毕业设计由AT89C51单片机为处理器的自动灌溉控制器的硬件、软件设计

1、摘摘 要要 本论文详细论述了由单片机为处理器的自动灌溉控制器的硬件、软件设计。本控制 器以 at89c51 单片机为核心，由传感器、信号处理电路、键盘、显示电路、输出控制 电路、故障报警电路等构成。它能实现多路数据采集、多路控制信号输出功能。通过 传感器自动检测土壤水分，实现自动闭环控制和定时程序的时间控制等多种自动灌溉 控制方式，并具有土壤水分超出设定范围自动报警功能。土壤含水量的测量采用先进 的 lw-02 型水分传感器；a/d 转换采用了 adc0809 芯片；键盘、显示分别采用了独立式 按键和 led 显示块；故障报警选用了压电式蜂鸣器；输出控制电路由三极管、光电耦 合器、继电器、电磁

2、阀等组成。软件设计采取了模块化编程方法，软件程序的开发全 部采用了 c51 高级语言。主要包含的程序有:主程序、键盘扫描子程序、a/d 采样子程 序、定时设定子程序等。同时，在软硬件设计时均采取了有效的抗干扰措施。 关键字：单片机；灌溉；土壤水分传感器；自动控制 abstract the hardware layout and software development for single chip microprocessor automatic micro-irrigation controller and system programming are presented in detai

3、l in this paper. based on the at89c51 single chip microprocessor, the whole system consists of soil moisture sensors, signal transfer circuit, keyboard and monitor display circuit, out port control circuit, malfunction alarm circuit as well as system software. this controller can control mufti-input

4、 and mufti-output. it can work in several ways such as closed loop control with sensors, opened loop control based on the preset timing program. in addition, it has automatic alarm function when the soil moisture exceeds the preset range.there chose the lw-02 capacitive moisture sensor as the soil m

5、oisture sensor, adc0809 as the a/d conversion, independent key as the keyboard, led display unit as the monitor display and chose the simple piezoelectric buzzer as the malfunction alarm device. the out port control circuit is composed of at89c51,triode,photoelectric coupler,relay, electromagnetic v

6、alve and so on.the software designing adopt the popular modularized structure. the development of software programs apply c51 language entirely. the primary programs are main program, keyboard scanning subroutine, a/d sampling subroutine, timer presetting subroutine. meanwhile, the efficient anti-in

7、terference measures are adopted during the design of the hardware and software. keywords: single chip microprocessor micro-irrigation soil moisture sensor automatic control 目目 录录 摘要摘要.i i abstractabstract.iiii 目录目录.iiiiii 第一章第一章 前言前言.5 5 1.11.1 研究背景研究背景.5 1.21.2 研究目的和意义研究目的和意义.6 1.31.3 任务和要求任务和要求.6

8、第二章第二章 智能灌溉系统的组成智能灌溉系统的组成.8 8 2.12.1 灌溉总系统的组成灌溉总系统的组成.8 2.22.2 灌溉系统结构总框图灌溉系统结构总框图.9 2.32.3 单片机灌溉量的确定单片机灌溉量的确定.9 2.3.1 灌水量的确定 .9 2.3.2 灌水时间间隔的确定 .9 2.3.3 一次灌水延续时间的确定.9 2.3.4 灌水次数与灌水总量的确定 .10 2.3.5 开启和关闭供水系统的土壤含水量临界点的确定 .10 第三章第三章 gtm900cgtm900c 无线模块无线模块 .1212 3.13.1 gtm900cgtm900c 模块介绍模块介绍 .12 3.1.1

9、gtm900c 模块产品定位 .13 3.1.2 gtm900c 模块产品特性 .13 3.1.3 gtm900c 模块产品的应用 .14 3.1.4 gtm900c 无线模块的业务演示框图 .14 3.23.2 gtm900cgtm900c 无线模块无线模块 atat 命令命令 .1 3.2.1 at 命令类型 .1 3.2.2 消息发送和写入命令.2 3.33.3 gtm900cgtm900c 信号连接器和天线接口信号连接器和天线接口.5 3.3.1 信号连接器 .6 3.3.2 天线接口 .6 3.3.3 接口信号 .7 3.43.4 接口的使用接口的使用.10 3.4.1 uart 接

10、口的功能特性.10 3.4.2 uart 接口信号定义.10 3.4.3 uart 接口 dce-dte 配线.11 第四章第四章 系统硬件设计系统硬件设计.1212 4.14.1 土壤水分传感器的选择与使用土壤水分传感器的选择与使用.12 4.1.1 土壤水分传感器的选择 .12 4.1.2 土壤水分传感器的测量原理及其实现方法 .12 4.1.3 传感器在田间的埋设 .15 4.24.2 单片机的选择单片机的选择.16 4.2.1 单片机的发展概况及其选择 .16 4.2.289c51 单片机性能与应用 .16 4.2.3 引脚功能.17 4.34.3 振荡器电路及复位电路设计振荡器电路及

11、复位电路设计 .19 4.44.4 存储器的配置存储器的配置.20 4.54.5 数据采集处理电路数据采集处理电路 .21 4.5.1 模数转换器的选择.21 4.5.2 adc0809 引脚及接口电路设计 .22 4.64.6 显示系统的电路设计显示系统的电路设计.24 4.74.7 输出控制电路设计输出控制电路设计.25 4.84.8 故障报警电路及键盘接口电路设计故障报警电路及键盘接口电路设计.26 第五章第五章 系统软件设计系统软件设计.2929 5.15.1 主程序设计主程序设计.29 5.25.2 键盘扫描子程序设计键盘扫描子程序设计.31 5.35.3 实时时钟中断与控制功能的完

12、成实时时钟中断与控制功能的完成.32 5.45.4 时间灌溉控制功能的实现时间灌溉控制功能的实现.33 5.55.5 其它控制功能的实现其它控制功能的实现.33 5.5.1 定时设定功能的实现 .34 5.5.2 湿度范围设定功能的实现 .34 第六章第六章 技术经济分析技术经济分析.3636 第七章第七章 结论结论.3737 参考文献参考文献.3838 致谢致谢.3939 第一章第一章 前言前言 1.11.1 研究背景研究背景 随着社会经济的发展，人口的增多，对水资源的利用正在迅速增长，占世 界人口总量 40%的 80 个国家缺水，其中 26 个国家严重缺水。我国水资源总量 为 2.8 万亿

13、 mm3，居世界第 6 位，我国人均占水仅 2200m3，排在世界第 109 位。 我国的水资源在时空上分布很不均匀，南多北少，东多西少；夏秋多，冬春少; 占国土面积 50%以上的华、西北、东北地区的水资源仅占全国总量的 20%左右， 农业的季节性、区域性干旱缺水问题十分突出。 农业节水不仅是可能的，而且潜力很大，对占消费水 80%左右的农业用水 的合理使用和发挥最大效益应该说具有非常重要的意义。我国旱地农业面积约 0.5 亿 m2，占耕地面积一半以上，平均每年受早面积约达 0.26 亿 m2，成灾减产 的约 0.07 亿 m2左右，这些干旱地区水资源灌溉的开发余地几乎枯竭。然而我 国灌溉用水

14、利用率却很低，约有 60-70%的水资源因灌溉方法不当白白浪费。从 作物需要来讲，我国水分有效利用率仅 0.3-0.4，个别省份只有 0.2，与先进国 家的 0.7-0.8 相比，浪费惊人。21 世纪的节水农业技术将是农业科技革命的重 要组成部分，节水灌溉具有广阔的前景1。 单片机灌溉技术是当前世界上诸多节水灌溉技术中省水率最高的一种先进 节水灌溉技术，单片机灌溉属局部灌溉、精细灌溉，灌节水 50%60%，增产 20%30%，一般只用于温室中水果、蔬菜、花卉等产值高、收益高的经济作 。到 90 年代中期，全世界单片机灌溉面积达到 291. 3 万亩，约占全世界灌溉面 积的 1. 1%，其中美国

15、约 150 万 m2。我国单片机灌溉面积只徘徊在 23. 7 万 m2。 世界上单片机灌溉技术的发展最有代表性的国家应首推以色列，其温室种 植全部采用单片机灌溉。以色列温室滴灌的最高水利用率为 95%，以色列著名 的公司有 netafim， aamlad、plaastro 等。单片机灌溉方式普遍采用 计算机控制，埋在地下的湿度传感器可以传回有关土壤水分的信息。计算机化 操作运行精密、可靠、节省人力，对灌溉过程的控制可达到相当的精度。在以 色列，已经出现了在家里利用电脑对灌溉过程进行全部控制(无线、有线)的农 场主。 但是我国单片机灌溉技术还处于初级发展阶段，系统的成套性还较差，主 要部件品种少

16、，质量不稳定，自动化程度低，大部分单片机灌溉技术还停留在 人工操作上，即使有些地方搞了一些灌溉工程自控系统，也只是从国外引进或 者是小规模的局部控制，国内开发的自动灌溉控制器目前还处于研制、试用阶 段。 总之，目前西方发达国家的自动灌溉控制器已基本发展成熟并朝着大型分 布式控制系统和小面积单机控制两个方向发展，产品一般都能与微机通讯，并 由微机对其施行编程操作2。 1.21.2 研究目的和意义研究目的和意义 灌溉管理自动化是世界先进国家发展高效农业的重要手段，而我国目前仍 局限于灌溉单项技术的推广和应用，技术的集成和自动化水平较低，这也是制 约我国高效农业发展的主要原因。以色列、日、英、美等国

17、家己采用先进的节 水灌溉制度，由传统的充分灌溉向非充分灌溉发展，对灌区用水进行监测预报， 实行动态管理，采用遥感技术，监土壤墒情和作物生长，开发和制造了一系列 用途广泛、功能强大的数字式灌溉控制器，得到广泛应用2。 1.31.3 任务和要求任务和要求 本课题采用 at89c51 单片机为灌溉控制器的核心，通过传感器自动检测土 壤水分，按照设置的程序根据土壤含水量要求的上、下限确定供水时间、供水 量，采用预编定时程序的时间控制和根据水分信息决定灌溉指标的闭环控制两 种工作方式，并能实现故障报警功能。使单片机灌溉向适时、适量、按需灌溉 发展，达到节约用水、省工省时、增产增收的目的。 本自动灌溉控制

18、器的总体研制方案如下： 自动控制器采用 atmel 公司的 at89c51 系列单片机； 土壤水分测量时采用先进的 tw-02 型水分传感器，可同时接八路传器； 系统控制多路输出； 系统可完成:传感器自动闭环控制，时间控制等多种灌溉控制方式； 具有灌溉水分超出设定范围自动报警功能； 根据以上性能要求本控制器采用 4 位 led 显示和 4 个按键来完成多种功 能操作。总体功能确定后，开始着手整个系统的硬件设计和软件编制工作3。 第二章第二章 智能灌溉系统的组成智能灌溉系统的组成 2.12.1 灌溉总系统的组成灌溉总系统的组成 自动化单片机灌溉系统是指利用微机技术对单片机灌溉工程的主要设备进 行

19、监视、控制以及各种信息处理，及时地对设备运行情况进行全面地分析和准 确的判断，确保灌溉工程安全、合理和经济地运行。它包括传感器系统，控制 器系统和水源控制系统三大部分组成。 图 2.1 自动灌溉系统图 2.22.2 灌溉系统结构总框图灌溉系统结构总框图 土壤水分传感器 a/d 转换 器 at89c51 键盘报警 led 显示光隔继电器电磁阀 图 2.2 灌溉系统结构总框图 2.32.3 单片机灌溉量的确定单片机灌溉量的确定 2.3.1 灌水量的确定 灌水量可由式m = (b1-b0)hpr （2-1） 计算，式中:m 为灌水定额；b1，b0分别为土壤田间持水量和灌前土壤含水 率；r 为土壤干容

20、(t/m3)；h 为土壤计划湿润层深度；p 为单片机土壤湿润比。 2.3.2 灌水时间间隔的确定 两次灌水之间的时间间隔又称灌水周期 t=m/e， t 为灌水周期(h)；e 为作 物需水量；m 为灌水定额(mm)。 2.3.3 一次灌水延续时间的确定 t=(msesr)/q. （2-2） 式中:t 为次灌水延续时间(h)；se 为灌水器间距(m)；sr 为毛管间距(cm)； q 为灌水器流量(l/h)； 为单片机灌溉水利用系数，一般为 0.90. 950。 2.3.4 灌水次数与灌水总量的确定 采用单片机灌溉，作物全生育期的灌水次数比传统地面灌多，并随作物种 类、地区水源条件等而不同。总灌水量

21、 m=mi；m 为灌溉定额即总灌水量 m3 ；mi为各次单片机灌溉灌水量，即灌水定额(m3)。 2.3.5 开启和关闭供水系统的土壤含水量临界点的确定 这两个临界点的选择要依据土壤的水分特性、作物的需水特性及灌溉管理 的要求确定，相当于确定农田灌溉管理用的土壤含水量上限(关闭值)和下限(开 启值)。田间持水量是指土壤中毛管悬着水达到最大量时的土壤含水量，当灌溉 水量超过田间持水量时，只能加深土壤的湿润深度，而不可能再增加土层中含 水量的百分数，它是土壤中对作物有效水的上限，可用作灌溉的上限和计算灌 溉量的依据。灌水定额=(田间持水量一灌水前土壤含水量)。毛管断裂含水量， 是指土壤中毛管悬着水发

22、生断裂时的土壤含水量，土壤这时的水分已不能满足 作物的需求，一般只是田间持水量的 65%左右，可用此作物灌水的限。用灌溉 控制器闭环控制灌溉农田的土壤含水量动态变化可用图2.3 图 2.3 自动灌溉系统农田水分动态变化示意图 假定灌溉从 a 处开始，随着农田水分的消耗土壤含水量由点 a 逐步下降， 当降至点 b 时，达到设定的土壤含水量的控制下限，灌水设备起动，开始灌水， 土壤含水量也快速上升。当土壤含水量抵达 c 点时，达到设定的土壤含水量控 制上限，供水设备关闭，停止供水。但由于土壤含水量测定上的滞后，土壤含 水量会有一个轻微的继续上升的过程，最后达到 d 点。之后由于作物的吸收及 土壤蒸

23、发，含水量又开始逐步的下降，直至抵达 e 点，开始下一次灌水过程。 由于灌水时土壤含水量的变化比正常作物消耗情况下的变化要快得多，因而在 灌水过程中土壤含水量的监测频率应比作物耗水过程的监测频率高的多5。 第三章第三章 gtm900cgtm900c 无线模块无线模块 3.13.1 gtm900cgtm900c 模块模块介绍介绍 华为 gtm900-c 无线模块是一款两频段 gsm/gprs 无线模块。它支持标准的 at 命令及增强 at 命令，提供丰富的语音和数据业务等功能，是高速数据传输 等各种应用的理想解决方案。内嵌 tcp/ip 协议模块，使用简单，易于集成, gtm900c 软件、硬件

24、兼容 gtm900b、tc35i、mc39i，使用 tc35i 或 mc39i 的用户 不用作任何更改就可以使用。 华为 gtm900c 是一款双频 900/1800mhz 高度集成的 gsm/gprs 模块，是 gtm900b 的升级模块。内嵌 tcp/ip 协议模块，使用简单，易于集成，使用它您 可以在较短的时间内花费较少的成本开发出新颖的产品。在远程监控和无线公 话以及无线 pos 终端等领域您都能看到 gtm900c 无线模块在发挥作用，gtm900c 软件、硬件兼容 gtm900b、tc35i、mc39i，使用 tc35i 或 mc39i 的用户不用作 任何更改就可以使用，以降低产品

25、成本。 主要功能: gsm/gprs phase 2/2+ ；gsm 03.40 短信业务；gprs class 10 数据业务； 支持 group3，class2 传真业务；电路交换业务(9.6kbps，14.4kbps)；分组交 换数据业务(85.6kbps) ；fr/hr/efr/amr 语音编码；呼叫转移、等待、保持、 呼叫前转；多方通话、来电显示、可选铃声 接口特性： 40pin zip 连接器；红外串口接口；sim 3.0v 和 1.8v 接口；2 路模拟音频 输入输出接口；电源输入接口和充电管理；adc 输入；全双工串行接口，ttl 电 平；支持 gsm07.05，gsm07.0

26、7；tcp/ip 扩展 at 指令集。 3.1.1 gtm900c 模块产品定位 华为 gtm900-c 无线模块是一款两频段 gsm/gprs 无线模块。它支持标准的 at 命令及增强 at 命令，提供丰富的语音和数据业务等功能，是高速数据传输 等各种应用的理想解决方案。 3.1.2 gtm900c 模块产品特性 表 3-1 gtm900-c 的产品特性表 工作频段egsm900/gsm1800 双频 最大发射功率 egsm900 class4(2w) gsm1800 class1(1w) 接收灵敏度 -106dbm 工作温度 正常工作温度:-20c+70c 扩展工作温度:-40c-20c

27、和 +70c to+80c 电源电压3.4v4.7v（推荐值 3.8v） 平均待机电流 3.5ma (drx=5) 关机漏电流 50ua 协议支持 gsm/gprs phase2/2+ 支持华为 gt800 协议 at 命令gsm 标准 at 命令 v.25 at 命令 华为扩展的 at 命令 40pin zif 连接器uart 接口（最大串口速率可达 115200bit/s） 标准 sim 卡接口（1.8v 或 3v） 两路模拟音频接口 电源接口 gsc 射频天线连接器 50 gsc 射频天线连接器 语音业务支持 fr、efr、hr 和 amr 的语音编码 支持免提通话，提供回声抑制功能 短

28、消息业务支持 mo 和 mt 点对点和小区广播 短消息模式支持 text 和 pdu gprs 数据业务 gprs class 10 编码方式 cs 1，cs 2，cs 3，cs 4 最高速率可达 85.6kbit/s 支持 pbcch 内嵌 tcp/ip 协议：支持多链接，提供 ack 应答，提供大容量缓存 电路型数据业务支持 csd 数据业务，最高速率可达 14.4kbit/s 支持传真：group3，class2.0 支持 ussd 补充业务来电显示、呼叫转移、呼叫保持、呼叫等待和三方通话等 集群功能组呼、广播和私密呼叫等（gtm900-c 模块支持） stk 功能通过增强的 at 命令

29、支持 stk 功能 rohs 环保符合 rohs 环保认证要求 3.1.3 gtm900c 模块产品的应用 gtm900-c 在 terminal 型固定台、phone 型固定台、车载台、公用电话、 电力无线抄表业务、远程信息服务台等方面被广泛的应用。 3.1.4 gtm900c 无线模块的业务演示框图 图 3-1 gtm900c 业务演示框图 3.23.2 gtm900cgtm900c 无线模块无线模块 atat 命令命令 本课题中的gsm模块包括移动设备me（mobile equipment） 、移动台ms（mobile station） 、终端适配器ta（terminal adapter

30、） 、数据通信设备dce（data communication equipment）和传真dce（包括传真modem和传真板） 。 通过串口发送at命令，即可使用gsm模块。串行线对端的应用设备包括终端设备te (terminal equitment） 、数据终端设备dte（data terminal equipment）或其他应用 设备。这些终端或应用设备可能运行在嵌入式系统里。系统结构图如图3-2： 图3-2 系统结构图 3.2.1 at 命令类型 本手册中的所有命令行必须以“at”或“at”为前缀，以结尾 一般来讲，at 命令包括四种类型，如表3-2所示： 表3-2 at命令类型 类型说

31、明实例 设置命令该命令用于设置用户自定义的参数值。 at+cxxx= 测试命令 该命令用于查询设置命令或内部程序设置的参数 及其取值范围。 at+cxxx=? 查询命令该命令用于返回参数的当前值。 at+cxxx? 执行命令 该命令用于读出受gsm模块内部程序控制的不可变 参数。 at+cxxx 3.2.2 消息发送和写入命令 发送消息：at+cmgs 使用设置命令，可将 sms（sms-submit）从 te 发送到网络侧。发送成功后，消息 参考值将返回给 te。在接收到非请求发送状态报告结果码时，使用该取值可进行 消息识别。 表 3-3 at+cmgs 操作命令语法 类型命令 可能的返 回

32、结果 说明 +cmgs: , ok 使用文本 模式 （+cmgf= 1）且发 送成功 at+cmgs=, text to send error/+c me error: 使用文本 模式 （+cmgf= 1）但发 送失败 +cmgs: , ok 使用 pdu 模式 （+cmgf= 0）且发 送成功 设置命令 at+cmgs= pdu to senderror/+c me error: 使用 pdu 模式 （+cmgf= 0）但发 送失败 测试命令 at+cmgs=?ok- 表 3-4 参数的详细说明 参数取值说明 - gsm03.40 ip-destination-address 中“地址-取值

33、”字段， 字符号；将 bcd 数值（或缺省 gsm 字母格式的字符）转换为 当前选择的 te 字符集中的字符， （ 请参考 ts 07.07中的 +cscs 命令）;给定的地址类型 - sms 情况下：gsm 03.40 tpdu,16进制，遵循 gsm 04.11 sc 地址；me/ta 把 tp 数据单元中的每个8位字符转换为包含2 个 ira 字符的16进制数 （如：整数取值为42的8位字符作为 2位数字（2a，即 ira50和65）发送给 te）cbs 情况下:使用 16进制 gsm03.41 tpdu - 整数型取值；文本模式（+cmgf=1）下，用字符表示的 （或）消息正文的长度；

34、pdu 模式 （+cmgf=0）下，8位真实 tp 数据单位的长度（即：rp 层的 smsc 地址中的8位字符将不计算在该长度内） - 整数型的 gsm03.40 tpmessagereference - 时间字符型（请参考）的 gsm03.40 tpservice centretimestampe - 时间字符型 gsm03.40 tpdischarge time“yy/mm/dd，hh：mm：sszz”,在该格式的消息中， 字符部分表示年（最后2位） 、月、日、小时、分钟、秒和地 区。例如：6th of may 1995，22：10：00 gtm+2 hours 相 当于“95/05/06

35、,22:10:00+08” 。 - rpack pdu 中的 gsm03.40 rpuserdata 元素；sms 情 况下，与的格式相同，但没有 gsm03.11 sc 地址字段； 该参数应放在双引号中，与普通的字符型参数相同。 - 整数型的 gsm04.11 tddestinationaddress 中的8位 “类型地址”字段（当的首字符为+（ira 43）时， 缺省值为145；否则缺省值为129） 举例：发送文本方 at+cmgf=1 note：设置以文本方式发送短信 式的短信 ok at+cmgsnote：输入对方号码 sms note：输入短信内容，以 ct

36、rl-z 发送； esc 取消 ok 举例：发送和接收 pdu 方式的短信 at+cmgf=0 ok at+cmgs=16 0891683108200105f011000d91683118087981f60004000168 ok pdu 编码解析： 发送数据：0891683108200105f011000d91683118087981f60004000168 表 3-5 pdu 编码解析 码段含义说明 08 smsc 地址信息的长度共8个八位字节（包括91） 91 smsc 地址格式（ton/npi 用国际格式号码（在前面加+ ） 683108200105f0 smsc 地址 8613800

37、210500，补f凑成偶 数个 11 基本参数（tpmti/vfp）发送,tpvp 用相对格式 00 消息基准值（tp-mr） 0 0d 目标地址数字个数 共13个十进制数（不包括91和 f） 91 目标地址格式（ton/npi） 用国际格式号码（在前面加+ ） 683118087981f6 目标地址（tp-da） 8613800210500，补f凑成偶 数个 00 协议标识（tppid）是普通 gsm 类型,点到点方式 04 用户信息编码方式（tpdcs）8bit 编码 00 有效期（tpvp）5分钟 01 用户信息长度（tpudl）实际长度1个字节 68 用户信息（tpud） 068 接收

38、数据: 0891683108200105f0040d91683184821969f2000470404271726423026869 表 3-6 接收数据 码段含义说明 08 smsc 地址信息的长度共8个八位字节（包括91） 91 smsc 地址格式（ton/npi) 用国际格式号码（在前面加+ ） 683108200105f0 smsc 地址 8613800210500，补f凑成偶 数个 04 基本参数（tpmti/vfp） 0d 回复地址数字个数 91 回复地址格式（ton/npi） 683118087981f6 回复地址（tp-ra） 8613800210500，补f凑成偶 数个 00

39、 协议标识（tppid）是普通 gsm 类型,点到点方式 04 用户信息编码方式（tpdcs）8bit 编码 70404271726423 时间戳（tpscts） 07-04-24 17：27：46 23表示时间区 02 用户信息长度（tpudl）实际长度2个字节 68 用户信息（tpud） 068 069 3.33.3 gtm900cgtm900c 信号连接器和天线接口信号连接器和天线接口 gtm900-c 的信号连接器和天线接口，包括： 信号连接器接口； 天线接口。 3.3.1 信号连接器 gtm900-c 的信号连接器是一个 40 pin 的 zif 连接器，引脚间距为 0.5mm，线距

40、 0.5mm，结构为单排弯式表贴型，带电缆锁紧机构，型号是 hirose 的 fh12-40s- 0.5sh。连接器外形如图 3-3 所示。 图 3-3 连接器外形 3.3.2 天线接口 gtm900-c 提供的天线接口为 gsc 射频连接器，外接天线通过电缆连接到该连接器 上。该连接器是由 hrs 公司提供的，器件编码是 u.fl-r-smt-1(10)，具体的图形和尺 寸如图 3-4 所示。 图 3-4 天线接口连接器尺寸图（单位：mm） 3.3.3 接口信号 表 3-7 信号连接器接口功能表 序 号 信号名称 i/o 接口电平功能备注 1vbati 3.44.7v电源建议典型值：3.8v

41、 2vbati 3vbati 4vbati 5vbati 6gnd- 地 7gnd- 8gnd- 9gnd- 10gnd- 11usb_d+i/o 仅用于模块调测,设计时悬空 12usb_d-i/o 仅用于模块调测,设计时悬空 13vbusi 仅用于模块调测, 设计时悬空。注意： 此管脚与 gtm900-a/b 存在差异，不能 兼容，gtm900-a/b 为 vdd 信号，用于 模块正常启动指示信号。 14adci 01.75v模拟数字采样最高输入电压 15pwoni- 开/关机控制信 号 低电平有效 16uart_dsr0o2.85v(0.1) 数据准备就绪 - 17uart_ri0o2.8

42、5(0.1) 振铃指示 - 18uart_rxd0o2.85v(0.1) gtm900 模块 at 命令串口 发送信号（对端设备接收） 用于 gtm900-c 模块的 at 命令，ttl 电平 19uart_txd0i2.85v(0.1) gtm900 模块 at 命令串行接收信 号（对端设备发 送） 用于 gtm900-c 模块的 at 命令，ttl 电平 20uart_cts0o2.85v(0.1) 清除发送gtm900-c 上 pin 脚定义为输出信号 21uart_rts0i2.85v(0.1) 请求发送gtm900-c 上 pin 脚定义为输入信号 22uart_dtr0i2.85v

43、(0.1) 数据设备准备就 绪 - 23uart_dcd0o2.85v(0.1) 载波检测 - 24sim_cdi2.85v(0.1) sim 卡在位信号目前软件尚不支持, 设计时悬空 25sim_rsto2.85v(0.1) sim 卡复位信号 - 26sim_datai/o2.85v(0.1) sim 卡数据传输 接口 - 27sim_clko2.85v(0.1) sim 卡时钟信号 - 28sim_vcco2.85v(0.1) sim 卡电源 - 29sim_gnd- sim 卡地与通常的工作地：gnd 信号连接同时要 求与 sim 卡的 gnd 信号连接 30vbackupi/o3.0

44、v 备用电池电源信 号 参考后面章节的推荐设计 31rsti2.85v(0.1) 复位信号低电平有效，对模块复位 32lpgo2.85v(0.1) 指示灯状态控制 信号 - 33auxo+o- 第二路音频输出 信号 - 34auxo-o- 第二路音频输出 信号 - 35ear+o- 第一路音频输出 信号 - 36ear-o- 第一路音频输出 信号 - 37mic+- 第一路音频输入 信号 第一路音频单端输入正，内部已经带 直流偏置 38mic- 第一路音频输入 信号 第 39auxi+- 第二路音频输入 信号 第二路音频单端输入正，内部已经带 直流偏置 40auxi- 第二路音频输入 信号 第

45、二路音频单端输入负，内部已经带 直流偏置 3.43.4 接口的使用接口的使用 gtm900-c 各接口的使用，包括：uart 接口；usb 接口；sim 卡接口；rtc backup 接口；audio 接口；lpg 接口。 3.4.1 uart 接口的功能特性 uart 接口与外界进行串行通信，支持 3.00v 电平输入和输出。uart 接口的信号 除了 rxd0、txd0 是高电平有效之外，其余所有信号均为低电平有效。uart 接口有 512 byte 的发送 fifo（first in first out）和接收 fifo，支持可编程的数据宽度、 可编程的数据停止位、可编程的奇/偶校验或者

46、没有校验。uart 接口工作的最大速率 为 115.2kbit/s，默认支持 9600bit/s 的速率，支持波特率掉电保存。 3.4.2 uart 接口信号定义 uart 接口信号定义如表 3-8 所示. 表 3-8 uart 接口信号定义 序号信号名描述特性方向 23uart_dcd0 载波检测数据链路已连接 dce-dte 17uart_ri0 振铃指示通知 dte 有远程呼叫 dce-dte 21uart_rts0 请求发送dte 通知 dce 请求发送 dte-dce 19uart_txd0 发送数据dte 发送数据 dte-dce 16uart_dsr0 数据设备 就绪 dce 准

47、备就绪 dce-dte 22uart_dtr0 数据终端 就绪 dte 准备就绪 dte-dce 20uart_cts0 清除发送ce 已切换到接收模式 dce-dte 18uart_rxd0 接收数据dte 接收串行数据 dce-dte 6gnd 地 - 3.4.3 uart 接口 dce-dte 配线 dce-dte 的连接关系如图 3-4 所示。 图 3-4 dce-dte 的连接关系 第四章第四章 系统硬件设计系统硬件设计 4.14.1 土壤水分传感器的选择与使用土壤水分传感器的选择与使用 4.1.1 土壤水分传感器的选择 快速、准确地测定农田土壤水分，对于探明作物生长发育期内土壤水分

48、的盈亏， 以便适时做出灌溉、施肥决策和排水措施等具有重要意义。 由于土壤水分含量测定的特殊要求以及影响因子的复杂性，有关的测定方法都表 现出这样或那样的不足，比如破坏性、不稳定性、测定适用范围的局限性、对测定人 员具有危害性及需要经常标定、价格昂贵等等，均对这些方法的适应性、测定结果的 可靠性及由于价格原因的推广性有极大的影响。经过综合比较，本课题最终选定了电 容式水分传感器，对一定几何结构的电容式水分传感器，其电容量与两电极间被测物 料的介电常数有正比关系。由于水的介电常数比一般物料的介电常数要大得多，所以 当土壤中的水分增加时，其介电常数相应增大，测量时水分传感器给出的电容值也随 之上升，

49、根据传感器的电容量与土壤水分之间的对应关系可测出土壤的水分。电容式 水分传感器的特点是精度高、量程宽、可测的物料品种多，而且响应速度也较快，可 应用于在线监测实现自动化。但灵敏度稍低，设备较复杂，价格稍贵。 根据被测物料不同，传感器应有不同的结构，这里选用了 lw-02 型水分传感器。 它已通过 humrel 的品质认证，可以很好工作于较恶劣的环境。它有小且易安装的接 头，由于它是线性的电压输出湿度检测模块，因此能直接与微控制器相接，价格相对 便宜，具有较高的性价比。它适用范围广，可用于环境测控、温室大棚、粮食仓储等6。 4.1.2 土壤水分传感器的测量原理及其实现方法 众所周知，空气的介电常

50、数为 1，土壤的介电常数介于 3-7，而自由介电常数达 80. 36（20） ，这种巨大差异表明可以通过测量土壤介电特性来测定土壤含水量。 电磁阀公式： c=rc0=(1+x)c0 （4-1） 其中 c0 表示无介质(即在空气中)时的电容 c 一充入均匀介质后的电容 r 一所充介质的相对介电常数(也称电容率) x 一介质的极化率 由上式可见，充入介质后，原空气中的电容将增至 r倍，介质不同则 r 不同，c 也不同，通过 c 间接反映土壤含水量。 通过振荡电路，很容易把 c 转换成振频频率不同的电信号，把该信号通过单片机 与其它电路转换成标准信号输出。土壤水分传感器的原理框图如图 4. 1 所示

51、。 sn75lb c184 at98c 2051 x25045 看门狗 智能数采 模块 cc4060555 上位机 图 4.1 土壤水分传感器原理框图 探头的设计，这里以一根较粗的绝缘探针作为电容的正极，以八根连接在一起的 绝缘探针作为电容的负极，这样随着夹在两极板之间的介质的湿度不同，电容值也就 不同，而土壤湿度不同，其介质系数也是不同的，从而实现了土壤湿度的数字化。在 实验中发现，采用两极板的方式受土壤松紧度的影响较大，且不够稳定，影响了传感 器的稳定性和可靠性，因此，采用了绝缘探针的方式，因为探针较尖，插入土壤比较 容易，且对土壤松紧度的影响较小，封闭性较好，能够构成完整的闭合电容，系统

52、比 较稳定。探头的探针必须是绝缘的，这里采取了搪瓷的方法，因为瓷在土壤中不会被 腐蚀，绝缘性好，且质地坚硬，耐-磨性较好，可以达到理想的效果。 通过一个 555 振荡电路产生一个近似方波信号。由频率计算公式 f=1. 43/( ra+rb) c 可知，在 ra和 c 一定的情况下，只要改变 rb的值，就可以改变输出频率 f 的值。 这样，整个电路的调节就集中到电阻 rb上了，只要调节电阻 rb，就可以来调节电路 的输出；同时，振荡器输出波形的占空比为 q=ra/ (ra+ra )，只要 ra与 rb的比值越 大，输出的波形就越接近方波，得到的值就越接近理想值。取 ra 为 100k，取 rb

53、为 3k，这样输出的波形就近似为方波(rb 为可调电阻)。在其他参数一定的情况下，电容 值不同，输出的波形周期也不同，从而实现了电容与周期的一一对应。 输出的方波信号的频率是比较高的，因此需要通过一个 cc4060 芯片对其进行分 频，以便单片机能进行处理。我们经常需要把高频信号加以分频得到较低频率的信号， cc4060 有 10 个输出端最小可得到 16 分频，最大可得到 16348 分频，这样大的分频范 围给了一个自由选择的空间。 经过 16 分频的方波信号输入 at89c51 单片机，由软件对输入的信号进行处理， 通过分段拟合，以降低误差，同时进行查表计算，获得相应的湿度值。利用看门狗来

54、 实时监控，还需要进行通讯编程并借助智能数据采集模块实现与上位机之间的数据传 输与命令传输。 采用 x25045 对电路进行保护，在故障情况下对数据进行保存。看门狗电路在现在 的电路设计中的应用是非常普遍的，x25045 把三种常用的功能:看门狗定时器，电压监 控和 e2prom 组合在单个封装之内，这种组合降低了系统成本并减少了对电路板空间 的要求。看门狗定时器对微控制器提供了独立的保护系统。当系统故障时，在可选的 超时周期之后，看门狗将以 reset 信号作出响应。用户可从三个预置的值中选择此周 期。一旦选定，即使在电源周期变化之后，此周期也不改变。利用 x25045 低 vcc 检 测电

55、路，可以保护系统使之免受低电压的影响。当 vcc 降到最小转换点以下时，系统 复位。复位一直确保到 vcc 返回且稳定为止。 单片机输出的是 rs232 信号，其传输距离比较短，最大为 15 米，极大地限制了信 号的传输：与之相比，rs485 信号的传输距离可达到 1200 米左右，再加上两级中继后， 能达到 3000 米以上。通过 sn75lbc184 对信号进行转换，这样，只要在上位机的端口 加上一个 d485 转换头，就可以实现信号的转换和数据的传输了。同时，sn75lbc184 的片内 a，b 引脚接有高能量瞬变干扰保护装置，这种结构能承受 400w 的过压瞬变， 从而显著地提高了器件

56、抗过压瞬变的可靠性。普通的 rs485 收发器很容易被过压瞬变 损坏，如果要有效加以保护，一般需外加包括隔离变压器在内的保护器件。若使用 lbc184，可直接与传输线相接而不需要任何外加保护元件，这提供了一种可靠、低价 和简单的设计方案。该器件还具有合适于电噪声环境中的合用数据总线应用的许多特 点5。 lw-o2 土壤湿度传感器的整体电路图如图 4.2 所示。 图 4.2 土湿传感器的整体电路图 4.1.3 传感器在田间的埋设 选择合适的埋设位置和正确埋入传感器是精确、可靠地进行土壤含水量测定所必 须在进行埋设工作时要遵循下列一些原则： 埋设点应选在处理方便，不受田块边界作用影响，土壤、气候、

57、作物生长及灌 溉系统都具有代表性的地段，此处不应干燥得太快，也不应处于低洼地或较其它部分 位置积水时间长或更潮湿的地块。 必须埋在根系活动集中层内，该处为作物大部分吸水发生部位，需给予重点关 注。最好能在各点或不同深度分层埋设若千传感器。对于浅层根系作物，如大多数蔬 菜作物，可在 1015cm， 2540cm 深度之间各埋一个。对于扎根较深的作物，如玉米、 果树等，可考虑在 15cm， 40cm， 80cm 处各埋一个，这时只有在三个传感器的测量 结果都显示缺水时才开始灌溉。分层埋设时，应将各传感器的导线头引到埋设处的地 表，在导线头上做好不同埋深的标记，以便和传感器信号处理电路连接。 对于较

58、长时间的连续观察，探头最好能与垂线呈一定角度安放(一般取 100450)， 这样可以减小土壤的非均质性，作物根系的垂直生长特性以及垂直干裂 隙、蛆叫洞等的影响，并可克服垂直安放探头易引发干裂缝及孔洞，从而造成降雨或 灌水时水分沿探头下渗的弊端。 传感器在洞内放好后，要加入少量细土，压实，灌入少量水，然后再填一些土。 同时应注意用细砂布裹在传感器外，以避免砂粒进入探头内影响测量效果。 总之，在传感器埋设时，应请教有关专家，了解作物的有效根系活动范围和土壤 土质况，以便选择好埋设传感器的位置、深度和数量，保证测量结果的可信性 8。 4.24.2 单片机的选择单片机的选择 4.2.1 单片机的发展概

59、况及其选择 随着电子技术、微电子技术的飞速发展，微型计算机发展很快，单片机作为计算 机的一个独特的分支，它是在一块芯片上集成了多种功能部件所构成的一台完整的、 具有一定功能的单片微型计算机。 根据本课题的特点，这里选 atmel 公司 89 系列的标准型单片机 at89c5118 4.2.2 89c51 单片机性能与应用 at89c51 是一种低功耗、高性能的 8 位单片机，片内带有一个 4k 字节的 flash 可 编程可擦除只读存储器(eprom)，它采用了 cmos 工艺和 atmel 公司的高密度非易失性 存储器(nuram)技术，而且其输出引脚和指令系统都与 mcs-51 兼容。片内

60、的 flash 存 储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程器来编程。因此 at89c51 是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，它可方便地应用在各种控制领域。19 at89c51 的主要性能有20: 与 mcs-51 微控制器产品兼容； 4kb 可改编程序 flash 存储器；(可经受 1， 000 次的写入/擦除周期) 全静态工作：0hz-24mhz； 三级存储器保密； 128x8 字节内部 ram； 32 条可编程 i/0 线； 2 个 16 位定时器/计数器； 6 个中断源； 可编程串行通道； 片内时钟振荡器； 空闲状态维持低功耗和掉电状态保存片内以 ram 中的内容。