2907 基于單片機的節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)的設(shè)計

2907 基于單片機的節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)的設(shè)計,基于,單片機,節(jié)水,灌溉,自動控制系統(tǒng),設(shè)計 黑龍江工程學院本科生畢業(yè)設(shè)計Ⅰ摘 要自動控制節(jié)水灌溉技術(shù)代表了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展狀況，灌溉系統(tǒng)自動化水平比較低下是制約我國高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要原因。本文就此問題研究了基于單片機的節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)，系統(tǒng)對土壤濕度進行監(jiān)控，并按照農(nóng)作物的要求進行適時適量的灌水，其核心部分是單片機控制部分，主要對灌溉控制技術(shù)以及系統(tǒng)的硬件設(shè)計，軟件編程各個部分進行深入的研究?？刂撇糠忠詥纹瑱C為核心，研制了一種基于單片機的節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、單片機系統(tǒng)主機電路、數(shù)據(jù)采集處理電路、I/O口的擴展電路。為了進行大規(guī)模灌溉工程的監(jiān)控，采用分布式控制模式，以提高控制系統(tǒng)的可靠性、降低系統(tǒng)的成本。該套基于單片機控制的節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)造成本低，體積小、安裝方便、抗干擾性強、運行可靠，相比其他控制方式來說，性價比高，更易形成產(chǎn)品，便于推廣應(yīng)用。這是我國灌溉自動控制技術(shù)的一種新嘗試，為目前農(nóng)業(yè)在較低生產(chǎn)力水平的狀況下，向智能化、市場化方向發(fā)展開辟了一條新途徑。關(guān)鍵詞： AT89C51單片機；濕度傳感器；A/D轉(zhuǎn)換；采樣；芯片 畢業(yè)設(shè)計（論文）中期檢查表填表日期 2012 年 5 月 8 日 迄今已進行 11 周剩余 6 周學生姓名 岳躍宏 系部 機電工程學院 專業(yè)、班級 機械 08-3指導教師姓名 孫玉芳 職稱 講師 從事專業(yè) 電氣工程 是否外聘 □是√否題目名稱 基于單片機的節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)的設(shè)計已完成主要內(nèi)容 待完成主要內(nèi)容畢業(yè)設(shè)計（論文）工作進度（1） 接受任務(wù)書，與指導老師就設(shè)計事宜。（2） 查閱文獻，收集資料，撰寫并提交開題報告，英文文獻。（3） 總體設(shè)計方案（4） 器件選型（5） 系統(tǒng)硬件設(shè)計（解決問題、修改完善）（1） 系統(tǒng)軟件設(shè)計（2） 撰寫設(shè)計說明書（用計算機繪圖）（3） 完成說明書及圖紙打印學生填寫存在問題及努力方向1、 硬件電路設(shè)計已基本完成，有些元器件需具體化。2、 軟件設(shè)計做到與已成型的硬件電路相輔相成。對各子程序分別進行模塊化設(shè)計，以完成所有軟件部分的設(shè)計。學生簽字： 岳躍宏指導教師意 見該同學通過查找資料完成了整體方案設(shè)計，元器件的選型及硬件電路的設(shè)計，設(shè)計進度基本正常。指導教師簽字： 2011 年 5 月 8 日教研室意 見教研室主任簽字： 年 月 日SY-025-BY-5本科學生畢業(yè)設(shè)計基于單片機的節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)的設(shè)計院系名稱： 機電工程學院 專業(yè)班級：機械設(shè)計制造及其自動化 08-3 班 學生姓名： 岳躍宏 指導教師： 孫玉芳 職 稱： 講師 黑 龍 江 工 程 學 院二○一二年六月The Graduation Design for Bachelor's DegreeThe Design of Automatic Control System for Water Saving Irrigation Based on MicrocontrollerCandidate:Yue YuehongSpecialty: Mechanical Design and Manufacture and AutomationClass:08-3Supervisor：Lecturer. Sun YufangHeilongjiang Institute of Technology2012-06·Harbin1 基于單片機的節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)的設(shè)計第 1 章 緒 論1.1 引言隨著中國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程的加快，農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及我國加入 WTO 等因素，農(nóng)業(yè)灌溉自動化技術(shù)的要求越來越高，灌溉控制器在我國有著巨大的市場。節(jié)水灌溉控制器近期在中國應(yīng)朝著價格低，性能可靠操作簡便的方向發(fā)展。但從長遠的利益考慮，新的只能化技術(shù)，傳感技術(shù)和農(nóng)業(yè)科技的引入應(yīng)用和普及，將會有智能化程度更高，性能更穩(wěn)定可靠的灌溉控制器出現(xiàn)。經(jīng)過多年的發(fā)展，國外灌溉控制器已逐步趨于成熟系列化，但價格昂貴，國內(nèi)雖引進一些，大多數(shù)是農(nóng)業(yè)示范區(qū)，單位。雖然國外生產(chǎn)的灌溉控制器性能越來越高，但沒有考慮我國特殊的自然氣候土地資源農(nóng)業(yè)經(jīng)濟狀況等因素，因而國外引進的灌溉控制器在國內(nèi)應(yīng)用并不普及。國內(nèi)雖然有多家研制灌溉器，但多數(shù)是小規(guī)模，試驗和理論的探究應(yīng)用不夠普及。究其原因一則是開發(fā)性能完善的灌溉控制系統(tǒng)需要大量的人力和物力的投入，需要多部門，多學科的融合，這在一定程度上限制了性能的完善，適應(yīng)性強的控制器的開發(fā)。其次是現(xiàn)在開發(fā)出來的灌溉控制器價格昂貴，農(nóng)民盡管知道能節(jié)省人力和灌溉用水提高產(chǎn)量，但由于一次性投入太大，多數(shù)農(nóng)民承受不起，這也在一定程度上限制了灌溉控制器的普及。綜上所述，西方發(fā)達國家在節(jié)水灌溉控制器的開發(fā)上已越來越成熟，而且發(fā)展趨勢是研制大型分布式控制系統(tǒng)和小面積單片機控制系統(tǒng)，并能有通訊功能，能與上位機進行通信，并可由危機對其編程操作。同時隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)為節(jié)水灌溉控制器的研制開辟了廣闊的應(yīng)用前景。而國內(nèi)在灌溉控制器的研制方面還沒有形成規(guī)模大，應(yīng)用范圍廣的成套控制產(chǎn)品。國內(nèi)的一些高爾夫球場等大面積場地灌溉控制，一般引用國外現(xiàn)成的成套灌溉控制產(chǎn)品，而廣大農(nóng)村可根據(jù)我國國情和各地經(jīng)濟和技術(shù)發(fā)展的實際情況，采取簡單可行的節(jié)水灌溉控制措施及相應(yīng)的排灌機械和設(shè)備，大力發(fā)展可靠實用和操作簡便的節(jié)水灌溉控制器，這樣做不僅具有廣闊的市場，而且有巨大的社會和經(jīng)濟效益。現(xiàn)代智能型控制器是進行灌溉系統(tǒng)田間管理的有效手段和工具，他可提高操作準確性，有利于灌溉過程的科學管理，降低對操作者本身素質(zhì)要求。除了能大大減少勞動量，更重要的是他能準確，定時，定量高效地給作物自動補充水分，以提高產(chǎn)量，2 質(zhì)量，節(jié)水和節(jié)能?，F(xiàn)代灌溉控制器的研究使用在我國的農(nóng)林及園藝為數(shù)不多，與發(fā)達國家相比，有較大的差距，還基本停留在人工操作上，即使有些地方搞了一些灌溉工程的自動化控制系統(tǒng)，也是根據(jù)經(jīng)驗法來確定每天灌溉次數(shù)和每天灌溉量，如果灌溉量與作物實際需水量相比較少，便不能有效的促進作物健康成長；而灌溉量太多，肥水流失，又會造成資源浪費，同時傳統(tǒng)的灌溉法還需要相關(guān)的專家實時觀察并經(jīng)驗指導生產(chǎn)，勞動生產(chǎn)率低，這也不能與現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)向優(yōu)化，高效化方向發(fā)展要求同步1.2 選題背景及研究的目的與意義1.2.1 選題背景生命之起源，水為必要條件，沒有了水，地球上的生命將會枯竭。隨著 21 世紀的到來，能源危機將接踵而至。比能源危機更可怕的是，作為人類生命之源的水的短缺到了前所未有的程度，這一狀況還將隨著時間的推移和社會的發(fā)展繼續(xù)惡化。水資源危機已成為全球性的突出問題，利用科技手段緩解這一危機，將是人類主要的出路。農(nóng)業(yè)是人類社會最古老的行業(yè)，是各行各業(yè)的基礎(chǔ)，也是人類頓以生存的最重要的行業(yè)。農(nóng)業(yè)的發(fā)展從長遠來看很重要，一是水的問題，二是科技的問題。農(nóng)業(yè)的根本出路在科技，在教育。由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變，由粗放經(jīng)營向集約經(jīng)營轉(zhuǎn)變，必須要求農(nóng)業(yè)科技有一個大的發(fā)展，進行一次新的農(nóng)業(yè)技術(shù)革命。農(nóng)業(yè)與工業(yè)、交通等行業(yè)相比仍然比較落后，農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)尤其落后。灌溉系統(tǒng)自動化水平較低是制約我國高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要原因。傳統(tǒng)的灌溉模式自動化程度極低，基本上屬粗放的人工操作，即便對于給定的量，在操作中也無法進行有效的控制，為了提高灌溉效率，縮短勞動時間和節(jié)約水資源，必須發(fā)展節(jié)水灌溉控制技術(shù)。現(xiàn)代智能型控制器是進行灌溉系統(tǒng)田間管理的有效手段和工具，它可提高操作準確性，有利于灌溉過程的科學管理，降低對操作者本身素質(zhì)的要求。除了能大大減少勞動量，更重要的是它能準確、定時、定量、高效地給作物自動補充水分，以提高產(chǎn)量、質(zhì)量，節(jié)水、節(jié)能?，F(xiàn)代灌溉控制器的研究使用在我國農(nóng)、林、及園藝為數(shù)不多，與發(fā)達國家相比，有較大的差距，還基本停留在人工操作上，即使有些地方搞了一些灌溉工程的自動化控制系統(tǒng)，也是根據(jù)經(jīng)驗法來確定每天灌溉次數(shù)和每次灌溉量，如果灌溉量與作物實際需水量相比太少，便不能有效的促進作物健康成長;而灌溉量太多，肥水流失，又會造成資源浪費，同時傳統(tǒng)的灌溉法還需要相關(guān)專家的實時觀察并經(jīng)驗指導生產(chǎn)，勞動生產(chǎn)率低，這也不能與現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)向優(yōu)化、高效化方向發(fā)展要求同步。3 隨著計算機技術(shù)和傳感器技術(shù)的迅猛發(fā)展，計算機和傳感器的價格日益降低，可靠性日益提高，用信息技術(shù)改造農(nóng)業(yè)不僅是可能的而且是必要的。用高新技術(shù)改造農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，實施節(jié)水灌溉已成為我國農(nóng)業(yè)乃至國民經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展帶戰(zhàn)略性的根本大事。本文旨在設(shè)計一套能對作物生長的土壤濕度進行自動監(jiān)控的系統(tǒng)，它能對作物進行適時、適量的灌水，起到高效灌溉，節(jié)水、節(jié)能的作用。1.2.2 研究的目的與意義農(nóng)業(yè)是人類社會最古老的行業(yè)，是各行各業(yè)的基礎(chǔ)，也是人類賴以生存的最重要的行業(yè)。農(nóng)業(yè)的發(fā)展從長遠來看非常重要，一是水的問題，二是科技的問題。農(nóng)業(yè)的根本出路在科技，在教育。由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變，由粗放經(jīng)營向集約經(jīng)營轉(zhuǎn)變，必須要求農(nóng)業(yè)科技有一個大的發(fā)展，進行一次新的農(nóng)業(yè)技術(shù)革命。農(nóng)業(yè)與工業(yè)、交通等行業(yè)相比仍然比較落后，農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)尤其落后。灌溉系統(tǒng)自動化水平較低是制約我國高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要原因。傳統(tǒng)的灌溉模式自動化程度極低，基本上屬粗放的人工操作，即便對于給定的量，在操作中也無法進行有效的控制，為了提高灌溉效率，縮短勞動時問和節(jié)約水資源，必須發(fā)展節(jié)水灌溉控制技術(shù)?，F(xiàn)代智能型控制器進行灌溉系統(tǒng)田間管理的有效手段和工具，它可提高操作準確性，有利于灌溉過程的科學管理，降低對操作者本身素質(zhì)的要求。除了能大大減少勞動量，更重要的是它能準確、定時、定量、高效地給作物自動補充分，以提高產(chǎn)量、質(zhì)量，節(jié)水、節(jié)能?，F(xiàn)代灌溉控制器的研究使用在我國農(nóng)、林、及園藝為數(shù)不多，與發(fā)達國家相比，有較大的差距，還基本停留在人工操作上。即使有些地方搞了一些灌溉工程的自動化控制系統(tǒng)，也是根據(jù)經(jīng)驗法來確定每天灌溉次數(shù)和每次灌溉最。如果灌溉量與作物實際需水量相比太少，便不能有效的促進作物健康成長；而灌溉量太多，肥水流失，又會造成資源浪費。同時傳統(tǒng)的灌溉法還需要相關(guān)專家的實時觀察并經(jīng)驗指導生產(chǎn)，勞動生產(chǎn)率低，這也不能與現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)向優(yōu)化、高效化方向發(fā)展要求同步。我國先后引進了以色列、美國、法國、德國等國家的部分先進灌溉控制設(shè)備，但價格昂貴，維護保養(yǎng)困難，多數(shù)用于農(nóng)業(yè)示范區(qū)、科研單位或高校，而且不符合我國土壤的應(yīng)用特點。我國自己的現(xiàn)代灌溉控制器的研制和使用尚處于起步階段，因此，作為一個農(nóng)業(yè)大國，中國研究開發(fā)自己的先進的低成本、使用維護方便、系統(tǒng)功能強且擴展容易的國產(chǎn)化數(shù)字式節(jié)水灌溉器是一項極有意義的工作。隨著計算機技術(shù)和傳感器技術(shù)的迅猛發(fā)展，計算機和傳感器的價格日益降低，可靠性日益提高，用信息技術(shù)改造農(nóng)業(yè)不僅是可能的而且是必要的。用高新技術(shù)改造農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，實施節(jié)水灌溉己成為我國農(nóng)業(yè)乃至國民經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展帶戰(zhàn)略性的根本大事。本文旨在設(shè)計一套能對作4 物生長進行自動監(jiān)控的系統(tǒng)，它能對作物進行適時、適量的灌水，起到高效灌溉、節(jié)水、節(jié)能的作用。1.3 研究內(nèi)容本設(shè)計需研究的內(nèi)容為：節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)的發(fā)展狀況；節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成，即選擇系統(tǒng)設(shè)計的基本方案與硬件及軟件等方面的設(shè)計。在硬件方面，需研究整體硬件框圖以及各種器件的選型及連接方法；在軟件方面，要明確主程序及各個主要部分的流程以及相應(yīng)的程序控制清單。1.4 節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及存在問題國內(nèi)自20世紀50年代即開始節(jié)水灌溉的研究，并對當時主要農(nóng)作物的需水量和需水規(guī)律、灌溉制度進行了許多試驗研究，繪制了全國主要農(nóng)作物的需水量等值線圖，建立了全國灌溉試驗資料數(shù)據(jù)庫。20世紀70年代主要集中在節(jié)水灌溉制度方面的研究。節(jié)水灌溉制度包括灌水時期、灌水定額和輪灌周期等內(nèi)容。根據(jù)水與作物生長、發(fā)育及產(chǎn)量間的關(guān)系，通過有限水量在作物生育期內(nèi)的最優(yōu)分配，以提高有限灌溉水屠下作物根系吸收轉(zhuǎn)化和光合作用向經(jīng)濟產(chǎn)量轉(zhuǎn)化的效率為目標，進而達到高產(chǎn)和高水分生產(chǎn)率。但此時期的研究是基于傳統(tǒng)的充分灌溉基礎(chǔ)上的。20世紀80年代開始，許多研究者放棄了充分灌溉的研究，轉(zhuǎn)向節(jié)水型劣態(tài)或亞劣態(tài)試驗，結(jié)果表明與充分灌溉相比，節(jié)水灌溉條件下的產(chǎn)量降低并不嚴重。隨后，調(diào)虧灌溉技術(shù)發(fā)展很快。噴、微灌技術(shù)是當今世界上節(jié)水效果最明顯的技術(shù)，是當前諸多現(xiàn)代灌溉技術(shù)中省水率最高。應(yīng)用最為廣泛的灌溉方法，目前研究很多。如：噴灌水量分布均勻性評價指標的實驗研究漫灌和噴灌條件下土壤養(yǎng)分運移特征的初步研究川，研究了漫灌、噴灌入滲條件下，土壤養(yǎng)分運移的特征；噴灌條件下小氣候變化規(guī)律的研究，研究了最大溫差和最大相對濕度與噴灌時間、噴灌工作壓力、風力、風向以及光照強度的關(guān)系；噴灌條件下冬小麥生理特征及生態(tài)環(huán)境特點的實驗研究。噴灌硬件設(shè)施方面的研究有：低壓管噴及其節(jié)水高產(chǎn)機理研究；水田自動給水灌溉系統(tǒng)中非均勻出流問題的研究；田間噴管結(jié)合灌水技術(shù)體系的研究；灌區(qū)灌溉中的模糊控制；GPS節(jié)水灌溉系統(tǒng)的研究。我國的微灌技術(shù)在70年代就有所研究發(fā)展。我國最早的滲灌工程是山西臨汾的龍子祠引泉工程和河南省濟源的合瓦地灌排工程。1975年以后，山西省萬榮縣、河南省許昌市及江蘇省的常熟、雌寧、南通、啟東、徐州等地進行了滲灌試點。然而，這些試點僅限于試驗階段，沒有得到廣泛應(yīng)用，而且也沒有采用自動化控制的思想。5 我國節(jié)水灌溉自動化研究處于起步階段，自動化程度低，目前開發(fā)的自動灌溉控制系統(tǒng)還處于研制、試用階段。在開發(fā)的產(chǎn)品中有代表性的如中國農(nóng)業(yè)機械化研究院聯(lián)合多家單位研制的2000型溫室自動灌溉施肥系統(tǒng)，具有手動控制、程序控制和自動控制等多種灌溉系統(tǒng)模式，可按需要靈活應(yīng)用，在大連，北京等地已經(jīng)投入應(yīng)用，效果良好，但其成本較高，適用于溫室內(nèi)作物。由中國灌排技術(shù)開發(fā)公司開發(fā)的集中或分散式微灌自動監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)灌溉計劃能自動對微灌工程進行監(jiān)視，控制和事故處理，其核心控制部件為8098單片機。北京農(nóng)業(yè)工程大學研制的自動化灌溉控制系統(tǒng)是以8031單片機為核心，可對多通道土壤水分進行檢測，實現(xiàn)對多路通道進行自動灌溉控制的功能。但以上兩種系統(tǒng)選用的芯片功能較少，由于電路擴展而使系統(tǒng)復雜化，而且系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。福建省水利建設(shè)技術(shù)中心研制的節(jié)水灌溉自動化控制系統(tǒng)，其應(yīng)用計算機技術(shù)，通訊技術(shù)，自動控制技術(shù)和生態(tài)農(nóng)業(yè)技術(shù)進行集成化與優(yōu)化配置，可對大田作物采取三種模式灌溉方式，即定時、恒濕及人工模式。北京奧特思達科技有限公司研制的我國的微灌技術(shù)在70年代就有所研究發(fā)展。我國最早的滲灌工程是山西臨汾的龍子祠引泉工程和河南省濟源的合瓦地灌排工程。1975年以后，山西省萬榮縣、河南省許昌市及江蘇省的常熟、雌寧、南通、啟東、徐州等地進行了滲灌試點。然而，這些試點僅限于試驗階段，沒有得到廣泛應(yīng)用，而且也沒有采用自動化控制的思想?？傊?，在我國，雖然有多種灌溉控制器，但多數(shù)規(guī)模較小，局限于實驗和理論的探討，而且開發(fā)出來的產(chǎn)品價格昂貴，農(nóng)民盡管知道能節(jié)能、節(jié)水、增產(chǎn)，但由于一次性投資太大，多數(shù)農(nóng)民承受不起，所以根本無法普及應(yīng)用。節(jié)水農(nóng)業(yè)在國外的發(fā)展已有幾十年的歷史，在西方發(fā)達國家，節(jié)水灌溉的應(yīng)用面積和產(chǎn)業(yè)化程度很高。目前，約有80多個國家和地區(qū)推廣應(yīng)用微灌技術(shù)。美國、前．蘇聯(lián)的噴灌面積己占其總灌溉面積40％以上，英國、德國、奧地利、丹麥、瑞典、日本等國的旱地灌溉面積中90％以上采用噴灌。一些發(fā)達國家的噴灌系統(tǒng)中廣泛使用多功能壓力流量控制設(shè)備，如法國和日本均開發(fā)并使用集給水拴、壓力控制、流量顯示、水量控制等功能于一體的多功能壓力流量控制給水拴。節(jié)能效果良好的恒壓噴灌技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用，如日本在大多數(shù)旱地灌溉系統(tǒng)的／；H／五泵站中使用調(diào)壓罐控制。微灌領(lǐng)域，以色列和美國水平很高。他們對灌溉的新概念是：把含有肥料的水一滴滴的輸入作物根系層的土壤中，使土壤中的水、肥、氣、熱等保持協(xié)調(diào)關(guān)系，達到作物高產(chǎn)的目的。尤其是以色列，在水資源極度缺乏的情況下，通過發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)和節(jié)水灌溉工程技術(shù)，建立起了高度發(fā)達的外向型農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)。世界著名的耐特費姆(Netfim)灌溉設(shè)備和滴灌系統(tǒng)公司生產(chǎn)的微灌系統(tǒng)基本由計算機自動控制運行，可根6 據(jù)作物的生長及水、肥狀況進行灌水和施肥，節(jié)約大量人力，且管理及時，使作物產(chǎn)量和品質(zhì)都有較大幅度的提剮161。除了大力推廣微灌與噴灌技術(shù)外，發(fā)達國家發(fā)展高效農(nóng)業(yè)的另一個重要途徑是灌溉管理的自動化舊。如美國、法國、英國、日本、以色列等發(fā)達國家已采用了先進的灌溉系統(tǒng)。他們采用先進的節(jié)水灌溉制度，由傳統(tǒng)的充分灌溉向非充分灌溉發(fā)展，對灌區(qū)用水進行監(jiān)測預報，實行動態(tài)管理，采用遙感技術(shù)，監(jiān)測土4壤墑情和作物生長，開發(fā)和制造了一系列用途廣泛，功能強大的數(shù)字式灌溉控制器，并得到了廣泛的應(yīng)用。仍然以以色列為例，以色列是世界上微灌技術(shù)發(fā)展最具有代表性的國家，目前全國農(nóng)業(yè)土地基本上實現(xiàn)了灌溉管理自動化，并且普遍推行自動控制系統(tǒng)，按時、按量將水、肥直接送入作物根部，水資源利用率和單方水的糧食產(chǎn)量都相當高。北美、澳大利亞、韓國等國家和地區(qū)都已有發(fā)展成熟并形成系列的灌溉控制器產(chǎn)品，微灌方式普遍采用計算機控制，埋在地下的濕度傳感器可以傳回有關(guān)土壤水分的信息，還有的傳感器系統(tǒng)能通過檢測植物的莖和果實的直徑變化來決定對植物的灌水間隔。在溫室等設(shè)施內(nèi)較多使用小型灌溉管、理程序，澆水時間可按日期設(shè)定每次每路灌水起止時聞，操作便于小規(guī)模經(jīng)營。計算機化操作運行精密、可靠、節(jié)省人力，對灌溉過程的控制可達到相當?shù)木?，在以色列，已?jīng)出現(xiàn)了在家里利用電腦對灌溉過程進行全部控制(無線、有線)的農(nóng)場主?？傊?，目前國外灌溉控制器已逐步趨于成熟、系列化，并朝著大型分布式控制系統(tǒng)和小面積單機控制兩個方向發(fā)展，產(chǎn)品一般都能與微機進行通信，并由機對其施行控制。我國節(jié)水灌溉自動控制器研發(fā)行業(yè)與國外研發(fā)企業(yè)相比存在如下幾點問題:1、從中國整個灌溉系統(tǒng)設(shè)計行業(yè)的產(chǎn)品發(fā)展來看：產(chǎn)品主要以仿制國外產(chǎn)品為主，缺乏自主創(chuàng)新;2、技術(shù)開發(fā)體系沒有受到應(yīng)有的重視和規(guī)范：一方面，技術(shù)開發(fā)規(guī)劃工作缺乏，預見性不強；另一方面，技術(shù)開發(fā)過程不規(guī)范，對開發(fā)周期、成本和風險等方面的控制有待加強;3、技術(shù)開發(fā)體系沒有受到應(yīng)有的重視和規(guī)范：一方面，技術(shù)開發(fā)規(guī)劃工作缺乏，預見性不強；另一方面，技術(shù)開發(fā)過程不規(guī)范，對開發(fā)周期、成本和風險等方面的控制有待加強;4、產(chǎn)品立項前的市場管理活動沒有規(guī)范化：市場信息收集和分析工作薄弱，生產(chǎn)廠家對新產(chǎn)品近3-5年的產(chǎn)品路標規(guī)劃也不清晰，往往只有1-2年的開發(fā)項目計劃；5、產(chǎn)品研發(fā)缺乏一個整合企業(yè)資源的清晰的研發(fā)流程：7 產(chǎn)品線建設(shè)明顯滯后于資源線的建設(shè)6、專業(yè)研發(fā)人才缺乏：在培養(yǎng)關(guān)鍵性研發(fā)人才上，缺少相應(yīng)的機制保障。第2章 灌溉系統(tǒng)總體設(shè)計方案2.1 計算機控制系統(tǒng)的基本形式計算機控制系統(tǒng)的種類繁多，但歸納起來，目前實現(xiàn)計算機控制的方式基本上屬于下面五種形式：1、成套的計算機控制系統(tǒng)產(chǎn)品:目前世界上已出現(xiàn)了許多與硬件產(chǎn)品配套的，具有不同特點、適用于不同控制對象的軟件產(chǎn)品，像HONEYWELL、WDPF等DCS(集散系統(tǒng))系統(tǒng)。2、以實時操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，由控制系統(tǒng)設(shè)計人員設(shè)計在操作系統(tǒng)上運行的實時應(yīng)用軟件:目前通用有一大批IRMXRTOX，PSOS的實時操作系統(tǒng)。這類系統(tǒng)要求用戶自己編寫應(yīng)用程序，設(shè)計程序的流向，而由操作系統(tǒng)對應(yīng)用程序進行實時調(diào)度和占先，循環(huán)處理，因此減少了應(yīng)用軟件開發(fā)的難度。但要求程序員熟悉實時多任務(wù)編程技術(shù)，而且圖形界面不太好。3、集成的實時系統(tǒng)開發(fā)軟件:例如：Citect ，Intouch ，由軟件制造商提供，是專門為實時服務(wù)的開發(fā)環(huán)境和運行環(huán)境。系統(tǒng)本身已經(jīng)構(gòu)建了實現(xiàn)不同功能的軟件包、程序模塊和控鍵。用戶只需要按照規(guī)定方式，根據(jù)實際對象要求，調(diào)用相應(yīng)模塊，即可構(gòu)成應(yīng)用程序。4、在通用操作系統(tǒng)例了如DOS，WINDOWS 環(huán)境下:采用實時核實現(xiàn)程序的實時多任務(wù)特性。RTX， RTKERNEL，RTOS等都是應(yīng)用廣泛的實時核。5、直接從系統(tǒng)的最底層采用高級語言或匯編語言編制實時應(yīng)用程序:這種方法先把系統(tǒng)劃分層次，明確目標，任務(wù)，對各個任務(wù)的子過程進行結(jié)構(gòu)化編程，然后還要另外編寫計時、中斷、調(diào)度等控制程序。程序設(shè)計的難度和工作量很8 大，但整個程序?qū)τ谠O(shè)計人員來說是完全透明的，適應(yīng)性強。2.2 系統(tǒng)總體方案根據(jù)實際情況及系統(tǒng)技術(shù)要求，擬采用AT89C51微控器作為控制與數(shù)據(jù)處理的核心以構(gòu)成節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用AT89C51單片機來實現(xiàn)。用濕度檢測電路中的濕敏電阻對土壤濕度進行采集，所得電流信號經(jīng)處理得到可用的電壓信號，輸入到A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進行處理。系統(tǒng)將檢測得土壤的濕度值，送到LED顯示電路顯示，從而實現(xiàn)對土壤濕度的監(jiān)測監(jiān)控，能進行適度范圍設(shè)置和顯示，同時通過模糊控制算法實現(xiàn)對水泵開關(guān)的只能控制。該電路主要由AT89C51系統(tǒng)電路、電源電路、濕度檢測電路、顯示電路、開關(guān)控制電路等組成。軟件選用匯編語言編程。單片機可將土壤濕度傳感器檢測到的土壤濕度模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并傳輸給控制系統(tǒng)檢測是否該灌溉。該系統(tǒng)靈活性強，成本低，可靠性高，在實際應(yīng)用中前景廣闊。系統(tǒng)框圖如圖2.1所示種植物的土壤 土壤濕度傳感A / D 轉(zhuǎn)換A T 8 9 C 5 1 單片機L E D 顯示放大驅(qū)動電磁閥圖2.1 系統(tǒng)框圖2.2.1 AT89C51微控器構(gòu)成的最小系統(tǒng)根據(jù)本設(shè)計的技術(shù)要求來判斷是否需要對此微控器進行片外程序存儲器及數(shù)據(jù)存儲器的擴展。若需要，則對AT89C51微控器進行片外存儲器擴展，以構(gòu)成控制系統(tǒng)的最基本部分。若不需要，則單片機及其時鐘電路與復位電路等構(gòu)成最小系統(tǒng)。2.2.2 數(shù)據(jù)采集部分ADC0809 是一種 8 位逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部具有鎖存控制的 8 路模擬開關(guān)，9 外接 8 路模擬輸入端，可同時對 8 路 0-5V 的輸入模擬電壓信號分時進行采集轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)只用到 INO 和 INl 兩路輸入通道。ADC0809 轉(zhuǎn)換器的分辨率為 8 位，最大不可調(diào)誤差小于士 1LSB，采用單一+5V 供電，功耗為 15mW,不必進行零點和滿度調(diào)整。由于ADC0809 轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)寄存器具有可控的三態(tài)輸出功能，輸出具有 TTL 三態(tài)鎖存緩沖器，故其 8 位數(shù)據(jù)輸出引腳可直接與數(shù)據(jù)總線相連。A/D 轉(zhuǎn)換器需外部控制啟動轉(zhuǎn)換信號方能進行轉(zhuǎn)換，這一啟動轉(zhuǎn)換信號可由 CPU 提供，不同型號的 A/D 轉(zhuǎn)換器，對啟動轉(zhuǎn)換信號的要求也不同，分脈沖啟動和電平啟動兩種，ADC0809 采用脈沖啟動轉(zhuǎn)換，只需給 A/D 轉(zhuǎn)換器的啟動控制轉(zhuǎn)換的輸入引腳((START)上，加入正脈沖信號，即啟動A/D 轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換開始后，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端(EOC)信號變低，轉(zhuǎn)換結(jié)束時，EOC 返回高電平，以通知主機讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量，這個信號可以作為 A/D 轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)信號供查詢，也可以用作中斷請求信號。本系統(tǒng)中 ADC0809 與 AT89C51 單片機的接口如圖 5 所示，采用等待延時方式。ADC0809 的時鐘頻率范圍要求在 10-1280kHz , AT89C51 單片機的 ALE 腳的頻率是單片機時鐘頻率的 1/6，因此當單片機的時鐘頻率采用 6MHz,ADC0809 輸入時鐘頻率即為CLK=1MHz，發(fā)生啟動脈沖后需延時 100Us 才可讀取 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。ADC0809 的 8 位數(shù)據(jù)輸出引腳可直接與數(shù)據(jù)總線相連，地址譯碼引腳 A, B, C 分別與 74LS373 的 A, B, C 相連，以選通 INO- IN7 中的一個通道。AT89C51 的 p 2.6 作為片選信號，在啟動 AM 轉(zhuǎn)換時，由單片機的寫信號 WR 和 p2.?？刂?ADC 的地址鎖存和轉(zhuǎn)換啟動。由于 ALE 與 START 連在一起，因此 ADC0809 在鎖存通道地址的同時也啟動轉(zhuǎn)換，在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時，用單片機的讀信號 RD 和 p2.。引腳一級或非門產(chǎn)生的正脈沖作為 OE 信號，用以打開三態(tài)輸出鎖存器。2.2.3 顯示部分微機化測控系統(tǒng)中常用的測量數(shù)據(jù)的顯示器有發(fā)光二極管顯示器(簡稱 LED 或數(shù)碼管)和液晶顯示器(簡稱 LCD)。這兩種顯示器都具有線路簡單、耗電少、成本低、壽命長等優(yōu)點，本系統(tǒng)輸出結(jié)果選用 4 個 LED 顯示。數(shù)碼管有共陰共陽之分，本系統(tǒng)采用8 段共陰型 LED，每位數(shù)碼管內(nèi)部有 8 個發(fā)光二極管，公共端由 8 個發(fā)光二極管的陰極并接而成，正常顯示時公共端接低電平(GND)，各發(fā)光二極管是否點亮取決于 a-dp 各引腳上是否是高電平。LED 數(shù)碼管的外形結(jié)構(gòu)，外部有 10 個引腳，其中 3, 8 腳為公共端也稱位選端，其余 8 個引腳稱為段選端，當要使某一位數(shù)碼管顯示某一數(shù)字((0-9 中的一個)必須在這10 個數(shù)碼管的段選端加上與數(shù)字顯示數(shù)字對應(yīng)的 8 位段選碼(也稱字形碼)，在位選端加上低電平即可。2.2.4 供電電源單元采用變壓器、整流濾波及穩(wěn)壓等電路組成，分別給以上各部分提供所需要的電壓，可以提供+5V, +12V, +40V 的穩(wěn)定電壓。由于電壓源是現(xiàn)成的設(shè)備，可以在市場上訂制，所以不在涉及范圍內(nèi)，不再予以講述。2.3 本章小結(jié)本章首先介紹了計算機控制系統(tǒng)的五種基本形式，根據(jù)實際情況與技術(shù)要求，畫出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，并擬定了系統(tǒng)總體設(shè)計方案，包括數(shù)據(jù)采集單元、鍵盤及顯示單元、控制與執(zhí)行單元、系統(tǒng)各部分所需電源等輸入與輸出通道，并對每一部分都進行了較詳細的敘述。11 第3章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計3.1 本系統(tǒng)的硬件設(shè)計概述從總體上講，本系統(tǒng)硬件電路根據(jù)技術(shù)需求，由以AT89C51單片機為核心的主控電路以及其外圍接口電路組成。概括為以單片機為主的主控電路、單片機輸入部分接口電路、單片機輸出部分接口電路。主控電路是以單片機為核心和必要的外圍接口電路組成的，包括單片機最小系統(tǒng)、存儲器擴展（若需要）、復位電路等。輸入部分接口電路包括各種模擬信號，數(shù)字信號與單片機的接口信號調(diào)理電路以及按鍵接口電路。輸出部分接口電路包括電機驅(qū)動電路，電磁閥驅(qū)動電路，LED顯示驅(qū)動電路。其中各種接口電路設(shè)計的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。從硬件具體組成來看，整個硬件電路包括主控電路部分(主要由AT89C51單片機、數(shù)字接口、模擬接口組成)、土壤濕度信號采集電路部分(主要由濕度傳感器、必要的數(shù)字接口電路組成)、時鐘電路、數(shù)據(jù)存儲擴展電路、LED顯示電路組成。3.2 單片機的選擇及分析3.2.1 單片機的定義和特點所謂單片機就是把 CPU、寄存器、RAM/ROM、I/O 接口電路集成在一塊集成電路芯片上，構(gòu)成一個完整的微型計算機。單片機的主要特點有：1、集成度高、功能強微型計算機通常由中央處理器(CPU)、存儲器(RAM, ROM)以及 I/O 接口組成，其各部分分別集成在不同的芯片上。例如，大家熟悉的 Z80 微型計算機就是由 Z80-CPU、存儲器(RAM, ROM), PIO 等芯片組成的，單片機則不同，它把 CPU, RAM, ROM, I/O 接口，以及定時器/計數(shù)器都集成在一個芯片上。目前應(yīng)用得最多的是MCS-51 系列單片機。12 和微型計算機進行比較，單片機不僅體積大大減小，而且功能大為增強。MCS-51系列單片機內(nèi)的定時/計數(shù)器為 16 位，而 Z80 微型計算機只有 8 位，MCS-51 系列單片機中不但有 4 個并行 I/O 接口，而且還有串行接口，且時鐘頻率可達 12MHz。2、結(jié)構(gòu)合理目前單片機大多采用 Harvard 結(jié)構(gòu)。這是數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器相互獨立的一種結(jié)構(gòu)。而在許多微型計算機(如 Z80, Inte18085, M6800 等)中，大都采用兩類存儲器合二為一(即統(tǒng)一編址)的方式。單片機采用上述結(jié)構(gòu)主要有四點好處——存儲量大、速度快、抗干擾性、強指令豐富。3.2.2 單片機的發(fā)展概況自從 1974 年 12 月美國仙童(Fairchild )公司第一個推出 8 位單片機 FS 以來，單片機以驚人的速度發(fā)展，從 4 位機、8 位機發(fā)展到 16 位機、32 位機，集成度越來越高，功能越來越強，應(yīng)用范圍越來越廣。到目前為止，單片機的發(fā)展主要可分為以下四個階段:第一階段:4 位單片機。這種單片機的特點是價格便宜，控制功能強，片內(nèi)含有多種 I/O 接口，如并行 I/O 接口、串行 I/O 接口、定時計數(shù)器接口、中斷功能接口等。根據(jù)不同用途，還配有許多專用接口，如打印機接口、鍵盤及顯示器接口，PLA(可編程邏輯陣列)譯碼輸出接口，有些甚至還包括 A/D, D/A 轉(zhuǎn)換，PLL(鎖相環(huán))，聲音合成等電路。豐富的 I/O 功能大大地增強了 4 位單片機的控制功能，從而使外部接口電路極為簡單。第二階段:低、中檔 8 位機(1974-1978 年)。這種 8 位機一般不帶有 I/O 接口，尋址范圍通常為 4KB。它是 8 位機的早期產(chǎn)品，如 Mostek 公司的 3870, Intel 公司的8048 等單片機即屬此類。第三階段:高檔 8 位機階段(1978-1982 年)。這一類單片機常有串行 I/O 接口，有多級中斷處理，定時/計數(shù)器為 16 位，片內(nèi)的 RAM 和 ROM 的容量相對增大，且尋址范圍可達 64KB，有的片內(nèi)還帶有 A/D 轉(zhuǎn)換接口。這類單片機有 Intel 公司的 MCS-51, Motorola 公司的 6801 和 Ziiog 公司的 Z8 等。由于這類單片機應(yīng)用領(lǐng)域較廣，其結(jié)構(gòu)和性能還在不斷地改進和發(fā)展。第四階段:16 位單片機和超 8 位單片機(1982 年至今)。此階段的主要特征是，一方面不斷完善高檔 8 位機，改善其結(jié)構(gòu)，以滿足不同用戶的需要；另一方面發(fā)展 16 位單片機及專用單片機。16 位單片機除了 CPU 為 16 位外，片內(nèi) RAM 和 ROM 的容量也進一步增大，片內(nèi) RAM 為 232 字節(jié)，ROM 為 8KB，片內(nèi)帶有高速輸入輸出部件，多通道 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換部件，中斷處理為 8 級，其實時處理能力更強。近來， 32 位單片13 機己進入實用階段，但還未引入國內(nèi)市場。在今后單片機的發(fā)展趨勢將是:向著大容量、高性能化，小容量、低價格化和外圍電路內(nèi)裝化等幾個方面發(fā)展。3.2.3 本系統(tǒng)單片機的選擇AT89C51是美國ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含4k bytes的反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM） ，器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS-51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash 存儲單元可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。圖3.1為其引腳圖。1、主 要 特 性·與 MCS-51 完 全 兼 容 ·4K 字 節(jié) 可 編 程 FLASH 存 儲 器 ·壽 命 ： 1000 寫 /擦 循 環(huán) ·數(shù) 據(jù) 保 留 時 間 ： 10 年 ·全 靜 態(tài) 工 作 ： 0Hz-24MHz ·三 級 程 序 存 儲 器 鎖 定 ·128×8 位 內(nèi) 部 RAM ·32 可 編 程 I/O 線 ·兩 個 16 位 定 時 器 /計 數(shù) 器 ·5 個 中 斷 源 ·可 編 程 串 行 通 道 ·低 功 耗 的 閑 置 和 掉 電 模 式 ·片 內(nèi) 振 蕩 器 和 時 鐘 電 路2、功能性概述AT89C51 提供以下標準功能：4k 字節(jié) Flash 閃速存儲器，128 字節(jié)內(nèi)部 RAM，32個 I/O 口線，兩個 16 位定時/計數(shù)器，一個 5 向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可下降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM ，定時 /計數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到14 下一個硬件復位。3、AT89C51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)介紹單片機電路是系統(tǒng)控制的核心。單片機選用從 ATMEL 公司的低功耗、高性能的8 位 CMOS 芯片 AT89C51，其片內(nèi)帶有 4K 字節(jié)的閃速可編程及可擦除只讀存儲器（EPROM） 。引腳功能說明如下：圖 3.1 AT89C51 引腳圖·VCC：電源電壓·GND：地 ·P0 口：P0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 I/O 口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的力式驅(qū)動 8 個 TTL 邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。在 Flash 編程時，P0 口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。·Pl 口： P1 口是一個帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 的輸出緩沖級叫可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個 TTL 邏輯門電路。對端口寫 “1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（I IL） 。Flash 編程和程序校驗期間，P1 接收低 8 位地址?！2 口：P2 口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個 TTL 邏輯門電路。對端口寫“1” ，通過內(nèi)部的上拉電阻把15 端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（I IL） 。在訪問外部序程存儲器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行 MOVX@DPTR指令）時，P2 口送出高 8 位地址數(shù)據(jù)。在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行MOVX @RI 指令）時，P2 口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器區(qū)中 R2 寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不改變。Flash 編程或校驗時，P2 亦接收高位地址和其它控制信號?！3 口：P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。P3 口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個 TTL 邏輯門電路。對 P3 口寫入“1”時，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時，被外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸出電流（I IL） 。P3 口除了作為一般的 I/0 口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表 3.1 所示。P3 口還接收一些用于 Flash 閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。表 3.1 P3 口第二功能端口引腳 第二功能P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 （外中斷 0）INT0P3.3 （外中斷 1）1P3.4 T0（定時/計數(shù)器 0）P3.5 T1（定時/計數(shù)器 1）P3.6 （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）WRP3.7 （外部數(shù)據(jù)存儲去讀選通）D·RST：復位輸入。當振蕩器工作時，RST 引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復位?！LE：當訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低 8 位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE 仍以時鐘振蕩頻率的 1/6輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個 ALE 脈沖。對 Flash 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（CS） 。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的 8EH 單元的 D0 位置位，可禁止 ALE 操作。該位置位后，只有一條 MOVX 和 MOVC 指令 ALE 才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應(yīng)設(shè)置 ALE 無效。16 ·PSEN：程序儲存允許（PSEN ）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89C51 由外部程序存儲器取指令（或數(shù)據(jù)）時，每個機器周期兩次 PSEN 有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，這兩次有效的 PSEN 信號不出現(xiàn)?！A/VPP：外部訪問允許。欲使 CPU 僅訪問外部程序存儲器（地址為 0000H-FFFFH） ，EA 端必須保持低電平（接地） 。需注意的是：如果加密位 LB1 被編程，復位時內(nèi)部會鎖存 EA 端狀態(tài)。如 EA 端為高電平（接 VCC 端） ，CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。Flash 存儲器編程時，該引腳加上+12V 的編程允許電源 Vpp,當然這必須是該器件是使用 12V 編程電壓 Vpp?！TAL1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端?！TAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。·時鐘振蕩器： XTAL2XTAL1GND圖 3.2 外部振蕩電路AT89C51 中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳 XTAL1 和XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器，振蕩電路參見圖 3-2。外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容 C1、C2 接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容C1、C2 雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性。采用外部時鐘的電路如圖 3.2 所示，這種情況下，外部時鐘脈沖接到 XTAL1 端，即內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端，XTAL2 則懸空。3.3 本系統(tǒng)硬件電路部分本系統(tǒng)硬件電路主要包括：單片機主系統(tǒng)電路、時鐘電路、數(shù)據(jù)的存儲擴展電路、LED顯示電路等組成。3.3.1 系統(tǒng)的工作原理17 系統(tǒng)采用AT89C51單片機來實現(xiàn)。用濕度檢測電路中的濕敏電阻對土壤濕度進行采集，所得電流信號經(jīng)處理得到可用的電壓信號，輸入到A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進行處理。系統(tǒng)將檢測得土壤的濕度值，送到LED顯示電路顯示，從而實現(xiàn)對土壤濕度的監(jiān)測監(jiān)控，能進行適度范圍設(shè)置和顯示，同時通過模糊控制算法實現(xiàn)對水泵開關(guān)的只能控制。該電路主要由AT89C51系統(tǒng)電路、電源電路、濕度檢測電路、顯示電路、開關(guān)控制電路等組成。軟件選用匯編語言編程。單片機可將土壤濕度傳感器檢測到的土壤濕度模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并傳輸給控制系統(tǒng)檢測是否該灌溉。3.3.2 單片機主系統(tǒng)電路AT89C51 單片機是 51 系列單片機的一個成員，是 8051 單片機的簡化版。內(nèi)部自帶2K 字節(jié)可編程 FLASH 存儲器的低電壓、高性能 COMS 八位微處理器，與 Intel MCS-51系列單片機的指令和輸出管腳相兼容。由于將多功能八位 CPU 和閃速存儲器結(jié)合在單個芯片中，因此，AT89C2051 構(gòu)成的單片機系統(tǒng)是具有結(jié)構(gòu)最簡單、造價最低廉、效率最高的微控制系統(tǒng)，省去了外部的 RAM、ROM 和接口器件，減少了硬件開銷，節(jié)省了成本，提高了系統(tǒng)的性價比，如圖 3.3。18 XTAL2189ALE301PSN29RP0./D3918276.4/5.2P134.5678.0/RXD1TI23.4/76W57A8.0/192234./56AT9CC10nC210nXRYSTAL D01243R1kVc 5v60圖 3.3 單片機主機系統(tǒng)圖3.3.3 時鐘電路單片機的時鐘信號用來提供單片機片內(nèi)各種微操作的時間基準，時鐘信號通常用兩種電路形式得到:內(nèi)部振蕩和外部振蕩。MCS-51 單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，引腳 XTALl 和 XTAL2 分別是此放大電器的輸入端和輸出端，由于采用內(nèi)部方式時，電路簡單，所得的時鐘信號比較穩(wěn)定，實際使用中常采用這種方式，如圖 3 所示在其外接晶體振蕩器(簡稱晶振)或陶瓷諧振器就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式，片內(nèi)高增益反向放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起可構(gòu)成一個自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。圖 3.3 中外接晶體以及電容 C2 和 C1 構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，它們起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，其值均為 30P 左右，晶振頻率選 6MHz。RESET3.3.4 數(shù)據(jù)存儲的擴展電路19 AT89C51 單片機外接數(shù)據(jù) RAM 時，P2 口輸出存儲器地址的高 8 位，PO 口分時輸出地址的低 8 位和傳送指令字節(jié)或數(shù)據(jù)。PO 口先輸出低 8 位地址信號，在 ALE 有效時將它鎖存到外部地址鎖存器中，然后 PO 口作為數(shù)據(jù)總線使用，此處地址鎖存器選用74LS373，實際電路圖連接如圖 3.4 所示。D03Q21457689OEL1U74S3A08172635489A10CEO2WD91034567U6A圖 3.4 數(shù)據(jù)存儲擴展電路3.3.5 數(shù)據(jù)采集處理電路ADC0809 是一種 8 位逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部具有鎖存控制的 8 路模擬開關(guān)，外接 8 路模擬輸入端，可同時對 8 路 0-5V 的輸入模擬電壓信號分時進行采集轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)只用到 INO 和 INl 兩路輸入通道。ADC0809 轉(zhuǎn)換器的分辨率為 8 位，最大不可調(diào)誤差小于士 1LSB，采用單一+5V 供電，功耗為 15mW,不必進行零點和滿度調(diào)整。由于ADC0809 轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)寄存器具有可控的三態(tài)輸出功能，輸出具有 TTL 三態(tài)鎖存緩沖器，故其 8 位數(shù)據(jù)輸出引腳可直接與數(shù)據(jù)總線相連。A/D 轉(zhuǎn)換器需外部控制啟動轉(zhuǎn)換信號方能進行轉(zhuǎn)換，這一啟動轉(zhuǎn)換信號可由 CPU 提供，不同型號的 A/D 轉(zhuǎn)換器，對啟20 動轉(zhuǎn)換信號的要求也不同，分脈沖啟動和電平啟動兩種，ADC0809 采用脈沖啟動轉(zhuǎn)換，只需給 A/D 轉(zhuǎn)換器的啟動控制轉(zhuǎn)換的輸入引腳((START)上，加入正脈沖信號，即啟動A/D 轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換開始后，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端(EOC)信號變低，轉(zhuǎn)換結(jié)束時，EOC 返回高電平，以通知主機讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量，這個信號可以作為 A/D 轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)信號供查詢，也可以用作中斷請求信號，如圖 3.5。 2 -1MSBAD4 5C3VREF(+)12-6IN3142567ST58OUP L9CK00GND3 -746980EAD8123U4:7LS456:BTR-2Díáèàêa?′???÷U Vc +52.74L32圖 3.5 信號采集電路3.3.6 LED顯示電路微機化測控系統(tǒng)中常用的測量數(shù)據(jù)的顯示器有發(fā)光二極管顯示器(簡稱 LED 或數(shù)碼管)和液晶顯示器(簡稱 LCD)。這兩種顯示器都具有線路簡單、耗電少、成本低、壽命長等優(yōu)點，本系統(tǒng)輸出結(jié)果選用 4 個 LED 顯示。數(shù)碼管有共陰共陽之分，本系統(tǒng)采用8 段共陰型 LED，每位數(shù)碼管內(nèi)部有 8 個發(fā)光二極管，公共端由 8 個發(fā)光二極管的陰極并接而成，正常顯示時公共端接低電平(GND)，各發(fā)光二極管是否點亮取決于 a-dp 各引腳上是否是高電平。21 LED 數(shù)碼管的外形結(jié)構(gòu)，外部有 10 個引腳，其中 3, 8 腳為公共端也稱位選端，其余 8 個引腳稱為段選端，當要使某一位數(shù)碼管顯示某一數(shù)字((0-9 中的一個)必須在這個數(shù)碼管的段選端加上與數(shù)字顯示數(shù)字對應(yīng)的 8 位段選碼(也稱字形碼)，在位選端加上低電平即可。由于系統(tǒng)要顯示的內(nèi)容比較簡單，顯示量不多，所以選用數(shù)碼管既方便又經(jīng)濟。LED 有共陰極和共陽極兩種。二極管的陰極連接在一起，通常此公共陰極接地，而共陽極則將發(fā)光二極管的陽極連接在一起，接入+5V 的電壓。一位顯示器由 8 個發(fā)光二極管組成，其中 7 個發(fā)光二極管構(gòu)成字型“8”的各個筆劃（段）a～g，另一個小數(shù)點為 dp 發(fā)光二極管。當在某段發(fā)光二極管施加一定的正向電壓時，該段筆劃即亮；不加電壓則暗。為了保護各段LED 不被損壞，需外加限流電阻。數(shù)碼管顯示器有兩種工作方式，即靜態(tài)顯示方式和動態(tài)掃描顯示方式。為節(jié)省端口及降低功耗，本系統(tǒng)采用動態(tài)掃描顯示方式。動態(tài)掃描顯示方式需要解決多位 LED數(shù)碼管的“段控”和“位控”問題，本電路的通過 P1 口實現(xiàn)：而每一位的公共端，即LED 數(shù)碼管的“位控” ，則由 P3 口控制。這種連接方式由于多位字段線連在一起，因此，要想顯示不同的內(nèi)容，必然要采取輪流顯示的方式，即在某一瞬間，只讓其中的某一位的字位線處于選通狀態(tài)，其它各位的字位線處于斷開狀態(tài)，同時字段線上輸出這一位相應(yīng)要顯示字符的字段碼。在這一瞬時，只有這一位在顯示，其他幾位則暗。在本系統(tǒng)中，字位線的選通與否是通過 PNP 三極管的導通與截止來控制，即三極管處于“開頭”狀態(tài)。因 AT89C51 單片機 I/O 口資源有限，必須對其 Il0 口進行擴展才能滿足實現(xiàn)系統(tǒng)功能，如圖 7 所示為用 8155 擴展 1/0 口的 4 個 8 位 LED 動態(tài)顯示器，顯示掃描由程控實現(xiàn)，其中 PA 口輸出字型碼，PC 口輸出位選信號即掃描信號，圖中片選線 CE 和AT89C51 的 P2.7 口相連，IO/ M 選通輸入線與 P2.4 口相連，該系統(tǒng)中當 P2.7=0 且P2.4 =1 時，選中 8155 芯片內(nèi)三個 I/O 口。3.4 電磁離合器異步電動機3.4.1 電機概念介紹電磁離合器電機又稱為電磁調(diào)速異步電動或滑差電機，它是一種恒轉(zhuǎn)矩交流無級變速電動機。電磁離合器是一種能在運動中及負載下對各種機械的主動軸和執(zhí)行機構(gòu)的從動軸實現(xiàn)迅速聯(lián)結(jié)、分離、制動或?qū)膭虞S的輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向進行調(diào)節(jié)的自動電磁元件，其應(yīng)用十分廣泛。特別是動作快速的電磁離合器，可用在仿形機床的22 進給系統(tǒng)，以及在數(shù)控機床中，用來代替液壓馬達作為執(zhí)行機構(gòu)。電磁離合器工作過程分為啟動、力矩上升和離合器斷開過程。由于它具有調(diào)速范圍廣、速度調(diào)節(jié)平滑、起動轉(zhuǎn)矩大、控制功率小、有速度負反饋的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)時機械特性硬度高等一系列優(yōu)點，因此得到廣泛應(yīng)用。帶有速度負反饋的電磁調(diào)速異步電動機的主要缺點是：在空載或輕載(小于lO％額定轉(zhuǎn)矩)時，由于反饋不足，會造成失控現(xiàn)象；在調(diào)速時，隨著轉(zhuǎn)速降低，離合器的輸出功率和效率也相應(yīng)地按比例下降。所以此電機適用于長期高速運轉(zhuǎn)和短時間低速運轉(zhuǎn)。為適應(yīng)低速運轉(zhuǎn)的需要，在采用電磁調(diào)速異步電動機作主驅(qū)動中往往再配裝一臺三相異步電動機作為低速電機使用。3.4.2 電磁離合器電機結(jié)構(gòu)及原理電磁離合器電機是由普通鼠籠式異步電動機、電磁滑差離合器和電氣控制裝置三部分組成。異步電機作為原動機使用，當它旋轉(zhuǎn)時帶動離合器的電樞一起旋轉(zhuǎn)，電氣控制裝置是提供滑差離合器勵磁線圈勵磁電流的裝置。這里主要介紹電磁滑差離合器。它包括電樞、磁極和勵磁線圈三部分。電樞為鑄鋼制成的圓筒形結(jié)構(gòu)，它與鼠籠式異步電動機的轉(zhuǎn)軸相連接，俗稱主動部分；磁極做成爪形結(jié)構(gòu)，裝在負載軸上，俗稱從動部分。主動部分和從動部分在機械上無任何聯(lián)系。當勵磁線圈通過電流時產(chǎn)生磁場，爪形結(jié)構(gòu)便形成很多對磁極。此時若電樞被鼠籠式異步電動機拖著旋轉(zhuǎn)，那么它便切割磁場相互作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，于是從動部分的磁極便跟著主動部分電樞一起旋轉(zhuǎn)，前者的轉(zhuǎn)速低于后者，因為只有當電樞與磁場存在著相對運動時，電樞才能切割磁力線，磁極隨電樞旋轉(zhuǎn)的原理與普通異步電動機轉(zhuǎn)子跟著定子繞組的旋轉(zhuǎn)磁場運動的原理沒有本質(zhì)區(qū)別，所不同的是：異步電動機的旋轉(zhuǎn)磁場由定子繞組中的三相交流電產(chǎn)生，而電磁滑差離合器的磁場則由勵磁線圈中的直流電流產(chǎn)生，并由于電樞旋轉(zhuǎn)才起到旋轉(zhuǎn)磁場的作用。3.5 本章小結(jié)本章主要敘述了控制系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計過程。首先，對本系統(tǒng)硬件部分先進行了總體概述并選擇出單片機型號，除單片機的最小系統(tǒng)外，將其它需設(shè)計的電路歸為輸入與輸出通道的設(shè)計。在輸入通道方面，包括有數(shù)據(jù)的采集（濕度） 、外接鍵盤的按鍵輸入；在輸出通道方面，異步電動機電磁離合器的驅(qū)動、LED數(shù)碼管的輸出數(shù)據(jù)等，對硬件輸入與輸出兩方面的每一部分都進行了較詳細的敘述，包括各器件的選型以及相關(guān)的信號調(diào)理電路。23 第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件程序設(shè)計主要包括:主程序設(shè)計，采樣子程序設(shè)計，數(shù)據(jù)處理程序，顯示24 子程序，串口通信程序等。各芯片地址編碼為:RAM6116: OFOOOH-OF7FFH 81551/0 口:7FF8H - 7FFDHADC0809: OBFF8H-OBFFFH4.1 本系統(tǒng)的主程序設(shè)計ADTURNO EQU 21H ;INO 通道 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存放首址ADTURN1 EQU 2CH ;IN1 通道 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存放首址LINEADRO EQU 37H ;1N0 采集數(shù)據(jù)經(jīng)濾波處理數(shù)據(jù)存放地址LINEADR1 EQU 38H ;INl 采集數(shù)據(jù)經(jīng)濾波處理數(shù)據(jù)存放地址LINEADR EQU 39H ;平均值存放地址HUMID EQU 3BH ;標度變換后的濕度值存放地址BCDADR EQU 3CH ;BCD 轉(zhuǎn)換后的濕度值存放地址HUMADR EQU 3DH ;上位機傳來的濕度值存放地址TIMEADR EQU 3EH ;上位機傳來的時間值存放地址T100US EQU 256-50 ;延時參Cl00US EQU 3FHSHOWADR EQU 40H ;顯示區(qū)數(shù)據(jù)存放首址ORG OOOOHSJMP STARTORG OOOBH ;定時器 0 中斷服務(wù)程序入口Limp TOINTORG 0023H ;串行 I/O 中斷服務(wù)程序入口Limp SERVEORG 0050HSTART: MOV SP, #50H ;設(shè)置堆棧MOV HUMADR, #OFFHSETB OD3H ;選中寄存器 3SETS OD4HMOV R0, #HUMADR25 CLR OD3H ;選中寄存器 0CLR OD4HMOV TMOD, #22H;主程序初始化MOV TH1, #OF3HMOV TLl, #OF3HMOV SCON, #50HMOV PCON, #80HMOV DPTR, #7FF8HMOV A, #4DHMOVX @DPTR, ASETB TR1SETB EASETB ESRUN: LCALL AD;調(diào)用 A/D 轉(zhuǎn)換子程序LCALL MAOPAO;調(diào)用濾波子程序LCALL TURN;調(diào)用濕度轉(zhuǎn)換子程序MOV A, HUMID;將濕度值送往上位機MOV SBUF, ALCALL TWOSEC;延時等待兩妙鐘LCALL BCDTURN;調(diào)用 BCD 轉(zhuǎn)換子程序LCALL SHOW;調(diào)用顯示子程序MOV A, HUMIDCJNE A, HUMADR, COMP; 檢測到的濕度值大于上位機送來的濕度值時，則循環(huán)采樣，否則報警灌溉DONE: CLR P1.1LCALL ALARM;調(diào)用報警延時子程序進行灌溉動作LCALL TIMEORL P1, #02HLCALL TENMIN;灌水結(jié)束等待 10 分鐘Limp RUN;回到主程序COMP:JC DONE26 LJMP RUNEND圖 4.1 主流程圖4.2 采樣子程序設(shè)計根據(jù)電路圖 5，因 EOC 未接入單片機，故只能采用延時等待的方法來讀取 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果，ADC0809 的 INO 和 INl 兩個地址分別是 OBFF8H, OBFF9H, INO 通道采集到的 11個數(shù)據(jù)放入以 ADTURNO(片內(nèi) 21H)為首址的一片數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)，IN1 通道采集到的 11 個數(shù)據(jù)放入以 ADTURN1(片內(nèi) 2CH)為首址的另一片數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)。程序清單:AD: MOV R0, #ADTURNOMOV R6, #OBHADLOOP: MOV DPTR, #OBFF8H; 啟動 INO 通道 A/D 轉(zhuǎn)換GOON: