自动灌溉控制器的设计毕业设计.docx

1、自动灌溉控制器的设计毕业设计毕业设计(论文)课 题 名 称 自动灌溉控制器的设计 摘 要近几年来，随着水资源的日趋紧张，世界各国都在积极探索行之有效的节水途径和措施。自动灌溉技术是为了解决水资源不足，提高灌溉效率而发展起来的现代灌溉技术之一。本文设计了一个自动灌溉控制器，该系统以AT89C51单片机为控制核心，采用模块化的设计方案，由湿度采集模块、步进电机控制模块、键盘接口模块和显示模块组成。湿度采集模块以探针式电容湿度传感器为核心，步进电机控制电路模块采用了达林顿驱动芯片ULN2803，显示电路模块主要由LCD12864构成。在闭环（自动）模式下，该系统能自动对土壤的湿度进行检测，当实际湿度

2、低于警戒值时单片机自动启动步进电机进行灌溉。在时间（手动）模式下，可通过键盘设置灌溉的时间，超过该时间，则停止灌溉。关键词：AT89C51；探针式电容湿度传感器；ULN2803达林顿驱动；LCD12864 ABSTRACTIn recent years, along with the freshwater getting less, all countries in the world actively explore effective ways and measures to save water. Automatic irrigation technology is one of the

3、 modern irrigation technologies to deal with the water shortage, improving irrigation efficiency.This paper designs an automatic irrigation controller. The system use AT89C51 as control core, with modular design scheme. There are four modules: humidity acquisition module, the stepper motor control m

4、odule, keyboard interface module and display module. Humidity acquisition module mainly uses probes type capacitor humidity sensors as the core; stepping motor control circuit module uses the ULN2803 drive chip linton; display circuit module mainly composed by LCD12864. In the loop (automatically) m

5、ode, this system can detect soil moisture. When actual humidity is lowwer than vigilance value, microcontroller automatic startup stepper motor to irrigat. In time (manual) mode, users can set the time through the keyboard.when the irrigation time is out, then stop the irrigation.Keywords: AT89C51；P

6、robe type capacitor humidity sensors；ULN2803 da linton driver；LCD12864第1章 绪论1.1 引言随着中国农业现代化进程的加快、农业结构的调整以及我国加入WTO等因素，农业灌溉自动化技术的要求越来越高，灌溉控制器在我国有着巨大的市场。节水灌溉控制器近期在中国应朝着价格低、性能可靠、操作简便的方向发展。但从长远利益考虑，新的智能化技术、传感技术和农业科技的引入、应用和普及，将会有智能化程度更高、功能更强、性能更稳定可靠的灌溉控制器出现。本设计以AT89C51单片机为主要硬件模块，通过软件编程实现对土壤湿度进行多点检测，当所测的实际

7、湿度低于警戒值时，将触发灌溉控制器装置。系统还可以实现时间控制方式，随时灌溉，从而也体现了多用途、人性化的现代智能化系统设计要求。根据本设计的功能要求，可确定此方案：以AT89C51单片机为控制电路的核心，采用模块化的设计方案。在闭环控制方式下，利用湿度采集模块将多处不同地点检测到的湿度模拟量进行模数转化后传送给单片机，单片机将采集到的数据与警戒值比较；若采集数据低于警戒值，则启动步进电机驱动模块进行灌溉；若采集数据高于警戒值，则不启动驱动模块进行灌溉。显示模块将采集数据和灌溉信息显示在显示屏上。灌溉时间一到，驱动电路则停止驱动步进电机，灌溉停止。在时间控制方式下，用户通过键盘输入进行灌溉的时

8、间，时间一到，灌溉停止。1.2 课题来源经过多年的发展，国外灌溉控制器已逐步趋于成熟、系列化，但价格昂贵，国内虽引进一些，但多数是农业示范区、科研单位、高校，虽然国外生产的灌溉控制器性能优越，但没有考虑我国特殊的自然、气候、土地资源、农民经济状况等因素，因而国外引进的灌溉控制器在国内应用并不普及。国内虽然有多家研制灌溉控制器，但多数是小规模、实验和理论的探讨，应用不够普及，究其原因一则是开发性能完善的灌溉控制系统需要大量的人力、物力的投入，需要多部门、多学科的融合，这在一定程度上限制了性能完善、适应性强的控制器的开发。其次是现在开发出来的灌溉控制器价格昂贵，农民尽管知道能节省人力、灌溉用水、提

9、高产量，但由于一次性投资太大，多数农民承受不起，这也在一定程度上限制了灌溉控制器的普及1。随着中国农业现代化进程的加快、农业结构的调整、以及我国加人WTO等因素，可以预计对农业灌溉自动化技术的要求会越来越高，灌溉控制器在我国将有巨大的市场。节水灌溉控制器近期在中国应朝着价格低、性能可靠、操作简便的方向发展。但从长远利益考虑，新的智能化技术、传感技术和农业科技的引入、应用和普及，将会有智能化程度更高、功能更强、性能更稳定可靠的灌溉控制器出现。综上所述，西方发达国家在节水灌溉控制器的开发上已越来越成熟，且发展趋势是研制大型分布式控制系统和小面积单片机控制系统，并带有通信功能，能与上位机进行通信，并

10、可由微机对其编程操作。同时随着人工智能技术的发展，模糊控制、神经网络等新技术为节水灌溉控制器的研制开辟了广阔的应用前景。而国内在灌溉控制器的研制方面还没有形成规模大、应用范围广的成套灌溉控制产品。国内的一些高尔夫球场等大面积场地灌溉控制，一般引用国外现成的成套灌溉控制产品。而广大农村可根据我国国情和各地经济和技术发展的实际情况，采取简单可行的节水灌溉控制措施及相应的排灌机械和设备，大力发展可靠、实用、成本低、操作简便的节水灌溉控制器，这样做不仅具有广阔的市场，而且具有巨大的社会和经济效益。1.3 国内外现状国内在开发灌溉自动控制系统方面处于研制、试用阶段，能实际投入应用，且应用较广的灌溉控制器

11、还不多见。在开发的产品中有代表性的如中国农业机械化研究院联合多家单位研制的2000型温室自动灌溉施肥系统。该系统是国家“九五”科技攻关项目中自主研发的科技产品，该系统结合我国温室的环境和实际使用特点，以积木分布式系统结构原理，解决了计算机适时闭环控制、动态监测、控制显示中文、施肥泵混合比可调、电磁阀开度可调等关键技术问题。该系统具有手动控制、程序控制和自动控制等多种灌溉系统模式，可按需要灵活应用，在大连、北京等地已经投入了应用，从系统运行情况来看，该系统有很好控制效果，取的了一定的经济效益和社会效益2。天津市水利科学研究所研制的温室滴灌施肥智能化控制系统主要用于现代温室，日光温室作物的灌溉营养

12、液施肥，环境监测的智能控制，采用世界先进的可编程序控制器和触摸屏控制技术，性能可靠、功能齐全、人机界面友好、操作简单、价格低廉，此控制系统的控制流量为15，控制规模为12时，能控制24路阀门，系统具有人工干预灌溉施肥功能，定时、定量灌溉施肥功能，条件控制灌溉施肥功能。北京澳作生态仪器有限公司的澳作智能节水灌溉控制系统可与各种滴、喷灌系统连接，实时监测土壤墒情，根据要求自动灌溉。控制方式灵活，手动、半自动、全自动任选且可随意在计算机上更改，可同时控制多个设备，受控区位置及形状，环境参数及设备状态可同时显示在中心计算机上。北京奥特思达科技有限公司研制的WT-02型微喷灌定时自动控制器，是一种供农业

13、、草坪、果园、温室一般场合给水的电子灌溉自动控制系统。国外一些先进国家，如美国、以色列和加拿大等，运用先进的电子技术、计算机和控制技术，在节水灌溉技术方面起步较早，并日趋成熟。这些国家从最早的水力控制、机械控制，到后来的机械电子混合协调式控制，到当前应用广泛的计算机控制、模糊控制和神经网络控制等，控制精度和智能化程度越来越高，可靠性越来越好，操作也越来越简便。近年来随着农业对自动化程度要求的提高，以色列出现灌溉用的可编程逻辑控制器(PLC)，这种控制器通过把不同的网络连接到主机上进行数据采集和处理。随着控制技术、传感器技术的发展，以色列开发出了现代诊断式控制器，这种控制器把以前不可能采集到的信

14、息通过不同的传感器来获得，通过因特网、远程控制、GSM等来实现数据传输，然后通过计算机中的一些模型来处理信息，作出灌溉计划。加拿大、澳大利亚和韩国等国家和地区也都有开发成功并形成系列的灌溉控制器产品，其中，比较有代表性的如澳大利亚的HARDIE IRRGATION公司的灌溉控制器，已形成了MICRO-MASTER、RAINJET等多个系列，几十种型号的产品。其中HR6100系列成本较低，是一种小型自动灌溉控制器，主要是面对家庭庭院和小面积的商业绿化场地的灌溉，而MICRO-MASTER，系列产品是HARDIE公司为进行大面积灌溉而开发的控制器。该系统采用分布式布置，可与上位机双向通信，用微机对

15、其进行编程操作和对其子控制器进行控制，并能用微机随时监控灌溉系统的工作状况。第2章 方案设计与论证2.1 总体方案论证所谓的模块化设计，简单地说就是将产品的某些要素组合在一起，构成一个具有特定功能的子系统，将这个子系统作为通用性的模块与其他产品要素进行多种组合，构成新的系统，产生多种不同功能或相同功能、不同性能的系列产品。模块化是在传统设计基础上发展起来的一种新的设计思想，现已成为一种新技术被广泛应用，尤其是信息时代电子产品不断推陈出新，模块化设计的产品正在不断涌现。模块化设计已被广泛应用于机床、电子产品、航天、航空等设计领域。模块化设计是绿色设计方法之一，它已经从理念转变为较成熟的设计方法3

16、。本设计方案以AT89C51单片机为控制核心，采用模块化的设计方法，总分为四大模块：湿度采集电路模块、步进电机控制电路模块、键盘接口电路模块和显示电路模块。其中以探针式电容湿度传感器为核心构成湿度采集电路，以达林顿驱动芯片ULN2803为核心构成步进电机控制电路，以液晶显示器12864为核心构成显示电路，再配合键盘电路实现对土壤湿度进行多点检测。在本系统中，分两种控制方式：闭环控制方式和时间控制方式，用户可在两种方式之间自由选择。在闭环控制方式下，利用湿度采集模块将多处不同地点检测到的湿度模拟量轮流进行模数转换，转化后对各数据进行综合处理，再传送给单片机。单片机将接收到的数据和单片机内存的数据

17、进行比较，若收到的数据低于设定的数值，则步进电机控制电路模块启动步进电机进行灌溉。若收到的数据不低于设定的数值，则不启动步进电机进行灌溉。同时单片机将采集到的数据和系统的灌溉状况在现实模块的显示屏上显示出来。灌溉进行一定的时间后自动停止，该时间由用户加载在单片机内部数据决定。用户可通过灌溉方式切换键切换到时间控制方式。在时间控制方式下，用户通过键盘输入灌溉的时间和灌溉的周期，对应的数据将在显示屏上显示出来。这种灌溉方式主要应用于特殊情况4。综上所述，本系统不但具有非常友好的人机交互界面，而且具有良好的实时控制功能，能及时响应用户请求。系统支持的灌溉方式灵活多样，用户可根据实际情况进行模式选择。

18、系统结构简洁，各类功能易于实现，大大提高了系统的可靠性和实用性。系统的基本模块原理图如图2.1所示。图2.1自动灌溉控制器系统基本模块原理框图2.2 键盘方案选取方案一:独立式按键。独立式按键是指直接用一根I/O口线构成的单个按键电路。每个独立式按键单独占有一根I/O口线，每根I/O口线上的按键的工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态。独立式按键接口电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，在按键数量较多时，I/O口线浪费较大。故在按键数量不多时，常采用这种按键结构。独立式按键电路如图2.2所示。上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线上有确定的高电平。图2.2 独立式按键键

19、盘框图方案二: 矩阵式键盘5在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，如图2.3所示。在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口(如P1口)就可以构成4*4=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键(9键)。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。行列式键盘的缺点是程序设计较复杂些。因为本设计需要的按键数目较多，为了节省I/O口线资源，选用矩阵式键盘，故采取方案二。图2.3 矩阵式键盘框图2

20、.3 土壤湿度传感器的选取目前市场上测量土壤湿度方法有中子衰减法、张力计测湿法、介电法速测法6。2.3.1 中子衰减法测量土壤含水量高速运动的快中子与物质作用能改变方向和产生能量损失,变成慢中子,形成衰减,由于被测物中含水量不同产生的衰减亦不同,主要原因是水中含有氢原子,而中子对氢原子作用的损失远大于对其他原子作用的损失,这样可以通过测定慢中子来测定土壤含水量,也就是通过衰减程度的大小来确定被测物质中含水量的多少,中子土壤水分测试仪就是根据这一原理设计而成。这个方法的优点在于快速准确,但重要的是这种方法如果屏蔽不好,易造成射线泄漏,以致污染环境,危害人体健康,特别难以测量浅层土壤含水量,而浅层

21、土壤含水量与作物生长关系密切,明显随灌溉、降雨、蒸发等的变化而变化,是土壤水分中最为活跃的部分,需要实时监测,这就极大地限制了中子法的进一步推广应用,这种方法在发达国家已被禁止使用。2.3.2 张力计式土壤水分传感器张力计式土壤水分传感器是一种广泛成功地用于某些土壤水分测量的传感器。这种仪表有个多孔瓷头,它通过充水的管子与真空表连接,该装置插入土壤的钻孔中,多孔瓷头与土壤紧密帖合,真空表设在地面之上。用张力计来测量土壤含水量有很大的发展,它的优点是:结构及原理都比较简单,可以在线实时测量,而且可以确定水在土壤内的流动方向和渗透深度,但它的缺点也很突出。它的测量范围很大程度上受土质的影响。该方法

22、所测量的是土壤水的吸力,需要依据土壤水分特征曲线来换算成土壤含水量,由于土壤水分能量关系非常复杂,呈非线性,且容易受到许多土壤理化特性的影响,即使对同一块田,这一关系也十分复杂,使得用张力推求土壤含水量时极为困难,不方便,带来较大误差。该方法存在滞后和回环,影响其测量速度。由于以上缺陷的存在极大地限制了该方法的推广应用。2.3.3 探针式电容湿度传感器利用土壤的介电特性来测量土壤含水量是一种行之有效的、快速的、简便的、可靠方法。对一定几何结构的电容式水分传感器,其电容量与两极间被测物料的介电常数有正比关系。由于水的介电常数比一般物料的介电常数要大得多,所以当土壤中的水分增加时,其介电常数相应增

23、大,测量时水分传感器给出的电容值也随之上升,根据图2.4探针式土壤湿度传感器传感器的电容量与土壤水分之间的对应关系可测出土壤的水分。利用该方法测量湿度的应用很多,多为探针式。探针式电容传感器是介电常数传感器中的一种,它可以敏感不同深度土壤的含水量。探针用来感测土壤的水分,其长度和距离根据被测对象的灵敏度优化确定。图2.4为3针电容土壤传感器的基本结构图,中央探针作为驱动电极，2根周部敏感电极连接到一起作为电容的另一极。电容式水分传感器的特点是精度高、量程宽、可测的物料品种多,而且响应速度也较快,可应用于在线监测实现自动化。第3章 系统硬件电路设计3.1 AT89C51单片机硬件电路单片机的全称

24、为微型计算机（Single Chip Microcomputer）。从应用领域来看，单片机主要用于控制，所以又称微控制器（MicroControllerUnit）或嵌入式控制器（Embedded Controller）。单片机是将计算机的基本部件微型化并集成在一块芯片上的微型计算机，其基本组成和工作原理与通用微型计算机是一致的。主要由微处理器（CPU）、存储器、I/O接口三大功能部分通过总线有机连接而成，在外部通过I/O接口配置各种外部设备就构成微机的硬件系统7。单片机体积小，成本低，运用灵活，易于产品化；面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务；抗干扰能力强，适用范围广。本系统采用

25、AT89C51单片机作为中央处理器，其主要任务是读取自动灌溉控制器的模式，并在相应模式下进行相应的控制。如用户选择时间控制模式，从键盘输入灌溉的时间显示在显示屏上，启动步进电机，电机正转一圈把自动灌溉的阀门打开，灌溉的时间一到，步进电机反转一圈把阀门关闭。在自动模式下，单片机检测外部有无灌溉信号。若有，则打开阀门，若没有则循环等待。在本系统中，AT89C51单片机的P0口用于单片机与LCD之间的数据传送，P1.0 P1.3用于步进电机的驱动接口，P1.4用于LCD显示的位驱，P1.5用于控制对LCD的读写控制信号，P1.6用于控制对LCD的指令是属于写数据还是写指令。P2口用作键盘电路，一共设

26、置16个按键。P3.2口用于键盘中断信号，若有键按下，则P3.2有中断信号送入单片机。P3.3用于外部灌溉信号的输入通道。AT89C51是一种低功耗/低电压、高性能的八位CMOS单片机，片内有一个4KB的FLASH可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash ProgrammAble and Erasable Read Only Memory），它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统都与MSC51兼容。片内置通用8位中央处理器（CPU）和FLASH存储单元，片内的存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程。因此，AT89C51是一

27、种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，可方便的应用于各种控制领域8。3.1.1 主要特性（1）与MCS-51产品指令系统兼容； （2）4K字节可编程闪烁存储器； （3）寿命：1000写/擦循环；（4）数据保留时间：10年；（5）全静态工作：0Hz-24MHz；（6）三级程序存储器锁定；（7）128*8位内部RAM；（8）32条可编程I/O线；（9）两个16位定时器/计数器；（10）6个中断源； （11）可编程串行通道；（12）低功耗的闲置和掉电模式；（13）片内振荡器和时钟电路。 另外，AT89C51是用静态逻辑来设计的，其工作频率可下降到零并提供两种软件的省电方式-空闲方式和掉电方式。在空闲

28、方式中，CPU停止工作。在掉电方式中，片内振荡器停止工作，由于时钟被“冻结”，使一切功能都暂停，只保存片内RAM中的内容，直到下次硬件复位为止。3.1.2 管脚说明VCC（40）：供电电压，其工作电压为5V。GND（20）：接地。P0端口（P0.0-P0.7）：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高9。P1端口（P1.0-P1.7）：P1口是一个内部提供

29、上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4个TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高电平，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2端口（P2.0-P2.7）：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时

30、，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3端口（P3.0-P3.7）：P3口管脚是一个带有内部上拉电阻的8位的双向I/O端口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入端时，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如表3.1所示。P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。表3.1 P3端口引脚兼用功能表表端口引脚第二功能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行

31、输出口）P3.2INT0（外中断0）P3.3INT1（外中断1）P3.4T0（定时/计数0）P3.5T1（定时/计数1）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）AT89C51引脚图如图3.1所示。图3.1 AT89C51引脚图3.1.4 AT89C51最小系统 XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。AT89C51最小系统接线如图

32、3.2所示，在XTAL1、XTAL2端接上晶振及两个谐振电容，在RESET端接上相应的电阻、电容，如需要按键复位，加上按键即可组成一个最小系统，按要求通电后，系统就可以工作了。 图3.2 AT89C51最小系统图3.2 湿度采集电路3.2.1 湿度传感器的原理利用土壤含水量的介电特性来测量土壤含水量是一种行之有效、简便、快速的方法。对一定几何结构的电容式水分传感器,其电容量与两极间被测物料的介电常数有正比关系10。由于水的介电常数比一般物料的介电常数要大得多,所以当土壤中的水分增加时,其介电常数相应增大,测量时水分传感器测出的电容值也随之上升,根据传感器的电容量与土壤水分的对应关系可测出土壤的水分。交流信号源产生某一频率的交变信号,此信号通过一定的传输线到达探针,传感器探针可以看作电极,等效为一个电容和一个电导的并联。假设电极的电容为C,加在电极之间的交变电压将产生一个交变电量,从而引起一个交变电流,则交变电压可以写为