基于DSP控制的节水灌溉系统研究

李佳林，刘永春

（四川理工学院 四川 自贡 643000）

基于DSP控制的节水灌溉系统研究

李佳林，刘永春

（四川理工学院 四川 自贡 643000）

设计了一种基于DSP控制的节水灌溉系统，用于实时监控土壤湿度状况，自动实现对土壤的节水灌溉。系统以TMS320C5402为核心，采用AQUA－TEL－TDR传感器的TDR原理，将输出的电信号通过MAX1246转化为数字信号；通过串口与PC机相连，PC机将计算出所需的灌溉量和时间并反馈给C5402，启动报警装置和开始灌溉。

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

TMS320C5402具有低功耗，低成本，高性能等特点，可广泛用于科研教学，图像处理，工业控制等领域。

目前，基于单片机的控制的节水灌溉系统不能实时，迅速地做出反应，而且稳定性不高，因此，笔者就针对这些问题，讨论了基于TMS320C5402的节水灌溉系统在农业当中的应用。

1 节水灌溉系统的设计方案

基于DSP控制的节水灌溉系统主要用于现代农业的智能管理。该系统通过AQUA－TEL－TDR传感器检测土壤湿度，然后将所检测到的土壤湿度模拟量通过A/D转换器转化为数字量，上传到TMS320C5402进行分析处理，并在LCD上显示土壤的相对湿度；同时TMS320C5402采用串行通信方式将湿度值传输到PC机，PC机通过设定程序计算出所需的灌水量和灌水时间，并显示于电脑界面，将相关信息反馈给TMS320C5402[1]。

若需灌水，则TMS320C5402启动报警装置，发出灌水信号，通过放大驱动设备，打开电磁阀进行倒计时灌水；如无需灌水，则PC机上所需灌水时间和灌水量均为0。

图1为节水灌溉系统的系统机构框图，它主要由TMS320 C5402为核心控制元件，LED显示，A/D转换器，AQUA－TELTDR传感器及PC机等。

图1 系统总体结构图Fig.1 Overall structure of the system

2 系统硬件设计

2.1 数据采集模块

数据采集模块主要包括采集土壤的湿度值和串行采样芯片MAX1246.该系统采用性价比高的QUA－TEL－TDR土壤水分传感器，该传感器采用先进的TDR原理，可直接输出电信号；并且适用于任何类型的土壤，可长期埋没于土壤中，测量误差：0－100%，误差：＜3%，功耗低，质量轻，便于携带.MAX1246是将AQUA－TEL－TDR土壤水分传感器输出的电信号转换为数字信号，MAX1246工作能耗低，采样速度转换快，精度高，以及接口逻辑简单，可进行灵活的编程控制。

TMS320C5402所发送的时钟信号CLKX0作为MAX1246的串行时钟信号SCLK，同时发送的时钟信号CLKX0作为TMS320C5402所接收的时钟信号CLKR0，C5402的数据发送端DX0与MAX1246的数据输入端DIN连接，MAX1246的数据输出端DOUT连接至C5402的数据接收端DR0，MAX1246的串行选通输出SSTRB接到C5402的FSR0，C5402的XF提供MAX1246的片选信号[2]。

图2 C5402与MAX1246的接口电路Fig.2 C5402 and MAX1246 interface circuit

2.2 LCD显示系统电路

选用 FYD12864作为液晶显示模块，其成本低，具有灵活的接口方式和简单方便的操作指令，并且内部含有国标一级，二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块。显示电路如图3所示，首先设置TMS320C5402的引脚CLKMD1，CLKMD2，CLKMD3为101，使得TMS320C5402工作于外部晶振PLL*1的模式下。FYD12864的PSB引脚连接+5 V，是LCD工作于4位或8位的并口模式，A，K引脚分别接+5 V和GND，从而启动LCD背光。然后将TMS320C5402的P0－7口与FYD12864的数据端口进行连接，3条地址线分别控制FYD12864的RS，R/W以及复位RESET引脚。

图3 LCD显示系统电路Fig.3 LCD display system circuit

2.3 超限报警电路

本系统采用简易的声光报警电路，该报警设备选用电压式蜂鸣器，驱动该报警器只需要10 mA的电流，因此只需要在两条引线上加3～15 V的直流电压，便可产生3 kHz左右的蜂鸣声音，蜂鸣器的一端接在高电平+5 V，另一端接P1.0，在初始态P1.0时，始终输出高电平1。当报警器需要报警时，则只需对其端口清零即可，运用延时程序实现其声音的长短。图中的发光二极管LED为超高线报警器，当P1.1端输出为低电平0时，二极管导通，灯光发出报警信号[3]。

图4 超限报警电路Fig.4 Transfinite alarm circuit

2.4 TMS320C5402与PC机串行通信接口

要实现DSP与PC机的正常通信，主要是实现TMS320C 5402与MAX3111的接口设计。当TMS320C5402的McBSP串行接口工作于SPI模式下，便可直接与MAX3111进行连接，最终实现与RS－232设备的异步数据传输。其接口电路如图所示，C5402发送时钟信号CLKX作为MAX3111的串行时钟输入，而发送的帧同步信号FSK作为MAX3111的片选信号CS，DX作为发送数据的发送端与DIN相连，DR作为接收数据的接收端。MAX3111的TX和RX端分别接至TIN和TOUT，这样便可实现UART与RS－232电平装换，同时将MAX3111的IRQ中断信号与C5402的以外部中断相连，即可实现该中断方式下，数据的正确，可靠传输[4]。

图5 串口通信电路Fig.5 Serial communication circuit

3 系统软件设计

该设计是为了实现TMS320C5402与PC机之间的应答式双向传输，主要是对McBSP的各个寄存器及MAX3111进行设计，使得他们的时序保持一致，并符合PC机的串口通信协议。选择C语言进行编写程序，以便于该软件的可移植性和可读性。图6和图7分别为中断程序和主程序流程图。

图6 中断程序流程图Fig.6 Interrupt program flow chart

4 实验结果

实验结果表明：采用TMS320C5402实现的节水灌溉系统，能够准确的检测土壤的湿度变化情况，当检测值小于预定值时，系统将启动灌溉装置，同时启动报警器。通过PC机又可以修改预定值，从而改变所需的灌溉量和灌溉时间，该系统具有良好的人机界面和操作性能。

图7 主程序流程图Fig.7 Main program flow chart

5 结束语

该系统采用TMS320C5402为控制器核心，实现了对土壤湿度的自动检测和灌溉控制。运用C5402的高速处理数据的能力，完成了对土壤湿度信号的采集，处理以及显示，通过PC机计算出所需灌溉量和时间反馈给C5402，从而达到了自动控制灌溉的目的。该系统功耗低，成本低，操作简单，可扩展性强，不但实现了对土壤湿度的实时监控，而且也避免了水资源浪费，实现了高产节水的目的[5-6]。

[1]王琴芳.单片机控制的节水灌溉系统的研究 [D].武汉：华中科技大学，2005.

[2]汪春梅，任志刚.TMS320C5000系列DSP系统设计与开发实例[M].北京：电子工业出版社，2004.

[3]邹龙龙.农业节水灌溉系统的设计与开发[D].吉林：吉林农业大学，2011.

[4]戴杉虎.片机在节水灌溉系统中的应用 [J].机电工业技术，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，周芸.自动化节水灌溉在四川简阳的应用研究[D].成都：四川省水利科学研究院，2006.

[6]崔粉玉.节水灌溉工程应注意的几个问题 [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稿件编号201210101

李佳林（1987—），男，四川内江人，硕士研究生。研究方向：嵌入式开发，图像视频采集。