基于单片机的自动滴灌系统的设计.docx
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基于单片机的自动滴灌系统的设计
毕业设计（论文）
基于单片机的自动滴灌系统的设计
专业名称：
机械制造与自动化
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导师姓名：
郝文玲
焦作大学机电工程学院
2013年12月
基于单片机的自动滴灌系统的设计
Thedesignofautomaticirrigationsystembasedonsinglechipmicrocomputer
姓名薛路路学制三年
专业机械制造与自动化
导师郝文玲职称副教授
论文提交日期13.12.30论文答辩日期14.1.1
焦作大学机电工程学院
摘要
自动控制节水滴灌技术的高低代表着农业现代化的发展状况，滴灌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。
单片机控制的滴灌节水滴灌系统，该系统可对不同土壤的湿度进行监控，并按照作物对土壤湿度的要求进行适时、适量灌水，其核心是单片机和PC机构成的控制部分，主要对土壤湿度与灌水量之间的关系、滴灌控制技术及设备系统的硬件、软件编程各个部分进行实现。
单片机控制部分采用AT89C51单片机为核心，主要由土壤湿度传感器，信号处理电路，显示电路，输出控制电路，故障报警电路等组成，软件选用汇编语言编程。
单片机可将土壤湿度传感器检测到的土壤湿度模拟量转换成数字量，显示于LED显示器上。
该系统灵活性强，易于操作，可靠性高，将会有更广阔的开发前景。
关键字：
自动滴灌系统单片机AT89C51
Abstract
Thediscretionoftheautomaticcontrolofwater-savingirrigationtechnologyrepresentsthedevelopmentofagriculturalmodernization,totheChina'sefficientirrigationsystemtothelowlevelofautomationisthemaincauseofagriculturaldevelopment.Single-chipmicrocomputercontrolofdripirrigationwatersavingirrigationsystem,thesystemcanbeofdifferentsoilhumiditymonitor,andtimelyinaccordancewiththerequirementsofthecropsonsoilmoisture,adequatewater,itscoreisasingle-chipmicrocomputerandPCagenciesintocontrolpart,mainlyontherelationshipbetweensoilmoistureandirrigationwater,irrigationcontroltechnologyandequipmentsystemtoimplementvariouspartsofhardwareandsoftwareprogramming.
Single-chipmicrocomputercontrolpartadoptsAT89C51asthecore,mainlybythesoilmoisturesensor,signalprocessingcircuit,displaycircuit,theoutputcontrolcircuit,faultalarmcircuitandsoon,softwareuseassemblylanguageprogramming.MCUsoilhumiditysensorstodetectsoilmoisturecanbeanalogconversiontodigitalquantity,displayonLEDdisplay.Thesystemflexibilityisstrong,easytooperate,highreliability,therewillbemorebroadprospectsfordevelopment.
Keywords:
AutomaticdripirrigationsystemSinglechipmicrocomputerAT89C51
第一章绪论
1.1引言
随着中国农业现代化进程的加快，农业结构的调整以及我国加入WTO等因素，农业 滴灌自动化技术的要求越来越高，滴灌控制器在我国有着巨大的市场。
节水滴灌控制器 近期在中国应朝着价格低，性能可靠操作简便的方向发展。
但从长远的利益考虑，新的 只能化技术，传感技术和农业科技的引入应用和普及，将会有智能化程度更高，性能更 稳定可靠的滴灌控制器出现。
经过多年的发展，国外滴灌控制器已逐步趋于成熟系列化，但价格昂贵，国内虽引 进一些，大多数是农业示范区，单位。
虽然国外生产的滴灌控制器性能越来越高，但没 有考虑我国特殊的自然气候土地资源农业经济状况等因素，因而国外引进的滴灌控制器 在国内应用并不普及。
国内虽然有多家研制滴灌器，但多数是小规模，试验和理论的探 究应用不够普及。
究其原因一则是开发性能完善的滴灌控制系统需要大量的人力和物力 的投入，需要多部门，多学科的融合，这在一定程度上限制了性能的完善，适应性强的 控制器的开发。
其次是现在开发出来的滴灌控制器价格昂贵，农民尽管知道能节省人力 和滴灌用水提高产量，但由于一次性投入太大，多数农民承受不起，这也在一定程度上 限制了滴灌控制器的普及。
综上所述，西方发达国家在节水滴灌控制器的开发上已越来 越成熟，而且发展趋势是研制大型分布式控制系统和小面积单片机控制系统，并能有通 讯功能，能与上位机进行通信，并可由危机对其编程操作。
同时随着人工智能技术的发 展，模糊控制，神经网络等技术为节水滴灌控制器的研制开辟了广阔的应用前景。
而国 内在滴灌控制器的研制方面还没有形成规模大，应用范围广的成套控制产品。
国内的一 些高尔夫球场等大面积场地滴灌控制，一般引用国外现成的成套滴灌控制产品，而广大 农村可根据我国国情和各地经济和技术发展的实际情况，采取简单可行的节水滴灌控制 措施及相应的排灌机械和设备，大力发展可靠实用和操作简便的节水滴灌控制器，这样 做不仅具有广阔的市场，而且有巨大的社会和经济效益。
现代智能型控制器是进行滴灌系统田间管理的有效手段和工具，他可提高操作准确 性，有利于滴灌过程的科学管理，降低对操作者本身素质要求。
除了能大大减少劳动量， 更重要的是他能准确，定时，定量高效地给作物自动补充水分，以提高产量，质量，节水和节能。
现代滴灌控制器的研究使用在我国的农林及园艺为数不多，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滴灌工程的自动化控制系 统，也是根据经验法来确定每天滴灌次数和每天滴灌量，如果滴灌量与作物实际需水量 相比较少，便不能有效的促进作物健康成长；而滴灌量太多，肥水流失，又会造成资源 浪费，同时传统的滴灌法还需要相关的专家实时观察并经验指导生产，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。
1.2节水滴灌系统概述
生命之起源，水为必要条件，没有了水，地球上的生命将会枯竭。
随着21世纪的到来，能源危机将接踵而至。
比能源危机更可怕的是，作为人类生命之源的水的短缺到了前所未有的程度，这一状况还将随着时间的推移和社会的发展继续恶化。
水资源危机已成为全球性的突出问题，利用科技手段缓解这一危机，将是人类主要的出路。
农业是人类社会最古老的行业，是各行各业的基础，也是人类顿以生存的最重要的行业。
农业的发展从长远来看很重要，一是水的问题，二是科技的问题。
农业的根本出路在科技，在教育。
由传统农业向现代化农业转变，由粗放经营向集约经营转变，必须要求农业科技有一个大的发展，进行一次新的农业技术革命。
农业与工业、交通等行业相比仍然比较落后，农业滴灌技术尤其落后。
滴灌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。
传统的滴灌模式自动化程度极低，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，为了提高滴灌效率，缩短劳动时间和节约水资源，必须发展节水滴灌控制技术。
现代智能型控制器是进行滴灌系统田间管理的有效手段和工具，它可提高操作准确性，有利于滴灌过程的科学管理，降低对操作者本身素质的要求。
除了能大大减少劳动量，更重要的是它能准确、定时、定量、高效地给作物自动补充水分，以提高产量、质量，节水、节能。
现代滴灌控制器的研究使用在我国农、林、及园艺为数不多，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滴灌工程的自动化控制系统，也是根据经验法来确定每天滴灌次数和每次滴灌量，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;而滴灌量太多，肥水流失，又会造成资源浪费，同时传统的滴灌法还需要相关专家的实时观察并经验指导生产，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，实施节水滴灌已成为我国农业乃至国民经济持续发展带战略性的根本大事。
本文旨在设计一套能对作物生长的土壤湿度进行自动监控的系统，它能对作物进行适时、适量的灌水，起到高效滴灌，节水、节能的作用。
1.3本设计任务和主要内容
本论文主要研究基于单片机的自动滴灌控制系统，分别对土壤湿度与灌水量之间的关系、滴灌控制技术及系统设备的软、硬件各个部分进行了研究。
主要内容如下:
1.根据滴灌技术的特点，进行节水滴灌控制系统的整体研究与设计。
2.土壤湿度变化使用DHT11型温湿度传感器采集，再对湿度传感器的输出信号进行分析。
3.数码管显示土壤湿度值。
4.使用步进电机控制阀门的开启或关闭。
5.当土壤湿度值低于设定的最低值时，系统可自动报警。
第二章滴灌系统总体设计方案
2.1计算机控制系统的基本形式
计算机控制系统的种类繁多，但归纳起来，目前实现计算机控制的方式基本上属于 下面五种形式：
1、成套的计算机控制系统产品:
目前世界上已出现了许多与硬件产品配套的，具有不同特点、适用于不同控制对象 的软件产品，像HONEYWELL、WDPF等DCS（集散系统）系统。
2、以实时操作系统为基础，由控制系统设计人员设计在操作系统上运行的实时应 用软件:
目前通用有一大批IRMXRTOX，PSOS的实时操作系统。
这类系统要求用户自己编 写应用程序，设计程序的流向，而由操作系统对应用程序进行实时调度和占先，循环处 理，因此减少了应用软件开发的难度。
但要求程序员熟悉实时多任务编程技术，而且图 形界面不太好。
3、集成的实时系统开发软件:
例如：
Citect，Intouch，由软件制造商提供，是专门为实时服务的开发环境和运行 环境。
系统本身已经构建了实现不同功能的软件包、程序模块和控键。
用户只需要按照 规定方式，根据实际对象要求，调用相应模块，即可构成应用程序。
4、在通用操作系统例了如DOS，WINDOWS环境下:
采用实时核实现程序的实时多任务特性。
RTX， RTKERNEL，RTOS等都是应用广 泛的实时核。
5、直接从系统的最底层采用高级语言或汇编语言编制实时应用程序:
这种方法先把系统划分层次，明确目标，任务，对各个任务的子过程进行结构化编 程，然后还要另外编写计时、中断、调度等控制程序。
程序设计的难度和工作量很大， 但整个程序对于设计人员来说是完全透明的，适应性强。
2.2系统总体方案
根据实际情况及系统技术要求，拟采用AT89C51微控器作为控制与数据处理的核心 以构成节水滴灌控制系统。
该系统采用AT89C51单片机来实现。
用湿度检测电路中的湿敏电阻对土壤湿度进行采集，所得电流信号经处理得到可用的电压信号，输入到A/D转换器ADC0809转换成数字 信号进行处理。
系统将检测得土壤的湿度值，送到LED显示电路显示，从而实现对土壤 湿度的监测监控，能进行适度范围设置和显示，同时通过模糊控制算法实现对水泵开关 的只能控制。
该电路主要由AT89C51系统电路、电源电路、湿度检测电路、显示电路、 开关控制电路等组成。
软件选用汇编语言编程。
单片机可将土壤湿度传感器检测到的土 壤湿度模拟量转换成数字量，并传输给控制系统检测是否该滴灌。
该系统灵活性强，成 本低，可靠性高，在实际应用中前景广阔。
系统框图如图2.1所示
图2-1
2.2.1 AT89C51微控器构成的最小系统
根据本设计的技术要求来判断是否需要对此微控器进行片外程序存储器及数据存 储器的扩展。
若需要，则对AT89C51微控器进行片外存储器扩展，以构成控制系统的最 基本部分。
若不需要，则单片机及其时钟电路与复位电路等构成最小系统。
2.2.2 数据采集部分
ADC0809是一种8位逐次逼近式A/D转换器，内部具有锁存控制的8路模拟开关，外接8路模拟输入端，可同时对8路0-5V的输入模拟电压信号分时进行采集转换，本系统只用到INO和INl两路输入通道。
ADC0809转换器的分辨率为8位，最大不可调误差小于士1LSB，采用单一+5V供电，功耗为15mW,不必进行零点和满度调整。
由于ADC0809转换器的输出数据寄存器具有可控的三态输出功能，输出具有TTL三态锁存缓冲器，故其8位数据输出引脚可直接与数据总线相连。
A/D转换器需外部控制启动转换信号方能进行转换，这一启动转换信号可由CPU提供，不同型号的A/D转换器，对启动转换信号的要求也不同，分脉冲启动和电平启动两种，ADC0809采用脉冲启动转换，只需给A/D转换器的启动控制转换的输入引脚（（START）上，加入正脉冲信号，即启动A/D转换器进行转换，转换开始后，转换结束信号输出端（EOC）信号变低，转换结束时，EOC返回高电平，以通知主机读取转换结果的数字量，这个信号可以作为A/D转换器的状态信号供查询，也可以用作中断请求信号。
本系统中ADC0809与AT89C51单片机的接口如图5所示，采用等待延时方式。
ADC0809 的时钟频率范围要求在10-1280kHz,AT89C51单片机的ALE 脚的频率是单片机时钟频率的1/6，因此当单片机的时钟频率采用6MHz,ADC0809输入时钟频率即为CLK=1MHz，发生启动脉冲后需延时100Us才可读取A/D转换数据。
ADC0809的8位数据输出引脚可直接与数据总线相连，地址译码引脚 A,B,C分别与74LS373的A,B,C相连，以选通INO-IN7中的一个通道。
AT89C51的p2.6作为片选信号，在启动AM转换时，由单片机的写信号WR和p2.。
控制ADC的地址锁，存和转换启动。
由于ALE与START连在一起，因此ADC0809在锁存通道地址的同时也启动转换，在读取转换结果时，用单片机的读信号RD和p2.。
引脚一级或非门产生的正脉冲作为 OE信号，用以打开三态输出锁存器。
2.2.3 显示部分
微机化测控系统中常用的测量数据的显示器有发光二极管显示器（简称LED或数码管）和液晶显示器（简称LCD）。
这两种显示器都具有线路简单、耗电少、成本低、寿命长等优点，本系统输出结果选用4个LED显示。
数码管有共阴共阳之分，本系统采用8段 共阴型 LED，每位数码管内部有8个发光二极管，公共端由 8 个发光二极管的阴极并接而成，正常显示时公共端接低电平（GND），各发光二极管是否点亮取决于a-dp各引脚上是否是高电平。
LED数码管的外形结构，外部有10个引脚，其中3, 8脚为公共端也称位选端，其余 8个引脚称为段选端，当要使某一位数码管显示某一数字（（0-9中的一个）必须在这个数 码管的段选端加上与数字显示数字对应的8位段选码（也称字形码），在位选端加上低电 平即可。
2.2.4 供电电源单元
采用变压器、整流滤波及稳压等电路组成，分别给以上各部分提供所需要的电压， 可以提供+5V, +12V, +40V的稳定电压。
由于电压源是现成的设备，可以在市场上订制，所以不在涉及范围内，不再予以讲述。
第3章 系统硬件电路设计
3.1本系统的硬件设计概述
从总体上讲，本系统硬件电路根据技术需求，由以AT89C51单片机为核心的主控电 路以及其外围接口电路组成。
概括为以单片机为主的主控电路、单片机输入部分接口电 路、单片机输出部分接口电路。
主控电路是以单片机为核心和必要的外围接口电路组成 的，包括单片机最小系统、存储器扩展（若需要）、复位电路等。
输入部分接口电路包 括各种模拟信号，数字信号与单片机的接口信号调理电路以及按键接口电路。
输出部分 接口电路包括电机驱动电路，电磁阀驱动电路，LED显示驱动电路。
其中各种接口电路 设计的好坏直接关系到系统运行的稳定性。
从硬件具体组成来看，整个硬件电路包括主控电路部分（主要由AT89C51单片机、 数字接口、模拟接口组成）、土壤湿度信号采集电路部分（主要由湿度传感器、必要的数 字接口电路组成）、时钟电路、数据存储扩展电路、LED显示电路组成。
3.2 单片机的选择及分析
3.2.1 单片机的定义和特点
所谓单片机就是把CPU、寄存器、RAM/ROM、I/O接口电路集成在一块集成电路 芯片上，构成一个完整的微型计算机。
单片机的主要特点有：
1、集成度高、功能强
微型计算机通常由中央处理器（CPU）、存储器（RAM, ROM）以及I/O接口组成，其各部分分别集成在不同的芯片上。
例如，大家熟悉的Z80微型计算机就是由Z80 CPU、存储器（RAM, ROM）, PIO等芯片组成的，单片机则不同，它把CPU, RAM, ROM,I/O接口，以及定时器/计数器都集成在一个芯片上。
目前应用得最多的是 MCS 51 系列单片机。
和微型计算机进行比较，单片机不仅体积大大减小，而且功能大为增强。
MCS51系列单片机内的定时/计数器为16位，而Z80微型计算机只有8位，MCS 51系列单片机中不但有4个并行I/O接口，而且还有串行接口，且时钟频率可达12MHz。
2、结构合理
目前单片机大多采用Harvard 结构。
这是数据存储器与程序存储器相互独立的一种 结构。
而在许多微型计算机（如Z80, Inte18085, M6800等）中，大都采用两类存储器合二为一（即统一编址）的方式。
单片机采用上述结构主要有四点好处——存储量大、速度快、抗干扰性、强指令丰富。
3.2.2 单片机的发展概况
自从1974年12月美国仙童（Fairchild ）公司第一个推出8位单片机 FS 以来，单片机以惊人的速度发展，从4位机、8位机发展到16位机、32位机，集成度越来越高，功能越来越强，应用范围越来越广。
到目前为止，单片机的发展主要可分为以下四个阶段:
第一阶段:
4位单片机。
这种单片机的特点是价格便宜，控制功能强，片内含有多种I/O接口，如并行I/O接口、串行I/O接口、定时计数器接口、中断功能接口等。
根据不同用途，还配有许多专用接口，如打印机接口、键盘及显示器接口，PLA（可编程逻辑 阵列）译码输出接口，有些甚至还包括A/D,D/A转换，PLL（锁相环），声音合成等电路。
丰富的I/O功能大大地增强了4位单片机的控制功能，从而使外部接口电路极为简单。
第二阶段:
低、中档8位机（1974-1978年）。
这种8位机一般不带有I/O接口，寻址范围通常为4KB。
它是8位机的早期产品，如Mostek公司的 3870,Intel公司的8048等单片机即属此类。
第三阶段:
高档8位机阶段（1978 1982年）。
这一类单片机常有串行I/O接口，有多级中断处理，定时/计数器为16位，片内的RAM和ROM的容量相对增大，且寻址范围可达64KB，有的片内还带有A/D转换接口。
这类单片机有Intel公司的 MCS 51, Motorola 公司的6801 和Ziiog 公司的 Z8 等。
由于这类单片机应用领域较广，其结构和性能还在不断地改进和发展。
第四阶段:
16位单片机和超8位单片机（1982 年至今）。
此阶段的主要特征是，一方面不断完善高档8位机，改善其结构，以满足不同用户的需要；另一方面发展16位单片机及专用单片机。
16位单片机除了CPU为16位外，片内RAM和ROM的容量也进 一步增大，片内RAM为232字节，ROM 为8KB，片内带有高速输入输出部件，多通道10位A/D转换部件，中断处理为8级，其实时处理能力更强。
近来，32位单片机己进入实用阶段，但还未引入国内市场。
在今后单片机的发展趋势将是:
向着大容量、高性能化，小容量、低价格化和外围电路内装化等几个方面发展。
3.2.3 本系统单片机的选择
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含4k bytes的反复擦写的Flash只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器 件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，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存储单元可灵活应用于各种控制领域。
图3.1为 其引脚图。
1、主要特性
·与 MCS 51 完全兼容
·4K 字节可编程 FLASH 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
2.功能性概述
AT89C51 提供以下标准功能：
4k字节Flash 闪速存储器，128 字节内部 RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。
同时，AT89C51可下降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。
3、AT89C51的内部结构介绍
单片机电路是系统控制的核心。
单片机选用从ATMEL公司的低功耗、高性能的8位CMOS芯片AT89C51，其片内带有4K字节的闪速可编程及可擦除只读存储器 （EPROM）。
引脚功能说明如下：
图3.1AT89C51引脚图
·VCC：
电源电压
·GND：
地
·P0口：
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O 口，也即地址/数据总线复用口。
作为 输出口用时，每位能吸收电流的力式驱动8 个 TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为 高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低 8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。
在Flash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时， 要求外接上拉电阻。
·Pl口：
P1 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P1 的输出缓冲级叫可驱动 （吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1” ，通过内部的上拉电阻把端口 拉
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