基于LaunchPad的土壤湿度检测装置

1摘要：本设计主要的内容是基于 LaunchPad 的土壤湿度检测装置土壤湿度检测装置的设计与制作。该装置通过湿度传感器对土壤湿度进行采集然后将采集到的数据传递给单片机，通过计算将数据显示在显示屏上。接收部分以 LaunchPad MSP430 为核心，将数据采集、液晶显示结合起来，通过适当的软、硬件调试，完成土壤湿度情况的检测。该系统具有实用性、小型化等特点。关键词：LaunchPad 传感器 土壤湿度检测1 引言 在日常实际生产生活中，科研、农业、暖通、纺织、机房、航空航天、电力等工业部门对产品质量的要求越来越高，对环境温、湿度的控制以及对工 1业材料的水分值的监测与分析都已成为比较普遍的技术条件之一。随着科技的进步，检测仪表也向着智能化、小型化、低功耗的方向发展。在这个发展过程中，以单片机为核心控制器的温湿度检测以体积小、操作简单、性能稳定、测量精度高等诸多有点正逐步进入生产生活的各个方面。本文介绍的湿度检测仪就是以 MSP430 单片机作为核心控制器设计的，它具有体积小、操作简单、性能稳定、测量精度高和抗干扰能力强等优点，可广泛应用于需要对温湿度进行测控的领域中。 先根据实际生产生活的需要提出温湿度检测仪的设计功能要求，然后由这些具体要求和现有的设计条件设计出了适合的硬件原理图，尽量采用模块化的方法将其分成几个部分，然后分模块设计程序，最使各部分结合起来协调工作，实现功能要求。它是以单片机的在控制方面的突出优势,并综合运用现代检测技术、微控制技术、数据处理和通信技术以及 LCD 显示技术而设计的数字温湿度检测系统，可以实时、准确的测量环境中的温度和相对湿度，对生产生活有较好的知道意义。本设计主要介绍了温湿度检测仪的主要性能指标及其工作原理，温湿度检测仪的硬件设计总体方案和温湿度检测仪的应用软件系统的总体设计方案；温湿度检测仪的硬件电路设计，温度检测电路、键盘 LCD 显示电路和湿度检测电路；基于 LaunchPad 单片机的湿度检测仪的软件设计，软件设计部分采用模块化设计，湿度检测模块程序设计中LCD 显示。2 总体方案设计本文以单片机为核心，选用土壤湿度传感器，完成土壤湿度情况的检测，并能将检测到的数字量实时显示。21 方案一：AT89S52 单片机。该检测仪采用 AT89S52 单片机为核心，整个硬件系统分为以下几个部分：图 1 基于 AT89S51 单片机的湿度检测装置框图湿度测量电路由 ADC0809 转换器和湿敏电阻组成，湿敏电阻阻值随环境相对湿度的变化而变化，从而导致其两端电压的变化变化。由 ADC0809 把模拟量转换成数字量，AD590 湿度检测HIII-3610 湿度检测及信号放大芯片 TLC549A/D 转换芯片 TLC549A/D 转换单片机AT89S52显示屏2单片经过软件处理后，获得相对电压值和湿度值。键盘输入电路与显示电路实现人机对话的功能。22 方案二：采用 MSP430 单片机温湿度采集模块使用的是 YL-69 湿度传感器。它使用单总线方式，接口简单，而且无需另外校准，完全能够满足日常环境温湿度的检测要求。 数据处理模块使用的是MSP430G2553 单片机，其完成温湿度数据的采集、运算和逻辑控制的功能。 其余模块主要由电源、LCD 构成。其中 LCD 用于数据显示。设计框图如下：图 2 MSP430G2553 单片机设计框图单片机作为主控制器，主要负责处理由温湿度传感器送来数据，并把处理好的数据送向显示器模块；温湿度传感器主要用来采集周围的环境参数，并把所采集到得数据送向单片机；显示电路主要用来显示当前的温湿度。AT89C51 单片机，这款单片机在平时学习和课程设计中，都比较常用，但是 51 单片机内部没有 A/D 转换模块，需要借助 ADC0809 完成转换过程。而 MSP430G2553 单片机，这款单片机内部集成了 10 位的 A/D 转换，并且 TI 公司做成了一个物美价廉的LaunghPad 开发板，不仅调试简单，而且利于学生再次开发设计，十分方便。因此，对于土壤湿度检测装置这个课题以及两种方案的对比的综合分析，我最终的决定选择方案二。3 分电路设计和论证31 传感器部分测量土壤湿度的方式很多,其原理是根据某种物质从土壤中吸收水分后引起的物理或化学性质的变化,间接地获得该物质的湿度。有电容式、电阻式和湿涨式湿敏元件等。是根据其高分子材料吸湿后的介电常数、电阻率和体积随之发生变化而进行湿度测量的。311 方案一：HS1101 湿度传感器是HUMIREL公司生产的变容式相对湿度传感器，是基于独特工艺设计的电容元件，这种相对湿度传感器可以大批量生产。可以应用于办公自动化、车厢内空气质量控制、家电、工业控制系统等。在需要湿度补偿的场合也可以得到很大的应用。测量湿度时将HS1 101置于555振荡电路中，将电容值的变化转换成电压频率信号，可以直接被微处理器采集。特性如下： 宽量程：1095%RH，MSP430G2553 湿度传感器显示屏电源3 精度5%RH ，工作温度范围4080 可选的 10K+/-3% NTC 温度传感器（HTF3223）输出接点容量:220VAC,1A 报警设定:0100%RH图3 HS1101实物图312 YL-69 土壤湿度传感器。这是一个简易的水分传感器可用于检测土壤的水分，当土壤缺水时，模块输出一个高电平，反之输出低电平。使用这个传感器制作一款自动浇花装置，让您的花园里的植物不用人去管理。而且它的灵敏度可调（图中蓝色数字电位器调节） ，工作电压一般为 3.3V-5V5 。更重要的是它模块双输出模式，这使得数字量输出简单，模拟量输出更精确。并且设有固定螺栓孔，方便安装。小板 PCB 尺寸为：3cm * 1.6cm。工作时电源指示灯为红色和数字开关量输出指示灯为绿色，它的比较器采用 LM393 芯片，工作非常稳定。设计电路如图 4 所示：图 4 YL-69 电路图 图 5 YL-69 湿度传感器引脚图 引脚说明1 VCC 外接 3.3V-5V2 GND 外接 GND3 DO 小板数字量输出接口（0 和 1）4 AO 小板模拟量输出接口图 6 YL-69 实物图4图 7 YL-69 封装图由于 HS1101 所构成的测湿度电路对电阻的精度要求高并电路繁琐，而 YL-69 电路简单，使用方便，通过综合比较，我选择了方案二。32 单片机部分321 方案一： At89S52 单片机是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非 易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完 全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于 常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统 可编程 Flash，使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52 具有以下标准功能： 8k 字节Flash，256 字节 RAM， 32 位 I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个 16 位 定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至 0Hz 静态逻 辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结， 单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。8 位微控制器 8K 字节在系统可编程 Flash AT89S52。1P1 .0 2P1 .13P1 .2 4P1 .35P1 .4 6P1 .57P1 .6 8P1 .79R ST 1 0P3 .01 1P3 .1 1 2P3 .21 3P3 .3 1 4P3 .41 5P3 .5 1 6P3 .61 7P3 .7 1 8X TA L21 9X TA L1 2 0G ND 2 1 P2 .0 (A 8 )2 2 P2 .12 3P2 .22 4 P2 .32 5 P2 .42 6P2 .52 7 P2 .62 8 P2 .72 9PS EN3 0 A LE/PR O G3 1 EA3 2P0 .63 3 P0 .53 4 P0 .53 5P0 .43 6 P0 .33 7 P0 .23 8P0 .13 9 P0 .04 0 V CCU 1A T8 9 S5 2C ?C APC ?C APC ?C APR ?R ES2Y ?C RY ST ALS?SW -P BV CCV CC图 9 AT89S52 单片机最小系统51P1. 02P1. 13P1. 24P1. 35P1. 46P1. 57P1. 68P1. 79RST10P3. 011P3. 112P3. 213P3. 314P3. 415P3. 516P3. 617P3. 718XT AL219XT AL120GND 21 P2. 0(A8)22 P2. 123 P2. 224 P2. 325 P2. 426 P2. 527 P2. 628 P2. 729 PSEN30 AL E/PROG31 EA32 P0. 633 P0. 534 P0. 535 P0. 436 P0. 337 P0. 238 P0. 139 P0. 040 VC C图 8 AT89S52 单片机引脚图VCC：电源。GND：接地。P0 P3 :口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。RST: 复位输入。ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）在访问外部程序存储器时，锁存低 8 位地址的输出脉冲。在 Flash 编程时，此引脚（PROG）也用做编程输入脉冲。PSEN：外部程序存储器选通信号（PSEN）是外部程序存储器选通信号。EA：访问外部程序存储器控制信号。XTAL1：振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。322 方案二：MSP430G2553 单片机MSP430 是一种基于 RISC 的 16 位混合信号处理器，专为满足超低功耗 (ULP) 需求而精心设计。MSP430 MCU 将智能外设、易用性、低成本以及业界最低功耗等优异特性完美结合在一起，能满足数以千计应用的要求，也必然能满足您需求。MSP-EXP430G2 LaunchPad 是一款易于使用且价格低廉的闪存编程器和调试工具，它提供了在 MSP430 超值系列器件上进行开发所需的一切内容。它提供了具有集成仿真功能的 14/20 引脚 DIP 插座目标板，可通过 Spy Bi-Wire（2 线 JTAG）协议对系统内置的 MSP430 超值系列器件进行快速编程和调试。由于 MSP430 闪存的功耗极低，因此无需外部电源即可在数秒内擦除闪存并对其进行编程。CPUMSP430 CPU 具有一种16 位RISC 架构，对于应用而言是高度透明的。所有的操作（程序流指令除外）均作为寄存器操作与用于源操作数的7种寻址模式和用于目的操作数的4中寻址模式一起执行。CPU 与16 个寄存器进行了集成，可提供精简指令执行时间。寄存器至寄存器操作执行时间为CPU时钟的一个周期。指令集该指令集包括具有3 中格式和7种地址模式的51条指令。每条指令均可操作字和字6节数据。振荡器和系统时钟时钟系统由基本时钟模块提供支持，此时钟模块支持一个32768 Hz 手表晶体振荡器、一个内部超低功耗低频振荡器和一个内部数字控制振荡器(DCO) 。基本时钟模块专为同时满足低系统成本及低功耗要求而设计。内部 DCO 提供了一个快速导通时钟源并可在不到 s 的时间里实现稳定。基本时钟模块提供了以下时钟信号： 辅助时钟(ACLK)，此时钟由一个32768 Hz 手表晶体或内部 LF 振荡器提供信号源。 主时钟(MCLK)，CPU 所采用的系统时钟。 系统子时钟(SMCLK)，外设模块所采用的子系统时钟。数字 I/O提供了多达3 个8 位 I/O 端口： 所有单独的 I/O 位均可进行独立编程。 输入、输出和中断条件的任一组合（仅限端口 P1 和端口 P2）都是可行的。 用于端口 P1 和端口 P2（如果可用的话）的所有位的边沿可选中断输入功能。 所有指令均支持到端口控制寄存器的读/写访问。 每个 I/O 具有一个可单独编程的上拉/下拉电阻器。 每个 I/O 具有一个可单独编程的引脚振荡器使能位，此使能位用于启用低成本触摸感测。WDT+ 看门狗定时器看门狗定时器(WDT+) 模块的主要功能是在软件问题发生后执行受控的系统重启。如果选定的时间间隔结束，则产生一个系统复位。如果在某种应用中不需要看门狗功能，则该模块可被禁用或配置为一个间隔定时器，并能在选定的时间间隔上产生中断。它的关键特性： 超低功耗 (ULP) 架构与高度灵活的时钟系统可显著延长电池使用寿命：0.1A RAM 保持模式；1 A RTC 模式；230 A/MHz（闪存） ；110 A/MHz (RAM)。 集成各种智能外设：各种高性能模拟与数字外设可大幅缓减 CPU 的工作量； 简单易用的 16 位 RISC CPU 架构，可实现具有业界领先代码密度的最新应用； 完整的产业开发环境，全套工具售价低至 20 美元。MSP430G2x53 系列是超低功耗混合信号微控制器，具有内置的16 位定时器、多达24 个支持触摸感测的I/O 引脚、一个通用型模拟比较器以及采用通用串行通信接口的内置通信能力。此外，MSP430G2x53系列成员还具有一个10 位模数(A/D) 转换器。而我们选用的是这个大家族中的MSP430G2553 低电源电压范围： 1.8V 至3.6V ，一般为33V 通用串行通信接口(USCI) 超低功耗 支持自动波特率检测的增强型通用异步收发器 5 种节能模式 用于模拟信号比较功能或者斜率模数(A/D) 转换的 可在不到 1s 的时间里超快速地从待机模式唤醒 片载比较器 16 位精简指令集 (RISC) 架构，62.5ns 指令周期时 带内部基准、采样与保持以及动扫描功能的 10间 位 200-ksps 模数 (A/D) 转换器 基本时钟模块配置7 欠压检测器 运行模式： 230A （在 1MHz 频率和 2.2V 电 (UART)压条件下） IrDA 编码器和解码器 待机模式： 0.5A 同步SPI 关闭模式（RAM 保持）： 0.1A I2C 具有四种校准频率并高达 16MHz 的内部频率 串行板上编程， 内部超低功耗低频 (LF) 振荡器 无需外部编程电压，利用安全熔丝(Security Fuse) 实现可编程代码保 32kHz 晶体护 外部数字时钟源 具有两线制(Spy-Bi-Wire) 接口的片上仿真逻辑电 两个16 位Timer_A，分别具有三个捕获/比较寄存路器 多达24 个支持触摸感测的I/O 引脚 DIP封装，简单方便。1VC C2P1. 03P1. 14P1. 25P1. 36P1. 47P1. 58P2. 0/T A1. 09P2. 1/T A1. 110P2. 2/T A1. 111 GN D12 XIN/ P2. 613 XO UT / P2. 714 T E ST15 RST16 P1. 717 P1. 618 P2. 519 P2. 420 P2. 3图 10 MSP430G2553 引脚图 通过上面各种数据的比较，我选择 MSP430单片机组成的 LaunchPad 开发板，LCD1602显示屏，YL-69检测土壤传感器，其中传感器1、2引脚接传感器探头，这三部分组成。Launchpad 是德州仪器公司推出的一套 MSP430G 系列 16 位低功耗单片机开发板，它具有简易的封装（DIP） ，完备的开发环境。LaunchPad 开发板采用：14/20 引脚 DIP (N) 插座；调试和编程的内置闪存仿真；2 个可编程 LED；1 个高功率 LED；1 个可编程按钮；1 个复位按钮。实现在采用 14 或 20 引脚 DIP 封装的所有 MSP430 超值系列器件上的开发。 LaunchPad 的集成仿真器接口将基于闪存的 MSP430 超值系列器件与 PC 相连接，可通过 USB 实现实时系统内编程和调试。包含一根可与 PC 相连接的微型 USB 电缆。附带的 MSP430G2211IN14和 MSP430G2231IN14器件特性如下： MSP430G2211IN14内置2kB 闪存、128B RAM、10 GPIO、1个16位定时器、WDT、BOR、Comparator A+模块； MSP430G2231IN14内置2kB 闪存、128B RAM、10 GPIO、1个16位定时器、WDT、BOR、1 个 USI (I2C/SPI) 以及 8 通道 10 位 ADC 。8 附带的 MSP430G2231IN14器件采用预加载的样本程序。现已推出可供免费下载的 IAR Kickstart 和 Code Composer Studio 版本 5.1 集成开发环境，它们包含汇编器、连接器、仿真器、源码级调试器和 C 编译器。MSP-EXP430G2 LaunchPad 见下图：图11 LaunghPad 组成及说明书通过 USB 电缆将其连接至 PC 后，MSP-EXP430G2 LaunchPad 工作画面：图12 LaunghPad 工作连接图933 显示部分331 方案一： 七段数码管模块是将所有数码管通过分时轮流控制各个数码管的的 COM 端，就使各个数码管轮流受控显示。将所有数码管的 8 个显示笔划“a,b,c,d,e,f,g,dp“的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极 COM 增加位选通控制电路，位选通由各自独立的 I/O 线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通 COM 端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。图 13 数码管实物图 图 14 数码管引脚图 332 方案二：LCD1602 液晶显示屏1602 液晶也叫 1602 字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它由若干个 5X7 或者 5X11 等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义 CGRAM，显示效果也不好） 。1602LCD 是指显示的内容为 16X2,即可以显示两行，每行 16 个字符液晶模块（显示字符和前市面上字符液晶大多数是基于 HD44780 液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于 HD44780 写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。显示屏特性： 3.3V 或 5V 工作电压，对比度可调。 内含复位电路。 提供各种控制命令,如：清屏、字符闪