农田自动灌溉系统单片机硬件系统Word格式文档下载.docx
《农田自动灌溉系统单片机硬件系统Word格式文档下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《农田自动灌溉系统单片机硬件系统Word格式文档下载.docx（54页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
附录二外文翻译—中文译文35
附录三毕业设计任务书38
附录四毕业设计开题报告40
附录五proteus硬件设计图40
附录六protel电路设计图41
附录七程序代码42
摘要
现如今我国大部分地区农田的灌溉还停留在传统的模式上，传统的灌溉模式自动化程度较低，基本上属人工操作，不仅效率低，还不能很好的控制灌水量，对人力物力造成了极大的浪费。
为了提高灌溉效率，缩短劳动时间和节约水资源，必须发展自动灌溉技术。
农田自动灌溉系统是进行田间管理的有效手段和工具，它可提高操作准确性，有利于灌溉过程的科学管理，降低对操作者本身素质的要求，除了能大大减少劳动量，更重要的是能准确、定时、定量、高效的给作物自动补充水分，以提高产量、质量、节水、节能。
本设计针对不同的植物类型，土壤状况，天气情况等，利用LabVIEW技术进行灌溉模式优化和自动控制。
硬件部分的设计主要针对农田进行温度和湿度的采集。
采集的过程是个动态的过程，把采集到的两路温度和一路湿度实时显示在液晶上。
最后把采集到的数据通过无线模块发送给pc机，给人以直观的印显示，实现很好的人机交互。
关键词：
农田；
灌溉；
自动控制；
单片机
TheautomaticFarmlandirrigationsystem——Hardwaredesign
Abstract
Nowmostofourareasoffarmlandirrigationisstillstuckinthetraditionalmode,whichcausedgreatwasteofmanpowerandresources.Traditionalmodeofirrigationlowdegreeofautomation,isbasicallyamanualoperation,notonlyinefficient,andcannotcontroltheirrigationamount.Inordertoimproveirrigationefficiency,shortenlabortimeandsavewaterresources,thedevelopmentofautomaticirrigationtechnology.
Thefarmlandautomaticirrigationsystemisaneffectivemeansoffieldmanagementandtools,itcanimprovetheaccuracyofoperation,thescientificmanagementoftheirrigationprocess,reducetherequirementsonthequalityoftheoperator,cangreatlyreducetheamountoflaborand,moreimportantly,heaccurate,time,quantitative,andefficienttocropautomaticallyaddmoisturetoimproveyield,quality,savingwaterandenergy.
Thedesignfordifferentplanttypes,soilconditions,weatherconditions,whichusetheLabVIEWtechnologyoptimizationandautomaticcontrolofirrigationmode.TheHardwaredesignforfarmlandacquisitionoftemperatureandhumidity.Theacquisitionprocessisadynamicprocess,andcollectedtemperatureandonehumiditywhichareshowninrealtimeontheLCD,.Finally,thecollecteddatasentbythewirelessmoduletothepcmachine,givingthevisualimpression,goodman-machinecommunication.
keywords:
Farmland;
Irrigation;
Automaticcontrol;
Singlechipmicrocomputer.
第一章绪论
1.1项目背景
我国是农业大国，农田灌溉建设有着悠久的历史，但现代化水平不高，而要使我国农田水利灌溉走上新台阶，就必须加速推进农业的科学化、合理化、现代化进程。
我国现在的灌溉方式还基本上停留在传统的灌溉模式上，传统的灌溉模式自动化程度较低，基本上属粗放的人工操作。
即便对于给定的量，在操作中也无法进行有效的控制。
而自动灌溉设备是针对我国农业引水到田的传统灌溉方式，在现代化农业和即将推进的精准农业面前的落后现状，及灌溉过程中无法知道农作物需水量的大小，盲目的频繁灌溉、过量灌溉所造成的水资源浪费现状，提出的农田自动灌溉控制系统设计方案。
自动控制节水灌溉技术的高低代表着农业现代化的发展状况，灌溉系统自动化水平较低是制约我国高效农业发展的主要原因。
从长远利益出发，完善的灌溉系统对农业的长效管理是非常必要的。
现代自动灌溉控制设备的研究使用在我国农业上为数不多，与发达国家相比，有较大的差距，还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动化控制系统，也是根据经验法来确定每天灌溉次数和每次灌溉量，如果灌溉量与作物实际需水量相比太少，便不能有效的促进作物健康成长；
而灌溉量太多，肥水流失，又会造成资源浪费，同时传统的灌溉法还需要相关专家的实时观察并经验知道生产，劳动生产率低，这也不能与现代化农业向优化，高效化方向发展要求同步。
随着计算机技术和传感器技术的迅猛发展，计算机和传感器的价格日益降低。
可靠性日益提高，用信息技术改造农业不仅是可能的而且是必要的。
用高新技术改造农业产业，实施自动灌溉已成为我国农业乃至国民经济持续发展战略性的根本大事。
1.2国外研究现状
灌溉自动化始于20世纪30年代。
第二次世界大战前，法国研制了一系列用以实行渠系自动化运行的水利自动闸门，并提出了一套比较完整的自动化灌溉控制方法，开辟了自动化灌溉的先河。
20世纪50年代以来，随着电子学和计算机技术的应用和发展，利用电子设备、计算机设备和程序控制的灌溉自动化技术也得到了同步发展，并在法国、美国、日本等发达国家乃至一些发展中国家得到了日益广泛的应用和发展，控制模式也由早期的当地控制发展到可以实现遥测、遥控的集中控制模式。
国外由于节水灌溉发展时间长，电子技术水平较高，所以与节水灌溉配套的自动控制系统也比较完善和先进。
虚拟仪器技术是20世纪90年代以来，随着计算机技术进步而逐步发展起来的新仪器产品，是将仪器技术、计算机软硬件技术、网络技术和通信技术等有机结合的产物，近几年已在农业领域得到了初步应用，已成为农业控制系统研发新的里程碑。
1996年没过Geomatica，Inc利用虚拟仪器技术开发了一套Agrimate自动灌溉系统，系统中的现场处理器有运用LabVIEW的个人计算机控制（它利用RS-232串行通信口与计算机连接）。
现场处理器配置了模拟输入。
锁存和继电器板，各种检测器和传感器以行星排列的方式与它相连。
用户能够监控水箱水位，阀门位置，泵的状态和土壤温度等；
而修改设定点即可改变灌溉计划；
通过检测降雨情况，可使灌溉计划中补充灌水量。
补充灌水量、水的用法、水箱水位和降雨情况等都是存储在灌溉数据库文件里数据。
用户能够读出这些数据以与当前月份进行比较；
以图形方式显示给定月份的土壤温湿度和外加的水。
AgriMate产生的制表软件数据库也提供硬拷贝灌溉状态报告。
检测到降雨时，这种报告每天或每小时进行修改。
现在Agrimate已成为用户检测水的用法，降低费用的有效工具。
现如今在发达的西方国家，广为采用的是自动化灌溉控制系统。
据统计，美国的灌溉系统约有百分之九十采用此种控制方法。
其优点是投资少，易于操作，灌溉水的有效利用率比手动控制提高很多。
从整个国际市场角度看灌溉行业，国外应用远远比国内成熟的多。
1.3国内研究现状
我国的自动灌溉技术还处于初级发展阶段，系统的成套性还较差，自动化程度低，大部分灌溉工程还停留在人工操作上即使有些地方搞了一些灌溉工程自控系统，也只是从国外引进或者是小规模的局部控制，国内开发的自动灌溉控制系统目前还处于研制、试用阶段。
西北水利科学研究院用TP801单板机研制出了微灌单板机自控系统，但该系统还存在一些问题，如测量土壤水势的负压计的质量不过关，工作不稳定，精度差等。
由中国灌排技术开发公司开发的集中或分散式微灌自动监控系统，他以INTEL公司的8098单片机为核心采取时间控制方式，根据灌溉计划自动对微灌工程进行监视、控制和事故处理。
北京农业工程大学研制了以INTEL公司的8031系列单片机问核心的自动化灌溉控制系统，该系统为多通道土壤水分检测、多路控制灌溉的控制系统。
吴斌生等还同时开发了微机农田节水灌溉自动监视系统。
张建丰等研发的多功能网络式自动灌溉方法及其装置，实现了定量、定时、根据土壤湿度、预先制定灌溉制度进行灌水的功能。
总体来看，到目前为止，国内相关产品的技术推广和实践还处于较低的水平，大部分项目还是引进国外的产品。
但是那些引进的国外灌溉自动控制设备，是为国外的具体情况设计的，没有考虑我国的气候条件，土壤条件。
作物类型等因素，并不适合我国的国情，不能充分发挥它的优势，而且引进的设备价格昂贵。
因而急需要进行自动灌溉控制系统的国产化研发。
1.4设计任务与要求
系统通过监视农田的当前状态，包括空气温度，土壤温度，土壤湿度，光照等的信息采集以及各个设备的开关状态等，实现对农田灌溉设备控制、环境数据的不间断采集、整理、统计。
该系统由多传感器模块、单片机数据采集模块、LabVIEW软件平台等组成，实现了农田灌溉需水量的决策控制管理系统。
可实现的功能如下：
1、实现土壤温湿度自动检测，通过特定的温度和湿度传感器实时采集土壤温湿度
2、实现空气温度的自动检测，
3、检测到的温湿度在1602液晶上显示，给人以直观的印象，保证良好的人机交互界面。
第二章硬件设计元器件的选择
2.1单片机——at89c51
2.1.1单片机简介
AT89C51单片机是美国Atmel公司生产低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（EPROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存取技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大[3]。
AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。
图2.1为AT89C51单片机的基本组成功能方块图。
由图可见，在这一块芯片上，集成了一台微型计算机的主要组成部分，其中包括CPU、存储器、可编程I/O口、定时器/计数器、串行口等，各部分通过内部总线相连。
外时钟源外部事件计数
外中断控制并行口串行通信
图2.1AT89C51功能方块图
2.1.2AT89C51管脚说明
ATMEL公司的AT89C51是一种高效微控制器。
采用40引脚双列直插封装形式。
如图2.2所示
AT89C51单片机是高性能单片机，因为受引脚数目的限制，所以有不少引脚具有第二功能。
图2.2AT89C51引脚图
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FLASH编程时，P0口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写1时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址1时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入1后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
P3口管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2INT0（外部中断0）
P3.3INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6
（外部数据存储器写选通）
P3.7
（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/
：
当访问外部存储器时，地址锁存允许端的输出电平用于锁存地址的地址字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
PSEN：
外部程序存储器的选通信号端。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/VP：
当
保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时，
将内部锁定为RESET；
端保持高电平时，此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
反向振荡器的输出,如采用外部时钟源驱动器件，应不接。
2.2液晶显示——lcd1602a
2.2.1液晶显示器简介
在日常生活中，我们对液晶显示器并不陌生。
液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。
在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：
发光管、LED数码管、液晶显示器。
发光管和LED数码管比较常用，软硬件都比较简单，
在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点：
1、显示质量高
2、数字式接口
3、体积小、重量轻
4、功耗低
2.2.21602LCD的基本参数及引脚功能
1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如图2.3所示：
图2.31602LCD尺寸图
1602LCD主要技术参数：
显示容量:
16×
2个字符芯片工作电压:
4.5—5.5V工作电流:
2.0mA（5.0V）模块最佳工作电压:
5.0V
字符尺寸:
2.95×
4.35（W×
H）mm
引脚功能说明：
1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表2.1所示:
表2.11602引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
4
RS
数据/命令选择
12
D5
5
R/W
读/写选择
13
D6
6
E
使能信号
14
D7
7
D0
15
BLA
背光源正极
8
D1
16
BLK
背光源负极
第1脚：
VSS为地电源。
第2脚：
VDD接5V正电源。
第3脚：
VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。
第4脚：
RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。
第5脚：
R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。
当RS和R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。
第6脚：
E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。
第7～14脚：
D0～D7为8位双向数据线。
第15脚：
背光源正极。
第16脚：
背光源负极。
2.2.31602LCD的指令说明及时序
1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表2.2所示：
表2.2控制命令表
序号
指令
清显示
光标返回
*
置输入模式
I/D
S
显示开/关控制
D
C
B
光标或字符移位
S/C
R/L
置功能
DL
N
F
置字符发生存贮器地址
字符发生存贮器地址
置数据存贮器地址
显示数据存贮器地址
读忙标志或地址
BF
计数器地址
写数到CGRAM或DDRAM）
要写的数据内容
从CGRAM或DDRAM读数
读出的数据内容
1602液晶模块的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。
指令1：
清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。
指令2：
光标复位，光标返回到地址00H。
指令3：
光标和显示模式设置I/D：
光标移动方向，高电平右移，低电平左移S:
屏幕上所有文字是否左移或者右移。
高电平表示有效，低电平则无效。
指令4：
显示开关控制。
D：
控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示C：
控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标B：
控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。
指令5：
光标或显示移位S/C：
高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标。
指令6：
功能设置命令DL：
高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N：
低电平时为单行显示，高电平时双行显示F:
低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符。
指令7：
字符发生器RAM地址设置。
指令8：
DDRAM地址设置。
指令9：
读忙信号和光标地址BF：
为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。
指令10：
写数据。
指令11：
读数据。
2.3温度传感器——ds18b20
该产品采用美国DALLAS公司生产的DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。
技术性能描述：
1、独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。
2、测温范围－55℃～＋125℃，固有测温分辨率0.5℃。
3、支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定，实现多点测温
4、工作电源:
3~5V/DC
5、在使用中不需要任何外围元件
6、测量结果以9~12位数字量方式串行传送
7、不锈钢保护管直径Φ6
8、适用于DN15~25,DN40~DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温
9、标准安装螺纹M10X1,M12X1.5,G1/2”任选
10、PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线,便于与其它电器设备连接。
接线说明：
特点独特的一线接口，只需要一条口线通信多点能力，简化了分布式温度传感应用无需外部元件可用数据总线供电，电压范围为3.0V至5.5V无需备用电源测量温度范围为-55°
C至+125℃。
华氏相当于是-67°
F到257华氏度-10°
C至+85°
C范围内精度为±
0.5°
C
温度传感器可编程的分辨率为9~12位温
升级会员 