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1、 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：机械制造与自动化学生姓名：薛路路导师姓名：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The design of automatic irrigation system based on single chip microcomputer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 论文提交日期 论文答辩日期 焦作大学机电工程学院中文摘要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。单片机控制的滴灌节水灌溉系统，该系统可对
2、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、灌溉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 英文摘要The discretion of the automatic contr
3、ol of water-saving irrigation technology represents the development of agricultural modernization, to the Chinas efficient irrigation system to the low level of automation is the main cause of agricultural development. Single-chip microcomputer control of drip irrigation water saving irrigation syst
4、em, the system can be of different soil humidity monitor, and timely in accordance with the requirements of the crops on soil moisture, adequate water, its core is a single-chip microcomputer and PC agencies into control part, mainly on the relationship between soil moisture and irrigation water, ir
5、rigation control technology and equipment system to implement various parts of hardware and software programming.Single-chip microcomputer control part adopts AT89C51 as the core, mainly by the soil moisture sensor, signal processing circuit, display circuit, the output control circuit, fault alarm
6、circuit and so on, software use assembly language programming. MCU soil humidity sensors to detect soil moisture can be analog conversion to digital quantity, display on LED display. The system flexibility is strong, easy to operate, high reliability, there will be more broad prospects for developme
7、nt.Key words: Automatic drip irrigation system Single chip microcomputer目录第一章 绪论( ) 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，农业灌溉自动化技术的要求越来越高，灌溉控制器在我国有着巨大的市场。节水灌溉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，性能更稳定可靠的灌溉控制器出现。经过多年的发展，国外灌溉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，
8、大多数是农业示范区，单位。虽然国外生产的灌溉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，因而国外引进的灌溉控制器在国内应用并不普及。国内虽然有多家研制灌溉器，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灌溉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灌溉控制器价格昂贵，农民尽管知道能节省人力和灌溉用水提高产量，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灌溉控制器的普及。综上所述，西方发达国家在节水灌溉控制器的开发上已越来
9、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灌溉控制器的研制开辟了广阔的应用前景。而国内在灌溉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灌溉控制，一般引用国外现成的成套灌溉控制产品，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灌溉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灌溉控制器，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
10、进行灌溉系统田间管理的有效手段和工具，他可提高操作准确性，有利于灌溉过程的科学管理，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。现代灌溉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天灌溉量，如果灌溉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的专家实时观察并经验指导生产，劳动生产率低，这也不
11、能与现代化农业向优化，高效化方向发展要求同步。1.2 节水灌溉系统概述 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
12、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，农业灌溉技术尤其落后。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。传统的灌溉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，为了提高灌溉效率，缩短劳动时间和节约水资源，必须发展节水灌溉控制技术。 现代智能型控制器是进行灌溉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。 现代灌溉控制器的研究
13、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，实施节水灌溉已成为我国农业乃至国民经
14、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，起到高效灌溉，节水、节能的作用。1.2 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，进行节水灌溉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 灌溉
15、系统总体设计方案2.1 灌溉系统总体设计方案 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
16、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
17、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灌溉控制系统。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、
18、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灌溉。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 种植作物的土壤土壤湿度传感A/D转换AT89C51单片机LED显示报警放大驱动电磁阀 图2-12.2.1AT89C51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
19、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
20、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
21、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。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
22、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100
23、Us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
24、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