基于單片機的節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)的設(shè)計

基于單片機的節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)的設(shè)計第1章緒論1.1引言隨著中國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進程的加快，農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及我國參加WTO等因素，農(nóng)業(yè)灌溉自動化技術(shù)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(yīng)朝著價格低，性能可靠操作簡便的方向開展。但從長遠的利益考慮，新的只能化技術(shù)，傳感技術(shù)和農(nóng)業(yè)科技的引入應(yīng)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(xiàn)。經(jīng)過多年的開展，國外灌溉控制器已逐步趨于成熟系列化，但價格昂貴，國內(nèi)雖引進一些，大多數(shù)是農(nóng)業(yè)示范區(qū)，單位。雖然國外生產(chǎn)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(nóng)業(yè)經(jīng)濟狀況等因素，因而國外引進的灌溉控制器在國內(nèi)應(yīng)用并不普及。國內(nèi)雖然有多家研制灌溉器，但多數(shù)是小規(guī)模，試驗和理論的探究應(yīng)用不夠普及。究其原因一那么是開發(fā)性能完善的灌溉控制系統(tǒng)需要大量的人力和物力的投入，需要多部門，多學(xué)科的融合，這在一定程度上限制了性能的完善，適應(yīng)性強的控制器的開發(fā)。其次是現(xiàn)在開發(fā)出來的灌溉控制器價格昂貴，農(nóng)民盡管知道能節(jié)省人力和灌溉用水提高產(chǎn)量，但由于一次性投入太大，多數(shù)農(nóng)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，西方興旺國家在節(jié)水灌溉控制器的開發(fā)上已越來越成熟，而且開展趨勢是研制大型分布式控制系統(tǒng)和小面積單片機控制系統(tǒng)，并能有通訊功能，能與上位機進行通信，并可由危機對其編程操作。同時隨著人工智能技術(shù)的開展，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)為節(jié)水灌溉控制器的研制開辟了廣闊的應(yīng)用前景。而國內(nèi)在灌溉控制器的研制方面還沒有形成規(guī)模大，應(yīng)用范圍廣的成套控制產(chǎn)品。國內(nèi)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(xiàn)成的成套灌溉控制產(chǎn)品，而廣闊農(nóng)村可根據(jù)我國國情和各地經(jīng)濟和技術(shù)開展的實際情況，采取簡單可行的節(jié)水灌溉控制措施及相應(yīng)的排灌機械和設(shè)備，大力開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(jīng)濟效益?，F(xiàn)代智能型控制器是進行灌溉系統(tǒng)田間管理的有效手段和工具，他可提高操作準(zhǔn)確性，有利于灌溉過程的科學(xué)管理，降低對操作者本身素質(zhì)要求。除了能大大減少勞動量，更重要的是他能準(zhǔn)確，定時，定量高效地給作物自動補充水分，以提高產(chǎn)量，質(zhì)量，節(jié)水和節(jié)能?，F(xiàn)代灌溉控制器的研究使用在我國的農(nóng)林及園藝為數(shù)不多，與興旺國家相比，有較大的差距，還根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(tǒng)，也是根據(jù)經(jīng)驗法來確定每天灌溉次數(shù)和每天灌溉量，如果灌溉量與作物實際需水量相比擬少，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(tǒng)的灌溉法還需要相關(guān)的專家實時觀察并經(jīng)驗指導(dǎo)生產(chǎn)，勞動生產(chǎn)率低，這也不能與現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)向優(yōu)化，高效化方向開展要求同步1.2選題背景及研究的目的與意義選題背景生命之起源，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(jì)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開展繼續(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(nóng)業(yè)是人類社會最古老的行業(yè)，是各行各業(yè)的根底，也是人類頓以生存的最重要的行業(yè)。農(nóng)業(yè)的開展從長遠來看很重要，一是水的問題，二是科技的問題。農(nóng)業(yè)的根本出路在科技，在教育。由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變，由粗放經(jīng)營向集約經(jīng)營轉(zhuǎn)變，必須要求農(nóng)業(yè)科技有一個大的開展，進行一次新的農(nóng)業(yè)技術(shù)革命。農(nóng)業(yè)與工業(yè)、交通等行業(yè)相比仍然比擬落后，農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)尤其落后。灌溉系統(tǒng)自動化水平較低是制約我國高效農(nóng)業(yè)開展的主要原因。傳統(tǒng)的灌溉模式自動化程度極低，根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，必須開展節(jié)水灌溉控制技術(shù)?，F(xiàn)代智能型控制器是進行灌溉系統(tǒng)田間管理的有效手段和工具，它可提高操作準(zhǔn)確性，有利于灌溉過程的科學(xué)管理，降低對操作者本身素質(zhì)的要求。除了能大大減少勞動量，更重要的是它能準(zhǔn)確、定時、定量、高效地給作物自動補充水分，以提高產(chǎn)量、質(zhì)量，節(jié)水、節(jié)能?，F(xiàn)代灌溉控制器的研究使用在我國農(nóng)、林、及園藝為數(shù)不多，與興旺國家相比，有較大的差距，還根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(tǒng)，也是根據(jù)經(jīng)驗法來確定每天灌溉次數(shù)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(tǒng)的灌溉法還需要相關(guān)專家的實時觀察并經(jīng)驗指導(dǎo)生產(chǎn)，勞動生產(chǎn)率低，這也不能與現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)向優(yōu)化、高效化方向開展要求同步。隨著計算機技術(shù)和傳感器技術(shù)的迅猛開展，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(shù)改造農(nóng)業(yè)不僅是可能的而且是必要的。用高新技術(shù)改造農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，實施節(jié)水灌溉已成為我國農(nóng)業(yè)乃至國民經(jīng)濟持續(xù)開展帶戰(zhàn)略性的根本大事。本文旨在設(shè)計一套能對作物生長的土壤濕度進行自動監(jiān)控的系統(tǒng)，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。研究的目的與意義農(nóng)業(yè)是人類社會最古老的行業(yè)，是各行各業(yè)的根底，也是人類賴以生存的最重要的行業(yè)。農(nóng)業(yè)的開展從長遠來看非常重要，一是水的問題，二是科技的問題。農(nóng)業(yè)的根本出路在科技，在教育。由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變，由粗放經(jīng)營向集約經(jīng)營轉(zhuǎn)變，必須要求農(nóng)業(yè)科技有一個大的開展，進行一次新的農(nóng)業(yè)技術(shù)革命。農(nóng)業(yè)與工業(yè)、交通等行業(yè)相比仍然比擬落后，農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)尤其落后。灌溉系統(tǒng)自動化水平較低是制約我國高效農(nóng)業(yè)開展的主要原因。傳統(tǒng)的灌溉模式自動化程度極低，根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，縮短勞動時問和節(jié)約水資源，必須開展節(jié)水灌溉控制技術(shù)。現(xiàn)代智能型控制器進行灌溉系統(tǒng)田間管理的有效手段和工具，它可提高操作準(zhǔn)確性，有利于灌溉過程的科學(xué)管理，降低對操作者本身素質(zhì)的要求。除了能大大減少勞動量，更重要的是它能準(zhǔn)確、定時、定量、高效地給作物自動補充分，以提高產(chǎn)量、質(zhì)量，節(jié)水、節(jié)能?，F(xiàn)代灌溉控制器的研究使用在我國農(nóng)、林、及園藝為數(shù)不多，與興旺國家相比，有較大的差距，還根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(tǒng)，也是根據(jù)經(jīng)驗法來確定每天灌溉次數(shù)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，又會造成資源浪費。同時傳統(tǒng)的灌溉法還需要相關(guān)專家的實時觀察并經(jīng)驗指導(dǎo)生產(chǎn)，勞動生產(chǎn)率低，這也不能與現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)向優(yōu)化、高效化方向開展要求同步。我國先后引進了以色列、美國、法國、德國等國家的局部先進灌溉控制設(shè)備，但價格昂貴，維護保養(yǎng)困難，多數(shù)用于農(nóng)業(yè)示范區(qū)、科研單位或高校，而且不符合我國土壤的應(yīng)用特點。我國自己的現(xiàn)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(nóng)業(yè)大國，中國研究開發(fā)自己的先進的低本錢、使用維護方便、系統(tǒng)功能強且擴展容易的國產(chǎn)化數(shù)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(shù)和傳感器技術(shù)的迅猛開展，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(shù)改造農(nóng)業(yè)不僅是可能的而且是必要的。用高新技術(shù)改造農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，實施節(jié)水灌溉己成為我國農(nóng)業(yè)乃至國民經(jīng)濟持續(xù)開展帶戰(zhàn)略性的根本大事。本文旨在設(shè)計一套能對作物生長進行自動監(jiān)控的系統(tǒng)，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(nèi)容本設(shè)計需研究的內(nèi)容為：節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)的開展?fàn)顩r；節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成，即選擇系統(tǒng)設(shè)計的根本方案與硬件及軟件等方面的設(shè)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局部的流程以及相應(yīng)的程序控制清單。1.4節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及存在問題國內(nèi)自20世紀(jì)50年代即開始節(jié)水灌溉的研究，并對當(dāng)時主要農(nóng)作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(nóng)作物的需水量等值線圖，建立了全國灌溉試驗資料數(shù)據(jù)庫。20世紀(jì)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(nèi)容。根據(jù)水與作物生長、發(fā)育及產(chǎn)量間的關(guān)系，通過有限水量在作物生育期內(nèi)的最優(yōu)分配，以提高有限灌溉水屠下作物根系吸收轉(zhuǎn)化和光合作用向經(jīng)濟產(chǎn)量轉(zhuǎn)化的效率為目標(biāo)，進而到達高產(chǎn)和高水分生產(chǎn)率。但此時期的研究是基于傳統(tǒng)的充分灌溉根底上的。20世紀(jì)80年代開始，許多研究者放棄了充分灌溉的研究，轉(zhuǎn)向節(jié)水型劣態(tài)或亞劣態(tài)試驗，結(jié)果說明與充分灌溉相比，節(jié)水灌溉條件下的產(chǎn)量降低并不嚴重。隨后，調(diào)虧灌溉技術(shù)開展很快。噴、微灌技術(shù)是當(dāng)今世界上節(jié)水效果最明顯的技術(shù)，是當(dāng)前諸多現(xiàn)代灌溉技術(shù)中省水率最高。應(yīng)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(biāo)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(fēng)力、風(fēng)向以及光照強度的關(guān)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(shè)施方面的研究有：低壓管噴及其節(jié)水高產(chǎn)機理研究；水田自動給水灌溉系統(tǒng)中非均勻出流問題的研究；田間噴管結(jié)合灌水技術(shù)體系的研究；灌區(qū)灌溉中的模糊控制；GPS節(jié)水灌溉系統(tǒng)的研究。我國的微灌技術(shù)在70年代就有所研究開展。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(yīng)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(tǒng)還處于研制、試用階段。在開發(fā)的產(chǎn)品中有代表性的如中國農(nóng)業(yè)機械化研究院聯(lián)合多家單位研制的2000型溫室自動灌溉施肥系統(tǒng)，具有手動控制、程序控制和自動控制等多種灌溉系統(tǒng)模式，可按需要靈活應(yīng)用，在大連，北京等地已經(jīng)投入應(yīng)用，效果良好，但其本錢較高，適用于溫室內(nèi)作物。由中國灌排技術(shù)開發(fā)公司開發(fā)的集中或分散式微灌自動監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)灌溉方案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(nóng)業(yè)工程大學(xué)研制的自動化灌溉控制系統(tǒng)是以8031單片機為核心，可對多通道土壤水分進行檢測，實現(xiàn)對多路通道進行自動灌溉控制的功能。但以上兩種系統(tǒng)選用的芯片功能較少，由于電路擴展而使系統(tǒng)復(fù)雜化，而且系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。福建省水利建設(shè)技術(shù)中心研制的節(jié)水灌溉自動化控制系統(tǒng)，其應(yīng)用計算機技術(shù)，通訊技術(shù)，自動控制技術(shù)和生態(tài)農(nóng)業(yè)技術(shù)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。北京奧特思達科技研制的我國的微灌技術(shù)在70年代就有所研究開展。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(yīng)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(shù)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(chǎn)品價格昂貴，農(nóng)民盡管知道能節(jié)能、節(jié)水、增產(chǎn)，但由于一次性投資太大，多數(shù)農(nóng)民承受不起，所以根本無法普及應(yīng)用。節(jié)水農(nóng)業(yè)在國外的開展已有幾十年的歷史，在西方興旺國家，節(jié)水灌溉的應(yīng)用面積和產(chǎn)業(yè)化程度很高。目前，約有80多個國家和地區(qū)推廣應(yīng)用微灌技術(shù)。美國、前．蘇聯(lián)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。一些興旺國家的噴灌系統(tǒng)中廣泛使用多功能壓力流量控制設(shè)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(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用，如日本在大多數(shù)旱地灌溉系統(tǒng)的／；H／五泵站中使用調(diào)壓罐控制。微灌領(lǐng)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(xié)調(diào)關(guān)系，到達作物高產(chǎn)的目的。尤其是以色列，在水資源極度缺乏的情況下，通過開展節(jié)水農(nóng)業(yè)和節(jié)水灌溉工程技術(shù)，建立起了高度興旺的外向型農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)。世界著名的耐特費姆(Netfim)灌溉設(shè)備和滴灌系統(tǒng)公司生產(chǎn)的微灌系統(tǒng)根本由計算機自動控制運行，可根據(jù)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(chǎn)量和品質(zhì)都有較大幅度的提剮161。除了大力推廣微灌與噴灌技術(shù)外，興旺國家開展高效農(nóng)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、以色列等興旺國家已采用了先進的灌溉系統(tǒng)。他們采用先進的節(jié)水灌溉制度，由傳統(tǒng)的充分灌溉向非充分灌溉開展，對灌區(qū)用水進行監(jiān)測預(yù)報，實行動態(tài)管理，采用遙感技術(shù)，監(jiān)測土4壤墑情和作物生長，開發(fā)和制造了一系列用途廣泛，功能強大的數(shù)字式灌溉控制器，并得到了廣泛的應(yīng)用。仍然以以色列為例，以色列是世界上微灌技術(shù)開展最具有代表性的國家，目前全國農(nóng)業(yè)土地根本上實現(xiàn)了灌溉管理自動化，并且普遍推行自動控制系統(tǒng)，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(chǎn)量都相當(dāng)高。北美、澳大利亞、韓國等國家和地區(qū)都已有開展成熟并形成系列的灌溉控制器產(chǎn)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(guān)土壤水分的信息，還有的傳感器系統(tǒng)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(shè)施內(nèi)較多使用小型灌溉管、理程序，澆水時間可按日期設(shè)定每次每路灌水起止時聞，操作便于小規(guī)模經(jīng)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到達相當(dāng)?shù)木?，在以色列，已?jīng)出現(xiàn)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(nóng)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(tǒng)和小面積單機控制兩個方向開展，產(chǎn)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(tǒng)設(shè)計行業(yè)的產(chǎn)品開展來看：產(chǎn)品主要以仿制國外產(chǎn)品為主，缺乏自主創(chuàng)新;2、技術(shù)開發(fā)體系沒有受到應(yīng)有的重視和標(biāo)準(zhǔn)：一方面，技術(shù)開發(fā)規(guī)劃工作缺乏，預(yù)見性不強；另一方面，技術(shù)開發(fā)過程不標(biāo)準(zhǔn)，對開發(fā)周期、本錢和風(fēng)險等方面的控制有待加強;3、技術(shù)開發(fā)體系沒有受到應(yīng)有的重視和標(biāo)準(zhǔn)：一方面，技術(shù)開發(fā)規(guī)劃工作缺乏，預(yù)見性不強；另一方面，技術(shù)開發(fā)過程不標(biāo)準(zhǔn)，對開發(fā)周期、本錢和風(fēng)險等方面的控制有待加強;4、產(chǎn)品立項前的市場管理活動沒有標(biāo)準(zhǔn)化：市場信息收集和分析工作薄弱，生產(chǎn)廠家對新產(chǎn)品近3-5年的產(chǎn)品路標(biāo)規(guī)劃也不清晰，往往只有1-2年的開發(fā)工程方案；5、產(chǎn)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(chǎn)品線建設(shè)明顯滯后于資源線的建設(shè)6、專業(yè)研發(fā)人才缺乏：在培養(yǎng)關(guān)鍵性研發(fā)人才上，缺少相應(yīng)的機制保障。第2章灌溉系統(tǒng)總體設(shè)計方案2.1計算機控制系統(tǒng)的根本形式計算機控制系統(tǒng)的種類繁多，但歸納起來，目前實現(xiàn)計算機控制的方式根本上屬于下面五種形式：1、成套的計算機控制系統(tǒng)產(chǎn)品:目前世界上已出現(xiàn)了許多與硬件產(chǎn)品配套的，具有不同特點、適用于不同控制對象的軟件產(chǎn)品，像HONEYWELL、WDPF等DCS(集散系統(tǒng))系統(tǒng)。2、以實時操作系統(tǒng)為根底，由控制系統(tǒng)設(shè)計人員設(shè)計在操作系統(tǒng)上運行的實時應(yīng)用軟件:目前通用有一大批IRMXRTOX，PSOS的實時操作系統(tǒng)。這類系統(tǒng)要求用戶自己編寫應(yīng)用程序，設(shè)計程序的流向，而由操作系統(tǒng)對應(yīng)用程序進行實時調(diào)度和占先，循環(huán)處理，因此減少了應(yīng)用軟件開發(fā)的難度。但要求程序員熟悉實時多任務(wù)編程技術(shù)，而且圖形界面不太好。3、集成的實時系統(tǒng)開發(fā)軟件:例如：Citect，Intouch，由軟件制造商提供，是專門為實時效勞的開發(fā)環(huán)境和運行環(huán)境。系統(tǒng)本身已經(jīng)構(gòu)建了實現(xiàn)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(jù)實際對象要求，調(diào)用相應(yīng)模塊，即可構(gòu)成應(yīng)用程序。4、在通用操作系統(tǒng)例了如DOS，WINDOWS環(huán)境下:采用實時核實現(xiàn)程序的實時多任務(wù)特性。RTX，RTKERNEL，RTOS等都是應(yīng)用廣泛的實時核。5、直接從系統(tǒng)的最底層采用高級語言或匯編語言編制實時應(yīng)用程序:這種方法先把系統(tǒng)劃分層次，明確目標(biāo)，任務(wù)，對各個任務(wù)的子過程進行結(jié)構(gòu)化編程，然后還要另外編寫計時、中斷、調(diào)度等控制程序。程序設(shè)計的難度和工作量很大，但整個程序?qū)τ谠O(shè)計人員來說是完全透明的，適應(yīng)性強。2.2系統(tǒng)總體方案根據(jù)實際情況及系統(tǒng)技術(shù)要求，擬采用AT89C51微控器作為控制與數(shù)據(jù)處理的核心以構(gòu)成節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用AT89C51單片機來實現(xiàn)。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(jīng)處理得到可用的電壓信號，輸入到A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進行處理。系統(tǒng)將檢測得土壤的濕度值，送到LED顯示電路顯示，從而實現(xiàn)對土壤濕度的監(jiān)測監(jiān)控，能進行適度范圍設(shè)置和顯示，同時通過模糊控制算法實現(xiàn)對水泵開關(guān)的只能控制。該電路主要由AT89C51系統(tǒng)電路、電源電路、濕度檢測電路、顯示電路、開關(guān)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(zhuǎn)換成數(shù)字量，并傳輸給控制系統(tǒng)檢測是否該灌溉。該系統(tǒng)靈活性強，本錢低，可靠性高，在實際應(yīng)用中前景廣闊。系統(tǒng)框圖如圖2.1所示圖2.1系統(tǒng)框圖2.2.1AT根據(jù)本設(shè)計的技術(shù)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(shù)據(jù)存儲器的擴展。假設(shè)需要，那么對AT89C51微控器進行片外存儲器擴展，以構(gòu)成控制系統(tǒng)的最根本局部。假設(shè)不需要，那么單片機及其時鐘電路與復(fù)位電路等構(gòu)成最小系統(tǒng)。2.2ADC0809是一種8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部具有鎖存控制的8路模擬開關(guān)，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(zhuǎn)換，本系統(tǒng)只用到INO和INl兩路輸入通道。ADC0809轉(zhuǎn)換器的分辨率為8位，最大不可調(diào)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(diào)整。由于ADC0809轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)存放器具有可控的三態(tài)輸出功能，輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，故其8位數(shù)據(jù)輸出引腳可直接與數(shù)據(jù)總線相連。A/D轉(zhuǎn)換器需外部控制啟動轉(zhuǎn)換信號方能進行轉(zhuǎn)換，這一啟動轉(zhuǎn)換信號可由CPU提供，不同型號的A/D轉(zhuǎn)換器，對啟動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換，只需給A/D轉(zhuǎn)換器的啟動控制轉(zhuǎn)換的輸入引腳((START)上，參加正脈沖信號，即啟動A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換開始后，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端(EOC)信號變低，轉(zhuǎn)換結(jié)束時，EOC返回高電平，以通知主機讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量，這個信號可以作為A/D轉(zhuǎn)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(tǒng)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(dāng)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(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。ADC0809的8位數(shù)據(jù)輸出引腳可直接與數(shù)據(jù)總線相連，地址譯碼引腳A,B,C分別與74LS373的A,B,C相連，以選通INO-IN7中的一個通道。AT89C51的p2.6作為片選信號，在啟動AM轉(zhuǎn)換時，由單片機的寫信號WR和p2.?？刂艫DC的地址鎖存和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換，在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時，用單片機的讀信號RD和p2.。引腳一級或非門產(chǎn)生的正脈沖作為OE信號，用以翻開三態(tài)輸出鎖存器。2.2微機化測控系統(tǒng)中常用的測量數(shù)據(jù)的顯示器有發(fā)光二極管顯示器(簡稱LED或數(shù)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、本錢低、壽命長等優(yōu)點，本系統(tǒng)輸出結(jié)果選用4個LED顯示。數(shù)碼管有共陰共陽之分，本系統(tǒng)采用8段共陰型LED，每位數(shù)碼管內(nèi)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(shù)碼管的外形結(jié)構(gòu)，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(dāng)要使某一位數(shù)碼管顯示某一數(shù)字((0-9中的一個)必須在這個數(shù)碼管的段選端加上與數(shù)字顯示數(shù)字對應(yīng)的8位段選碼(也稱字形碼)，在位選端加上低電平即可。2.2采用變壓器、整流濾涉及穩(wěn)壓等電路組成，分別給以上各局部提供所需要的電壓，可以提供+5V,+12V,+40V的穩(wěn)定電壓。由于電壓源是現(xiàn)成的設(shè)備，可以在市場上訂制，所以不在涉及范圍內(nèi)，不再予以講述。2.3本章小結(jié)本章首先介紹了計算機控制系統(tǒng)的五種根本形式，根據(jù)實際情況與技術(shù)要求，畫出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，并擬定了系統(tǒng)總體設(shè)計方案，包括數(shù)據(jù)采集單元、鍵盤及顯示單元、控制與執(zhí)行單元、系統(tǒng)各局部所需電源等輸入與輸出通道，并對每一局部都進行了較詳細的表達。第3章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計3.1本系統(tǒng)的硬件設(shè)計概述從總體上講，本系統(tǒng)硬件電路根據(jù)技術(shù)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、單片機輸入局部接口電路、單片機輸出局部接口電路。主控電路是以單片機為核心和必要的外圍接口電路組成的，包括單片機最小系統(tǒng)、存儲器擴展〔假設(shè)需要〕、復(fù)位電路等。輸入局部接口電路包括各種模擬信號，數(shù)字信號與單片機的接口信號調(diào)理電路以及按鍵接口電路。輸出局部接口電路包括電機驅(qū)動電路，電磁閥驅(qū)動電路，LED顯示驅(qū)動電路。其中各種接口電路設(shè)計的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)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局部(主要由AT89C51單片機、數(shù)字接口、模擬接口組成)、土壤濕度信號采集電路局部(主要由濕度傳感器、必要的數(shù)字接口電路組成)、時鐘電路、數(shù)據(jù)存儲擴展電路、LED顯示電路組成。3.2單片機的選擇及分析單片機的定義和特點所謂單片機就是把CPU、存放器、RAM/ROM、I/O接口電路集成在一塊集成電路芯片上，構(gòu)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，其各局部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，單片機那么不同，它把CPU,RAM,ROM,I/O接口，以及定時器/計數(shù)器都集成在一個芯片上。目前應(yīng)用得最多的是MCS-51系列單片機。和微型計算機進行比擬，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(nèi)的定時/計數(shù)器為16位，而Z80微型計算機只有8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(jié)構(gòu)合理目前單片機大多采用Harvard結(jié)構(gòu)。這是數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器相互獨立的一種結(jié)構(gòu)。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(tǒng)一編址)的方式。單片機采用上述結(jié)構(gòu)主要有四點好處——存儲量大、速度快、抗干擾性、強指令豐富。單片機的開展概況自從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開展，從4位機、8位機開展到16位機、32位機，集成度越來越高，功能越來越強，應(yīng)用范圍越來越廣。到目前為止，單片機的開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廉價，控制功能強，片內(nèi)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(shù)器接口、中斷功能接口等。根據(jù)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(zhuǎn)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(chǎn)品，如Mostek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(shù)器為16位，片內(nèi)的RAM和ROM的容量相對增大，且尋址范圍可達64KB，有的片內(nèi)還帶有A/D轉(zhuǎn)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(yīng)用領(lǐng)域較廣，其結(jié)構(gòu)和性能還在不斷地改良和開展。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(jié)構(gòu)，以滿足不同用戶的需要；另一方面開展16位單片機及專用單片機。16位單片機除了CPU為16位外，片內(nèi)RAM和ROM的容量也進一步增大，片內(nèi)RAM為232字節(jié)，ROM為8KB，片內(nèi)帶有高速輸入輸出部件，多通道10位A/D轉(zhuǎn)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(nèi)市場。在今后單片機的開展趨勢將是:向著大容量、高性能化，小容量、低價格化和外圍電路內(nèi)裝化等幾個方面開展。本系統(tǒng)單片機的選擇AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機，片內(nèi)含4kbytes的反復(fù)擦寫的Flash只讀程序存儲器和128bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器〔RAM〕，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器〔CPU〕和Flash存儲單元可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)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(shù)據(jù)保存時間：10年·全靜態(tài)工作：0Hz-24MHz·三級程序存儲器鎖定·128×8位內(nèi)部RAM·32可編程I/O線·兩個16位定時器/計數(shù)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(nèi)振蕩器和時鐘電路2、功能性概述AT89C51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4k字節(jié)Flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個I/O口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)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(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM的內(nèi)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(fù)位。3、AT89C51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)介紹單片機電路是系統(tǒng)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(nèi)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3.1AT89C51引腳圖·VCC：電源電壓·GND：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(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的力式驅(qū)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(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址〔低8位〕和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)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(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級叫可驅(qū)動〔吸收或輸出電流〕4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1〞，通過內(nèi)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(nèi)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〕。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(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動〔吸收或輸出電流〕4個TTL邏輯門電路。對端口寫“1〞，通過內(nèi)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(nèi)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(shù)據(jù)存儲器〔例如執(zhí)行MOVX@DPTR指令〕時，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器〔如執(zhí)行MOVX@RI指令〕時，P2口線上的內(nèi)容〔也即特殊功能存放器區(qū)中R2存放器的內(nèi)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?！3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅(qū)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(nèi)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3.1P3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〔外中斷0〕P3.3〔外中斷1〕P3.4T0〔定時/計數(shù)器0〕P3.5T1〔定時/計數(shù)器1〕P3.6〔外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通〕P3.7〔外部數(shù)據(jù)存儲去讀選通〕·RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機器周期以上高電平將使單片機復(fù)位。·ALE：當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)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(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)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，可通過對特殊功能存放器〔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A(yù)LE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(yīng)設(shè)置ALE無效?！SEN：程序儲存允許〔PSEN〕輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)AT89C51由外部程序存儲器取指令〔或數(shù)據(jù)〕時，每個機器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖。在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，這兩次有效的PSEN信號不出現(xiàn)?！A/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(fù)位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平〔接VCC端〕，CPU那么執(zhí)行內(nèi)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(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp?！TAL1：振蕩器反相放大器及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。·XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端?！r鐘振蕩器：圖3.2外部振蕩電路AT89C51中有一個用于構(gòu)成內(nèi)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應(yīng)元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)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接在放大器的反應(yīng)回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容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上下、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(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端，XTAL2那么懸空。3.3本系統(tǒng)硬件電路局部本系統(tǒng)硬件電路主要包括：單片機主系統(tǒng)電路、時鐘電路、數(shù)據(jù)的存儲擴展電路、LED顯示電路等組成。系統(tǒng)的工作原理系統(tǒng)采用AT89C51單片機來實現(xiàn)。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(jīng)處理得到可用的電壓信號，輸入到A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進行處理。系統(tǒng)將檢測得土壤的濕度值，送到LED顯示電路顯示，從而實現(xiàn)對土壤濕度的監(jiān)測監(jiān)控，能進行適度范圍設(shè)置和顯示，同時通過模糊控制算法實現(xiàn)對水泵開關(guān)的只能控制。該電路主要由AT89C51系統(tǒng)電路、電源電路、濕度檢測電路、顯示電路、開關(guān)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(zhuǎn)換成數(shù)字量，并傳輸給控制系統(tǒng)檢測是否該灌溉。單片機主系統(tǒng)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(nèi)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IntelMCS-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和閃速存儲器結(jié)合在單個芯片中，因此，AT89C2051構(gòu)成的單片機系統(tǒng)是具有結(jié)構(gòu)最簡單、造價最低廉、效率最高的微控制系統(tǒng)，省去了外部的RAM、ROM和接口器件，減少了硬件開銷，節(jié)省了本錢，提高了系統(tǒng)的性價比，如圖3.3。圖3.3單片機主機系統(tǒng)圖時鐘電路單片機的時鐘信號用來提供單片機片內(nèi)各種微操作的時間基準(zhǔn)，時鐘信號通常用兩種電路形式得到:內(nèi)部振蕩和外部振蕩。MCS-51單片機內(nèi)部有一個用于構(gòu)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(nèi)部方式時，電路簡單，所得的時鐘信號比擬穩(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(簡稱晶振)或陶瓷諧振器就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式，片內(nèi)高增益反向放大器與作為反應(yīng)元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起可構(gòu)成一個自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。圖3.3中外接晶體以及電容C2和C1構(gòu)成并聯(lián)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。RESET3.3.4AT89C51單片機外接數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。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(shù)據(jù)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3.4數(shù)據(jù)存儲擴展電路3.3.5ADC0809是一種8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部具有鎖存控制的8路模擬開關(guān)，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(zhuǎn)換，本系統(tǒng)只用到INO和INl兩路輸入通道。ADC0809轉(zhuǎn)換器的分辨率為8位，最大不可調(diào)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(diào)整。由于ADC0809轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)存放器具有可控的三態(tài)輸出功能，輸出具有TTL三態(tài)鎖存緩沖器，故其8位數(shù)據(jù)輸出引腳可直接與數(shù)據(jù)總線相連。A/D轉(zhuǎn)換器需外部控制啟動轉(zhuǎn)換信號方能進行轉(zhuǎn)換，這一啟動轉(zhuǎn)換信號可由CPU提供，不同型號的A/D轉(zhuǎn)換器，對啟動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換，只需給A/D轉(zhuǎn)換器的啟動控制轉(zhuǎn)換的輸入引腳((START)上，參加正脈沖信號，即啟動A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換開始后，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端(EOC)信號變低，轉(zhuǎn)換結(jié)束時，EOC返回高電平，以通知主機讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量，這個信號可以作為A/D轉(zhuǎn)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微機化測控系統(tǒng)中常用的測量數(shù)據(jù)的顯示器有發(fā)光二極管顯示器(簡稱LED或數(shù)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、本錢低、壽命長等優(yōu)點，本系統(tǒng)輸出結(jié)果選用4個LED顯示。數(shù)碼管有共陰共陽之分，本系統(tǒng)采用8段共陰型LED，每位數(shù)碼管內(nèi)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(shù)碼管的外形結(jié)構(gòu)，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(dāng)要使某一位數(shù)碼管顯示某一數(shù)字((0-9中的一個)必須在這個數(shù)碼管的段選端加上與數(shù)字顯示數(shù)字對應(yīng)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(tǒng)要顯示的內(nèi)容比擬簡單，顯示量不多，所以選用數(shù)碼管既方便又經(jīng)濟。LED有共陰極和共陽極兩種。二極管的陰極連接在一起，通常此公共陰極接地，而共陽極那么將發(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(gòu)成字型“8〞的各個筆劃〔段〕a～g，另一個小數(shù)點為dp發(fā)光二極管。當(dāng)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；不加電壓那么暗。為了保護各段LED不被損壞，需外加限流電阻。數(shù)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(tǒng)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(shù)碼管的“段控〞和“位控〞問題，本電路的通過P1口實現(xiàn)：而每一位的公共端，即LED數(shù)碼管的“位控〞，那么由P3口控制。這種連接方式由于多位字段線連在一起，因此，要想顯示不同的內(nèi)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(yīng)要顯示字符的字段碼。在這一瞬時，只有這一位在顯示，其他幾位那么暗。在本系統(tǒng)中，字位線的選通與否是通過PNP三極管的導(dǎo)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(xiàn)系統(tǒng)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(xiàn)，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P2.7口相連，IO/M選通輸入線與P2.4口相連，該系統(tǒng)中當(dāng)P2.7=0且P2.4=1時，選中8155芯片內(nèi)三個I/O口。3.4電磁離合器異步電動機3.4電磁離合器電機又稱為電磁調(diào)速異步電動或滑差電機，它是一種恒轉(zhuǎn)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(gòu)的從動軸實現(xiàn)迅速聯(lián)結(jié)、別離、制動或?qū)膭虞S的輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向進行調(diào)節(jié)的自動電磁元件，其應(yīng)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(tǒng)，以及在數(shù)控機床中，用來代替液壓馬達作為執(zhí)行機構(gòu)。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(diào)速范圍廣、速度調(diào)節(jié)平滑、起動轉(zhuǎn)矩大、控制功率小、有速度負反應(yīng)的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)時機械特性硬度高等一系列優(yōu)點，因此得到廣泛應(yīng)用。帶有速度負反應(yīng)的電磁調(diào)速異步電動機的主要缺點是：在空載或輕載(小于lO％額定轉(zhuǎn)矩)時，由于反應(yīng)缺乏，會造成失控現(xiàn)象；在調(diào)速時，隨著轉(zhuǎn)速降低，離合器的輸出功率和效率也相應(yīng)地按比例下降。所以此電機適用于長期高速運轉(zhuǎn)和短時間低速運轉(zhuǎn)。為適應(yīng)低速運轉(zhuǎn)的需要，在采用電磁調(diào)速異步電動機作主驅(qū)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局部組成。異步電機作為原動機使用，當(dāng)它旋轉(zhuǎn)時帶動離合器的電樞一起旋轉(zhuǎn)，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、磁極和勵磁線圈三局部。電樞為鑄鋼制成的圓筒形結(jié)構(gòu)，它與鼠籠式異步電動機的轉(zhuǎn)軸相連接，俗稱主動局部；磁極做成爪形結(jié)構(gòu)，裝在負載軸上，俗稱從動局部。主動局部和從動局部在機械上無任何聯(lián)系。當(dāng)勵磁線圈通過電流時產(chǎn)生磁場，爪形結(jié)構(gòu)便形成很多對磁極。此時假設(shè)電樞被鼠籠式異步電動機拖著旋轉(zhuǎn)，那么它便切割磁場相互作用，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，于是從動局部的磁極便跟著主動局部電樞一起旋轉(zhuǎn)，前者的轉(zhuǎn)速低于后者，因為只有當(dāng)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(zhuǎn)的原理與普通異步電動機轉(zhuǎn)子跟著定子繞組的旋轉(zhuǎn)磁場運動的原理沒有本質(zhì)區(qū)別，所不同的是：異步電動機的旋轉(zhuǎn)磁場由定子繞組中的三相交流電產(chǎn)生，而電磁滑差離合器的磁場那么由勵磁線圈中的直流電流產(chǎn)生，并由于電樞旋轉(zhuǎn)才起到旋轉(zhuǎn)磁場的作用。3.5本章小結(jié)本章主要表達了控制系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計過程。首先，對本系統(tǒng)硬件局部先進行了總體概述并選擇出單片機型號，除單片機的最小系統(tǒng)外，將其它需設(shè)計的電路歸為輸入與輸出通道的設(shè)計。在輸入通道方面，包括有數(shù)據(jù)的采集〔濕度〕、外接鍵盤的按鍵輸入；在輸出通道方面，異步電動機電磁離合器的驅(qū)動、LED數(shù)碼管的輸出數(shù)據(jù)等，對硬件輸入與輸出兩方面的每一局部都進行了較詳細的表達，包括各器件的選型以及相關(guān)的信號調(diào)理電路。第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件程序設(shè)計主要包括:主程序設(shè)計，采樣子程序設(shè)計，數(shù)據(jù)處理程序，顯示子程序，串口通信程序等。各芯片地址編碼為:RAM6116:OFOOOH-OF7FFH81551/0口:7FF8H-7FFDHADC0809:OBFF8H-OBFFFH4.1本系統(tǒng)的主程序設(shè)計ADTURNOEQU21H;INO通道A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存放首址ADTURN1EQU2CH;IN1通道A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)存放首址LINEADROEQU37H;1N0采集數(shù)據(jù)經(jīng)濾波處理數(shù)據(jù)存放地址LINEADR1EQU38H;INl采集數(shù)據(jù)經(jīng)濾波處理數(shù)據(jù)存放地址LINEADREQU39H;平均值存放地址HUMIDEQU3BH;標(biāo)度變換后的濕度值存放地址BCDADREQU3CH;BCD轉(zhuǎn)換后的濕度值存放地址HUMADREQU3DH;上位機傳來的濕度值存放地址TIMEADREQU3EH;上位機傳來的時間值存放地址T100USEQU256-50;延時參Cl00USEQU3FHSHOWADREQU40H;顯示區(qū)數(shù)據(jù)存放首址ORGOOOOHSJMPSTARTORGOOOBH;定時器0中斷效勞程序入口LimpTOINTORG0023H;串行I/O中斷效勞程序入口LimpSERVEORG0050HSTART:MOVSP,#50H;設(shè)置堆棧MOVHUMADR,#OFFHSETBOD3H;選中存放器3SETSOD4HMOVR0,#HUMADRCLROD3H;選中存放器0CLROD4HMOVTMOD,#22H;主程序初始化MOVTH1,#OF3HMOVTLl,#OF3HMOVSCON,#50HMOVPCON,#80HMOVDPTR,#7FF8HMOVA,#4DHMOVX@DPTR,ASETBTR1SETBEASETBESRUN:LCALLAD;調(diào)用A/D轉(zhuǎn)換子程序LCALLMAOPAO;調(diào)用濾波子程序LCALLTURN;調(diào)用濕度轉(zhuǎn)換子程序MOVA,HUMID;將濕度值送往上位機MOVSBUF,ALCALLTWOSEC;延時等待兩妙鐘LCALLBCDTURN;調(diào)用BCD轉(zhuǎn)換子程序LCALLSHOW;調(diào)用顯示子程序MOVA,HUMIDCJNEA,HUMADR,COMP;檢測到的濕度值大于上位機送來的濕度值時，那么循環(huán)采樣，否那么報警灌溉DONE:CLRP1.1LCALLALARM;調(diào)用報警延時子程序進行灌溉動作LCALLTIMEORLP1,#02HLCALLTENMIN;灌水結(jié)束等待10分鐘LimpRUN;回到主程序COMP:JCDONELJMPRUNEND圖4.1主流程圖4.2采樣子程序設(shè)計根據(jù)電路圖5，因EOC未接入單片機，故只能采用延時等待的方法來讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，ADC0809的INO和INl兩個地址分別是OBFF8H,OBFF9H,INO通道采集到的11個數(shù)據(jù)放入以ADTURNO(片內(nèi)21H)為首址的一片數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)，IN1通道采集到的11個數(shù)據(jù)放入以ADTURN1(片內(nèi)2CH)為首址的另一片數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)。程序清單:AD:MOVR0,#ADTURNOMOVR6,#OBHADLOOP:MOVDPTR,#OBFF8H;啟動INO通道A/D轉(zhuǎn)換GOON:MOVX@DPTR,AMOVR7,#OAOH;延時等待轉(zhuǎn)換結(jié)束DLAY:NOPNOPNOPNOPNOPDJNZR7,DLAYMOVXA,@DPTRMOV@R0,A;將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入以ADTURNO為首址的一片RAM內(nèi)INCRODJNZR6,ADLOOPSJMPADRET4.3數(shù)據(jù)處理采集數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換在單片機進行數(shù)據(jù)采集時，輸入信號總難免受到這樣那樣的隨機干擾，它們來自被測信號源、傳感器、外界干擾等，從而使A/D送入單片機的數(shù)據(jù)中存在誤差，這種因隨機千擾而引入的誤差為隨機誤差，其特點是在相同條件下測量同一量時，其大小和符號作無規(guī)那么變化而無法預(yù)測，但測量次數(shù)足夠多時，其總體服從統(tǒng)計規(guī)律，大多數(shù)隨機誤差服從正態(tài)分布。為了克服隨機干擾引起的誤差，硬件上可采用濾波技術(shù);軟件上可按照統(tǒng)計規(guī)律采用數(shù)字濾波方法來抑制有效信號中的干擾成分，消除誤差。本系統(tǒng)即采用數(shù)字濾波法。數(shù)字濾波無需硬件，它是用軟件算法來實現(xiàn)的，只要適當(dāng)改變軟件濾波程序的運行參數(shù)，就能方便的改變其濾波特性，實時性很強。常用的數(shù)字濾波算法有:限幅濾波法、中位值濾波法、算術(shù)平均濾波法、去極值平均濾波法、移動平均濾波法、加權(quán)平均濾波法、低通濾波法、復(fù)合濾波法等。中位值濾波法能有效的克服偶然因素引起的波動或采樣器不穩(wěn)定引起的誤碼等脈沖干擾，對變化比擬緩慢的被測參數(shù)采用此法能收到良好的濾波效果。因本系統(tǒng)的被測參數(shù)土壤濕度為緩慢變化參數(shù)，故采用中位值濾波算法。中位值濾波算法實際上是一種排序方法，其具體思路是:對被測參數(shù)連續(xù)采樣N次(一般N為奇數(shù))，然后把N次采樣值按大小排列，取其中間值為本次采樣值。本程序每次對土壤濕度連續(xù)采樣11次，ADTURNO為片內(nèi)RAM的21H地址單元，是采樣值放入內(nèi)存的首地址，濾波結(jié)果放入片內(nèi)RAM的37H地址單元，即LINEADRO地址。程序清單:MAOPAO:MOVRl,#ADTURNOMOVR5,#OAHCLROOHFILTER:MOV3CH,@R1INCRlMOVA,@R1CLRCSUBBA,3CHJNCNEXTMOVA,@RlMOV@R1,3CHDECR1MOV@Rl,AINCRlSETBOOHNEXT:DJNZR5,FILTERJBOOH,MAOPAOMOVLINEADRO,26HRET〔流程圖如圖4.2〕坐標(biāo)變換在微機化測控系統(tǒng)中，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器接口送入微機的數(shù)據(jù)，是對被測量進行測量得到的原始數(shù)據(jù)。這些原始數(shù)據(jù)送入微機后通常要先進行一定的處理，然后才能輸出作為顯示器的顯示數(shù)據(jù)。例如當(dāng)被測溫度為1000C，經(jīng)熱電偶轉(zhuǎn)換成熱電勢，再經(jīng)放大和A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字是10，這個A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果10雖然與1000C溫度是對應(yīng)的，但數(shù)字上并不是相等的。因此，不能當(dāng)作溫度值去顯示或打印，必須把A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果10變換成供顯示或打印的溫度值100，這個變換就數(shù)字顯示的標(biāo)度變換。圖4.2數(shù)字濾波程序流程圖在該系統(tǒng)中，濕度傳感器和A/D相連，川D轉(zhuǎn)換器和單片機相連，其中不包括任何非線性的數(shù)字化測量通道，因此被測量的值N‘與A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果D，存在如圖4.3所示線性關(guān)系。圖4.3線性關(guān)系在該系統(tǒng)中，土壤濕度測量范圍0100%對應(yīng)的輸出電壓范圍為0-5V,ADC0809為8位A./D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)碼為0255。即根據(jù)上面公式，DL=0lDH=255，NL=0,NH=100.TURN:SETBOD3HCLROD4H;選那么第一組存放器CLRCMOVA,LINEADRMOVB,#20MULABCLROD2HMOVR7,BMOVR6,AMOVR5,#00HMOVR4,#33HLOOP1:MOVA,R7JNZLOOP2MOVA,R6JNZLOOP2MOVR7,#0MOVR6,#0SJMP$LOOP2:CLRAMOVR2,AMOVR3,AMOVRl,#16ADIN:CLRCMOVA,R6RLCAMOVR6,AMOVA,R7RLCAMOVR7,AMOVA,R2RLCAMOVR2,AMOVA,R3RLCALOOP3:DJNZR1,ADINMOVA,R3JBACC.7,LOOP4MOVA,R2RLCAMOVR2,AMOVA,R3RLCASUBBA,R5JCDONE1JNZLOOP4MOVA,R2SUBBA,R4JCDONE1LOOP4:MOVA,R6ADDA,#1MOVR6,AMOVA,R7ADDCA,#0MOVR7,ADONE1:MOVHUMID,R6CLR0D3HRET4.3.3BCD計算機所能識別和處理的是二進制數(shù)，在進行標(biāo)度變換后的結(jié)果都是用二進制數(shù)進行計算和存儲的，而在輸入/輸出系統(tǒng)中，按照人們的習(xí)慣均采用十進制數(shù)比擬直觀一些。在計算機中十進制數(shù)常采用BCD碼(即用四位二進制數(shù)代表單片機控制的節(jié)水灌溉系統(tǒng)的研究一位十進制數(shù))表示，這樣采樣得到的數(shù)據(jù)才可以以十進制的形式輸出顯示。本系統(tǒng)將二進制數(shù)轉(zhuǎn)換成BCD數(shù)的方法是將其除以10”BCDTURN:MOVSHOWADR+3,#00H‘因濕度值只能小于100，故千位數(shù)為0MOVB,#100MOVA,HUMIDDIVABMOVSHOWADR+2,A‘將百位數(shù)送SHOWADR+2顯示地址MOVA,#10XCHA,BDIVABMOVSHOWADR+1,A‘將十位數(shù)送SHOWADR+1顯示地址MOVSHOWADR,B‘將個位數(shù)送SHOWADR顯示地址RET4.4LED動態(tài)顯示程序根據(jù)LED動態(tài)顯示系統(tǒng)電路,8155控制口的地址為7FF8H,POA口地址為7FF9H,PC口地址為7FFBH，片內(nèi)顯示緩沖區(qū)為SHOWADR-SHOWADR+3(40H-43H)，共4個單元對應(yīng)4個數(shù)碼管。程序中先取SHOWADR-I-3中的數(shù)，對應(yīng)選中最左邊的數(shù)碼管，其余類推。由于LED為共陰極接法，并有反相驅(qū)動，字型表TAB中有效的字型碼為:表4.1LED顯示段碼字型共陽極段共陰極段字型共陽極段共陰極段0C0H3FH990H6FH1F9H06HA88H77H2A4H5BHB83H7CH3B0H4FHCC6H39H499H66HDA1H5EH592H6DHE86H79H682H7DHF84H71H7F8H07H空白FFH00H880H7FHP8CH73H程序清單如下:MOVDPTR,#7FF8H;指向8155控制口MOVA,#4DH;設(shè)置8155工作方式字MOVX@DPTR,A;設(shè)A口、C口均為輸出SHOW:CLROD3HSETBOD4H;選中存放器2組MOVR4,#OFFHSHOWSTART:M