基于DSP控制的節水灌溉系統研究

李佳林，劉永春

（四川理工學院 四川 自貢 643000）

基于DSP控制的節水灌溉系統研究

李佳林，劉永春

（四川理工學院 四川 自貢 643000）

設計了一種基于DSP控制的節水灌溉系統，用于實時監控土壤濕度狀況，自動實現對土壤的節水灌溉。系統以TMS320C5402為核心，采用AQUA－TEL－TDR傳感器的TDR原理，將輸出的電信號通過MAX1246轉化為數字信號；通過串口與PC機相連，PC機將計算出所需的灌溉量和時間并反饋給C5402，啟動報警裝置和開始灌溉。

節水灌溉；TMS320C5402；AQUA－TEL－TDR；MAX1246；MAX3111

TMS320C5402具有低功耗，低成本，高性能等特點，可廣泛用于科研教學，圖像處理，工業控制等領域。

目前，基于單片機的控制的節水灌溉系統不能實時，迅速地做出反應，而且穩定性不高，因此，筆者就針對這些問題，討論了基于TMS320C5402的節水灌溉系統在農業當中的應用。

1 節水灌溉系統的設計方案

基于DSP控制的節水灌溉系統主要用于現代農業的智能管理。該系統通過AQUA－TEL－TDR傳感器檢測土壤濕度，然后將所檢測到的土壤濕度模擬量通過A/D轉換器轉化為數字量，上傳到TMS320C5402進行分析處理，并在LCD上顯示土壤的相對濕度；同時TMS320C5402采用串行通信方式將濕度值傳輸到PC機，PC機通過設定程序計算出所需的灌水量和灌水時間，并顯示于電腦界面，將相關信息反饋給TMS320C5402[1]。

若需灌水，則TMS320C5402啟動報警裝置，發出灌水信號，通過放大驅動設備，打開電磁閥進行倒計時灌水；如無需灌水，則PC機上所需灌水時間和灌水量均為0。

圖1為節水灌溉系統的系統機構框圖，它主要由TMS320 C5402為核心控制元件，LED顯示，A/D轉換器，AQUA－TELTDR傳感器及PC機等。

圖1 系統總體結構圖Fig.1 Overall structure of the system

2 系統硬件設計

2.1 數據采集模塊

數據采集模塊主要包括采集土壤的濕度值和串行采樣芯片MAX1246.該系統采用性價比高的QUA－TEL－TDR土壤水分傳感器，該傳感器采用先進的TDR原理，可直接輸出電信號；并且適用于任何類型的土壤，可長期埋沒于土壤中，測量誤差：0－100%，誤差：＜3%，功耗低，質量輕，便于攜帶.MAX1246是將AQUA－TEL－TDR土壤水分傳感器輸出的電信號轉換為數字信號，MAX1246工作能耗低，采樣速度轉換快，精度高，以及接口邏輯簡單，可進行靈活的編程控制。

TMS320C5402所發送的時鐘信號CLKX0作為MAX1246的串行時鐘信號SCLK，同時發送的時鐘信號CLKX0作為TMS320C5402所接收的時鐘信號CLKR0，C5402的數據發送端DX0與MAX1246的數據輸入端DIN連接，MAX1246的數據輸出端DOUT連接至C5402的數據接收端DR0，MAX1246的串行選通輸出SSTRB接到C5402的FSR0，C5402的XF提供MAX1246的片選信號[2]。

圖2 C5402與MAX1246的接口電路Fig.2 C5402 and MAX1246 interface circuit

2.2 LCD顯示系統電路

選用 FYD12864作為液晶顯示模塊，其成本低，具有靈活的接口方式和簡單方便的操作指令，并且內部含有國標一級，二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊。顯示電路如圖3所示，首先設置TMS320C5402的引腳CLKMD1，CLKMD2，CLKMD3為101，使得TMS320C5402工作于外部晶振PLL*1的模式下。FYD12864的PSB引腳連接+5 V，是LCD工作于4位或8位的并口模式，A，K引腳分別接+5 V和GND，從而啟動LCD背光。然后將TMS320C5402的P0－7口與FYD12864的數據端口進行連接，3條地址線分別控制FYD12864的RS，R/W以及復位RESET引腳。

圖3 LCD顯示系統電路Fig.3 LCD display system circuit

2.3 超限報警電路

本系統采用簡易的聲光報警電路，該報警設備選用電壓式蜂鳴器，驅動該報警器只需要10 mA的電流，因此只需要在兩條引線上加3～15 V的直流電壓，便可產生3 kHz左右的蜂鳴聲音，蜂鳴器的一端接在高電平+5 V，另一端接P1.0，在初始態P1.0時，始終輸出高電平1。當報警器需要報警時，則只需對其端口清零即可，運用延時程序實現其聲音的長短。圖中的發光二極管LED為超高線報警器，當P1.1端輸出為低電平0時，二極管導通，燈光發出報警信號[3]。

圖4 超限報警電路Fig.4 Transfinite alarm circuit

2.4 TMS320C5402與PC機串行通信接口

要實現DSP與PC機的正常通信，主要是實現TMS320C 5402與MAX3111的接口設計。當TMS320C5402的McBSP串行接口工作于SPI模式下，便可直接與MAX3111進行連接，最終實現與RS－232設備的異步數據傳輸。其接口電路如圖所示，C5402發送時鐘信號CLKX作為MAX3111的串行時鐘輸入，而發送的幀同步信號FSK作為MAX3111的片選信號CS，DX作為發送數據的發送端與DIN相連，DR作為接收數據的接收端。MAX3111的TX和RX端分別接至TIN和TOUT，這樣便可實現UART與RS－232電平裝換，同時將MAX3111的IRQ中斷信號與C5402的以外部中斷相連，即可實現該中斷方式下，數據的正確，可靠傳輸[4]。

圖5 串口通信電路Fig.5 Serial communication circuit

3 系統軟件設計

該設計是為了實現TMS320C5402與PC機之間的應答式雙向傳輸，主要是對McBSP的各個寄存器及MAX3111進行設計，使得他們的時序保持一致，并符合PC機的串口通信協議。選擇C語言進行編寫程序，以便于該軟件的可移植性和可讀性。圖6和圖7分別為中斷程序和主程序流程圖。

圖6 中斷程序流程圖Fig.6 Interrupt program flow chart

4 實驗結果

實驗結果表明：采用TMS320C5402實現的節水灌溉系統，能夠準確的檢測土壤的濕度變化情況，當檢測值小于預定值時，系統將啟動灌溉裝置，同時啟動報警器。通過PC機又可以修改預定值，從而改變所需的灌溉量和灌溉時間，該系統具有良好的人機界面和操作性能。

圖7 主程序流程圖Fig.7 Main program flow chart

5 結束語

該系統采用TMS320C5402為控制器核心，實現了對土壤濕度的自動檢測和灌溉控制。運用C5402的高速處理數據的能力，完成了對土壤濕度信號的采集，處理以及顯示，通過PC機計算出所需灌溉量和時間反饋給C5402，從而達到了自動控制灌溉的目的。該系統功耗低，成本低，操作簡單，可擴展性強，不但實現了對土壤濕度的實時監控，而且也避免了水資源浪費，實現了高產節水的目的[5-6]。

[1]王琴芳.單片機控制的節水灌溉系統的研究 [D].武漢：華中科技大學，2005.

[2]汪春梅，任志剛.TMS320C5000系列DSP系統設計與開發實例[M].北京：電子工業出版社，2004.

[3]鄒龍龍.農業節水灌溉系統的設計與開發[D].吉林：吉林農業大學，2011.

[4]戴杉虎.片機在節水灌溉系統中的應用 [J].機電工業技術，2011，40（8）:139-140.

DAI Shan-hu.SCM in the application of water-saving irrigation control system[J].Electrical and Mechanical Industrial Technology，2011，40（8）:139-140.

[5]耿林，周蕓.自動化節水灌溉在四川簡陽的應用研究[D].成都：四川省水利科學研究院，2006.

[6]崔粉玉.節水灌溉工程應注意的幾個問題 [J].吉林蔬菜，2010（2）：109-110.

CUI Fen-yu.Water-saving irrigation engineering several problems which should be paid attention[J].Jilin Vegetables，2010（2）：109-110.

Research of water-saving irrigation control system based on DSP

LI Jia-lin，LIU Yong-chun
（Sichuan University of Science&Engineering， Zigong 643000， China）

A water-saving irrigation control system based on DSP is presented，which can be applied to real-time monitoring for the soil moisture and also realize the automatic water-saving irrigation on Soil.The system is controlled by TM S320C5402，and adopts the TDP principle of the AQUA－TEL－TDR sensor to transfer the electrical signals into digital signals through MAX1246； moreover， through the serial port， it can be connected with PC which will calculate the required amount of irrigation and time， and then feedback them to C5402， finally， start the alarm device and begin to irrigate.

water-saving irrigation； TMS320C5402； AQUA－TEL－TDR； MAX1246； MAX3111

TP277

A

1674－6236（2013）04－0107－03

2012－10－16稿件編號201210101

李佳林（1987—），男，四川內江人，碩士研究生。研究方向：嵌入式開發，圖像視頻采集。