基于单片机的蔬菜大棚农业自动化灌溉系统研究设计
摘要：随着农业自动化水平的提高．农业灌溉逐步发展到自动灌溉系统。为此，介绍一种基于单片机和射频模块nRF24Lol来实现无线数据传输，利用多点湿度传感器检测环境湿度的蔬菜大棚自动灌溉控制系统。系统由主站和分站组成，主站和分站可以通过无线射频模块交换实时湿度数据，并由主站处理后发送控制信号控制分站的电磁阀实现自动灌溉。
关键词：农业自动化灌溉系统；AvR单片机；无线射频技术 O引言
随着我国农业自动化水平的提高，农业灌溉由以往的人工灌溉发展到现在的自动灌溉，并且在多种地形和条件下使用，效果都非常不错。但是，这种灌溉系统也有不少缺点，如不能检测当前环境的湿度，只是按照灌溉时间间隔来进行控制；遇到比较大的种植面积，布线非常复杂，电缆需要做防水保护，制作成本和维护成本都非常高。所以，考虑到农业灌溉的特殊性，本文提出了一种新型的自动灌溉系统，适用于多种农业种植环境，以蔬菜大棚自动灌溉系统为例，从硬件和软件设计方面分析：首先，布线方面不采用传统的线路铺设，而采用无线射频模块传输数据和接收数据，具有较大的灵活性，并节约成本；其次，通过利用高性能AVR单片机具有的sPI方式，来控制发送和接收无线传输模块传输的数据，并可靠地控制电磁阀动作，利用单片机控制具有较强的实时性，并且可以移植到各种实时操作系统中实现；最后，蔬菜大棚室外降雨等因素可以忽略，使程序更加稳定，并能有效的节约维护成本。 1系统硬件设计
本系统由主站和分站组成点对多点的无线数据传输网络，其中1个主站，多个分站，本设计中以3个分站为例，每个分站上其他电路由一个湿度传感器、电磁阀驱动电路和电磁阀构成。主站与分站之间距离理论不超过l km，实际50m即可。主站和分站的核心都是利用AVR单片机控制操作，主站单片机：主要接收湿度数据并处理，然后发送数据到相应分站，分站的单片机接收到数据后响应主站命令，从而控制电磁阀动作。 1．1 AVR单片机
本设计中采用ATMEL公司8位单片机AT．m89a8L。该单片枧是ATMEL公司2002
年第一季度推出的一款新型AVR高档单片机，ATmega8L后面的“L”代表的是一款可以工作在低电压状态的单片机，工作电压范围在2．7～5，5V，ATmega8L内部集成了8kB在系统自编程FLAsH，可擦写次数达到了10000次，具有独立的锁定为可选Boot代码区‘，这可以通过片上Boot程序实现系统内编程实现读写的同时性。片上还集成了512字节的EEPROM，擦写次数也达到了10 000次，lkB片内的sRAM可以大幅提高编程的可靠性，用户可以通过对锁定为进行编程以实现用户对程序的加密，使程序难以破解。ATmega8L具有丰富的硬件接口电路，具有硬件sPI和IsP接口，AT．mega8L是基于先进的RIsc结构的8位单片机，由130条指令构成，大多数指令执行的时问为单个时钟周期，内部具有32个8位通用工作寄存器构成，AT—mega8L单片机主要是将32个通用寄存器和130条指令结合在一起，所有的通用寄存器都与ALu(算术逻辑单元)直接相连，实现了在一个时钟周期内执行的一条指令同时访问(读写)两个独立寄存器的操作。这种结构提高了代码效率，使得大部分指令的执行时间仅为一个时钟周期。因此，AThega8在16MHz的工作状态下可以达到16MIPs的性能，运行速度比过去基于cIsc结构的5l单片机高出近10倍。由于AT—mega8L是不带ⅡAG接口的，所以要对ATmega8L在线仿真另接一个仿真器或者采用ATmega88来做前期的开发。批量生产时可将程序移植到A1hega8，并在程序中的寄存器名称做修改。A1hega8／88最小系统及下载电路如图1所示。
本电路中的电源部分是根据nR砣4LDl的典型电压3．3V匹配电源，即单片机部分和无线射频模块供电也是通过3．3V供电。另外，IsP下载电路部分是提供程序下载调试用的，方便系统开发设计及日后升级用。 1．2 nRF24LJDl及接口电路
nRF24加l是Nordic公司的一款无线芯片，该模块特点是在2．4GHz全球开放IsM频段免许可证使用，即该频段一般为民用通讯、遥控和数传等不需要申请许可证就可以使用的。该芯片最高工作速率达到了2Mbps，高效G聆K调制，抗干扰能力较强，适合工业控制场合，因为是免许可证的频段，所以在同一地区使用该频段的设备也相对多一些，为了避免误操作，芯片内部固有126个频道，满足多点通信和跳频通信的需要，并且内置硬件的cRC检错和点对多点路由地址控制。该芯片最大的特点还是采用软件设定地址的功能，即收到本机地址才会有输出数据，这个过程是通过中断源的形式完成的，可以直接接在各种单片机使用，特别是支持硬件sPI的单片机，编程更加方便，其引脚分布及功能如图2所示。 cE：发射模式和接收模式使能引脚；
csN，scK，M0sI，MIs0：sPI功能定义端，主要通过该4位端口与AVR单片机通信；
IRQ：中断标志位； VDD：芯片电源3．3V； VSS：GND：
xc2，xcl：外接晶体振荡器引脚，典型值为16MH2； VDD—PA：芯片内部功放供电端，输出电压为1．8 V； ANTl，ANl2：ANT天线输人端； IREF：基准电流参考端；
以上需要和单片机通信的引脚分别是cSN，scK，M0sI，MIs0及IRQ，注意芯片的VDD电源电压不要超过3．3V，电流也不要过高，超过3．6V会造成芯片永久烧毁。nRF24L0l的时序图如图3和图4所示。
可以看出，在发送模式下，数据的高位在前，低位在后，每写一位都要返回一个状态字，每次写操作都可以读回一个完整的状态字，保证最大限度地不丢包。 nRF24LDl的工作模式发送接收模式、系统配置模式、空闲状态模式以及关机模式等4种，如表1所示。
表l nRF24IDl配置为发射、接收、空闲及掉电4种工作模式表
其中，发送接收模式有Enhanced shockBurstTM模式、shockburstTM模式和直接发送接收模式3种。在本设计中，采用Enhanced sho＆BurstTM模式。这种模式下，软件编程会稍微简单，系统稳定性更高。nR砣4加1的应用原理如图5所示。
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