李鵬

（貴州電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州凱里，556000）

0 引言

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，土壤溫濕度是直接影響植物生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素，在土壤中各類的微生物和各種化學(xué)成分都受到土壤溫濕度的影響。如果使用人力對(duì)土壤的水分含量和土壤溫度進(jìn)行檢測(cè)，會(huì)耗費(fèi)大量的人力物力，且檢測(cè)的數(shù)據(jù)不具備時(shí)效性，因此需要利用更高效的辦法實(shí)現(xiàn)土壤情況的是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

隨著傳感器的不斷發(fā)展和應(yīng)用，當(dāng)前，傳感器的綜合性能和智能化程度非常高，應(yīng)用領(lǐng)域很廣泛，技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。所以，本本就利用單片機(jī)與傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)一款基于單片機(jī)的土壤溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)，來提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和節(jié)約生產(chǎn)成本。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用STC89C51RC單片機(jī)，此裝置需要兩塊控制芯片進(jìn)行整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)包括兩個(gè)部分：發(fā)射裝置和接收裝置。發(fā)射裝置主要由一塊STC89C51RC單片機(jī)、DHT11溫濕度傳感器、NRF24L01無線模塊構(gòu)成；接收裝置主要由另一塊STC89C51RC單片機(jī)、1602液晶屏、蜂鳴器報(bào)警模塊和NRF24L01無線收發(fā)模塊構(gòu)成。

發(fā)射裝置和接收裝置的具體工作過程：首先是給裝置進(jìn)行供電，啟動(dòng)發(fā)射裝置和接收裝置，然后，發(fā)射裝置和接收裝置分別進(jìn)行初始化操作，發(fā)射裝置主控中心發(fā)出控制信號(hào)，DHT11溫濕度傳感器接收到控制信號(hào)后開始工作，實(shí)現(xiàn)土壤溫濕度的采集，將采集的信號(hào)反饋給發(fā)射裝置主控中心，主控中心利用NRF24L01無線模塊進(jìn)行采集信號(hào)的傳輸，將信號(hào)傳輸給接收裝置的NRF24L01無線模塊，接收裝置接收的信號(hào)反饋給主控中心，最后接收裝置將接收的信號(hào)進(jìn)行顯示，如果超出設(shè)定的溫濕度范圍，報(bào)警信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警。其系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 土壤溫濕度監(jiān)測(cè)裝置系統(tǒng)原理圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

■2.1 發(fā)射裝置和接收裝置主控制模塊

本設(shè)計(jì)使用的主控芯片為STC89C51RC，發(fā)射和接收都采用此芯片，最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括：芯片的供電、復(fù)位按鍵、系統(tǒng)的晶振和外圍電路的設(shè)計(jì)。

圖2 主控制芯片最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖

本設(shè)計(jì)的主控芯片選取的是STC89C51RC，其相應(yīng)的芯片引腳圖如圖3所示。

圖3中芯片的內(nèi)核是采取的8051為中心，對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的外接晶振可以實(shí)現(xiàn)最高能夠達(dá)到80MHz的工作頻率，在控制中心的片內(nèi)具有4K的電可擦除的只讀存儲(chǔ)器，其處理數(shù)據(jù)的位數(shù)為八位，而且可編程。

■2.2 溫濕度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的溫濕度檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)是采用溫濕度檢測(cè)一體化的芯片DHT11傳感器。該傳感器的溫度、濕度測(cè)量范圍比較廣，溫度的測(cè)量范圍為0-50℃，濕度量程為20-90%RH。在測(cè)量外界溫濕度時(shí)，該傳感器不需要其他的外圍器件即可完成相應(yīng)的工作。在進(jìn)行信號(hào)傳輸時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)距離的信號(hào)傳輸，功耗也非常的低。

圖3 STC89C51RC引腳功能圖

■2.3 無線收發(fā)模塊

本設(shè)計(jì)無線收發(fā)模塊選用的是nRF24L01。此芯片的體積非常小，工作電壓范圍寬，能最大承受5V電壓；工作頻率范圍是：2.4GHz-2.525GHz，可通過不同的發(fā)射功率決定發(fā)射的距離；數(shù)據(jù)傳輸速度為1Mbps或者2Nbps；芯片內(nèi)部具有多個(gè)通訊通道和六個(gè)數(shù)據(jù)通道，能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)通訊和調(diào)頻。

對(duì)于此芯片中CSN為芯片的片選端口，控制芯片是否工作，在此引腳為低電平時(shí)芯片能夠正常工作；SCK為芯片的時(shí)鐘控制線；MISO和MOSI為芯片數(shù)據(jù)控制線；IRQ為相應(yīng)的中斷信號(hào)，在進(jìn)行相應(yīng)的無線通信時(shí)主控芯片通過此管腳進(jìn)行實(shí)時(shí)通信；CE為芯片工作模式的選擇端，此端口在片選端口工作的情況下兩個(gè)端口共同決定了芯片的工作狀態(tài)。

■2.4 液晶顯示模塊

本設(shè)計(jì)的顯示模塊選取1602液晶屏幕，此款顯示裝置是為工業(yè)字符型的液晶顯示，在屏幕中最多能夠顯示32個(gè)字符。

這款液晶顯示屏幕功耗低，而且其體積相對(duì)比較小，顯示的內(nèi)容比較豐富。電路連接圖如圖4所示。

■2.5 報(bào)警模塊

本設(shè)計(jì)選用蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警模塊設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)電路如圖5所示。

圖4 1602電路連接圖

圖5 報(bào)警電路設(shè)計(jì)原理圖

■2.6 溫濕度設(shè)定模塊

本設(shè)計(jì)能夠?qū)貪穸葓?bào)警范圍進(jìn)行設(shè)定。對(duì)于溫濕度的設(shè)定只需要使用三個(gè)按鍵即可完成相應(yīng)的操作。電路圖如圖6所示。

圖6 溫濕度報(bào)警范圍設(shè)定

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用Keil4軟件進(jìn)行C語言程序的開發(fā)。此軟件能夠?qū)崿F(xiàn)軟件語言的編程和下載文件的生產(chǎn)，通過相應(yīng)控制算法進(jìn)行編程從而實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

土壤溫濕度監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的工作流程圖如圖7所示。

具體的流程為：首先，給系統(tǒng)上電，給系統(tǒng)正常的供電電壓，上電后單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的初始化工作；然后，由接收裝置端通過按鍵輸入進(jìn)行溫濕度值的范圍，設(shè)置好溫濕度的范圍后，通過無線模塊進(jìn)行接收裝置和發(fā)射裝置的通信，發(fā)射裝置控制溫濕度傳感器實(shí)現(xiàn)土壤溫濕度值的采集，將采集的結(jié)果反饋給發(fā)射裝置控制中心，經(jīng)過發(fā)射裝置進(jìn)行轉(zhuǎn)換后通過無線裝置將數(shù)據(jù)傳輸給接收裝置，接收裝置接收到相應(yīng)的信號(hào)后對(duì)接受的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的判斷，判斷是否在設(shè)定的溫濕度范圍內(nèi)，如果在設(shè)定的范圍內(nèi)，系統(tǒng)進(jìn)行接收發(fā)射裝置的數(shù)據(jù)，如果接收到的數(shù)據(jù)超出了設(shè)定的范圍，則進(jìn)行報(bào)警，再由具體的操作人員進(jìn)行相應(yīng)的處理。

圖7 系統(tǒng)工作流程圖

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)利用STC89C51RC為控制核心設(shè)計(jì)了土壤溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。此系統(tǒng)主要由兩個(gè)部分組成：發(fā)射裝置和接收裝置，發(fā)射和接收裝置的主控中心采用STC89C51RC進(jìn)行控制，數(shù)據(jù)收發(fā)模塊采用nRF24L01無線模塊下實(shí)現(xiàn)發(fā)射裝置和接收裝置間的通信，在接收端采用按鍵來實(shí)現(xiàn)溫濕度檢測(cè)范圍的設(shè)置，并通過液晶顯示模塊LCD1602進(jìn)行溫濕度的實(shí)時(shí)顯示，并利用蜂鳴器實(shí)現(xiàn)溫濕度異常的報(bào)警工作。在發(fā)射裝置端，采用DHT11溫濕度傳感器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)溫濕度的檢測(cè)，通過nRF24L01實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的傳輸。并利用Keil軟件實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的編程操作，并實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)的功能，對(duì)本設(shè)計(jì)使用的電子元器件進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)安裝調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)土壤溫濕度檢測(cè)的功能。

本設(shè)計(jì)通過設(shè)計(jì)電路和軟件程序基本實(shí)現(xiàn)了土壤溫濕度監(jiān)測(cè)的功能，通過本設(shè)計(jì)的實(shí)踐，使本人對(duì)于電子電路設(shè)計(jì)和軟件程序的編寫有了更加深入的了解和認(rèn)識(shí)，能夠利用相應(yīng)的單片機(jī)進(jìn)行相關(guān)電路的開發(fā)，充分掌握了電子電路設(shè)計(jì)的相應(yīng)規(guī)則，使本人能夠更加熟練使用智能控制系統(tǒng)。