【毕业学位论文】(Word原稿)基于单片机通过模数转换端口采集到这个电压信号，进行一系列的计算从而求出土壤的含水量-光信息科学与技术

摘 要 根据土壤水分与其电阻 率 的关系，把 土壤电阻率转变为电压信号， 单片机 通过模数转换端口采集到这个电压信号，进行一系列的计算 从而 求出 土壤的含水量， 所以这次 采用具有数模转换功能的 片机 L） 来进行本次的设计。再 根据土壤水分的含量决定是否需要给土壤灌溉，如果需要灌溉，则通过无线传输的方式把控制信号发送给接收单片机， 接收 单片机接收到信号后 通过一个四位的七段数码管显示出来，根据信号含义 控制灌溉系统给土壤灌溉。无线传输在发送端是通过一个信号发送器 行 通信的方式实现的，在接收端则通过一个信号接收 器单片机的串口接收 端 行通信的方式实现的。 在数据采集与发送端 则 通过 1602 字符点阵型液晶显示各种数据 ，具有中文显示，各种数据含义清楚明了 。 操作方面， 设计了四个按键：按键 1，功能选择按键，可选择实时水分显示，记录水分的显示，进入手动设置水分值模式，来控制土壤水分的变化范围；按键 2，记录土壤水分按键，用来记录不同时间的土壤水分值，以观察土壤水分的变化情况；按键 3，数值加 1 按键和显示下一组数据按键；按键 4，数值减 1 按键和显示上一组数据按键。 关键 词 土壤水分 片机 1602 液晶 无线传输 目 录 1 引 言 1 2 土壤电阻率与水分 1 影响土壤电阻率的主要因素 1 土壤电阻率与含水量的关系 3 3 片机 )简介 4 片机 )综述 4 7 数转换器的特点 7 换结果 8 8 4 发送 端系统设计 9 土壤电阻率的测量与含水量的计算 9 1602 字符点阵型液晶显示 10 液晶 1602 与单片机的硬件连接电路 10 液晶 1602 汉字显示 11 功能按键的设置 16 无线传输之发送模块 16 5 接收端系统设计 18 无线传输之接收模块 18 接收显示与灌溉 18 6 程序设计流程图 20 发送端程序设计流程图 20 接收端程序设计流程图 22 致谢 23 参考文献 24 英文摘要 25 附录 26 1 1 引 言 土壤水分是土壤的一个重要组成部分，它不仅影响到土壤的物理性质，制约着土壤中养分的溶解、转移和微生物的活动，而且是构成土壤肥力的一个重要因素，更是一切植物赖以生存的基本条件 ，对作物的生长、节水灌溉等有着非常重要的作用。只有掌握土壤的水分（墒情）的状况，才能为差异化的节水灌溉提供科学的依据，同时精确的供水也有利于提高作物的产量和品质，因此测量土壤含水量具有十分重要的意义。 2 土壤电阻率与水分 影响 土壤电阻率的主要因素 (1) 土壤中导电离子的浓度和土壤中的含水量的影响 1 土壤电阻率 的大小主要取决于土壤中导电离子的浓度和土壤中的含水量，它是土壤中所含导电离子浓度 A 的倒数 1/A 和单位体积土壤含水量 B 的倒数 1/B 的函数，即 =f(1/A)f(1/B) 也就是说， 土壤中所含导电离子浓度越高，土壤的导电性就越好， 就越小；反之就越大。如沙河中，河底的 较大，就是因为河底由于流水的冲刷，导电离子浓度较小所致。土壤越湿，含水量越多，导电性能就越好， 就越小；反之就越大。这就是土壤电阻率随土壤干湿变化的原因。图 1 为含水量对砂和砂质粘土的土壤电阻率的影响曲线，图中土壤电阻率的单位为 m，含水量的单位为 %。由图 1 可以看到，当含水量达到 1520%以上时， 下降很少。 图 1 含水量对砂和砂质粘土 的影响曲线 2 (2) 土质的影响 不同土质的土壤电阻率不同，甚至相差几千到 几万倍。表 1 为几种不同土质在不同含水量时的 值。 表 1 不同土质的土壤电阻率 土质 含水量 (%) (m) 砾石、碎石 2000 花岗石 207000 含水黄沙 10 500 沙土 10 300 含沙粘土 20 250 粘土 20 100 (3) 温度的影响 温度对土壤电阻率的影响也较大。一般来说，土壤电阻率随温度的升高而下降 2。图 2 为在含水量约 15%时，温度对砂质粘土的土壤电阻率的影响曲线，图中土壤电阻率的单位为 m，温度的单位为 。从图 23可以看出，当含沙 粘土中的水分从水到冰变化时， 在 0 时出现一个突然上升；当温度再下降时， 出现明显的增大；而温度从 0上升时， 仅平稳下降。 图 2 含水量约 15%时，温度对砂质粘土 的影响曲线 3 (4) 土壤的致密性的影响 4 土壤的致密与否对土壤电阻率也有一定的影响。试验表明，当粘土的含水量为 10%，温度不变，单位压力由 1961大 10 倍到 19610， 可下降到原来的 65%。 (5) 季节因素的影响 季节的变化也将引起土壤电阻率的变化。季节不同，土壤的含水量和温度也就不同，影响土壤电阻率最明显的因素就 是降雨和冰冻。在雨季，由于雨水的渗入，地表层土壤的 降低，低于深层土壤；在冬季，由于土壤的冰冻作用，地表层土壤的 升高，高于深层土壤。这样，使土壤由原来的均匀结构变成了分层的不均匀结构，引起 的变化。多年冻土的 极高，可达没有冻土时的几十倍。在我国东北地区， 土壤电阻率与含水量的关系 由以上可知，对于特定地方的土壤，它的导电离子浓度和土质是基本不变的，而温度在 3 以上对于土壤电阻率的影响是非常小的，所以可以通过测量土壤的电阻率来确定它的含水量。图 3 为砂质土电阻率与含水量 的关系曲线。 表 2 土壤电阻率与含水量 电阻率 （ 1000 595 273 10 含水量 (%) 2 10 15 20 图 3 土壤电阻率与含水量关系曲线 于是我们只要测出电阻便可以求出土壤的水分值。 4 3 片机 L） 简介 片机 L） 综述 基于增强的 构的低功耗 8 位 控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间， 数据吞吐率高达 1而可以缓减系统在 功耗和处理速度之间的矛盾。 核具有丰富的指令集和 32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算术逻辑单元 （ 相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的 控制器最高至 10 倍的数据吞吐率。 如下特点： 16K 字节的系统内可编程 有同时读写的能力，即， 512 字节 K 字节 2 个通用 I/O 口线 ,32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的 口，支持片内调试与编程，三个具有 比较模式的灵活的定时器 /计数器 （ T/C） ，片内 /外中断，可编程串行 起始条件检测器的通用串行接口， 8路 10 位具有可选差分输入级可编程增益 （ 装）的 有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个 行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。工作于空闲模式时 止工作，而 线接口、 A/D 转换器、 T/C、 电模式时晶体振荡器停止振荡，所有功能除了中断和硬件复位之外都停止工作；在省电模式下，异步定时器继续运行，允许用户保持一个 时间基准，而其余功能模块处于休眠状态； 声抑制模式时终止 除了异步定时器与 外所有 I/O 模块的工作，以降低 换时的开关噪声； 式下只有晶体或谐振振荡器运行，其余功能模块处于休眠状态，使得器件只消耗极少的电流，同时具有快速启动能力；扩展 式下则允许振荡器和异步定时器继续工作。 本芯片是以 密度非易失性存储器技术生产的。片内 许程序存储器通过 行接口，或者通用编程器进行编程，也可以通过运行于 核之中的引导程序进行编程。引 导程序可以使用任意接口将应用程序下载到应用 储区（ 在更新应用 储区时引导 程序继续运行，实现了 作。通过将 8 位 系统内可编程的 成在一个芯片内， 为一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。 5 图 4 结构框图 6 图 5 引脚 字电路的电源 端口 A(端口 A 作为 A/D 转换器的模拟输入端。端口 A 为 8 位双向 I/O，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 A 处于高阻状态。 端口 B(端口 B 为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未 起振，端口 B 处于高阻状态。端口 B 也可以用作其他不同的特殊功能。 端口 C(端口 C 为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻使能，端口被外电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口C 处于高阻状态。如果 口使能，即使复位出现引脚 上拉电阻被激活。端口 C 也可以用做其他不同的特殊功能。 端口 D(端口 D 为 8 位双 向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性，可以输出和吸收大电流。作为输入使用时，若内部上拉电阻 7 使能，则端口被外部电路拉低时将输出电流。在复位过程中，即使系统时钟还未起振，端口 D 处于高阻状态。端口 D 也可以用作其他不同的特殊功能。 复位输入引脚。持续时间超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。持续时间小于门限间的脉冲不能保证可靠复位。 向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。 向振荡放大器的输出端。 端口 A 与 A/D 转换器的电源。不使用 ，该引脚应直接与 用 应通过一低通滤波器与 接。 。 模数转换器 数转换器的特点 10位精度 265最高分辨率时采样率高达 158路复用的单端输入通道 7路差分输入通道 2路可选增益为 10x 与 200x 的差分输入通道 可选的左对齐 数 0 入电压范围 可选的 考电压 连续转换或单次转换模式 通过自动触发中断源启动 换 基于睡眠模式的噪声抑制器 一个 10 位的逐次逼近型 一个 8 通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口 A 的 8 路单端输入电压进行采样。单端电压输入以 0V(基准。器件还支持 16 路差分电压输入组合。两路差分输入（ 8 有可编程增益级，在 A/D 转换前给差分输入电压提供 0x)/200x)或 4600x)的放大级。七路差分模拟输入通道共享一个通用负端（ 而其他任何 入可做为正输入端。如果使用 1x 或 10x 增益，可得到 8 位分辨率。如果使用 200x 增益，可得到 7 位分辨率。 括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到 电压保持恒定。 脚单独提供电源。 间的偏差不能超过 标称值为 基准电压，以及 位于器件之内。基准电压可以通过在脚上加一个电容进行解耦，以更好地抑制噪声。 换结果 转换结束后 （ 高），转换结构被存入 果寄存器 （ 。 单次转换的结果如下： 024式中， 被选中引脚的输入电压， 参考电压。 用同步和异步串行接收器和转发器 （ 是一个高度灵活的串行通讯设备。主要特点为： 全双工操作（独立的串行接收和发送寄存器） 异步或同步操作 主机或从机提供时钟的同步操作 高精度的波特率发生器 支持 5， 6， 7， 8， 或 9 个数据位和 1 个或 2 个停 止位 硬件支持的奇偶校验操作 数据过速检测 帧错误检测 噪声滤波，包括错误的起始位检测，以及数字低通滤波器 三个独立的中断：发送结束中断，发送数据寄存器空中断，以及接收结束中断 多处理器通讯模式 倍速异步通讯模式 括主要三个部分：时钟发生器，发送器和接收器。控制寄存器由三个单元 9 共享。时钟发生器包含同步逻辑，通过它将波特率发生器及为从机同步操作所使用的外部输入时钟同步起来。 送器时钟）引脚只用于同步传输模式。发送器包括一个写缓冲器，串行移位寄存器，奇偶发生器以及处理不同的帧格 式所需的控制逻辑。写缓冲器可以保持连续发送数据而不会在数据帧之间引入延迟。由于接收器具有时钟和数据恢复单元，它是 块中最复杂的。恢复单元用于异步数据的接收。除了恢复单元，接收器还包括奇偶校验，控制逻辑，移位寄存器和一个两级接收缓冲器 收器支持与发送器相同的帧格式，而且可以检测帧错误，数据过速和奇偶校验错误。 4 发送端系统设计 土壤电阻率的测量与含水量的计算 土壤电阻率是单位长度土壤电阻的平均值，单位是 欧姆 米。本测量仪采用图6 的测量方法。 图 6 土壤电阻率的测量 如图 6 所示，所测土壤长度为单位米模数转换口 输入电压 土壤电压 ,参考电压 土壤电压加上 100K 电阻的电压，所测土壤长度为单位米，设土壤电阻为 R,100K 电阻为 有 10 1而单次模数转换的结果为 11 0 2 41 0 2 4 re fV C 由上 式 可以求 得土壤的电阻为 )11024(111 图三和表 2 可得在温度没有极冷，含水量在 25%以下的条件下，土壤电阻的倒数与土壤的含水量基本成线性关系，求出这条关 系曲线为： 1 0 0 %)115022（含水量当土壤含水量达到 25%时土壤水分基本上饱和了，所以会维持在 25%左右。 1602 字符点阵型液晶显示 液晶 1602 与单片机的硬件连接电路 1602 是一款最常用也是最便宜的液晶显示屏。最多可以显示两行标准字符，每行最多可以显示 16 个字符。 1602 可以显示内部常用字符（包括阿拉伯数字，英文字母大小写，常用符号和日文假名等），也可以显示自定义字符（单或多个字符组成的简单汉字，符号，图案等，最多可以产生 8 个自定义字符）。其中 1602 液 晶 口为液晶显示偏压信号接口，通过调节电阻达到控制液晶显示的对比度。 图 7 1602 液晶各引脚功能 11 其与单片机的连接电路如图 8 所示 ： 图 8 1602 液晶与单片机连接图 液晶 1602 汉字显示 (1) 显示常用字符 1602 液晶模块内部的字符发生存储器 （ 已经存储了 160 个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“ A”的代码是 41H，显示时模块把地址 41H 中的点阵字符图形 显示出来，我们就能看到字母“ A” 。 显示操作的过程： 首先确认显示的位置，即在第几行，第几个字符开始显示。也就是要显示的地址，如图 9 所示的显示地址。 12 图 9 1602 液晶显示地址 第一行的显示地址是 0二行的显示地址是 0例如想要在第2 行，第 3 个位置显示一个字符，那么地址码就是 0编程过程中，通常编写一个函数确定在某行某个位置显示数据。函数需要行参数 （ y） 和列参数 （ x） 来确定显示位置。程序参考如下： x,y) =y)x=|0+0 x|=0 /在第二行显示时地址码 +0 x); /发送地址码 0者 0 以上地址码，在显示过程中，可以直接应用，至于地址码的计算原理，这里不做描述。 其次设置要显示的内容，即上面提到的 的字符编码。如果显示“ A” ，将编码 41H 写入到液晶屏显示即可。通常设置地址和显示内容用一个函数来完成。代码参考如下： x,y, =y)x=|0+0 x|=0 /在第二行显示时地址码 +0 13 x); /发送地址码 0者 0 /发送要显示的字符编码 显示字符 “A”调用过程如下代码： ,0,0：在第 1 行第 1 个 字符显示一个大写字母 A (2) 显示自定义字符 首先取得想要的中文或者图形的字模数组。通过字模软件不能直接提取 5*8 点阵的字模数据，可以通过手动提取的方法。如下图所示，对应一个字符显示区域。每 8 个字节，组成一个点阵数组。 图 10 日 字的点阵 “日 ”的点阵数组即为 0两个点阵组成一个汉字取模举例： 图 11 车 字的点阵 14 “车 ”字取模数组为： 0将生成的点阵数组保存到 储器中，生成自定义字符。 1602 内部 共 64 字节。由上一步点阵提取可知，每一个字符由 8个字节数据组成。所以 64 字节 储器能 够存储 8 组自定义字符的点阵数组。按照 址划分为 0第一组， 8第二组，依次类推 56第 8 组数据。把自定义字符数组按 8 个字节一组存储到 ，程序代码参考如下： p） i,j, /操作 命令码 ; j=0;j # 8000000 /汉字点阵编码 = 0“水 ” 0“分 ” 0“上 ” 0“下 ” 0“实 ” 0“时 ” 0“记 ” 0“录 ” =0123456789; =:%./ ; 04=0,c=0,; 00,0; /延时函数，延时单位为毫秒 i,j; i=0;i8; /设置波特率 11020); r=1023.0/ /计算土壤电阻值 0*(r/2200+2); /计算含水量 if(50)50; /设置水分下限函数 o,p; /设置液晶显示模式 ) /在第一行 03 位开始显示 /显示汉字 “下 ” ); /显示符号 “： ” if(000) /如果最高位大于 0 则显示 00); ); /如果最高位不大于 0，则空一格 0%10); ); /显示符号 “%” 32 o=; if(o) p=; p) :; :10;:0; /设置水分上限函数 o,p; /设 置 1602 液晶的显示模式 ) /在第一行 03 位开始显