毕业设计大棚自动喷灌系统的设计.docx

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毕业设计大棚自动喷灌系统的设计

摘要

未来几十年，在世界范围内，水资源的矛盾将日趋紧张。

我国的水资源严重短缺，且分布很不平衡。

农业用水占总用水的80%。

在农业灌溉中推广自动化控制，不仅可以缓解水资源严重短缺的矛盾，同时可以提高农作物的产量，降低农产品的成本。

本文介绍一种系统，它用于大棚、花窖、房间喷水、消毒的自动及人工控制,实现大棚喷水消毒系统。

该系统通过对房间湿度采集并计算判断湿度是否符合该房间植物生长的标准，并根据需要及时进行喷水。

同时为了防御病虫害，也具备定时喷洒农药和消毒溶液的功能；由于不同植物的不同特性，本系统还能对液体（包括水，药液）的流量、流速进行控制，以适应喷洒更均匀、有效。

本系统采用多机串行通信方法，实现任一点到点或点到多点的通信，使管理人员可以使用一台IBM-PC机控制其它点的工作。

关键词：

RS-422单片机串行通信

Abstract

Nextseveraldozensyears,aroundtheworld,waterresourcescontradictiondaybydayanxious.Ourcountry'swaterresourcescriticalshortage,anddistributesisnotverybalanced.Theagriculturalwateroccupiesthetotalwaterused80%.Promotestheautomatedcontrolintheagriculturalirrigation,notonlymayalleviatethewaterresourcescriticalshortagethecontradiction,simultaneouslymayenhancethecropstheoutput,reducestheagriculturalproductthecost.Thisarticleintroducesakindofsystemappliedforwateringandsprayingdisinfectants.Thesystemcanwateringautomaticallybyjudgingthehumiditywhetherit’scomfortabletoplantsintheroomandcansprayingdisinfectantsagainstplantdiseasesandinsectpests.Accordingtomeettheneedofpouringdemand，thesystemcanbeadjustedtocontroltherateandthespeedofflow.Thissystemadoptspctomulti-singlechipmicrocomputerserialcommunicationnetworkwhichtallieswithRS-422standard.ItcanachievepointtopointorpointtopointscorrespondingwhichthejockeycantakeadvantageoftocontrolsinglechipmicrocomputerthroughIBM-PC.

Keywords:

RS-422SCMSerialcommunication

绪论

0.1选题背景

目前国外设施栽培技术比比较先进的国家已经实现按照作物生长的最适宜生态条件，在现代化温室内实现作物的自动灌溉和自动施肥。

而这一节水高效的先进农业技术在我国还属于起步阶段，国内在这方面虽有自主研发的自动浇灌系统,但技术比较简单、落后。

目前我国温室中采用的微灌设备几乎都是从农业园林设施发达的欧美国家引进。

而国内成套引进的系统成本较高。

0.2研究目的

灌溉自动化是发展高效节能农业和园艺的重要手段。

由于我国水资源缺乏,因此实现按需、按期、按量喷灌,既可节省宝贵的水资源,也可节省人工费用,具有较强的实用性。

这对于贯彻党中央的“建设节能型社会”的号召非常有利,有较好的经济效益和社会效益。

0.3当前形势

我国现有近33万多hm2温室大棚，主要种植各种时令蔬菜、花卉和经济作物，绝大多数采用传统的畦灌，水的利用率只有40％，灌水定额为40～53m立方米／h平方米。

进入90年代，我国开始大面积推广节水灌溉技术，先后开发和引进先进国家的温室灌溉设备（主要是滴灌、微灌和与之相配套的设备），促进了我国温室大棚节水灌溉设备的生产和应用。

大城市郊区已开始大面积推广温室大棚滴灌设备，灌水定额仅为20多立方米／平方米，节水效果十分明显，增产0.2～1.0倍，提高了作物的品质，节省劳力，为发展工厂化农业奠定了基础。

第1章系统方案论证与总体设计

1.1方案论证

本文介绍一套用单片机实现的自动灌溉、自动施肥及营养液浓度自动控制的微灌系统，该系统能够按作物所需灌溉水量、施肥量自动灌溉、施肥及按作物所需营养液浓度自动进行营养液的混合。

并且可以通过用户界面输入控制指令、监控系统工作、查询系统信息等。

该系统结构简单，价格低廉。

1.2系统设计

现代化微灌系统中农作物所需要养分来自营养液，所以在灌溉过程中不但要根据作物需求灌溉水，还要将是以作物生长的一定浓度的营养液通过灌溉水提供给作物。

系统由单片机控制器、灌溉管路、检测系统等几部分组成。

当注水泵1运行时，管道1中的灌溉水在稳压阀的作用下以恒定压力流动，这样灌溉水量就与灌溉时间成正比。

其中大部分灌溉水流经管道2流向灌溉水（如微喷头、滴灌器等）完成作物的灌溉。

在每个灌溉支路上装有一个电磁阀，当某种作物需要灌溉时，则打开该支路上的控制电磁阀。

当混合罐中的水位达到一定数值时，液位控制阀关闭管道3与混合罐之间的通道。

需要施加营养液时，打开通往混合罐的电磁阀即可。

将传感器安装在水泵出水口的好处是经过水泵后水与液肥能够进一步的混合，以提高检测精度。

第2章系统硬件电路设计

2.1湿度测量部分

2.1.1概述

　　湿度是电子、化工、电力、机械制造等行业重要的检测参数。

由于湿度传感的非线性输出及一致性较差，使湿度的测量方法和手段相对复杂，而且湿度传感器的特性又与温度密切相关，温度变化直接影响传感器参数特性变化，因此湿度测量比其他物理量测量要复杂，控制难度大。

目前国内对于湿度大多数设备属于只测不控,或采用简单的开关控制，精度低、误差大、能耗高，往往不能满足工艺要求。

针对上述问题，该文设计了一套基于新型单片机AT89C51为核心器件，高精度的传感器作为检测元件，液晶图形显示作为人机界面，控制算法优良的高精度、低成本自动控制系统。

2.1.2湿度控制的基本原理

湿度是表示空气中水蒸汽的含量的物理量，常用绝对湿度、相对湿度、露点等表示。

所谓的绝对湿度就是单位体积空气内所含的水蒸汽的质量，也就是指空气中水蒸汽的密度。

一般用一立方米空气中水蒸汽的克数表示，即为：

式中，

是待测空气中水蒸汽的质量，V为待测空气的体积。

单位为g/m

。

相对湿度是表示空气中实际所含水蒸汽的分压（Pw）和同温度下饱和水蒸汽的分压（Pn）的百分比，即为：

通常，用RH%表示相对湿度。

当温度和压力变化时，因饱和水蒸汽变化，所以气体中的水蒸汽气压即使相同，其对应的相对湿度也会发生变化。

日常生活所说的空气湿度，实际上说的就是相对湿度。

湿度高的气体，含水蒸汽越多。

若将其气体冷却，即使其中所含水蒸汽量不变，相对湿度将逐渐增加，增到某一个温度时，相对湿度达100%，呈饱和状态，再冷却时，蒸汽的一部分凝聚成露，于是我们把这个温度称之为露点温度。

即空气在气压不变下为了使其所含水蒸汽达到饱和状态时所必须冷却到的温度称为露点温度。

气温和露点温度的差越小，表示空气越接近饱和。

2.1.3感湿特性曲线

感湿特性曲线是指湿敏传感器的感湿特性量随环境湿度的变化曲线。

图2－1是典型TiO

-V

O

湿敏传感器的感湿特性曲线，该曲线反映出相应传感器的最佳使用范围及灵敏度的高低。

图2－1典型TiO

-V

O

湿敏传感器的感湿特性曲线

①灵敏度：

由于大多数湿敏传感器的感湿特性曲线是非线性的，在不同的湿度范围内具有不同的斜率，故目前多用传感器在不同环境湿度下的湿度特征量之比来表示其灵敏度。

A）测湿量程

这是指湿敏传感器能够比较精确测量环境湿度的最大范围。

B）响应时间

当环境湿度改变时，湿度传感器完成吸湿或者脱湿以及动态平衡（感湿特征量达到稳定值）过程所需要的时间，称为响应时间。

感湿特征量的变化滞后与环境湿度的变化，这种现象称为滞后现象。

实际多采用63。

2%或者90%响应时间，即感湿特征量的改变量达到总改变量的63.2%或者90%所需要的时间。

图2-2表示出了典型的K

O-Fe

O

湿敏传感器的响应特性曲线。

图2-2表示出了典型的K

O-Fe

O

湿敏传感器的响应特性曲线

C）温度系数

这是指在感湿特征量的条件下，环境相对湿度的变化率。

对于相对湿敏传感器而言，单位是%RH/

C。

D）湿滞回差

一般情况下，湿敏传感器在吸湿和脱湿过程中的两条曲线不相重合，而是形成一闭合的湿滞回线，如下图2-3。

湿滞回差是指湿滞回线上对应同一感湿特征量值下，环境湿度的最大差值。

图2-3湿滞回差示意图

②集成湿度传感器

集成湿度传感器的测量范围一般可达到0～100%。

但有的厂家为保证精度指标而将测量范围限制为10%～95%。

设计+3.3V低压供电的湿度/温度测试系统时，可选用SHT11、SHT15传感器。

这种传感器在测量阶段的工作电流为550μA，平均工作电流为28μA（12位）或2μA（8位）。

上电时默认为休眠模式（SleepMode），电源电流仅为0.3μA（典型值）。

测量完毕只要没有新的命令，就自动返回休眠模式，能使芯片功耗降至最低。

此外，它们还具有低电压检测功能。

当电源电压低于+2.45V±0.1V时，状态寄存器的第6位立即更新，使芯片不工作，从而起到了保护作用。

③湿度传感器的温度系数 

湿敏元件除对环境湿度敏感外，对温度亦十分敏感，其温度系数一般0.2~0.8%RH/℃范围内，而且有的湿敏元件在不同的相对湿度下，其温度系数又有差别。

温漂非线性，这需要在电路上加温度补偿式。

采用单片机软件补偿，或无温度补偿的湿度传感器是保证不了全温范围的精度的，湿度传感器温漂曲线的线性化直接影响到补偿的效果，非线性的温漂往往补偿不出较好的效果，只有采用硬件温度跟随性补偿才会获得真实的补偿效果。

湿度传感器工作的温度范围也是重要参数。

多数湿敏元件难以在40℃以上正常工作。

IH-3605是一种电容式集成湿敏传感器，主要性能参数如下：

V+=5v；T

=25

C；精度±2%RH（0%到100%RH）；互换性±5%RH（0%到60%），±8%RH（90%RH）典型值；线性度±0.5%RH（典型值）；迟滞±1.2%RH（全量程）；响应时间慢流动空气中为30s；工作电压范围4-9v，标定时的工作电压为5v；工作电流为200μA，工作电压时为9v时，工作电流为2mA；输出电压5v工作电压时为0.8-4v（典型值），其他工作电压时，输出电压与工作电压成正比；工作温度范围-40到+85

C。

温度补偿可按下式计算，即

真实RH值=传感器RH值/（1.0546-0.00216T）

式子中，T为环境温度（

C）。

例如，环境温度为85

C时，湿敏传感器输出电压为3.05v，则其真实的输出电压值应如下计算，即，真实RH值=3.05v/（1.0546-0.00216*85）=4.02v。

出厂时，每个湿敏集成传感器有两个已经标定的数据，即0%RH的输出电压值和75%RH的输出电压值。

由于该传感器有极好的线性度，所以可以根据上述两个标定点画出整个湿度特性，如下图2－4。

使用时可以按这两个点的电压对电路进行检测、调整，不必再对湿度进行标定。

输出电压

图2－4温度系数示意图

IH-3605可以直接接0到5v直流电压表构成制度检测仪表，由于没有湿度补偿，但精度稍差。

电路硬件图中的一部分是带温度补偿湿敏电路。

在0%到100%RH时相应输出0到10v。

IH-3605的输出信号经过集成运放A

处理，使在0%RH时输出为0v；25

C时，100%RH的输出为10v。

Pt100铂电阻为温度传感器，经过集成运放A

放大，输出与温度成比例的信号。

Pt100、RP

、R

及R

构成电桥，集成运放A

的输出提供其工作电压，以满足图2－5所示的补偿特性。

A

为加法器，将湿度放大后的信号及温度补偿信号（取自RP

）相加，其输出电压即是经过温度补偿的输出电压。

湿度测量电路如图2－6

图2－5温度补偿特性

图2－6湿度测量电路

2.2A/D转换电路设计

双积分式A/D转换器常采用动态输出的方法，我们可以通过三态缓冲器把它的输出数据线与CPU的数据总线相连接，然后根据动态输出的时序将其逐位读入。

　　MC14433是31/2位的双积分式A/D转换器，转换速度每秒1～10次，量程为1.999V或199.9mV，以BCD码的形式输出，其逻辑符号如图2-7所示。

图2-7MC14433的逻辑符号

　　MC14433的数据信号有：

　　DS1～DS4多路选通脉冲输出，DS1为千位，DS4为个位。

　　Q0～Q3BCD码输出。

　　-OR过量程标志输出，当|VX|＞VR时，-OR为低电平。

　　DU更新转换结果的输出。

　　EOC转换周期结束标志。

　　与模拟输入有关的信号有：

　　R1，R1／C1，C1外接积分电阻与电容。

在量程为2V时，R1=470kΩ，C1=0.1μF。

量程为200mV时，R1=27kΩ，C1=0.1μF。

　　C01，C02补偿电容，0.1μF。

　　CLK0，CLK1时钟振荡器外接电阻、典型值为470kΩ，电阻加大，时钟频率降低。

　　VR基准电压输入端，选2.0V或200mV。

　　VX被测电压输入端。

　　VAG被测电压，基准电压接地端。

　　VDD，VSS，VEE正负电源及接地端。

　　图2-8为输出选通脉冲的时序图。

图2-8MC14433输出选通脉冲时序图

　　在DS1有效时输出千位数据，DS4有效时输出个位数据。

每个选通脉冲宽度为18个时钟周期。

两个相邻脉冲之间的间隔为2个时钟周期。

　　DSl有效时输出的千位数据的含义如下：

Q3位表示千位，如Q3=1，则千位为0，如Q3=0，则千位为1。

Q2位表示极性，Q2=1表示输入电压为正，反之为负。

Q0位=1时表示超出量程范围，在Q0=1时为欠量程，Q0=0时为过量程。

　　MC14433可通过74LS244与CPU的数据总线相连，其连接方法如图2-9所示。

图2-9MC14433接口

　　将DU与EOC相连，这样每次A/D转换结束后，数据都被更新。

EOC信号还可作为中断申请信号，在转换结束后申请中断。

中断响应后即可读入数据，根据输出选通脉冲的时序，先用查询方法判断是否为DS1有效。

若是DS1有效，则按Q0，Q2，Q3来决定是否超量程、信号的极性及千位为1还是0。

然后等待DS2周期，读入百位数的BCD码。

在DS3、DS4周期内分别读入十位和个位的BCD码。

读入数据的程序流程图如图2-10所示。

图2-10读入数据的程序流程图

2.3微处理器AT89C51

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

外形及引脚排列如图2-11所示

图2-11AT89C51的引脚排列图

主要特性：

·与MCS-51兼容

·4K字节可编程闪烁存储器

·寿命：

1000写/擦循环

·数据保留时间：

10年

·全静态工作：

0Hz-24MHz

·三级程序存储器锁定

·128×8位内部RAM

·32可编程I/O线

·两个16位定时器/计数器

·5个中断源

·可编程串行通道

·低功耗的闲置和掉电模式

·片内振荡器和时钟电路

管脚说明：

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FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH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（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

口管脚备选功能

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（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/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7/RD（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/PROG：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

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。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

/PSEN：

外部程序存储器的选通信号。

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。

/EA/VPP：

当/EA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，/EA将内部锁定为RESET；当/EA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（VPP）。

XTAL1：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：

来自反向振荡器的输出。

振荡器特性:

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。

该反向放大器可以配置为片内振荡器。

石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。

如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

2.4流速控制电路设计

2.4.1数字电位器

数字电位器也称为数控电位器，是一种用数字信号控制其阻值改变的器件（集成电路）。

字电位器与机械式电位器相比，具有可程控改变阻值、耐震动、噪声小、寿命长、抗环境污染等重要优点，因而，已在自动检测与控制、智能仪器仪表、消费类电子产品等许多重要领域得到成功应用。

但是，数字电位器额定阻值误差大、温度系数大、通频带较窄、滑动端允许电流小（一般1～3mA）等，这在很大程度上限制了它的应用。

数字电位器取消了活动件，是一个半导体集成电路。

其优点为：

调节精度高；没有噪声，有极长的工作寿命；无机械磨损；数据可读写；具有配置寄存器及数据寄存器；多电平量存储功能，特别适用于音频系统；易于软件控制；体积小，易于装配。

它适用于家族影院系统，音频还绕控制，音响功放和有线电视设备等。

　　①设计原理

X9241内部包括一个I2C接口和四个数字电位器。

每个数字电位器由电阻阵列及与之对应的滑动端计数寄存器WCR、四个8位数据寄存器R0~R3等部分构成。

其引脚配置如（附录图2）所示。

A）电阻阵列

每个电阻阵列由63个串联连接的分立的电阻段组成。

每个电阻阵列的物理终端等效于机械电位器的固定端（VH和VL输入端）。

每个阵列的VH和VL以及每个电阻段之间的接点（即抽头）通过FET开关连接滑动输出端VW；而滑动端VW在电阻阵列中的位置由WCR控制。

如果将四个电阻阵列中的两个、三个或四个串联起来可构成127、190或253个抽头的数字电位器。

X9241电位器电阻阵列的阻值种类根据后缀的不同而不同。

当分别为Y、W、U时，则电阻阵列分别为四个2kΩ、四个10kΩ、四个50kΩ的数字电位器；而当为M时，其内部四个数字电位器阻值分别为2kΩ、10kΩ、10kΩ、50kΩ。

B）滑动端计数寄存器WCR

滑动端计数寄存器WCR实际上是一个6位带有译码输出的计数器，用来实现选择六十四选一的FET开关的位置，即控制滑动端在电阻阵列中的位置。

WCR是一种易失性存贮器，其内容可通过指令改写，上电时装入数据寄存器R0的内容（注意：

此值可能与断电时的值不同）。

C）数据寄存器

数据寄存器的内容可由用户读出或写入，其内容可传输到滑动计数寄存器WCR以设置滑动端的位置。

每个数字电位器有四个8位非易失性数据寄存器R0~R3。

D）串行接口

X9241支持I2C串行双向总线的定向规约：

实际应用时X9241为从器件，由主机启动数据的传输，并为发送和接收操作提供时钟。

数据线SDA和时钟线SCL的信号间关系（起始条件、终止条件及应答条件）见图3-1。

②器件寻址及指令结构

A）器件寻址

   在起始后，主器件输出它所要访问的从器件地址，该地址的格式如下：

对