基于單片機控制的智能移動終端設計*

荊黎明,孫德意,田思慶

(1.佳木斯大學信息電子技術學院，黑龍江 佳木斯154007; 2.光大環(huán)保(中國)有限公司工程管理部，廣東 深圳 518000)

0 引言

在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，智能設備越來越普及，而系統(tǒng)的操作難度也會越來越低，為了使無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)便于使用，增加系統(tǒng)的適用性，降低用戶操作的難度，本文設計了基于單片機控制的智能移動終端。該系統(tǒng)可以通過按鍵控制農(nóng)田中的傳感器、調(diào)節(jié)閥、注水泵、混合比例注肥泵和混合比例注藥泵的啟動和關閉，LCD顯示屏可以實時顯示調(diào)節(jié)閥、注水泵、混合比例注肥泵和混合比例注藥泵的開關狀態(tài)以及傳感器的數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)總體方案設計

智能移動終端是由單片機、ZigBee模塊、按鍵、LCD顯示屏等部分構(gòu)成，系統(tǒng)采用STC89C52單片機作為控制器，ZigBee模塊采用CC2430進行與上位機傳輸數(shù)據(jù)，顯示屏采用LCD1602進行數(shù)據(jù)顯示，按鍵采用輕觸開關進行傳感器和調(diào)節(jié)閥的選擇并且進行注水泵、混合比例注肥泵和混合比例注藥泵的啟動和關閉，系統(tǒng)采用5V電源供電。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

本系統(tǒng)的工作過程是：主控制器采集由用戶操作的按鍵信號，然后通過ZigBee模塊與上位機通信并發(fā)送相應的數(shù)據(jù)信號，上位機接收到信號后，通過無線傳感器網(wǎng)絡將指令發(fā)送到相應的設備(傳感器、調(diào)節(jié)閥、注水泵以及混合比例注肥泵和混合比例注藥泵)上，該設備立即執(zhí)行移動終端的命令，上位機采集設備的狀態(tài)信息并發(fā)送回移動終端，可供用戶查看。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件組成及工作原理

2.1 硬件選型

本系統(tǒng)采用的主控制器為STC公司生產(chǎn)的89C52RC型號單片機，它不僅支持兩線制的下載方式，下載程序方便快捷，而且支持6T模式，它內(nèi)部集成了4KB容量的E2PROM，具有32個I/O口，程序存儲器具有超過10萬次的擦寫壽命。該芯片具有優(yōu)良的特性，能夠滿足本系統(tǒng)的需求，相比于其它51單片機，具有速度快、性能好、程序下載方便、功耗低等優(yōu)點，是本系統(tǒng)首選微控制器[1]。

本系統(tǒng)采用與無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)相同的ZigBee模塊(CC2430),該芯片符合2.4 GHz的IEEE 802.15.4標準。它內(nèi)部集成了8位微處理器、VCO、LNA、PA和內(nèi)部電源穩(wěn)壓器。為了組成完整的ZigBee模塊，外圍電路需要提供32 MHz晶體振蕩器XTAL1為其內(nèi)部的微處理器提供時鐘源，射頻(RF)部分需要提供精準的電感、電容和PCB微波傳輸線，以匹配RF輸入和輸出的阻抗。CC2430的串行端口引腳連接到單片機的串行端口引腳P3.0和P3.1。

2.2 單片機最小系統(tǒng)設計

單片機最小系統(tǒng)是系統(tǒng)正常運行的必要條件，其所需要的硬件有單片機、晶振、按鍵和電容等，具體包含的電路有復位電路和晶振電路。

為了使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，需要采用上電復位和按鍵復位兩種控制方式。

單片機復位的工作原理是使復位引腳(RST)上的電平為高電平并且持續(xù)2微秒即可。復位的作用是單片機正常運行受到環(huán)境干擾出現(xiàn)程序跑飛時，按下復位按鈕，單片機內(nèi)部的程序自動從頭開始執(zhí)行。晶振電路的作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號，通常一個系統(tǒng)共用一個晶振，便于各部分保持同步。單片機最小系統(tǒng)原理圖如圖2所示。

圖2 單片機最小系統(tǒng)原理圖

2.3 ZigBee模塊設計

ZigBee模塊是本系統(tǒng)通信的重要部件，它不僅可以為上位機通信，而且可以為單片機傳輸數(shù)據(jù)，所需硬件有CC2430、電阻、電容、電感以及天線和晶振。

為了使系統(tǒng)良好運行，電路中的非平衡變壓器要由電容C71(5.6pF)和電感L6(8.6nH)、L7(22nH)、L8(1.8nH)以及一個PCB微波傳輸線組成，整個結(jié)構(gòu)需滿足RF輸入/輸出匹配電阻(50Ω)的要求。R15(56kΩ)和R16(43kΩ)為偏置電阻，電阻R15是為32MHz晶振(XTAL2)提供合適的工作電流。32MHz的晶振電路是由C61(22pF)和C62(22pF)電容組成，32.769 kHz的晶振電路是由C51(15pF)和C52(15pF)電容構(gòu)成。整個系統(tǒng)由3.3V電壓供電，電路硬件原理圖如圖3所示。

圖3 CC2430硬件原理圖

在綜合考慮發(fā)射天線、開關、濾波器、低噪放、功放、收發(fā)開關、微波收發(fā)網(wǎng)絡、PCB布線等器件和電路產(chǎn)生的損耗，考慮實際影響傳輸距離的電路因素和傳輸路徑等因素后，使用IEEE802.15.4a模型，推測出在戶外的傳輸距離大約為2952.3m,該傳輸距離足以滿足系統(tǒng)的設計需求[2]。

2.4 按鍵模塊設計

綜合考慮各種因素，本系統(tǒng)需使用矩陣按鍵，矩陣按鍵是由四個I/O線作為行線，四個I/O線作為列線，在行線和列線的交點上設置按鍵，這樣會產(chǎn)生16個交點(按鍵)，這種按鍵結(jié)構(gòu)能夠有效提高I/O口的利用率[3]。

它的工作原理是無按鍵閉合時，P1.0～P1.3與P1.4～P1.7之間開路，有按鍵閉合時，與閉合鍵相連的兩條I/O口線之間短路。判斷有無按鍵按下的方法是：第一步，設置P0口的高四位為輸入狀態(tài)，從P0口的低四位輸出低電平(即P0=0XF0)，讀入高四位的數(shù)據(jù)，若某一位為低電平，則該行上有按鍵閉合;第二步，使P0口低四位輪流輸出低電平，從高四位讀入數(shù)據(jù)，若有某一行為低電平，則對應列線上有鍵按下。綜合一二兩步的結(jié)果可確定按鍵位置，矩陣按鍵的硬件原理圖如圖4所示。

圖4 矩陣按鍵硬件原理圖

2.5 顯示模塊設計

本模塊采用LCD1602顯示屏進行數(shù)據(jù)顯示，使用大寫字母“S”加傳感器的編號作為傳感器的顯示名稱，其后顯示傳感器實時的數(shù)據(jù)(如“S10 20℃”，表示10號傳感器所測量的土壤數(shù)據(jù)為20℃)，使用抽水泵、混合比例注肥泵、混合比例注藥泵的拼音名稱作為顯示名稱，其后使用大寫字母“K”和“G”，表示設備的開關狀態(tài)(如“ChouShuiBeng K”表示抽水泵的狀態(tài)為開)，使用大寫字母“D”加電磁閥門的編號作為電磁閥門的顯示名稱，其后使用大寫字母“K”和“G”，表示電磁閥門的開關狀態(tài)(如“D25 K”表示25號電磁閥門狀態(tài)為開)。其硬件原理圖如圖5所示。

圖5 顯示模塊硬件原理圖

2.6 供電系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)中單片機需要5V電壓進行供電， ZigBee模塊需要3.3V電壓進行供電，為給ZigBee模塊進行供電，這里采用AMS1117-3.3三端穩(wěn)壓電源模塊進行電壓分配，供電硬件原理圖如圖6示。

圖6 供電硬件原理圖

3 系統(tǒng)軟件設計

單片機系統(tǒng)程序采用keil C語言編寫，主要實現(xiàn)基于ZigBee技術短距離無線收發(fā)功能，按鍵信號采集，數(shù)據(jù)顯示等功能。設備狀態(tài)可由按鍵自由切換，狀態(tài)數(shù)據(jù)自動在LCD1602上顯示，可供用戶查看和控制。系統(tǒng)通過ZigBee模塊可以遠距離訪問上位機并發(fā)送相應的控制指令，上位機進行應答并通過無線傳感器網(wǎng)絡控制相應的設備和收集相應設備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后上位機通過ZigBee模塊發(fā)送給移動終端。程序流程圖如圖7所示。

圖7 程序流程圖

4 結(jié)論

智能移動終端由單片機、CC2430、LCD1602和矩陣鍵盤構(gòu)成，它可以搭配無線傳感器網(wǎng)絡的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，共同為用戶提供良好的使用體驗，可以為用戶提供方便。該系統(tǒng)可以遠距離與上位機通信并獲取農(nóng)田設備狀態(tài)信息，能夠幫助用戶在農(nóng)田隨意啟用相應的設備，查看土壤數(shù)據(jù)信息，關閉危險的帶電設備，更改水流方向，能夠顯著降低用戶操作智能化設備的難度，增強了灌溉設備的適用性，提升了系統(tǒng)的自動化程度。