基于單片機的自動節(jié)水灌溉系統(tǒng)

1、基于單片機控制的節(jié)水灌溉系統(tǒng)題目：基于單片機的節(jié)水灌溉系統(tǒng) 班 級： 13級34班 姓 名： 程雪園 學 號： B13043428 指導老師： 目 錄 第1節(jié) 引 言31.1 節(jié)水灌溉系統(tǒng)概述31.2 本設計任務和主要內容4第2節(jié) 系統(tǒng)主要硬件電路設計52.1 單片機控制系統(tǒng)原理52.2 單片機主機系統(tǒng)電路52.2.1時鐘電路6 2.2.2復位電路62.2.3數(shù)據(jù)存儲器的擴展電路62.3 數(shù)據(jù)采集處理電路72.4 LED顯示系統(tǒng)電路82.5 超限報警電路10第3節(jié) 系統(tǒng)軟件設計11 3.1 系統(tǒng)主程序設計113.2 采樣子程序設計123.3數(shù)據(jù)處理13 3.3. 1數(shù)字濾波技術13 3.3.2

2、標度變換15 3. 3. 3 BCD轉換18 3. 4 LED動態(tài)顯示程序18第4節(jié) 結束語21參考文獻22基于單片機的自動節(jié)水灌溉系統(tǒng)第1節(jié) 引 言自動控制節(jié)水灌溉技術的高低代表著農業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展狀況，灌溉系統(tǒng)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。單片機控制的滴灌節(jié)水灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對不同土壤的濕度進行監(jiān)控，并按照作物對土壤濕度的要求進行適時、適量灌水，其核心是單片機和PC機構成的控制部分，主要對土壤濕度與灌水量之間的關系、灌溉控制技術及設備系統(tǒng)的硬件、軟件編程各個部分進行實現(xiàn)。 單片機控制部分采用AT89C51單片機為核心，主要由土壤濕度傳感器，信號處理電路，顯示電路，輸出控制

3、電路，故障報警電路等組成，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(shù)字量，顯示于LED顯示器上。該系統(tǒng)靈活性強，易于操作，可靠性高，將會有更廣闊的開發(fā)前景。1.1 節(jié)水灌溉系統(tǒng)概述 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

4、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(tǒng)農業(yè)向現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)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。 現(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，它可提高操作準確性，有利于灌溉過程的科學管理，降低對操作者本身

5、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(xiàn)代灌溉控制器的研究使用在我國農、林、及園藝為數(shù)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(tǒng)，也是根據(jù)經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(xiàn)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

6、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(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。第2節(jié) 系統(tǒng)主要硬件電路設計2.1 單片機控制系統(tǒng)原理種植作物的土壤土壤濕度傳感A/D轉換AT89C51單片機LCD顯示報警放大驅動電磁閥圖2 單片機控制系統(tǒng)原理框圖22 單片機主機系統(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。內部自帶2K字節(jié)可編程FLASH存儲器的

7、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和閃速存儲器結合在單個芯片中，因此，AT89C2051構成的單片機系統(tǒng)是具有結構最簡單、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)省了成本，提高了系統(tǒng)的性價比。2.2.2 單片機的最小系統(tǒng)單片機的最小系統(tǒng)應包括振蕩電路和復位電路等8。振蕩電路(時鐘電路)的主要任務是為AT89S52單片機正常工作需要的時鐘電路提供一個穩(wěn)定的工作頻率。根據(jù)AT89S52單片機時鐘周期的要求，回路需要選用頻率為12MHz的晶振。晶振回路由電容和陶瓷諧振

8、器并聯(lián)組成，作為單片機的時鐘源。AT89S52內部有一個用于構成振蕩器的高增益反相放大器，此放大器的輸入和輸出端分別是引腳XTAL1和XTAL2，在XTAL1和XTAL2端口接上時鐘電源即可構成時鐘電路。本設計中采用內部時鐘產生方式，如圖2.2所示。在XTAL1和XTAL2兩端跨接晶振，與內部的反相器構成穩(wěn)定的自激振蕩器。其發(fā)出的時鐘脈沖直接送入單片機內定時控制部件。電容C8和C9對頻率有微調作用。電容C1和C3，應盡可能的安裝在單片機芯片附近，以減少寄生電容，保證振蕩器穩(wěn)定可靠的工作。復位電路的功能就是對CPU進行實時監(jiān)測，當CPU落入死循環(huán)之后，能及時發(fā)現(xiàn)并使整個系統(tǒng)復位。為確保微機系統(tǒng)中

9、電路穩(wěn)未定可靠工作，復位可靠工作，復位電路是必不可少的一部分，復位電路的第一功能是上電復位。一般微機電路正常工作需要供電電源為4.755.25V。由于微機電路是時序數(shù)字電路，它需要穩(wěn)定的時鐘信號，因此在電源上電時，只有當VCC上電時，只有當VCC超過4.75V，低于5.25V以及晶體振蕩器穩(wěn)定工作時，復位信號才被撤除，微機電路開始正常工作。單片機在啟動時都需要復位，以使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開始工作。89系列單片機的復位信號是從RST引腳輸入到芯片內的施密特觸發(fā)器中的。當系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，且振蕩器穩(wěn)定后，如果RST引腳上有一個高電平并維持2個機器周期(24個振蕩周

10、期)以上，則CPU就可以響應并將系統(tǒng)復位。圖3 單片機主機系統(tǒng)圖 2.3數(shù)據(jù)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(tǒng)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)輸出引腳可直接與數(shù)據(jù)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

11、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(shù)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(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

12、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(shù)據(jù)。ADC0809 24 LCD顯示系統(tǒng)電路2.5報警電路為了在某些緊急狀態(tài)或反常狀態(tài)下，能使操作人員不致忽視，以便及時處理，往往需要有某種更能引起人們注意提起警覺的報警信號產生，這種報警信號通常有三種類型:閃光報警、鳴音報警、語音報警，本系統(tǒng)采用簡單易行的鳴音報警電路。 如圖8所示報警電路，報警設備選用壓電式蜂鳴器，它約需要10mA的驅動電流，只需在其兩條引線上加3一15V的直流電壓，即可產生3KHz左右的蜂鳴聲音，圖中蜂鳴器的一端接

13、在高電平+SV，另一端接Pl.0，在初態(tài)Pl.0始終輸出高電平1，當需要報警時，程序對其端口清零即可，聲音的長短可用延時程序控制實現(xiàn)。第3節(jié) 系統(tǒng)的軟件設計系統(tǒng)軟件程序設計主要包括:主程序設計，采樣子程序設計，數(shù)據(jù)處理程序，顯示子程序，串口通信程序等。3.1 軟件設計的整體思想對于系統(tǒng)而言，要完成各項功能，首先必須要有較完善的硬件作保證。同時還必須得到相應設計合理的軟件的支持，尤其是單片機應用高速發(fā)展的今天。許多由硬件完成的工作，都可通過軟件編程來代替，甚至有些用很復雜的硬件電路才能完成的工作，用軟件編程的時候，往往會變得很簡單，如數(shù)字濾波，信號處理等等。系統(tǒng)進行軟件設計時，先要對本設計硬件有

14、一個熟練的掌握，知道系統(tǒng)的組成，數(shù)據(jù)的傳輸，信號是如何被控制的，以及信號的顯示。然后進行軟件設計時，先搞清楚各個部分的子程序及他們的流程圖，然后進行C語言編程，最后將它們系統(tǒng)的編程11。本設計是以AT89C51單片機為核心，采用C語言編程。它采用模塊化設計，由主程序、讀出濕度子程序、LCD1602顯示子程序、以及有關ADC0809的程序等模塊組成。本系統(tǒng)設計的工作流程是，開始并初始化后，傳感器讀取濕度值，讀取成功后，線性擬合數(shù)據(jù)，然后 LCD顯示數(shù)據(jù)，如果濕度過限，則報警并且啟動控制設備；如果數(shù)據(jù)在濕度上下限范圍內，則顯示濕度值。3.2 程序流程圖設計整個系統(tǒng)的軟件設計采用模塊化編程，主要的功

15、能子程序有：系統(tǒng)初始化，ADC0809的初始化，LCD-1602的初始化。主程序流程圖如圖3-1所示。圖3-1 主程序流程圖31 系統(tǒng)主程序設計void main() init(); while(1) shiduxianshi();write_com(0x80);/第一行delay(20);for(a=0;a<16;a+)write_date(table1a);delay(20);write_com(0xc0);/第二行delay(50);for(a=0;a<16;a+)write_date(table2a);delay(40); if(shu<=sd2) table210=

16、'o'table211='f'table212='f'if(shu>sd2)table210='o'table211='n'table212=' ' beep();switch(sd2)case 1 :i1=80;break; case 2 :i2=40;break; case 3 :i3=20;break; case 4 :i4=10;write_com(0xc0);/顯示第二行信息delay(50);for(a=0;a<16;a+)write_date(table2a);delay(

17、40);if(i1)i1-;watering=0;if(i1=0)watering=1;/澆水停止if(i2)i1-;watering=0; if(i3)i1-;watering=0; if(i4)i1-;watering=0;32 采樣子程序設計根據(jù)電路圖，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轉換結果，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21H)為首址的一片數(shù)據(jù)區(qū)內，IN1通道采集到的11個數(shù)據(jù)放入以ADTURN1(片內2CH)為首址的另一片數(shù)據(jù)區(qū)內。 程序清單:void sh

18、idu() wela=1; P0=0; /選通ADCS wr=0; /AD寫入（隨便寫個什么都行，主要是為了啟動AD轉換） _nop_(); wr=1; P0=0xff; /關閉ADCS delay(10); wela=0;for(a=20;a>0;a-) /需要注意的是ADC0804在寫和讀之間的時間間隔要足夠長否則無法讀出數(shù)據(jù)delay(50); wela=1; /重新打開有AD片選信號鎖存器的鎖存端 P1=0xff; /讀取P1口之前先給其寫全1 P0=0; /選通ADCS adrd=0; /AD讀使能 adval=P1; /AD數(shù)據(jù)讀取賦給P1口 adrd=1; P0=0xff;

19、 /關閉ADCS wr=0; P1=adval; wela=0; void shiduxianshi() adval=adval/2.55; sd1=adval/100;/分出百，十，和個位 sd2t=adval%100; sd2=sd2t/10; sd3=sd2t%10;shidu();table110=sd1+0x30;table111=sd2+0x30;table112=sd3+0x30;顯示程序4.1 軟件調試系統(tǒng)軟件設計的過程主要分為以下幾個步驟：第一步：建立源程序。通過計算機開發(fā)系統(tǒng)的編輯軟件，按照所要求的格式、語法規(guī)定、源程序輸入到開發(fā)系統(tǒng)中，并存在磁盤上。第二步：在計算機上，利

20、用KILE軟件對第一步輸入的源程序進行編譯，變?yōu)榭蓤?zhí)行的目標代碼。如果源程序有語法錯誤，則其錯誤將顯示出來，然后返回到第一步進行修改，再進行編譯，直到語法錯誤全部糾正為止。第三步：在線調試。對于與系統(tǒng)、硬件無聯(lián)系的程序，可以借助在線調試手段，發(fā)現(xiàn)邏輯錯誤后，返回到第一步修改，直到邏輯錯誤糾正為止。對于與系統(tǒng)硬件緊密相關的程序，則需對軟件和硬件同時進行調試，將程序燒入CPU，然后將CPU 插入系統(tǒng)。發(fā)現(xiàn)硬件故障后應排除故障，發(fā)現(xiàn)邏輯錯誤后應修改程序，消除邏輯錯誤。4.2 硬件調試硬件調試主要包括兩步：第一步：系統(tǒng)上電之前，先仔細檢查線路是否連接正確，并核對元器件的型號、規(guī)格和安裝是否符合要求，應

21、特別注意電源系統(tǒng)的檢查，以防止電源的短路和極性錯誤，并重點檢查系統(tǒng)總線是否存在相互之間短路或與其它信號線的短路。第二步：第一步的調試，只是對系統(tǒng)進行初步調試，可以排除一些明顯的故障，而硬件故障(如各個部件內部存在的故障和部件之間連接的邏輯錯誤)主要是靠軟件和硬件聯(lián)調來排除。硬件調試和軟件調試是不能完全分開的，許多硬件錯誤是在軟件調試中發(fā)現(xiàn)和被糾正的。4.3 液晶模塊調試液晶顯示器是人機界面最關鍵的部分，能夠使我們更加清楚的讀取數(shù)據(jù)。在對顯示模塊進行調試的過程中發(fā)現(xiàn)顯示不正常，漢字顯示與字符顯示不同，LCD1602有二行，每行可以顯示16個字符，由于軟件編程時，地址分配有誤，使得漢字部分無法顯示

22、。經過檢查，發(fā)現(xiàn)問題后，將地址重新分配，顯示部分正確。4.4 報警電路調試本次系統(tǒng)設計采用的是聲音報警電路。當濕度其中任何值一個過限后，蜂鳴器都會發(fā)出聲音。這是寫在軟件程序里的。但是在加上控制信號，濕度過限后，蜂鳴器不報警。蜂鳴器的控制端口無控制信號輸出。經檢查發(fā)現(xiàn)程序里面蜂鳴器的控制端口電平設置有誤，修改后，蜂鳴器工作正常。結 束 語 首先，通過這次應用系統(tǒng)設計，在很大程度上提高了自己的獨立思考能力和單片機的專業(yè)知識，也深刻了解寫一篇應用系統(tǒng)的步驟和格式，有過這樣的一次訓練，相信在接下來的日子我們都會了，而且會做得更好。 我所寫的系統(tǒng)主要根據(jù)目前節(jié)水灌溉技術的發(fā)展趨勢和國內實際的應用特點和要

23、求，采用了自動化的結構形式，實現(xiàn)對土壤濕度的自動檢測和控制。 系統(tǒng)以單片機AT89C51為核心部件，單片機系統(tǒng)完成對土壤濕度信號的采集、處理、顯示等功能;用Protel軟件繪制電路原理圖和PCB電路印刷板圖，并在電路板廠制作控制主板;利用MCS51c語言編制,運行程序該系統(tǒng)的主要特點是: 1)適用性強，用戶只需對界面參數(shù)進行設置并啟動系統(tǒng)正常運行便可滿足不同作物對土壤濕度的要求，實現(xiàn)對土壤濕度的實時監(jiān)控，下位機也可脫離上位機單獨工作。 2)可對作物進行適時、適量灌水，不僅有利于作物的生長發(fā)育，而且避免了水資源的浪費，起到了高產節(jié)水的作用。 3)將模糊智能控制技術引入對土壤濕度的分析和處理中，模

24、糊控制決策無需建立被控對象的數(shù)學模型，系統(tǒng)的魯棒性強，適合對非線性、時變、滯后系統(tǒng)的控制，對灌溉系統(tǒng)采用模糊控制非常適合。具體 采用雙輸入單輸出的模糊控制方法，使控制系統(tǒng)更具科學性。4)系統(tǒng)成本低廉，操作非常簡單，可擴展性強，只要稍加改變，即可增加其他使用功能。本系統(tǒng)對現(xiàn)代化農業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義： 1)本系統(tǒng)只對灌溉中水的因素實行監(jiān)控，而未涉及肥的問題，應將水 肥結合起來進行灌溉，對作物生長效果會更好。 2)應同時考慮土壤濕度和作物需水量兩個因素，判斷是否要對作物進行灌溉以及所需灌水量的多少。 3)被測土壤濕度只是進行了兩點測試，如果能進行多點檢測就會使檢測到的濕度值精度更高。4)本系

25、統(tǒng)在模擬檢測中運行較好，但采樣據(jù)不太穩(wěn)定等，還有待于進一步完善提高。參考文獻1范海濤. 世界設施農業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀. 農村實用工程技術, 2001(1): 10-112李朝青. 單片機原理及接口技術. 北京: 北京航空航天大學出版社, 20093潘新民, 王燕芳. 微型計算機控制技術. 北京: 電子工業(yè)出版社, 20114周潤景, 張麗娜. 基于PROTEUS的電路及單片機系統(tǒng)設計與仿真. 北京: 北京航空航天大學出版社, 20065房德君. 新型單片機綜合試驗系統(tǒng). 山東: 山東大學出版社, 19966劉九慶. 溫室環(huán)境工程技術. 吉林: 東北林業(yè)大學出版社, 20027張友德, 趙志英, 涂時亮

26、. 單片微型機原理應用與實驗. 上海: 復旦大學出版社, 20038沈慶陽. 單片機實踐與應用. 北京: 清華大學出版社, 20029杜深慧. 溫濕度檢測裝置的設計與實現(xiàn). 北京: 機械工業(yè)出版社, 200410姜志海, 趙艷雷. 單片機的C語言程序設計與應用. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2010附錄：#include<reg52.h>#include <intrins.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit rs=P35;sbit wr=P36;sbit lcden=P34;sbit dul

27、a=P26;sbit watering=P32;sbit wela=P27;sbit BEEP=P23 ; /蜂鳴器驅動線uint temp;float f_temp;sbit diola=P25;sbit adrd=P37; uchar a,t,a1,a2,a3,sd1,sd2,sd2t,sd3,j,k,adval,shu1,shu=4,i1,i2,i3,i4;uchar table1="humidity: "uchar table2=" warning: "void delay(uint x)uint a,b;for(a=x;a>0;a-)fo

28、r(b=10;b>0;b-); void beep() unsigned char y; for (y=0;y<100;y+) delay(70); BEEP=!BEEP; /BEEP取反 BEEP=1; /關閉蜂鳴器delay(100);/*1602顯示*/void write_com(uchar com)P0=com;rs=0;lcden=0;delay(10);lcden=1;delay(10);lcden=0;void write_date(uchar date)P0=date;rs=1;lcden=0;delay(10);lcden=1;delay(10);lcden=0;void init()dula=0;wela=0;wr=0;write_c