当前位置:首页>> >>


基于VS1003解码器的MP3播放器设计.rar

收藏

资源目录
    文档预览:
    编号:20180914220233364    类型:共享资源    大小:3.48MB    格式:RAR    上传时间:2018-09-15
    尺寸:148x200像素    分辨率:72dpi   颜色:RGB    工具:   
    45
    金币
    关 键 词:
    基于 VS1003 解码器 MP3 播放 设计
    资源描述:
    嘉应学院毕 业 论 文数字化电容式土壤水分传感器设计指导老师 胡均万姓 名 何展泉学 号 2081021110系 别 电子信息工程学院专 业 电子信息工程申请学位 工学学士数字化电容式土壤水分传感器设计 I摘要为了满足山区果园土壤墒情监测与精准灌溉的要求,需在果园里安装土壤水分传感器用于及时获取果园土壤水分分布信息。而现有土壤水分传感器输出信号多为电压或者电流信号,需要二次仪表有高精度的模数转换电路,电缆的分布参数对传感器的电压信号有干扰,电路复杂设计难度大,能耗较大。为此设计了一种数字化电容式土壤水分传感器。本设计采用容抗法测量土壤的含水率并将土壤含水率信息转换成数字信号输出。由STC12C2052 单片机软件生成 189Hz 的 SPWM 波形,经低通滤波器稳幅后向一土壤含水率探针发出正弦波脉冲,另一探针输出响应信号,该信号通过 C\V 转换电路得到与土壤电容大小成比例关系的交流正弦信号,通过整流滤波电路再转换成直流信号,单片机内置的 ADC 把该直流信号编码成数字信号,通过 RS232 电平信号发送出去。该传感器与传统的传感器相比,输出信号不易受线路传输过程的干扰,采用休眠和唤醒机制节约能耗 90%以上,供电电池寿命延长 10 倍以上。实验结果表明,在 9~36V供电的情况下,工作电流为 15mA,休眠电流小于 1mA,系统响应时间小于 1S,测量精度为 1.8%,重复性误差为 4.44%,迟滞度为 6.52%。 关键词:精准灌溉,容抗法,数字化,土壤水分,传感器 数字化电容式土壤水分传感器设计 IIAbstractIn order to monitor soil water content of orchard and to cary precision irrigation, Large number of soil water content sensors should be installed in the orchard. However, the existing soil moisture sensor’s output signal is mostly voltage or current signal which requires that the secondary instrument have high-precision analog-digital conversion circuit to convert it. In addition, the cable distribution parameters have interference in the voltage signal of the sensor and the design of the circuit is difficult, complex and high in energy consumption. What is more, it does not have a sleep function. Therefore, a digital capacitive soil moisture sensor is designed.This kind of design adopts the capacitive reactance method to measure and convert the information of the moisture content of the soil into a digital signal output. The amplitude of 189Hz SPWM waveform generated by STC12C2052 SCM software is fixed by the low pass filter and then gives off a sine pulse to one soil moisture content probe, and another probe outputs the response signal. The signal is converted by the C\V conversion circuit and gets the AC sinusoidal signal which is proportional to the soil capacitance. And the signal is converted into DC signal by the rectifier and filter circuit. Then the built-in ADC of the SCM encodes the DC signal into digital signal and sends out via the RS232 level signal.The sensor can effectively solve the interference caused by the process of line transmission and improve the limitation of the data processing of the upper computer. In addition, it has sleep and wake-up function itself. Experimental results show that when the voltage is between 9V and 36V the operating current is 15mA, the sleeping current is less than 1mA, the system response time is less than 1S, the measurement accuracy is 1.8%, the repeatability error is 4.44%, and the hysteresis degree is 6.52%.Key words: precision irrigation, capacitive reactance method, digitalize, soil water content sensor.数字化电容式土壤水分传感器设计 III目录1 前言 ..........................................................................................................................................11.1 研究目的和意义 ............................................................................................................11.2 土壤水分传感器的研究现状 ........................................................................................11.3 研究内容与方法 ............................................................................................................42 土壤水分检测机理 ..................................................................................................................52.1 土壤水分构成 ................................................................................................................52.2 土壤与水分关系 ............................................................................................................62.3 土壤介电特性 ................................................................................................................63 介频式土壤水分传感器 ........................................................................................................123.1 介频式传感器的结构设计 ..........................................................................................123.2 电容测量电路的设计 ..................................................................................................153.3 传感器信号输出电路设计 ..........................................................................................173.4 试验设计与分析 ..........................................................................................................174 数字式土壤水分传感器 ........................................................................................................254.1 系统设计 ......................................................................................................................254.2 稳压电路 ......................................................................................................................254.3 单片机的选择 ..............................................................................................................264.4 负电源产生电路 ..........................................................................................................264.5 低通滤波器 ..................................................................................................................264.6 通讯接口的选用 ..........................................................................................................275 单片机程序设计 ....................................................................................................................285.1 程序模块划分 ..............................................................................................................285.2 C51 程序流程 ..............................................................................................................285.3 标定试验的设计与分析 ..............................................................................................306 土壤水分传感器测试与结果分析 ........................................................................................316.1 测试仪器与方法 ..........................................................................................................316.2 试验数据分析 ..............................................................................................................316.3 试验结论 ......................................................................................................................317 总结 ........................................................................................................................................317.1 结论 ..............................................................................................................................317.2 创新点 ..........................................................................................................................317.3 存在的问题 ..................................................................................................................31致谢 ...............................................................................................................................................31参考文献 .......................................................................................................................................31附录 ...............................................................................................................................................31数字化电容式土壤水分传感器设计 11 前言1.1 研究目的和意义为了满足山区果园土壤墒情监测与精准灌溉的要求,需在果园里安装土壤水分传感器用于及时获取果园土壤水分分布信息。为此设计一种输出信号不易受线路传输过程的干扰、电路结构简单、具有休眠和唤醒功能的土壤水分传感器。现有的土壤水分传感器测量精度高,但是输出信号多为电压或者电流信号,需要二次仪表有高精度的模数转换电路,而且传输电缆长度对传感器的电压或电流信号有影响。研究了一种能将土壤含水率信息转换成频率信号输出的“介频式土壤水分传感器”,并对其特性进行了深入研究,后期为了简化电路、降低系统功耗和增加数字电平信号输出的功能,设计了数字化电容式土壤水分传感器,并研究这种传感器的基本原理和性能。沙田柚是广东省梅州地区经济的支柱产业,对梅州山区经济发展具有举足轻重的作用。沙田柚柚 树 周 年 常 绿 , 枝梢年生长量大,挂果期长,叶 大 果 大 , 对水分要求较高。土壤水分不同的发育时期,对水分的要求有所不同,栽 培 柚 树 必 须 通 过 灌 溉 来 保 证 其 水分 要 求 。 果 园 干旱缺水,不仅会阻碍果实的正常发育,使产量降低、品质变劣,柚果商品价值低,还会使树体的生长量大大减小。因此,土壤水分含量直接影响沙田柚的产量 [1]。为了满足山区果园土壤墒情监测与精准灌溉的要求,要及时获取果园土壤水分空间分布信息,制定合理的灌溉方案,这就需要在果园安装具有较高精度和可靠性高,输入输出与实时性均满足自动灌溉需要的土壤水分传感器。但现有的土壤水分传感器输出多为电压或电流,而且功耗大,价格普遍昂贵,阻碍了梅州沙田柚种植果园自动化的发展。因此设计一款测量精准、结构简单、成本较低的土壤水分传感器对梅州的沙田柚种植自动化和研究沙田柚需水规律、指导果树的健康生长具有十分重要的意义。由于梅州沙田柚种植地远离无市电的野外果园环境下,经常面临着能源有效供应的问题,这也对传感器提出了更高的要求,为此,设计一种低功耗的传感器显得很有必要。1.2 土壤水分传感器的研究现状测量土壤水分的经典方法是烘干法和张力计法。烘干法可以准确地反映土壤的含水率,通常被用来标定其他土壤水分测量方法。但由于烘干法操作繁琐,无法实现数字化和自动化。张力计法是通过测量土壤张力变化,从而确定水在土壤内的流动方向和渗透深度。但其缺点也很突出,测量范围受土质的影响大,测得的张力需要根据土壤特征曲线换算成土壤含水量,且非线性,容易受到土壤理化特性的影响 [2]。这两种测量方法都不能将土壤水分含量转换为电信号,难以对土壤水分进行在线测试。数字化电容式土壤水分传感器设计 2近 100 年来,国内外学者对土壤水分传感技术的方法进行了大量的研究,取得了丰硕的成果。有关土壤水分传感技术的研究,在国外有以下几种不同的实施方案:1.2.1 国外研究现状从上世纪 50 年代起掀起了土壤水分传感器的研究热潮。现有土壤水分传感器采用的原理主要有中子检测法、γ 射线透射法、电阻法、热导法、介电常数法等。1)中子法中子法属于射线法中的一种,是将中子源埋入待测土壤中,由于中子源不断发射快中子,快中子进入土壤介质中与各种原子和离子碰撞,因能量损失而慢化成为慢中子。当快中子与氢原子碰撞时能量损失最大,慢化更严重,由此形成的慢中子云密度与氢元素含量成正比。土壤的水分含量越高,氢元素含量也越多,慢中子云的密度越大,根据慢中子云的密度与水分子间的函数关系即可得到土壤的水分含量 [3]。其优点是不必取土,不会破坏土壤结构,可定点连续监测,能快速准确得到的土壤水分动态运动规律。但中子法也有自身的不足,测量时,室内外曲线差异较大,不同土壤的物理性质差异也会造成曲线较大的移动,仪器设备价格昂贵,容易造成污染环境,尤其是其辐射危害人的健康 [24][25]。2)近红外线法近红外线法属于遥感法中典型的一种测量土壤水分的方法。其基本原理是利用红外光谱中,某些特定波长的光的能量会被水分子强烈吸收。当红外辐射从物质反射或透射时,辐射的衰减情况可以反映物质的含水量 [4]。在对土壤水分进行测量时,通常使用1.43μm 和 1.94μm 作为测量波长,在这两种波长下,红外线能够被水分子强烈吸收。用近红外线测试土壤水分可以实现土壤的非接触测量,无破坏性。可实现远距离测量和实时分析。但是受土壤表面粗糙度影响大,同时受土壤表面水分孔隙状况的影响,仅能测量土壤表层含水量 [26]。3)时域反射(TDR)法时域反射(TDR)法是 20 世纪 60 年代末期出现的一种根据物质介电特性测定土壤含水量的方法 [5]。时域反射法的测量原理是,当高频电磁脉冲传播遇到不同的介质时,由于阻抗不匹配发生电磁波反射现象,根据反射回的时间确定物质的介电常数。由于电磁脉冲的传播速度与传播介质的介电常数密切相关,而土壤颗粒、水分和空气本身的介电常数差异很大,土壤水分含量不同时介电常数发生大的变化,因而由电磁脉冲的传播速度可确定土壤的含水量 [27]。TDR 法可实现快速、连续、准确地测量,且对土壤无破坏。但电路复杂设计难度大,由于采用传输线技术,不可以测量 10cm 以内的土壤,仪器价格昂贵,在现阶段不能推广和普及 [28][29]。4)频域反射(FDR)法频域反射(FDR)法也是一种根据介电常数测量土壤水分的方法。其原理是根据高频数字化电容式土壤水分传感器设计 3电磁脉冲在土壤介质中的传播速度测试土壤的表观介电常数,进而得到土壤的体积含水量。FDR 由一对电极组成电容介电传感器,其间充满土壤电介质,电容与振荡器组成一个调谐电路,振荡器的工作频率随土壤电容的增加而降低 [6]。频域反射法可实现快速、准确、连续测量土壤水分,不破坏土壤结构,能自动监测土壤水分的变化情况。但在野外进行水分监测应用中,因土壤类型不同而需要标定或校正,在低频时,容易受到土壤盐分、质地和容重的影响 [30][31]。5)驻波率法1995 年,Gaskin 和 Miller 提出了基于传输线理论中驻波率(SWR)原理的土壤水分测试方法,这种方法利用高速延迟线测量入射波和反射波构成的驻波率,土壤三态混合物介电常数的改变能够引起传输线上驻波率的显著变化。与 TDR、TFR 类似,信号源产生的高频电磁波沿传输线传播到土壤探针,由于探针阻抗与传输线阻抗不匹配,一部分信号沿传输线反射回来,另一部分继续沿土壤探针传播。在传输线上,入射波和反射波叠加形成驻波,使传输线上各点的电压幅值发生变化。由于土壤探针的阻抗取决于土壤的介电特性,而土壤的介电特性主要取决于土壤的水分含量,于是,可通过测量传输线上电压的变化反映土壤的含水量 [7][8][9]。驻波率法测量土壤水分含量的优点是可以快速、连续地测量土壤水分;成本较低;可适用于多数土壤类型。缺点是采用高频信号,电路设计、信号处理难度大;受土壤盐分的影响较大,测量精度较 TDR 低 [32]。6)容抗法电容传感器法是通过测量以固体、水分和空气组成的土壤为介质的电容器的电容进行土壤水分含量测试。由于水的介电常数远大于干土壤和空气的介电常数,土壤水分含量改变,其介电常数发生变化,从而引起电容的变化 [10]。根据传感器的电容值和土壤含水量的关系,可以拟合曲线,因此,只要求出土壤电容传感器的电容,可得到土壤的水分含量。该方法具有较高的精度和可靠性,能够方便地接入自动化采集系统,连续测量土壤水分含量随时间的变化过程,但对土壤电导率敏感。由于电容传感器有价格低、操作频率低、实时测量读数、测量数据准确等如此多的优点,被认为是 TDR 方法的替代品,论文正是根据电容传感器的思路设计了基于高频电容的土壤水分传感器 [33][34]。1.2.2 国内研究现状在国内,对于土壤水分测试技术的研究起步比较晚,但是随着科技工作者的不断涌现,也取得了很大的进展,已经由最初的烘干法测试土壤水分发展为利用各种传感器或者射线等科学方法实现快速、无损伤的测量土壤含水量。1960 年,我国开始利用 γ-射线透视法测量土壤的含水量;1982 年,巫新民等人开始进行利用阻抗方法测试土壤含水量[11]。此外,随着科学技术的发展,国内相关的高校和科研院所都有从事土壤水分含量测试技术和方法的研究。中国科学院南京土壤研究所是较早从事土壤水分研究的科研机构,陈本华等用毛细管张力的方法对测试土壤水分进行了研究 [12];西北农林科技大学的马孝义等对介电方法测量土壤水分做了大量的工作 [13];中国农业大学的王一鸣等利用驻波率数字化电容式土壤水分传感器设计 4法测量土壤水分也取得了很大的进展 [14][15];河南农业大学的胡建东等利用电容传感器的方法测试土壤水分做了大量的研究 [16] [17]。2003 年,孙宇瑞等设计了一种基于介电方法的土壤含水率介频转换装置,该装置消除了因振荡幅度和输出电阻的不一致而造成的误差,性能比较稳定 [18];2005 年,孙宇瑞等设计了一种同步实时测量土壤水分如电导率的方法及传感器,该传感器是基于介电理论和频域分析方法的,采用多频率导纳分解法直接测量探针的导纳,分解探针导纳的实部和虚部,通过探针导纳的实部与电损耗的关系得出介质电导率,探针导纳的虚部与介电常数的关系得出介质含水率 [19]。2008 年,罗锡文等人设计了一种水分测量传感器,该传感器采用电容法测量水分含量,可以比较有效的测不同深度的土壤水分的含量 [20];2011 年,胡均万等人设计了一种介频式土壤水分传感器,该传感器把含水率信息以频率信号的形式输出,无需使用 ADC模数转换电路,在数据传输过程中不易受外界干扰 [21]。1.3研究内容与方法为了设计一种适合梅州沙田柚果园的数字化电容式土壤水分传感器,制定了以下具体的研究内容及其研究方法:(1)土壤介电特性分析以土壤为基础,研究土壤含水量的测量方法;研究土壤的构成及土壤介电特性,分析电容传感器与土壤介电特性的关系。(2)介频式土壤水分传感器的设计采用依次点连接的稳幅电路、振荡电路、C/V 转换电路、V/F 转换电路,设计一种能将土壤含水率信息以频率信号的形式输出的介频式土壤水分传感器。首先,根据土壤介电特性,选择一种灵敏度高,线性特性良好的电压—频率转换电路作为电容式土壤水分传感器的伏/频转换电路。其次,设计出介频式土壤水分传感器的硬件电路;然后研究不同规格的探针的特性,选择一种最佳的尺寸方案;最后,根据实际需要,设计介频式土壤水分传感器的外观。利用烘干法对该传感器进行标定,找出其数学规律,并建立数学模型;对电容式土壤水分传感器进行重复性分析,迟滞性分析,稳定性等性能分析,并对建立的介频式土壤水分传感器的输入—输出模型进行验证性试验。(3)数字化电容式土壤水分传感器的设计在介频式土壤水分传感器的基础上简化电路、降低系统功耗,设计一种具有数字电平信号输出的功能的数字化电容式土壤水分传感器。论证系统硬件的稳压电路、单片机、负电源产生电路、低通滤波器、土壤含水率探针、C/V 转换电路、整流滤波电路和通讯接口的选择,选择最佳的方案;针对该硬件设计系统的程序,并利用烘干法对该传感器进行标定,找出其数学规律,并建立数学模型;对数字化电容式土壤水分传感器进行重复性分析,迟滞性分析,稳定性等性能分析,并数字化电容式土壤水分传感器设计 5对建立的数字化电容式土壤水分传感器的输入—输出模型进行验证性试验。从实验上进一步证实数字化电容式土壤水分传感器测试方法的可行性,并对其性能作出分析。数字化电容式土壤水分传感器设计 62 土壤水分检测机理2.1 土壤水分构成土壤是指覆盖于地球陆地表面能够生长植物的疏松物质层,同其他物质一样,土壤是具有一定的物质组成、形态特征、结构功能的物质实体。土壤由固相、液相、气相三相物质组成,它们之间是相互联系、相互转化、相互作用的有机整体。从总体来看,土壤是一个复杂而分散的多相物质系统,而土壤水分主要集中在土壤的液相部分。固相部分是由大小不同的单个颗粒构成,包括颗粒状的矿物质、有机物质和土壤微生物等。矿物质是土壤中最基本的组成成分,是构成土壤的基本骨架,由岩石中的原生矿物和次生矿物继承和发展而来。有机质是指土壤中所有由动植物来源的物质的总称,通常被吸附于矿物质的表面形成有机无机复合体,是组成土壤的重要物质基础。微生物是土壤的分解者,在土壤有机质和养分的转化过程中起着活化土壤物质并释放有效养分的重要作用。液相部分,指外界水分进入土壤,以水膜形态保持于矿物质颗粒的表面和较小的孔隙中形成的土壤水。土壤水是地表水和地下水之间的过渡环节,其中存储的水量主要随大气降水或灌溉的补给而增加,通过蒸发蒸腾的消耗而减少,并在土壤中存储之外的剩余水经下渗漏或形成地表径流而排出。土壤水分的动态受重力、土粒表面的分子引力、毛细孔隙的毛管力、植物吸收压力和蒸发力等因素的控制。按土壤水分的形成和与土壤的关系,可分为以下主要类型:(1)吸湿水,是指土壤依靠土粒与水分子间很强的分子引力把空气中的气态水吸附在土粒表面而形成的一层薄水膜。土壤保持吸湿水的最大量因土壤胶体的数量和质量而不同,质地粘重及含蒙脱土多的土壤含吸湿水量最高。吸湿水溶解盐类的能力弱,具有固态水的性质,不能流动。土壤吸附这种水分子的能力很大,因此不能为植物所利用。(2)膜状水,指当吸湿水充满之后,土粒继续依靠分子引力吸收水分从而加厚土粒外表的水膜形成的薄膜水。土粒对这种水分子引力较弱,与液态水相似,能从薄膜稍厚处向较薄处移动,有少数水分可供植物利用。(3)毛管水,指当膜状水充满后,毛细孔隙靠毛细管的吸引力而保持的水分。这种土壤水分具有活动性,可向蒸发和低湿度的方向运动,是植物有效水分的基本来源。毛管水可分为两种:一种是靠降水或灌溉供给并与地下水无联系的毛管悬着水;另一种是由地下水层上升的毛管上升水,其上升高度因质地和毛细孔隙的大小而不同。(4)重力水,是指当毛管水达到最大毛细管持水量后,继续补充水分,存在于大孔隙中的水因重力作用下移的水分。当排水良好时,重力水很快消失,成为不能保持和被植物利用的一种水分;当水分过多时成为渍水,只有水生植物可以适应和利用。天然水都不是纯水。大气降水中通常含有少量二氧化碳、氧气和其他物质,进入土体后对固体物质有较大的溶解性,从而成为土壤溶液。所以,土壤水实际上是成分复杂的溶液,含有各种无机盐类及可溶性有机化合物。
    展开阅读全文
    1
      金牌文库所有资源均是用户自行上传分享,仅供网友学习交流,未经上传用户书面授权,请勿作他用。
    0条评论

    还可以输入200字符

    暂无评论,赶快抢占沙发吧。

    关于本文
    本文标题:基于VS1003解码器的MP3播放器设计.rar
    链接地址:http://www.gold-doc.com/p-158407.html

    当前资源信息

    4.0
     
    (2人评价)
    浏览:22次
    bysj上传于2018-09-15
    1
    关于我们 - 网站声明 - 网站地图 - 资源地图 - 友情链接 - 网站客服客服 - 联系我们
    copyright@ 2014-2018 金牌文库网站版权所有
    经营许可证编号:浙ICP备15046084号-3
    收起
    展开