基于61單片機農(nóng)牧區(qū)新能源智能噴灌系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

蘭 萍，袁志朋，劉旭光，劉洪春，頓 珠

（西藏大學 工學院 電子信息系，西藏 拉薩 850000）

農(nóng)業(yè)、牧業(yè)都離不開水，而水資源的總量又是有限的，而且很多地方水資源的運送非常困難，所以如何更加節(jié)約水資源、如何更加有效率的利用有限的水資源是一個非常嚴峻的問題。為了有效節(jié)約水資源、提高水資源利用率，本文結(jié)合幾種較常見的傳感器與SPCE061A單片機、太陽能電池板設計了一款比較廉價的、自帶能源的、更好的適應于西藏牧區(qū)的智能噴灌系統(tǒng)。本文的設計可以在一定程度上提高水資源的利用率，也可以為智能灌溉的發(fā)展提供一個參考方向。

1 系統(tǒng)設計方案

1.1 系統(tǒng)硬件設計

文中設計中硬件包括，凌陽公司的SPCE061A單片機1和太陽能電池板2、控制器、蓄電池、土壤濕潤傳感器、光照傳感器、雨滴傳感器、小型抽水機、滅蚊燈、逆變器、繼電器3等。本文中主要利用土壤濕潤傳感器、光照傳感器、雨滴傳感器4采集環(huán)境信息并傳遞給單片機，通過SPCE061A單片機對傳感器數(shù)據(jù)進行分析5和計算控制控制抽水機、音樂播放、滅蚊器工作。

1.1.1 SPCE061A簡介

SPCE061A 是 繼 μ’nSPTM（Microcontroller and Signal Processor）系列產(chǎn)品SPCE500A等之后凌陽科技推出的又一款16位結(jié)構的微控制器。與SPCE500A不同的是，在存儲器資源方面考慮到用戶的較少資源的需求以及便于程序調(diào)試等功能，SPCE061A里只內(nèi)嵌32K字的閃存（FLASH）。較高的處理速度使μ’nSPTM能夠非常容易地、快速地處理復雜的數(shù)字信號。16位 µ；’nSPTM微處理器；工作電壓（CPU）VDD 為 2.4～3.6 V （I/O）VDDH 為 2.4～5.5 V；CPU 時鐘：0.32～49.152 MHz；內(nèi)置 2 K字 SRAM；內(nèi)置 32 K FLASH；可編程音頻處理；晶體振蕩器；系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下（時鐘處于停止狀態(tài)），耗電僅為2µ；A@3.6 V；個16位可編程定時器/計數(shù)器（可自動預置初始計數(shù)值）；2個10位DAC（數(shù)－模轉(zhuǎn)換）輸出通道；32位通用可編程輸入/輸出端口；14個中斷源可來自定時器A/B，時基，2個外部時鐘源輸入，鍵喚醒；具備觸鍵喚醒的功能；使用凌陽音頻編碼SACM_S240方式（2.4 K位/秒），能容納210秒的語音數(shù)據(jù)；鎖相環(huán)PLL振蕩器提供系統(tǒng)時鐘信號；32768 Hz實時時鐘；7通道10位電壓模－數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）和單通道聲音模－數(shù)轉(zhuǎn)換器；聲音模－數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入通道內(nèi)置麥克風放大器和自動增益控制（AGC）功能；具備串行設備接口；具有低電壓復位（LVR）功能和低電壓監(jiān)測（LVD）功能；內(nèi)置在線仿真電路ICE（In-Circuit Emulator）接口；具有保密能力；具有WatchDog功能。

1.1.2 SPR4096簡介

針對凌陽科技公司的存儲器芯片SPR4096/SPR1024，開發(fā)的簡易燒寫器。該燒寫器配合PC機ResWriter工具（凌陽科技教育推廣中心提供，下文敘述），通過EZ-Probe下載線，完成對SPR4096/1024存儲器芯片的擦除、寫入、校驗等功能。并且在SPR模組上留有與SPCE061A單片機的接口，可以很容易地實現(xiàn)SPR模組與61板連接。

1.1.3 系統(tǒng)工作原理簡介

采集各種牧草適宜的濕度信息存入單片機，在單片機里錄入程序每隔一段時間控制系統(tǒng)通過濕度傳感器將土壤中的濕度測量出來并且傳給單片機，然后單片機將收到的濕度與牧草所需的濕度相對比，如果濕度大于或等于牧草所需濕度則程序停止，如果濕度小于牧草所需濕度，則在夜晚到來的時候單片機控制系統(tǒng)開始噴灌，同時傳感器繼續(xù)測量土壤濕度，一旦土壤濕度達到牧草所需濕度則立即停止噴灌。而系統(tǒng)所帶的降雨傳感器則在系統(tǒng)開始工作時監(jiān)測天氣，一旦出現(xiàn)降雨，馬上通知系統(tǒng)讓整個系統(tǒng)處于暫停階段，降雨結(jié)束后，濕度傳感器重新測量土壤濕度，如果濕度大于或等于牧草所需濕度則程序停止，如果濕度小于牧草所需濕度，則單片機控制系統(tǒng)開始噴灌，同時傳感器繼續(xù)測量土壤濕度，一旦土壤濕度達到牧草所需濕度則立即停止噴灌。太陽能電池板則在平時陽光充足時收集太陽能，并將電能存入系統(tǒng)所帶電瓶，在太陽能不充足無法支撐整個系統(tǒng)運轉(zhuǎn)時使用，這樣可以保證系統(tǒng)在一般情況下野外生存，不用自備備用電池、更不用時時人工監(jiān)測。而光照傳感器通過AD采樣區(qū)分白天黑夜，當黑夜到來的時候控制滅蚊燈點亮消除蚊蟲的威脅。大量的科學研究及事實表明音樂有加速動植物生長的效果，所以在單片機里存有簡單的音樂，當白天點亮充足的時候讓喇叭播放音樂。

下面列出實施方案的硬件部分框圖，如圖1所示。

圖1 實施方案的硬件部分框圖Fig.1 The part of the hardware block diagram of implementation plan

1.2 SPCE061A單片機軟件設計

SPCE061A單片機軟件[6]主要包括初始化函數(shù)、音樂播放子函數(shù)、D/A函數(shù)以及主函數(shù)。值得一提的是本設計將控制的核心部分放在為播放音樂提供數(shù)據(jù)的中斷里，實現(xiàn)了控制的及時性，為其它需要較高實時性的項目提供了一個巧妙的實現(xiàn)方法。軟件設計的主程序流程框圖見圖2，子函數(shù)詳細功能見表1。

表1 子函數(shù)功能說明Tab.1 The explaining function of subfunction

圖2 主程序流程框Fig.2 Main program flow diagram

2 測試結(jié)果

利用太陽能提供能源、單片機主控、各種傳感器輔助對農(nóng)牧場實施智能噴灌已經(jīng)實現(xiàn)。同時在原有的基礎上添加了滅蚊燈的功能，可以有效驅(qū)除蚊蟲的威脅、更能在夜晚給牧民帶來一絲溫暖、一份心靈上的慰藉。因為音樂在促進動植物生長上的顯著效果，我們添加了音樂播放功能，除了促進動植物的生長外更能給牧民排解部分孤獨。電路中設計有USB手機充電口，所以我們多了一個驚喜的功能。系統(tǒng)可以為牧民提供隨時充電的功能、更加人性化。

3 整體實物圖

圖3 整體實物圖Fig.3 Overall physical figure

本項目運用凌陽公司的SPCE061A單片機作為主控芯片結(jié)合太陽能電池板、控制器、蓄電池、土壤濕潤傳感器、光照傳感器、雨滴傳感器、小型抽水機、滅蚊燈、逆變器、繼電器等制作了一套使用太陽能為系統(tǒng)供能的適用于農(nóng)牧區(qū)的新能源智能噴灌系統(tǒng)，整體實物圖如圖3所示。

4 結(jié)束語

文中結(jié)合幾種較常見的傳感器與SPCE061A單片機、太陽能電池板設計了一款比較廉價的、自帶能源的、更好的適應于西藏牧區(qū)的智能噴灌系統(tǒng)。這樣不僅能夠鍛煉學生單片機的使用更能讓學生學習到如何將單片機與各種模塊聯(lián)合使用。本文的設計可以在一定程度上提高水資源的利用率，也可以為智能灌溉的發(fā)展做一個參考方向。

[1]羅亞非.凌陽十六位單片機應用基礎[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[2]高援朝.太陽能實用技術[M].北京:農(nóng)業(yè)出版社，1988.

[3]康華光.電子技術基礎模擬部分[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

[4]王化祥.傳感器原理及應用 [M].天津:天津大學出版社，2007.

[5]托馬斯·科爾曼，查爾斯·淚瑟爾森.算法導論[M].北京:機械工業(yè)出版社，2013.

[6]譚浩強.C程序設計[M].3版.北京：清華大學出版社，2005.