毕业设计（论文）-基于单片机的节水灌溉自动控制系统的设计-含程序+图纸.doc

本科生毕业设计完整版全套设计，联系 153893706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。但从长远的利益考虑，新的只能化技术，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，性能更稳定可靠的灌溉控制器出现。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，大多数是农业示范区，单位。虽然国外生产的灌溉控制器性能越来越高，但没有考虑我国特殊的自然气候土地资源农业经济状况等因素，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器，但多数是小规模，试验和理论的探究应用不够普及。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和物力的投入，需要多部门，多学科的融合，这在一定程度上限制了性能的完善，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和灌溉用水提高产量，但由于一次性投入太大，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。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，而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，并能有通讯功能，能与上位机进行通信，并可由危机对其编程操作。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，大力发展可靠实用和操作简便的节水灌溉控制器，这样做不仅具有广阔的市场，而且有巨大的社会和经济效益。现代智能型控制器是进行灌溉系统田间管理的有效手段和工具，他可提高操作准确性，有利于灌溉过程的科学管理，降低对操作者本身素质要求。除了能大大减少劳动量，更重要的是他能准确，定时，定量高效地给作物自动补充水分，以提高产量，质量，节水和节能。现代灌溉控制器的研究使用在我国的农林及园艺为数不多，与发达国家相比，有较大的差距，还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动化控制系统，也是根据经验法来确定每天灌溉次数和每天灌溉量，如果灌溉量与作物实际需水量相比较少，便不能有效的促进作物健康成长；而灌溉量太多，肥水流失，又会造成资源浪费，同时传统的灌溉法还需要相关的专家实时观察并经验指导生产，劳动生产率低，这也不能与现代化农业向优化，高效化方向发展要求同步1.2 选题背景及研究的目的与意义1.2.1 选题背景生命之起源，水为必要条件，没有了水，地球上的生命将会枯竭。随着21世纪的到来，能源危机将接踵而至。比能源危机更可怕的是，作为人类生命之源的水的短缺到了前所未有的程度，这一状况还将随着时间的推移和社会的发展继续恶化。水资源危机已成为全球性的突出问题，利用科技手段缓解这一危机，将是人类主要的出路。农业是人类社会最古老的行业，是各行各业的基础，也是人类顿以生存的最重要的行业。农业的发展从长远来看很重要，一是水的问题，二是科技的问题。农业的根本出路在科技，在教育。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，必须要求农业科技有一个大的发展，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。传统的灌溉模式自动化程度极低，基本上属粗放的人工操作，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。现代智能型控制器是进行灌溉系统田间管理的有效手段和工具，它可提高操作准确性，有利于灌溉过程的科学管理，降低对操作者本身素质的要求。除了能大大减少劳动量，更重要的是它能准确、定时、定量、高效地给作物自动补充水分，以提高产量、质量，节水、节能。现代灌溉控制器的研究使用在我国农、林、及园艺为数不多，与发达国家相比，有较大的差距，还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动化控制系统，也是根据经验法来确定每天灌溉次数和每次灌溉量，如果灌溉量与作物实际需水量相比太少，便不能有效的促进作物健康成长;而灌溉量太多，肥水流失，又会造成资源浪费，同时传统的灌溉法还需要相关专家的实时观察并经验指导生产，劳动生产率低，这也不能与现代化农业向优化、高效化方向发展要求同步。随着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不仅是可能的而且是必要的。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。本文旨在设计一套能对作物生长的土壤湿度进行自动监控的系统，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。1.2.2 研究的目的与意义农业是人类社会最古老的行业，是各行各业的基础，也是人类赖以生存的最重要的行业。农业的发展从长远来看非常重要，一是水的问题，二是科技的问题。农业的根本出路在科技，在教育。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，必须要求农业科技有一个大的发展，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。传统的灌溉模式自动化程度极低，基本上属粗放的人工操作，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，缩短劳动时问和节约水资源，必须发展节水灌溉控制技术。现代智能型控制器进行灌溉系统田间管理的有效手段和工具，它可提高操作准确性，有利于灌溉过程的科学管理，降低对操作者本身素质的要求。除了能大大减少劳动量，更重要的是它能准确、定时、定量、高效地给作物自动补充分，以提高产量、质量，节水、节能。现代灌溉控制器的研究使用在我国农、林、及园艺为数不多，与发达国家相比，有较大的差距，还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动化控制系统，也是根据经验法来确定每天灌溉次数和每次灌溉最。如果灌溉量与作物实际需水量相比太少，便不能有效的促进作物健康成长；而灌溉量太多，肥水流失，又会造成资源浪费。同时传统的灌溉法还需要相关专家的实时观察并经验指导生产，劳动生产率低，这也不能与现代化农业向优化、高效化方向发展要求同步。我国先后引进了以色列、美国、法国、德国等国家的部分先进灌溉控制设备，但价格昂贵，维护保养困难，多数用于农业示范区、科研单位或高校，而且不符合我国土壤的应用特点。我国自己的现代灌溉控制器的研制和使用尚处于起步阶段，因此，作为一个农业大国，中国研究开发自己的先进的低成本、使用维护方便、系统功能强且扩展容易的国产化数字式节水灌溉器是一项极有意义的工作。随着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不仅是可能的而且是必要的。用高新技术改造农业产业，实施节水灌溉己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。本文旨在设计一套能对作物生长进行自动监控的系统，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。1.3 研究内容本设计需研究的内容为：节水灌溉自动控制系统的发展状况；节水灌溉自动控制系统的结构及组成，即选择系统设计的基本方案与硬件及软件等方面的设计。在硬件方面，需研究整体硬件框图以及各种器件的选型及连接方法；在软件方面，要明确主程序及各个主要部分的流程以及相应的程序控制清单。1.4 节水灌溉控制系统国内外的研究现状及存在问题国内自20世纪50年代即开始节水灌溉的研究，并对当时主要农作物的需水量和需水规律、灌溉制度进行了许多试验研究，绘制了全国主要农作物的需水量等值线图，建立了全国灌溉试验资料数据库。20世纪70年代主要集中在节水灌溉制度方面的研究。节水灌溉制度包括灌水时期、灌水定额和轮灌周期等内容。根据水与作物生长、发育及产量间的关系，通过有限水量在作物生育期内的最优分配，以提高有限灌溉水屠下作物根系吸收转化和光合作用向经济产量转化的效率为目标，进而达到高产和高水分生产率。但此时期的研究是基于传统的充分灌溉基础上的。20世纪80年代开始，许多研究者放弃了充分灌溉的研究，转向节水型劣态或亚劣态试验，结果表明与充分灌溉相比，节水灌溉条件下的产量降低并不严重。随后，调亏灌溉技术发展很快。喷、微灌技术是当今世界上节水效果最明显的技术，是当前诸多现代灌溉技术中省水率最高。应用最为广泛的灌溉方法，目前研究很多。如：喷灌水量分布均匀性评价指标的实验研究漫灌和喷灌条件下土壤养分运移特征的初步研究川，研究了漫灌、喷灌入渗条件下，土壤养分运移的特征；喷灌条件下小气候变化规律的研究，研究了最大温差和最大相对湿度与喷灌时间、喷灌工作压力、风力、风向以及光照强度的关系；喷灌条件下冬小麦生理特征及生态环境特点的实验研究。喷灌硬件设施方面的研究有：低压管喷及其节水高产机理研究；水田自动给水灌溉系统中非均匀出流问题的研究；田间喷管结合灌水技术体系的研究；灌区灌溉中的模糊控制；gps节水灌溉系统的研究。我国的微灌技术在70年代就有所研究发展。我国最早的渗灌工程是山西临汾的龙子祠引泉工程和河南省济源的合瓦地灌排工程。1975年以后，山西省万荣县、河南省许昌市及江苏省的常熟、雌宁、南通、启东、徐州等地进行了渗灌试点。然而，这些试点仅限于试验阶段，没有得到广泛应用，而且也没有采用自动化控制的思想。我国节水灌溉自动化研究处于起步阶段，自动化程度低，目前开发的自动灌溉控制系统还处于研制、试用阶段。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，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，北京等地已经投入应用，效果良好，但其成本较高，适用于温室内作物。由中国灌排技术开发公司开发的集中或分散式微灌自动监控系统，根据灌溉计划能自动对微灌工程进行监视，控制和事故处理，其核心控制部件为8098单片机。北京农业工程大学研制的自动化灌溉控制系统是以8031单片机为核心，可对多通道土壤水分进行检测，实现对多路通道进行自动灌溉控制的功能。但以上两种系统选用的芯片功能较少，由于电路扩展而使系统复杂化，而且系统运行不稳定。福建省水利建设技术中心研制的节水灌溉自动化控制系统，其应用计算机技术，通讯技术，自动控制技术和生态农业技术进行集成化与优化配置，可对大田作物采取三种模式灌溉方式，即定时、恒湿及人工模式。北京奥特思达科技有限公司研制的我国的微灌技术在70年代就有所研究发展。我国最早的渗灌工程是山西临汾的龙子祠引泉工程和河南省济源的合瓦地灌排工程。1975年以后，山西省万荣县、河南省许昌市及江苏省的常熟、雌宁、南通、启东、徐州等地进行了渗灌试点。然而，这些试点仅限于试验阶段，没有得到广泛应用，而且也没有采用自动化控制的思想。总之，在我国，虽然有多种灌溉控制器，但多数规模较小，局限于实验和理论的探讨，而且开发出来的产品价格昂贵，农民尽管知道能节能、节水、增产，但由于一次性投资太大，多数农民承受不起，所以根本无法普及应用。节水农业在国外的发展已有几十年的历史，在西方发达国家，节水灌溉的应用面积和产业化程度很高。目前，约有80多个国家和地区推广应用微灌技术。美国、前苏联的喷灌面积己占其总灌溉面积40以上，英国、德国、奥地利、丹麦、瑞典、日本等国的旱地灌溉面积中90以上采用喷灌。一些发达国家的喷灌系统中广泛使用多功能压力流量控制设备，如法国和日本均开发并使用集给水拴、压力控制、流量显示、水量控制等功能于一体的多功能压力流量控制给水拴。节能效果良好的恒压喷灌技术也得到了广泛的应用，如日本在大多数旱地灌溉系统的；h五泵站中使用调压罐控制。微灌领域，以色列和美国水平很高。他们对灌溉的新概念是：把含有肥料的水一滴滴的输入作物根系层的土壤中，使土壤中的水、肥、气、热等保持协调关系，达到作物高产的目的。尤其是以色列，在水资源极度缺乏的情况下，通过发展节水农业和节水灌溉工程技术，建立起了高度发达的外向型农业产业。世界著名的耐特费姆(netfim)灌溉设备和滴灌系统公司生产的微灌系统基本由计算机自动控制运行，可根据作物的生长及水、肥状况进行灌水和施肥，节约大量人力，且管理及时，使作物产量和品质都有较大幅度的提剐161。除了大力推广微灌与喷灌技术外，发达国家发展高效农业的另一个重要途径是灌溉管理的自动化旧。如美国、法国、英国、日本、以色列等发达国家已采用了先进的灌溉系统。他们采用先进的节水灌溉制度，由传统的充分灌溉向非充分灌溉发展，对灌区用水进行监测预报，实行动态管理，采用遥感技术，监测土4壤墒情和作物生长，开发和制造了一系列用途广泛，功能强大的数字式灌溉控制器，并得到了广泛的应用。仍然以以色列为例，以色列是世界上微灌技术发展最具有代表性的国家，目前全国农业土地基本上实现了灌溉管理自动化，并且普遍推行自动控制系统，按时、按量将水、肥直接送入作物根部，水资源利用率和单方水的粮食产量都相当高。北美、澳大利亚、韩国等国家和地区都已有发展成熟并形成系列的灌溉控制器产品，微灌方式普遍采用计算机控制，埋在地下的湿度传感器可以传回有关土壤水分的信息，还有的传感器系统能通过检测植物的茎和果实的直径变化来决定对植物的灌水间隔。在温室等设施内较多使用小型灌溉管、理程序，浇水时间可按日期设定每次每路灌水起止时闻，操作便于小规模经营。计算机化操作运行精密、可靠、节省人力，对灌溉过程的控制可达到相当的精度，在以色列，已经出现了在家里利用电脑对灌溉过程进行全部控制(无线、有线)的农场主。总之，目前国外灌溉控制器已逐步趋于成熟、系列化，并朝着大型分布式控制系统和小面积单机控制两个方向发展，产品一般都能与微机进行通信，并由机对其施行控制。我国节水灌溉自动控制器研发行业与国外研发企业相比存在如下几点问题:1、从中国整个灌溉系统设计行业的产品发展来看：产品主要以仿制国外产品为主，缺乏自主创新;2、技术开发体系没有受到应有的重视和规范：一方面，技术开发规划工作缺乏，预见性不强；另一方面，技术开发过程不规范，对开发周期、成本和风险等方面的控制有待加强;3、技术开发体系没有受到应有的重视和规范：一方面，技术开发规划工作缺乏，预见性不强；另一方面，技术开发过程不规范，对开发周期、成本和风险等方面的控制有待加强;4、产品立项前的市场管理活动没有规范化：市场信息收集和分析工作薄弱，生产厂家对新产品近3-5年的产品路标规划也不清晰，往往只有1-2年的开发项目计划；5、产品研发缺乏一个整合企业资源的清晰的研发流程：产品线建设明显滞后于资源线的建设6、专业研发人才缺乏：在培养关键性研发人才上，缺少相应的机制保障。第2章 灌溉系统总体设计方案2.1 计算机控制系统的基本形式计算机控制系统的种类繁多，但归纳起来，目前实现计算机控制的方式基本上属于下面五种形式：1、成套的计算机控制系统产品:目前世界上已出现了许多与硬件产品配套的，具有不同特点、适用于不同控制对象的软件产品，像honeywell、wdpf等dcs(集散系统)系统。2、以实时操作系统为基础，由控制系统设计人员设计在操作系统上运行的实时应用软件:目前通用有一大批irmxrtox，psos的实时操作系统。这类系统要求用户自己编写应用程序，设计程序的流向，而由操作系统对应用程序进行实时调度和占先，循环处理，因此减少了应用软件开发的难度。但要求程序员熟悉实时多任务编程技术，而且图形界面不太好。3、集成的实时系统开发软件:例如：citect，intouch，由软件制造商提供，是专门为实时服务的开发环境和运行环境。系统本身已经构建了实现不同功能的软件包、程序模块和控键。用户只需要按照规定方式，根据实际对象要求，调用相应模块，即可构成应用程序。4、在通用操作系统例了如dos，windows环境下:采用实时核实现程序的实时多任务特性。rtx， rtkernel，rtos等都是应用广泛的实时核。5、直接从系统的最底层采用高级语言或汇编语言编制实时应用程序:这种方法先把系统划分层次，明确目标，任务，对各个任务的子过程进行结构化编程，然后还要另外编写计时、中断、调度等控制程序。程序设计的难度和工作量很大，但整个程序对于设计人员来说是完全透明的，适应性强。2.2 系统总体方案根据实际情况及系统技术要求，拟采用at89c51微控器作为控制与数据处理的核心以构成节水灌溉控制系统。该系统采用at89c51单片机来实现。用湿度检测电路中的湿敏电阻对土壤湿度进行采集，所得电流信号经处理得到可用的电压信号，输入到a/d转换器adc0809转换成数字信号进行处理。系统将检测得土壤的湿度值，送到led显示电路显示，从而实现对土壤湿度的监测监控，能进行适度范围设置和显示，同时通过模糊控制算法实现对水泵开关的只能控制。该电路主要由at89c51系统电路、电源电路、湿度检测电路、显示电路、开关控制电路等组成。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。系统框图如图2.1所示图2.1 系统框图2.2.1 at89c51微控器构成的最小系统根据本设计的技术要求来判断是否需要对此微控器进行片外程序存储器及数据存储器的扩展。若需要，则对at89c51微控器进行片外存储器扩展，以构成控制系统的最基本部分。若不需要，则单片机及其时钟电路与复位电路等构成最小系统。2.2.2 数据采集部分 adc0809是一种8位逐次逼近式a/d转换器，内部具有锁存控制的8路模拟开关，外接8路模拟输入端，可同时对8路0-5v的输入模拟电压信号分时进行采集转换，本系统只用到ino和inl两路输入通道。adc0809转换器的分辨率为8位，最大不可调误差小于士1lsb，采用单一+5v供电，功耗为15mw,不必进行零点和满度调整。由于adc0809转换器的输出数据寄存器具有可控的三态输出功能，输出具有ttl三态锁存缓冲器，故其8位数据输出引脚可直接与数据总线相连。a/d转换器需外部控制启动转换信号方能进行转换，这一启动转换信号可由cpu提供，不同型号的a/d转换器，对启动转换信号的要求也不同，分脉冲启动和电平启动两种，adc0809采用脉冲启动转换，只需给a/d转换器的启动控制转换的输入引脚(start)上，加入正脉冲信号，即启动a/d转换器进行转换，转换开始后，转换结束信号输出端(eoc)信号变低，转换结束时，eoc返回高电平，以通知主机读取转换结果的数字量，这个信号可以作为a/d转换器的状态信号供查询，也可以用作中断请求信号。本系统中adc0809与at89c51单片机的接口如图5所示，采用等待延时方式。adc0809的时钟频率范围要求在10-1280khz , at89c51单片机的ale脚的频率是单片机时钟频率的1/6，因此当单片机的时钟频率采用6mhz,adc0809输入时钟频率即为clk=1mhz，发生启动脉冲后需延时100us才可读取a/d转换数据。 adc0809的8位数据输出引脚可直接与数据总线相连，地址译码引脚a, b, c分别与74ls373的a, b, c相连，以选通ino- in7中的一个通道。at89c51的p 2.6作为片选信号，在启动am转换时，由单片机的写信号wr和p2.。控制adc的地址锁存和转换启动。由于ale与start连在一起，因此adc0809在锁存通道地址的同时也启动转换，在读取转换结果时，用单片机的读信号rd和p2.。引脚一级或非门产生的正脉冲作为oe信号，用以打开三态输出锁存器。2.2.3 显示部分微机化测控系统中常用的测量数据的显示器有发光二极管显示器(简称led或数码管)和液晶显示器(简称lcd)。这两种显示器都具有线路简单、耗电少、成本低、寿命长等优点，本系统输出结果选用4个led显示。数码管有共阴共阳之分，本系统采用8段共阴型led，每位数码管内部有8个发光二极管，公共端由8个发光二极管的阴极并接而成，正常显示时公共端接低电平(gnd)，各发光二极管是否点亮取决于a-dp各引脚上是否是高电平。 led数码管的外形结构，外部有10个引脚，其中3, 8脚为公共端也称位选端，其余8个引脚称为段选端，当要使某一位数码管显示某一数字(0-9中的一个)必须在这个数码管的段选端加上与数字显示数字对应的8位段选码(也称字形码)，在位选端加上低电平即可。2.2.4 供电电源单元采用变压器、整流滤波及稳压等电路组成，分别给以上各部分提供所需要的电压，可以提供+5v, +12v, +40v的稳定电压。由于电压源是现成的设备，可以在市场上订制，所以不在涉及范围内，不再予以讲述。2.3 本章小结本章首先介绍了计算机控制系统的五种基本形式，根据实际情况与技术要求，画出了系统结构框图，并拟定了系统总体设计方案，包括数据采集单元、键盘及显示单元、控制与执行单元、系统各部分所需电源等输入与输出通道，并对每一部分都进行了较详细的叙述。第3章 系统硬件电路设计3.1 本系统的硬件设计概述从总体上讲，本系统硬件电路根据技术需求，由以at89c51单片机为核心的主控电路以及其外围接口电路组成。概括为以单片机为主的主控电路、单片机输入部分接口电路、单片机输出部分接口电路。主控电路是以单片机为核心和必要的外围接口电路组成的，包括单片机最小系统、存储器扩展（若需要）、复位电路等。输入部分接口电路包括各种模拟信号，数字信号与单片机的接口信号调理电路以及按键接口电路。输出部分接口电路包括电机驱动电路，电磁阀驱动电路，led显示驱动电路。其中各种接口电路设计的好坏直接关系到系统运行的稳定性。从硬件具体组成来看，整个硬件电路包括主控电路部分(主要由at89c51单片机、数字接口、模拟接口组成)、土壤湿度信号采集电路部分(主要由湿度传感器、必要的数字接口电路组成)、时钟电路、数据存储扩展电路、led显示电路组成。3.2 单片机的选择及分析3.2.1 单片机的定义和特点所谓单片机就是把cpu、寄存器、ram/rom、i/o接口电路集成在一块集成电路芯片上，构成一个完整的微型计算机。单片机的主要特点有：1、集成度高、功能强微型计算机通常由中央处理器(cpu)、存储器(ram, rom)以及i/o接口组成，其各部分分别集成在不同的芯片上。例如，大家熟悉的z80微型计算机就是由z80-cpu、存储器(ram, rom), pio等芯片组成的，单片机则不同，它把cpu, ram, rom, i/o接口，以及定时器/计数器都集成在一个芯片上。目前应用得最多的是mcs-51系列单片机。和微型计算机进行比较，单片机不仅体积大大减小，而且功能大为增强。mcs-51系列单片机内的定时/计数器为16位，而z80微型计算机只有8位，mcs-51系列单片机中不但有4个并行i/o接口，而且还有串行接口，且时钟频率可达12mhz。2、结构合理目前单片机大多采用harvard结构。这是数据存储器与程序存储器相互独立的一种结构。而在许多微型计算机(如z80, inte18085, m6800等)中，大都采用两类存储器合二为一(即统一编址)的方式。单片机采用上述结构主要有四点好处存储量大、速度快、抗干扰性、强指令丰富。3.2.2 单片机的发展概况自从1974年12月美国仙童(fairchild )公司第一个推出8位单片机fs以来，单片机以惊人的速度发展，从4位机、8位机发展到16位机、32位机，集成度越来越高，功能越来越强，应用范围越来越广。到目前为止，单片机的发展主要可分为以下四个阶段:第一阶段:4位单片机。这种单片机的特点是价格便宜，控制功能强，片内含有多种i/o接口，如并行i/o接口、串行i/o接口、定时计数器接口、中断功能接口等。根据不同用途，还配有许多专用接口，如打印机接口、键盘及显示器接口，pla(可编程逻辑阵列)译码输出接口，有些甚至还包括a/d, d/a转换，pll(锁相环)，声音合成等电路。丰富的i/o功能大大地增强了4位单片机的控制功能，从而使外部接口电路极为简单。第二阶段:低、中档8位机(1974-1978年)。这种8位机一般不带有i/o接口，寻址范围通常为4kb。它是8位机的早期产品，如mostek公司的3870, intel公司的8048等单片机即属此类。第三阶段:高档8位机阶段(1978-1982年)。这一类单片机常有串行i/o接口，有多级中断处理，定时/计数器为16位，片内的ram和rom的容量相对增大，且寻址范围可达64kb，有的片内还带有a/d转换接口。这类单片机有intel公司的mcs-51, motorola公司的6801和ziiog公司的z8等。由于这类单片机应用领域较广，其结构和性能还在不断地改进和发展。第四阶段:16位单片机和超8位单片机(1982年至今)。此阶段的主要特征是，一方面不断完善高档8位机，改善其结构，以满足不同用户的需要；另一方面发展16位单片机及专用单片机。16位单片机除了cpu为16位外，片内ram和rom的容量也进一步增大，片内ram为232字节，rom为8kb，片内带有高速输入输出部件，多通道10位a/d转换部件，中断处理为8级，其实时处理能力更强。近来，32位单片机己进入实用阶段，但还未引入国内市场。在今后单片机的发展趋势将是:向着大容量、高性能化，小容量、低价格化和外围电路内装化等几个方面发展。3.2.3 本系统单片机的选择at89c51是美国atmel公司生产的低电压，高性能cmos8位单片机，片内含4k bytes的反复擦写的flash只读程序存储器和128 bytes的随机存取数据存储器（ram），器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准mcs-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（cpu）和flash存储单元可灵活应用于各种控制领域。图3.1为其引脚图。1、主要特性与mcs-51完全兼容 4k字节可编程flash存储器 寿命：1000写/擦循环 数据保留时间：10年 全静态工作：0hz-24mhz 三级程序存储器锁定 1288位内部ram 32可编程i/o线 两个16位定时器/计数器 5个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路2、功能性概述at89c51提供以下标准功能：4k字节flash闪速存储器，128字节内部ram，32个i/o口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，at89c51可下降至0hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止cpu的工作，但允许ram，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存ram的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。3、at89c51的内部结构介绍单片机电路是系统控制的核心。单片机选用从atmel公司的低功耗、高性能的8位cmos芯片at89c51，其片内带有4k字节的闪速可编程及可擦除只读存储器（eprom）。引脚功能说明如下：图3.1 at89c51引脚图vcc：电源电压gnd：地 p0口：p0口是一组8位漏极开路型双向i/o口，也即地址/数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的力式驱动8个ttl逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在flash编程时，p0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。pl口：p1口是一个带内部上拉电阻的8位双向i/o口，p1的输出缓冲级叫可驱动（吸收或输出电流）4个ttl逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（iil）。 flash编程和程序校验期间，p1接收低8位地址。p2口：p2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个ttl逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（iil）。在访问外部序程存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行movxdptr指令）时，p2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行movx ri指令）时，p2口线上的内容（也即特殊功能寄存器区中r2寄存器的内容），在整个访问期间不改变。 flash编程或校验时，p2亦接收高位地址和其它控制信号。p3口：p3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向i/o口。p3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个ttl逻辑门电路。对p3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的p3口将用上拉电阻输出电流（iil）。 p3口除了作为一般的i/0口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表3.1所示。p3口还接收一些用于flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。表3.1 p3口第二功能端口引脚第二功能p3.0rxd（串行输入口）p3.1txd（串行输出口）p3.2（外中断0）p3.3（外中断1）p3.4t0（定时/计数器0）p3.5t1（定时/计数器1）p3.6（外部数据存储器写选通）p3.7（外部数据存储去读选通）rst：复位输入。当振荡器工作时，rst引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。ale：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ale（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ale仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一个ale脉冲。对flash存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（cs）。如有必要，可通过对特殊功能寄存器（sfr）区中的8eh单元的d0位置位，可禁止ale操作。该位置位后，只有一条movx和movc指令ale才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ale无效。psen：程序储存允许（psen）输出是外部程序存储器的读选通信号，当at89c51由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次psen有效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的psen信号不出现。ea/vpp：外部访问允许。欲使cpu仅访问外部程序存储器（地址为0000h-ffffh），ea端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位lb1被编程，复位时内部会锁存ea端状态。如ea端为高电平（接vcc端），cpu则执行内部程序存储器中的指令。flash存储器编程时，该引脚加上+12v的编程允许电源vpp,当然这必须是该器件是使用12v编程电压vpp。xtal1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。xtal2：振荡器反相放大器的输出端。时钟振荡器：图3.2 外部振荡电路at89c51中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚xtal1和xtal2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器，振荡电路参见图3-2。外接石英晶体（或陶瓷谐振器）及电容c1、c2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容c1、c2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性。采用外部时钟的电路如图3.2所示，这种情况下，外部时钟脉冲接到xtal1端，即内部时钟发生器的输入端，xtal2则悬空。3.3 本系统硬件电路部分本系统硬件电路主要包括：单片机主系统电路、时钟电路、数据的存储扩展电路、led显示电路等组成。3.3.1 系统的工作原理系统采用at89c51单片机来实现。用湿度检测电路中的湿敏电阻对土壤湿度进行采集，所得电流信号经处理得到可用的电压信号，输入到a/d转换器adc0809转换成数字信号进行处理。系统将检测得土壤的湿度值，送到led显示电路显示，从而实现对土壤湿度的监测监控，能进行适度范围设置和显示，同时通过模糊控制算法实现对水泵开关的只能控制。该电路主要由at89c51系统电路、电源电路、湿度检测电路、显示电路、开关控制电路等组成。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。3.3.2 单片机主系统电路at89c51单片机是51系列单片机的一个成员，是8051单片机的简化版。内部自带2k字节可编程flash存储器的低电压、高性能coms八位微处理器，与intel mcs-51系列单片机的指令和输出管脚相兼容。由于将多功能八位cpu和闪速存储器结合在单个芯片中，因此，at89c2051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，如图3.3。 图3.3 单片机主机系统图3.3.3 时钟电路单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种微操作的时间基准，时钟信号通常用两种电路形式得到:内部振荡和外部振荡。mcs-51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚xtall和xtal2分别是此放大电器的输入端和输出端，由于采用内部方式时，电路简单，所得的时钟信号比较稳定，实际使用中常采用这种方式，如图3所示在其外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器就构成了内部振荡方式，片内高增益反向放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起可构成一个自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。图3.3中外接晶体以及电容c2和c1构成并联谐振电路，它们起稳定振荡频率、快速起振的作用，其值均为30p左右，晶振频率选6mhz。reset3.3.4 数据存储的扩展电路 at89c51单片机外接数据ram时，p2口输出存储器地址的高8位，po口分时输出地址的低8位和传送指令字节或数据。po口先输出低8位地址信号，在ale有效时将它锁存到外部地址锁存器中，然后po口作为数据总线使用，此处地址锁存器选用74ls373，实际电路图连接如图3.4所示。 图3.4 数据存储扩展电路3.3.5 数据采集处理电路adc0809是一种8位逐次逼近式a/d转换器，内部具有锁存控制的8路模拟开关，外接8路模拟输入端，可同时对8路0-5v的输入模拟电压信号分时进行采集转换，本系统只用到ino和inl两路输入通道。adc0809转换器的分辨率为8位，最大不可调误差小于士1lsb，采用单一+5v供电，功耗为15mw,不必进行零点和满度调整。由于adc0809转换器的输出数据寄存器具有可控的三态输出功能，输出具有ttl三态锁存缓冲器，故其8位数据输出引脚可直接与数据总线相连。a/d转换器需外部控制启动转换信号方能进行转换，这一启动转换信号可由cpu提供，不同型号的a/d转换器，对启动转换信号的要求也不同，分脉冲启动和电平启动两种，adc0809采用脉冲启动转换，只需给a/d转换器的启动控制转换的输入引脚(start)上，加入正脉冲信号，即启动a/d转换器进行转换，转换开始后，转换结束信号输出端(eoc)信号变低，转换结束时，eoc返回高电平，以通知主机读取转换结果的数字量，这个信号可以作为a/d转换器的状态信号供查询，也可以用作中断请求信号，如图3.5。 图3.5信号采集电路3.3.6 led显示电路微机化测控系统中常用的测量数据的显示器有发光二极管显示器(简称led或数码管)和液晶显示器(简称lcd)。这两种显示器都具有线路简单、耗电少、成本低、寿命长等优点，本系统输出结果选用4个led显示。数码管有共阴共阳之分，本系统采用8段共阴型led，每位数码管内部有8个发光二极管，公共端由8个发光二极管的阴极并接而成，正常显示时公共端接低电平(gnd)，各发光二极管是否点亮取决于a-dp各引脚上是否是高电平。 led数码管的外形结构，外部有10个引脚，其中3, 8脚为公共端也称位选端，其余8个引脚称为段选端，当要使某一位数码管显示某一数字(0-9中的一个)必须在这个数码管的段选端加上与数字显示数字对应的8位段选码(也称字形码)，在位选端加上低电平即可。由于系统要显示的内容比较简单，显示量不多，所以选用数码管既方便又经济。led有共阴极和共阳极两种。二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地，而共阳极则将发光二极管的阳极连接在一起，接入+5v的电压。一位显示器由8个发光二极管组成，其中7个发光二极管构成字型“8”的各个笔划（段）ag，另一个小数点为dp发光二极管。当在某段发光二极管施加一定的正向电压时，该段笔划即亮；不加电压则暗。为了保护各段led不被损坏，需外加限流电阻。数码管显示器有两种工作方式，即静态显示方式和动态扫描显示方式。为节省端口及降低功耗，本系统采用动态扫描显示方式。动态扫描显示方式需要解决多位led数码管的“段控”和“位控”问题，本电路的通过p1口实现：而每一位的公共端，即led数码管的“位控”，则由p3口控制。这种连接方式由于多位字段线连在一起，因此，要想显示不同的内容，必然要采取轮流显示的方式，即在某一瞬间，只让其中的某一位的字位线处于选通状态，其它各位的字位线处于断开状态，同时字段线上输出这一位相应要显示字符的字段码。在这一瞬时，只有这一位在显示，其他几位则暗。在本系统中，字位线的选通与否是通过pnp三极管的导通与截止来控制，即三极管处于“开头”状态。因at89c51单片机i/o口资源有限，必须对其il0口进行扩展才能满足实现系统功能，如图7所示为用8155扩展1/0口的4个8位led动态显示器，显示扫描由程控实现，其中pa口输出字型码，pc口输出位选信号即扫描信号，图中片选线ce和at89c51的p2.7口相连，io/ m选通输入线与p2.4口相连，该系统中当p2.7=0且p2.4 =1时，选中8155芯片内三个i/o口。3.4 电磁离合器异步电动机3.4.1 电机概念介绍电磁离合器电机又称为电磁调速异步电动或滑差电机，它是一种恒转矩交流无级变速电动机。电磁离合器是一种能在运动中及负载下对各种机械的主动轴和执行机构的从动轴实现迅速联结、分离、制动或对从动轴的输出转矩、转速、转向进行调节的自动电磁元件，其应用十分广泛。特别是动作快速的电磁离合器，可用在仿形机床的进给系统，以及在数控机床中，用来代替液压马达作为执行机构。电磁离合器工作过程分为启动、力矩上升和离合器断开过程。由于它具有调速范围广、速度调节平滑、起动转矩大、控制功率小、有速度负反馈的自动调节系统时机械特性硬度高等一系列优点，因此得到广泛应用。带有速度负反馈的电磁调速异步电动机的主要缺点是：在空载或轻载(小于lo额定转矩)时，由于反馈不足，会造成失控现象；在调速时，随着转速降低，离合器的输出功率和效率也相应地按比例下降。所以此电机适用于长期高速运转和短时间低速运转。为适应低速运转的需要，在采用电磁调速异步电动机作主驱动中往往再配装一台三相异步电动机作为低速电机使用。3.4.2 电磁离合器电机结构及原理电磁离合器电机是由普通鼠笼式异步电动机、电磁滑差离合器和电气控制装置三部分组成。异步电机作为原动机使用，当它旋转时带动离合器的电枢一起旋转，电气控制装置是提供滑差离合器励磁线圈励磁电流的装置。这里主要介绍电磁滑差离合器。它包括电枢、磁极和励磁线圈三部分。电枢为铸钢制成的圆筒形结构，它与鼠笼式异步电动机的转轴相连接，俗称主动部分；磁极做成爪形结构，装在负载轴上，俗称从动部分。主动部分和从动部分在机械上无任何联系。当励磁线圈通过电流时产生磁场，爪形结构便形成很多对磁极。此时若电枢被鼠笼式异步电动机拖着旋转，那么它便切割磁场相互作用，产生转矩，于是从动部分的磁极便跟着主动部分电枢一起旋转，前者的转速低于后者，因为只有当电枢与磁场存在着相对运动时，电枢才能切割磁力线，磁极随电枢旋转的原理与普通异步电动机转子跟着定子绕组的旋转磁场运动的原理没有本质区别，所不同的是：异步电动机的旋转磁场由定子绕组中的三相交流电产生，而电磁滑差离合器