基于MC9S12NE64单片机的智能灌溉控制器的设计

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摘 要：本文首先提出了以太网功能的智能灌溉控制器的设想；然后提出了智能灌溉系统的总体方案设计，论证了基于mc9s12ne64单片机的智能灌控制器的合理性和优越性，并介绍了MC9S12NE64单片机及开发平台；接着讲述了智能灌溉控制器的硬件设计，详细讲解了智能灌溉控制器的工作原理和主要模块的电路设计；最后讲述了控制器的软件设计。

关键词：智能灌溉 单片机 MC9S12NE64 模糊控制 以太网

一、课题背景及目的

近年来，喷灌、微灌等一些新型节能环保灌溉技术在我国的广泛应用，已经取得了良好的经济和社会效益。目前我国园林自动化灌溉基本上是采用时序控制的开环控制系统，其根本原因是国内外闭环控制系统的控制器设计成本和传感器价格过高。本课题借鉴国内外智能灌溉系统的开发经验，以低成本和实用性为切入点，设计出基于单芯片以太网MCU的应智能灌溉网络控制器。其优点主要有：

引入模糊控制策略，实现具有气候和地形的自适应能力的精量灌溉；

硬件设计基于低成本、快速性和高可靠性的单芯片以太网MCU解决方案；

基于TCP/IP协议以太网接入，可以接入Internet构建大型灌溉网络系统；

自动控制、手动控制、定时控制等多种灌溉模式可选。

二、总体方案设计

本智能灌溉控制系统利用成熟的以太网技术将智能灌溉控制器、监控计算机连接起来，监控计算机则根据各个区域的灌溉要求制定不同的灌溉方案，实时监控智能控制器进行小区域智能灌溉，从而轻松地实现大区域的灌溉自动化。

智能灌溉控制器根据植被的种类不同对灌溉需求的不同以及地理环境的不同，结合上级监视计算机所发送来的控制指令，调整模糊规则库。智能灌溉的过程如下：单片机通过土壤湿度传感器、空气湿度传感器、空气温度传感器、降雨传感器实时采集各种环境数据，经过A/D转换、信号处理，在微处理器中进行模糊化处理，然后根据模糊规则库进行模糊推理，最后反模糊化得出精确的控制输出量，控制电磁阀打开灌溉管道进行一个小区域的精确灌溉、节约灌溉。因此，在天气热、空气和土壤湿度小的情况下，灌溉的时间会相应地增长；而在空气温度较低，空气和土壤湿度大的情况下，灌溉时间会相对地缩短；出现降雨的特殊情况，控制器会不进行灌溉或者缩短灌溉时间。

智能灌溉控制器在灌溉的同时，还可以实行手动操作。通过控制面板上提供的4个按键（功能键、“+”键、“-”键、确认键）和4个LED，可以显示时间和实时的空气温度、湿度以及土壤湿度，方便人工调试和日常检修维护。同时智能灌溉控制器还会通过以太网把实时的环境数据和控制数据传送到监视计算机，监视计算机可以通过分析各个控制器传送来的数据，监视各个控制器的工作过程，实现整个大区域的灌溉自动化。

如上所述，智能灌溉控制器必须实现两个大功能，分别是以太网的通信功能和智能控制功能。采用Motorola的MC9S12NE64单片机作为控制器是非常理想的，它拥有专门的模糊控制指令，大大简化了模糊控制的程序，提高了程序的执行速度；同时它具有标准化的以太网接口模块，轻而易举地实现和上位机（总控制室）的网络连接。

MC9S12NE64是Motorola公司旗下的Freescale子公司生产的MC9S12系列16位单片机。MC9S12NE64单片机带10Mb/s/100Mb/s的符合IEEE802.3通讯协议标准的以太网接口和64KB的Flash内存，封装形式有80引脚和112引脚。该单片机广泛使用于网络接入设备、网络电视、机顶盒、瘦服务器、家庭网关、工控设备等领域。MC9S12NE64单片机可以采用“BDM12开发工具+ Codewarrior IDE软件”的组合来进行快速的开发。

三、控制器硬件结构设计

智能灌溉控制器通过RJ-45以太网接口跟上层监控计算机进行以太网连接，通过以太网把实时的环境数据和控制数据传送到监视计算机，监视计算机可以通过分析各个控制器传送来的数据，监视各个控制器的工作过程。同时，控制器还可以实行手动操作。因此，控制器连接了四个按键和四个LED显示管。通过控制面板上提供的4个按键和4个LED，可以显示时间和实时的空气温度、湿度以及土壤湿度，方便人工调试和日常检修维护。控制器硬件结构框图如图1所示。

1.时钟显示模块

本课题采用了Maxim公司的DS1302作为智能灌溉控制器的实时时钟芯片，DS1302是DALLAS公司推出的涓流充电时钟芯片内含有一个实时时钟/日历和31 字节静态RAM，通过简单的串行接口与单片机进行通信。实时时钟/日历电路提供秒、分、时、日、日期、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数。

DS1302芯片采用同步串行的方式就能和单片机进行通信，而且仅仅需用到三个口线：RES（复位）、I/O（数据线）、SCLK（串行时钟）。DS1302芯片的I/O端口接到单片机的80端口，串行时钟端口SCLK接到单片机的79端口，而复位端口RES则连接到单片机的1接口。DS1302芯片的2、3（X1、X2）引脚连接着25MHZ的晶振，引脚间的连线要尽可能的短。DS1302芯片的电源由一块3.6V/6mA的纽扣电池提供。

2.空气温度检测模块

本课题采用了DALLAS公司生产的数字温度传感器DS18B20芯片，在检测范围和精度要求适用的情况下，选用该芯片可以达到高的性价比。DS18B20是新型单总线数字温度传感器，主要特点为：直接将数字信号传给CPU，无需A/D转换电路；温度检测范围为-55～125℃，精度为±0.5℃，分辨力为9～12位；采用单线接口方式与单片机连接，即可实现同DS18B20的双向通信；片内自带ROM和RAM，可方便地通过ROM和RAM操作指令实现对DS18B20的读写。 DS18B20为单线式传输器件，和单片机的连接只需一根数据线，电路极其简单。本系统中，单片机与DS18B20的连接电路如图2所示。其中，DS18B20采用外部电源供电方式，在单片机的64端口与VCC之间有一个上拉电阻，以保证数据采集的正常进行，AT89C52通过64端口和DS18B20的数据线DQ相连。

3.土壤湿度检测模块

土壤湿度传感器一般是采集土壤的水吸力大小信号，也叫土壤水分传感器。通过土壤湿度传感器来测量土壤的湿度，我们可以知道真正的灌溉需求和土壤的保水能力。本系统选用Progres公司的专业土壤湿度传感器，它把土壤水吸力的大小转化为标准的4～20mA电流信号。

4.以太网通信模块

MC9S12NE64单片机集成了以太网MAC层和物理层的驱动模块，与RJ-45以太网接口连接。具有所用外部元件少、系统开销小、稳定性高、设计时间短等一系列优点。同时，TCP/IP协议采用直接基于某种控制器的协议OpenTCP。由于该协议针对MC9S12NE64进行了优化能更好地利用处理器的特性，有效提高了协议的处理效率， 在快速以太网上，ARP包的传输速率可达到87 Mb/s。

四、主程序流程图

主程序首先完成初始化，设置了单片机的各种工作方式，设置显示缓存和数据缓存地址，对REM和ROM写入各种数据，方便程序的调用，比如向ROM写入模糊规则的控制字符串等；按键检测把被按的按键读入单片机，经按键设定模块，判断出按键的功能；在上图没有提及的是传感器参数检测模块，此模块利用定时中断的运行方式完成对各个传感器的参数的检测，并进行A/D转换，将参数数据存储在单片机中；控制算法和控制输出模块首先通过对空气温湿度传感器、土壤湿度传感器以及降雨传感器所检测到的参数数据进行模糊化处理，把精确数据变成模糊输入量，再经模糊推理，把各个模糊输入量通过实现规则库确定灌溉的模糊输出量，最后通过反模糊化，把模糊输出量变换成精确的灌溉时间，实施智能灌溉；以太网通讯模块主要完成与上位机的通讯，接收监视计算机发送来的控制指令，并把实时的植被的成长环境数据和相应的灌溉信息发送到监视计算机。主程序流程图如图3所示。

图3 主程序流程图

（作者单位：中山市技师学院）