农田节水灌溉系统设计

1、前言前 言生命之起源，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，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，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，

2、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

3、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。第1页 （共44页）农田节水灌溉系统设计1 绪论1.1 课题

4、来源来源于生产/社会实际1.2 国内外发展现状、趋势以及面临的挑战国外由于节水灌溉发展时间长，电子技术水平较高，所以与节水灌溉配套的自动控制系统也较完善和先进。节水灌溉发达国家已普遍采用计算机控制灌溉系统，用埋在地下的湿度传感器可以测得土壤湿度信息，还有的智能系统能通过检测植物茎、果的直径变化，来决定对作物的灌溉计划和灌溉量。在温室等设施内较多使用小型灌溉控制器，这种设备通常能控制几路或十几路电磁阀，内有若干套灌溉管理程序，可预先设定灌水开始、结束时间和灌水时间隔时间，操作方便，自动化、智能化控制运行精密、可靠，节省人力，对灌溉过程的控制可达到相当精度。以色列已出现了在家利用电脑对灌溉过程进行

5、全部控制的农场主，其中还有无线控制。以色列开发出了多种系列的自动灌溉配套设备，如电动和水动遥控电磁阀、减压阀、调压阀、安全阀和流量控制阀等。发达国家为满足对灌溉系统管理的灵活、准确、快捷的要求，非常重视空间信息技术、计算机技术和网络技术等高新技术的应用。我国的节水灌溉技术和设备自20世纪50年代从国外引进后，在很长一段时间内，主要是示范应用，再加上设计、管理及设备上的一些问题，没有得到大面积的应用，相配套的自动控制系统就更少了。到20世纪80年代，特别是90年代后，随着经济的发展、水资源的紧张及国家的重视，节水灌溉得到了迅猛地发展，同时电子技术也日新月异，其它行业中的自动控制技术也逐步地在节水

6、灌溉中得到应用。但是我国目前自动控制系统从国外进口的居多，国内自行研制的还很少，虽然从简易型到中央计算机型均有产品并得到应用，但大多还是单板机和小型控制器，与国外产品相比，在技术上还比较落后，有些方面设计还不太合理，制造也比较粗糙，使用不太方便，仍需进一步完善。第2页 （共44页）绪论随着技术的发展和实际生产的需要，节水灌溉中的自动控制系统主要向智能化、系列化、专家系统和网络化方向发展。对于小面积的节水灌溉应用，如家庭庭院、小型温室、塑料大棚等，自动控制系统要做成小型化、智能化，使用要方便。对于大面积，要与各种传感器相结合，配合农艺专家系统，编制软件，达到精确控制灌水和施肥，再与无线遥控技术相

7、结合，就可在办公室或家中控制灌溉系统。根据监测到的数据通过无线传输对水泵和管道阀门实施定时定量自动控制，对系统中出现的故障实施报警与控制。1.3 研究的目的、意义、及主要内容我国是农业大国,农田灌溉建设有着悠久的历史, 但现代化水平不高。我国农业引水到田的传统灌溉过程中无法知道农作物需水量的大小，盲目频繁灌溉、过量灌溉造成了水的极大浪费。节水灌溉已不仅仅是技术问题，而是直接关系到农业发展的根本是实现水资源的可持续利用战略和实现从粗放到集约经营战略的具体体现。自动控制节水灌溉技术的高低代表着农业现代化的发展状况，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。本文中单片机控制的节水灌溉系

8、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、适量自动灌水。并且，当土壤湿度超出设定范围时还能控制报警电路鸣音报警，以防系统出现故障而导致不必要的损失。本系统能起到高效灌溉，节水、节能的作用。该系统的核心是由单片机构成的控制部分，主要对土壤湿度与灌水量之间的关系、灌溉控制技术及设备系统的硬件、软件编程各个部分进行实现。本文主要研究内容如下:1.进行节水灌溉控制系统的整体研究与设计。2.利用按键设定植物所需水分的范围值。3.利用数字温湿度传感器DHT11测量土壤湿度。4.利用315M无线传输系统进行农田与监控室之间的数据传输。5.LCD1602显示土壤湿度值。6.当土壤湿度值

9、超出设定范围值时，系统可自动报警，并输出驱动信号控制继电器对农田进行灌水或排水。第3页 （共44页）农田节水灌溉系统设计2 硬件设计2.1 系统总体结构设计根据题目要求和单片机的工作原理，以AT89C51单片机系统为核心来控制继电器对田间进行排水或灌水的操作。系统主要由传感器测量电路，信号处理电路，数据传输电路、显示电路，输出控制电路，超限报警电路等组成，软件选用C语言编程。总体结构框图如图1：图1 总体结构框图第4页 （共44页）硬件设计数字温湿度传感器DHT11对农田土壤湿度进行采集，采集的湿度数据经单片机处理后，由315M无线传输到监控室单片机并转化为可显示、可比较的数据。采集的湿度数据

10、可以经过与阈值比较后输出驱动信号，用以驱动报警电路报警和控制继电器进行田间灌水或排水。2.2 发送模块发送框图如图2, 数字温湿度传感器DHT11对农田土壤湿度进行采集，采集的湿度数据经单片机处理后，由315M无线传输到监控室单片机。图2 发送框图2.2.1 单片机的选择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

11、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。主要性能参数： 与MCS-51产品指令系统完全兼容 4K字节可重复擦写Flash闪速存储器 1000次擦写周期 全静态操作：0Hz-24MHz第5页 （共44页）农田节水灌溉系统设计 三级加密程序存储器 128*8字节内部RAM 32个可编程I/O口线 2个16位定时/计数器 6个中断源 可编程串行UART通道 低功耗空闲和掉电模式功能特性概述：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 IO 口线，两个 16位定时计数器，一

12、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中的内容，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。引脚功能说明：·Vcc：电源电压·GND：地·P0 口：P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 IO 口，也即地址数据总线复用口。作为输出口用时，每位能吸收电流的方式驱动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

13、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。·P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向IO口，P1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）。 Flash编程和程序校验期间，P1接收低第6页 （共44页）硬件设计8位地址。·P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I

14、O口，P2的输出缓冲级可驱（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）。在访问外部程序存储器或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 MOVXRI 指令）时，P2 口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）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

15、阻的 8 位双向 IO 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IO口线外，更重要的用途是它的第二功能，如下表（表1）所示：表1 P3口的第二功能第7页 （共44页）农田节水灌溉系统设计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。·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。·ALEPROG： 当访问外部程序存储器或数据存储器时

16、，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 l6 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（PROG）如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的 8EH单元的 DO 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

17、，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。· EAVPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），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：振荡器反相放大器的及内部时钟发

18、生器的输入端。·XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。·时钟振荡器： AT89C5l 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第8页 （共44页）硬件设计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。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，如果使用石英晶体，我们推荐电容使用30pF

19、77;10pF，而如使用陶瓷谐振器建议选择40pF±10F。用户也可以采用外部时钟。采用外部时钟的电路如图4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。外部时钟的电路如图2.4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。图3 内部震荡电路 图4 外部时钟驱动电路单片机的CPU：MCS-51单片机的CPU由运算器、控制器和若干个特殊功能寄存器组成，运算器可以加、减以及各种逻辑运算，还可以进行乘除运算。控制器在单片机内部协调各功能部件之间的数据传送、数据运算等操作，并对单片机外部发出若干控制信息。 CP

20、U中使用的特殊功能寄存器ACC、B、PSW、SP和DPTR。ACC就是累加器，在指令中一般写为A。在做乘除运算时，B寄存器用来存放一个操作数，也用来存放运算后的一部分结果；若不作乘除操作时，则B可用做通用寄存器。程序状态字寄存器PSW相当于一般微处理器中的状态寄存器，其中各位的定义如表2所示。第9页 （共44页）农田节水灌溉系统设计表2 PSW状态寄存器其中各位的意义如下：CY（PSW.7）：高位进位标志位。常用“C”表示。 AC（PSW.6）：辅助进位标志。 F0（PSW.5）：用户标志位。RS1（PSW.4）、RS0（PSW.3）：寄存器组选择控制位。8051共有4个8位工作寄存器，分别命

21、名为R0R7。用户通过改变RS1和 RS0的状态可以方便地决定R0R7的实际物理地址。RS1和 RS0与寄存器区的对应关系如表3所示。表3 RS1、RS2与工作寄存器组的关系OV（PSW.2）：溢出标志位。 （PSW.1）：保留位，无定义。P（PSW.0）：奇偶校验位，在每一个指令周期中，若累加器（A）中的“1”的位个数是奇数个则P1，偶数个则P0。AT89C51内存空间：从物理地址空间看，89C51有4个存储器地址空间，片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器，其存储情况如下： （1）内部程序存储器（ROM）4K字节。 （2）外部程序存储器（ROM）64K字节。 （3）

22、内部数据存储器（RAM）256字节。 （4）外部数据存储器（RAM）64K字节。第10页 （共44页）硬件设计表4 9C51单片机的特殊功能寄存器一览表89C51单片机的片内RAM虽然字节数虽然不很多，但却起着很重要的作用。256个字节被分为两个区域：117FH是真正的RAM区，可以读写各种数据；80FFH是专用寄存器（SFR）区。对于51系列单片机安排里21个特殊功能寄存器。每个寄存器均为8位（一个字节），所以实际上这128个字节并未全部利用。表4所示为89C51单片机特殊功能寄存器地址及符号表。表中带*号的为可位寻址的特殊功能寄存器。第11页 （共44页）农田节水灌溉系统设计单片机的中断系

23、统：单片机与外部设备交换信息一般采用两种方式，即查询方式和中断方式。由于中断方式具有CPU效率高，适合于实时控制系统等优点，因而更为常用。89C51单片机的中断系统从面向用户的角度来看，就是若干搁特殊功能寄存器：定时器控制寄存器TCON、中断允许寄存器IE、中断优先级寄存器IP、串行口控制器SCON。89C51单片机是一个多中断源系统。有5个中断源，即两个外部中断，两个外部中断、两个定时器/计数器中断和一个串行口中断。（1）方式控制寄存器TMOD的控制字格式如下：表低4位为T0的控制字，高4位为T1的控制字。GATE为门控位，对定时器/计数器的启动起辅助控制作用。GATE=1时，定时器/计数器

24、的计数受外部引脚输入电平的控制，此时只有P3口的P3.2（或P3.3）引脚即INT0（或INT1）为1才启动计数；GATE=0时，定时器/计数器的运行不受外部输入引脚的控制。C/T为方式选择位。C/T=0为定时器方式，采用单片机内部振荡脉冲的12分频信号人作为时钟计数脉冲，若采用12MHz的振荡器，则定时器的计数频率为1MHz，从定时器的计数值便可得定时时间。（2）M1、M0二位的状态确定定时器的工作方式，详见下表：第12页 （共44页）硬件设计（3）TCON定时/计数器工作方式控制寄存器表7 TCON控制字·TF1（TCON.7）：计时器 1溢出标志，当计时溢出时，由硬件设定为 1

25、，在执行 相对的中断服务程序后则自动清 0。·TR1（TCON.6）：计时器1启动控制位，可以由软件来设定或清除。TR1时启动计时器工作，TRl=0 时关闭。·TF0（TCON.5）：计时器 0溢出标志，当计时溢出时，由硬件设定为 1，在执行相对的中断服务程序后则自动清 0。·TR0（TCON.4）：计时器 0启动控制位，可以由软件来设定或清除。TR0=1时，启动计时器工作，TR0=时关闭。·IE1（TCON.3）：外部中断 1工作标志，当外部中断被检查出来时，硬件自动设定此位，在执行中断服务程序后，则清 0。 IT1 （TCON.2）：外部中断 1工作

26、形式选择，IT1=1时，由下降缘产生外部中断， IT1=0时，则为低电位产生中断。·IE0（TCON.1）：外部中断 0 工作标志，当外部中断被检查出来时，硬件自动设定此位，在执行中断服务程序后，则清 0。·IT0 （TCON.0）：外部中断 0工作形式选择，IT1=1时，由下降缘产生外部中断， IT1=0时，则为低电位产生中断。（4） SCON串行口控制寄存器SM0（SCON.7）：串行通讯工作方式设定位0。SM1（SCON.6）：串行通讯工作方式设定位 1。·SM2 （SCON.5）：允许方式 2 或方式 3 多机通讯控制位。在方式 2 或方式 3 时，如SM

27、2=1，REN=1，则从机处于只有接收到 RB8=1(地址帧)才激发中断请求标志RI=1，第13页 （共44页）农田节水灌溉系统设计向主机请求中断处理。被确认为寻址的从机复位SM2=0，才能接收 RB8=0 的数据帧；在方式 1 时，如 SM2=l，则只有在接收到有效停止位时才置位中断请求标志位RI=1；在方式0时，SM2应为 0。·REN（SCON.4）：REN，允许/禁止串行接收控制位。由软件置位REN=1为允许串行接收状态，可启动串行接收器RXD，开始接收信息。软件复位REN0，则禁止接收。 ·TB8（SCON.3）：在方式2或方式3，它为要发送的第 9位数据，按需要

28、由软件置位。（5）IE中断允许寄存器EA（IE.7）：EA0时，所有中断停用（禁止中断）。EA1时，各中断的产生由个别的允许位决定。（IE.6）：保留位，无定义。ET2（IE.5）：允许计时器 2溢出的中断（8052使用）。 ES（IE.4）：允许串行端口的中断（ES1允许，ES0禁止）。 ET1（IE.3）：允许计时器 1中断（ET11允许，ET10 禁止）。 EX1（IE.2）：允许外部中断 INT1的中断（EX11允许，EX10 禁止）。 ET0（IE.1）：允许计时器 0中断（ET01允许，ET00 禁止）。 EX0（IE.0）：允许外部中断 INT0的中断（EX01允许，EX00 禁

29、止）。 IP 中断优先级寄存器表10 IP控制字（IP.7）：保留位，无定义。 （IP.6）：保留位，无定义。PT2（IP.5）：设定计时器 2的优先次序（8052使用）。 PS（IP.4）：设定串行端口的中断优先次序。 PT1（IP.3）：设定时计时器 1的优先次序。第14页 （共44页）硬件设计PX1（IP.2）：设定外部中断 INT1的优先次序。PT0（IP.1）：设定计时器 0的优先次序。PX0（IP.0）：设定外部中断 INT0的优先次序。上述每位IP.*1时，则定义为高优先级中断，IP.*0 时，则定义为低优先级中断。如果同时有两个或两个以上优先级相同的中断请求时，则由内部按查询优

30、先顺序来。要使用单片机工作首先要知道单片机的最小系统。单片机最小系统包括晶体振荡电路、复位开关和电源部分，单片机最小系统如图5图5 单片机最小系统由于外部时钟信号是通过一个2分频触发器后作为内部时钟信号的，所以对外部时钟信号的占空比没有特殊要求，但最小高电平持续时间和最大的低电平持续时间应符合产品技术条件的要求。89C51正常工作时的连线：1、电源：单片机使用的是5V电源，其中正极接40引脚，负极（地）接20引脚。 2、振蒎电路：单片机是一种时序电路，必须提供脉第15页 （共44页）农田节水灌溉系统设计冲信号才能正常工作，在单片机内部已集成了振荡器，使用晶体振荡器，接18、19脚。只要买来晶振

31、，电容，连上就可以了，按图接上即可。 3、复位引脚：按图2.5中画法连好即可。 4、EA引脚：EA引脚接到正电源端（接电源表示使用内部ROM,接地表示扩展外部ROM，现在一般是使用内部ROM）。 至此，一个单片机就接好，通上电，单片机就开始工作了。振荡电路：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5所示在其外接晶体振荡器(简

32、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5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。复位电路：为了初始化单片机内部的某些特殊功能寄存器，必须采用复位的方式，复位后可使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始状态开始正常工作。单片机的复位是靠外电路来实现的，在正常运行情况下，只要RST引脚上出现两个机器周期时间以上的高电平，即可引起系统复位，但如果RST引脚上持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。复位后

33、系统将输入/输出(1/0)端口寄存器置为FFH，堆栈指针SP置为07H, SBUF内置为不定值，其余的寄存器全部清0，内部RAM的状态不受复位的影响，在系统上电时RAM的内容是不定的。复位操作有两种情况，即上电复位和手动(开关)复位。本系统采用上电复位方式。图5中R9和Cl组成上电复位电路，其值R取为1KQ, C取为1pF.2.2.2 传感器的选择测量所用传感器是数字温湿度传感器DHT11。DHT11数字温湿度传感器是一款含第16页 （共44页）硬件设计有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一

34、个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。产品为 4 针单排引脚封装。连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。1 DHT11简介，外观如图6。 相对湿度和温度测量 全部校准，数字输出 卓越的长期稳定性 无需额外部

35、件 超长的信号传输距离 超低能耗 4引脚安装 完全互换图6 DHT11外观2. DHT11接口说明建议连接线长度短于20米时用5K上拉电阻,大于20米时根据实际情况使用合适的上拉电阻，典型应用电路如图7:第17页 （共44页）农田节水灌溉系统设计图7 典型应用电路3、 电源引脚DHT11的供电电压为35.5V。传感器上电后，要等待 1s 以越过不稳定状态在此期间无需发送任何指令。电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF 的电容，用以去耦滤波。4、 串行接口 (单线双向)DATA 用于微处理器与 DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时间4ms左右,数据分小数部分和整

36、数部分,具体格式在下面说明,当前小数部分用于以后扩展,现读出为零.操作流程如下:一次完整的数据传输为40bit,高位先出。数据格式:8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。用户MCU发送一次开始信号后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集,用户可选择读取部分数据.从模式下,DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集

37、,如果没有接收到主机发送开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。第18页 （共44页）硬件设计通讯过程如图8、9所示:图8 通讯过程总线空闲状态为高电平,主机把总线拉低等待DHT11响应,主机把总线拉低必须大于18毫秒,保证DHT11能检测到起始信号。DHT11接收到主机的开始信号后,等待主机开始信号结束,然后发送80us低电平响应信号.主机发送开始信号结束后,延时等待20-40us后, 读取DHT11的响应信号,主机发送开始信号后,可以切换到输入模式, 或者输出高电平均可, 总线由上拉电阻拉高。图9 通讯过程总线为低电平,说明DHT11发送响应信号,DHT11发

38、送响应信号后,再把总线拉高80us,准备发送数据,每一bit数据都以50us低电平时隙开始,高电平的长短定了数据位是0还是1.格式见下面图示.如果读取响应信号为高电平,则DHT11没有响应,请检查线路是否连接正常.当最后一bit数据传送完毕后，DHT11拉低总线50us,随后总线由上拉电阻拉高进入空闲状态。第19页 （共44页）农田节水灌溉系统设计数字0信号表示方法如图10所示：图10 数字0信号表示方法数字1信号表示方法.如图11所示图11 数字1信号表示方法测量电路图如图12，因传感器与MCU间距离短于20米，所以用5K上拉电阻,引脚2DATA与51MCU P1.1相连，将采集的湿度以单总

39、线数据格式输入单片机处理，第20页 （共44页）硬件设计图12 传感器测量电路当MCU发送一次开始信号后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等待主机开始信号结束后,DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集,MCU选择读取湿度部分数据.从模式下,DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集,如果没有接收到主机发送开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集.采集数据后转换到低速模式。2.2.3 无线发射模块315M无线发射模块参数介绍：主要技术指标：1通讯方式：调幅AM2工作频率：315MHZ3频率稳定度：±75KHZ4发射功率：500MW5静态电流：0.1UA

40、6发射电流：350MA7工作电压：DC 312V数据发射模块的工作频率为315M，采用声表谐振器SAW稳频，频率稳定度极高，当环境温度在2585度之间变化时，频飘仅为3ppm/度。特别适合多发一收无线遥控及数据传输系统。声表谐振器的频率稳定度仅次于晶体，而一般的LC振荡器频率稳定度及一致性较差，即使采用高品质微调电容，温差变化及振动也很难保证已调好的频点不会发生偏移。第21页 （共44页）农田节水灌溉系统设计发射模块未设编码集成电路，而增加了一只数据调制三极管Q1,这种结构使得它可以方便地和其它固定编码电路、滚动码电路及单片机接口，而不必考虑编码电路的工作电压和输出幅度信号值的大小。比如用PT

41、2262或者SM5262等编码集成电路配接时，直接将它们的数据输出端第17脚接至数据模块的输入端即可。数据模块具有较宽的工作电压范围312V，当电压变化时发射频率基本不变,和发射模块配套的接收模块无需任何调整就能稳定地接收。当发射电压为3V时，空旷地传输距离约2050米，发射功率较小，当电压5V时约100200米，当电压9V时约300500米，当发射电压为12V时，为最佳工作电压，具有较好的发射效果，发射电流约60毫安，空旷地传输距离700800米，发射功率约500毫瓦。当电压大于l2V时功耗增大，有效发射功率不再明显提高。这套模块的特点是发射功率比较大，传输距离比较远，比较适合恶劣条件下进行

42、通讯。天线最好选用25厘米长的导线，远距离传输时最好能够竖立起来，因为无线电信号传输时收很多因素的影响，所以一般实用距离只有标称距离的一半甚至更少，这点需要开发时注意。数据模块采用ASK方式调制，以降低功耗，当数据信号停止时发射电流降为零，数据信号与发射模块输入端可以用电阻或者直接连接而不能用电容耦合，否则发射模块将不能正常工作。数据电平应接近数据模块的实际工作电压，以获得较高的调制效果。发射模块最好能垂直安装在主板的边缘，应离开周围器件5mm以上，以免受分布参数影晌。模块的传输距离与调制信号频率及幅度，发射电压及电池容量，发射天线，接收机的灵敏度，收发环境有关。一般在开阔区最大发射距离约80

43、0米，在有障碍的情况下，距离会缩短，由于无线电信号传输过程中的折射和反射会形成一些死区及不稳定区域，不同的收发环境会有不同的收发距离。采集的湿度数据经51MCU处理后，由315M无线发射电路传至监控室的单片机识别处理。引脚3为I/O口，与51MCU的P1.0相连，电路如图13：第22页 （共44页）硬件设计图13 无线传输发射电路2.3 接收模块监控室单片机将采集的湿度数据转化为可显示、可比较的数据。采集的湿度数据可以经过与阈值比较后输出驱动信号，用以驱动报警电路报警和控制继电器进行田间灌水或排水。接收框图如图14。.图14 接收框图第23页 （共44页）农田节水灌溉系统设计2.3.1 设定范

44、围输入电路如图15，按键2、3、4、5分别与单片机P3.4、P3.5、P3.6、P3.7相连，LCD1602的数据/命令选择端口即引脚4和使能输入端即引脚6分别与P3.0、P3.1相连。按一下按键2,上限就加一，按住不放，就一直加一，按一下按键3,上限就减一，按住不放，就一直减一；按一下按键4,下限就加一，按住不放，就一直加一，按一下按键5,上限就减一，按住不放，就一直减一。根据这个原理，将植物正常生长所需湿度范围值输入单片机并将其显示于显示器上。图15 设定范围输入电路2.3.2 显示电路显示部分是LCD1602液晶。LCD1602分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带

45、背光 的第24页 （共44页）硬件设计比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如图16所示：图16 尺寸对比LCD1602主要技术参数：引脚功能1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明显示容量:16×2个字符 芯片工作电压:4.55.5V 工作电流:2.0mA(5.0V) 模块最佳工作电压:5.0V 字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm: 如下。第1 脚：VSS 为地电源第2 脚：VDD 接5V正电源第3 脚：V0 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“

46、鬼影”，使用时可以通过一个10K 的电位器调整对比度第4 脚：RS 为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。 第5脚： RW 为读写信号线， 高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS 和第25页 （共44页）农田节水灌溉系统设计RW 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS 为低电平RW 为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平RW 为低电平时可以写入数据。第6 脚：E 端为使能端，当E 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。 第714脚：D0D7 为8 位双向数据线。 第1516脚：空脚。指令说明1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表11所

47、示：监控室中的单片机将接收到的信号进行识别、处理后并将采集数据显示于LCD1602显示器上，并将其与输入设定范围值进行比较后输出相应的驱动信号。显示电路如图17所示，显示器的数据/命令端口即引脚4和使能端口即引脚6分别接单片机的P3.0和P3.1，当P3.0输出高电平信号时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器，当P3.1输出信号由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第26页 （共44页）硬件设计图17 显示电路2.3.3 无线接收模块315M无线接收模块参数介绍：主要技术指标：1通讯方式：调幅AM2. 工作频率：315MHZ/433MH3. 频率稳定度：±200KHZ4. 接收

48、灵敏度：106DBM5. 静态电流：5MA6. 工作电流：5MA7. 工作电压：DC 5V8. 输出方式：TTL电平接收模块的工作电压为5伏，静态电流4毫安，它为超再生接收电路，接收灵敏度为105dbm，接收天线最好为2530厘米的导线，最好能竖立起来。接收模块本身不带解码集成电路，因此接收电路仅是一种组件，只有应用在具体电路中进行二次开发才能发挥应有的作用，这种设计有很多优点，它可以和各种解码电路或者单片机配合，设计电路灵活方便。第27页 （共44页）农田节水灌溉系统设计这种电路的优点在于：1、天线输入端有选频电路，而不依赖1/4波长天线的选频作用，控制距离较近时可以剪短甚至去掉外接天线2、

49、输出端的波形在没有信号比较干净，干扰信号为短暂的针状脉冲，而不象其它超再生接收电路会产生密集的噪声波形，所以抗干扰能力较强。3、模块自身辐射极小，加上电路模块背面网状接地铜箔的屏蔽作用，可以减少自身振荡的泄漏和外界干扰信号的侵入。4、采用带骨架的铜芯电感将频率调整到315M后封固，这与采用可调电容调整接收频率的电路相比，温度、湿度稳定性及抗机械振动性能都有极大改善。可调电容调整精度较低，只有3/4圈的调整范围，而可调电感可以做到多圈调整。可调电容调整完毕后无法封固，因为无论导体还是绝缘体，各种介质的靠近或侵入都会使电容的容量发生变化，进而影响接收频率。另外未经封固的可调电容在受到振动时定片和动

50、片之间发生位移；温度变化时热胀冷缩会使定片和动片间距离改变；湿度变化因介质变化改变容量；长期工作在潮湿环境中还会因定片和动片的氧化改变容量，这些都会严重影响接收频率的稳定性，而采用可调电感就可解决这些问题，因为电感可以在调整完毕后进行封固，绝缘体封固剂不会使电感量发生变化。电路如图18：图18 无线传输电路第28页 （共44页）硬件设计2.3.4 驱动电路如电路如图19（1）（2）所示，其中（1）为灌水驱动电路，（2）为排水驱动电路。三极管基极b经一电阻与单片机P3.0、P3.1相连，当传感器采集湿度值与设定值比较后，若在设定值范围内，则单片机引脚P3.0与P3.1输出高电平，三极管均截止，继

51、电器断开。若小于设定最小值则单片机引脚P3.0输出低电平，三极管Q2导通，继电器开关向下，开始对农田灌水，而P3.1输出高电平。若大于设定最大值则单片机引脚P3.1输出低电平，三极管Q3导通，继电器开关向下，开始对农田排水，将多余的水排除田间以保证作物正常生长，而P3.1输出高电平。另外，电路中的发光二极管的作用为排灌水时的指示灯。即当正在对田间进行灌水或排水时，二极管发光，当没有时，二极管不发光。图19 （1）灌水驱动电路 图19 （2）排水驱动电路第29页 （共44页）农田节水灌溉系统设计为了在某些紧急状态或反常状态下，能使操作人员不致忽视，以便及时处理，往往需要有某种更能引起人们注意提起

52、警觉的报警信号产生，这种报警信号通常有三种类型，闪光报警、鸣音报警、语音报警。本系统采用简单易行的鸣音报警电路。如图2.12所示，蜂鸣器的正极接到三极管的集电极C，负极接地。三极管的基级B经过限流电阻R3后由单片机的P3.2引脚控制，当P3.2输出高电平时，三极管T1截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；当P3.7输出低电平时，三极管导通，蜂鸣器发出声音起到报警作用。图 20 报警电路第30页 （共44页）软件设计3 软件设计总体设计流程图如图21：图21 总体流程图第31页 （共44页）农田节水灌溉系统设计3.1 数据采集模块流程如图22：图22 数据采集流程图定义几个函数，分别为：“dht

53、11_start(void) /DHT11开始标志”在DHT11正式读数据前的准备工作，给DHT11一个长于18ms的低电平，以让DHT11准备读数。“DHT11_getdata(void)/读数据函数”严格按照DHT11设计要求的时序读数。当高电平长于100us时就按一计数，低于30us就按零记。在每次高电平前有13us第32页 （共44页）软件设计左右的低电平。如此三十个周期。“ void dht11_switchcode(void)/数据转换”，将采集数据的数据转化为十进制，并读出前八位湿度值。在主函数分别严格调用这些函数，并将该数值勇气段数码管显示出来，同时判断其大小，当低于60的时候

54、就启动继电器，以带动加湿器工作。软件流程准备开始标志：当低电平低于18ms后，单片机将输出端口改为输入，开始读取DHT11的数据。然后将电平拉高，等待DHT11响应，DHT11将电平信号拉低以示响应单片机信号，而后将电平拉高准备发送数据信息。读取数据过程：DHT11先发送1214us的低电平信号，然后紧跟高电平，如果在116118us左右，将自动识别为1，如果在2628us左右将识别为0。这样循环40次，共40位二进制数，每八位为一组，其中包括八位湿度整数位、八位湿度小数位、八位温度整数位，八位温度小数位、八位较检位。由于设计的需要，现只读取八位湿度整数值，将读取的湿度值传给单片机。程序如下:

55、#define DHT11_DATA PORT1.1#define DHT11_DATA_SET DHT11_DATA=1#define DHT11_DATA_CLI DHT11_DATA=0#define DHT11_DATA_OUT DDR1.1=1#define DHT11_DATA_IN DDR1.1=0#define DHT11_DATA_READ PIN1.1int shidu;unsigned int dht11_data2;unsigned int dht11_readdata;bit dht11_flag=0;unsigned char humidity;/湿度8位数据值第3

56、3页 （共44页）农田节水灌溉系统设计unsigned char flag,key_temp;unsigned char posit;unsigned char dht11_start(void)/dht11开始标志 unsigned char count=0;DHT11_DATA_OUT;DHT11_DATA_CLI;/将数据线拉低18ms以上delay_ms(25);/延迟18ms以上即可DHT11_DATA_IN;DHT11_DATA_SET;/释放数据线while(DHT11_DATA_READ)delay_us(5);count+;if(count>10)return 0;/延迟等待50us，超过则失败while(!DHT11_DATA_READ);/等待低电平结束 return 1;/返回1 ，表示dht11响应void dht11_getdata(void)/读数据函数unsigned char i=0,j=0,count=0;while(DHT11_DATA_READ);/等待数据线高电平结束 for(j=0;j<2;j+) /舍去校验位for(i=0;i<=15;i+)