本科毕业设计基于STM8105K4单片机土壤数据采集

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1、吉 林 农 业 大 学学 士 学 位 论 文 题目名称：基于STM8105K4单片机土壤数据采集 学生姓名： 院 系：信息技术学院专业年级：06电子信息科学与技术 指导教师： 职 称： 讲师 2010年 05月 25日- 48 -目 录基于STM8105K4单片机土壤温度、水分、电导率数据采集I摘要I1 前 言- 1 -1.1 题目的来源与开发意义- 1 -1.2土壤电导率、温度、水分- 1 -1.3传感器技术的现状与发展- 2 -2 系统硬件电路的设计- 3 -2.1 系统硬件电路构成及测量原理- 4 -2.2 STM8S105k4简介- 5 -2.3 DS18B20- 8 -2.4 TDR

2、 水份及电导率传感器- 14 -2.4.1 TDR原理- 14 -2.4.2 TDR 土壤水份传感器- 15 -2.4.3 OP07运算放大模块- 16 -2.5 TDR 土壤水份传感器- 18 -2.6 PT100土壤温度传感器- 19 -2.6 1602显示模块- 21 -3 系统校正部分的设计- 27 -4 系统软件部分的设计- 30 -5 系统调试- 31 -5.1 硬件电路调试- 31 -5.2 各功能模块软件调试- 32 -6 结束语- 32 -参考文献- 32 -致谢- 33 -附录一 系统总体电路原理图- 34 -附录二 系统程序清单- 35 -基于STM8105K4单片机土壤

3、温度、水分、电导率数据采集学生：于庆伟专业：电子信息科学与技术指导教师：宫鹤摘 要：随着社会的进步和科学技术的发展，在农业领域实施现代化、高科技作业已经成为了当今社会人们追逐的热点。本文正是讲述了如何使用单片机进行土壤的温度、水分及电导率这土壤三参数进行数据采集。这种方法完全抛弃了过去靠使用大量人力物力的方法，具有低成本、低劳动力、高精度、高可靠性、可在数年间连续采集数据，可为人们提供高密度的线性数据。关键词：温度；水分；电导率；单片机；数据采集Soil Temperature, Moisture and the Electrical Conductivity Data Collection

4、Based on STM8105K4Name：Qingwei YuMajor：Electronic Information Science and TechnologyTutor：He GongAbstract: With the development of society and the development of science and technology, in the agricultural sector implementing modernization and high tech jobs have become hotspots of these people. Thi

5、s text is demonstrating how to use a MCU detect the soil temperature, moisture and the electrical conductivity which is the three parameters of soil for data collection. This method is left over by the use of resources, with low cost of labor, low and high precision, high reliability, in a few years

6、 for collecting data, provide the high density of linear data.Keywords: temperature; moisture; conductance; SCM; data acquisition1 前 言1.1 题目的来源与开发意义土壤是进行农业生产的基础，只有对土壤营养和品质状况的准确监控，才能够进行科学化的生产管理。要准确评估土壤性状1，就需要同时考察土壤结构、粒径、有机质含量、 土壤含水量、离子交换能力、持水力和氮磷钾元素含量等多种土壤参数。但不同的土壤参数有着不同的测定方法，因此要综合获取分析一次土壤信息，需要花费巨大的人

7、力、 物力和时间。如：要采用国家标准方法进行土壤含水量和养分状况的测量， 就需要经过人工取样， 烘干、 秤重、 研磨、 溶解等多个步骤后， 才能够进行试验测试， 不但步骤繁琐，而且结果的重复性和实时性都难以保证， 难以满足农业生产的需求。近年来，随着无线通信、微电子、传感器、计算机等技术向着系统化、网络化的方向迅速发展。单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动电子产业日新月益的更新。在电子产品的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用2，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。基于单片机的土壤三参数（电导率，温度，水分）数据采集

8、系统也己步出了传统的工作模式。土壤三参数（电导率，温度，水分）数据采集系统利用温度、水分以及电导率传感器采集模拟信号量，这种方式技术成熟，制作成本相对较低，大大减少了本需要花费大量人力、物力和时间的繁琐工作，将采集工作自动化、精准化。随时随地的进行土壤数据的实时检测，对社会的发展、生产力提升以及人民生活水平的不断提高都起着不可泯灭的作用。 目前实际应用场合提出对温度、水分、电导率的测量具有更高的测量要求，需要灵活、多点、更高精度的测量。本课题将传感器和单片机技术应用到农业发展中为新兴的无线通信技术（如ZigBee无线网络等）的发展奠定了基础1.2土壤电导率、温度、水分土壤温度，含水量和电导率(

9、 E l e c t r i c a l C o n d u c t i v i t y ， E C ) 是土壤的三个重要参数3,4，通过这三个参数的计算和分析，可以获取土壤的特征参数，减少或避免了对众多土壤参数的测量。土壤温度是土壤的冷热程度，是影响作物生长的一个重要因素，它对土壤中微生物的活动、有机质分解、作物对水和矿物质的吸收、 种子发芽和根系生长等都有着较大影响。水分是土壤的重要组成部分，土壤含水量的多少不仅仅会影响到土壤的性状，而且还会影响到土壤中各类养分的 溶解、转移和微生物的活动，这对于植物的生长、存活和净增产率等具有极其重要的意义 1 , 2 ，同时土壤含水量状况也是当地气候、

10、 植被、 地形及土壤质地等 自然条件的综合反映 ，掌握土壤中水分的实时变化情况，可以根据作物在不同生长阶段对水的需求来进行精确灌溉， 从而达到增产增收的目的。而随着农业信息技术和精细农业的发展，土壤电导率逐渐引起人们的关注。近年来，土壤学的研究结果表明，土壤中的盐分、水分、温度、有机质含量和质地结构等都不同程度地影响着土壤的电导率 J ，电导率也反映出了土壤品质和物理性质的丰富信息，通过对其的准确测量可以获得土壤含盐量、含水量、质地和肥力分布等相关参数。1.3传感器技术的现状与发展现代，信息技术对社会的发展及科技的进步起了决定性作用5。传感器技术是21 世纪人们在高新技术发展方面争夺的一个制高

11、点，各发达国家都将传感器技术视为现代高新技术发展的关键。从20 世纪80 年代起，日本就将传感器技术列为优先发展的高新技术之首，美国等西方国家也将此技术列为国家科技和国防技术发展的重点内容。我国从20 世纪80 年代以来也己将传感器技术列入国家高新技术发展的重点。21 世纪是信息电子化的时代，作为现代信息技术支柱之一的传感器技术必将得到较大的发展。传统的温度测量是从金属（物质）的热胀冷缩开始。水银温度计至今仍是各种温度测量的计量标准，可是它的缺点是只能近距离观测，而且测量精度不高。常用金属热敏电阻为材料的温度传感器，如铜电阻、镍电阻、铂电阻等，它们的特点是稳定性好、耐高温，如铂电阻有的可达六、

12、七百度。但当传输线路长短不等时，需要进行温度补偿。近年发展起来的有PN 结测温器件。这类器件的优点是在50 -150 范围内有良好的特性，体积小、响应时间快、价格低。但它的缺点是一致性差、不易做到互换，而且PN 结易受外界辐射的影响，稳定性难以保证。石英晶体温度检测器的测量精度较高，一般可检测到0.001作标准检测之用。随着微电子技术、计算机技术和自动测试技术的发展，人们开发出将温度传感器和数字电路集成在一起的新型数字式集成温度传感器。数字式温度传感器内部包含温度传感器、A/D 转换器、信号处理器、存储器（或寄存器）和接口电路。数字式传感器在精度、分辨率、可靠性、抗干扰能力以及器件微小化方面都

13、有明显的优点，输出的温度数据和相关的温度控制量可以连接到各种微控制器。受半导体器件本身限制，数字式传感器还存在一些不够理想的地方。比如实际应用时需加修正值，测温范围不宽，一般为-5 -150。随着大规模集成电路技术的发展，信息的传输、处理技术有了突破性的进展，发展相对滞后的传感器技术业已得到全世界的普遍重视。因此，今后一个时期传感技术将成为人们研究的新热点，并有可能形成较大产业。传感器技术未来将向以下几个方面发展：1 、高精确度；2 、小型化；3 、多功能集成化；4 、数字化；5 、智能化。无线技术与温度传感器的结合，是近几年来一个新的发展趋势，改变了传统温度传感器系统拓扑结构，适应更多温度测

14、量的应用场合。测量土壤含水量有许多方法, 称量法费时费力, 不能原位重复测量, 中子仪法测量土壤表层含水量时, 特别是在低含水量测量时由于中子的泄漏而测不准确。时域反射仪(TDR )为表层土壤的精确测量提供了有效的手段(Nielson,1995) 6,7。用TDR 测量土壤含水量由Topp (1980)首创, 近20 年来, 无论是在技术上还是应用上都得到了长足的发展。近年来, 出于对植物营养需求及溶质输运的研究, 特别是无机污染物迁移的研究的兴起, 使得迅速测定土壤溶液的化学组成变得越来越重要。以往土壤溶液组成的测定是用真空陶土头抽提土壤水溶液进行分析(Rhoades and Oster,1

15、989)。这种做法的主要缺点是在低含水量无能为力, 其次, 测量值是采样期间的时间平均, 缺乏一定的代表性。Rhoades and Oster (1989)认为土壤水溶液中溶质的总浓度或土壤中的存留浓度是可以通过电导率的值来求得, 这一点构成了用TDR 来测定土壤中溶质含量的基础。TDR 独一无二的优越性是土壤水分和土壤的溶质可以同时在同一个体积元中定,Daltonetal。在1984 年首次用TDR 测定土壤的电导率或土壤溶质。但一直到最近, 许多作者才开始在稳态条件下用TDR 测定土壤中溶质的穿透曲线(Kachanoski et al,1992;Wraith etal,1993;Vancl

16、ooster etal,1993,1995;Mallants etal,1994,Vogeler,1996) , 也偶有用于非稳态自然流的情况下(Vogeler,1996)。从 90 年代我国开始引进TDR 技术, 现今已得到迅速的发展, 成为与中子法相并驾的测量土壤含水量的方法之一。本方案使用的TDR水分传感器和TDR电导率传感器都是基于TDR技术。2 系统硬件电路的设计STM8S系列是意法半导体（ST）针对工业温度范围，推出基于新一代STM8内核的8位微控制器，新系列微控制器整合新一代内核的高速度、处理性能和代码效率，以及多用途外设接口，并具备多项特殊功能，可提高芯片的强轫度和可靠性。片内

17、集成的存储器（包括真EEPROM）可以简化应用仿真。在工业控制和家电应用中，STM8S系列产品可以降低系统成本，缩短应用开发周期，提高处理性能。STM8 8位内核有一个32位存储器接口和三段流水线架构，在24MHz频率下，最高处理效能高达20 MIPS。栈指针和16位索引寄存器可改进表处理性能，内核的16MB线性存储位址空间可简化64KB以上的页操作。此外，栈指针的改善、新增寻址模式和新指令等特性增强了对C编程和实时性能的支持，并提高了代码密度和处理器能效。 除STM8的内核优势外，STM8系列产品还提供大容量片上闪存，根据不同的产品型号，闪存容量从4KB到128KB。实时读写同步操作功能，至

18、少30万次的耐擦写能力，使芯片内置的EEPROM的性能可与外部分立的EEPROM媲美。 STM8S系列产品给开发人员带来产品兼容性的好处，在该系列产品内，不同型号产品的软件和堆叠式封装相互兼容，ST所有的微控制器（包括32位的STM32系列）的外设接口全部相互兼容。产品兼容性有利于平台设计，增加可用功能模块的数量，包括模式可配置的16位控制定时器、信号捕获/比较功能模块、PWM控制器以及U(S)ART、SPI、I2C 和 CAN 2.0B总线接口。芯片集成的其它功能可以在工业应用中减少电路板空间和组件数量，例如，芯片内置的16MHz高精度阻容振荡器可以省去外部时钟信号源，上电复位（POR）和欠

19、压复位（BOR）功能可以节省外部复位电路，强流限流功能可以取代外部保护器件。 新产品采用特殊的技术以确保可靠和强大功能，如双重独立看门狗、时钟安全系统、配置选择字节补充复制和EMS复位。此外，STM8S系列还提供在应用编程和在线编程功能，其单线调试功能采用业内最先进的在线调试模块。在家电、个人护理设备、电池供电设备、电动工具、冷热通用空调（HVAC）设备、电机控制器、断路器等应用中，STM8S系列内置的四种节能模式可以帮助开发人员实现反应快速的电源管理策略。3.0V到5.5V的电源电压范围还可以简化开发过程，便于既有设计的升级。 STM8S开发环境支持功能复杂的高端仿真器（包括代码评估和覆盖功

20、能），还支持低成本的调试工具，提供免费的集成开发环境（IDE）和免费的16KB版C编译器。开发工具还提供多个固件化的参考设计，为帮助开发人员达到新安全法规的要求，还提供IEC60335 B类标准专用资料库。STM8S系列采用多种封装形式，包括32引脚到80引脚的LQFP、20引脚到48引脚的QFN和20引脚的TSSOP。本设计以STM8s105k4单片机为核心，辅以1602液晶显示模块、运算放大电路、DS18B20空气温度传感器、TDR水分传感器、TDR电导率传感器、PT100土壤温度传感器组成整个土壤三参数（电导率，温度，水分）和空气温度的数据采集系统。其中DS18B20空气温度传感器、TD

21、R水分传感器、TDR电导率传感器、PT100土壤温度传感器采集到模拟信号后，经过运算放大器的放大，传输给STM8s105k4单片机，利用STM8s105k4单片机内置的10bit ADC数模转换器将模拟信号转化为数字信号，最后将信息显示到1602LCD显示模块上。2.1 系统硬件电路构成及测量原理空气温度传感器水分传感器电导率传感器三级运算放大器STM8S105k4单片机空气温度显示土壤温度显示电导率显示水分显示PC机 1602LCD显示模块两级运算放大器土壤温度传感器 图2-0 土壤三参数硬件电路原理框图Figure0 Soil three parameters hardware circu

22、it diagram2.2 STM8S105k4简介图2-1 STM8s105k4 管脚排列Figure1 STM8s105k4 tube feet注：1.（HS）为高吸收电流。2.为复用功能重映射选项（如果相同的复用功能显示两次，用户也只能选择其中的一个，并不是其中一个是另一个的备份）。STM8S105k4芯片特点 内核 : 高级STM8内核，具有3级流水线的哈佛结构 : 扩展指令集 存储器: 中等密度程序和数据存储器： 最多32K字节Flash；10K次擦写后在55C环境下数据可保存20年 数据存储器：多达1K字节真正的数据EEPROM,可达30万次擦写 RAM：多达2K字节 时钟、复位和

23、电源管理 : 3.05.5V工作电压 灵活的时钟控制，4个主时钟源 低功率晶体振荡器 外部时钟输入 用户可调整的内部16MHz RC 内部低功耗128kHz RC 带有时钟监控的时钟安全保障系统 电源管理： 低功耗模式(等待、活跃停机、停机) 外设的时钟可单独关闭 永远打开的低功耗上电和掉电复位 中断管理 带有32个中断的嵌套中断控制器 6个外部中断向量，最多37个外部中断 定时器 2个16位通用定时器，带有2+3个CAPCOM通道(IC、OC 或 PWM) 高级控制定时器：16位，4个CAPCOM通道，3个互补输出，死区插入和灵活的同步 带有8位预分频器的8位基本定时器 自动唤醒定时器 2个

24、看门狗定时器：窗口看门狗和独立看门狗 。通信接口 带有同步时钟输出的UART ，智能卡，红外IrDA，LIN接口 。 SPI接口最高到8Mbit/s 。 I2C接口最高到400Kbit/s 。模数转换器(ADC) 10位，1LSB的ADC，最多有10路通道，扫描模式和模拟看门狗功能 。I/O端口 48脚封装芯片上最多有38个I/O，包括16个高吸收电流输出 。 非常强健的I/O设计，对倒灌电流有非常强的承受能力 。开发支持 单线接口模块(SWIM)和调试模块(DM)，可以方便地进行在线编程和非侵入式调试。 图2-2 STM8s105k4 模块框图Figure2 STM8s105k4 modul

25、e diagram2.3 DS18B202.3.1 DS18B20简介DS18B20是美国DALLAS半导体公司继DS182O之后最新推出的一种数字化单总线器件属于新一代适配微处理器的改进型智能温度传感器8。与传统的热敏电阻相比，它能够直接读出被测温度，并且可根据实际要求通过简单的编程实现9-12位的数字值读数方式。可以分别在93.75ms和750ms内完成9位和12位的数字量，并且从Dsl8B20读出的信息或写入Dsl8B20的信息仅需要一根口线(单线接口)读写，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS1SBZO供电，而无需额外电源。因而使用DS1SBZO可使系统结构更趋简单

26、，可靠性更高。同时其“一线总线”独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入了全新的概念。DS18B20“一线总线”数字化温度传感器支持“一线总线”接口，测量温度范围为-55oC计125OC，在-10- +85“C范围内，精度为土0.SOC。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，用符号扩展的16位数字量方式串行输出，大大提高了系统的抗干扰性。因此，数字化单总线器件DS18B20适合于恶劣环境的现场温度测量，如:环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。它在测温精度、转换时间、传输距离、分辨率等方面较Dsl82O都有了很大的改进，给用户带来了更方便和更令人满意

27、的效果。可广泛用于工业、民用、军事等领域的温度测量及控制仪器、测控系统和大型设备中。2.3.2 DS18B20的性能特点(1)采用DALLAS公司独特的单线接口方式:DS18B20与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DSI8B20的双向通讯9。(2)在使用中不需要任何外围元件。(3)可用数据线供电，供电电压范围:+3.0-+5.5V。(4)测温范围:-55- +l25 。固有测温分辨率为0.5。当在-10- +85范围内，可确保测量误差不超过0.5，在-55- +125范围内，测量误差也不超过2。(5)通过编程可实现9-12位的数字读数方式。(6)用户可自设定非易失性的报警上下限值

28、。(7)支持多点组网功能，多个DSI8B20可以并联在唯一的三线上，实现多点测温。(8)负压特性，即具有电源反接保护电路。当电源电压的极性反接时，能保护DS18B20不会因发热而烧毁。但此时芯片无法正常工作。(9)DS18BZO的转换速率比较高，进行9位的温度转换仅需93.75ms。(10)适配各种单片机或系统。(11)内含64位激光修正的只读存储ROM，扣除8位产品系列号和8位循环冗余校验码(CRC)之后，产品序号占48位。出厂前产品序号存入其ROM中。在构成大型温控系统时，允许在单线总线上挂接多片DS18B20。2.3.3 Ds18B20的管脚排列DS18BZO采用3脚PR35封装或8脚S

29、OIC封装。其管脚排列如图2-3所示图2-3 DS18B20 的管脚排列Figure3The tube feet. DS18B20I/O为数据输入/输出端(即单线总线)，它属于漏极开路输出，外接上拉电阻后，常态下呈高电平。UDD是可供选用的外部电源端，不用时接地，GND为地，NC空脚。DS18B2O的内部结构框图如图2-4所示。它主要包括7部分:1、寄生电源;2、温度传感器;3、64位激光(loser)ROM与单线接口;4、高速暂存器，即便筏式RAM，用于存放中间数据:5、TH触发寄存器和TL触发寄存器，分别用来存储用户设定的温度上下限值;6、存储和控制逻辑7、8位循环冗余校验码(CRC)发生

30、器。图2-4 DS18B20 的内部结构框图Figure4 The internal structure of DS18B20 block diagram(1)64位闪速ROM的结构如下：图2-5 64位闪速ROM的结构Figure5 64 bit flash ROM structure高8位是CRC位是产品类型的编号，的原因。校验码，接着是每个器件的惟一的序号，共有48位，低8前56位的这也是多个DS18B20可以采用一线进行通信(2)非易失性温度报警触发器TH和TL，可通过软件写入用户报警上下限。(3)高速暂存存储器DS18B2O温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的

31、可电擦除的护RAM。后者用于存储TH，TL值。数据先写入RAM，经校验后再传给EZRAM。而配置寄存器为高速暂存器中的第5个字节，它的内容用于确定温度值的数字转换分辨率，DS18B20工作时按此寄存器中的分辨率将温度转换为相应精度的数值。该字节各位的定义如下：表2-1 配置寄存器内部字节Table1 Configuration register internal bytesTMR1R011111低5位一直都是1，TM是测试模式位，用于设置DS18B20在工作模式还是在测试模式。在DS18BZO出厂时该位被设置为O，用户不要去改动，R1和R0决定温度转换的精度位数，即用来设置分辨率，如表2-2所

32、示(DS18BZO出厂时被设置为12位)。表2-2 R1和R0模式表Table2 R1 with R0 modeR1R2分辨率温度最大转换时间/mm009位93.750110位187.51011位750.001112位275.00由表2-2可见，设定的分辨率越高，所需要的温度数据转换时间就越长。因此，在实际应用中要在分辨率和转换时间两者中权衡考虑。高速暂存存储器除了配置寄存器外，还有其他8个字节组成，其分配如下所示。表2-3 高速暂存其它字节Table3 High-speed temporary other bytes温度低位温度高位THTL配置保留保留8位CRC其中第1、2字节是温度信息，第

33、3、4字节是TH和TL值，第68字节未用，表现为全逻辑1;第9字节读出的是前面所有8个字节的CRC码，可用来保证通信正确。当DS18B20接收到温度转换命令后，开始启动转换。转换完成后的温度值就以16位带符号扩展的二进制补码形式存储在高速暂存存储器的第1，2字节。单片机可通过单线接口读到该数据，读取时低位在前，高位在后。以12位转化为例说明温度高低字节存放形式及计算:12位转化后得到的12位数据，存储在DS1SBZO的两个高低8位的RAM中，二进制中的前面5位是符号位。如果测得的温度大于0，这5位为0，即符号位S二O，这时只要直接将测到的数值二进制位转换为十进制，再乘以0.0625即可得到实际

34、温度;如果温度小于0，这5位为1，即符号位S习，这时先将补码变换为原码，也就是测到的数值需要取反加1再计算十进制值，最后乘以0.0625才能得到实际温度。表2-10是对应的一部分温度值。DSI8B20完成温度转换后，就把测得的温度值T与TH、TL作比较，若TTH或TSetPoint*10 NextPoint; / 偏差，设定值减去当前采样值pp-SumError += Error; / 积分，历史偏差累加dError = Errorpp-LastError; / 当前微分，偏差相减pp-PrevError = pp-LastError; / 保存pp-LastError = Error;return (pp-Proportion * Error+ pp-Integral * pp-SumError pp-Derivative * dError);其中(pp-Proportion * Error)是比例项；(pp-Integral * pp-SumError)是积分项；(pp-Derivative * dError)是微分。2.6 1602显示模块2.6.1 1602原理液晶显示原理液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接