花盆自动灌溉设计

PAGEPAGEIII花盆自动灌溉设计摘要我国的水资源正面临着不断的枯竭的状态，如果依然采取过去那种相对较为传统的方式实现对农业灌溉的话，不仅工作效率不高，同时从其实际的使用性上来看，也是受到了较大的影响。本文主要研究了灌溉量与土壤湿度之间的关系、节水灌溉控制系统的控制电路和控制程序。该系统以微灌技术为理论基础，以PC和单片机作为核心控制系统，能够实时检测土壤含水量、根据农作物的需水状况和实际土壤含水量的对比进行适时、适量的灌溉。本系统设计包括硬件电路设计和软件设计。硬件电路部分主要包括时钟电路设计，复位电路设计，报警电路设计，土壤湿度传感器的选用，主控单片机的选用，数据存储电路和数据采集电路的设计，LED显示部分和串行通信的设计。单片机选用AT89C51；数据采集电路采用A/D转换器AD574实现数据转换；设计的显示部分采用6位LED显示，土壤湿度传感器将采集到的数据送入A/D转换器AD574，数据存储到外部静态数据存储器6264，最终由LED显示部分显示。软件部分包括对主程序、数据采样子程序、数据处理子程序、显示子程序的简单设计。本设计系统硬件电路结构简单、系统的可靠性高。关键词：农业灌溉；AT89C51单片机；系统设计

AbstractThewaterresourceofourcountryisfacingadepletedcontinuously,ifstilltakethatrelativelytraditionalwaypastforagriculturalirrigation,notonlytheworkingefficiencyisnothigh,atthesametimefromtheuseoftheactualpointofview,butalsohavealargeimpacton.Thispapermainlystudiestherelationshipbetweenirrigationamountandsoilmoisture,thecontrolcircuitandcontrolprogramofwatersavingirrigationcontrolsystem.Inthesystemofmicroirrigationtechnologyasthetheoreticalbasis,usingPCandMCUasthecorecontrolsystem,real-timedetectionofsoilmoisture,cropwaterrequirementaccordingtothesituationandcomparetheactualsoilmoisturetimelyandadequateirrigation.Thesystemdesignincludeshardwarecircuitdesignandsoftwaredesign.Thehardwarecircuitmainlyincludestheclockcircuitdesign,resetcircuitdesign,alarmcircuitdesign,selectionofsoilhumiditysensor,themaincontrolchipdesign,datastoragecircuitanddataacquisitioncircuitdesign,LEDdisplayandserialcommunication.UseAT89C51microcontroller;dataacquisitioncircuitadoptsA/DconverterAD574toachievedataconversion;designofdisplaypartadoptsthe6LEDdisplay,soilmoisturesensordatawillbecollectedintotheA/DconverterAD574,datastoredintheexternalmemory6264staticdata,andultimatelybytheLEDdisplaypartdisplays.Thesoftwarepartincludesthemainprogram,datasamplingsubroutine,dataprocessingsubroutine,thesimpledesignofthedisplaysubroutine.Thehardwarecircuitofthesystemissimpleinstructureandhighinreliability.Keywords:agriculturalirrigationAT89C51singlechipsystemdesign

目录摘要 IAbstract II第1章绪论 1第2章智能灌溉系统总体设计 22.1滴灌原理概述 22.2土壤湿度传感器 22.3模糊控制 3本章小结 3第3章智能灌溉系统的硬件电路设计 43.1单片机选型 43.2时钟电路 43.3复位电路 53.5数据存储电路 63.6LED显示电路 73.7串行通信电路 83.8传感器的选型与使用 103.8.1土壤水分传感器的介绍 103.8.2HS-102STR土壤水分传感器标定 113.8.3温度传感器的介绍 113.9报警电路 12本章小结 13第4章智能灌溉系统软件设计 144.1系统主程序设计 144.2数据采集子程序 174.3数据处理子程序 174.4数据显示子程序 194.5数据通信子程序 20本章小结 22结论 23致谢 24参考文献 25附录硬件原理图 26第1章前言农业对于人们的生存发展起着至关重要的作用，可以说，农业是人类赖以生存的基础，农业在具体的发展过程中，如果不能实现较好的发展，不但对于我国的经济以及整个国家的整体发展会受到较大的不良的影响，同时水资源在具体的实施过程中，由于较为缺乏的水资源以及我国目前在农业方面的发展相对是较为落后的，正是因为这样的一种因素的制约，使得我国的农业在具体的发展过程中，面临到的挑战是非常严峻的，也是在具体的发展过程中，需要着力的关注和重视的问题。为了在农作物具体灌溉的过程中，最大程度的实现对农作物的有效灌溉，而且在实际的灌溉的过程中，实现对水的有效管理和分配，我们是非常有必要通过智能的模式予以有效的管理和解决的，在实际的灌溉过程中，是非常有必要设计出一套实用性强，工作效率高的灌溉系统的，这样的一种技术不仅对于我国的农田灌溉发挥着至关重要的作用，同时对于实现我国的综合经济的发展以及关乎民生大计的事宜都有着不可估量的重要作用。这样就能够定时定量、准确高效的给农作物进行补水，大大减少人工劳动量，提高农作物的产量和质量，节水节能。

第2章智能灌溉系统总体设计2.1滴灌原理概述滴灌技术是通过干管、支管和毛管上的滴头，在低压下向土壤经常缓慢地滴水；是直接向土壤供应已过滤的水分、肥料或其它化学剂等的一种灌溉系统。它没有喷水或沟渠流水，只让水慢慢滴出，并在重力和毛细管的作用下进入士壤。滴入作物根部附近的水，使作物主要根区的土壤经常保持最优含水状况。这是一种先进的灌溉方法。本设计控制系统的结构如下所示：土土壤湿度传感器A/D转换器AT89C51单片机RS232LED显示报警放大驱动PC机数据显示电磁阀图2-1单片机控制系统结构图2.2土壤湿度传感器当被测量随时间变化很快，可用一系列动态参数来描述和表征传感器的动态特性。本设计采用的是便携式土壤水分仪。其技术参数如下：（1）测量土壤水分范围：0-100%vol（2）重复性误差：<1（3）温度范围：-600℃to850℃；精度：+2℃（4）电源：12VDC士20%40mA（5）输出：0～1mA可选4～20mA或0～5V其特点如下：（1）可长期埋设；（2）长度增加，提高测量的准确性；（3）容易携带，使用简单；（4）能耗极低；（5）最经济的TDR原理水分探头。2.3模糊控制模糊控制的优点：（1）它是一种非线性控制方法，工作范围宽，使用范围广，特别适合非线性系统的控制。（2）它不依赖于对象的数学模型，对无法建模或很难建模的复杂对象，也能利用人的经验知识来设计模糊控制器完成控制任务；而传统的控制方法都要已知被控对象的数学模型，才能设计控制器。（3）它具有内在的并行处理机制，表现出较强的鲁棒性，对被控对象的特性变化不敏感，模糊控制器的设计参数容易选择调整。算法简单，执行快，容易实现。不需要很多的控制理论知识，容易普及推广。本章小结本章主要对自动灌溉控制系统的总体设计作了初步介绍，主要包括滴灌原理技术、土壤湿度传感器和模糊控制理论进行了相关叙述，为下文的设计奠定基础。

第3章智能灌溉系统的硬件电路设计3.1单片机选型鉴于控制的复杂性和兼顾显示、报警、闭环控制等较高要求，本设计决定用单片机作为中心控制器。现流行的单片机有很多种，8位单片机的控制功能较强，品种最为齐全。其中MCS-51系列以较高的性价比博得很多用户的青睐。所以，本系统采用美国Intel公司生产的AT89C51型单片机。AT89C51功能特性如下所述：（1）8位CPU；（2）内含4KBytes的程序存储器；（3）内含256KBytes的数据存储器；（4）程序存储器可外部扩展至64Kbytes；（5）数据存储器可外部扩展至64Kbytes；（6）一组全双工的串行口；（7）两组16位计时/计数器；（8）五个具有可编程为2层中断优先权的中断源；（9）具有逻辑运算能力；图3-1AT89C51引脚图3.2时钟电路AT89C51虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外接元件，图4-2是AT89C51的外部时钟电路。该设计选用12MHz晶振，与之相适应的电容的典型值是30pF左右。图3-2时钟电路原理图3.3复位电路复位电路通常采用上电复位和按钮复位两种方式。该电路兼有上电复位和按钮复位。该设计时钟频率为12MHz，C取22μF，R取1K欧姆。复位电路如图3-3所示。图3-3复位电路原理图3.4A/D转换电路因此，完成数据采集应具备下述基本部件：模拟多路转换开关和信号调节电路，采样/保持放大器，模拟/数字（A/D）转换器，通道控制电路。AD574是美国模拟器件公司（AnalogDevices）生产的12位逐次逼近型快速A/D转换器，其转换速度为35s，转换误差±0.05％，是目前我国广泛应用、价格适中的A/D转换器，其内部有三态输出缓冲电路，可直接与各种微处理器连接，且无须加逻辑接口电路，便能与CMOS及TTL电平兼容。在AD574芯片上有两组控制引脚，即通过控制引脚，以及内部寄存器控制输入引脚。AD574的引脚如图3-4所示。图3-4AD574引脚图图3-5AD574与单片机接口电路图3.5数据存储电路AT89C51单片机片内有128B的RAM，在实际应用中仅靠这256B的数据存储器是远远不够的。这种情况下可利用MCS-51单片机所具有的扩展功能扩展外部数据存储器。MCS-51系列单片机最大可扩展64KB。6264是静态RAM扩展。图3-66264引脚图AT89C51单片机外接数据RAM时，P2口输出存储器的高8位，P0口分时输出地址的低8位和传送指令字节或数据。P0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P0口作为数据总线使用，此处地址锁存器选用74LS373，实际电路连接如图3-7所示。图3-76264与AT89C51硬件连接原理图3.6LED显示电路将单片机I/O口的8位线与显示块的发光二极管的引出端相连，共阴极低电平有效，选通有效后8位并行输出口输出不同的数据就点亮相应的发光二极管，获得不同的数字或字符。本设计显示部分选用LED显示器，其由发光二极管组成，采用动态显示方法；74LS138实现位选，CD4534段选。74LS138是一个3-8译码器，共16个引脚，其引脚说明如下：（1）A、B、C：选择端即信号输入端；（2）E1、E2、E3：使能端，其中E1、E2低电平有效，E3高电平有效；（3）Y0～Y7：译码输出信号，始终只有一个为低电平；（4）VCC：电源端，＋5V；（5）GND：线路地。图3-874LS138引脚图图3-9CD4543引脚图CD4543是BCD锁存/七段译码/驱动器，有灯测试功能；有消隐输入端；以异或门作输出级，可方便地驱动。显示电路设计如图3.10。图3-10显示电路原理图3.7串行通信电路同步通信（SynchronousCommunication）是一种连续串行传送数据的通信方式，一次通信只传输一帧信息。这里的信息帧和异步通信的字符帧不同，通常有若干个数据字符。它们均由同步字符、数据字符和校验字符CRC三部分组成。即通信双方都可以发送信息，但不能双方同时发送（当然也不能同时接受）。这种方式一般用于计算机网络的非主干线路中。如现代电话通信提供了全双工传送。这种通信方式主要用于计算机与计算机之间的通信。异步串行通信接口主要有三类：RS-232C接口、RS-449、RS-422和RS-485接口以及20mA电流环。常用的为RS-232C。其中RS表示RecommendedStandard，232是该标准的标识号，C表示最后一次修定。RS-232C主要用来定义计算机系统的一些数据终端设备（DTE）和数据电路终接设备（DCE）之间的电气性能。RS-232C规定了自己的电气标准，由于它是在TTL电路之前研制的，所以它的电平不是+5V和地，而是采用负逻辑，即：逻辑“0”：+5V～+15V逻辑“1”：-5V～-15V常用的电平转换电路是MAX232。图3-11为MAX232的引脚图。图3-11MAX232引脚图MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232C标准串口设计的接口电路，使用+5v单电源供电。MAX232引脚功能：（1）VCC（引脚16）：+5V。（2）GND（引脚15）：接地。（3）C1+、C1-、C2+、C2-、V+、V-（引脚1～6）：和4个电容构成电荷泵电路。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232C串口电平的需要。（4）T1IN、R1OUT、R1IN、T1OUT（引脚11～14）：第一数据通道。（5）T2IN、R2OUT、R2IN、T2OUT（引脚7～10）：为第二数据通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232C数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232C数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。图3-12串行通信硬件电路图3.8传感器的选型与使用传感器负责采集池块数据，高性能的可靠的传感器是系统有效运行的保证。在水稻的生长周期内，受到许多外界影响，比如光照强度、空气二氧化碳浓度、空气湿度等诸多方面。本设计根据灌溉需要，有代表性的选取了土壤水分、池块温度以及液位作为参考变量，采用的传感器有：土壤水分传感器HS-102STR、温度传感器DS18B20（全密封型）、液位传感器GB2100A。3.8.1土壤水分传感器的介绍在方正研究院实验的时间正是水稻分粟后期，分粟后期的土壤水分控制下限不能低于土壤饱和含水率的85%一90%，如果低于这个下限就会造成分粟不足现象。所有对土壤含水率的要求也更高了，监测池块的土壤水分也是必要的。HS-102STR型号土壤含水率传感器采用FDR原理，可以精确的测算出土壤含水率。该型号具有成本低、可靠性高、高密封性优点、外部采用纯胶体封装，耐腐蚀可直接埋在土壤中使用；，很适合我国农业信息化领域中使用。HS-102STR型传感器性能指标如表3-1所示。表3-1HS-102STR性能指标特征描述特征描述稳定时间运行后5s响应时间小于1s测量量程0100%温度范围﹣40℃~70℃测量精度士1%探针长度60mm工作电压DC12~24V探针材料不锈钢功耗25mA外壳材料工程塑料探针间隔12mm线长度5m3.8.2HS-102STR土壤水分传感器标定标定工作属于测试前期工作，在实验室进行，标定工作需要数字型土壤水分传感器、万用表、12v电源。对HS-102STR校正实验数据记录如表3-2所示。表3-2HS-102STR的校正序号电压值水分值序号电压值水分值10.0180180.88244%20.1547%190.92348%30.21210%200.94553%40.28213%211.05255%50.29514%221.07857%60.33516%231.12460%70.37617%241.20762%80.39819%251.26366%90.43122%261.33669%100.48223%271.44275%110.5126%281.47677%120.54527%291.52581%130.57830%301.6487%140.67634%311.68888%根据测试的数据，列出曲线，拟合出关系方程（3-1）。最后得出方程（y：土壤容积含水率；x：电压值）y=54.8x-1.9983.8.3温度传感器的介绍DS18B20使用单数据总线的传输形式，单总线与单片机的I/O直接相连，使其抗干扰能力大大提升，每个DS18B20都有特定的编码，当采集多个节点温度时，不会造成数据紊乱。DS18B20的参数如表3-3所示。表3-3DS18820的性能指标特征描述测量范围-55°C~+125°C测量精度0.5°C工作电压3~5.5V线缆长度1.5m连接属性红色VCC黄色DATA黑色GND由于DS18B20来发送和接收消息只需要一个接口，使单片机和传感器之间连接是信号线，可凭唯一的序列号来识别不同传感器。本设计中DS18B20采用SV供电，数据口与单片机的P0.7相连，连接端子采用航插端子，连接稳定性高，在线的接口处，套上一层热缩管，保证其密封性。DS18B20连接电路图如图3-13所示。图3-13DS18B20连接电路图3.9报警电路压电蜂鸣器两条引线加上近5V的直流电压，由压电效应而发出蜂鸣音报警。图3-14声光报警电路接口电路本章小结本章对智能灌溉系统的硬件电路进行了详细设计，主要从单片机选型、时钟电路、复位电路、A/D转换电路、数据存储电路、LED显示电路、串行通信电路、传感器的选型与使用，以及报警电路进行了详细分析。

第4章智能灌溉系统软件设计本课题的软件程序设计采用汇编语言。计算机进行计算和处理信息是通过执行指令序列来完成的。指令就是使计算机执行各种操作的命令，它是由包括操作码和操作数两部分的二进制代码组成的。每种计算机都有自己的一组指令集，用来提供给用户使用。这种指令集称为计算机的指令系统。直接用计算机指令（即二进制代码）与计算机“交谈”时，计算机能够立即理解并执行。因此，人们称它为机器语言。不过，由于机器语言是二进制的，用它来编写程序，既繁琐又难以记忆，而且总是长长的一串1和0，使用时很不方便。因此，就产生了汇编语言。汇编语言比机器语言易于读写、调试和修改，同时具有机器语言全部优点。但在编写复杂程序时，相对高级语言代码量较大，而且汇编语言依赖于具体的处理器体系结构，不能通用，因此不能直接在不同处理器体系结构之间移植。汇编语言的特点：（1）面向机器的低级语言，通常是为特定的计算机或系列计算机专门设计的；（2）保持了机器语言的优点，具有直接和简捷的特点；（3）可有效地访问、控制计算机的各种硬件设备，如磁盘、存储器、CPU、I/O端口等；（4）目标代码简短，占用内存少，执行速度快，是高效的程序设计语言；（5）经常与高级语言配合使用，应用十分广泛。汇编语言的应用：（1）70%以上的系统软件是用汇编语言编写的；（2）某些快速处理、位处理、访问硬件设备等高效程序是用汇编语言编写；（3）某些高级绘图程序、视频游戏程序是用汇编语言编写的。4.1系统主程序设计主系统流程图如图4-1所示。设定温湿度上下限设定温湿度上下限图4-1系统主程序流程图主程序完成的功能是：设定土壤湿度值的上下限，对系统进行初始化后，启动土壤湿度传感器测量土壤的含水情况，将测量的湿度值与设定值比较进行模糊化计算，若测量值大于设定值，则返回重新进行测量；若测量值小于设定值，则进行报警，灌溉系统启动，对缺水的地方进行灌溉，程序如下：ADTURN0EQU21H；IN0通道A/D转换数据存放首址ADTURNIEQU2CH；IN1通道A/D转换数据存放首址LINEADR0EQU37H；IN0采集数据经滤波处理数据存放地址LINEADR1EQU38H；IN采集数据经滤波处理数据存放地址LINEADREQU39H；平均值存放地址HUMIDEQU3BH；标度变换后的湿度值存放地址BCDADREQU3CH；BCD转换后的湿度值存放地址HUMADREQU3DH；上位机传来的湿度值存放地址TIMEADREQU3EH；上位机传来的时间值存放地址T100USEQU256-50；延时参数Cl00USEQU3FH；SHOWADREQU40H；显示区数据存放首址ORGOOOOHSJMPSTARTORGOOOBH；定时器0中断服务程序入口LJMPTOINTORG0023H；串行I/O中断服务程序入口LJMPSERVEORGOOSOHSTART:MOVSP,#50H；设置堆栈MOVHUMADR,#OFFHSETBOD3H；选中寄存器3SETSOD4HMOVR0，#HUMADRCLROD3H；选中寄存器0CLROD4HMOVTMOD,#22H；主程序初始化MOVTH1，#OF3HMOVTLl,#OF3HMOVSCON,#50HMOVPCON,#80HMOVDPTR,#7FF8HMOVA,#4DHMOVX@DPTR,ASETBTR1SETBEASETBESRUN:LCALLAD；调用A/D转换子程序LCALLMAOPAO；调用滤波子程序LCALLTURN；调用湿度转换子程序MOVA,HUMID；将湿度值送往上位机MOVSBUF,ALCALLTWOSEC；延时等待两妙钟LCALLBCDTURN；调用BCD转换子程序LCALLSHOW；调用显示子程序MOVA,HUMIDCJNEA,HUMADR,COMP；检测到的湿度值大于上位机送来的湿度值时，则循环采样，否则报警灌溉DONE:CLRP1.1LCALLALARM；调用报警延时子程序进行灌溉动作LCALLTIMEORLP1，#02HLCALLTENMIN；灌水结束等待10分钟LJMPRUN；回到主程序COMP:JCDONELJMPRUNEND4.2数据采集子程序数据采集的主要任务是不断地采集土壤的适度参数，并存储在外部制定的RAM单元。采样程序如图4-2所示。图4-2数据采集子程序流程图4.3数据处理子程序在进行数据采集时，单片机采集进来的信号总会被一些因素干扰，它们来自被测信号源、传感器、外界干扰等，从而使A/D送入单片机的数据中存在误差。这种误差是随机且不可避免的，这就要求我们要对这些数据进行处理，以便获得更为精确的数据。数据处理流程图如图4-3所示。开始开始图4-3数据处理子程序流程图程序清单：MAOPAO:MOVR1，#ADTURNOMOVR5，#OAHCLR00HFILTER:MOV3CH,@R1INCR1MOVA,@R1CLRCSUBBA,3CHJNCNEXTMOVA,@R1MOV@R1，3CHDECR1MOV@R1，AINCR1SETB00HNEXT:DJNZR5，FILTERJB00H,MAOPAOMOVLINEADR0，26HRET4.4数据显示子程序显示子程序采用动态显示的方法，不断将土壤湿度值通过位选和段选用LED显示出来，流程图如图4-4所示。进入动态显示子程序后，首先寻找显示缓冲区首地址R0，并把数据指针指向要显示最左边数码管的译码器地址，然后取出要显示的数据，并把数据通过转换，变成显示码，然后通过把段选码送入CD4543，用于数码管显示当前数值，位选码送入74LS138，用于确定六个数码管中的哪一个进行显示，当上述过程结束，需延时1ms，是人眼能够识别数码管显示数字的变化，然后判断六个数码管是否都已显示，如果没有，则修改显示缓冲区的地址，寻找下一个数码管的译码器地址，然后取数据通过前面的过程进行显示，重复循环判断，直到六个数码管都显示数据，则该子程序输出返回值。图4-4数据显示子程序流程图4.5数据通信子程序在单片机系统中，串口（UART，通用异步收发接口）是一个非常重要的组成部分。通常使用单片机串口通过RS232/RS485电平转换芯片与上位机连接，以进行上位机与下位机的数据交换、参数设置、组成网络以及各种外部设备的连接等。AT89C51是采用MCS-51系列的汇编语言编程，它有一个标准的串行接口，有4种工作方式，其中方式1是标准的10位异步通信方式，10位数据和PC机的标准串行接口相对应，由串行接口控制器SCON（字节地址为98H）设置状态。下图为数据通信中断服务子程序的流程图。图4-5中断服务子程序流程图程序清单：SERVE:CLREA；中断服务PUSHDPLPUSHDPHPUSHACCPUSHPSWSETB0D3HSETBOD4HJBTI,STOPWAIT:JNBRI,WAITMOVA,SBUFMOV@R0，A；将要求的湿度下限值始终存入片内HUMADR单元（即03DH）INCR0；将计算所得时间值始终存入片内TIMEADR单元（即03EH）MOVA,R0CJNEA,#3FH,DLEVMOVR0，#HUMADRDLEV:CLRRISTOP:CLRTIPOPPSWPOPACCPOPDPHPOPDPLSETBEARETI本章小结本章对智能灌溉系统的软件设计部分进行了详细介绍。主要对系统主程序设计数据采集子程序、数据处理子程序、数据显示子程序，以及数据通信子程序进行了详细介绍，本课题的软件程序设计采用汇编语言，设定土壤湿度值的上下限，对系统进行初始化后，启动土壤湿度传感器测量土壤的含水情况，将测量的湿度值与设定值比较进行模糊化计算，若测量值大于设定值，则返回重新进行测量；若测量值小于设定值，则进行报警，灌溉系统启动，对缺水的地方进行灌溉。

结论本设计主要内容有数据采集的电