基于单片机的自动节水灌溉系统本科学位.docx
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基于单片机的自动节水灌溉系统本科学位
基于单片机的自动节水灌溉系统
摘要
节水灌溉-农业节水不仅潜力很大而且利国利民。
对占消费水80%左右的农业用水的合理使用和发挥最大效益应该说具有非常重要的意义。
尤其对于处在干旱、半干旱地区的大半个中国，节水将是可持续发展需要解决的最重要问题。
单片机可编程控制节水灌溉系统，该系统可对不同土壤的湿度进行监控，并按照作物对土壤湿度的要求进行适时、适量灌水.本控制器以AT89C51单片机为核心，由传感器，信号处理电路、输出控制电路等构成。
以实现数据采集、控制信号输出，通过传感器自动检测土壤水分实现自动灌溉控制。
硬件方面，土壤含水量的测量采用HIH3610湿度传感器；A/D转换采用ADC0809芯片,74LS373芯片等。
单片机控制部分采用AT89C51单片机为核心，主要由土壤湿度传感器，信号处理电路，输出控制电路等组成，软件选用汇编语言编程。
单片机可将土壤湿度传感器检测到的土壤湿度模拟量转换成数字量，并传输给控制系统检测是否该灌溉。
该系统灵活性强，成本低，可靠性高，在实际应用中前景广阔。
关键词：
单片机芯片采样A/D转换
ABSTRACT
Stanzawaterirrigation-agriculturestanzawaternotonlythepotentialbutisverybigandbenefitpeopleofcountry.Tohavetoconsumewater80%orsoagriculturetouseaqueousofreasonableusageanddevelopthebiggestefficiencyshouldsayhavingcountformuchmeaning.Particularlyforbeplacedinthegreaterhalfinsidecountryofdrought,thehalfdryregion,stanzawaterwillbekeeponthedevelopmentneedstobesolvedthemostimportantproblem.Thesinglesliceofmachineprogrammablecontrolstanzawaterirrigationsystem,thatsystemcancarryonsupervisiontothedegreeofhumidityofdifferentsoil,andBeaccordingtotherequestoffarmcroptosoildegreeofhumiditycarryoningoodtimeandjusttherightamountinfusingwater.ThiscontrollertakestheAT89C51singlesliceofmachineascore,fromspreadafeelingmachine,thesignalhandleselectriccircuitandoutputcontrolelectriccircuitetc.composing.Collectbycarryingoutadata,controlsignaloutput,passtospreadafeelingmachineanautoexaminationthesoilhumiditycarryoutanautomaticirrigationcontrol.Hardware,thesoilcontainsthediagraphadoptionHIH3610degreeofhumiditiesofamountofwatertospreadafeelingmachine;A|DconverttheadoptionADC0809chips,74LS373chipetc..
SinglesliceofmachinecontrolpartadoptiontheAT89C51singlesliceofmachineismainlyspreadafeelingmachinebysoildegreeofhumidity,thesignalhandleselectriccircuitandoutputscontrolelectriccircuitetc.toconstitute,thesoftwarechoiceeditscollectedmaterialsalanguageplaitdistance.Thesinglesliceofmachinecanspreadsoildegreeofhumidity,thefeelingmachineexaminesofthesoildegreeofhumidityimitatesquantitytoconvertintoanumberquantity,anddelivertocontrolsystemexaminationwhethershouldirrigate.Thesystem'svividisstrong,thecostislow,Highreliability,atphysicallyappliedinforegroundvast.
Keyword:
singlechipChipSampleA|Dconvert
目录
一前言1
1.1本设计的任务和主要内容1
二 本系统主要硬件电路设计及介绍2
2.1本系统主要硬件介绍及总体说明：
2
2.2简介AT89C51内部总体结构及其基本特性如下:
2
2.3湿度传感器介绍3
2.4A/D模块介绍4
2.5电动机介绍6
2.6电磁阀，喷头7
三 本系统主要硬件电路设计9
3.1系统的工作原理9
3.2单片机主系统电路9
3.3时钟电路10
3.4数据存储器的扩展电路11
3.５数据采集处理电路11
3.６LED显示系统电路12
四系统的软件设计15
4.1系统主程序设计15
4．2采样子程序设计17
4.3数据处理17
4.3.1采集数据转换17
4.3.2BCD转换19
4.4LED动态显示程序19
结论21
谢辞22
参考文献23
一前言
水是生命之源，没有了水，地球上的生物都将消失。
农业自古是我国重中之重的行业，是各行各业的基础，也是人类得以生存的行业。
农业的发展从长远的可持续战略发展来看，节水，高科技农业是二来的趋势。
由传统农业向现代化农业转变，由粗放经营向集约经营转变。
农业科技要想有大的发展，必须进行一次新的农业技术革命。
农业与工业、交通等行业相比仍然比较落后，农业灌溉技术尤其落后。
灌溉系统自动化水平较低是制约我国高效农业发展的主要原因之一。
传统的灌溉模式自动化程度低，属粗放的人工操作，即便对于给定的量，在操作中也无法进行有效的控制，为了提高灌溉效率，缩短劳动时间和节约水资源，必须发展节水灌溉控制技术。
计算机技术和传感器技术的迅猛发展，计算机和传感器的价格日益降低，可靠性日益提高，用信息技术改造农业已经是势在必行。
用高新技术改造农业产业，实施节水灌溉已成为我国农业乃至国民经济持续发展带战略性的根本大事。
本课题旨在设计一套能对作物生长的土壤湿度进行监控并自动灌溉的系统，它能对作物进行适时、适量的灌水，起到高效灌溉，节水、节能的作用。
1.1本设计的任务和主要内容
本论文主要讨论单片机控制的节水灌溉系统，分别对土壤湿度与灌水量之间的关系、灌溉控制技术及系统设备的软、硬件各个部分进行了探讨。
主要内容如下:
1.节水灌溉控制系统的整体说明与设计思路分析。
2.单片机的各部件的硬件说明，电路分析及软件编码。
3.据土壤湿度值，在灌水期间以预定的时间进行灌溉。
当土壤湿度值低于设定的最低值时，系统便自动灌溉。
4.相对于落后的人工灌溉来讲，这种自动化的方式可以控制浇水量的多少，减少人工操作，达到节水的目的。
二 本系统主要硬件电路设计及介绍
2.1本系统主要硬件介绍及总体说明：
要实现智能灌溉，系统需要有单片机、传感器、A/D模块，电动机、电磁阀、管网和喷头等设备。
单片机：
负责发出和接收各种运行程序指令，是整个控制系统的中枢部分。
传感器：
由于本次设计时间比较仓促，忽略了温度对灌溉的影响，因此没有使用温度传感器，只使用了土壤湿度传感器。
通过传感器采集土壤里的湿度信号，判断是否需要灌溉。
A/D模块：
将传感器采集的信号送到单片机。
电动机：
从水源抽水，为喷灌系统提供一定的压力。
电磁阀：
控制喷头的喷灌与否。
喷头：
实现均匀喷洒，便于充分吸收。
管网：
灌溉系统输送水的管路。
图2-1系统结构框图
2.2简介AT89C51内部总体结构及其基本特性如下:
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
8位CPU、片内振荡器、4k字节ROM、128字节RAM、21个特殊功能寄存器、32根I/O线、可寻址的64k字节外部数据、程序存贮空间、2个16位定时器、计数器中断结构：
具有二个优先级、五个中断源一个全双口串行口位寻址功能，适于按位进行逻辑运算的位处理器。
除128字节RAM、4k字节ROM和中断、串行口及定时器模块外，还有4组I/O口P0～P3，余下的就是CPU的全部组成。
如去掉ROM/EPROM部分即为8031，如果将ROM置换为Flash存贮器或EEPROM，或再省去某些I/O，即可得到51系列的派生品种，如89C51等单片机。
单片机各部分是通过内部的总线有机地连接起来。
图２-２AT89C51引脚结构图
因此，AT89C51构成的单片机系统是具有结构最简单、造价最低廉、效率最高的微控制系统，省去了外部的RAM、ROM和接口器件，减少了硬件开销，节省了成本，提高了系统的性价比。
2.3湿度传感器介绍
湿敏元件的特性:
由于单总线微网采用寄存电源的方式向单总线器件供电，因此，要求挂接在单总线微网上的器件必须满足低功耗的要求。
这里，选用了具有低功耗特性的模拟大信号湿度传感器HIH-3610。
HIH-3610是美国Honeywell公司生产的相对湿度传感器。
该传器采用热固聚酯电容式传感头，同时在内部集成了信号处理功能电路，因此，可完成将相对湿度值变换成电容值，再将电容传转换成线性的电压输出。
同时该传感器还具精度高、响应快速、高稳定性、低温漂、抗化学腐蚀性能强及互换性好等优点，其性能指标如表2-3所列，输出电压与相对湿度的关系如表2-1所示。
表2-1HIH-3610湿度传感器性能指标
参 数
指 标
RH精度
±2%RH，0～100%RH非凝结，25℃（DC供电电压=5V）
RH互换性
±5%RH，0～60%RH；±8%@90%RH
RH线性
±0.5%RH典型值
RH迟滞
±1.2%的RH最大量程
RH重复性
0.5%RH
RH反应时间/s
30（慢流动的空气中，1/e@25℃）
RH稳定性
±1%RH典型值，50%RH，5年时间内
DC供电电压/V
4～9（传感器在DC5V下标定）
消耗电流/mA
0.2（DC5V）;2（典型值，DC9V）
输出电压
Vout=Vsuppl[0.0062（sensor%RH）+0.16]
由性能指标及输出电压与相对湿度的关系曲线，可得出如下结论。
①HIH-3610在供电电压为5V时，其消耗电流仅为200μA，完全可满足单总线微网对器件低功耗的要求。
②HIH-3610输出电压为Vout=Vsupply[0.0062（sensor%RH）+0.16]
即输出电压Vout不仅正比于湿度测量值，且与电源电压值Vsupply圾关。
若Vsupply固定为5V，则其值仅由相对湿度值决定，但由于单总线上的供电电压值为变量，故要求在进行湿度测量的同时还应测量电源电压Vsupply的值。
③HIH-3610输出的湿度值还与环境温度有关，故应进行温度补偿，补偿公式为
RH=（sensor%RH）/1.0546-0.0216t
2.4A/D模块介绍
ADC有两大类：
一类在电子线路中使用，没有使能控制端；另一类有使能控制端，可以和微机接口直接连接。
ADC0809是8位逐次逼近式A/D转换器，可以和微机接口直接相连。
Ⅰ．内部结构
ADC0809由八路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、256电阻阶梯、树状开关、逐次逼近式寄存器SAR、控制电路和三态输出锁存器等组成。
（1）八路模拟开关及地址锁存与译码器
八路模拟开关用于输入IN0—IN7上八路模拟电压。
地址锁存和译码器在ALE信号控制下可以锁存ADDA、ADDB和ADDC上地址信息，经译码后控制IN0—IN7上哪一路模拟电压送入比较器。
例如：
当ADDA、ADDB和ADDC上均为低电平0以及ALE为高电平时，地址锁存和译码器输出使IN0上模拟电压送到比较器输入端VIN。
（2）256电阻阶梯和树状开关
为了简化问题起见，现以二位电阻阶梯和树状开关为例加以说明。
其中，四个分压电阻使A、B、C和D四点分压成2.5V、1.5V、0.5V和0V。
SAR中高位D1控制左边两只树状电子开关，低位D0控制右边四只树状开关。
各开关旁的0和1表示树状开关闭合条件，由D1D0状态决定。
例如：
D1=1，则上面开关闭合而下面开关断开，D1=0时的情况正好与此相反。
树状开关输出电压VST和D1D0关系列于表2-2。
表2-2VST和D1D0的关系
D1D0
VST
00
0V
01
0.5V
10
1.5V
11
2.5V
对于8位A/D转换器，SAR为八位，电阻阶梯、树状开关和上述情况类似。
只是要有256个分压电阻，形成256个标准电压供给树状开关使用。
VST送给比较器输入端。
（3）逐次逼近寄存器和比较器SAR在A/D转换过程中存放暂态数字量，在A/D转换完成后存放数字量，并可送到“三态输出锁存器”。
A/D转移前，SAR为全0。
A/D转换开始时，控制电路使SAR最高位为1，并控制树状开关的闭合和断开，由此产生VST送给比较器。
比较器对输入模拟电压VIN和VST进行比较。
若VIN此后，控制电路在保持最高位不变下，依次对次高位、次次高位……最低位重复上述过程，就可在SAR中得到A/D转换完成后的数字量。
（4）三态输出锁存器和控制电路
三态输出锁存器用于锁存A/D转换完成后的数字量。
CPU使OE引脚变为高电平就可以从“三态输出锁存器”取走A/D转换后的数字量。
控制电路用于控制ADC0809的操作过程。
Ⅱ．引脚功能
ADC0809采用双列直插式封装，共有28条引脚，如图2-3所示，现分为四组简述如下：
图2-3 ADC0809引脚图
（1）IN0—IN7（8条）IN0—IN7为八路模拟电压输入线，用于输入被转换的模拟电压。
（2）地址输入和控制ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。
当ALE线为高电平时，ADDA、ADDB和ADDC三条地址线上地址信号得以锁存，经译码后控制八路模拟开关工作。
ADDA、ADDB和ADDC为地址输入线，用于选择IN0—IN7上哪一路模拟电压送给比较器进行A/D转换。
ADDA、ADDB和ADDC对IN0—IN7的选择如表2-3所列。
表2-3被选模拟量路数和地址的关系
被选模拟电压路数
ADDC
ADDB
ADDA
IN0
0
0
0
IN1
0
0
1
IN2
0
1
0
IN3
0
1
1
IN4
1
0
0
IN5
1
0
1
IN6
1
1
0
IN7
1
1
1
（3）数字量输出及控制线START为“启动脉冲”输入线，该线上正脉冲由CPU送来，宽度应大于100ns。
EOC为转换结束输出线，该线上高电平表示A/D转换已结束，数字量已锁入“三态输出锁存器”。
2-1—2-8为数字量输出线，2-1为最高位。
OE为“输出允许”线，高电平时能使2-1—2-8引脚上输出转换后的数字量。
（4）电源线及其他（5条）CLOCK为时钟输入线，用于为ADC0809提供逐次比较所需640KHZ时钟脉冲序列。
VCC为+5V电源输入线，GND为地线。
VREF（+）和VREF（-）为参考电压输入线，用于给电阻阶梯网络供给标准电压。
VREF（+）常和Vcc相连，VREF（-）常接地。
2.5电动机介绍
本系统采用最常用的三相异步电动机其运行性能好，可靠性高，成本低。
而且结构简单，其内部结构由定子，定子绕组，机座，转子，转子绕组及轴承，风扇等组成。
三相异步电动机的基本原理：
当电动机接入三相交流电源时，三相定子绕组流过三相对称电流产生的三相磁动势（定子旋转磁动势）并产生旋转磁场。
电动机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
在非超载的情况下，电动机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电动机加一个脉冲信号，电动机则转过一个步距角。
这一线性关系的存在，加上只有周期性的误差而无累积误差等特点。
使得在速度、位置等控制领域变的非常的简单。
在自动控制系统中，用作执行元件，把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。
分为直流和交流电动机两大类，其主要特点是：
当信号电压为零时无自转现象，转速随着转矩的增加而匀速下降，伺服电机内部的转子是永磁铁，驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场，转子在此磁场的作用下转动，同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器，驱动器根据反馈值与目标值进行比较，调整转子转动的角度。
电机的精度决定于编码器的精度（线数）。
2.6电磁阀，喷头
电磁阀是用来控制流体的方向的自动化基础元件，属于执行器；通常用于机械控制和工业阀门上面，对介质方向进行控制，从而达到对阀门开关的控制。
电磁阀的工作原理，电磁阀里有密闭的腔，在的不同位置开有通孔，每个孔都通向不同的油管，腔中间是阀，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来档住或漏出不同的排油的孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油刚的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞竿带动机械装置动。
这样通过控制电磁铁的电流就控制了机械运动。
在选用电阀磁的时候要注意以下特性：
一、安全性：
腐蚀性介质，宜选用塑料电磁阀和全不锈钢；对于强腐蚀的介质必须选用隔离膜片式。
中性介质，也宜选用铜合金为阀壳材料的电磁阀，否则，阀壳中常有锈屑脱落，尤其是动作不频繁的场合。
爆炸性环境必须选用相应防爆等级产品，露天安装或粉尘多场合应选用防水，防尘品种。
电磁阀公称压力应超过管内最高工作压力。
二、适用性：
介质特性，液态或混合状态分别选用不同品种的电磁阀，有液态与气态之分。
介质温度不合适，容易使线圈烧掉，密封件老化，严重影响寿命。
介质清洁度不高时都应在电磁阀前配装反冲过滤阀。
介质流通方向不同，选用的型号也不同。
介质温度应选在电磁阀允许范围之内。
管道参数，根据介质流向要求及管道连接方式选择阀门通口及型号。
根据流量和阀门管径选择不同的型号。
最低工作压差在0.04Mpa以上可选用间接先导式；最低工作压差接近或小于零的必须选用直动式或分步直接式。
环境条件，环境的最高和最低温度应选在允许范围之内，如果相对湿度高及有水滴雨淋等场合，应选防水电磁阀，经常有振动，颠簸和冲击等场合应选特殊品种，例如船用电磁阀，在有腐蚀性或爆炸性环境中的使用应优先根据安全性要求选用耐发蚀，环境空间若受限制，可选用多功能电磁阀，因其省去了旁路及三只手动阀且便于在线维修。
电源条件，根据供电电源种类，分别选用交流和直流电磁阀。
一般来说交流电源取用方便。
电压规格用尽量优先选用AC220V.DC24V。
电源电压波动通常交流选用+%10%.-15%，直流允许±%10左右，如若超差，须采取稳压措施。
应根据电源容量选择额定电流和消耗功率。
须注意交流起动时VA值较高，在容量不足时应优先选用间接导式电磁阀。
控制精度，普通电磁阀只有开、关两个位置，在控制精度要求高和参数要求平稳时要选用多位电磁阀。
三、可靠性：
工作寿命：
选用质量较高的产品寿命比较长。
工作制式：
分长期工作制，反复短时工作制和短时工作制三种。
对于长时间阀门开通只有短时关闭的情况，宜选用常开电磁阀。
工作频率：
动作频率要求高时，结构应优选直动式电磁阀，电源优选交流。
动作可靠性：
对可靠性要求却很高，如消防、紧急保护等。
喷头介绍：
喷头用于将水分散成水滴，如同降雨一般比较均匀地喷洒在作物种植区域。
三 本系统主要硬件电路设计
3.1系统的工作原理
湿度传感器采集到湿度信息，通过变换器，转化为电信号，A/D转换器将模拟电信号转化为离散信号，传给单片机。
单片机软件系统根据事先的设定值对采集的信息进行处理，输出离散的控制信号。
D/A转换器将离散的控制信号转化为模拟电量。
通过模拟电量来控制阀门的动作，从而实现自动控制。
系统原理框如图3-1：
图３-１ 系统原理图
通过湿度传感器采集湿度信息，经放大器放大后送到A/D转换器。
A/D转换器将连续的模拟量转化为单片机能接受的离散的数字量。
单片机收到流量信号后，在控制系统软件的作用下，发出相应的执行命令给进电机。
进行控制。
3.2单片机主系统电路
AT89C51内部自带2K字节可编程FLASH存储器的低电压以及高性能COMS八位微处理器，与IntelMCS-51系列单片机的指令和输出管脚兼容。
由于将多功能八位CPU和闪速存储器结合在单个芯片中所以AT89C51构成的单片机系统具有结构简单、造价低廉、效率高的特点，省去了外部的RAM、ROM和接口器件，减少了硬件开销，节省了成本，提高了系统的性价比，AT89C51RC片内总共有512字节的用户数据区，而256字节的内部扩展数据区需通过清SFR（8EH）的位1并用MOVX指令访问，片内置通用8位中央处理器和FlASH存储单元，另一个256BytesRAM区与ATMEL之AT89系列8052兼容的单片机是一致的，AT89C51RC结合通用的8位微处理器和Flash存储技术构成功能强大单片微处理器，可提供许多高性能低价位的系统控制应用场合。
图3-2A/D信号变换图
CPU的P0口是地址数据复用总线，由锁存器373锁存低8位地址，经译码器译码产生地址为F0H的输出信号作为ADC0809的选通信号，从传感器送来的模拟信号经ADC0809转换为数字信号，对F0H地址的写操作启动A/D转换，然后查询EOC结束信号，直到EOC输出高电平表示A/D转换结束，CPU通过对F0H地址的读操作读取转换结果，CPU经过数据处理后发出控制命令给电机系统，控制发动电机系统抽水打开阀门进行灌溉，传感器不断传送土壤的湿度值给单片机，当土壤湿度值达到了预定设的湿度指数，发出信号关闭阀门停止灌溉。
传感器每隔一定时间便给单片机传送土壤湿度值，一但未到到预设的湿度，不适合农作物生
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