基于單片機的節(jié)水灌溉自動控制系統的設計(共36頁)

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上基于單片機的節(jié)水灌溉自動控制系統的設計第1章 緒 論1.1引言隨著中國農業(yè)現代化進程的加快，農業(yè)結構的調整以及我國加入WTO等因素，農業(yè)灌溉自動化技術的要求越來越高，灌溉控制器在我國有著巨大的市場。節(jié)水灌溉控制器近期在中國應朝著價格低，性能可靠操作簡便的方向發(fā)展。但從長遠的利益考慮，新的只能化技術，傳感技術和農業(yè)科技的引入應用和普及，將會有智能化程度更高，性能更穩(wěn)定可靠的灌溉控制器出現。經過多年的發(fā)展，國外灌溉控制器已逐步趨于成熟系列化，但價格昂貴，國內雖引進一些，大多數是農業(yè)示范區(qū)，單位。雖然國外生產的灌溉控制器性能越來越高，但沒有考慮我國特殊的自然氣候土地資源農業(yè)

2、經濟狀況等因素，因而國外引進的灌溉控制器在國內應用并不普及。國內雖然有多家研制灌溉器，但多數是小規(guī)模，試驗和理論的探究應用不夠普及。究其原因一則是開發(fā)性能完善的灌溉控制系統需要大量的人力和物力的投入，需要多部門，多學科的融合，這在一定程度上限制了性能的完善，適應性強的控制器的開發(fā)。其次是現在開發(fā)出來的灌溉控制器價格昂貴，農民盡管知道能節(jié)省人力和灌溉用水提高產量，但由于一次性投入太大，多數農民承受不起，這也在一定程度上限制了灌溉控制器的普及。綜上所述，西方發(fā)達國家在節(jié)水灌溉控制器的開發(fā)上已越來越成熟，而且發(fā)展趨勢是研制大型分布式控制系統和小面積單片機控制系統，并能有通訊功能，能與上位機進行通信，

3、并可由危機對其編程操作。同時隨著人工智能技術的發(fā)展，模糊控制，神經網絡等技術為節(jié)水灌溉控制器的研制開辟了廣闊的應用前景。而國內在灌溉控制器的研制方面還沒有形成規(guī)模大，應用范圍廣的成套控制產品。國內的一些高爾夫球場等大面積場地灌溉控制，一般引用國外現成的成套灌溉控制產品，而廣大農村可根據我國國情和各地經濟和技術發(fā)展的實際情況，采取簡單可行的節(jié)水灌溉控制措施及相應的排灌機械和設備，大力發(fā)展可靠實用和操作簡便的節(jié)水灌溉控制器，這樣做不僅具有廣闊的市場，而且有巨大的社會和經濟效益?，F代智能型控制器是進行灌溉系統田間管理的有效手段和工具，他可提高操作準確性，有利于灌溉過程的科學管理，降低對操作者本身素質

4、要求。除了能大大減少勞動量，更重要的是他能準確，定時，定量高效地給作物自動補充水分，以提高產量，質量，節(jié)水和節(jié)能?，F代灌溉控制器的研究使用在我國的農林及園藝為數不多，與發(fā)達國家相比，有較大的差距，還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動化控制系統，也是根據經驗法來確定每天灌溉次數和每天灌溉量，如果灌溉量與作物實際需水量相比較少，便不能有效的促進作物健康成長；而灌溉量太多，肥水流失，又會造成資源浪費，同時傳統的灌溉法還需要相關的專家實時觀察并經驗指導生產，勞動生產率低，這也不能與現代化農業(yè)向優(yōu)化，高效化方向發(fā)展要求同步1.2 選題背景及研究的目的與意義1.2.1 選題背景生命之

5、起源，水為必要條件，沒有了水，地球上的生命將會枯竭。隨著21世紀的到來，能源危機將接踵而至。比能源危機更可怕的是，作為人類生命之源的水的短缺到了前所未有的程度，這一狀況還將隨著時間的推移和社會的發(fā)展繼續(xù)惡化。水資源危機已成為全球性的突出問題，利用科技手段緩解這一危機，將是人類主要的出路。農業(yè)是人類社會最古老的行業(yè)，是各行各業(yè)的基礎，也是人類頓以生存的最重要的行業(yè)。農業(yè)的發(fā)展從長遠來看很重要，一是水的問題，二是科技的問題。農業(yè)的根本出路在科技，在教育。由傳統農業(yè)向現代化農業(yè)轉變，由粗放經營向集約經營轉變，必須要求農業(yè)科技有一個大的發(fā)展，進行一次新的農業(yè)技術革命。農業(yè)與工業(yè)、交通等行業(yè)相比仍然比較

6、落后，農業(yè)灌溉技術尤其落后。灌溉系統自動化水平較低是制約我國高效農業(yè)發(fā)展的主要原因。傳統的灌溉模式自動化程度極低，基本上屬粗放的人工操作，即便對于給定的量，在操作中也無法進行有效的控制，為了提高灌溉效率，縮短勞動時間和節(jié)約水資源，必須發(fā)展節(jié)水灌溉控制技術?，F代智能型控制器是進行灌溉系統田間管理的有效手段和工具，它可提高操作準確性，有利于灌溉過程的科學管理，降低對操作者本身素質的要求。除了能大大減少勞動量，更重要的是它能準確、定時、定量、高效地給作物自動補充水分，以提高產量、質量，節(jié)水、節(jié)能。現代灌溉控制器的研究使用在我國農、林、及園藝為數不多，與發(fā)達國家相比，有較大的差距，還基本停留在人工操作

7、上，即使有些地方搞了一些灌溉工程的自動化控制系統，也是根據經驗法來確定每天灌溉次數和每次灌溉量，如果灌溉量與作物實際需水量相比太少，便不能有效的促進作物健康成長;而灌溉量太多，肥水流失，又會造成資源浪費，同時傳統的灌溉法還需要相關專家的實時觀察并經驗指導生產，勞動生產率低，這也不能與現代化農業(yè)向優(yōu)化、高效化方向發(fā)展要求同步。隨著計算機技術和傳感器技術的迅猛發(fā)展，計算機和傳感器的價格日益降低，可靠性日益提高，用信息技術改造農業(yè)不僅是可能的而且是必要的。用高新技術改造農業(yè)產業(yè)，實施節(jié)水灌溉已成為我國農業(yè)乃至國民經濟持續(xù)發(fā)展帶戰(zhàn)略性的根本大事。本文旨在設計一套能對作物生長的土壤濕度進行自動監(jiān)控的系統

8、，它能對作物進行適時、適量的灌水，起到高效灌溉，節(jié)水、節(jié)能的作用。1.2.2 研究的目的與意義農業(yè)是人類社會最古老的行業(yè)，是各行各業(yè)的基礎，也是人類賴以生存的最重要的行業(yè)。農業(yè)的發(fā)展從長遠來看非常重要，一是水的問題，二是科技的問題。農業(yè)的根本出路在科技，在教育。由傳統農業(yè)向現代化農業(yè)轉變，由粗放經營向集約經營轉變，必須要求農業(yè)科技有一個大的發(fā)展，進行一次新的農業(yè)技術革命。農業(yè)與工業(yè)、交通等行業(yè)相比仍然比較落后，農業(yè)灌溉技術尤其落后。灌溉系統自動化水平較低是制約我國高效農業(yè)發(fā)展的主要原因。傳統的灌溉模式自動化程度極低，基本上屬粗放的人工操作，即便對于給定的量，在操作中也無法進行有效的控制，為了提

9、高灌溉效率，縮短勞動時問和節(jié)約水資源，必須發(fā)展節(jié)水灌溉控制技術。現代智能型控制器進行灌溉系統田間管理的有效手段和工具，它可提高操作準確性，有利于灌溉過程的科學管理，降低對操作者本身素質的要求。除了能大大減少勞動量，更重要的是它能準確、定時、定量、高效地給作物自動補充分，以提高產量、質量，節(jié)水、節(jié)能?，F代灌溉控制器的研究使用在我國農、林、及園藝為數不多，與發(fā)達國家相比，有較大的差距，還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動化控制系統，也是根據經驗法來確定每天灌溉次數和每次灌溉最。如果灌溉量與作物實際需水量相比太少，便不能有效的促進作物健康成長；而灌溉量太多，肥水流失，又會造成資

10、源浪費。同時傳統的灌溉法還需要相關專家的實時觀察并經驗指導生產，勞動生產率低，這也不能與現代化農業(yè)向優(yōu)化、高效化方向發(fā)展要求同步。我國先后引進了以色列、美國、法國、德國等國家的部分先進灌溉控制設備，但價格昂貴，維護保養(yǎng)困難，多數用于農業(yè)示范區(qū)、科研單位或高校，而且不符合我國土壤的應用特點。我國自己的現代灌溉控制器的研制和使用尚處于起步階段，因此，作為一個農業(yè)大國，中國研究開發(fā)自己的先進的低成本、使用維護方便、系統功能強且擴展容易的國產化數字式節(jié)水灌溉器是一項極有意義的工作。隨著計算機技術和傳感器技術的迅猛發(fā)展，計算機和傳感器的價格日益降低，可靠性日益提高，用信息技術改造農業(yè)不僅是可能的而且是必

11、要的。用高新技術改造農業(yè)產業(yè)，實施節(jié)水灌溉己成為我國農業(yè)乃至國民經濟持續(xù)發(fā)展帶戰(zhàn)略性的根本大事。本文旨在設計一套能對作物生長進行自動監(jiān)控的系統，它能對作物進行適時、適量的灌水，起到高效灌溉、節(jié)水、節(jié)能的作用。1.3 研究內容本設計需研究的內容為：節(jié)水灌溉自動控制系統的發(fā)展狀況；節(jié)水灌溉自動控制系統的結構及組成，即選擇系統設計的基本方案與硬件及軟件等方面的設計。在硬件方面，需研究整體硬件框圖以及各種器件的選型及連接方法；在軟件方面，要明確主程序及各個主要部分的流程以及相應的程序控制清單。1.4 節(jié)水灌溉控制系統國內外的研究現狀及存在問題國內自20世紀50年代即開始節(jié)水灌溉的研究，并對當時主要農作

12、物的需水量和需水規(guī)律、灌溉制度進行了許多試驗研究，繪制了全國主要農作物的需水量等值線圖，建立了全國灌溉試驗資料數據庫。20世紀70年代主要集中在節(jié)水灌溉制度方面的研究。節(jié)水灌溉制度包括灌水時期、灌水定額和輪灌周期等內容。根據水與作物生長、發(fā)育及產量間的關系，通過有限水量在作物生育期內的最優(yōu)分配，以提高有限灌溉水屠下作物根系吸收轉化和光合作用向經濟產量轉化的效率為目標，進而達到高產和高水分生產率。但此時期的研究是基于傳統的充分灌溉基礎上的。20世紀80年代開始，許多研究者放棄了充分灌溉的研究，轉向節(jié)水型劣態(tài)或亞劣態(tài)試驗，結果表明與充分灌溉相比，節(jié)水灌溉條件下的產量降低并不嚴重。隨后，調虧灌溉技術

13、發(fā)展很快。噴、微灌技術是當今世界上節(jié)水效果最明顯的技術，是當前諸多現代灌溉技術中省水率最高。應用最為廣泛的灌溉方法，目前研究很多。如：噴灌水量分布均勻性評價指標的實驗研究漫灌和噴灌條件下土壤養(yǎng)分運移特征的初步研究川，研究了漫灌、噴灌入滲條件下，土壤養(yǎng)分運移的特征；噴灌條件下小氣候變化規(guī)律的研究，研究了最大溫差和最大相對濕度與噴灌時間、噴灌工作壓力、風力、風向以及光照強度的關系；噴灌條件下冬小麥生理特征及生態(tài)環(huán)境特點的實驗研究。噴灌硬件設施方面的研究有：低壓管噴及其節(jié)水高產機理研究；水田自動給水灌溉系統中非均勻出流問題的研究；田間噴管結合灌水技術體系的研究；灌區(qū)灌溉中的模糊控制；GPS節(jié)水灌溉系

14、統的研究。我國的微灌技術在70年代就有所研究發(fā)展。我國最早的滲灌工程是山西臨汾的龍子祠引泉工程和河南省濟源的合瓦地灌排工程。1975年以后，山西省萬榮縣、河南省許昌市及江蘇省的常熟、雌寧、南通、啟東、徐州等地進行了滲灌試點。然而，這些試點僅限于試驗階段，沒有得到廣泛應用，而且也沒有采用自動化控制的思想。我國節(jié)水灌溉自動化研究處于起步階段，自動化程度低，目前開發(fā)的自動灌溉控制系統還處于研制、試用階段。在開發(fā)的產品中有代表性的如中國農業(yè)機械化研究院聯合多家單位研制的2000型溫室自動灌溉施肥系統，具有手動控制、程序控制和自動控制等多種灌溉系統模式，可按需要靈活應用，在大連，北京等地已經投入應用，效

15、果良好，但其成本較高，適用于溫室內作物。由中國灌排技術開發(fā)公司開發(fā)的集中或分散式微灌自動監(jiān)控系統，根據灌溉計劃能自動對微灌工程進行監(jiān)視，控制和事故處理，其核心控制部件為8098單片機。北京農業(yè)工程大學研制的自動化灌溉控制系統是以8031單片機為核心，可對多通道土壤水分進行檢測，實現對多路通道進行自動灌溉控制的功能。但以上兩種系統選用的芯片功能較少，由于電路擴展而使系統復雜化，而且系統運行不穩(wěn)定。福建省水利建設技術中心研制的節(jié)水灌溉自動化控制系統，其應用計算機技術，通訊技術，自動控制技術和生態(tài)農業(yè)技術進行集成化與優(yōu)化配置，可對大田作物采取三種模式灌溉方式，即定時、恒濕及人工模式。北京奧特思達科技

16、有限公司研制的我國的微灌技術在70年代就有所研究發(fā)展。我國最早的滲灌工程是山西臨汾的龍子祠引泉工程和河南省濟源的合瓦地灌排工程。1975年以后，山西省萬榮縣、河南省許昌市及江蘇省的常熟、雌寧、南通、啟東、徐州等地進行了滲灌試點。然而，這些試點僅限于試驗階段，沒有得到廣泛應用，而且也沒有采用自動化控制的思想?？傊?，在我國，雖然有多種灌溉控制器，但多數規(guī)模較小，局限于實驗和理論的探討，而且開發(fā)出來的產品價格昂貴，農民盡管知道能節(jié)能、節(jié)水、增產，但由于一次性投資太大，多數農民承受不起，所以根本無法普及應用。節(jié)水農業(yè)在國外的發(fā)展已有幾十年的歷史，在西方發(fā)達國家，節(jié)水灌溉的應用面積和產業(yè)化程度很高。目前

17、，約有80多個國家和地區(qū)推廣應用微灌技術。美國、前蘇聯的噴灌面積己占其總灌溉面積40以上，英國、德國、奧地利、丹麥、瑞典、日本等國的旱地灌溉面積中90以上采用噴灌。一些發(fā)達國家的噴灌系統中廣泛使用多功能壓力流量控制設備，如法國和日本均開發(fā)并使用集給水拴、壓力控制、流量顯示、水量控制等功能于一體的多功能壓力流量控制給水拴。節(jié)能效果良好的恒壓噴灌技術也得到了廣泛的應用，如日本在大多數旱地灌溉系統的；H五泵站中使用調壓罐控制。微灌領域，以色列和美國水平很高。他們對灌溉的新概念是：把含有肥料的水一滴滴的輸入作物根系層的土壤中，使土壤中的水、肥、氣、熱等保持協調關系，達到作物高產的目的。尤其是以色列，在

18、水資源極度缺乏的情況下，通過發(fā)展節(jié)水農業(yè)和節(jié)水灌溉工程技術，建立起了高度發(fā)達的外向型農業(yè)產業(yè)。世界著名的耐特費姆(Netfim)灌溉設備和滴灌系統公司生產的微灌系統基本由計算機自動控制運行，可根據作物的生長及水、肥狀況進行灌水和施肥，節(jié)約大量人力，且管理及時，使作物產量和品質都有較大幅度的提剮161。除了大力推廣微灌與噴灌技術外，發(fā)達國家發(fā)展高效農業(yè)的另一個重要途徑是灌溉管理的自動化舊。如美國、法國、英國、日本、以色列等發(fā)達國家已采用了先進的灌溉系統。他們采用先進的節(jié)水灌溉制度，由傳統的充分灌溉向非充分灌溉發(fā)展，對灌區(qū)用水進行監(jiān)測預報，實行動態(tài)管理，采用遙感技術，監(jiān)測土4壤墑情和作物生長，開發(fā)

19、和制造了一系列用途廣泛，功能強大的數字式灌溉控制器，并得到了廣泛的應用。仍然以以色列為例，以色列是世界上微灌技術發(fā)展最具有代表性的國家，目前全國農業(yè)土地基本上實現了灌溉管理自動化，并且普遍推行自動控制系統，按時、按量將水、肥直接送入作物根部，水資源利用率和單方水的糧食產量都相當高。北美、澳大利亞、韓國等國家和地區(qū)都已有發(fā)展成熟并形成系列的灌溉控制器產品，微灌方式普遍采用計算機控制，埋在地下的濕度傳感器可以傳回有關土壤水分的信息，還有的傳感器系統能通過檢測植物的莖和果實的直徑變化來決定對植物的灌水間隔。在溫室等設施內較多使用小型灌溉管、理程序，澆水時間可按日期設定每次每路灌水起止時聞，操作便于小

20、規(guī)模經營。計算機化操作運行精密、可靠、節(jié)省人力，對灌溉過程的控制可達到相當的精度，在以色列，已經出現了在家里利用電腦對灌溉過程進行全部控制(無線、有線)的農場主?？傊壳皣夤喔瓤刂破饕阎鸩节呌诔墒?、系列化，并朝著大型分布式控制系統和小面積單機控制兩個方向發(fā)展，產品一般都能與微機進行通信，并由機對其施行控制。我國節(jié)水灌溉自動控制器研發(fā)行業(yè)與國外研發(fā)企業(yè)相比存在如下幾點問題:1、從中國整個灌溉系統設計行業(yè)的產品發(fā)展來看：產品主要以仿制國外產品為主，缺乏自主創(chuàng)新;2、技術開發(fā)體系沒有受到應有的重視和規(guī)范：一方面，技術開發(fā)規(guī)劃工作缺乏，預見性不強；另一方面，技術開發(fā)過程不規(guī)范，對開發(fā)周期、成本和風

21、險等方面的控制有待加強;3、技術開發(fā)體系沒有受到應有的重視和規(guī)范：一方面，技術開發(fā)規(guī)劃工作缺乏，預見性不強；另一方面，技術開發(fā)過程不規(guī)范，對開發(fā)周期、成本和風險等方面的控制有待加強;4、產品立項前的市場管理活動沒有規(guī)范化：市場信息收集和分析工作薄弱，生產廠家對新產品近3-5年的產品路標規(guī)劃也不清晰，往往只有1-2年的開發(fā)項目計劃；5、產品研發(fā)缺乏一個整合企業(yè)資源的清晰的研發(fā)流程：產品線建設明顯滯后于資源線的建設6、專業(yè)研發(fā)人才缺乏：在培養(yǎng)關鍵性研發(fā)人才上，缺少相應的機制保障。第2章 灌溉系統總體設計方案2.1 計算機控制系統的基本形式計算機控制系統的種類繁多，但歸納起來，目前實現計算機控制的方

22、式基本上屬于下面五種形式：1、成套的計算機控制系統產品:目前世界上已出現了許多與硬件產品配套的，具有不同特點、適用于不同控制對象的軟件產品，像HONEYWELL、WDPF等DCS(集散系統)系統。2、以實時操作系統為基礎，由控制系統設計人員設計在操作系統上運行的實時應用軟件:目前通用有一大批IRMXRTOX，PSOS的實時操作系統。這類系統要求用戶自己編寫應用程序，設計程序的流向，而由操作系統對應用程序進行實時調度和占先，循環(huán)處理，因此減少了應用軟件開發(fā)的難度。但要求程序員熟悉實時多任務編程技術，而且圖形界面不太好。3、集成的實時系統開發(fā)軟件:例如：Citect，Intouch，由軟件制造商提

23、供，是專門為實時服務的開發(fā)環(huán)境和運行環(huán)境。系統本身已經構建了實現不同功能的軟件包、程序模塊和控鍵。用戶只需要按照規(guī)定方式，根據實際對象要求，調用相應模塊，即可構成應用程序。4、在通用操作系統例了如DOS，WINDOWS環(huán)境下:采用實時核實現程序的實時多任務特性。RTX， RTKERNEL，RTOS等都是應用廣泛的實時核。5、直接從系統的最底層采用高級語言或匯編語言編制實時應用程序:這種方法先把系統劃分層次，明確目標，任務，對各個任務的子過程進行結構化編程，然后還要另外編寫計時、中斷、調度等控制程序。程序設計的難度和工作量很大，但整個程序對于設計人員來說是完全透明的，適應性強。2.2 系統總體方

24、案根據實際情況及系統技術要求，擬采用AT89C51微控器作為控制與數據處理的核心以構成節(jié)水灌溉控制系統。該系統采用AT89C51單片機來實現。用濕度檢測電路中的濕敏電阻對土壤濕度進行采集，所得電流信號經處理得到可用的電壓信號，輸入到A/D轉換器ADC0809轉換成數字信號進行處理。系統將檢測得土壤的濕度值，送到LED顯示電路顯示，從而實現對土壤濕度的監(jiān)測監(jiān)控，能進行適度范圍設置和顯示，同時通過模糊控制算法實現對水泵開關的只能控制。該電路主要由AT89C51系統電路、電源電路、濕度檢測電路、顯示電路、開關控制電路等組成。軟件選用匯編語言編程。單片機可將土壤濕度傳感器檢測到的土壤濕度模擬量轉換成數

25、字量，并傳輸給控制系統檢測是否該灌溉。該系統靈活性強，成本低，可靠性高，在實際應用中前景廣闊。系統框圖如圖2.1所示圖2.1 系統框圖2.2.1 AT89C51微控器構成的最小系統根據本設計的技術要求來判斷是否需要對此微控器進行片外程序存儲器及數據存儲器的擴展。若需要，則對AT89C51微控器進行片外存儲器擴展，以構成控制系統的最基本部分。若不需要，則單片機及其時鐘電路與復位電路等構成最小系統。2.2.2 數據采集部分 ADC0809是一種8位逐次逼近式A/D轉換器，內部具有鎖存控制的8路模擬開關，外接8路模擬輸入端，可同時對8路0-5V的輸入模擬電壓信號分時進行采集轉換，本系統只用到INO和

26、INl兩路輸入通道。ADC0809轉換器的分辨率為8位，最大不可調誤差小于士1LSB，采用單一+5V供電，功耗為15mW,不必進行零點和滿度調整。由于ADC0809轉換器的輸出數據寄存器具有可控的三態(tài)輸出功能，輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，故其8位數據輸出引腳可直接與數據總線相連。A/D轉換器需外部控制啟動轉換信號方能進行轉換，這一啟動轉換信號可由CPU提供，不同型號的A/D轉換器，對啟動轉換信號的要求也不同，分脈沖啟動和電平啟動兩種，ADC0809采用脈沖啟動轉換，只需給A/D轉換器的啟動控制轉換的輸入引腳(START)上，加入正脈沖信號，即啟動A/D轉換器進行轉換，轉換開始后，轉換結束信號

27、輸出端(EOC)信號變低，轉換結束時，EOC返回高電平，以通知主機讀取轉換結果的數字量，這個信號可以作為A/D轉換器的狀態(tài)信號供查詢，也可以用作中斷請求信號。本系統中ADC0809與AT89C51單片機的接口如圖5所示，采用等待延時方式。ADC0809的時鐘頻率范圍要求在10-1280kHz , AT89C51單片機的ALE腳的頻率是單片機時鐘頻率的1/6，因此當單片機的時鐘頻率采用6MHz,ADC0809輸入時鐘頻率即為CLK=1MHz，發(fā)生啟動脈沖后需延時100Us才可讀取A/D轉換數據。 ADC0809的8位數據輸出引腳可直接與數據總線相連，地址譯碼引腳A, B, C分別與74LS373

28、的A, B, C相連，以選通INO- IN7中的一個通道。AT89C51的p 2.6作為片選信號，在啟動AM轉換時，由單片機的寫信號WR和p2.。控制ADC的地址鎖存和轉換啟動。由于ALE與START連在一起，因此ADC0809在鎖存通道地址的同時也啟動轉換，在讀取轉換結果時，用單片機的讀信號RD和p2.。引腳一級或非門產生的正脈沖作為OE信號，用以打開三態(tài)輸出鎖存器。2.2.3 顯示部分微機化測控系統中常用的測量數據的顯示器有發(fā)光二極管顯示器(簡稱LED或數碼管)和液晶顯示器(簡稱LCD)。這兩種顯示器都具有線路簡單、耗電少、成本低、壽命長等優(yōu)點，本系統輸出結果選用4個LED顯示。數碼管有共

29、陰共陽之分，本系統采用8段共陰型LED，每位數碼管內部有8個發(fā)光二極管，公共端由8個發(fā)光二極管的陰極并接而成，正常顯示時公共端接低電平(GND)，各發(fā)光二極管是否點亮取決于a-dp各引腳上是否是高電平。 LED數碼管的外形結構，外部有10個引腳，其中3, 8腳為公共端也稱位選端，其余8個引腳稱為段選端，當要使某一位數碼管顯示某一數字(0-9中的一個)必須在這個數碼管的段選端加上與數字顯示數字對應的8位段選碼(也稱字形碼)，在位選端加上低電平即可。2.2.4 供電電源單元采用變壓器、整流濾波及穩(wěn)壓等電路組成，分別給以上各部分提供所需要的電壓，可以提供+5V, +12V, +40V的穩(wěn)定電壓。由于

30、電壓源是現成的設備，可以在市場上訂制，所以不在涉及范圍內，不再予以講述。2.3 本章小結本章首先介紹了計算機控制系統的五種基本形式，根據實際情況與技術要求，畫出了系統結構框圖，并擬定了系統總體設計方案，包括數據采集單元、鍵盤及顯示單元、控制與執(zhí)行單元、系統各部分所需電源等輸入與輸出通道，并對每一部分都進行了較詳細的敘述。第3章 系統硬件電路設計3.1 本系統的硬件設計概述從總體上講，本系統硬件電路根據技術需求，由以AT89C51單片機為核心的主控電路以及其外圍接口電路組成。概括為以單片機為主的主控電路、單片機輸入部分接口電路、單片機輸出部分接口電路。主控電路是以單片機為核心和必要的外圍接口電路

31、組成的，包括單片機最小系統、存儲器擴展（若需要）、復位電路等。輸入部分接口電路包括各種模擬信號，數字信號與單片機的接口信號調理電路以及按鍵接口電路。輸出部分接口電路包括電機驅動電路，電磁閥驅動電路，LED顯示驅動電路。其中各種接口電路設計的好壞直接關系到系統運行的穩(wěn)定性。從硬件具體組成來看，整個硬件電路包括主控電路部分(主要由AT89C51單片機、數字接口、模擬接口組成)、土壤濕度信號采集電路部分(主要由濕度傳感器、必要的數字接口電路組成)、時鐘電路、數據存儲擴展電路、LED顯示電路組成。3.2 單片機的選擇及分析3.2.1 單片機的定義和特點所謂單片機就是把CPU、寄存器、RAM/ROM、I

32、/O接口電路集成在一塊集成電路芯片上，構成一個完整的微型計算機。單片機的主要特點有：1、集成度高、功能強微型計算機通常由中央處理器(CPU)、存儲器(RAM, ROM)以及I/O接口組成，其各部分分別集成在不同的芯片上。例如，大家熟悉的Z80微型計算機就是由Z80-CPU、存儲器(RAM, ROM), PIO等芯片組成的，單片機則不同，它把CPU, RAM, ROM, I/O接口，以及定時器/計數器都集成在一個芯片上。目前應用得最多的是MCS-51系列單片機。和微型計算機進行比較，單片機不僅體積大大減小，而且功能大為增強。MCS-51系列單片機內的定時/計數器為16位，而Z80微型計算機只有8

33、位，MCS-51系列單片機中不但有4個并行I/O接口，而且還有串行接口，且時鐘頻率可達12MHz。2、結構合理目前單片機大多采用Harvard結構。這是數據存儲器與程序存儲器相互獨立的一種結構。而在許多微型計算機(如Z80, Inte18085, M6800等)中，大都采用兩類存儲器合二為一(即統一編址)的方式。單片機采用上述結構主要有四點好處存儲量大、速度快、抗干擾性、強指令豐富。3.2.2 單片機的發(fā)展概況自從1974年12月美國仙童(Fairchild )公司第一個推出8位單片機FS以來，單片機以驚人的速度發(fā)展，從4位機、8位機發(fā)展到16位機、32位機，集成度越來越高，功能越來越強，應用

34、范圍越來越廣。到目前為止，單片機的發(fā)展主要可分為以下四個階段:第一階段:4位單片機。這種單片機的特點是價格便宜，控制功能強，片內含有多種I/O接口，如并行I/O接口、串行I/O接口、定時計數器接口、中斷功能接口等。根據不同用途，還配有許多專用接口，如打印機接口、鍵盤及顯示器接口，PLA(可編程邏輯陣列)譯碼輸出接口，有些甚至還包括A/D, D/A轉換，PLL(鎖相環(huán))，聲音合成等電路。豐富的I/O功能大大地增強了4位單片機的控制功能，從而使外部接口電路極為簡單。第二階段:低、中檔8位機(1974-1978年)。這種8位機一般不帶有I/O接口，尋址范圍通常為4KB。它是8位機的早期產品，如Mos

35、tek公司的3870, Intel公司的8048等單片機即屬此類。第三階段:高檔8位機階段(1978-1982年)。這一類單片機常有串行I/O接口，有多級中斷處理，定時/計數器為16位，片內的RAM和ROM的容量相對增大，且尋址范圍可達64KB，有的片內還帶有A/D轉換接口。這類單片機有Intel公司的MCS-51, Motorola公司的6801和Ziiog公司的Z8等。由于這類單片機應用領域較廣，其結構和性能還在不斷地改進和發(fā)展。第四階段:16位單片機和超8位單片機(1982年至今)。此階段的主要特征是，一方面不斷完善高檔8位機，改善其結構，以滿足不同用戶的需要；另一方面發(fā)展16位單片機及

36、專用單片機。16位單片機除了CPU為16位外，片內RAM和ROM的容量也進一步增大，片內RAM為232字節(jié)，ROM為8KB，片內帶有高速輸入輸出部件，多通道10位A/D轉換部件，中斷處理為8級，其實時處理能力更強。近來，32位單片機己進入實用階段，但還未引入國內市場。在今后單片機的發(fā)展趨勢將是:向著大容量、高性能化，小容量、低價格化和外圍電路內裝化等幾個方面發(fā)展。3.2.3 本系統單片機的選擇AT89C51是美國ATMEL公司生產的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內含4k bytes的反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和128 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），器件采用ATMEL公

37、司的高密度、非易失性存儲技術生產，兼容標準MCS-51指令系統，片內置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元可靈活應用于各種控制領域。圖3.1為其引腳圖。1、主要特性與MCS-51完全兼容 4K字節(jié)可編程FLASH存儲器 壽命：1000寫/擦循環(huán) 數據保留時間：10年 全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz 三級程序存儲器鎖定 1288位內部RAM 32可編程I/O線 兩個16位定時器/計數器 5個中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內振蕩器和時鐘電路2、功能性概述AT89C51提供以下標準功能：4k字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內部RAM，32個I/O口線，兩個16位定

38、時/計數器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。同時，AT89C51可下降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時/計數器，串行通信口及中斷系統繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM的內容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。3、AT89C51的內部結構介紹單片機電路是系統控制的核心。單片機選用從ATMEL公司的低功耗、高性能的8位CMOS芯片AT89C51，其片內帶有4K字節(jié)的閃速可編程及可擦除只讀存儲器（EPROM）。引腳功能說明如下：圖3.1 AT89C51引腳圖VCC：電源電壓GN

39、D：地 P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O口，也即地址/數據總線復用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的力式驅動8個TTL邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端用。在訪問外部數據存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉換地址（低8位）和數據總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。在Flash編程時，P0口接收指令字節(jié)，而在程序校驗時，輸出指令字節(jié)，校驗時，要求外接上拉電阻。Pl口：P1口是一個帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級叫可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內部存在

40、上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IIL）。 Flash編程和程序校驗期間，P1接收低8位地址。P2口：P2口是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IIL）。在訪問外部序程存儲器或16位地址的外部數據存儲器（例如執(zhí)行MOVXDPTR指令）時，P2口送出高8位地址數據。在訪問8位地址的外部數據存儲器（如執(zhí)行MOVX RI指令）時，P2口線上的內容（也即特殊功能寄存器區(qū)中R

41、2寄存器的內容），在整個訪問期間不改變。 Flash編程或校驗時，P2亦接收高位地址和其它控制信號。P3口：P3口是一組帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。對P3口寫入“1”時，它們被內部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流（IIL）。 P3口除了作為一般的I/0口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表3.1所示。P3口還接收一些用于Flash閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。表3.1 P3口第二功能端口引腳第二功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2（外中

42、斷0）P3.3（外中斷1）P3.4T0（定時/計數器0）P3.5T1（定時/計數器1）P3.6（外部數據存儲器寫選通）P3.7（外部數據存儲去讀選通）RST：復位輸入。當振蕩器工作時，RST引腳出現兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。ALE：當訪問外部程序存儲器或數據存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個ALE脈沖。對Flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（CS）。如有必要，可通過對特殊功能寄存器（

43、SFR）區(qū)中的8EH單元的D0位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令ALE才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機執(zhí)行外部程序時，應設置ALE無效。PSEN：程序儲存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當AT89C51由外部程序存儲器取指令（或數據）時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當訪問外部數據存儲器，這兩次有效的PSEN信號不出現。EA/VPP：外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器（地址為0000H-FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復位時內部會鎖存EA端狀態(tài)。如

44、EA端為高電平（接VCC端），CPU則執(zhí)行內部程序存儲器中的指令。Flash存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp,當然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。XTAL1：振蕩器反相放大器及內部時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。時鐘振蕩器：圖3.2 外部振蕩電路AT89C51中有一個用于構成內部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構成自激振蕩器，振蕩電路參見圖3-2。外接石英晶體（或陶瓷諧振器）及電容C1、C2接在放大器的反饋回路中構成并聯振蕩電路。對外

45、接電容C1、C2雖然沒有十分嚴格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性。采用外部時鐘的電路如圖3.2所示，這種情況下，外部時鐘脈沖接到XTAL1端，即內部時鐘發(fā)生器的輸入端，XTAL2則懸空。3.3 本系統硬件電路部分本系統硬件電路主要包括：單片機主系統電路、時鐘電路、數據的存儲擴展電路、LED顯示電路等組成。3.3.1 系統的工作原理系統采用AT89C51單片機來實現。用濕度檢測電路中的濕敏電阻對土壤濕度進行采集，所得電流信號經處理得到可用的電壓信號，輸入到A/D轉換器ADC0809轉換成數字信號進行處理。系統將檢測得土壤的濕度值，送

46、到LED顯示電路顯示，從而實現對土壤濕度的監(jiān)測監(jiān)控，能進行適度范圍設置和顯示，同時通過模糊控制算法實現對水泵開關的只能控制。該電路主要由AT89C51系統電路、電源電路、濕度檢測電路、顯示電路、開關控制電路等組成。軟件選用匯編語言編程。單片機可將土壤濕度傳感器檢測到的土壤濕度模擬量轉換成數字量，并傳輸給控制系統檢測是否該灌溉。3.3.2 單片機主系統電路AT89C51單片機是51系列單片機的一個成員，是8051單片機的簡化版。內部自帶2K字節(jié)可編程FLASH存儲器的低電壓、高性能COMS八位微處理器，與Intel MCS-51系列單片機的指令和輸出管腳相兼容。由于將多功能八位CPU和閃速存儲器

47、結合在單個芯片中，因此，AT89C2051構成的單片機系統是具有結構最簡單、造價最低廉、效率最高的微控制系統，省去了外部的RAM、ROM和接口器件，減少了硬件開銷，節(jié)省了成本，提高了系統的性價比，如圖3.3。 圖3.3 單片機主機系統圖3.3.3 時鐘電路單片機的時鐘信號用來提供單片機片內各種微操作的時間基準，時鐘信號通常用兩種電路形式得到:內部振蕩和外部振蕩。MCS-51單片機內部有一個用于構成振蕩器的高增益反向放大器，引腳XTALl和XTAL2分別是此放大電器的輸入端和輸出端，由于采用內部方式時，電路簡單，所得的時鐘信號比較穩(wěn)定，實際使用中常采用這種方式，如圖3所示在其外接晶體振蕩器(簡稱

48、晶振)或陶瓷諧振器就構成了內部振蕩方式，片內高增益反向放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起可構成一個自激振蕩器并產生振蕩時鐘脈沖。圖3.3中外接晶體以及電容C2和C1構成并聯諧振電路，它們起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，其值均為30P左右，晶振頻率選6MHz。RESET3.3.4 數據存儲的擴展電路 AT89C51單片機外接數據RAM時，P2口輸出存儲器地址的高8位，PO口分時輸出地址的低8位和傳送指令字節(jié)或數據。PO口先輸出低8位地址信號，在ALE有效時將它鎖存到外部地址鎖存器中，然后PO口作為數據總線使用，此處地址鎖存器選用74LS373，實際電路圖連接如圖3.4所示。 圖3

49、.4 數據存儲擴展電路3.3.5 數據采集處理電路ADC0809是一種8位逐次逼近式A/D轉換器，內部具有鎖存控制的8路模擬開關，外接8路模擬輸入端，可同時對8路0-5V的輸入模擬電壓信號分時進行采集轉換，本系統只用到INO和INl兩路輸入通道。ADC0809轉換器的分辨率為8位，最大不可調誤差小于士1LSB，采用單一+5V供電，功耗為15mW,不必進行零點和滿度調整。由于ADC0809轉換器的輸出數據寄存器具有可控的三態(tài)輸出功能，輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，故其8位數據輸出引腳可直接與數據總線相連。A/D轉換器需外部控制啟動轉換信號方能進行轉換，這一啟動轉換信號可由CPU提供，不同型號的A

50、/D轉換器，對啟動轉換信號的要求也不同，分脈沖啟動和電平啟動兩種，ADC0809采用脈沖啟動轉換，只需給A/D轉換器的啟動控制轉換的輸入引腳(START)上，加入正脈沖信號，即啟動A/D轉換器進行轉換，轉換開始后，轉換結束信號輸出端(EOC)信號變低，轉換結束時，EOC返回高電平，以通知主機讀取轉換結果的數字量，這個信號可以作為A/D轉換器的狀態(tài)信號供查詢，也可以用作中斷請求信號，如圖3.5。 圖3.5信號采集電路3.3.6 LED顯示電路微機化測控系統中常用的測量數據的顯示器有發(fā)光二極管顯示器(簡稱LED或數碼管)和液晶顯示器(簡稱LCD)。這兩種顯示器都具有線路簡單、耗電少、成本低、壽命長

51、等優(yōu)點，本系統輸出結果選用4個LED顯示。數碼管有共陰共陽之分，本系統采用8段共陰型LED，每位數碼管內部有8個發(fā)光二極管，公共端由8個發(fā)光二極管的陰極并接而成，正常顯示時公共端接低電平(GND)，各發(fā)光二極管是否點亮取決于a-dp各引腳上是否是高電平。 LED數碼管的外形結構，外部有10個引腳，其中3, 8腳為公共端也稱位選端，其余8個引腳稱為段選端，當要使某一位數碼管顯示某一數字(0-9中的一個)必須在這個數碼管的段選端加上與數字顯示數字對應的8位段選碼(也稱字形碼)，在位選端加上低電平即可。由于系統要顯示的內容比較簡單，顯示量不多，所以選用數碼管既方便又經濟。LED有共陰極和共陽極兩種。

52、二極管的陰極連接在一起，通常此公共陰極接地，而共陽極則將發(fā)光二極管的陽極連接在一起，接入+5V的電壓。一位顯示器由8個發(fā)光二極管組成，其中7個發(fā)光二極管構成字型“8”的各個筆劃（段）ag，另一個小數點為dp發(fā)光二極管。當在某段發(fā)光二極管施加一定的正向電壓時，該段筆劃即亮；不加電壓則暗。為了保護各段LED不被損壞，需外加限流電阻。數碼管顯示器有兩種工作方式，即靜態(tài)顯示方式和動態(tài)掃描顯示方式。為節(jié)省端口及降低功耗，本系統采用動態(tài)掃描顯示方式。動態(tài)掃描顯示方式需要解決多位LED數碼管的“段控”和“位控”問題，本電路的通過P1口實現：而每一位的公共端，即LED數碼管的“位控”，則由P3口控制。這種連接

53、方式由于多位字段線連在一起，因此，要想顯示不同的內容，必然要采取輪流顯示的方式，即在某一瞬間，只讓其中的某一位的字位線處于選通狀態(tài)，其它各位的字位線處于斷開狀態(tài)，同時字段線上輸出這一位相應要顯示字符的字段碼。在這一瞬時，只有這一位在顯示，其他幾位則暗。在本系統中，字位線的選通與否是通過PNP三極管的導通與截止來控制，即三極管處于“開頭”狀態(tài)。因AT89C51單片機I/O口資源有限，必須對其Il0口進行擴展才能滿足實現系統功能，如圖7所示為用8155擴展1/0口的4個8位LED動態(tài)顯示器，顯示掃描由程控實現，其中PA口輸出字型碼，PC口輸出位選信號即掃描信號，圖中片選線CE和AT89C51的P2

54、.7口相連，IO/ M選通輸入線與P2.4口相連，該系統中當P2.7=0且P2.4 =1時，選中8155芯片內三個I/O口。3.4 電磁離合器異步電動機3.4.1 電機概念介紹電磁離合器電機又稱為電磁調速異步電動或滑差電機，它是一種恒轉矩交流無級變速電動機。電磁離合器是一種能在運動中及負載下對各種機械的主動軸和執(zhí)行機構的從動軸實現迅速聯結、分離、制動或對從動軸的輸出轉矩、轉速、轉向進行調節(jié)的自動電磁元件，其應用十分廣泛。特別是動作快速的電磁離合器，可用在仿形機床的進給系統，以及在數控機床中，用來代替液壓馬達作為執(zhí)行機構。電磁離合器工作過程分為啟動、力矩上升和離合器斷開過程。由于它具有調速范圍廣

55、、速度調節(jié)平滑、起動轉矩大、控制功率小、有速度負反饋的自動調節(jié)系統時機械特性硬度高等一系列優(yōu)點，因此得到廣泛應用。帶有速度負反饋的電磁調速異步電動機的主要缺點是：在空載或輕載(小于lO額定轉矩)時，由于反饋不足，會造成失控現象；在調速時，隨著轉速降低，離合器的輸出功率和效率也相應地按比例下降。所以此電機適用于長期高速運轉和短時間低速運轉。為適應低速運轉的需要，在采用電磁調速異步電動機作主驅動中往往再配裝一臺三相異步電動機作為低速電機使用。3.4.2 電磁離合器電機結構及原理電磁離合器電機是由普通鼠籠式異步電動機、電磁滑差離合器和電氣控制裝置三部分組成。異步電機作為原動機使用，當它旋轉時帶動離合

56、器的電樞一起旋轉，電氣控制裝置是提供滑差離合器勵磁線圈勵磁電流的裝置。這里主要介紹電磁滑差離合器。它包括電樞、磁極和勵磁線圈三部分。電樞為鑄鋼制成的圓筒形結構，它與鼠籠式異步電動機的轉軸相連接，俗稱主動部分；磁極做成爪形結構，裝在負載軸上，俗稱從動部分。主動部分和從動部分在機械上無任何聯系。當勵磁線圈通過電流時產生磁場，爪形結構便形成很多對磁極。此時若電樞被鼠籠式異步電動機拖著旋轉，那么它便切割磁場相互作用，產生轉矩，于是從動部分的磁極便跟著主動部分電樞一起旋轉，前者的轉速低于后者，因為只有當電樞與磁場存在著相對運動時，電樞才能切割磁力線，磁極隨電樞旋轉的原理與普通異步電動機轉子跟著定子繞組的旋轉磁場運動的原理沒有本質區(qū)別，所不同的是：異步電動機的旋轉磁場由定子繞組中的三相交流電產生，而電磁