智能灌溉系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

1、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及應(yīng)用綜合訓(xùn)練題目： 智能灌溉系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì) 專業(yè)： 電子信息與技術(shù) 學(xué)院： 信息工程學(xué)院 學(xué)生姓名： 邢晨 學(xué)號(hào)： 2014520438 指導(dǎo)教師： 張軍朝 2015年 6 月 5 日目錄：一、系統(tǒng)需求分析11.1 滴灌施肥技術(shù)簡介11.2 課題研究的背景及目的意義11.3 國外發(fā)展概況21.4 國內(nèi)發(fā)展概況3二、系統(tǒng)架構(gòu)4二、硬件62.1 機(jī)械部分62.2電路部分設(shè)計(jì)8A濕度傳感器方案8B.運(yùn)算放大器方案8C.電機(jī)方案9D顯示部分設(shè)計(jì)：12E 、舵機(jī)控制方案13F.電源部分設(shè)計(jì)14G、對單片機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)15三、程序清單17A、程序流程17B、部分模塊驅(qū)動(dòng)程序：18C、主程序：3

2、2一、系統(tǒng)需求分析1.1 滴灌施肥技術(shù)簡介 滴灌施肥是一種先進(jìn)的灌溉施肥方式，它將兩個(gè)原本相互獨(dú)立的技術(shù)灌溉和施肥，采用旁路式的結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起。滴灌施肥技術(shù)把肥料液、酸液和水通過一定比例混合在一起并將其準(zhǔn)確地施加在作物根系附近，使得作物的根系能夠充分直接吸收利用，滿足作物不同階段對養(yǎng)分的需求和土壤中的養(yǎng)分供給平衡。采用滴灌施肥技術(shù)可以方便地調(diào)節(jié)灌溉水中營養(yǎng)物質(zhì)的濃度，滿足作物生長的營養(yǎng)需求規(guī)律，大幅度提高肥料和水的利用效率、提高作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，同時(shí)還減少了田間管理作業(yè)的時(shí)間；滴灌施肥技術(shù)能夠準(zhǔn)確地控制滿足植物生長最優(yōu)的混合肥劑量以及滲入土壤的深度，而且施肥均勻、定位準(zhǔn)確，使得灌溉施肥參數(shù)得到

3、精確有效地控制，減輕了土壤、地下水和環(huán)境的污染。 1.2 課題研究的背景及目的意義 我國水資源嚴(yán)重短缺，再加上農(nóng)業(yè)灌溉用水方面普遍存在浪費(fèi)嚴(yán)重和灌溉水利用效率低的問題，如何降低農(nóng)業(yè)灌溉的用水量、提高灌溉用水的利用效率就成為急需解決的問題。從化肥的使用情況來看，我國的使用量居世界首位，但是肥料的利用效率卻很低，渠灌和溝灌等傳統(tǒng)的灌溉方式仍被廣泛采用，它們的灌溉水利用效率只有 40%左右，結(jié)果使得大部分卻被利用的水帶走了施用的肥料，造成肥料的浪費(fèi)。 滴灌施肥智能控制系統(tǒng)將灌溉和施肥結(jié)合起來，通過計(jì)算機(jī)對施肥量、灌溉時(shí)間、灌溉頻率等參數(shù)的控制實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉施肥的目的，一方面肥液直接到達(dá)作物的根系，肥料

4、的利用效率提高，肥料深層流失的現(xiàn)象也能夠得到遏制，同時(shí)還保護(hù)地下水免受肥料及化學(xué)藥劑的污染；另一方面系統(tǒng)利用灌水器將水以滴灌滲透的形式直接作用到作物的根系中，不僅降低了作物與作物之間水分的蒸發(fā)量而且還減少土壤深層水的滲漏量，最大限度減少了水分的損失，灌溉水的利用效率大大提高。經(jīng)過多年的發(fā)展，節(jié)水灌溉技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)相結(jié)合形成的新型灌溉技術(shù)日趨成熟，逐漸得到人們的重視，它不僅能夠及時(shí)準(zhǔn)確地控制施肥和灌溉而且還能對作物的生長規(guī)律、生長情況以及生長環(huán)境等有良好的適應(yīng)性，大大提高了灌溉水和肥料的利用率，節(jié)省田間管理作業(yè)的時(shí)間，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率，對提高農(nóng)業(yè)投入的經(jīng)濟(jì)效益具有重要的意義。 1.3 國外

5、發(fā)展概況 現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中的一個(gè)大趨勢，而滴灌施肥又是高效農(nóng)業(yè)的重點(diǎn)，它的核心是以傳感器技術(shù)和控制技術(shù)為基礎(chǔ)的智能控制系統(tǒng)以及操作裝置的研發(fā)，西方發(fā)達(dá)國家在這方面的優(yōu)勢比較明顯。目前，設(shè)施農(nóng)業(yè)比較先進(jìn)的國家主要是美國、荷蘭、以色列、日本以及澳大利亞等發(fā)達(dá)國家。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)由機(jī)械灌溉轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)灌溉，水肥利用效率和作物產(chǎn)量得到大幅度提高，田間管理也越來越人性化，并且還能夠?qū)喔仁┓蕝^(qū)域?qū)嵤﹦?dòng)態(tài)的監(jiān)測管理，其控制性能也越來越高。 伴隨著技術(shù)的不斷發(fā)展以及對現(xiàn)實(shí)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要，與因特網(wǎng)、ZigBee 以及遠(yuǎn)程控制等數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合的先進(jìn)的控制器不斷被開發(fā)出來，由以色列的Eldar Shan

6、y 公司開發(fā)的帶有可編程控制器和 EC/PH 檢測單元的計(jì)算機(jī)專家控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)檢測灌溉水的 EC 和 PH 值并且能高效準(zhǔn)確地對作物的營養(yǎng)和水分實(shí)施供給，實(shí)現(xiàn)了水肥一體化。 美國的營養(yǎng)液供給控制系統(tǒng)中，不同的營養(yǎng)罐里裝有不一樣的化合物，按照滿足植物生長需要的比例將不同的化合物混合溶解在水中，利用計(jì)算機(jī)對營養(yǎng)罐的閥門進(jìn)行統(tǒng)一控制，最后再把營養(yǎng)液通過管道輸送到作物培養(yǎng)槽中。荷蘭的溫室無土栽培也是采用類似的控制方式。法國、日本、澳大利亞等也都是滴灌施肥技術(shù)比較先進(jìn)的國家，研發(fā)了各種先進(jìn)的設(shè)施農(nóng)業(yè)控制器，廣泛應(yīng)用于溫室控制、幼苗育種以及溫室花卉種植等。其中法國研發(fā)的 DOSTRON 混肥器和澳大

7、利亞生產(chǎn)的 MICRO-MASTER 系列產(chǎn)品處于國際領(lǐng)先地位。 近年來，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，越來越多的數(shù)據(jù)傳輸和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于滴灌施肥領(lǐng)域。美國、以色列等國已通過互聯(lián)網(wǎng)將生產(chǎn)者和農(nóng)技服務(wù)部門有效地連接起來，通過網(wǎng)絡(luò)，農(nóng)技部門能夠?yàn)樯a(chǎn)者提供施肥建議，解答生產(chǎn)者遇到的問題，最大限度地滿足實(shí)際生產(chǎn)的需要。 1.4 國內(nèi)發(fā)展概況 從 20 世紀(jì) 70 年代起，我國開始引進(jìn)國外先進(jìn)的滴灌技術(shù)，并且對先進(jìn)灌溉技術(shù)和施肥裝置不斷地進(jìn)行研究，初步研究開發(fā)出以 8031 單片機(jī)為核心的滴灌施肥控制器的一系列產(chǎn)品。進(jìn)入到 90 年代，我國滴灌施肥技術(shù)的總體水平有所提高，比如李銳，袁軍等人研制的灌溉及施肥智能

8、控制系統(tǒng)，將模糊控制原理應(yīng)用到控制系統(tǒng)中；魯亞云等人設(shè)計(jì)的恒量施肥控制裝置實(shí)現(xiàn)了肥液高度與注肥管出口高度差保持不變，達(dá)到恒量施肥的目的等等。但從整體上來說，與國外同類產(chǎn)品仍有較大差距，主要表現(xiàn)在：灌溉水和肥料混合理論與應(yīng)用研究成果較少，控制的精度不高；信息管理和決策系統(tǒng)不夠成熟；先進(jìn)灌溉設(shè)備的性能、產(chǎn)品質(zhì)量以及使用的可靠性、穩(wěn)定性不高等。近年來出現(xiàn)了一些滴灌與施肥相結(jié)合的滴灌施肥技術(shù)方面的研究報(bào)道，例如馮紹元等在棉花上進(jìn)行了滴灌的水肥藕合效應(yīng)試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明水的利用率較傳統(tǒng)方式提高了 20%，并且在相同灌水量條件下還可促進(jìn)肥料的利用效率。 伴隨著我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展以及農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整等現(xiàn)實(shí)因素

9、，對農(nóng)業(yè)滴灌施肥控制技術(shù)提出了更高的要求。根據(jù)我國的國情以及各地農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要，大力推廣實(shí)用可行、操作簡便、成本低廉的節(jié)水灌溉施肥控制措施和農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備，這將是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的一個(gè)重要措施，必然產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。二、系統(tǒng)架構(gòu)本系統(tǒng)系統(tǒng)通過選擇合適的傳感器將對土壤中含水量以及空氣濕度等重要物理量進(jìn)行采集，通過信號(hào)及采集部分將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，交給單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理，通過智能控制部分，在需要時(shí)驅(qū)動(dòng)相關(guān)外設(shè)，進(jìn)行自動(dòng)精確定位地灌溉。具體流程圖如下：工作過程流程圖利用單片機(jī)內(nèi)定時(shí)器計(jì)數(shù)器，每隔10分鐘（可調(diào)）定時(shí)向單片機(jī)發(fā)出中斷信號(hào)單片機(jī)相應(yīng)中斷，驅(qū)動(dòng)濕度傳感器電路，使?jié)穸葌鞲衅鞴ぷ?，采集?shù)據(jù)（

10、四個(gè)）并將其傳至單片機(jī)，由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)液晶顯示器輸出土地情況調(diào)用 土壤濕度分析子程序（即與標(biāo)準(zhǔn)濕度相比較），計(jì)算出土壤需要澆灌的部分，并計(jì)算出干濕度以決定澆灌用水量（由噴灌時(shí)間決定）根據(jù)分析結(jié)果，調(diào)用電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)子程序，同時(shí)控制電機(jī)與舵機(jī)分別旋轉(zhuǎn)、擺動(dòng)，并打開節(jié)流閥，驅(qū)動(dòng)水泵實(shí)現(xiàn)精確定位，完成澆灌單片機(jī)重置定時(shí)器計(jì)數(shù)后待機(jī)，使定時(shí)器30秒后發(fā)出中斷信號(hào)30s后響應(yīng)中斷驅(qū)動(dòng)濕度傳感器電路，采集數(shù)據(jù)，看是否符合濕度要求，并輸出此時(shí)濕度不符合要求符合濕度要求，重置定時(shí)器定時(shí)（10分鐘），單片機(jī)待機(jī)單片機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)，等待中斷信號(hào)關(guān)鍵字： 智能控制 精確定位 密封 濕度傳感器 差動(dòng)放大 順序通電 液晶顯示二

11、、硬件2.1 機(jī)械部分整體的機(jī)構(gòu)形式如下所述：水由出水口接入，經(jīng)過水泵增壓后，經(jīng)過導(dǎo)水軟管，最后從管的另一端噴射出來。機(jī)械臂主要由導(dǎo)水軟管，套筒，舵機(jī)，步進(jìn)電機(jī)和與電機(jī)配合的傳動(dòng)裝置組成。套筒下端固結(jié)有加工上錐齒的圓環(huán)，電機(jī)通過錐齒輪傳動(dòng)，帶動(dòng)套筒轉(zhuǎn)動(dòng)。舵機(jī)固定在套筒上，當(dāng)套筒旋轉(zhuǎn)時(shí)，舵機(jī)也隨套筒旋轉(zhuǎn)。導(dǎo)水軟管穿過套筒與固定在套筒上端的舵機(jī)相固結(jié)，當(dāng)舵機(jī)臂擺動(dòng)時(shí)導(dǎo)水軟管噴頭處完成豎直方向的調(diào)整，以使噴出的水能夠調(diào)整遠(yuǎn)近。而套筒轉(zhuǎn)動(dòng)則實(shí)現(xiàn)了噴水方向的調(diào)整。這樣，通過水平旋轉(zhuǎn)及豎直擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了噴灌的精確定位?？紤]到水對電機(jī)、齒輪傳動(dòng)部分的腐蝕影響，電機(jī)及其與套筒的傳動(dòng)部分通過密封箱密封，導(dǎo)線引出，

12、連接到控制電路部分及電源部分，以實(shí)現(xiàn)對機(jī)械系統(tǒng)的電力輸入及控制。機(jī)械臂通過套筒下端深埋入土壤進(jìn)行固定。這種方案是我們經(jīng)過多次調(diào)整最后確定出來的。下圖為我們用機(jī)械仿真軟件pro/engineer制作的圖形（具體見附圖）電機(jī)控制套筒水平轉(zhuǎn)動(dòng)套筒導(dǎo)水軟管 我們的創(chuàng)新體現(xiàn)在我們的設(shè)計(jì)過程當(dāng)中。在噴口的設(shè)計(jì)中，由于市場上所售的噴頭多利用水壓將水達(dá)到某個(gè)固定位置，因此不能實(shí)現(xiàn)噴灌位置的可調(diào)性要求。因此噴管管口需要重新設(shè)計(jì)。在噴頭處，我們曾試驗(yàn)過多個(gè)方案。其中一個(gè)就是擬定用鋼管作導(dǎo)水管，將水直接引到噴頭，而噴頭處設(shè)計(jì)成噴口可以轉(zhuǎn)動(dòng)的形式，通過增加一個(gè)電機(jī)并通過細(xì)桿與噴頭處連實(shí)現(xiàn)豎直方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，水平方向的轉(zhuǎn)動(dòng)

13、還是靠另一個(gè)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)套筒來實(shí)現(xiàn)（具體見附proe仿真圖）。但是這種設(shè)計(jì)有兩個(gè)問題我們沒能解決。第一個(gè)問題就是密封的問題，噴口轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)對其密封要求較高，且此處水壓較高，更增加密封難度。第二個(gè)問題就是底部的電機(jī)如何使上部的噴頭進(jìn)行豎直方向的擺動(dòng)。此處傳動(dòng)距離較長，增加材料勢必增加水平轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的負(fù)載，且此電機(jī)好密封，極易漏水燒毀電機(jī)。于是我們直接采用了接導(dǎo)水軟管的方法。導(dǎo)水軟管是用一種軟橡皮材料做成的，我們在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，一端接從水泵流過的水，一端穿過套筒固定在舵機(jī)上，有較好的彈性，使灌溉機(jī)械臂在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，水管不會(huì)產(chǎn)生較大的阻力矩，也不會(huì)發(fā)生塑性變形影響使用。這種形式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，一根管足

14、以解決噴頭出的設(shè)計(jì)問題。缺點(diǎn)是電機(jī)帶動(dòng)套筒的轉(zhuǎn)角不能持續(xù)朝一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，否則水管會(huì)打結(jié)使水流不通，且從水管澆灌到地面的水流呈柱狀，對地面沖擊較大。軟管長期拉伸壓縮會(huì)造成水管脫膠，碎裂等問題。在實(shí)際設(shè)計(jì)計(jì)算中，需進(jìn)行軟管的拉壓的疲勞強(qiáng)度的校核，及齒輪傳動(dòng)的校核計(jì)算。通過查機(jī)械設(shè)計(jì)的手冊可以計(jì)算出所需的材料及其他要求。在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，我們查閱了上市的噴頭的基本的工作原理，對其有了初步的了解。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得過程中，我們查閱了相關(guān)的機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)方面的書籍，增長了我們的機(jī)械方面的知識(shí)及解決機(jī)械設(shè)計(jì)問題的能力。2.2電路部分設(shè)計(jì) A濕度傳感器方案我們采用通DX-S2型土壤濕度傳感器，

15、通過測出被測土壤的介電常數(shù)，并根據(jù)土壤容積含水率與土壤介電常數(shù)之間的非線性關(guān)系推導(dǎo)出土壤的容積含水率和重量含水率。本傳感器對土壤水分變化有很高的靈敏度，因此溫度、鹽分、土壤性質(zhì)變化因素的影響相對比較小，如果要求測量結(jié)果準(zhǔn)確度高，應(yīng)酌情對這些因素的影響進(jìn)行修正?；虿扇∑渌胧p少這些因素的干擾。濕度傳感器各項(xiàng)參數(shù)如下：測量參數(shù) 土壤容積/重量含水率 量 程 450%（絕對重量含水率） 精 度 誤差不超過2% 響應(yīng)時(shí)間 響應(yīng)在1秒內(nèi)進(jìn)入穩(wěn)定 工作環(huán)境 -30+55 工作電壓 4.55.5VDC，典型值5.0VDC 工作電流 50mA 輸出信號(hào) 02.5VB.運(yùn)算放大器方案傳感器輸出的電壓信號(hào)為毫伏

16、級，需要通過運(yùn)放將信號(hào)放大，對運(yùn)算放大器要求很高。 基于此，我們考慮了可以采用以下幾種方案： 方案 一 、利用普通低溫漂運(yùn)算放大器構(gòu)成多級放大器。 普通低溫漂運(yùn)算放大器構(gòu)成多級放大器會(huì)引入大量噪聲。由于 A/D 轉(zhuǎn)換器需要很高的精度，所以幾毫伏的干擾信號(hào)就會(huì)直接影響最后的測量精度。在調(diào)試中誤差較大，所以，此種方案不宜采用。 方案二、由高精度低漂移運(yùn)算放大器構(gòu)成差動(dòng)放大器。 差動(dòng)放大器具有高輸入阻抗，增益高的特點(diǎn)，可以利用普通運(yùn)放 ( 如LM324) 做成一個(gè)差動(dòng)放大器。 U1-U3組成儀表放大器,U4構(gòu)成電壓跟隨器,用于調(diào)零電路. 基于以上分析，我們采用此種放大方式，（四集成度,芯片型號(hào)LM3

17、24）C.電機(jī)方案 由于對澆灌機(jī)械臂的轉(zhuǎn)速要求不高，且要實(shí)現(xiàn)精確定位，而且步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。由此，電機(jī)采用四相六線混合式步進(jìn)電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對噴灌機(jī)械臂的轉(zhuǎn)動(dòng)控制。在最初的電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案中，采用L298芯片+二極管吸收電路，用設(shè)計(jì)好的開關(guān)電源給L298以及步進(jìn)電機(jī)供電。電路經(jīng)keil+proteus

18、仿真后可以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的控制，仿真階段未出現(xiàn)任何問題。電路圖如下： 但此電路在實(shí)際調(diào)試中，由于從l298的2、3、13、14腳輸出信號(hào)變化較快，二極管導(dǎo)通出現(xiàn)問題；電機(jī)正轉(zhuǎn)調(diào)試c語言子程序如下：#include<reg51.h>void delay1s(void) unsigned char j,k; for(j=50;j>0;j-) for(k=100;k>0;k-); main() unsigned char a8=0x24,0x35,0x11,0x39,0x28,0x3a,0x12,0x36 ; unsigned char b; unsigned char i=0;

19、while(i<=50) for(b=0;b<8;b+) P1=ab; delay1s();i+; 1、電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制：上程序中，通過j、k的取值，可以控制延時(shí)程序延時(shí)的時(shí)間，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)速度的控制。實(shí)際應(yīng)用中，可將其設(shè)置為函數(shù)間接口的變量，以實(shí)現(xiàn)調(diào)速。2、電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)位置控制：在while循環(huán)中，沒執(zhí)行一次，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒距角。由于所用電機(jī)為50齒，所以每完成一次上述程序，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一周。轉(zhuǎn)動(dòng)角度與i的取值關(guān)系為：=i50*2可以將i設(shè)置成函數(shù)間接口的變量，通過對其賦值實(shí)現(xiàn)精確定位。3、實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)程序只需將0x24,0x35,0x11,0x39,0x

20、28,0x3a,0x12,0x36的順序倒過來，即依次為0x36,0x12,0x3a,0x28,0x39,0x11,0x35,0x24，依次循環(huán)。在運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的各項(xiàng)性能已經(jīng)滿足使用需要，但仍有需改進(jìn)的地方：此電機(jī)在高頻狀態(tài)，轉(zhuǎn)速較高時(shí)，易出現(xiàn)丟步、振動(dòng)現(xiàn)象，需用細(xì)分方案來解決；另外，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的散熱方法亦非盡善盡美，需要更好的解決方案。D顯示部分設(shè)計(jì)：在每次濕度傳感器采集到數(shù)據(jù)時(shí)，由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)液晶顯示器顯示土壤濕度。我們選用了成都市飛宇達(dá)實(shí)業(yè)有限公司出品的FYD12864-0402B型的液晶顯示模塊。此模塊提供硬體光標(biāo)及閃爍控制電路，由地址計(jì)數(shù)器的值來指定DDRAM中的光標(biāo)或閃爍位置。該模

21、塊具有2.75.5V的寬工作電壓范圍，且具有睡眠、正常及低功耗工作模式，可滿足系統(tǒng)各種工作電壓及便攜式儀器低功耗的要求。液晶模塊顯示負(fù)電壓，也由模塊提供，從而簡化了系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)。模塊同時(shí)還提供LED背光顯示功能。除此之外，模塊還提供了畫面清除、游標(biāo)顯示/隱藏、游標(biāo)歸位、顯示打開/關(guān)閉、顯示字符閃爍、游標(biāo)移位、顯示移位、垂直畫面旋轉(zhuǎn)、反白顯示、液晶睡眠/喚醒、關(guān)閉顯示等操作指令。下圖為液晶顯示程序流程圖： 下圖為proteus仿真圖：E 、舵機(jī)控制方案 舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。其工作原理是：控制信號(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電

22、壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過級聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。單片機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角的控制，必須首先完成兩個(gè)任務(wù)：首先是產(chǎn)生基本的PWM周期信號(hào)，本設(shè)計(jì)是產(chǎn)生20ms的周期信號(hào)；其次是脈寬的調(diào)整，即單片機(jī)模擬PWM信號(hào)的輸出，并且調(diào)整占空比。當(dāng)系統(tǒng)中只需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)舵機(jī)的控制，采用的控制方式是改變單片機(jī)的一個(gè)定時(shí)器中斷的初值，將20ms分為兩次中斷執(zhí)行，一次短定時(shí)中斷和一次長定時(shí)中斷。這樣既

23、節(jié)省了硬件電路，也減少了軟件開銷，控制系統(tǒng)工作效率和控制精度都很高。 具體的設(shè)計(jì)過程：例如想讓舵機(jī)轉(zhuǎn)向左極限的角度，它的正脈沖為2ms，則負(fù)脈沖為20ms-2ms=18ms，所以開始時(shí)在控制口發(fā)送高電平，然后設(shè)置定時(shí)器在2ms后發(fā)生中斷，中斷發(fā)生后，在中斷程序里將控制口改為低電平，并將中斷時(shí)間改為18ms，再過18ms進(jìn)入下一次定時(shí)中斷，再將控制口改為高電平，并將定時(shí)器初值改為2ms，等待下次中斷到來，如此往復(fù)實(shí)現(xiàn)PWM信號(hào)輸出到舵機(jī)。用修改定時(shí)器中斷初值的方法形成了脈沖信號(hào)，調(diào)整時(shí)間段的寬度便可使伺服機(jī)靈活運(yùn)動(dòng)。F.電源部分設(shè)計(jì)對于此系統(tǒng)的供電問題，由于需要對電機(jī)供電，因此需要大電流，傳統(tǒng)的

24、線性電源，體積笨重，內(nèi)阻大，效率低，大電流時(shí)驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力差，因此我們采用了開關(guān)電源，內(nèi)阻小，適合強(qiáng)電流供電。其電路圖如上，通過電路的連接，我們得到了12V (2A)5V（1A）3.5V（1A）三路電源，而且調(diào)試成功。對于此電路有一個(gè)亮點(diǎn)就是，電源系統(tǒng)中有兩個(gè)開關(guān)控制電路，一個(gè)是對強(qiáng)電的開關(guān)控制，另外一個(gè)是對變壓器副邊整流后電壓的開關(guān)控制以達(dá)到穩(wěn)壓目的，普通的穩(wěn)壓管，如果整流后的電壓為16V而穩(wěn)壓管是12V則在負(fù)載電流為1A時(shí)，穩(wěn)壓管的功率是4W，此時(shí)穩(wěn)壓管發(fā)燙，而且電能浪費(fèi)，而對于由UA741控制的初步穩(wěn)壓電路可以實(shí)現(xiàn)在負(fù)載電流為1A使穩(wěn)壓功耗不足1W. 電路原理圖如下：G、對單片機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

25、在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過程中，由于處理中斷較多，我們感覺到51單片機(jī)的片內(nèi)資源不夠，增加芯片勢必增加電路板的體積。所以我們最后學(xué)習(xí)并采用了MSP430的單片機(jī)來改進(jìn)我們的系統(tǒng)。MSP430F247單片機(jī)具有超低功耗、集成高性能的模擬器件、16位RISC結(jié)構(gòu)的CPU、在線編程、多時(shí)鐘、集成開發(fā)環(huán)境簡單等特點(diǎn)。片內(nèi)資源豐富,有ADC，PWM，若干TIME，串行口，WATCHDOG，F(xiàn)LASH，比較器，模擬信號(hào)等。另外在本系統(tǒng)中我們需要應(yīng)用多路A/D轉(zhuǎn)換功能，本單片機(jī)剛好為我們提供了8路A/D轉(zhuǎn)換接口。同時(shí)本單片機(jī)具有強(qiáng)大的處理功能，采用了精簡指令集（ RISC ）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（ 7 種源操作數(shù)尋址

26、、 4 種目的操作數(shù)尋址）、簡潔的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在 8MHz 晶體驅(qū)動(dòng)下指令周期為 125 ns 。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。低功耗是目前一項(xiàng)很令人關(guān)注的性能指標(biāo)，MSP430 系列單片機(jī)的電源電壓采用的是 1.83.6V 電壓。因而可使其在 1MHz 的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)， 芯片的電流會(huì)在 200400uA 左右，時(shí)鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有 0.1uA 。其次是獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)?；緯r(shí)鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)（ FLL 和 FLL+ ）時(shí)鐘系統(tǒng)或 DCO 數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)。由

27、系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生 CPU 和各功能所需的時(shí)鐘。并且這些時(shí)鐘可以在指令的控制下，打開和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對總體功耗的控制。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時(shí)，用中斷請求將它喚醒只用 6us 。并且該單片機(jī)內(nèi)的片內(nèi)可擦寫FLASH為我們提供了一個(gè)很方便的存儲(chǔ)器，即使在掉電的情況下也不會(huì)改變內(nèi)部的數(shù)據(jù)。Msp430F247單片機(jī)的種種功能剛好滿足了我們的需求，正是它的存在，是我們的系統(tǒng)更加完善。三、程序清單A、程序流程符合濕度要求，重置定時(shí)器定時(shí)（10分鐘），單片機(jī)待機(jī)不符合要求30s后響應(yīng)中斷驅(qū)動(dòng)濕度傳感器電路，采集數(shù)據(jù)，看是否符合濕度要求，并輸出此時(shí)濕度單片機(jī)重置定時(shí)器計(jì)數(shù)后待機(jī)，使定時(shí)器30秒后發(fā)出中斷信

28、號(hào)根據(jù)分析結(jié)果，調(diào)用電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)子程序，同時(shí)控制電機(jī)與舵機(jī)分別旋轉(zhuǎn)、擺動(dòng)，并打開節(jié)流閥，驅(qū)動(dòng)水泵實(shí)現(xiàn)精確定位，完成澆灌調(diào)用土壤濕度分析子程序（即與標(biāo)準(zhǔn)濕度相比較），計(jì)算出土壤需要澆灌的部分，并計(jì)算出干濕度以決定澆灌用水量（由噴灌時(shí)間決定）利用單片機(jī)內(nèi)定時(shí)器計(jì)數(shù)器，每隔10分鐘（可調(diào)）定時(shí)向單片機(jī)發(fā)出中斷信號(hào)單片機(jī)處于低功耗狀態(tài)，等待中斷信號(hào)單片機(jī)相應(yīng)中斷，驅(qū)動(dòng)濕度傳感器電路，使?jié)穸葌鞲衅鞴ぷ?，采集?shù)據(jù)并將其傳至單片機(jī)，由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)液晶顯示器輸出土地情況B、部分模塊驅(qū)動(dòng)程序： 1、液晶驅(qū)動(dòng)： /*初始化液晶*/void initLCD(void) Delayms(50); WR_COM(0x30);

29、 Delay10us(20); WR_COM(0x30); Delay10us(5); WR_COM(0x0c); Delay10us(20); WR_COM(0x01); Delayms(20); WR_COM(0x06); WR_COM(0x0c); CLR(); /*清屏*/void CLR(void)Busy(); RS_0; RW_0; E_1; _NOP(); P4OUT=0x01; E_0;/*寫控制字函數(shù)*/void WR_COM(unsigned char ins) Busy();RS_0;RW_0;E_1; P4OUT=ins;E_0;/*寫數(shù)據(jù)函數(shù)*void WR_DAT

30、(unsigned char dat) Busy();RS_1;RW_0;E_1;P4OUT=dat;E_0;/*初始化I/O*void LCD_port_init(void) P5SEL =0X00; P4SEL =0X00; P5DIR|=BIT0; P5DIR|=BIT1; P5DIR|=BIT2; P4DIR =0XFF; P4OUT=0X00; initLCD();2、 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)：void delay1s(void) unsigned char j,k; for(j=50;j>0;j-) for(k=100;k>0;k-); main() unsigned char

31、a8=0x24,0x35,0x11,0x39,0x28,0x3a,0x12,0x36 ; unsigned char b; unsigned char i=0;while(i<=50) for(b=0;b<8;b+) P1=ab; delay1s();i+; void power(float t/*速度值,保留一位小數(shù)*/,unsigned char m) unsigned char gaodu=0; uchar b,c,d,e,f,g; f=m; while(f) for(c=0;c<5;c+) for(b=8;b>0;b-) g=b-1; P3OUT=ag; pow

32、er_delay(t); f-; gaodu=m-f; d=gaodu/10; e=gaodu%10; now_hight9=d+0x30; now_hight10=e+0x30; write_char(now_hight,0,1); void anti_power(float t/*速度值,保留一位小數(shù)*/,unsigned char m) unsigned char gaodu=0; uchar b,c,d,e,f; f=0; while(m) for(c=0;c<5;c+) for(b=0;b<8;b+) P3OUT=ab; power_delay(t); f+; m-; g

33、aodu=70-f; d=gaodu/10; e=gaodu%10; now_hight9=d+0x30; now_hight10=e+0x30; write_char(now_hight,0,1); void anti_power_d(float t/*速度值,保留一位小數(shù)*/,unsigned char m) unsigned char gaodu=0; uchar b,c,d,e,f; f=0; while(m) for(c=0;c<5;c+) for(b=0;b<8;b+) P3OUT=ab; power_delay(t); f+; m-; gaodu=ii-f; d=ga

34、odu/10; e=gaodu%10; now_hight9=d+0x30; now_hight10=e+0x30; write_char(now_hight,0,1); 3、 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)： BCSCTL1=0x0; BCSCTL2=0x88; do IFG1&=OFIFG; for(i=0xff;i>0;i-); while (IFG1&OFIFG)!=0); P1DIR=0XFF; P1SEL=0XFF; TACTL=0x2d2; CCTL1=OUTMOD_7; CCR0=20000; while(1) CCR1=2000; delay(); CCR1=1000; de

35、lay();4、 鍵盤驅(qū)動(dòng)：/初始化P1中斷void KEY_1_init(void) P1DIR=0; P1SEL=0; P1DIR|=BIT3; P1DIR|=BIT5; P1DIR|=BIT6; P1DIR|=BIT7; P1OUT=0X00; P1IE=0; P1IES=0; P1IFG=0; P1IE|=BIT0; P1IES|=BIT0; P1IE|=BIT1; P1IES|=BIT1; P1IE|=BIT2; P1IES|=BIT2; P1IE|=BIT4; P1IES|=BIT4;/初始化P2中斷+P3void KEY_2_init(void) P2DIR=0; P2SEL=0

36、; P2IE=0; /禁止P2口中斷 P2IES=0XFF; /現(xiàn)在是下降沿觸發(fā) P2IFG=0; /標(biāo)志寄存器清零，無中斷請求。 P2IE|=BIT0; P2IES&=BIT0; P2IE|=BIT1; P2IES&=BIT1; P2IE|=BIT2; P2IES&=BIT2; P2IE|=BIT3; P2IES&=BIT3; P2IE|=BIT4; P2IES|=BIT4; P2DIR|=BIT5; P2DIR|=BIT6; P2DIR|=BIT7; P2_7_H;/高阻 P3SEL=0; P3DIR=0XFF; P6SEL=0; P6DIR|=BIT3;

37、/_EINT();int keyprocess(void) int np10,np11,np12,np13; int nres=0; /P1.5輸出低電平 P1OUT=0xd0; np10=P1IN&BIT0; if(np10=0) nres=7; np11=(P1IN&BIT1)>>1; if(np11=0) nres=1; np12=(P1IN&BIT2)>>2; if(np12=0) nres=4; np13=(P1IN&BIT4)>>4; if(np13=0) nres=11;/取消鍵 /P1.6輸出低電平 P1OUT

38、=0xb0; np10=P1IN&BIT0; if(np10=0) nres=8; np11=(P1IN&BIT1)>>1; if(np11=0) nres=2; np12=(P1IN&BIT2)>>2; if(np12=0) nres=5; np13=(P1IN&BIT4)>>4; if(np13=0) nres=0; /P1.7輸出低電平 P1OUT=0x70; np10=P1IN&BIT0; if(np10=0) nres=9; np11=(P1IN&BIT1)>>1; if(np11=0)

39、nres=3; np12=(P1IN&BIT2)>>2; if(np12=0) nres=6; np13=(P1IN&BIT4)>>4; if(np13=0) nres=12;/確定鍵 P1OUT=0x00; /恢復(fù)以前值 for(;) /讀各個(gè)管腳的狀態(tài) np10=P1IN&BIT0; np11=(P1IN&BIT1)>>1; np12=(P1IN&BIT2)>>2; np13=(P1IN&BIT4)>>4; if(np10=1&&np11=1&&np1

40、2=1&&np13=1) /等待松開按鍵 break; return nres;int keyscan(void) int np10,np11,np12,np13; int nres=0; for(;) /讀取各個(gè)管腳的狀態(tài) np10=P1IN&BIT0; np11=(P1IN&BIT1)>>1; np12=(P1IN&BIT2)>>2; np13=(P1IN&BIT4)>>4; /是否有鍵被按下 if(np10=0|np11=0|np12=0|np13=0) /有鍵被按下 _NOP(); break; Delay(50); /讀各個(gè)管腳的狀態(tài) np10=P1IN&BIT0; np11=(P1IN&BIT1)>>1; np12=(P1IN&BIT2)>>2; np13=(P1IN&BIT4)>>4; /是否有鍵被按下 if(np10=0|np11=0|np12=0|np13=0) /有鍵被按下,進(jìn)行按鍵分析 nres=keyprocess(); else return 10;/非有效鍵