基于單片機(jī)無線自動(dòng)控制技術(shù)的栽培設(shè)施研究

魯剛強(qiáng) 雷文全

摘? 要：為了解決栽培設(shè)施中的便捷性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性及布線困難等問題，本文利用nRF2401無線模塊設(shè)計(jì)了一種基于STC89C54RD+微處理器的自動(dòng)檢測(cè)溫濕度控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)能自動(dòng)檢測(cè)土壤的溫濕度，并根據(jù)檢測(cè)值與設(shè)定值比較自動(dòng)完成對(duì)土壤澆水和人機(jī)界面交互等功能。通過設(shè)計(jì)合理可靠的通信協(xié)議使本系統(tǒng)能完成穩(wěn)定的收發(fā)通信，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)校，實(shí)現(xiàn)了無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和實(shí)用性。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)nRF2401;SHT11;電機(jī)

中圖分類號(hào)：TP273;S625? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）24-0033-03

Abstract：In order to solve the problems of convenience，accuracy，stability and wiring difficulty in cultivation facilities，an automatic temperature and humidity detection control system based on STC89C54RD + microprocessor was designed by using nRF2401 wireless module. The control system can automatically detect the temperature and humidity of the soil，and automatically complete the functions of soil watering and man-machine interface according to the comparison between the detection value and the set value. Through the design of reasonable and reliable communication protocol，the system can complete stable transceiver and receiver communication. Through field adjustment，the accuracy，stability and practicability of the wireless monitoring system are realized.

Keywords：single-chip nRF2401;SHT11;motor

0? 引? 言

為了解決傳統(tǒng)種植在檢測(cè)土壤溫濕度時(shí)，存在溫度傳感器多點(diǎn)溫濕度測(cè)量時(shí)的繁雜的布線問題，本文提出了一種基于nRF2401無線信息通信進(jìn)行溫度、濕度數(shù)據(jù)采集的方式來控制土壤的溫濕度，從而使植物達(dá)到最佳的生長(zhǎng)環(huán)境要求。

1? 總體方案

系統(tǒng)分為主機(jī)與從機(jī)兩大部分，二者之間的通信通過nRF2401實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。主機(jī)主要負(fù)責(zé)接收從機(jī)發(fā)送過來的溫濕度值并顯示和對(duì)從機(jī)發(fā)送設(shè)定的溫濕度值;從機(jī)主要負(fù)責(zé)溫度數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸，并控制電機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆水功能。

2? 電路設(shè)計(jì)

由于溫濕度我們采用的是無線傳輸方式，考慮內(nèi)部RAM能否夠用問題，所以選擇STC89C54RD+單片機(jī)作為控制元件。STC89C54RD+單片機(jī)內(nèi)部有16K的FlashROM，有1280B的RAM。

2.1? 土壤溫濕度傳感器SHT11

SHT11是瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的具有接口的單片全校準(zhǔn)數(shù)字式相對(duì)濕度和溫度傳感器，采用獨(dú)特的CMOSensTM技術(shù)，具有數(shù)字輸出、免調(diào)試、免校準(zhǔn)、外圍電路全互換等特點(diǎn)。SHT11型溫濕度傳感器的主要特點(diǎn)是：（1）集成溫濕度傳感器、信號(hào)放大與調(diào)理、AD轉(zhuǎn)換與接口為一體（CMOSensTM技術(shù)）;（2）輸出標(biāo)定的相對(duì)濕度和溫度值;（3）I2C總線數(shù)字輸出接口，具有露點(diǎn)計(jì)算輸出功能;（4）具有露點(diǎn)計(jì)算輸出功能;（5）具有優(yōu)良的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

2.2? 無線收發(fā)模塊

nRF2401是一款工作在2.4-2.5GHz世界通用ISM頻段的單片收發(fā)芯片，無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型SchockBurstTM模式控制器、功率放大器、晶體放大器、調(diào)制器、解調(diào)器和輸出功率。頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI接口進(jìn)行設(shè)置極低的電流消耗，當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為6dBm時(shí)電流消耗為9.0mA，接受模式為12.3mA掉電模式和待機(jī)模式下電流消耗模式更低。其實(shí)物圖如圖3所示。

2.3? 顯示模塊

在顯示模塊上，我們選擇的是12864液晶顯示器，可能實(shí)現(xiàn)對(duì)植物土壤濕度、溫度信息的顯示。該顯示器具有功耗低、體積小、質(zhì)量輕、超薄和可編程驅(qū)動(dòng)等其他顯示方式無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，不僅可以顯示數(shù)字、字符，還可以顯示各種圖形、曲線及漢字，并且可實(shí)現(xiàn)屏幕上下左右滾動(dòng)、動(dòng)畫、閃爍、文本特征顯示等功能;人機(jī)界面更加友好，使用操作也更加靈活、方便。其與單片機(jī)的接口電路如圖4所示。

2.4? 按鍵模塊

因該系統(tǒng)只涉及4個(gè)按鍵，所以我們采用獨(dú)立式按鍵結(jié)構(gòu)。獨(dú)立按鍵式直接用I/O口線構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路，其特點(diǎn)是每個(gè)按鍵單獨(dú)占用一根I/O口線，每個(gè)按鍵的工作不會(huì)影響其他I/O口線的狀態(tài)。獨(dú)立按鍵如圖5所示。

3? 軟件設(shè)計(jì)

3.1? 土壤溫濕度采集

單片機(jī)和溫濕度傳感器通信采用串行二線接口SCK和DATA，其中SCK為時(shí)鐘線，DATA為數(shù)據(jù)線。SHT11的程序設(shè)計(jì)包括：?jiǎn)?dòng)傳輸、測(cè)量溫度、測(cè)量濕度、等待測(cè)量結(jié)束、讀第數(shù)據(jù)、CRC校驗(yàn)和溫濕度值標(biāo)度變換及溫度補(bǔ)償。SHT11的讀寫參考程序的設(shè)計(jì)如下所示：

3.2? 無線收發(fā)

nRF2401初始化配置包括設(shè)置待機(jī)模式、CRC校驗(yàn)、收發(fā)完成后中斷響應(yīng)、選擇射頻通道、設(shè)置數(shù)據(jù)傳輸率和發(fā)射功率。nRF2401的CE管腳為0時(shí)處于待機(jī)模式，為1時(shí)處于收發(fā)模式，收發(fā)模式有ShockBurst模式和直接模式兩種，本文選擇速度較快、功耗較低的ShockBurst模式。

發(fā)送過程為：設(shè)置Config寄存器使器件處于發(fā)送模式，當(dāng)測(cè)溫節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時(shí)，溫度和地址數(shù)據(jù)送到nRF2401中，單片機(jī)將CE管腳置高，激活ShockBurst發(fā)送模式，完成數(shù)據(jù)打包并高速發(fā)送，然后等待中斷。其發(fā)送參考程序如下：

接收過程為：設(shè)置Config寄存器使器件處于接收模式，單片機(jī)將CE管腳置高，激活ShockBurst接收模式，延時(shí)130μs后檢測(cè)空中信息，若接收到有效的數(shù)據(jù)包，則發(fā)送確認(rèn)信號(hào)，產(chǎn)生中斷，同時(shí)讀出有效數(shù)據(jù)并發(fā)送給單片機(jī)。其接收參考程序如下：

4? 結(jié)? 論

基于單片機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)的栽培設(shè)施，為人們提供了一種高效方便的盆栽管理方法，具有低功耗、低成本、高效益、智能化的特點(diǎn)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，以及城市化建設(shè)步伐的加快，智能種植等新技術(shù)在農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)等行業(yè)和領(lǐng)域得到日益廣泛的應(yīng)用，并取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和廣泛的社會(huì)效益。

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作者簡(jiǎn)介：魯剛強(qiáng)（1981.02-），男，漢族，四川成都人，講師，畢業(yè)于重慶三峽學(xué)院，本科，研究方向：電子技術(shù)應(yīng)用。