基于61单片机农牧区新能源智能喷灌系统设计与实现

兰 萍，袁志朋，刘旭光，刘洪春，顿 珠

（西藏大学 工学院 电子信息系，西藏 拉萨 850000）

农业、牧业都离不开水，而水资源的总量又是有限的，而且很多地方水资源的运送非常困难，所以如何更加节约水资源、如何更加有效率的利用有限的水资源是一个非常严峻的问题。为了有效节约水资源、提高水资源利用率，本文结合几种较常见的传感器与SPCE061A单片机、太阳能电池板设计了一款比较廉价的、自带能源的、更好的适应于西藏牧区的智能喷灌系统。本文的设计可以在一定程度上提高水资源的利用率，也可以为智能灌溉的发展提供一个参考方向。

1 系统设计方案

1.1 系统硬件设计

文中设计中硬件包括，凌阳公司的SPCE061A单片机1和太阳能电池板2、控制器、蓄电池、土壤湿润传感器、光照传感器、雨滴传感器、小型抽水机、灭蚊灯、逆变器、继电器3等。本文中主要利用土壤湿润传感器、光照传感器、雨滴传感器4采集环境信息并传递给单片机，通过SPCE061A单片机对传感器数据进行分析5和计算控制控制抽水机、音乐播放、灭蚊器工作。

1.1.1 SPCE061A简介

SPCE061A 是 继 μ’nSPTM（Microcontroller and Signal Processor）系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器。与SPCE500A不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A里只内嵌32K字的闪存（FLASH）。较高的处理速度使μ’nSPTM能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。16位 µ；’nSPTM微处理器；工作电压（CPU）VDD 为 2.4～3.6 V （I/O）VDDH 为 2.4～5.5 V；CPU 时钟：0.32～49.152 MHz；内置 2 K字 SRAM；内置 32 K FLASH；可编程音频处理；晶体振荡器；系统处于备用状态下（时钟处于停止状态），耗电仅为2µ；A@3.6 V；个16位可编程定时器/计数器（可自动预置初始计数值）；2个10位DAC（数－模转换）输出通道；32位通用可编程输入/输出端口；14个中断源可来自定时器A/B，时基，2个外部时钟源输入，键唤醒；具备触键唤醒的功能；使用凌阳音频编码SACM_S240方式（2.4 K位/秒），能容纳210秒的语音数据；锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；32768 Hz实时时钟；7通道10位电压模－数转换器（ADC）和单通道声音模－数转换器；声音模－数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制（AGC）功能；具备串行设备接口；具有低电压复位（LVR）功能和低电压监测（LVD）功能；内置在线仿真电路ICE（In-Circuit Emulator）接口；具有保密能力；具有WatchDog功能。

1.1.2 SPR4096简介

针对凌阳科技公司的存储器芯片SPR4096/SPR1024，开发的简易烧写器。该烧写器配合PC机ResWriter工具（凌阳科技教育推广中心提供，下文叙述），通过EZ-Probe下载线，完成对SPR4096/1024存储器芯片的擦除、写入、校验等功能。并且在SPR模组上留有与SPCE061A单片机的接口，可以很容易地实现SPR模组与61板连接。

1.1.3 系统工作原理简介

采集各种牧草适宜的湿度信息存入单片机，在单片机里录入程序每隔一段时间控制系统通过湿度传感器将土壤中的湿度测量出来并且传给单片机，然后单片机将收到的湿度与牧草所需的湿度相对比，如果湿度大于或等于牧草所需湿度则程序停止，如果湿度小于牧草所需湿度，则在夜晚到来的时候单片机控制系统开始喷灌，同时传感器继续测量土壤湿度，一旦土壤湿度达到牧草所需湿度则立即停止喷灌。而系统所带的降雨传感器则在系统开始工作时监测天气，一旦出现降雨，马上通知系统让整个系统处于暂停阶段，降雨结束后，湿度传感器重新测量土壤湿度，如果湿度大于或等于牧草所需湿度则程序停止，如果湿度小于牧草所需湿度，则单片机控制系统开始喷灌，同时传感器继续测量土壤湿度，一旦土壤湿度达到牧草所需湿度则立即停止喷灌。太阳能电池板则在平时阳光充足时收集太阳能，并将电能存入系统所带电瓶，在太阳能不充足无法支撑整个系统运转时使用，这样可以保证系统在一般情况下野外生存，不用自备备用电池、更不用时时人工监测。而光照传感器通过AD采样区分白天黑夜，当黑夜到来的时候控制灭蚊灯点亮消除蚊虫的威胁。大量的科学研究及事实表明音乐有加速动植物生长的效果，所以在单片机里存有简单的音乐，当白天点亮充足的时候让喇叭播放音乐。

下面列出实施方案的硬件部分框图，如图1所示。

图1 实施方案的硬件部分框图Fig.1 The part of the hardware block diagram of implementation plan

1.2 SPCE061A单片机软件设计

SPCE061A单片机软件[6]主要包括初始化函数、音乐播放子函数、D/A函数以及主函数。值得一提的是本设计将控制的核心部分放在为播放音乐提供数据的中断里，实现了控制的及时性，为其它需要较高实时性的项目提供了一个巧妙的实现方法。软件设计的主程序流程框图见图2，子函数详细功能见表1。

表1 子函数功能说明Tab.1 The explaining function of subfunction

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

2 测试结果

利用太阳能提供能源、单片机主控、各种传感器辅助对农牧场实施智能喷灌已经实现。同时在原有的基础上添加了灭蚊灯的功能，可以有效驱除蚊虫的威胁、更能在夜晚给牧民带来一丝温暖、一份心灵上的慰藉。因为音乐在促进动植物生长上的显著效果，我们添加了音乐播放功能，除了促进动植物的生长外更能给牧民排解部分孤独。电路中设计有USB手机充电口，所以我们多了一个惊喜的功能。系统可以为牧民提供随时充电的功能、更加人性化。

3 整体实物图

图3 整体实物图Fig.3 Overall physical figure

本项目运用凌阳公司的SPCE061A单片机作为主控芯片结合太阳能电池板、控制器、蓄电池、土壤湿润传感器、光照传感器、雨滴传感器、小型抽水机、灭蚊灯、逆变器、继电器等制作了一套使用太阳能为系统供能的适用于农牧区的新能源智能喷灌系统，整体实物图如图3所示。

4 结束语

文中结合几种较常见的传感器与SPCE061A单片机、太阳能电池板设计了一款比较廉价的、自带能源的、更好的适应于西藏牧区的智能喷灌系统。这样不仅能够锻炼学生单片机的使用更能让学生学习到如何将单片机与各种模块联合使用。本文的设计可以在一定程度上提高水资源的利用率，也可以为智能灌溉的发展做一个参考方向。

[1]罗亚非.凌阳十六位单片机应用基础[M].北京：北京航空航天大学出版社，2005.

[2]高援朝.太阳能实用技术[M].北京:农业出版社，1988.

[3]康华光.电子技术基础模拟部分[M].5版.北京：高等教育出版社，2006.

[4]王化祥.传感器原理及应用 [M].天津:天津大学出版社，2007.

[5]托马斯·科尔曼，查尔斯·泪瑟尔森.算法导论[M].北京:机械工业出版社，2013.

[6]谭浩强.C程序设计[M].3版.北京：清华大学出版社，2005.