基于MSP430的节水灌溉自动控制系统设计

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1、基于MSP430的节水灌溉自动控制系统设计摘要：针对传统的自动灌溉系统存在的效率低、稳定性差等问题，本文提出了一种新的自动灌溉控制方案。本方案以MSP430为主控芯片，结合CC1101作为无线通讯模块简化布线，上位机辅助判断减轻MCU运算负担。简约的硬件设计配合功能完善的上位机完成自动控制灌溉、历史环境参数记录、环境异常短信警告等功能。该系统稳定、可靠，具有较好的实用性及可延展性。关键词：MSP430自动控制上位机轮询方式　　当前我国农业灌溉水平低，但是节水潜力巨大，节水灌溉技术的应用和推广，是缓解我国水资源紧缺的战略选择，是建立节水型社会的需要[1]。现有的智能灌溉系统

2、控制器通常采用MCS51等其它微控制器作为控制芯片，并配以较多的模拟电路和逻辑门电路，其设计复杂，功耗、稳定性和可靠性难以得到保证[2]。如今，随着计算机技术的飞速发展，一些复杂的数据处理完全可以交给计算机通过上位机软件完成。　　本文将分别从硬件编程和软件上位机两个方面，结合外围电路，介绍一种以MSP430为主控制器的、稳定的农田自动灌溉系统。　　1系统整体构架及工作原理概述　　这种农田自动灌溉系统的整体执行思路如图1所示，本系统采用的是离散型控制系统，其具有三级结构。系统从下到上依次为：传感器检测与灌溉执行部分，MCU自动检测控制部分，田间监控中心。　　底层的传感器有多

3、种，分别对土壤的温度、湿度等进行检测。本系统能根据采集到的土壤湿度情况进行自动控制灌溉，其余采集到的环境参数供人员参考，做出合适的施肥灌溉决定。这些传感器或设备受到MCU控制，将信息呈递到单片机，通过其内部集成的12位ADC对数据进行处理，从而判断是否需要灌溉，并将数据通过无线通讯模块发送到田间监控中心。　　田间监控中心可以修改田间各节点判断灌溉的标准值，能够按时接收并储存各节点的环境参数，记录灌溉情况，通过折线图或列表形式显示。当田间发生火灾或其他异常情况时，软件通过网络自动发出短信提示人员前去查看。此外，上位机能自动从网上下载天气信息，协助实现自动灌溉功能。　　2系统

4、硬件部分　　主控芯片　　MSP430系列单片机是由TI公司1996年推出的一种16位超低功耗、具有精简指令集的混合信号处理器。　　本系统的主控模块采用MSP430F2553微处理器。MSP430系列单片机是具有精简指令集的超低功耗的16位单片机。它的最高工作频率可达25MHz，同时具有256KBFlash、16KBRAM，内含硬件乘法器、12位ADC，以及SPI模块[3]等，四种超低功耗模式，非常适合低功耗产品开发。它具有五种低功耗模式，在不同的模式下消耗电流为～340uA[4]，是目前功耗最低的单片机。另外它从低功耗模式转到活跃模式，需要的时间仅为6us，可以被快速唤醒

5、。因此该微处理器被广泛用在智能传感器、实用检测仪器、点击控制、便捷式仪表等领域[5，6]。　　传感器选用　　本系统的检测部分分别对土壤的温度、湿度等环境参数进行检测，其中土壤温度传感器采用DS18B20，土壤湿度传感器采用FDR土壤湿度传感器。　　土壤温度传感器采用的是不锈钢封装的DS18B20，如图2所示。其具有现场安装简单、控制方便、系统性能好、易于扩展等特点[7]，插入土壤对地温进行检测，精度较高、工作稳定，单片机与其进行单总线通讯获取温度值。　　FDR土壤湿度传感器，见图3，利用电磁脉冲原理，根据电磁波在土壤中传播频率测试土壤的表观介电常数ε，得到土壤容积含水量[

6、8，9]。其输出信号为模拟电压0～，本系统利用MSP430F5438内部的12位ADC直接对其采集到的数据进行处理得到土壤湿度。　　电源模块　　系统供电采用电源转换器直接将220V交流电转为12V直流电，用于给水泵和土壤湿度传感器供电。MSP430单片机的供电电压为V，为保证散热效果，采用二级降压的方式分散热量，集成LM2596与LM1117，依次将12V直流电压转为5V和V电压，取V为MSP430F5438、土壤温度传感器及无线通讯模块供电。电路图如图4所示。　　灌溉控制模块　　灌溉控制模块由单片机、继电器和水泵组成。单片机根据采集到的土壤湿度，结合此时地温等条件，判断

7、是否需要进行灌溉。满足灌溉条件时，由口送出控制信号控制至光耦，光耦接通使继电器开启，从而开启水泵。系统中水泵的额定电压为12V，继电器作为水泵的开关，选用12V继电器，因此在电路中并联续流二极管保护电路。如图5所示。　　无线通讯模块　　本系统采用的无线通讯模块为美国TI公司出品的CC1101。CC1101是一款低于1GHz高性能射频收发器，其内部集成了一个高度可配置的调制解调器，支持多种调制格式，最高数据传输率为500kb/s。在发射状态下，其发射功率可通过编程调节，最大发射功率可达+10dBm，接收灵敏度最佳为-110dBm