基于单片机的自动节水灌溉系统)

浙江师范大学数理与信息工程学院课程设计——单片机控制的节水灌溉系统1数理与信息工程学院应用系统设计题目：基于单片机的自动节水灌溉系统专业：班级：姓名：学号：指导老师：成绩：(2006.6)浙江师范大学数理与信息工程学院课程设计——单片机控制的节水灌溉系统2目录第1节引言…………………………………………………………………………31.1节水灌溉系统概述……………………………………………………………31.2本设计任务和主要内容………………………………………………………4第2节系统主要硬件电路设计………………………………………………………52.1单片机控制系统原理…………………………………………………………52.2单片机主机系统电路…………………………………………………………52.2.1时钟电路………………………………………………………………62.2.2复位电路………………………………………………………………62.2.3数据存储器的扩展电路………………………………………………62.3数据采集处理电路……………………………………………………………72.4LED显示系统电路……………………………………………………………82.5超限报警电路…………………………………………………………………10第3节系统软件设计…………………………………………………………………113.1系统主程序设计………………………………………………………………113.2采样子程序设计………………………………………………………………123.3数据处理…………………………………………………………………………133.3.1数字滤波技术……………………………………………………………133.3.2标度变换…………………………………………………………………153.3.3BCD转换………………………………………………………………183.4LED动态显示程序…………………………………………………………18第4节结束语…………………………………………………………………………21参考文献…………………………………………………………………………22基于单片机的自动节水灌溉系统浙江师范大学数理与信息工程学院课程设计——单片机控制的节水灌溉系统3第1节引言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。1.1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济持续发展带战略浙江师范大学数理与信息工程学院课程设计——单片机控制的节水灌溉系统4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单片机控制的滴灌节水灌溉系统，分别对土壤湿度与灌水量之间的关系、灌溉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.针对土壤湿度难以用精确的数学模型描述的特点，采用模糊控制理论，对这一理论进行了深入的研究，重点研究双输入单输出的模糊控制方式。3.LED显示土壤湿度值，在灌水期间以倒计时的方式显示灌水剩余时间。4.当土壤湿度值低于设定的最低值时，系统可自动报警。第2节系统主要硬件电路设计浙江师范大学数理与信息工程学院课程设计——单片机控制的节水灌溉系统52.1单片机控制系统原理图2单片机控制系统原理框图2．2单片机主机系统电路AT89C51单片机是51系列单片机的一个成员，是8051单片机的简化版。内部自带2K字节可编程FLASH存储器的低电压、高性能COMS八位微处理器，与IntelMCS-51系列单片机的指令和输出管脚相兼容。由于将多功能八位CPU和闪速存储器结合在单个芯片中，因此，AT89C2051构成的单片机系统是具有结构最简单、造价最低廉、效率最高的微控制系统，省去了外部的RAM、ROM和接口器件，减少了硬件开销，节省了成本，提高了系统的性价比。图3单片机主机系统图2.2.1时钟电路单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种微操作的时间基准，时钟信号通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浙江师范大学数理与信息工程学院课程设计——单片机控制的节水灌溉系统6常用两种电路形式得到:内部振荡和外部振荡。MCS-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚XTALl和XTAL2分别是此放大电器的输入端和输出端，由于采用内部方式时，电路简单，所得的时钟信号比较稳定，实际使用中常采用这种方式，如图3所示在其外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器就构成了内部振荡方式，片内高增益反向放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起可构成一个自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。图3中外接晶体以及电容C2和C1构成并联谐振电路，它们起稳定振荡频率、快速起振的作用，其值均为30P左右，晶振频率选6MHzoRESET2.2.2复位电路为了初始化单片机内部的某些特殊功能寄存器，必须采用复位的方式，复位后可使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始状态开始正常工作。单片机的复位是靠外电路来实现的，在正常运行情况下，只要RST引脚上出现两个机器周期时间以上的高电平，即可引起系统复位，但如果RST引脚上持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。复位后系统将输入/输出(1/0)端口寄存器置为FFH，堆栈指针SP置为07H,SBUF内置为不定值，其余的寄存器全部清0，内部RAM的状态不受复位的影响，在系统上电时RAM的内容是不定的。复位操作有两种情况，即上电复位和手动(开关)复位。本系统采用上电复位方式。图3中R9和Cl组成上电复位电路，其值R取为1KQ,C取为1pF.2.2.3数据存储器的扩展电路AT89C51单片机外接数据RAM时，P2口输出存储器地址的高8位，PO口分时输出地址的低8位和传送指令字节或数据。PO口先输出低8位地址信号，在ALE有效时将它锁存到外部地址锁存器中，然后PO口作为数据总线使用，此处地址锁存器选用74LS373，实际电路图连接如图4所示。浙江师范大学数理与信息工程学院课程设计——单片机控制的节水灌溉系统7图4数据存储器的扩展电路2.3数据采集处理电路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。浙江师范大学数理与信息工程学院课程设计——单片机控制的节水灌溉系统8图5数据采集处理电路本系统中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。如图5连接方式，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。2．4LED显示系统电路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，其原理图如图6所示，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数码管的外形结构如图6，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