濕度達(dá)到牧草所需濕度則立即停止噴灌。太陽能電池板則在平時(shí)陽光充足時(shí)收集太陽能，并將電能存入系統(tǒng)所帶電瓶，在太陽能不充足無法支撐整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)使用，這樣可以保證系統(tǒng)在一般情況下野外生存，不用自備備用電池、更不用時(shí)時(shí)人工監(jiān)測(cè)。而光照傳感器通過AD采樣區(qū)分白天黑夜，當(dāng)黑夜到來的時(shí)候控制滅蚊燈點(diǎn)亮消除蚊蟲的威脅。大量的科學(xué)研究及事實(shí)表明音樂有加速動(dòng)植物生長(zhǎng)的效果，所以在單片機(jī)里存有簡(jiǎn)單的音樂，當(dāng)白天點(diǎn)亮充足的時(shí)候讓喇叭播放音樂。

下面列出實(shí)施方案的硬件部分框圖，如圖1所示。

圖1 實(shí)施方案的硬件部分框圖Fig.1 The part of the hardware block diagram of implementation plan

1.2 SPCE061A單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

SPCE061A單片機(jī)軟件[6]主要包括初始化函數(shù)、音樂播放子函數(shù)、D/A函數(shù)以及主函數(shù)。值得一提的是本設(shè)計(jì)將控制的核心部分放在為播放音樂提供數(shù)據(jù)的中斷里，實(shí)現(xiàn)了控制的及時(shí)性，為其它需要較高實(shí)時(shí)性的項(xiàng)目提供了一個(gè)巧妙的實(shí)現(xiàn)方法。軟件設(shè)計(jì)的主程序流程框圖見圖2，子函數(shù)詳細(xì)功能見表1。

表1 子函數(shù)功能說明Tab.1 The explaining function of subfunction

圖2 主程序流程框Fig.2 Main program flow diagram

2 測(cè)試結(jié)果

利用太陽能提供能源、單片機(jī)主控、各種傳感器輔助對(duì)農(nóng)牧場(chǎng)實(shí)施智能噴灌已經(jīng)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)在原有的基礎(chǔ)上添加了滅蚊燈的功能，可以有效驅(qū)除蚊蟲的威脅、更能在夜晚給牧民帶來一絲溫暖、一份心靈上的慰藉。因?yàn)橐魳吩诖龠M(jìn)動(dòng)植物生長(zhǎng)上的顯著效果，我們添加了音樂播放功能，除了促進(jìn)動(dòng)植物的生長(zhǎng)外更能給牧民排解部分孤獨(dú)。電路中設(shè)計(jì)有USB手機(jī)充電口，所以我們多了一個(gè)驚喜的功能。系統(tǒng)可以為牧民提供隨時(shí)充電的功能、更加人性化。

3 整體實(shí)物圖

圖3 整體實(shí)物圖Fig.3 Overall physical figure

本項(xiàng)目運(yùn)用凌陽公司的SPCE061A單片機(jī)作為主控芯片結(jié)合太陽能電池板、控制器、蓄電池、土壤濕潤(rùn)傳感器、光照傳感器、雨滴傳感器、小型抽水機(jī)、滅蚊燈、逆變器、繼電器等制作了一套使用太陽能為系統(tǒng)供能的適用于農(nóng)牧區(qū)的新能源智能噴灌系統(tǒng)，整體實(shí)物圖如圖3所示。

4 結(jié)束語

文中結(jié)合幾種較常見的傳感器與SPCE061A單片機(jī)、太陽能電池板設(shè)計(jì)了一款比較廉價(jià)的、自帶能源的、更好的適應(yīng)于西藏牧區(qū)的智能噴灌系統(tǒng)。這樣不僅能夠鍛煉學(xué)生單片機(jī)的使用更能讓學(xué)生學(xué)習(xí)到如何將單片機(jī)與各種模塊聯(lián)合使用。本文的設(shè)計(jì)可以在一定程度上提高水資源的利用率，也可以為智能灌溉的發(fā)展做一個(gè)參考方向。

[1]羅亞非.凌陽十六位單片機(jī)應(yīng)用基礎(chǔ)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[2]高援朝.太陽能實(shí)用技術(shù)[M].北京:農(nóng)業(yè)出版社，1988.

[3]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

[4]王化祥.傳感器原理及應(yīng)用 [M].天津:天津大學(xué)出版社，2007.

[5]托馬斯·科爾曼，查爾斯·淚瑟爾森.算法導(dǎo)論[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[6]譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)[M].3版.北京：清華大學(xué)出版社，2005.