[优秀毕业设计精品] 基于单片机的土壤温湿度采集系统设计

I本科毕业设计论文题目土壤温湿度采集系统设计目录题目与摘要I1前言111题目的来源与开发意义112系统功能概述12系统硬件设计221系统硬件设计概述2211无线传输核心技术ZIGBEE2212终端设备解决方案222系统框图3221网络系统框图3222终端设备系统框图423方案论证4231网络制式选择4232终端设备方案选择524硬件设计与物理实现6241网络建设ZIGBEE无线传输技术介绍7242终端设备硬件实现方法92421主控芯片CC2430与无线收发92422数据采集132423数据显示322424数据存储332425按键控制343系统软件设计3531系统软件总体设计思想3532各功能模块软件程序设计354系统调试4541硬件电路调试4542各功能模块软件调试455结论46附录一系统总体硬件电路图48附录二系统程序流程图49附录三系统程序清单52吉林农业大学本科毕业设计I土壤温湿度采集系统设计学生韩专业电子信息科学与技术指导教师摘要本设计基于CC2430无线片上系统为核心部件，用时域反射型（TDR）抗腐蚀土壤湿度传感器采集湿度数据，以DS18B20采集土壤温度，同时根据农业生产的需要附加SHT11温湿度模块采集空气温湿度值，使用OLED屏显示测得数据，并用AT24C08存储数据。本设计是土壤温湿度环境无线监测网络系统的初步设计，目的在于实现终端设备的功能，后待开发建立在IEEE802154的ZIGBEE无线传感网络的最优建网方案。关键词ZIGBEE；OLED显示；温湿度采集；时域反射；无线传输；CC2430。ADESIGNOFACOLLECTINGSYSTEMFORSOILTEMPERATUREANDHUMIDITYNAMEHANYUNXIAOMAJORELECTRONICSINFORMATIONSCIENCEANDTECHNOLOGYTUTORGONGHEABSTRACTTHISDESIGNBASESONCC2430WIRELESSSYSTEMASCORECOMPONENT,USINGTIMEDOMAINREFLECTORTDRANTICORROSIONSOILHUMIDITYSENSORSTOCOLLECTHUMIDITYDATA,USINGDS18B20TOCOLLECTSOILTEMPERATURE,INTHEMEANWHILE,ADDINGSHT11TEMPERATUREHUMIDITYMODULETOCOLLECTAIRTEMPERATUREANDAIRHUMIDITYACCORDINGTOAGRICULTUREPRODUCTIONNEEDS,USINGOLEDSCREENTOGETTHEDATA,ANDSAVINGTHEMWITHAT24C08THISDESIGNISABASICDESIGNOFSOILTEMPERATUREHUMIDITYWIRELESSMONITORSYSTEM,THEPURPOSEISTOREALIZETHEFUNCTIONOFTHETERMINALEQUIPMENTS,THEFOLLOWINGDESIGNBASESONIEEE802154SZIGBEEWIRELESSSENSORNETSBESTCREATIONPLANKEYWORDSZIGBEEOLEDCOLLECTTEMPERATUREANDHUMIDITYTDRWIRELESSCC24301前言吉林农业大学本科毕业设计211题目的来源与开发意义土壤墒情温度和湿度等是重要的土壤信息，是农作物和树木生长的重要生态因素，进行土壤墒情的测定，掌握土壤墒情变化的规律，对作物生态状况的监测和预报具有重要意义。土壤墒情无线采集系统已成为现代农林监管的高科技手段，随着电子计算机技术的飞速发展和智能化测量技术的不断进步，以及ZIGBDEE无线传感网络技术的进一步成熟，因此土壤墒情无线监管系统的ZIGBEE解决方案已经成为可能。总结以往在土壤湿度采集过程中的经验可知，虽然测量的精确性可以保证，但是方便性与精确性却很难同时达到，便捷的手持设备可以方便采集到接近的数据，但不够精确又不耐腐蚀，使用寿命短，配合电子计算机的大型设备又不能随身携带。更为困难的是在大面积的土地中是不可能人工采集方法获得数据的，我们无法安排足够的人力每天多次测量大面积的土地，所测得的数据也不便于统计分析。因此无线传感网络的建设势在必得。基于ZIGBEE无线传感网络设计的土壤温湿度无线采集系统，完全符合我们的要求，首先我们使用最专业的土壤温湿度采集传感器，湿度采集利用时域反射原理设计而成，精度极高，耐腐蚀极强，这也是长期在土壤中安置的前提保证。智能型网络可以快捷方便的获得每个检测点的土壤状况数据，以超低功耗的传输机制使得系统灵活方便，即使每天使用高精度传感器多次测量也可以保证一块锂电池可以使用一、两年之久，当然，我们可以使用太阳能电池，能源问题完全不必担心。配合电源管理芯片可以将终端采集设备的运行状况及时的报告给远端的监控设备确保运行正常。使用计算机的统计与管理功能，我们可以方便高效的对土壤资源状况进行统计分析。因此，决定建设套无线传感网络，于是设计终端便成为网络的基础环节，本设计也就由此开始了。12系统功能概述本次设计中网络架设及终端设备的远程控制将不做为重点研究内容，主要完成终端设备的数据采集、显示、发送与存储工作，实现无线传感网络的底层设计。整体设计是将TDR土壤湿度传感器获得湿度数据、DS18B20采集的土壤温度数据利以及SHT11获得的空气温湿度数据通过CC2430无线单片机发送出去，并可以根据需要将数据显示在OLED显示屏上，通过导航按键可以方便设定采集数据的时间间隔、采集数据的类型（便于统计分析）、系统时间等信息。使用AT24C08串行EEPROM将数据同步存储在设备终端，即便网络出现故障或者设备中断，所测得数据依然安全保存。2系统硬件设计21系统硬件设计概述211无线传输核心技术ZIGBEEZIGBEE名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZIGZAG形吉林农业大学本科毕业设计3状的舞蹈来通知发现的新食物源的位置、距离和方向等信息，以此作为新一代无线通讯技术的名称。ZIGBEE过去又称为“HOMERFLITE”、“RFEASYLINK”或“FIREFLY”无线电技术，目前统一称为ZIGBEE技术。1ZIGBEE是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。ZIGBEE采取了IEEE802154强有力的无线物理层所规定的全部优点省电、简单、成本又低的规格；ZIGBEE增加了逻辑网络、网络安全和应用层。ZIGBEE联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制等。鉴于ZIGBEE技术的诸多优势，本次设计将采用这一组网方式，硬件设备采用德州仪器生产的无线单片机CC2430为核心部件，它是世界上首个真正的单芯片ZIGBEE解决方案，是世界上第一个真正意义上的SOCZIGBEE一站式产品，具有芯片可编程闪存以及通过认证的ZIGBEETM协议栈，它们都集成在一个硅片内，方便日后的网络建设。212终端设备解决方案在设计的开始前我们还需要作一部分工作TDR土壤湿度传感器的使用是十分不便的，我们并不知道它的输出与采样的对应关系，使用的传感器来自于计算机平台上的传感器，它使用计算机串口，通过软件实现数据的分析，最终得到湿度数据。我们的工作就是需要从它的原有计算机平台中取出对应关系，然后才能够将传感器通过终端设备独立使用，告别计算机。这部分也是设计的难点。设计中选择了从计算机平台中“偷取数据”的办法实现获得采样与输出的对应关系。即在计算机平台工作时将传感器送出的数据定时窃取一个存入终端设备中，持续重复数次，然后按时间与计算机平台中丢失的数据的相邻两个数据的平均值对比，这样就可以获得输出与采样的对应关系。这种方法简便有效（只需要安装一个程控继电器即可），误差较低。根据需要，完整的终端设备包括中心控制与数据收发、数据采集、数据显示、数据存储及按键五个部分。中心控制单元主要是CC2430无线片上系统，强大的功能优势足以满足系统的全部需求。数据收发部分利用CC2430自身的功能，通过24G天线、晶体振荡器及简单外围电路即可实现。数据采集部分包括三个大部分1TDR土壤湿度传感器和模数转换使用耐腐蚀TDR土壤湿度传感器和MAX1301高速率A/D转换搭建完成，可以将数据以数字信号的方式通过SPI总线模式送入中心控制单元。2DS18B20温度采集模块采集土壤温度，由于DS18B20是单总线模式，所以使用还是相当的方便。3SHT11空气温湿度采集模块。数字信号直接输出，以I2C总线模式传送数据应用方便。吉林农业大学本科毕业设计4ZIGBEE路由节点ZIGBEE终端节点ZIGBEE中继节点土壤温度采集模块土壤湿度采集模块PC检测空气温湿度采集模块无线传输有线传输数据显示部分通过OLED屏幕（冷光屏）显示数据。OLED屏是利用有机发光材料受激辐射发光原理，因此无需背光、亮度高、功耗低，最符合系统需要。数据存储部分使用的AT24C08支持I2C总线数据传送协议。I2C总线协议规定任何将数据传送到总线的器件作为发送器，任何从总线接收数据的器件为接收器，存储能力为8K，在不影响使用的情况下减小了设计成本。按键采用了上、下、左、右四个方向键和确认、取消两个功能键作。四个方向键采用ADC采样输入，两个功能键直接读取端口电平。节约了CC2430的端口充分利用了内部的剩余资源（内部ADC）。22系统框图221网络系统框图图21网络系统框图FIG21BLOCKDIAGRAMOFNETWORKSYSTEM本系统的总体网络框图如图21所示，这部分内容将是后待开发的主要内容，目前不做细致研究。吉林农业大学本科毕业设计5222终端设备系统框图本系统的终端设备框图如图22所示，这部分内容将作为本次设计重点研究。图22终端设备系统框图FIG22SYSTEMATICBLOCKDIAGRAMOFTHETERMINALDEVICE23方案论证231网络制式选择ZIGBEE（IEEE802154）技术是最近发展起来的一种短距离无线通信技术，功耗低，被业界认为是最有可能应用在工控场合的无线方式。它同样使用24GHZ波段，采用跳频技术和扩频技术。另外，它可与254个节点联网。节点可以包括仪器和家庭自动化应用设备。它本身的特点使得其在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统等领域有很大的发展空间。蓝牙（BLUETOOTH）最早是爱立信在1994年开始研究的一种能使手机与其附件（如耳机）之间互相通信的无线模块。1998年，爱立信、诺基亚、IBM等公司共同推出了蓝牙技术，主要用于通信和信息设备的无线连接。它的工作频率为24GHZ，有效范围大约在10M半径内。BLUETOOTH列入了IEEE802151，规定了包括PHY、MAC、网络和应用层等集成协议栈。为对语音和特定网络提供支持，需要协议栈提供250KB系统开销，从而增加了系统成本和集成复杂性。另外，BLUETOOTH对每个“PICONET”（微微网）有只能配置7个节点的限制，制约了其在大型传感器网络开发中的应用。WIFI（WIRELESSFIDELITY，无线高保真）也是一种无线通信协议。IEEE80211的最初规范是在1997年提出的。主要目的是提供WLAN接入，也是目前WLAN的主要技术标准，其工作频率也是24GHZ。目前，IEEE80211标准还没有被工业界广泛接受。IEEE80211流行的几个版本包括“A”（在58GHZ波段带宽为54MBPS）、“B”（波段中心控制单元CC2430OLED显示屏ADCMAX1301TDR土壤湿度传感器DS18B20土壤温度传感器SHT11空气温度传感器按键控制24G天线吉林农业大学本科毕业设计624GHZ带宽为11MBPS）、“G”（波段24GHZ带宽为22MBPS）。这种复杂性为用户选择标准化无线平台增加了困难。WIFI规定了协议的物理（PHY）层和媒体接入控制（MAC）层，并依赖TCP/IP作为网络层。由于其优异的带宽是以大的功耗为代价的，因此大多数便携WIFI装置都需要常规充电。这些特点限制了它在工业场合的推广和应用。红外线数据协会IRDA（INFRAREDDATAASSOCIATION）成立于1993年。IRDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术。IRDA标准的无线设备传输速率已从1152KBPS逐步发展到4MBPS、16MBPS。目前，支持它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备（如PDA、手机）上被广泛使用。它具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用成本低廉的特点。IRDA用于工业网络上的最大问题在于只能在2台设备之间连接，并且存在有视距角度等问题。四种无线传输的机制完全不同，无论从应用领域的功耗要求还是从技术创新方面考虑，ZIGBEE都具有最佳建网优势，这就是我们选择ZIGBEE作为本次设计网络拓扑方案的原因。232终端设备方案选择我们总结一下土壤墒情监测的方法如下1负压计土壤湿度监测系统负压计，又称张力计，以测量土壤负压张力来显示土壤水分状况。负压计瓷头埋设于土壤中某一高程后，负压计内部的水分通过瓷头上的微孔同土壤水分进行交换，使内外水势渐趋平衡，仪器上所指示的负压值即代表土壤水势，可以直接反映土壤水分能为植物吸收利用的程度，同时又可换算为土壤含水率。负压计结构简单，易于制造，因此使用较为广泛。但是负压计易受环境温度的影响，仪器稳定性较差。此外，负压计具有滞后性，往往不能及时反映土壤水分状况，在土壤干燥过程中尤为显著。2中子土壤湿度计中子土壤湿度计以测量快中子与土壤水分中氢原子碰撞而转化为慢中子的数量来感知土壤水分状况。土孔上下移动即可测定不同高程点的土壤含水量。目前主要采用手工方法测量，也可以改造为自动化或半自动化监测仪，从田间监测室监测，以防止或减少中子对人体的辐射。3透射仪透射仪利用射线透射土壤后的衰减程度来测定土壤水分状况。此种装置在实验室内应用效果较好，可进行土壤水分自动化和半自动化监测。4时域反射仪时域反射仪TDR仪，利用时域反射原理定点测量某一土层内的土壤水分情况。此仪器有较好的测量效果，是目前较先进的土壤湿度仪，便于实现自动化监测，但价格较为昂贵。5电阻/电容式土壤湿度监测系统电阻/电容式土壤湿度监测系统包括电阻式土壤湿度监测系统和电容式土壤湿度监吉林农业大学本科毕业设计7测系统，它们分别以电阻式土壤湿度传感器和电容式土壤湿度传感器为基础。电阻式土壤湿度传感器，用装有电极的感湿材料做成传感器的感湿元件探头，感湿材料常为石膏、陶瓷、尼龙丝绕块等。将感湿元件埋设在土壤中某一定点上，使其同土壤保持紧密接触，以便感湿元件的水分与土壤水分达到平衡，由于感湿元件的电阻值与其含水量具有一定关系，测量感湿元件的电阻值可以得到感湿元件的湿度，从而间接求得土壤湿度。感湿元件在同土壤进行水分交换的同时，也常具有溶质交换，特别是由于元件埋设时间较长以后，元件中常有溶质积累，从而影响到水分测定的精度。此外，由于感湿元件具有一定的滞后作用，往往不能及时反映土壤水分现状。电容法测定土壤湿度是根据土壤介电常数随土壤湿度变化的原理来进行的。它同电阻法相比，受土壤盐分的影响较小。考虑上述多种湿度采集方法的优势，我们决定采用时域反射仪，它设计灵活、便于自动控制，更符合设计要求。在对湿度传感器的应用方面我们考虑了以下两种方案方案一使用12V、电源供电的传感器，得到的模拟信号为012V，而我们的控制单元CC2430电压范围是233V这样在模拟与数字信号转换方面就产生了困难要么使用信号压缩的方法将其转换为33V的模拟信号后再进行A/D转换，但是这样将会导致数据误差大。如果先进行A/D转换再进行数字信号的电压转换，这样又增加了设计的复杂性。本身传感器的12V电压也不利于功耗降低，对整体的网络设计不利。方案二使用一种低电压的土壤湿度传感器自身工作电压为5V，输出数据为标准的传感器数据420MA电流。在A/D转换方面，我们采用美信公司生产的MAX1301A芯片，它能完好的将电流转换为数字信号，并且可以直接和27V525V设备相连接，这样与CC2430就可以方便的结合，再加上MAX1301A具有完全关闭模式，这样就可以配合CC2430的休眠模式实现网络与终端的同时休眠模式，可以将功耗降至最低。方案二的优势使我们觉得设计变得方便，无疑的采用了这个方案。24硬件设计与物理实现本部分将不重点介绍ZIGBEE网络建设方法，只简单介绍ZIGBEE标准及特点。着重介绍终端设备的硬件解决方案与原理。图23ZIGBEE协议栈示意图2FIG23AGREEMENTINNSKETCHMAPOFZIGBEE应用层/行规应用构架网络/安全层MAC子层物理层ZIGBEE或OEM802154ZIGBEE联盟平台应用层ZIGBEE平台通信栈硬件实现吉林农业大学本科毕业设计8241网络建设ZIGBEE无线传输技术介绍ZIGBEE与IEEE802154ZIGBEE是一组基于IEEE802154无线标准研制开发的、有关组网、安全和应用软件方面的技术，IEEE802154仅处理MAC层和物理层协议，ZIGBEE联盟对其网络层协议和API进行了标准化3。ZIGBEE是由ZIGBEEALLIANCE所主导的标准，定义了网络层（NETWORKLAYER）、安全层（SECURITYLAYER）、应用层（APPLICATIONLAYER）、以及各种应用产品的资料（PROFILE）；而由国际电子电机工程协会（IEEE）所制订的802154标准，则是定义了物理层（PHYLAYER）及媒体存取层（MEDIAACCESSCONTROLLAYER；MACLAYER）。ZIGBEE协议ZIGBEE标准提供了网络、安全和应用支持服务，这些服务工作在IEEE802154媒体存取控制MAC和物理层PHY无线标准之上。它采用了一整套技术来实现可扩展、自组织、自恢复的网络，这种网络可以管理各种各样的数据传输模式如图23所示。4尽管ZIGBEE常常被默认为无线网格网络，但该标准实际上支持多种网络拓扑，包括星型、簇树型CLUSTERTREE或星/网格混合型网络如图24所示ZIGBEE技术优势1数据传输速率低10KB/秒250KB/秒，专注于低传输应用2功耗低在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用624个月3成本低ZIGBEE数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本4网络容量大网络可容纳65,000个设备5时延短典型搜索设备时延为30MS，休眠激活时延为15MS，活动设备信道接入时延为15MS。6网络的自组织、自愈能力强，通信可靠7数据安全ZIGBEE提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES128加密算法（美国新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一）,各个应用可灵8工作频段灵活使用频段为24GHZ、868MHZ（欧洲）和915MHZ（美国），均为免执照（免费）的频段ZIGBEE通信可靠性保证1物理层RF通信链接图24ZIGBEE网络拓扑示意图FIG24TOPOLOGICALPICTUREOFZIGBEE吉林农业大学本科毕业设计9直序扩频采用高处理增益明晰的信道检测对干扰能量进行检测采用跳频技术FREQUENCYAGILITY2协议基于CRC的误码检测/校正采取了避免冲突的策略CSMA/CA为固定带宽的通信业务预留了专用的有保证的时隙发送的数据包都有待于接受方的确认，如出现问题进行重发保持数据包的及时传输PACKETDATAFRESHNESS3通信可靠机制ZIGBEE采用了CSMACA的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；明晰的信道检测MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。4网络的自组织、自愈能力强ZIGBEE的自组织功能无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络；ZIGBEE自愈功能增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。在低信噪比的环境下ZIGBEE具有很强的抗干扰性能ZIGBEE物理信道如图如图25所示图25ZIGBEE物理信道示意图FIG5PHYSICALCHANNELSKETCHMAPOFZIGBEE吉林农业大学本科毕业设计10242终端设备硬件实现方法2421主控芯片CC2430与无线收发CC2430主要特征外设5CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZIGBEE射频RF前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU（8051），具有32/64/128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包括模/数转换器（ADC）、几个定时器、AES128协同处理器、看门狗定时器、32KHZ晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路以及21个可编程I/O引脚。引脚如图如图26所示，原理图如图26所示。图26CC2430引脚示意图FIG26PINOUTTOPVIEWOFCC2430CC2430包括3个8位输入/输出端口，分别为P0、P1、P2。其中，P0和P1分别有8个引脚，P2有5个引脚，共21个数字I/O口引脚。这些引脚都可以作为通用I/O端口，同时通过独立编程还可以作为特殊功能的输入/输出，通过软件设置还可以改变引脚的输入/输出硬件状态配置。21个I/O引脚都可以作为外部中断源输入口，因此如果需要，外部设备可以产生中断。外部中断功能也可以唤醒休眠模式。吉林农业大学本科毕业设计11为了提高数据存取的效率，CC2430专门在内存与外设之间开辟了一条专用数据通道。这条数据通道在DMA控制器硬件的控制下，直接进行数据交换而不通过8051内核，不用I/O指令。图27CC2430应用框图FIG27APPLICATIONBLOCKDIAGRAMOFCC2430DMA控制器可以把外设（如ADC、射频收发器）的数据移到内存而不需要CC2430吉林农业大学本科毕业设计12内核的干涉。这样，传输数据速度上限取决于存储器的速度。采用DMA方式发送时，由DMA控制器向8051内核发送DMA请求，内核响应DMA请求，这时数据输入/输出完全由DMA控制器指挥。CC2430包括4个定时器1个一般的16位定时器和2个8位定时器，支持典型的定时/计数功能；一个16位MAC定时器，用于为IEEE802154的CSMACA算法以及IEEE802154的MAC层提供定时。CC2430的数据加密由一个支持先进的高级加密技术标准AES的协处理器来实现该协处理器允许加密/解密将使用最小CPU使用率。AES安全协处理器工作在128位。组128位的数据下载到协处理器中加密，须在下一组数据送至协处理器前完成加密每组数据送至协处理器加密前，须给协处理器一个开始指令。由于AES协处理器加密的数据都是以128位为一组的，因此当一组数据不足128位的时，必须在后面添加0后才能把数据送至协处理器加密。CC2430的ADC支持14位的模/数转换，这跟一般的单片机8位ADC不同。这个ADC包括一个参考电压发生器、8个独立可配置通道、电压发生器和通过DMA模式把转化结果写入内存的控制器。当使用ADC时，P0口必须配置成ADC输入作为8位ADC输入；把P0相应的引脚当作ADC输入使用，寄存器ADCCFC相应位置设置为1。否则寄存器ADCCFG的各为处始值是0，则不当作ADC输入使用。ADC完成顺序模/数转换以及把结果送至内存而不需要CPU的干涉。CC2430无线收发CC2430的无线接收器是一个低中频接收器。接收到的射频信号通过低噪声放大器放大而正交降频转换到中频。在中频2MHZ中，当ADC模/数转换时，输入/增益调相信号被过滤和放大。CC2430的数据缓冲区通过“先进先出”的方式来接收128位数据。使用“先进先出”方式读取数据需要通过特殊功能寄存器接口。内存与先进先出缓冲区数据移动使用DMA方式来实现。CRC校验使用硬件实现。接受信号强度指标（RSSI）和相关值添加到帧中。在接受模式中可以用中断来使用清除通道评估（CCA）。CC2430的发送器是基于上变频器的。接受数据存放在一个接受先进先出的数据缓冲区内。发送数据帧的前导符和开始符由硬件生成。通过数/模转化把数字信号转换成模拟信号发送出去。CC2430无线部分主要参数如下频带范围为240024835GHZ。采用IEEE802154规范要求的直接序列扩频方式。数据速率达250KBPS，碎片速率达2MCHIP/S。吉林农业大学本科毕业设计13采用OQPSK调制方式。高接收灵敏度（94DBM）。抗邻频道干扰能力强（39DB）。内部集成有VCO、LNA、PA以及电源稳压器。采用低电压供电（2136V）。输出功率编程可控。典型的外围电路配置如图28所示IEEE802154MAC硬件可支持自动帧可是生成、同步插入与检测、10比特的CRC校验、电源检测以及完全自动MAC层保护（CTR、CBCMAC和CCM）。图28CC2430应用电路FIG28CC2430APPLICATIONCIRCUIT吉林农业大学本科毕业设计14IEE802154调制模式IEEE802154的数字高频调制使用24G直接序列扩频DSSS技术。扩展调制功能如图29所示6。图29扩展调制功能示意图FIG29EXPANDANDMODULATETHEFUNCTION从图29可以看出，在调制前需要将数据信号进行转换处理。每1个字节信息分为2个符号，每个符号包括4比特。根据符号数据，从16个几乎正交的伪随机序列中，选取其中一个序列作为传送序列。根据所发送的连续的数据信息将所选出的PN序列串连接起来，并使用QQFSK的调制方法将这些集合在一起的序列调制到载波上。在比特符号转换时，将每个字节中的低4位转换成为一个符号，高4位转换成另一个符号。每一个字节都要逐个进行处理，即从它的前同步码字段开始到最后一个字节。在每个字节的处理过程中，优先处理低4位，随后处理高4位。2422数据采集（1）土壤湿度采集数据采集包括传感器和模数转换两大部分，使用耐腐蚀土壤湿度专用传感器和MAX1301高速率ADC搭建完成，可以将数据以数字信号的方式通过SPI总线模式送入中心控制单元。土壤湿度传感器（型号TDR）简介DR的工作原理水分是决定土壤的介电常数的主要因素。TDR土壤水分传感器测量土壤的介电常数，直接稳定地测量各种土壤的真实水分含量。传感器的信号输出可以用来直接控制灌溉。TDR可测量土壤水分的体积百分比，与土壤的本身的机理无关。特点高稳定性；安装维护操作简便；有效测量长度超过45CM，增加了精确度；测量不受土壤类型影响；支撑的材料为环氧树脂，强度和寿命得到保证。远程操作TDR土壤水分传感器与数采，远距离传输设备可以构成遥测系统。例如土壤干燥时，警告信号可以自动响起来提醒人们应该灌溉的时间到了。自动控制系统能开关水泵和阀门等。配合一些附加的传感器，可能可以计算出土壤水分蒸发量和农作物所需的水分参数。3个灌溉表技术蒸发量，作物水胁迫指数CWSI和土壤水分的综合应用可以提比特符号转换符号码元转换QQPSK调制调制信号二进制数据吉林农业大学本科毕业设计15供农作物适宜生长的最大的保证。规格电源要求5VDC2040MA输出01MA，可选420MA或025V全部尺寸直径19MM；长度635MM预热时间1秒可选项420MA输出025V输出安装传感器测量土壤的有效部分为18英寸长，靠近电缆的9英寸和顶部的05英寸区域。不包括在测量区域内。测量有效区域必须与土壤紧密并可以被放置在任何的方向和深度。对于比较深的农作物，例如果树，它通常垂直的放置。对于垂直安装，挖一个05英寸足够深的洞把传感器放下到所要测量的区域。用05英寸的土壤采样器可以很方便的挖出这个洞。传感器必须与土壤紧密的接触。确保土壤填满传感器，用一个直径05英寸的棒深入到土壤中，棒与传感器的距离大约为3英寸，与传感器同样的深度。确保棒与传感器保持平行并避免碰到损坏传感器。移动棒到相反的方向，距离同样为3英寸的位置，然后重复这个过程在先前2洞的90度方向。在上部填上泥土来阻止水进入顶部。一个可选的方法是把事先用当地土壤所做的泥浆沿着传感器注入孔中，然后插入传感器。这些泥浆将填满传感器与土壤之间的间隙。水平传感器将安装在沟中，然后填土埋好。注意不要把传感器安装在太阳直接照射的地方传感器使用时使用光耦控制启动，输出选择420MA电流方式，MAX1301可以与其完美的结合。MAX1301引脚如图210所示。MAX1301ADC介绍MAX1301多量程、低功耗、16位逐次逼近型ADC采用添5V单电源供电，并具有独立的数字电源，允许和27V至525V系统连接。此ADC带有支持单端和全差分输人的内部采样保持（T/H）电路进行单端信号转换时，有效模拟输入电压范围从地电位以下的VREF到地电位以上的VREF。允许的最大差分输人电压范围为12V到12V。表21MAX1301电源与电源旁路TABLE21MAX1301POWERSUPPLIESANDBYPASSING供电输入端电压范围V典型电流值MA电路类型旁路DVDDO/DGN27TO5250DIGITALI/O01FTOAVDD2/AGN475TO52517ANALOGCIRCUITRY01FTOAVDD1/AGN475TO5253ANALOGCIRCUITRY01FTODVDD/DGN475TO5250DIGITALCONTROLLOGICAND01FTODGND图210MAX1301引脚示意图FIG210THEPINFIGUREOFMAX1301吉林农业大学本科毕业设计16表22MAX1301模拟输入配置字节TABLE22ANALOGINPUTCONFIGURATIONBYTE数据转换可通过软件编程实现多种通道配置和数据采集应用。微处理器（C）很容易通过SPITM/QSPITM/MICROWIRETM兼容的串行接口控制转换器。MAX1301具有4路单端模拟输人通道或2路差分通道。每一个模拟输人通道均可通过软件独立编程设置为7种单端输人范围（0至6V、6V至0、0至12V、12V至0、3V、6V和12V）和3种差分输人范围6V,12V,24V。此外，所有模拟输人通道均具有165V故障容限。空闲通道的故障状态不会影响其它通道的转换结果7。位名称描述7STARTSTARTBITTHEFIRSTLOGIC1AFTERCSGOESLOWDEFINESTHEBEGINNINGOFTHEANALOGINPUTCONFIGURATIONBYTE6C2CHANNELSELECTBITSSEL20SELECTTHEANALOGINPUTCHANNELTOBECONFIGURED5C14C03DIF/SGLDIFFERENTIALORSINGLEENDEDCONFIGURATIONBITDIF/SGL0CONFIGURESTHESELECTEDANALOGINPUTCHANNELFORSINGLEENDEDOPERATIONDIF/SGL1CONFIGURESTHECHANNELFORDIFFERENTIALOPERATIONINSINGLEENDEDMODE,INPUTVOLTAGESAREMEASUREDBETWEENTHESELECTEDINPUTCHANNELANDAGND1,ASSHOWNINTABLE4INDIFFERENTIALMODE,THEINPUTVOLTAGESAREMEASUREDBETWEENTWOINPUTCHANNELS,ASSHOWNINTABLE5BEAWARETHATCHANGINGDIF/SGLADJUSTSTHEFSR,2R2INPUTRANGESELECTBITSR20SELECTTHEINPUTVOLTAGERANGE,ASSHOWNIN1R10R0图211外部时钟模式（模式0）FIG211EXTERNALCLOCKMODECONVERSIONMODE0吉林农业大学本科毕业设计17电源为使工作环境保持低噪声，MAX1301为电路的每一部分提供独立的电源。表21所示为4个独立电源。采用独立的AVDD1、AVDD2、DVDD和DVDD0电源供电，可获得最佳性能。另一种做法是在尽可能靠近器件的位置将AVDD1、AVDD2图212外部采样模式（模式1）FIG212EXTERNALACQUISITIONMODECONVERSIONMODE1图213内部时钟模式（模式2）FIG213INTERNALCLOCKMODECONVERSIONMODE2吉林农业大学本科毕业设计18和DVDD连接到一起，以方便电源连接。同时在尽可能靠近器件的位置将AGND1、AGND2、AGXD3、DGND和DGND0连接在一起分别使用01F电容将每一个供电电源旁路到各自对应的接地点（表21）。如果出现较大的低频噪声，则应增加一个10F电容与01F旁路电容并联。转换器工作MAX1301采用全差分逐次逼近寄存器（SAR）转换技术，并提供片上T/H模块，可将电压信号换成16位数字结果。器件支持单端和差分输入结构，并可编程设置单极性和双极性信号范围。采样保持电路MAX1301具有开关电容T/H架构，允许模拟输人信号以电荷的形式存储在采样电容上。各种工作模式下的T/H时序和采样时间如图211、图212和图213所示。MAX1301的模拟输人电路对取样电容的输人信号进行了缓冲，使模拟输人电流和输入电压保持线性关系（如图214）模拟输入电路通过写相应的模拟输人配置字节（表22，可将模拟输人单独配置成差分或单端转换方式。模拟输人信号源必须能够驱动ADC的17K输人阻抗如图215。图215给出了简化的模拟输人电路。模拟输人具有165V故障容限，并通过背向二极管提供保护。求和结点电压VSJ是通道输人共模电压的函数见公式18（公式1）这样一来，在整个输人电压范围内，模拟输人阻抗才相对恒定，如图2412所示。单端转换内部以AGND1作为参考点（表23和表24）。在差分模式下，IN和IN根据表23和表25进行选择。设置差分通道时，差分对儿按照正通道的模拟配置字节来设置。例如，要将CH2和CH3配置为量程为12V的差分转换输人时，应将CH2的模拟配置字节设置成量程为12V的差分转换方式（10101100）。为启动CH2和CH3差分对11121223751SRCMRRVVVRRRR图214模拟输入电流与电压关系FIG214ANALOGINPUTCURRENTVSINPUTVOLTAGE图215简化的模拟输入电路FIG215SIMPLIFIEDANALOGINPUTCIRCUIT吉林农业大学本科毕业设计19儿转换，发送命令101011009。表23输入数据字格式TABLE23INPUTDATAWORDFORMATS表24单端模式DIF/SGL0下的通道选择TABLE24CHANNELSELECTIONINSINGLEENDEDMODEDIF/SGL0表25真差分模式DIF/SGL1下的通道选择TABLE25CHANNELSELECTIONINTRUEDIFFERENTIALMODEDIF/SGL1模拟输入带宽MAX1301输人采样电路具有2MHZ小信号带宽。2MHZ输人带宽使该系列器件能够数字化高速瞬变信号。当需要数字化的信号频率超过15KHZ时，谐波失真将会加剧。操作数据位D7D6D5D4D3D2D1D0转换开始位1C2C1C00000模拟输入配置位1C2C1C0DIF/SGLR2R1R0模式控制位1M2M1M01000通道选择位通道C2C1C0CH0CH1CH2CH3CH4CH5CH6CH7AGND1000001010011100101110111通道选择位通道C2C1C0CH0CH1CH2CH3CH4CH5CH6CH7AGN000001RESERVED010011RESERVED100101RESERVED110111RESERVED吉林农业大学本科毕业设计20模拟输入范围和故障容限如图216所示，可通过软件选择能够产生有效数字输出的单端模拟输人电压范围。/0DIFSGL时，每一个模拟输入通道均可通过设置R20控制位独立编程为7种单端输人范围之一。图217说明了可软件选择的差分模拟输人电压范围，并能够产生有效数字输出在/1DIFSGL时，每一个模拟输人差分对儿均能通过设置R20控制位独立编程为3种差分输入范围之一。无论所指定的输人电压范围是多少，以及通道是否被选择，每个模拟输人都具有165V故障容限而且无论器件是否上电，模拟输人故障保护均有效。对于超出FSR的任何电压，只要在165V故障容限范围之，加到模拟输人通道后都将产生满量程输出电压结果。箝位二极管的击穿电压门限超过165V，可在ESD和其它瞬态冲击情况下保护MAX1301的模拟输人（图215）。器件正常工作时，箝位二极管不会导通，也不会在瞬态冲击下限制电流。当工作环境具有潜在的高能量电压和或电流瞬变时，需要从外部对MAX1301提供保护。差分共模范围MAX1301的差分共模范围（VCMDR）必须保持在14V至10V以内，以得到有效的转换结果差分共模范围定义见公式2（公式2）除了共模输人电压范围的限制外，每个独立的模拟输人相对于AGND1还必须限制在165V之内。模拟输人配置字节中的量程范围选择位R20决定了相应通道的满量程范围（表22和表26。数字接口MAX1301具有SPITM/QSPITM/MICROWIRETM兼容的串行接口。MAX1301通过DIN、DOUT、SCLK、CS和SSTRB可方便地与主机进行通信。SCLK速率可高达10MHZ（内部时钟模式、模式2）、37MHZ（外部时钟模式、模式0）或439MHZ（外部时钟模式，模式1）。主机（通常采用微控制器）应该采用CPOL0、CPHA0_2CMDRCHCHV图216单端输入电压范围FIG216SINGLEENDEDINPUTVOLTAGERANGES图217差分输入电压范围FIG217DIFFERENTIALINPUTVOLTAGERANGES吉林农业大学本科毕业设计21的SPI传输格式，时序图如图211、图212和图213所示。表26量程范围选择TABLE26RANGESELECTBITS数字接口用于完成以下功能选择单端或真差分输人通道配置选择单极性或双极性输人范围选择工作模式外部时钟（模式0）外部采样（模式1）内部时钟（模式2）DIF/SGLR2R1R0MODE0000NORANGECHANGE0001SINGLEENDEDBIPOLAR3VTO3VFULLSCALERANGEFSR6V0010SINGLEENDEDUNIPOLAR6VTO0FSR6V0011SINGLEENDEDUNIPOLAR0TO6VFSR6V0100SINGLEENDEDBIPOLAR6VTO6VFSR12V0101SINGLEENDEDUNIPOLAR12VTO0FSR12V0110SINGLEENDEDUNIPOLAR0TO12VFSR12V0111DEFAULTSETTINGSINGLEENDEDBIPOLAR12VTO12VFSR24V1000NORANGECHANGE1001DIFFERENTIALBIPOLAR6VTO6VFSR12V1010RESRVED111100DIFFERENTIALBIPOLAR12VTO12VFSR24V1101RESRVED101111DIFFERENTIALBIPOLAR24VTO24VFSR48V吉林农业大学本科毕业设计22复位（模式4）局部关断模式（模式6）完全关断模式（模式7）启动转换和读取结果片选（CS）主机通过CS使能与MAX1301之间的通信，当CS为低时，数据在SCLK的上升沿由DIN同步移人器件，并且数据在SCLK的下降沿从DOUT同步移出器件。当CS为高时，将忽略SCLK和DIN的状态变化，此时DOUT为高阻态，所以允许其它外围设备共享DOUT线。由于SSTRB永远都不会是高阻态，因此其它设备不能共享该信号线。转换状态指示（SSTRB）如图212和图213所示，SSTRB变高时表示ADC已经完成了一次转换，并且主机摊以读取已准备好的结果。SSTRB在外部时钟模式下（图211）始终保持低电平，因此可以不连接。SSTRB会被驱动为高电平或低电平，与CS的状态无关，因此其它外部设备不能共享SSTRB。起始位如表25所示，使用3种输人数据字格式与MAX1301进行通信。每一个输人数据字均由一个起始位开始。该起始位定义为CS为低时，同步移人DIN的第一个逻辑高电平位，同时需符合下列条件之一器件未进行数据转换，且先前转换的所有数据均己从DOUT移出。器件配置为外部时钟模式（模式0），且先前的转换结果位B13B1已经从DOUT移出。器件配置为外部采集模式（模式1），且先前的转换结果位B13B5已经从DOUT移出。器件配置为内部时钟模式（模式2），且先前的转换结果位B13B2已经从DOUT移出。输出数据格式在SCLK的下降沿，输出数据以偏移二进制码的格式从DOUT同步输出，井且MSB在前（B13）。配置模拟输入每一个模拟输人都提供两个配置参数单端或真差分输入。输人电压范围图218模拟输入配置字节和模式控制字节的时序FIG218ANALOGINPUTCONFIGURATIONBYTEANDMODECONTROLBYTETIMING吉林农业大学本科毕业设计23图219DOUT和SSTRB时序FIG219DOUTANDSSTRBTIMINGTIMING这些参数可用表22所示的模拟输人配置字节来进行配置。每一个模拟输入都有一个专门的寄存器用于存储其输入配置信息。图218所示的时序图说明了如何写模拟输人配置寄存器、图219给出了DOUT和SSTRB的时序。传输函数ADC的传输函数定义了模拟输入电压和数字输出代码之间的关系,该传输函数取决于下列因素模拟输人电压范围单端或差分配置基准电压ADC传输函数坐标轴的单位通常采用最低有效位（LSB）。对于MAX1301,LSB采用公式3进行计算（公式3）其中N是位数（N14）,FSR为满量程范围（见图216和图217）。模式控制MAX1301包含1个字节宽度的模式控制寄存器。模式控制字节的格式如表247所示。利用模式控制字节来选择转换方式，控制MAX1301的功率模式。选择转换方式利用模式控制字节选择转换方式，并使用转换启动命令（参见表25、图211、图212和图213）来启动转换。MAX1301采用下列三种方法之一将模拟信号转换成数字信号外部时钟模式，模式0（图211）最高吞吐速率。用户控制采样时间。转换期间CS保持低电平。在整个ADC转换期间和从DOUT读取数据过程中，均由用户提供SCLK。外部采集模式，模式1图212最低吞吐速率。用户控制采样时间。用户提供2个字节的SCLK，然后将CS驱动为高电平，可在ADC转换期间减轻处理器的负担。在SSTRB变高之后，用户提供2个字节的SCLK，并读取DOUT数据。内部时钟模式，模式2（图213）高吞吐速率。124096REFNFSRVLSBV吉林农业大学本科毕业设计2