硬件電路部分設(shè)計(jì)

1、硬件電路部分設(shè)計(jì) A. 濕度傳感器方案我們采用通DX-S2型土壤濕度傳感器，通過測出被測土壤的介電常數(shù)，并根據(jù)土壤容積含水率與土壤介電常數(shù)之間的非線性關(guān)系推導(dǎo)出土壤的容積含水率和重量含水率。本傳感器對土壤水分變化有很高的靈敏度，因此溫度、鹽分、土壤性質(zhì)變化因素的影響相對比較小，如果要求測量結(jié)果準(zhǔn)確度高，應(yīng)酌情對這些因素的影響進(jìn)行修正?；虿扇∑渌胧p少這些因素的干擾。濕度傳感器各項(xiàng)參數(shù)如下：測量參數(shù) 土壤容積/重量含水率 量 程 450%（絕對重量含水率） 精 度 誤差不超過2% 響應(yīng)時(shí)間 響應(yīng)在1秒內(nèi)進(jìn)入穩(wěn)定 工作環(huán)境 -30+55 工作電壓 4.55.5VDC，典型值5.0VDC

2、 工作電流 50mA 輸出信號 02.5VB.運(yùn)算放大器方案傳感器輸出的電壓信號為毫伏級，需要通過運(yùn)放將信號放大，對運(yùn)算放大器要求很高。 基于此，我們考慮了可以采用以下幾種方案： 方案 一 、利用普通低溫漂運(yùn)算放大器構(gòu)成多級放大器。 普通低溫漂運(yùn)算放大器構(gòu)成多級放大器會引入大量噪聲。由于 A/D 轉(zhuǎn)換器需要很高的精度，所以幾毫伏的干擾信號就會直接影響最后的測量精度。在調(diào)試中誤差較大，所以，此種方案不宜采用。 方案二、由高精度低漂移運(yùn)算放大器構(gòu)成差動放大器。 差動放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點(diǎn)，可以利用普通運(yùn)放 ( 如LM324) 做成一個(gè)差動放大器。 U1-U3組成儀表放大器,U4構(gòu)成電壓

3、跟隨器,用于調(diào)零電路. 基于以上分析，我們采用此種放大方式，（四集成度,芯片型號LM324）C.電機(jī)方案 由于對澆灌機(jī)械臂的轉(zhuǎn)速要求不高，且要實(shí)現(xiàn)精確定位，而且步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。由此，電機(jī)采用四相六線混合式步進(jìn)電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對噴灌機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動控制。 在最初的電機(jī)驅(qū)動方案中，采用L298芯片+二極

4、管吸收電路，用設(shè)計(jì)好的開關(guān)電源給L298以及步進(jìn)電機(jī)供電。電路經(jīng)keil+proteus仿真后可以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制，仿真階段未出現(xiàn)任何問題。電路圖如下： 但此電路在實(shí)際調(diào)試中，由于從l298的2、3、13、14腳輸出信號變化較快，二極管導(dǎo)通出現(xiàn)問題；電機(jī)正轉(zhuǎn)調(diào)試c語言子程序如下：#include<reg51.h>void delay1s(void) unsigned char j,k; for(j=50;j>0;j-) for(k=100;k>0;k-); main() unsigned char a8=0x24,0x35,0x11,0x39,0x28,0x3a,0x1

5、2,0x36 ; unsigned char b; unsigned char i=0;while(i<=50) for(b=0;b<8;b+) P1=ab; delay1s();i+; 1、電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制：上程序中，通過j、k的取值，可以控制延時(shí)程序延時(shí)的時(shí)間，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)速度的控制。實(shí)際應(yīng)用中，可將其設(shè)置為函數(shù)間接口的變量，以實(shí)現(xiàn)調(diào)速。2、電機(jī)的轉(zhuǎn)動位置控制：在while循環(huán)中，沒執(zhí)行一次，電機(jī)轉(zhuǎn)動一個(gè)齒距角。由于所用電機(jī)為50齒，所以每完成一次上述程序，電機(jī)轉(zhuǎn)動一周。轉(zhuǎn)動角度與i的取值關(guān)系為：可以將i設(shè)置成函數(shù)間接口的變量，通過對其賦值實(shí)現(xiàn)精確定

6、位。3、實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)程序只需將0x24,0x35,0x11,0x39,0x28,0x3a,0x12,0x36的順序倒過來，即依次為0x36,0x12,0x3a,0x28,0x39,0x11,0x35,0x24，依次循環(huán)。在運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的各項(xiàng)性能已經(jīng)滿足使用需要，但仍有需改進(jìn)的地方：此電機(jī)在高頻狀態(tài)，轉(zhuǎn)速較高時(shí)，易出現(xiàn)丟步、振動現(xiàn)象，需用細(xì)分方案來解決；另外，電機(jī)驅(qū)動電路的散熱方法亦非盡善盡美，需要更好的解決方案。D顯示部分設(shè)計(jì)：在每次濕度傳感器采集到數(shù)據(jù)時(shí)，由單片機(jī)驅(qū)動液晶顯示器顯示土壤濕度。我們選用了成都市飛宇達(dá)實(shí)業(yè)有限公司出品的FYD12864-0402B型的液晶顯示模塊。此模塊提供硬體

7、光標(biāo)及閃爍控制電路，由地址計(jì)數(shù)器的值來指定DDRAM中的光標(biāo)或閃爍位置。該模塊具有2.75.5V的寬工作電壓范圍，且具有睡眠、正常及低功耗工作模式，可滿足系統(tǒng)各種工作電壓及便攜式儀器低功耗的要求。液晶模塊顯示負(fù)電壓，也由模塊提供，從而簡化了系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)。模塊同時(shí)還提供LED背光顯示功能。除此之外，模塊還提供了畫面清除、游標(biāo)顯示/隱藏、游標(biāo)歸位、顯示打開/關(guān)閉、顯示字符閃爍、游標(biāo)移位、顯示移位、垂直畫面旋轉(zhuǎn)、反白顯示、液晶睡眠/喚醒、關(guān)閉顯示等操作指令。下圖為液晶顯示程序流程圖： 下圖為proteus仿真圖： E 、舵機(jī)控制方案 舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的

8、控制系統(tǒng)。其工作原理是：控制信號由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角的控制，必須首先完成兩個(gè)任務(wù)：首先是產(chǎn)生基本的PWM周期信號，本設(shè)計(jì)是產(chǎn)生20ms的周期信號；其次是脈寬的調(diào)整，即單片機(jī)模擬PWM信號的輸出，并且調(diào)整占空比。當(dāng)系統(tǒng)中只需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)舵機(jī)的控制，采用的控制方式是改變單片機(jī)的一個(gè)定時(shí)器

9、中斷的初值，將20ms分為兩次中斷執(zhí)行，一次短定時(shí)中斷和一次長定時(shí)中斷。這樣既節(jié)省了硬件電路，也減少了軟件開銷，控制系統(tǒng)工作效率和控制精度都很高。 具體的設(shè)計(jì)過程：例如想讓舵機(jī)轉(zhuǎn)向左極限的角度，它的正脈沖為2ms，則負(fù)脈沖為20ms-2ms=18ms，所以開始時(shí)在控制口發(fā)送高電平，然后設(shè)置定時(shí)器在2ms后發(fā)生中斷，中斷發(fā)生后，在中斷程序里將控制口改為低電平，并將中斷時(shí)間改為18ms，再過18ms進(jìn)入下一次定時(shí)中斷，再將控制口改為高電平，并將定時(shí)器初值改為2ms，等待下次中斷到來，如此往復(fù)實(shí)現(xiàn)PWM信號輸出到舵機(jī)。用修改定時(shí)器中斷初值的方法形成了脈沖信號，調(diào)整時(shí)間段的寬度便可使伺服機(jī)靈活運(yùn)動。F

10、.電源部分設(shè)計(jì)對于此系統(tǒng)的供電問題，由于需要對電機(jī)供電，因此需要大電流，傳統(tǒng)的線性電源，體積笨重，內(nèi)阻大，效率低，大電流時(shí)驅(qū)動負(fù)載能力差，因此我們采用了開關(guān)電源，內(nèi)阻小，適合強(qiáng)電流供電。其電路圖如上，通過電路的連接，我們得到了12V (2A)5V（1A）3.5V（1A）三路電源，而且調(diào)試成功。對于此電路有一個(gè)亮點(diǎn)就是，電源系統(tǒng)中有兩個(gè)開關(guān)控制電路，一個(gè)是對強(qiáng)電的開關(guān)控制，另外一個(gè)是對變壓器副邊整流后電壓的開關(guān)控制以達(dá)到穩(wěn)壓目的，普通的穩(wěn)壓管，如果整流后的電壓為16V而穩(wěn)壓管是12V則在負(fù)載電流為1A時(shí)，穩(wěn)壓管的功率是4W，此時(shí)穩(wěn)壓管發(fā)燙，而且電能浪費(fèi)，而對于由UA741控制的初步穩(wěn)壓電路可以實(shí)

11、現(xiàn)在負(fù)載電流為1A使穩(wěn)壓功耗不足1W. 電路原理圖如下： G、對單片機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì) 在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程中，由于處理中斷較多，我們感覺到51單片機(jī)的片內(nèi)資源不夠，增加芯片勢必增加電路板的體積。所以我們最后學(xué)習(xí)并采用了MSP430的單片機(jī)來改進(jìn)我們的系統(tǒng)。 MSP430F247單片機(jī)具有超低功耗、集成高性能的模擬器件、16位RISC結(jié)構(gòu)的CPU、在線編程、多時(shí)鐘、集成開發(fā)環(huán)境簡單等特點(diǎn)。片內(nèi)資源豐富,有ADC，PWM，若干TIME，串行口，WATCHDOG，F(xiàn)LASH，比較器，模擬信號等。另外在本系統(tǒng)中我們需要應(yīng)用多路A/D轉(zhuǎn)換功能，本單片機(jī)剛好為我們提供了8路A/D轉(zhuǎn)換接口。同時(shí)本單片機(jī)具有強(qiáng)大的處理

12、功能，采用了精簡指令集（ RISC ）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（ 7 種源操作數(shù)尋址、 4 種目的操作數(shù)尋址）、簡潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在 8MHz 晶體驅(qū)動下指令周期為 125 ns 。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。低功耗是目前一項(xiàng)很令人關(guān)注的性能指標(biāo)，MSP430 系列單片機(jī)的電源電壓采用的是 1.83.6V 電壓。因而可使其在 1MHz 的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)， 芯片的電流會在 200400uA 左右，時(shí)鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有 0.1uA 。其次是獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)?；緯r(shí)

13、鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)（ FLL 和 FLL+ ）時(shí)鐘系統(tǒng)或 DCO 數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)。由系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生 CPU 和各功能所需的時(shí)鐘。并且這些時(shí)鐘可以在指令的控制下，打開和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對總體功耗的控制。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時(shí)，用中斷請求將它喚醒只用 6us 。并且該單片機(jī)內(nèi)的片內(nèi)可擦寫FLASH為我們提供了一個(gè)很方便的存儲器，即使在掉電的情況下也不會改變內(nèi)部的數(shù)據(jù)。Msp430F247單片機(jī)的種種功能剛好滿足了我們的需求，正是它的存在，是我們的系統(tǒng)更加完善。 程序清單A、程序流程符合濕度要求，重置定時(shí)器定時(shí)（10分鐘），單片機(jī)待機(jī)不符合要求30s后響應(yīng)中斷驅(qū)動濕度傳感器電路，采集數(shù)據(jù)，看是否

14、符合濕度要求，并輸出此時(shí)濕度單片機(jī)重置定時(shí)器計(jì)數(shù)后待機(jī)，使定時(shí)器30秒后發(fā)出中斷信號根據(jù)分析結(jié)果，調(diào)用電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)子程序，同時(shí)控制電機(jī)與舵機(jī)分別旋轉(zhuǎn)、擺動，并打開節(jié)流閥，驅(qū)動水泵實(shí)現(xiàn)精確定位，完成澆灌調(diào)用土壤濕度分析子程序（即與標(biāo)準(zhǔn)濕度相比較），計(jì)算出土壤需要澆灌的部分，并計(jì)算出干濕度以決定澆灌用水量（由噴灌時(shí)間決定）利用單片機(jī)內(nèi)定時(shí)器計(jì)數(shù)器，每隔10分鐘（可調(diào)）定時(shí)向單片機(jī)發(fā)出中斷信號單片機(jī)處于低功耗狀態(tài)，等待中斷信號單片機(jī)相應(yīng)中斷，驅(qū)動濕度傳感器電路，使?jié)穸葌鞲衅鞴ぷ?，采集?shù)據(jù)并將其傳至單片機(jī)，由單片機(jī)驅(qū)動液晶顯示器輸出土地情況B、 部分模塊驅(qū)動程序： 1、液晶驅(qū)動： /*初始化液晶*/voi

15、d initLCD(void) Delayms(50); WR_COM(0x30); Delay10us(20); WR_COM(0x30); Delay10us(5); WR_COM(0x0c); Delay10us(20); WR_COM(0x01); Delayms(20); WR_COM(0x06); WR_COM(0x0c); CLR(); /*清屏*/void CLR(void)Busy(); RS_0; RW_0; E_1; _NOP(); P4OUT=0x01; E_0;/*寫控制字函數(shù)*/void WR_COM(unsigned char ins) Busy();RS_0;R

16、W_0;E_1; P4OUT=ins;E_0;/*寫數(shù)據(jù)函數(shù)*void WR_DAT(unsigned char dat) Busy();RS_1;RW_0;E_1;P4OUT=dat;E_0;/*初始化I/O*void LCD_port_init(void) P5SEL =0X00; P4SEL =0X00; P5DIR|=BIT0; P5DIR|=BIT1; P5DIR|=BIT2; P4DIR =0XFF; P4OUT=0X00; initLCD();2、 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動：void delay1s(void) unsigned char j,k; for(j=50;j>0;j-) f

17、or(k=100;k>0;k-); main() unsigned char a8=0x24,0x35,0x11,0x39,0x28,0x3a,0x12,0x36 ; unsigned char b; unsigned char i=0;while(i<=50) for(b=0;b<8;b+) P1=ab; delay1s();i+; void power(float t/*速度值,保留一位小數(shù)*/,unsigned char m) unsigned char gaodu=0; uchar b,c,d,e,f,g; f=m; while(f) for(c=0;c<5;c

18、+) for(b=8;b>0;b-) g=b-1; P3OUT=ag; power_delay(t); f-; gaodu=m-f; d=gaodu/10; e=gaodu%10; now_hight9=d+0x30; now_hight10=e+0x30; write_char(now_hight,0,1); void anti_power(float t/*速度值,保留一位小數(shù)*/,unsigned char m) unsigned char gaodu=0; uchar b,c,d,e,f; f=0; while(m) for(c=0;c<5;c+) for(b=0;b<

19、;8;b+) P3OUT=ab; power_delay(t); f+; m-; gaodu=70-f; d=gaodu/10; e=gaodu%10; now_hight9=d+0x30; now_hight10=e+0x30; write_char(now_hight,0,1); void anti_power_d(float t/*速度值,保留一位小數(shù)*/,unsigned char m) unsigned char gaodu=0; uchar b,c,d,e,f; f=0; while(m) for(c=0;c<5;c+) for(b=0;b<8;b+) P3OUT=ab

20、; power_delay(t); f+; m-; gaodu=ii-f; d=gaodu/10; e=gaodu%10; now_hight9=d+0x30; now_hight10=e+0x30; write_char(now_hight,0,1); 3、 舵機(jī)驅(qū)動： BCSCTL1=0x0; BCSCTL2=0x88; do IFG1&=OFIFG; for(i=0xff;i>0;i-); while (IFG1&OFIFG)!=0); P1DIR=0XFF; P1SEL=0XFF; TACTL=0x2d2; CCTL1=OUTMOD_7; CCR0=20000;

21、while(1) CCR1=2000; delay(); CCR1=1000; delay();4、 鍵盤驅(qū)動：/初始化P1中斷void KEY_1_init(void) P1DIR=0; P1SEL=0; P1DIR|=BIT3; P1DIR|=BIT5; P1DIR|=BIT6; P1DIR|=BIT7; P1OUT=0X00; P1IE=0; P1IES=0; P1IFG=0; P1IE|=BIT0; P1IES|=BIT0; P1IE|=BIT1; P1IES|=BIT1; P1IE|=BIT2; P1IES|=BIT2; P1IE|=BIT4; P1IES|=BIT4;/初始化P2中

22、斷+P3void KEY_2_init(void) P2DIR=0; P2SEL=0; P2IE=0; /禁止P2口中斷 P2IES=0XFF; /現(xiàn)在是下降沿觸發(fā) P2IFG=0; /標(biāo)志寄存器清零，無中斷請求。 P2IE|=BIT0; P2IES&=BIT0; P2IE|=BIT1; P2IES&=BIT1; P2IE|=BIT2; P2IES&=BIT2; P2IE|=BIT3; P2IES&=BIT3; P2IE|=BIT4; P2IES|=BIT4; P2DIR|=BIT5; P2DIR|=BIT6; P2DIR|=BIT7; P2_7_H;/高阻 P

23、3SEL=0; P3DIR=0XFF; P6SEL=0; P6DIR|=BIT3; /_EINT();int keyprocess(void) int np10,np11,np12,np13; int nres=0; /P1.5輸出低電平 P1OUT=0xd0; np10=P1IN&BIT0; if(np10=0) nres=7; np11=(P1IN&BIT1)>>1; if(np11=0) nres=1; np12=(P1IN&BIT2)>>2; if(np12=0) nres=4; np13=(P1IN&BIT4)>>4

24、; if(np13=0) nres=11;/取消鍵 /P1.6輸出低電平 P1OUT=0xb0; np10=P1IN&BIT0; if(np10=0) nres=8; np11=(P1IN&BIT1)>>1; if(np11=0) nres=2; np12=(P1IN&BIT2)>>2; if(np12=0) nres=5; np13=(P1IN&BIT4)>>4; if(np13=0) nres=0; /P1.7輸出低電平 P1OUT=0x70; np10=P1IN&BIT0; if(np10=0) nres=9;

25、np11=(P1IN&BIT1)>>1; if(np11=0) nres=3; np12=(P1IN&BIT2)>>2; if(np12=0) nres=6; np13=(P1IN&BIT4)>>4; if(np13=0) nres=12;/確定鍵 P1OUT=0x00; /恢復(fù)以前值 for(;) /讀各個(gè)管腳的狀態(tài) np10=P1IN&BIT0; np11=(P1IN&BIT1)>>1; np12=(P1IN&BIT2)>>2; np13=(P1IN&BIT4)>>

26、;4; if(np10=1&&np11=1&&np12=1&&np13=1) /等待松開按鍵 break; return nres;int keyscan(void) int np10,np11,np12,np13; int nres=0; for(;) /讀取各個(gè)管腳的狀態(tài) np10=P1IN&BIT0; np11=(P1IN&BIT1)>>1; np12=(P1IN&BIT2)>>2; np13=(P1IN&BIT4)>>4; /是否有鍵被按下 if(np10=0|np11=

27、0|np12=0|np13=0) /有鍵被按下 _NOP(); break; Delay(50); /讀各個(gè)管腳的狀態(tài) np10=P1IN&BIT0; np11=(P1IN&BIT1)>>1; np12=(P1IN&BIT2)>>2; np13=(P1IN&BIT4)>>4; /是否有鍵被按下 if(np10=0|np11=0|np12=0|np13=0) /有鍵被按下,進(jìn)行按鍵分析 nres=keyprocess(); else return 10;/非有效鍵 return nres; 4、 延時(shí)程序： extern voi

28、d Delay_(unsigned int n) unsigned int i=60000; uchar j; while(i) for(j=0;j<50;j+) while(n!=0) n-; i-; extern void Delay(unsigned int n) while(n!=0) n-;extern void Delayms(unsigned char t) / delay 1ms unsigned int i; for(;t!=0;t-) for(i=0;i<1600;i+);extern void Delay10us(unsigned char k) / dela

29、y 10us unsigned char i; for(;k!=0;k-) for(i=0;i<16;i+);extern void power_delay( float t) unsigned int i,tt; t=50.0/t; tt=t*100; for(;tt!=0;tt-) for(i=0;i<8;i+);3、 主程序：#include"msp430x24x.h"#include"lianjie.h"#include"declaration.h"#include"delay.c"#inclu

30、de"lcd_show.c"#include"key.c"#include"8563.c"#include"power.c"#include"raise.c"#include"flash.c"#include"fujia.c"/*初始化系統(tǒng)時(shí)鐘*/void InitSystemClock(void) unsigned char i; WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD; /關(guān)閉看門狗 BCSCTL1=0x00; /Set 430 clk 開啟XT2，

31、DOC的標(biāo)稱頻率為最低 且不分頻；XT1為低速晶體（32.768K） BCSCTL2=SELM_2+SELS; /選擇MCLK SCLK的時(shí)鐘源為高速時(shí)鐘 不分頻，均為8M do IFG1&=OFIFG; for(i=0xff;i>0;i-); while (IFG1&OFIFG)!=0);void main(void) InitSystemClock(); sendinit(); flash_ini(); Init_TimerB(); KEY_2_init(); KEY_1_init();/ 里面已有開中斷了！ LCD_port_init(); _EINT(); LCD_port_init(); while(1) ; #pragma vector=TIMERB0_VECTOR/P1_interrupt void TimerB_ISR(void) Receive(); Show(); Analyse(); Power(); 總結(jié)其實(shí)在實(shí)際的設(shè)計(jì)以及調(diào)試過程中，出現(xiàn)的問題很多。拿步進(jìn)電機(jī)的