基于單片機(jī)農(nóng)業(yè)灌溉的設(shè)計(jì)

摘要水是人類最重要的根本要素，地球上的生物所需要的水，絕大局部來(lái)自河流、湖泊、冰川和海洋等。我國(guó)是世界上13個(gè)貧水國(guó)之一，我國(guó)水資源總量為2.8萬(wàn)億立方米，人均水資源占有量卻只有世界人均水平的l/4。尤其是近幾年，經(jīng)常發(fā)生洪澇災(zāi)害和資源短缺，同時(shí)，由于資源的過(guò)度開(kāi)發(fā)，環(huán)境污染，生態(tài)的破壞，我國(guó)的水資源已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)非常緊張的狀態(tài)。其中農(nóng)業(yè)灌溉用水占全國(guó)年總用水量的67％左右，是節(jié)水潛力最大的領(lǐng)域。因此改良農(nóng)業(yè)灌溉方式是節(jié)約農(nóng)業(yè)用水的主要途徑。滴灌，在農(nóng)業(yè)灌溉方式中屬于最有效，最節(jié)約的一種灌溉方式。我所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要包括兩個(gè)局部，一是硬件電路，二是軟件設(shè)計(jì)。主要由土壤濕度傳感器,信號(hào)處理電路,顯示電路,輸出控制電路,故障報(bào)警電路等組成,軟件選用匯編語(yǔ)言編程。其中單片機(jī)選用的是AT89C51型；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路選用的是外部靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264；數(shù)據(jù)采集電路選用的是A/D轉(zhuǎn)換器AD574；系統(tǒng)的采用6位LED作為顯示器，其中74LS138實(shí)現(xiàn)其位選，CD4543實(shí)現(xiàn)其段選。另外，軟件局部主要包括對(duì)主程序、數(shù)據(jù)采樣子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、顯示子程序以及各自的程序框圖的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)單因子、雙路數(shù)據(jù)采集處理功能,如稍加改變,便可實(shí)現(xiàn)對(duì)多因子和多輸入數(shù)據(jù)的采集處理功能。該系統(tǒng)靈活性強(qiáng),易于操作,可靠性高,將會(huì)有更廣闊的開(kāi)發(fā)前景。關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)灌溉；單片機(jī)；傳感器；A/D轉(zhuǎn)換；LED顯示AbstractWateristhemostimportantbasicelements,thecreaturesontheearthneedswater,mostofthatcomesfromrivers,lakes,glaciersandsea,etc.Isoneoftheworld's13PinShuiGuoinourcountry,thetotalwaterresourcesinourcountryis2.8trillioncubicmeters,percapitawaterresourcesisonlyl/4oftheworld'saverage.Especiallyinrecentyears,frequentfloodsandshortageofresources,atthesametime,duetotheexcessivedevelopmentofresources,environmentalpollutionandecologicaldestruction,waterresourcesinourcountryhasenteredaverytightstate.Agriculturalirrigationwateraccountsfortheyeartoabout67%ofthetotalwaterconsumption,isoneofthelargestfieldwater-savingpotential.Sotoimprovethewayofagriculturalirrigationisthemainchannelofagriculturalwatersaving.Indripirrigation,agriculturalirrigationmethodsareamongthemosteffective,oneofthemostsavingirrigationmethods.

Idesignsystemmainlyincludestwoparts,oneisthehardwarecircuitandsoftwaredesign.Mainlybythesoilmoisturesensor,signalprocessingcircuit,displaycircuit,theoutputcontrolcircuit,faultalarmcircuitandsoon,softwareuseassemblylanguageprogramming.

OneofMCUselectionisAT89C51type;Datastoragecircuitchooseexternalstaticdatastorage6264;DataacquisitioncircuitselectsA/DconverterAD574;SystemusingsixLEDasadisplay,ofwhich74ls138achieveitschosen,CD4543achieveitssegment.Inaddition,thesoftwarepartmainlyincludesthemainprogram,likedatamining,dataprocessingsubroutineanddisplaysubroutineandtherespectiveprogramblockdiagramofthesimpledesign.

Thissystemcanrealizesinglefactor,thedualdataacquisitionprocessingfunctions,suchasalittlechange,canrealizethemultiplefactorsandmultipleinputdatacollectionandprocessingfunctions.Thesystemflexibilityisstrong,easytooperate,highreliability,therewillbemorebroadprospectsfordevelopment.Keywords:agriculturalirrigation;singlechip;detector;A/Dconverter;LEDmonitor目錄TOC\o"1-3"\f\u摘要 IAbstract II第1章引言 11.1農(nóng)業(yè)自動(dòng)灌溉的背景 11.2國(guó)內(nèi)、外灌溉現(xiàn)狀及開(kāi)展趨勢(shì) 21.3課題研究目的及主要內(nèi)容 4第2章農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉系統(tǒng) 62.1滴灌原理概述 62.2土壤濕度傳感器 72.3模糊控制 92.3.1模糊控制的定義 92.3.2模糊控制的特點(diǎn)

92.3.3模糊控制的根本原理

9第3章基于MCS-51單片機(jī)的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 113.1單片機(jī)選型及分析 113.1.1單片機(jī)的開(kāi)展概況 113.1.2單片機(jī)的分類 123.2時(shí)鐘電路 163.3復(fù)位電路 173.4A/D轉(zhuǎn)換電路 173.5數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路 203.6LED顯示電路 223.7串行通信電路 263.8報(bào)警電路 29第4章基于MCS-51單片機(jī)的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)314.1系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) 324.2數(shù)據(jù)采集子程序 334.3數(shù)據(jù)處理子程序 344.4數(shù)據(jù)顯示子程序 354.5數(shù)據(jù)通信子程序 37第5章結(jié)論38參考文獻(xiàn) 39致謝 40附錄 41附錄A：程序清單41附錄B：基于單片機(jī)的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的電路原理圖45第1章引言1.1農(nóng)業(yè)自動(dòng)灌溉的背景水是一切生命過(guò)程中不可替代的根本要素，但是現(xiàn)在國(guó)家的根本國(guó)情很嚴(yán)峻，特別是北方地區(qū)嚴(yán)重缺水，我國(guó)是世界上13個(gè)貧水國(guó)之一，我國(guó)現(xiàn)在的水資源總量為2.8萬(wàn)億m3，人均水資源量只占全國(guó)人均水平的1/4，畝均水資源那么僅約世界水平的1/2，目前，全國(guó)正常年份缺水量近400億m3，其中農(nóng)業(yè)缺水約300億m3.不但水量嚴(yán)重缺乏，而且水污染情況也日趨嚴(yán)重，2005年初據(jù)監(jiān)測(cè)顯示，七大長(zhǎng)江受到污染的河段已經(jīng)到達(dá)53.3%，這其中劣V類水占到28.5%，尤其是北方黃、淮、海三大流域既是左右我國(guó)重要的糧食基地，但是水資源這么匱乏，顯然情況非常嚴(yán)峻?；谵r(nóng)業(yè)灌溉是用水大戶，其用水量約占全國(guó)總用水量的70%左右，在西北地區(qū)那么占到90%，其中90%用于種植農(nóng)業(yè)灌溉。因此，為了應(yīng)對(duì)日趨嚴(yán)重的缺水形式，建立節(jié)水型社會(huì)，開(kāi)展農(nóng)業(yè)灌溉是刻不容緩的一件事。因而，解決農(nóng)業(yè)灌溉用水的問(wèn)題，對(duì)于緩解水資源的緊缺是非常重要的。我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉用水占全國(guó)年總用水量的67％左右，是節(jié)水潛力中最大的領(lǐng)域，節(jié)約灌溉用水對(duì)我國(guó)實(shí)施可持續(xù)開(kāi)展戰(zhàn)略具有重要意義。因?yàn)椋菏紫?、農(nóng)田灌溉消耗水最多，差不多占全國(guó)總消耗水量的2/3，其中北方地區(qū)更是到達(dá)80%左右，假設(shè)實(shí)行節(jié)約灌溉系統(tǒng)那么可有效緩解對(duì)水的供不應(yīng)求；其次、目前我國(guó)農(nóng)田灌溉消耗很多無(wú)效水資源，開(kāi)展節(jié)水灌溉系統(tǒng)不但可以減少無(wú)效耗水，同時(shí)還可以減少土地鹽漬化危害和面源污染，改善生態(tài)問(wèn)題，一舉多得[1]。在灌溉領(lǐng)域合理地推廣自動(dòng)化控制，不僅可以提高資源利用率，緩解水資源日趨緊張的矛盾，還可以增加農(nóng)作物的產(chǎn)量，降低農(nóng)產(chǎn)品的本錢(qián)。灌溉系統(tǒng)的自動(dòng)化水平較低，這也是制約我國(guó)高效農(nóng)業(yè)開(kāi)展的主要原因。經(jīng)過(guò)多年的研究，國(guó)外灌溉控制器已經(jīng)趨于成熟化，但價(jià)格昂貴，國(guó)內(nèi)雖然引進(jìn)一些，但大多數(shù)都是農(nóng)業(yè)示范區(qū)，單位。國(guó)內(nèi)的一些高爾夫球場(chǎng)等大面積場(chǎng)地灌溉控制，一般引用國(guó)外現(xiàn)成的成套灌溉控制產(chǎn)品，但是對(duì)于多數(shù)農(nóng)村，根據(jù)我國(guó)根本國(guó)情和各地經(jīng)濟(jì)以及技術(shù)的開(kāi)展?fàn)顩r來(lái)看，采用簡(jiǎn)單可行的節(jié)水灌溉控制措施及相應(yīng)的排灌機(jī)械和設(shè)備，大力開(kāi)展可靠實(shí)用及操作簡(jiǎn)單的節(jié)水灌溉控制器，這樣不僅能夠擴(kuò)大市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)，而且有巨大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。節(jié)水農(nóng)業(yè)灌溉即由傳統(tǒng)的充分灌溉向非充分灌溉開(kāi)展，對(duì)灌溉區(qū)域用水情況進(jìn)實(shí)時(shí)行監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，實(shí)行動(dòng)態(tài)的管理。同時(shí)采用傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)土壤的濕度情況以及農(nóng)作物的生長(zhǎng)情況，從而實(shí)現(xiàn)水管理的自動(dòng)化。高效農(nóng)業(yè)和精細(xì)農(nóng)業(yè)要求我們必須提高水資源的利用率。要真正實(shí)現(xiàn)水資源的高效，僅憑單向節(jié)水灌溉是不可能實(shí)現(xiàn)的。必須將水源開(kāi)發(fā)、輸配水、灌水技術(shù)和降雨、蒸發(fā)、土壤情況和農(nóng)作物需水規(guī)律等方面統(tǒng)一考慮。做到降水、灌溉水、土壤水和地下水聯(lián)合調(diào)用，實(shí)現(xiàn)按期、按需、按量自動(dòng)供水。節(jié)水自動(dòng)灌溉技術(shù)現(xiàn)在在興旺國(guó)家，尤其是大面積種植或缺水地區(qū)極其適用。按灌溉方式分為噴灌、地面灌、微灌等。微灌又分為滴灌、微噴灌、涌泉灌、地下滲灌。節(jié)水自動(dòng)灌溉將充分發(fā)揮現(xiàn)有的節(jié)水設(shè)備的作用，即優(yōu)化調(diào)度，提高效益；通過(guò)自動(dòng)控制節(jié)水技術(shù)的應(yīng)用，更加節(jié)水節(jié)能，降低灌溉本錢(qián)，提高灌溉質(zhì)量；使灌溉更加科學(xué)、方便，提高管理水平；研制和推廣節(jié)水灌溉控制新技術(shù)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的需要[2]。1.2國(guó)內(nèi)、外灌溉現(xiàn)狀及開(kāi)展趨勢(shì)地面灌溉技術(shù)研究方面，水平畦灌、階式水平畦灌的研究不斷深入，傳統(tǒng)的畦灌、溝灌也由過(guò)去單純研究灌水技術(shù)要素對(duì)灌水均勻性、水分深層滲漏的影響，轉(zhuǎn)向綜合研究灌水技術(shù)要素對(duì)土壤水肥運(yùn)移、對(duì)水肥淋失的影響；同時(shí)，開(kāi)發(fā)了膜上灌等新型灌水技術(shù)，并得到較大面積推廣。水平畦灌是田面非常平整條件下的畦灌，要求供水流量大、土地平整精度高，必須在進(jìn)行大地測(cè)量后，采用激光平地技術(shù)。該技術(shù)在美國(guó)等興旺國(guó)家被稱為是地面灌溉最重要的進(jìn)展之一。波涌灌溉利用了致密層在開(kāi)展中不斷減小田面糙率與土壤入滲特性這一客觀規(guī)律，逐次為以后各周期的灌溉水流創(chuàng)造了一個(gè)加速水流推進(jìn)與提高減滲效果的新接口。渾水波涌灌溉那么是利用含沙量較高的水進(jìn)行波涌灌溉，能夠起到更加明顯的效果。在噴、技術(shù)研究方面，國(guó)外一直非常重視噴灌水肥需求規(guī)律及水肥耦合高效利用方面的研究，施肥灌溉應(yīng)用十分普遍。在微灌水肥高效利用方面，以色列、美國(guó)、荷蘭等國(guó)家對(duì)不同作物的施肥灌溉制度和微灌施肥灌溉專用液體肥料進(jìn)行了20～30年的研究，取得了豐富的成果，已經(jīng)研制出了針對(duì)多種經(jīng)濟(jì)作物水肥高效利用的專家管理系統(tǒng)。我國(guó)從20世紀(jì)70年代起，就針對(duì)微灌開(kāi)始了研究和試驗(yàn)示范工作，開(kāi)展了微灌條件下的土壤水分與溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律、日光溫室和大田經(jīng)濟(jì)作物的灌溉制度、水肥耦合模式、滴灌施肥技術(shù)等研究工作。在噴微灌設(shè)備方面，對(duì)注肥設(shè)備的研制取得了可喜的進(jìn)展，但對(duì)滴灌施肥灌溉條件下養(yǎng)分的運(yùn)移以及施肥灌溉系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)幾乎沒(méi)有涉及。施肥灌溉自動(dòng)控制環(huán)節(jié)薄弱，施肥灌溉軟件方面研究嚴(yán)重滯后是造成這一局面的主要原因。國(guó)外現(xiàn)有滴灌施肥灌溉自動(dòng)控制軟件也只能在給定施肥量的情況下控制肥液濃度與施肥歷時(shí)，而未能將作物施肥灌溉制度、土壤特性、氮素運(yùn)移模式相結(jié)合，形成決策、管理一體化的軟件。國(guó)外由于長(zhǎng)期的技術(shù)積累，一些著名公司不斷有新產(chǎn)品推出。在節(jié)水灌溉產(chǎn)品快速開(kāi)發(fā)平臺(tái)技術(shù)中，提出的高精度快速成型專用設(shè)備是快速成型領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，但是目前沒(méi)有見(jiàn)到開(kāi)發(fā)成功的報(bào)道。特別是微涂層的實(shí)現(xiàn)是技術(shù)難點(diǎn)，由于受到材料性能的限制，依靠自然流平無(wú)法到達(dá)很小的層厚，并且受到外表浸潤(rùn)性能的影響，必須采取相應(yīng)措施才能實(shí)現(xiàn)，目前正從材料、涂層方法方面力爭(zhēng)有所突破。近幾年，根據(jù)中國(guó)國(guó)情，我國(guó)已研發(fā)出大射程旋轉(zhuǎn)式微噴頭、長(zhǎng)流道新型薄壁微灌帶、帶離心清洗裝置的自動(dòng)反沖過(guò)濾器、帶穩(wěn)壓機(jī)構(gòu)的連續(xù)精量水動(dòng)式施肥泵、低壓壓力調(diào)節(jié)器、節(jié)能異形噴嘴、可調(diào)霧化程度及射程的多功能噴頭、新型短流道噴頭、輕小型噴灌機(jī)組、新型中遠(yuǎn)射程噴頭、國(guó)產(chǎn)激光控制精細(xì)平地鏟運(yùn)設(shè)備等節(jié)水灌溉設(shè)備和系統(tǒng)。一批節(jié)水產(chǎn)品初步表現(xiàn)出較強(qiáng)的市場(chǎng)前景和進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的潛力。如蜂窩管滲流集蓄新產(chǎn)品，長(zhǎng)流道新型薄壁微灌帶，帶離心清洗裝置的自動(dòng)反沖過(guò)濾器，帶穩(wěn)壓機(jī)構(gòu)的連續(xù)精量水動(dòng)式施肥泵，作物根區(qū)局部控水灌溉裝置，國(guó)產(chǎn)激光控制精細(xì)平地鏟運(yùn)設(shè)備，控制性分根交替灌溉孔口灌灌水器和交替閥等將會(huì)取得較大突破[3]。在工程節(jié)水技術(shù)方面,國(guó)內(nèi)外的研究主要集中在渠系建筑物建設(shè)技術(shù)方面。相對(duì)來(lái)說(shuō)，技術(shù)正在趨于成熟，主要是探索新型建筑結(jié)構(gòu)形式。而新材料配方及其應(yīng)用技術(shù)的研究卻相對(duì)要活潑得多。國(guó)內(nèi)外都正在較普遍的將高分子材料應(yīng)用在渠道防滲中，尤其是在高分子膜料的應(yīng)用上已取得了不少實(shí)用的研究成果。但薄膜易刺破和凍脹地區(qū)凍融破壞的問(wèn)題還沒(méi)有很好的解決。因此，各國(guó)都正在不斷研究開(kāi)發(fā)技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理的高分子合成新材料。我國(guó)目前采用的渠道防滲防凍技術(shù)主要是保溫整體剛性防滲防凍脹措施，適應(yīng)性較差、易損壞或本錢(qián)高。剛?cè)峤Y(jié)構(gòu)具有適應(yīng)凍融變形、脹而不裂和防滲、減輕凍脹的特性，能同時(shí)有效解決滲漏和凍脹的問(wèn)題，應(yīng)用高分子材料研制技術(shù)可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)合理的剛?cè)峄旌辖Y(jié)構(gòu)或純?nèi)嵝越Y(jié)構(gòu)作為渠道的護(hù)砌結(jié)構(gòu)是我國(guó)科技人員正在努力研究的方向。在灌區(qū)灌溉用水管理中，綜合各種預(yù)測(cè)技術(shù)、優(yōu)化技術(shù)的灌溉用水計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)已開(kāi)始在我國(guó)灌區(qū)大面積應(yīng)用，使灌區(qū)的灌溉用水實(shí)現(xiàn)了由靜態(tài)用水向動(dòng)態(tài)用水的轉(zhuǎn)變，為提高灌區(qū)水資源的利用率提供了技術(shù)保障。為實(shí)現(xiàn)渠系優(yōu)化配水的要求，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)的渠道水量、流量實(shí)時(shí)調(diào)控的研究也在國(guó)內(nèi)外逐步興起。灌區(qū)用水管理系統(tǒng)方面，已逐步轉(zhuǎn)向研究將數(shù)據(jù)庫(kù)、模型庫(kù)、知識(shí)庫(kù)和地理信息系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的灌區(qū)節(jié)水灌溉綜合決策支持系統(tǒng)。特別是近年來(lái)興旺國(guó)家已開(kāi)展了基于田間水肥等生產(chǎn)要素的巨大差異性，利用GPS和G1S、RS和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，精細(xì)準(zhǔn)確調(diào)整灌水施肥的精準(zhǔn)灌溉技術(shù)研究，為最大限度地優(yōu)化各項(xiàng)農(nóng)業(yè)投入，充分挖掘田間水肥差異性所隱含的增產(chǎn)潛力創(chuàng)造了條件。實(shí)現(xiàn)灌區(qū)現(xiàn)代化管理，首先要有灌溉工程控制設(shè)備的自動(dòng)化，其次有先進(jìn)的系統(tǒng)運(yùn)行軟件對(duì)系統(tǒng)控制問(wèn)題進(jìn)行決策，從而建立灌區(qū)現(xiàn)代化管理決策支持系統(tǒng)，指導(dǎo)灌溉用水過(guò)程。1.3課題研究目的及主要內(nèi)容節(jié)水灌溉技術(shù)及其配套設(shè)備，在我國(guó)經(jīng)過(guò)近30多年的快速開(kāi)展，在總結(jié)相關(guān)成果的根底上，初步形成了其技術(shù)體系，在某些方面已到達(dá)或接近國(guó)際先進(jìn)水平。但由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)開(kāi)展水平及科研體制的限制，我國(guó)的節(jié)水灌溉技術(shù)與興旺國(guó)家還有很大的差距。隨著我國(guó)水資源供需矛盾日益鋒利，農(nóng)業(yè)用水分配額減少的問(wèn)題勢(shì)必日益突出，同時(shí)為了緩解我國(guó)進(jìn)入WTO外國(guó)農(nóng)產(chǎn)品對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)開(kāi)展的壓力，如何快速開(kāi)展我國(guó)的節(jié)水灌溉技術(shù)及其配套設(shè)備，從而緩解我國(guó)農(nóng)業(yè)用水壓力及開(kāi)展高品質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品以加大同國(guó)外產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)是一個(gè)不容無(wú)視的嚴(yán)峻問(wèn)題。我國(guó)目前95%以上的灌溉面積采用地面灌溉方法。改良地面灌溉技術(shù)，提高地面灌溉的灌水效果對(duì)緩解我國(guó)水資源短缺、保持灌溉農(nóng)業(yè)的可持續(xù)開(kāi)展具有重要意義。本課題任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)通過(guò)單片機(jī)控制的節(jié)能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)。要實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、平安可靠、實(shí)時(shí)性好、靈敏度高；功耗低，操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。測(cè)量數(shù)據(jù)能夠在LED上顯示出來(lái)，結(jié)果直觀。和傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備相比本錢(qián)大大降低，而且抗干擾性好、安裝維護(hù)方便、測(cè)量精度高，具有較高的性能和價(jià)格比。該系統(tǒng)可對(duì)不同土壤的適度進(jìn)行監(jiān)控，并進(jìn)行適時(shí)、適量的灌溉。第2章農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉系統(tǒng)2.1滴灌原理概述滴灌〔dripirrigation〕是利用塑料管道將水通過(guò)直徑約10mm毛管上的孔口或滴頭送到作物根部進(jìn)行局部灌溉。它是目前干旱缺水地區(qū)最有效的一種節(jié)水灌溉方式，水的利用率可達(dá)95％。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的節(jié)水灌溉設(shè)備、配套器材制造廠多為一些轉(zhuǎn)產(chǎn)的小企業(yè)，生產(chǎn)技術(shù)裝備落后、專業(yè)化生產(chǎn)程度低，生產(chǎn)與科研脫節(jié)，這是國(guó)產(chǎn)節(jié)水灌溉設(shè)備本錢(qián)高，性能不穩(wěn)定、質(zhì)量差、不耐用的根本原因。國(guó)產(chǎn)設(shè)備價(jià)高，質(zhì)量差不僅影響了技術(shù)的推廣應(yīng)用，還給農(nóng)民造成不應(yīng)有的經(jīng)濟(jì)損失，甚至挫傷農(nóng)民節(jié)水灌溉的積極性。因此，抓好噴灌、滴灌、微噴灌的設(shè)備生產(chǎn)，以質(zhì)優(yōu)、價(jià)廉的國(guó)產(chǎn)設(shè)備來(lái)支持高效節(jié)水灌溉技術(shù)的加速開(kāi)展是必要的。在事實(shí)上，加速開(kāi)展高效節(jié)水灌溉技術(shù)與節(jié)水灌溉設(shè)備和配套器材制造業(yè)的開(kāi)展壯大，也是存在互動(dòng)關(guān)系，相互依存，相互促進(jìn)開(kāi)展，也是可以取得“雙贏〞的效果。(1)微灌具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①省水。比正常的地面灌溉省了1/3-1/2，比噴灌省水15%-25%。

②節(jié)能微灌比噴灌的工作壓力低、耗能少。③增產(chǎn)。有利于實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn),增產(chǎn)微灌能為作物提供了良好的生長(zhǎng)環(huán)境，，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

④保持土壤結(jié)構(gòu)。⑤節(jié)省勞動(dòng)力和耕地面積。

⑥利用咸水、污水咸水、污水經(jīng)過(guò)處理后，當(dāng)水質(zhì)到達(dá)要求時(shí)可進(jìn)行微灌灌溉[4]。(2)微灌具有以下缺點(diǎn)：①本錢(qián)比擬高。②灌水器易堵塞。③容易引起淺層土壤鹽分積累。④其他潛在風(fēng)險(xiǎn)。(3)滴灌技術(shù)的開(kāi)展①以色列滴管技術(shù)的開(kāi)展(a)1962年以色列農(nóng)民發(fā)現(xiàn)滴灌有很好的灌溉效果。(b)1964年耐特菲姆公司誕生。(c)以色列滴灌系統(tǒng)目前已是第六代。(d)以色列國(guó)土面積為2.1萬(wàn)km2，耕地面積660萬(wàn)畝，農(nóng)業(yè)灌溉用水僅為13億m3,還成為歐洲的“廚房〞。一個(gè)農(nóng)業(yè)可養(yǎng)活90-100人。②我國(guó)滴灌的開(kāi)展(a)我國(guó)于1976年開(kāi)始研制滴灌設(shè)備。(b)從1998年開(kāi)始國(guó)家建設(shè)300個(gè)節(jié)水重點(diǎn)縣。(c)2006年我國(guó)滴灌技術(shù)累計(jì)推廣面積已達(dá)1000萬(wàn)畝[5]。本系統(tǒng)是一種高效率、低本錢(qián)的灌溉優(yōu)化控制系統(tǒng)。系統(tǒng)布線簡(jiǎn)單易行，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示土土壤濕度傳感器A/D轉(zhuǎn)換器AT89C51單片機(jī)RS232LED顯示報(bào)警放大驅(qū)動(dòng)PC機(jī)數(shù)據(jù)顯示電磁閥圖2-1單片機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2土壤濕度傳感器隨著全球水資源的緊缺，特別是我國(guó)淡水資源的缺乏，加上我國(guó)又是農(nóng)業(yè)上的大國(guó)，于對(duì)于雨水的要求十分的高，現(xiàn)在很多科學(xué)家致力于濕度傳感器以求到達(dá)節(jié)約農(nóng)業(yè)用水的效果。濕度傳感器主要用來(lái)測(cè)量土壤容積含水量，做土壤墑情監(jiān)測(cè)及農(nóng)業(yè)灌溉和林業(yè)防護(hù)。

根本設(shè)計(jì)原理

該傳感器的設(shè)計(jì)原理是通過(guò)測(cè)量電極之間的電阻值來(lái)表征土壤濕度的大小。由于土壤中含有礦物質(zhì)離子，而這些離子又溶解在土壤中。假設(shè)將兩個(gè)電極插在土壤中，兩電極之間就會(huì)有離子通過(guò)，因此通過(guò)測(cè)量?jī)呻姌O之間的電阻值就可以表征土壤濕度的含量。由于兩級(jí)間的電阻與電壓成正比，所以通過(guò)計(jì)算兩級(jí)的電壓來(lái)表征土壤濕度。在測(cè)量電壓之前，需將傳感器得到的模擬電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)以便單片機(jī)處理[6]。傳感器中信息輸入的窗口是檢測(cè)系統(tǒng)中與被測(cè)對(duì)象直接發(fā)生聯(lián)系的局部，它為檢測(cè)系統(tǒng)提供必要的原始信息。檢測(cè)系統(tǒng)獲取信息的質(zhì)量也往往是由傳感器的性能一次性確定。為了能使其輸出在精度要求范圍之內(nèi)反映被測(cè)量，傳感器必須具備一定的根本特性，因?yàn)橹挥羞@樣，傳感器的輸出才能作為其輸出的量度。傳感器的根本特性一般分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性兩類。一系列靜態(tài)參數(shù)來(lái)描述和表征傳感器的靜態(tài)特性，即當(dāng)被測(cè)量不隨時(shí)間變化或變化很慢時(shí)可用。當(dāng)被測(cè)量隨時(shí)間變化很快，可用一系列動(dòng)態(tài)參數(shù)來(lái)描述和表征傳感器的動(dòng)態(tài)特性[7]。本設(shè)計(jì)采用的是美國(guó)生產(chǎn)的AQUA-TEL-TDR便攜式土壤水分儀。AQUA-TEL-TDR便攜式土壤水分儀適用于測(cè)量任何土壤的含水量，采用先進(jìn)的TDR原理，可以直接輸出電信號(hào)，也可配專用的手持讀數(shù)表，直接顯示土壤的含水量，因其價(jià)格低廉，廣泛應(yīng)用到節(jié)水灌溉、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究等領(lǐng)域[8]。其技術(shù)參數(shù)如下：(1)測(cè)量土壤水分范圍:0-100%vol(2)重復(fù)性誤差:<1(3)溫度范圍:-600℃to850℃；精度:+2℃(4)電源:12VDC士20%40mA(5)輸出:0～1mA可選4～20mA或0～5V其特點(diǎn)如下：(1)可長(zhǎng)期埋設(shè)；(2)長(zhǎng)度增加，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性；(3)容易攜帶，使用簡(jiǎn)單；(4)能耗極低；(5)最經(jīng)濟(jì)的TDR原理水分探頭。2.3模糊控制2.3.1模糊控制的定義定義：從廣義上，可將模糊控制定義為：“以模糊集合理論、模糊語(yǔ)言變量及模糊推理為根底的一類控制方法〞，或定義為：“采用模糊集合理論和模糊邏輯，并同傳統(tǒng)的控制理論相結(jié)合，模擬人的思維方式，對(duì)難以建立數(shù)學(xué)模型的對(duì)象實(shí)施所謂一種控制方法〞。

模糊理論(FuzzyTheory)能解決真實(shí)世界普遍存在的一些模糊的現(xiàn)象，并且以模糊集合理論來(lái)處理不易量化的問(wèn)題，以便于能適當(dāng)而可靠的處理人們主觀評(píng)估問(wèn)題的方法。1974年,英國(guó)的E.H.Mamdani首次用模糊邏輯和模糊推理實(shí)現(xiàn)了世界上第一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的蒸汽機(jī)控制,并取得了比傳統(tǒng)的直接數(shù)字控制算法更好的效果,從而宣告模糊控制的誕生。2.3.2模糊控制的特點(diǎn)(1)模糊控制不需要被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。模糊控制是以人對(duì)被控對(duì)象的控制經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)而設(shè)計(jì)的控制器，故無(wú)須知道被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。

(2)模糊控制是反映人類智慧的智能控制方法。模糊控制采用人類思維中的模糊量，如“高〞，“中〞、“低〞、“大〞、“小〞等，空置量由模糊推理導(dǎo)出。這些模糊量是人類智能活動(dòng)的表達(dá)。

(3)模糊控制已被人們接受。模糊控制的核心是控制規(guī)那么，模糊規(guī)那么是用語(yǔ)言來(lái)表示的。

(4)構(gòu)造容易。模糊控制規(guī)那么易于軟件實(shí)現(xiàn)。

(5)魯棒性和適應(yīng)性好[9]。

2.3.3模糊控制的根本原理模糊控制的原理：模糊控制是一種建立在模糊數(shù)學(xué)理論根底之上的基于規(guī)那么的智能控制方法，以模糊集理論、模糊語(yǔ)言變量和模糊邏輯推理為根底的一種智能控制方法，它是從行為上模仿人的模糊推理和決策過(guò)程的一種智能控制方法。作為一種較新的智能控制方式，模糊控制也要遵循一定的規(guī)律和法那么，該方法首先將操作人員或?qū)＜医?jīng)驗(yàn)編成模糊規(guī)那么[10]，然后將來(lái)自傳感器的實(shí)時(shí)信號(hào)模糊化，將模糊化后的信號(hào)作為模糊規(guī)那么的輸入，完成模糊推理，將推理后得到的輸出量加到執(zhí)行器上。模糊控制的核心在于模糊控制器。意思就是模糊控制是通過(guò)模糊控制器實(shí)現(xiàn)的。模糊控制器有一定的語(yǔ)句，含有人類對(duì)被控對(duì)象即模糊檢測(cè)的模糊命令。目前人們所研究的模糊控制是由計(jì)算機(jī)去執(zhí)行的。模糊控制器個(gè)局部功能如表2-1所示：表2-1模糊控制器各局部功能名稱功能模糊接口完成被控對(duì)象有關(guān)狀態(tài)的精確量向相應(yīng)模糊量的轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)知識(shí)庫(kù)計(jì)算機(jī)把用于模糊控制的知識(shí)庫(kù)儲(chǔ)存內(nèi)部，以備知識(shí)推理使用決策功能模糊控制的核心功能，模擬人類的決策能力進(jìn)行模糊決策反模糊接口把模糊控制器執(zhí)行決策后產(chǎn)生的模糊控制量轉(zhuǎn)換成適宜的模糊控制規(guī)那么，并向模糊化接口提供模糊量的隸屬函數(shù)形態(tài)。模糊控制的優(yōu)點(diǎn)：(1)它是一種非線性控制方法，工作范圍寬，使用范圍廣，特別適合非線性系統(tǒng)的控制。(2)它不依賴于對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，對(duì)無(wú)法建?；蚝茈y建模的的復(fù)雜對(duì)象，也能利用人的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)模糊控制器完成控制任務(wù)；而傳統(tǒng)的控制方法都要被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，才能設(shè)計(jì)控制器。(3)它具有內(nèi)在的并行處理機(jī)制，對(duì)被控對(duì)象的特性變化不敏感，模糊控制器的設(shè)計(jì)參數(shù)容易選擇調(diào)整。不需很多理論知識(shí)，容易普及推廣。

第3章基于MCS-51單片機(jī)的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)3.1單片機(jī)選型及分析3.1.1單片機(jī)的開(kāi)展概況從1946年世界公認(rèn)的第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)ENIAC在美國(guó)賓西法尼亞大學(xué)誕生起，在計(jì)算機(jī)的開(kāi)展過(guò)程中，它主要是朝著大型和快速開(kāi)展。計(jì)算機(jī)功能的大致演變過(guò)程為：從數(shù)值計(jì)算的人力替代到近代計(jì)算機(jī)的海量數(shù)值計(jì)算，再到過(guò)程的模擬仿真、分析和決算。在此期間。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的不斷開(kāi)展和人們需求的多樣化，微型計(jì)算機(jī)異軍突起，從而導(dǎo)致計(jì)算機(jī)向兩個(gè)方向開(kāi)展，一個(gè)是向高速度、高性能的通用計(jì)算機(jī)方向開(kāi)展；另一個(gè)是向穩(wěn)定可靠、小而廉價(jià)的嵌入式計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ糜?jì)算機(jī)方向開(kāi)展。計(jì)算機(jī)專業(yè)領(lǐng)域集中精力開(kāi)展通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟硬件技術(shù)，不必兼顧嵌入式應(yīng)用要求，通用微處理器迅速?gòu)?86、386、486、586開(kāi)展到奔騰系列，操作系統(tǒng)那么迅速升級(jí)到高速海量的數(shù)據(jù)文件處理單片機(jī)是最典型的嵌入系統(tǒng)，起源于微型計(jì)算機(jī)時(shí)代。單片機(jī)的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了最底層的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，帶有明顯的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)模式的特點(diǎn)，此時(shí)大多數(shù)單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)的人員都是對(duì)象系統(tǒng)領(lǐng)域中的電子工程師。他們將單片機(jī)以智能化器件的身份用于電子系統(tǒng)，脫離了計(jì)算機(jī)專業(yè)領(lǐng)域，沒(méi)有帶入“嵌入式系統(tǒng)〞概念，但從學(xué)科的角度應(yīng)該把統(tǒng)一為“嵌入式系統(tǒng)〞單片機(jī)的產(chǎn)生與應(yīng)用將開(kāi)展計(jì)算機(jī)技術(shù)人為擴(kuò)展到系統(tǒng)領(lǐng)域，使計(jì)算機(jī)成為人類社會(huì)全面智能化的有力工具。單片機(jī)的開(kāi)展大致經(jīng)歷了4個(gè)階段第一階段〔1970~1973〕為4位單片機(jī)階段第二階段〔1974~1977〕為低中檔8位單片機(jī)階段第三階段〔1978~1982〕位高檔8位單片機(jī)階段第四階段〔1983年至今〕為8位單片機(jī)階段及16位，32位單片機(jī)推出階段3.1.2單片機(jī)的分類(1)4位單片機(jī)4位單片機(jī)的控制功能較弱，CPU一次只能處理4位二進(jìn)制數(shù)，這類單片機(jī)常用于計(jì)算器各種形態(tài)的智能單元以及作為家用電器重的控制器。(2)8位單片機(jī)8位單片機(jī)的控制功能較強(qiáng)，品種最為齊全，和4位單片機(jī)相比，它不僅具有較大的存儲(chǔ)容量和尋址范圍，而且中斷源，并行I/O接口和定時(shí)器/計(jì)算器個(gè)數(shù)都有了不同程度的增加。并集成有全雙工串行通信接口。在指令系統(tǒng)方面，普遍增設(shè)了乘除指令和比擬指令。特別是8位機(jī)中的高性能增強(qiáng)型單片機(jī)，除片內(nèi)增加了A/D和D/A轉(zhuǎn)換器以外，還集成有定時(shí)器捕捉比擬存放器，監(jiān)視定時(shí)器。總線控制部件和晶體振蕩電路等。這類單片機(jī)由于其片內(nèi)資源豐富且功能強(qiáng)大。主要在工業(yè)控制，智能儀表，家用電器和辦公自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用。代表產(chǎn)品有INTEL公司的MCS-51系列機(jī)。Philips公司的80C51系列機(jī)〔同MCS-51兼容〕Motorola公司的M6805系列機(jī)，Microchip公司的PIC系列機(jī)和Atmel公司的AT89系列機(jī)〔同MCS-5兼容〕等。(3)16單片機(jī)16位單片機(jī)是再1983年以后開(kāi)展起來(lái)的、這類單片機(jī)的特點(diǎn)是：CPU是16位的，運(yùn)算速度普遍高于8位機(jī)，有的單片機(jī)尋址能力高達(dá)1MB。片內(nèi)含有A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路。支持高級(jí)語(yǔ)言。這類單片機(jī)主要用于過(guò)程監(jiān)控，智能儀表，家用電器以及計(jì)算機(jī)外部設(shè)備的控制器，典型產(chǎn)品和INTEL公司的MCS96/98系列機(jī)，Motorola公司的M68NC16系列機(jī)，NS公司的HPCXXXX系列機(jī)等。(4)32單片機(jī)32位單片機(jī)的字長(zhǎng)32位，是單片機(jī)的頂級(jí)產(chǎn)品，具有極高的運(yùn)算速度。今年來(lái)，隨著家用電子系統(tǒng)的新開(kāi)展，32位單片機(jī)的市場(chǎng)前景看好。這類單片機(jī)的代表有Motorola公司的M68300系列機(jī)，Inmos公司的IM-ST414和日立公司的SH系列機(jī)等[11]。3.1.3本系統(tǒng)所選擇的單片機(jī)在本系統(tǒng)中，考慮到系統(tǒng)的功能需求和市場(chǎng)上單片機(jī)的應(yīng)用情況，以及學(xué)習(xí)8051單片機(jī)的兼容情況，選定MCS-51系統(tǒng)的AT89C51。AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲(chǔ)器〔FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory〕的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)?，F(xiàn)流行的單片機(jī)有很多種，8位單片機(jī)的控制功能較強(qiáng)，品種最為齊全。其中MCS-51系列擁有較高的性價(jià)比，從而博得很多用戶的青睞。所以，本系統(tǒng)采用美國(guó)Intel公司生產(chǎn)的AT89C51型單片機(jī)，由于其具有集成度高、處理功能強(qiáng)、可靠性高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)并具有4K字節(jié)的程序存儲(chǔ)器，使得它應(yīng)用起來(lái)更加方便。引腳圖如3-1所示。(1)AT89C51功能特性如下所述：①片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器；②內(nèi)含4KBytes的程序存儲(chǔ)器；③內(nèi)含256KBytes的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；④程序存儲(chǔ)器可外部擴(kuò)展至64Kbytes；⑤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可外部擴(kuò)展至64Kbytes；⑥兩個(gè)雙全工串行通信口；；⑦2個(gè)16位可編程計(jì)時(shí)/計(jì)數(shù)器；⑧五個(gè)具有可編程為2層中斷優(yōu)先權(quán)的中斷源；⑨具有邏輯運(yùn)算能力；⑩32條雙向且可被獨(dú)立尋址的I/O；圖3-1AT89C51引腳圖(2)主要引腳功能如下：①VCC：供電電壓；②GND：接地；③P0口：P0口有三個(gè)功能(a)外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)做數(shù)據(jù)總線〔D0~D7為數(shù)據(jù)總線接口〕(b)外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)作地址總線〔A0~A7為地址總線接口〕(c)不擴(kuò)展時(shí)，可做一般的I/O使用，但內(nèi)部無(wú)上拉電阻④P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門(mén)電流。P1口管腳寫(xiě)入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。⑤P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門(mén)電流，當(dāng)P2口被寫(xiě)“1〞時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1〞時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，P2口輸出其特殊功能存放器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。⑥P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門(mén)電流。當(dāng)P3口寫(xiě)入“1〞后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流〔ILL〕這是由于上拉的緣故。P3口的輸入輸出及P3口鎖存器、中斷、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行口和特殊功能存放器有關(guān)，P3口的第一功能和P1口一樣可作為輸入輸出端口，同樣具有字節(jié)操作和位操作兩種方式，在位操作模式下，每一位均可定義為輸入或輸出。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如表3-1所示：表3-1P3口管腳功能表端口引腳特殊功能P3.0RXD〔串行輸入口〕P3.1TXD〔串行輸出口〕P3.2〔外部中斷0〕P3.3〔外部中斷1〕P3.4T0〔定時(shí)/計(jì)時(shí)器0外部輸入〕P3.5T1〔定時(shí)/計(jì)數(shù)器1外部輸入〕P3.6〔外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通〕P3.7〔外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通〕P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。(7)RESET：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RESET腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)，就可以完成復(fù)位工作，該引腳的第二功能是備用電源的輸入端。當(dāng)電源VCC發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定時(shí)，將+5V電源自動(dòng)接到該引腳，為RAM提供備用電源，以保證儲(chǔ)存在RAM中的信息不喪失，從而使復(fù)位之后能繼續(xù)正常工作。復(fù)位時(shí)各存放器的狀態(tài)如表3-2所示。表3-2復(fù)位時(shí)各存放器的狀態(tài)存放器復(fù)位狀態(tài)存放器復(fù)位狀態(tài)PC0000HTMOD00HA00HTCON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL100HP0-P3FFHSCON00HIP(8051)XXX00000BSBUFXXXXXXXXIE(8051)0XX00000BPCON(CHMOS)0XXX0000B(8)ALE/：當(dāng)CPU訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE輸出信號(hào)控制鎖存P0口輸出的低8位地址，從而實(shí)現(xiàn)P0口數(shù)據(jù)與地位地址的分時(shí)復(fù)用。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。當(dāng)單片機(jī)上電正常工作后，自動(dòng)在ALE短輸出頻率為fosc/6的脈沖序列。(9)：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的信號(hào)將不出現(xiàn)。(10)/VPP：當(dāng)=0時(shí)，那么在此期間外部程序存儲(chǔ)器〔0000H-FFFFH〕，允許使用片外ROM，不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)端=1時(shí)，此間為內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源〔VPP〕。(11)XTAL1：在片內(nèi)它是振蕩電路反相放大器的的輸入端。(12)XTAL2：它是振蕩電路放大器的輸出端，要檢查8051的振蕩電路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脈沖信號(hào)輸出[12]。3.2時(shí)鐘電路單片機(jī)的時(shí)鐘電路信號(hào)用來(lái)為芯片內(nèi)部各種微操作提供時(shí)間基準(zhǔn)。AT89C51的時(shí)鐘產(chǎn)生方式有內(nèi)部震蕩和外部時(shí)鐘兩種MCS-51雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時(shí)鐘，必須外接元件，圖3-2是MCS-51的外部時(shí)鐘電路。外接晶體以及C2和C3構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反應(yīng)回路中。電容的大小會(huì)影響振蕩器頻率的上下、振蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。該設(shè)計(jì)選用12MHz晶振，與之相適應(yīng)的電容的典型值是30pF左右。圖3-2時(shí)鐘電路原理圖3.3復(fù)位電路MCS-51復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。單片機(jī)在開(kāi)機(jī)時(shí)都需要復(fù)位，以便中央處理器CPU以及其它功能部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作。復(fù)位電路通常采用上電復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。該電路兼有上電復(fù)位和按鈕復(fù)位。上電復(fù)位電路是通過(guò)外部復(fù)位電路的電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的，只要電源VCC的上升時(shí)間不超過(guò)1ms，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位，即接通電源就完成了系統(tǒng)的復(fù)位初始化。復(fù)位電路如圖3-3所示。工作原理為：按鈕按下后，RC電路充電，RESET引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要RESET端保持10ms以上的高電平，就能用單片機(jī)有效的復(fù)位。該設(shè)計(jì)時(shí)鐘頻率為12MHz，C取22μF，R取1K歐姆。復(fù)位電路如圖3-3所示。圖3-3復(fù)位電路原理圖3.4A/D轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換接口是系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集前向通道的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。A/D轉(zhuǎn)換接口用于將傳感器檢測(cè)到的模擬量轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量的測(cè)量和控制。因此,完成數(shù)據(jù)采集應(yīng)具備下述根本部件:模擬多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和信號(hào)調(diào)節(jié)電路,采樣/保持放大器,模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器,通道控制電路。前向通道中,被測(cè)物理量經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào),而每一種傳感器都有與之配套的接口電路,接口電路再將這一信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)用來(lái)完成多路模擬信號(hào)的切換,信號(hào)調(diào)節(jié)那么是將微弱的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成能滿足A/D轉(zhuǎn)換器需要的電平信號(hào)。為了減少動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集的孔徑誤差,需要參加采樣/保持電路。因此,數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)不僅僅限于是單純A/D轉(zhuǎn)換芯片的接口設(shè)計(jì),還必須綜合考慮傳感器到CPU的全過(guò)程[13]。AD574是美國(guó)模擬器件公司〔AnalogDevices〕生產(chǎn)的12位逐次逼近型快速A/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換速度為35s，轉(zhuǎn)換誤差±0.05％，是目前我國(guó)廣泛應(yīng)用、價(jià)格適中的A/D轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部有三態(tài)輸出緩沖電路，可直接與各種微處理器連接，且無(wú)須加邏輯接口電路，便能與CMOS及TTL電平兼容。內(nèi)部配置高精度參考電壓源和時(shí)鐘電路，使它不需任何外部電路和時(shí)鐘信號(hào)，就能完成A/D轉(zhuǎn)換，應(yīng)用非常方便。AD574由兩局部組成，一局部是模擬芯片，另一局部數(shù)字芯片，其中模擬局部由高性能的12位D/A轉(zhuǎn)換器AD565和參考電壓組成。數(shù)字局部由控制邏輯電路，逐次逼近型存放器的三態(tài)緩沖器組成。控制邏輯局部，用來(lái)發(fā)出啟動(dòng)/停止始終信號(hào)及復(fù)位信號(hào)，并控制轉(zhuǎn)換過(guò)程，此局部信號(hào)包括5個(gè)外部信號(hào)以及內(nèi)部轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程結(jié)束后，輸出一個(gè)標(biāo)志狀態(tài)STS〔低電平說(shuō)明轉(zhuǎn)換結(jié)束〕。另外，當(dāng)START信號(hào)出現(xiàn)高電平時(shí)，標(biāo)志狀態(tài)STS開(kāi)始變?yōu)楦唠娖?，直到轉(zhuǎn)換過(guò)程結(jié)束才變?yōu)榈仉娖?。在AD574芯片上有兩組控制引腳，即通過(guò)控制引腳〔CE，和〕，以及內(nèi)部存放器控制輸入引腳〔和A〕。通用控制引腳的功能與大多數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器相似，主要決定裝置定時(shí)、尋址、啟動(dòng)脈沖和讀使能等功能。內(nèi)部存放器控制輸入引腳是大多數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器所沒(méi)有的，它們用來(lái)選擇輸出數(shù)據(jù)的形式和轉(zhuǎn)換脈沖長(zhǎng)度。主要引腳功能：(1)CE是轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)和數(shù)據(jù)讀出端。和R/引腳來(lái)控制的。當(dāng)CE=1時(shí)，=0，且R/=0時(shí)，轉(zhuǎn)換過(guò)程開(kāi)始；而CE=1，=0，而R/=1時(shí)，數(shù)據(jù)可以被讀出。(2)為數(shù)據(jù)格式選擇端。當(dāng)=1時(shí)，雙字節(jié)輸出，即12位數(shù)據(jù)線同時(shí)生效輸出，可用于12位或16位微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。=0時(shí)，為單字節(jié)輸出，可與8位CPU接口連接，AD574采用左對(duì)齊的數(shù)據(jù)格式，與A配合，使數(shù)據(jù)分兩次輸出。A=0時(shí)，高8位數(shù)有效。A=1時(shí)，那么輸出低4位數(shù)據(jù)加4位附加0。請(qǐng)注意，引腳不能有TTL電平控制，必須直接接至+5V〔引腳1〕或數(shù)字地〔引腳15〕。(3)A為字節(jié)選擇端。A引腳有兩個(gè)作用，一是選擇字節(jié)長(zhǎng)度；二是與8位微處理器兼容時(shí)，用來(lái)選擇讀出字節(jié)。在轉(zhuǎn)換之前，設(shè)A=1，AD574按8位A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間為10。設(shè)A=0，12位A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間為25，這與的狀態(tài)無(wú)關(guān)。再讀周期中，A=0時(shí)，高8位數(shù)據(jù)有效；A=1時(shí)，那么低4位數(shù)據(jù)有效。注意，如果=1，A的狀態(tài)不起作用。AD574的引腳如圖3-4所示。圖3-4AD574引腳圖數(shù)據(jù)線DB0到DB11，高8位接于P00到P07，低4位接于P04到P07。數(shù)據(jù)格式控制端接地，可與8位單片機(jī)兼容，12位數(shù)據(jù)分兩次傳送。WR,RD與非門(mén)后，接于CE，無(wú)論讀或?qū)懀珻E=1時(shí)AD574均工作。通過(guò)74LS373接于P01,只要P01=0那么啟動(dòng)轉(zhuǎn)換器；P01=1那么讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。A0通過(guò)74LS373接于P00，即接于P00的狀態(tài)可控制轉(zhuǎn)換位數(shù)和讀取字節(jié)的方式。綜上所述，可寫(xiě)出AD574控制信號(hào)組合表，如表3-3所示。表3-3AD574控制信號(hào)組合表CER/12/A操作0xxxx禁止x1xxx禁止100x0啟動(dòng)12位轉(zhuǎn)換v00x1啟動(dòng)8位轉(zhuǎn)換101接1腳〔+5V〕x輸出數(shù)據(jù)格式為并行12位101接地0輸出數(shù)據(jù)格式為并行8位101接地1低4位加上尾隨4個(gè)零圖3-5AD574與單片機(jī)接口電路圖3.5數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路AT89C51單片機(jī)片內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器256Byte，地址為00H-FFH;外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器最大尋址空間64KB，地址為0000H-FFFFH。內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器共256字節(jié)，分為低128字節(jié)和高128字節(jié)。低128字節(jié)為用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，地址為00H-7FH高128字節(jié)為特殊功能存放器，地址為80H-FFH由于本系統(tǒng)應(yīng)用中會(huì)用到更多的RAM，所以只能在片外進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展RAM芯片一般采用靜態(tài)RAM。用得較多的是Intel公司的6116容量為2KB和6264容量為8KB。其性能見(jiàn)表3-4所示。表3-46116和6264性能性能型號(hào)容量讀寫(xiě)時(shí)間額定功耗封裝61162K×8200160DIP2462648K×8200200DIP28本系統(tǒng)選用的是6264芯片，管腳圖如3-6所示，芯片的主要引腳為：圖3-66264引腳圖6264芯片引腳功能如下：(1)電源：VCC端接+5v工作電壓。GND端接地。(2)數(shù)據(jù)線：D7-D0共8根數(shù)據(jù)線。(3)地址線：A12-A0共13根地址線，可尋址的存儲(chǔ)單元數(shù)為1213=8K個(gè)。(4)控制線：：片選信號(hào)1，輸入低電平有效。CE2：片選信號(hào)2，輸入高電平有效。只有當(dāng)和CE2同時(shí)有效，才能選中該芯片。：寫(xiě)選通信號(hào)，輸入低電平有效。：讀選通信號(hào)，輸入低電平有效。AT89C51單片機(jī)外接數(shù)據(jù)RAM時(shí)，P2口輸出存儲(chǔ)器的高8位，P0口分時(shí)輸出地址的低8位和傳送指令字節(jié)或數(shù)據(jù)。P0口先輸出低8位地址信號(hào)，在ALE有效時(shí)將它鎖存到外部地址鎖存器中，然后P0口作為數(shù)據(jù)總線使用，此處地址鎖存器選用74LS373，實(shí)際電路連接如圖3-7所示。圖3-76264與AT89C51硬件連接原理圖3.6LED顯示電路進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，顯示器行業(yè)以開(kāi)展為一個(gè)空間巨大，前景廣闊的新型行業(yè)。在大型商場(chǎng)、車站、碼頭、地鐵站以及各類辦事窗口等越來(lái)越多的場(chǎng)所需要用LED點(diǎn)陣顯示圖形和漢字。顯然，LED顯示已成為城市亮化、現(xiàn)代化和信息化社會(huì)的一個(gè)重要標(biāo)志。顯示器是常用的輸出設(shè)備之一，常見(jiàn)的顯示器有LED顯示器、LCD液晶顯示器和CRT顯示器。由于LED和LCD顯示器可以顯示數(shù)字、字符和系統(tǒng)狀態(tài)，且具有體積小。功耗低，與單片機(jī)連接方便等特點(diǎn)，所以廣泛使用在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中。這兩種器件都具有本錢(qián)低廉、配置靈活、與單片機(jī)接口方便的特點(diǎn)。隨著電子技術(shù)的飛速開(kāi)展。近年來(lái)，也開(kāi)始出現(xiàn)有配置簡(jiǎn)易形式的CRT顯示器，以方便圖形顯示。LED顯示塊是由8個(gè)發(fā)光二極管做成的，也叫數(shù)碼管。這種顯示塊有共陰極和共陽(yáng)極兩種。共陽(yáng)極鏈接法，它是把各個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極連接在一起作為公共端，工作時(shí)，公共端接高電平〔一般接電源〕，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陰極接低電平時(shí)，它對(duì)應(yīng)的尾段點(diǎn)亮發(fā)光。另一種是共陰極連接法；它是把各個(gè)發(fā)光二極管的陰極連接在一起作為公共端，工作時(shí)，公共端接低電平〔一般接地〕，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陰極接高電平時(shí)，它對(duì)應(yīng)的尾段點(diǎn)亮發(fā)光。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中通常使用的是七段LED顯示塊中有8的發(fā)光二極管，也叫8段顯示器。本設(shè)計(jì)選用的顯示塊是共陰極的LED[14]。根本原理是：將AT89C51單片機(jī)的8個(gè)I/O口數(shù)據(jù)線與顯示模塊的發(fā)光二極管的引出端〔a～dp〕相連，當(dāng)?shù)碗娖接行r(shí)，8位并行輸出口輸出不同的數(shù)據(jù)就點(diǎn)亮相應(yīng)的發(fā)光二極管，獲得不同的數(shù)字或字符。8位共陰極和共陽(yáng)極LED數(shù)碼顯示器的字模如表3-6。顯示字符共陽(yáng)極共陰極顯示字體共陽(yáng)極共陰極0C0H3FHb83H7CH1F9H06HcC6H39H2A4H5BHdA1H5EH3B0H4FHE86H79H499H66HF8EH71H592H6DHP8CH73H682H7DHUC1H3EH7F8H07HY91H31H880H7FHH89H6EH990H6FHLC7H76Ha88H7FH“滅〞FFH00H表3-6LED數(shù)碼宣示器的字模單片機(jī)控制控制LED顯示器工作時(shí),要提供段選碼和位選碼，減輕軟件負(fù)擔(dān)，選碼通常用硬件譯碼芯片獲得。這些芯片常用的有：(1)CD-7段譯碼驅(qū)動(dòng)器。其功能是輸入BCD碼，輸出7段顯示器的字行碼。如MC14558等。(2)D-7段譯碼驅(qū)動(dòng)器。其功能是輸入BCD碼，輸出7段顯示器的字型碼，且內(nèi)帶段輸出驅(qū)動(dòng)器。如：MC14547、74LS47等。上述兩類接口芯片無(wú)輸入鎖存能力。(3)BCD-7段鎖存/譯碼/驅(qū)動(dòng)器。其功能是輸入BCD碼，經(jīng)鎖存、譯碼后輸出7段顯示器的字型碼，并帶段輸出驅(qū)動(dòng)器，如MC14513、MC14495。本設(shè)計(jì)顯示局部選用LED顯示器，其由發(fā)光二極管組成，采用動(dòng)態(tài)顯示方法；74LS138實(shí)現(xiàn)位選，CD4534段選。74LS138是一個(gè)3-8譯碼器，共有54/74S138和54/74LS138兩種線路結(jié)構(gòu)形式，其工作原理為：當(dāng)一個(gè)選通端〔G1〕為高電平，另兩個(gè)選通端為低電平時(shí)，可將地址端〔A、B、C〕的二進(jìn)制編碼在一個(gè)對(duì)應(yīng)的輸出端以低電平譯出。利用G1、/(G2A)和〔G2B〕可級(jí)聯(lián)擴(kuò)展成24線譯碼器；假設(shè)外接一個(gè)反相器還可級(jí)聯(lián)擴(kuò)展成32線譯碼器。假設(shè)將選通端中的一個(gè)作為數(shù)據(jù)輸入端時(shí)，74LS138還可以作為數(shù)據(jù)分配器。共16個(gè)引腳，其引腳說(shuō)明如下：表3-774LS138的16個(gè)引腳的功能引腳名稱功能簡(jiǎn)述A、B、CE1、E2、E3Y0～Y7VccGND選擇端即信號(hào)輸入端使能端，其中E1、E2低電平有效，E3高電平有效譯碼輸出信號(hào)，始終只有一個(gè)為低電平電源端，＋5V線路地兩者的引腳圖如3-8、3-9所示：圖3-874LS138引腳圖圖3-9CD4543引腳圖CD4543是BCD鎖存/七段譯碼/驅(qū)動(dòng)器，有燈測(cè)試功能；有消隱輸入端；以異或門(mén)作輸出級(jí)，可方便地驅(qū)動(dòng)。顯示電路設(shè)計(jì)如圖3-10。圖3-10顯示電路原理圖3.7串行通信電路在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，CPU和外部通信有兩種通信方式：并行通信和串行通信。本設(shè)計(jì)將兩種通信方式的含義及特點(diǎn)表示如下表3-8：表3-8兩種通信方式的含義及特點(diǎn)通信名稱含義特點(diǎn)串行通信并行通信將數(shù)據(jù)字節(jié)以一位一位的形式在一條傳輸線上逐個(gè)的傳送，數(shù)據(jù)發(fā)送設(shè)備先將數(shù)據(jù)代碼由并行形式轉(zhuǎn)換成串行形式，然后一位一位地放在傳輸線上進(jìn)行傳送。將數(shù)據(jù)字節(jié)的各位用多條數(shù)據(jù)線同時(shí)進(jìn)行傳送，數(shù)據(jù)發(fā)送方在發(fā)送數(shù)據(jù)前，要詢問(wèn)數(shù)據(jù)接收方是否“準(zhǔn)備就緒〞。數(shù)據(jù)接收方收到數(shù)據(jù)后，要向數(shù)據(jù)發(fā)送方回送數(shù)據(jù)已經(jīng)接收到的“應(yīng)答〞信號(hào)。傳輸線少，本錢(qián)低，速度慢，但數(shù)據(jù)的傳送控制比并行通信復(fù)雜，已于遠(yuǎn)距離傳送。傳送速度快，效率高，控制簡(jiǎn)單，但遠(yuǎn)距離傳送本錢(qián)高。通常所提到的計(jì)算機(jī)通信都是指計(jì)算機(jī)與外界間通信，即串行通信。按照串行通信的收發(fā)雙方的時(shí)鐘配置情況，串行通信可分為同步通信和異步通信兩類。異步通信〔AsynchronousCommunication〕，是指通信的發(fā)送與接收設(shè)備使用各自的時(shí)鐘控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受過(guò)程，但要求發(fā)送和接收設(shè)備的時(shí)鐘盡可能一致，使雙方收發(fā)協(xié)調(diào)。數(shù)據(jù)通常是以字符為單位組成字符幀傳送的。即一個(gè)一個(gè)字符地傳送。異步通信的優(yōu)點(diǎn)是不需要傳送同步時(shí)鐘，字符幀長(zhǎng)度不受限制，故設(shè)備簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)是字符幀中因包含起始位和停止位而降低了有效數(shù)據(jù)的傳輸速率。同步通信〔SynchronousCommunication〕是一種連續(xù)串行傳送數(shù)據(jù)的通信方式，一次通信只傳輸一幀信息。這里的信息幀和異步通信的字符幀不同，通常有假設(shè)干個(gè)數(shù)據(jù)字符。它們均由同步字符、數(shù)據(jù)字符和校驗(yàn)字符CRC三局部組成。在同步通信中，同步字符可以采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)格式，也可以由用戶約定。同步通信的數(shù)據(jù)傳輸速率較高，通?？蛇_(dá)56000bit/s或更高，其缺點(diǎn)是要求發(fā)送時(shí)鐘和接收時(shí)鐘必須保持嚴(yán)格同步。數(shù)據(jù)通信在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中是主要采用的通信。在設(shè)計(jì)通信接口時(shí)，必須根據(jù)需要選擇標(biāo)準(zhǔn)接口，并考慮傳輸介質(zhì)、電平轉(zhuǎn)換等問(wèn)題。采用標(biāo)準(zhǔn)接口后，能夠方便地把單片機(jī)和外設(shè)、測(cè)量?jī)x器等有機(jī)地連接起來(lái)，從而構(gòu)成一個(gè)測(cè)控系統(tǒng)。異步串行通信接口主要有三類：RS-232C接口、RS-449、RS-422和RS-485接口以及20mA電流環(huán)。常用的為RS-232C[15]。RS-232C是使用最早、應(yīng)用最多的一種異步串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)。它是美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)〔EIA〕1962年公布、1969年最后修定而成的。其中RS表示RecommendedStandard，232是該標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)識(shí)號(hào)，C表示最后一次修定。RS-232C主要用來(lái)定義計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一些數(shù)據(jù)終端設(shè)備〔DTE〕和數(shù)據(jù)電路終接設(shè)備〔DCE〕之間的電氣性能。例如CRT、打印機(jī)與CPU的通信大都采用RS-232C接口，MCS-51單片機(jī)與PC機(jī)的通信也是采用該種類型的接口。由于MCS-51系列單片機(jī)本身有一個(gè)全雙工的串行接口，因此該系列單片機(jī)用RS-232C串行接口總線非常方便。RS-232C串行接口總線適用于設(shè)備之間的通信距離不大于15米，傳輸速率最大為20kB/s。RS-232C規(guī)定了自己的電氣標(biāo)準(zhǔn)，由于它是在TTL電路之前研制的，所以它的電平不是+5V和地，而是采用負(fù)邏輯，即：邏輯“0〞：+5V～+15V邏輯“1〞：-5V～-15V因此，RS-232C不能和TTL電平直接相連，使用時(shí)必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，否那么將使TTL電路燒壞，實(shí)際應(yīng)用時(shí)必須注意。常用的電平轉(zhuǎn)換電路是MAX232。圖3-11為MAX232的引腳圖。圖3-11MAX232引腳圖MAX232芯片是美信公司專門(mén)為電腦的RS-232C標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的接口電路,使用+5v單電源供電。MAX232引腳功能：第一局部是供電：(1)VCC〔引腳16〕：+5V。(2)GND〔引腳15〕：接地。第二局部是電荷泵電路：(3)C1+、C1-、C2+、C2-、V+、V-〔引腳1～6〕：和4個(gè)電容構(gòu)成電荷泵電路。功能是產(chǎn)生+12v和-12v兩個(gè)電源，提供應(yīng)RS-232C串口電平的需要第三局部是數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換通道：(4)其中T1IN、R1OUT、R1IN、T1OUT〔引腳11～14〕：第一數(shù)據(jù)通道。(5)T2IN、R2OUT、R2IN、T2OUT〔引腳7～10〕：為第二數(shù)據(jù)通道。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN、T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232C數(shù)據(jù)從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232C數(shù)據(jù)從R1IN、R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT、R2OUT輸出。圖3-12串行通信硬件電路圖3.8報(bào)警電路為了在某種緊急狀態(tài)下或反常狀態(tài)下，本系統(tǒng)需要一定的報(bào)警電路。本系統(tǒng)采用的是光電報(bào)警電路系統(tǒng)。報(bào)警設(shè)備選用壓電式蜂鳴器，接口電路如圖3-13所示。MCS-51的接線P11連接報(bào)警電路的輸入端,當(dāng)P11口輸出低電平時(shí),發(fā)光二極管兩端電壓差接近5V,發(fā)光報(bào)警.壓電蜂鳴器兩條引線加上近5V的直流電壓，由壓電效應(yīng)而發(fā)出蜂鳴音報(bào)警。圖3-13聲光報(bào)警電路接口電路第4章基于MCS-51單片機(jī)的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本課題的軟件程序設(shè)計(jì)采用匯編語(yǔ)言。程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言分為三類

(1)機(jī)器語(yǔ)言機(jī)器語(yǔ)言就是用二進(jìn)制代碼來(lái)表示指令和數(shù)據(jù)，也稱為機(jī)器代碼、指令代碼。機(jī)器語(yǔ)言是計(jì)算機(jī)唯一能識(shí)別執(zhí)行的語(yǔ)言，用其編寫(xiě)的程序執(zhí)行效率最高，速度最快，但由于指令代碼很難記憶，給程序的編寫(xiě)、閱讀帶來(lái)一定困難，所以幾乎沒(méi)人直接使用機(jī)器語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)程序。(2)匯編語(yǔ)言計(jì)算機(jī)所能執(zhí)行的每一條指令都對(duì)應(yīng)一組二進(jìn)制代碼。為了容易理解和記憶計(jì)算機(jī)的指令，人們用英文助記符來(lái)表示指令，用助記符表示的指令就是符號(hào)語(yǔ)言或匯編語(yǔ)言。將匯編語(yǔ)言程序轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼表示的機(jī)器語(yǔ)言程序成為匯編程序。經(jīng)匯編程序“匯編〞得到的機(jī)器語(yǔ)言程序成為目標(biāo)程序，原來(lái)的匯編語(yǔ)言成為源程序。匯編語(yǔ)言的特點(diǎn):①面向機(jī)器的低級(jí)語(yǔ)言，程序員須對(duì)MCS-51的硬件有相當(dāng)深入的了解；②用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的程序效率高，占用的儲(chǔ)存空間小，運(yùn)行速度快，因此能編寫(xiě)出最優(yōu)化的程序；③可有效地訪問(wèn)、控制計(jì)算機(jī)的各種硬件設(shè)備，如磁盤(pán)、存儲(chǔ)器、CPU、I/O端口等；④匯編語(yǔ)言與機(jī)器語(yǔ)言都脫離不開(kāi)具體的機(jī)器硬件，均是面向“機(jī)器〞的語(yǔ)言，缺乏通用性。(3)高級(jí)語(yǔ)言高級(jí)語(yǔ)言是以中國(guó)面向算法、過(guò)程和對(duì)象的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，它采用更接近人們自然語(yǔ)言和習(xí)慣的數(shù)學(xué)表達(dá)式及直接命令的方法來(lái)描述算法、過(guò)程和對(duì)象。高級(jí)語(yǔ)言的語(yǔ)句直觀、易學(xué)、通用強(qiáng)，便于推廣、交流，但高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的程序經(jīng)編譯后所產(chǎn)生的目標(biāo)程序大，占用內(nèi)存多，運(yùn)行速度較慢。匯編語(yǔ)言的應(yīng)用:①70%以上的系統(tǒng)軟件是用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的；②某些快速處理、位處理、訪問(wèn)硬件設(shè)備等高效程序是用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)；③某些高級(jí)繪圖程序、視頻游戲程序是用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)的。匯編語(yǔ)言是我們理解整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的最正確起點(diǎn)和最有效途徑。人們經(jīng)常認(rèn)為匯編語(yǔ)言的應(yīng)用范圍很小，而無(wú)視它的重要性。其實(shí)匯編語(yǔ)言對(duì)每一個(gè)希望學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)的人來(lái)說(shuō)都是非常重要的，是不能不學(xué)習(xí)的語(yǔ)言。所有可編程計(jì)算機(jī)都向人們提供機(jī)器指令，通過(guò)機(jī)器指令人們能夠使用機(jī)器的邏輯功能。所有程序，不管用何種語(yǔ)言編制，都必須轉(zhuǎn)成機(jī)器指令，運(yùn)用機(jī)器的邏輯功能，其功能才能得以實(shí)現(xiàn)。機(jī)器的邏輯功能，軟件系統(tǒng)功能構(gòu)筑其上，硬件系統(tǒng)功能運(yùn)行于下。匯編語(yǔ)言直接描述機(jī)器指令，比機(jī)器指令容易記憶和理解。4.1系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)主系統(tǒng)流程圖如圖4-1所示。主程序完成的功能是：首先設(shè)定土壤濕度的上下限值，再對(duì)各存放器的狀態(tài)初始化之后，開(kāi)始啟動(dòng)土壤濕度傳感器進(jìn)行濕度檢測(cè)，并將檢測(cè)后的結(jié)果與設(shè)定值進(jìn)行模糊化計(jì)算，結(jié)果顯示在顯示器上，假設(shè)測(cè)量值大于設(shè)定值，那么返回重新進(jìn)行進(jìn)行測(cè)量；假設(shè)測(cè)量值小于設(shè)定值，那么進(jìn)行報(bào)警，報(bào)警后灌溉系統(tǒng)啟動(dòng)，對(duì)缺水的土壤地域進(jìn)行灌溉。開(kāi)始開(kāi)始設(shè)定土壤濕度值的上下限各存放器初始化采集土壤濕度值模糊化計(jì)算將測(cè)量值與設(shè)定值相比擬，是否大于設(shè)定值？顯示報(bào)警灌溉NY圖4-1系統(tǒng)主程序流程圖4.2數(shù)據(jù)采集子程序數(shù)據(jù)采集的主要任務(wù)是不斷地采集土壤的濕度參數(shù)，并存儲(chǔ)在外部制定的RAM單元。采樣程序如圖4-2所示。初始化初始化啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換讀出A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)返回NY是否大于設(shè)定值？圖4-2數(shù)據(jù)采集子程序流程圖4.3數(shù)據(jù)處理子程序由于數(shù)據(jù)在進(jìn)行采集時(shí)，單片機(jī)采集進(jìn)來(lái)的信號(hào)總會(huì)被一些因素干擾，比方來(lái)自被測(cè)信號(hào)源、傳感器、外界的干擾等，因此導(dǎo)致A/D轉(zhuǎn)換器送入單片機(jī)的數(shù)據(jù)中存在誤差。但是這些誤差是隨機(jī)并且不可防止的，這就要求我們要對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以便獲得更為精確的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理流程圖如圖4-3所示。開(kāi)始開(kāi)始清空交換標(biāo)志位00H取采樣值前值送后值單元，后值送前值單元置交換標(biāo)志位00H取兩個(gè)值，前值是否小于后值？〔R5〕－1=0？標(biāo)志位00H=1？取值結(jié)束NNYNYY圖4-3數(shù)據(jù)處理子程序流程圖4.4數(shù)據(jù)顯示子程序顯示子程序采用動(dòng)態(tài)顯示的方法，不斷將土壤濕度值通過(guò)位選和段選用LED顯示出來(lái)，流程圖如圖4-4所示。進(jìn)入動(dòng)態(tài)顯示子程序后，首先尋找顯示緩沖區(qū)首地址R0，并把數(shù)據(jù)指針指向要顯示最左邊數(shù)碼管的譯碼器地址，然后取出要顯示的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)通過(guò)轉(zhuǎn)換，變成顯示碼，然后通過(guò)把段選碼送入CD4543，用于數(shù)碼管顯示當(dāng)前數(shù)值，位選碼送入74LS138，用于確定六個(gè)數(shù)碼管中的哪一個(gè)進(jìn)行顯示，當(dāng)上述過(guò)程結(jié)束，需延時(shí)1ms，是人眼能夠識(shí)別數(shù)碼管顯示數(shù)字的變化，然后判斷六個(gè)數(shù)碼管是否都已顯示，如果沒(méi)有，那么修改顯示緩沖區(qū)的地址，尋找下一個(gè)數(shù)碼管的譯碼器地址，然后取數(shù)據(jù)通過(guò)前面的過(guò)程進(jìn)行顯示，重復(fù)循環(huán)判斷，直到六個(gè)數(shù)碼管都顯示數(shù)據(jù)，那么該子程序輸出返回值。顯示緩沖區(qū)首址R0顯示緩沖區(qū)首址R0指向最左邊一位取出要顯示的數(shù)據(jù)求待顯示數(shù)據(jù)的顯示碼送位選碼到74LS138送段選碼到CD4543DPTRCD4543地址動(dòng)態(tài)顯示子程序延時(shí)1ms6位數(shù)顯示完了嗎？返回求下一位位選碼YN修改顯示緩沖區(qū)地址修改顯示緩沖區(qū)地址圖4-4數(shù)據(jù)顯示子程序流程圖4.5數(shù)據(jù)通信子程序在單片機(jī)系統(tǒng)中，串口〔UART，通用異步收發(fā)接口〕是一個(gè)非常重要的組成局部。通常使用單片機(jī)串口通過(guò)RS232/RS485電平轉(zhuǎn)換芯片與上位機(jī)連接，以進(jìn)行上位機(jī)與下位機(jī)的數(shù)據(jù)交換、參數(shù)設(shè)置、組成網(wǎng)絡(luò)以及各種外部設(shè)備的連接等。AT89C51是采用MCS-51系列的匯編語(yǔ)言編程，它有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的串行接口，有4種工作方式，其中方式1是標(biāo)準(zhǔn)的10位異步通信方式，10位數(shù)據(jù)和PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)串行接口相對(duì)應(yīng)，由串行接口控制器SCON(字節(jié)地址為98H)設(shè)置狀態(tài)。下列圖為數(shù)據(jù)通信中斷效勞子程序的流程圖。采樣存儲(chǔ)數(shù)據(jù)采樣存儲(chǔ)數(shù)據(jù)置完成標(biāo)志處理數(shù)據(jù)是否大于土壤濕度設(shè)定值？YN開(kāi)始中斷返回圖4-5中斷效勞子程序流程圖第5章結(jié)論本文介紹了基于AT89C51單片機(jī)的節(jié)水灌溉智能控制系統(tǒng)的軟硬件的設(shè)計(jì)與研究過(guò)程，重點(diǎn)介紹了控制系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)以及灌溉量計(jì)算模型的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。預(yù)期到達(dá)的目標(biāo)是對(duì)土壤濕度參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，將土壤濕度傳感器檢測(cè)的結(jié)果送入A/D轉(zhuǎn)換電路，進(jìn)行處理后，輸入單片機(jī)，將監(jiān)測(cè)到的濕度值進(jìn)行顯示，數(shù)據(jù)處理過(guò)程中采用模糊控制算法，輸出控制信號(hào)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)土壤濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，能在土壤濕度異常情況實(shí)現(xiàn)報(bào)警等功能。在元器件選擇上盡量做到使硬件電路簡(jiǎn)單,力求整個(gè)系統(tǒng)相關(guān)器件性能匹配。系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)完成對(duì)土壤濕度信號(hào)的采集、處理、顯示以及對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制等功能；用Protel軟件繪制電路原理圖；利用MCS-51匯編語(yǔ)言編制運(yùn)行程序。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是適用性強(qiáng)，可對(duì)作物進(jìn)行適時(shí)、適量灌水，系統(tǒng)本錢(qián)低廉，操作非常簡(jiǎn)單，可擴(kuò)展性強(qiáng)，只要稍加改變，即可增加其他使用功能。參考文獻(xiàn)[1]王友貞，湯廣民.節(jié)水灌溉與農(nóng)業(yè)可持續(xù)開(kāi)展［J].節(jié)水灌溉,2005,2:33-34.[2]馬公為，洪亮，劉文青等.智能化控制耕層滴灌技術(shù)［J］.節(jié)水灌溉,2004,5:56.[3]段愛(ài)旺、白曉君.美國(guó)灌溉現(xiàn)狀分析[J]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