毕业设计-由单片机为处理器的自动灌溉控制器的硬件、软件设计.doc

沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文）I摘要本论文详细论述了由单片机为处理器的自动灌溉控制器的硬件、软件设计。本控制器以AT89C51单片机为核心，由传感器、信号处理电路、键盘、显示电路、输出控制电路、故障报警电路等构成。它能实现多路数据采集、多路控制信号输出功能。通过传感器自动检测土壤水分，实现自动闭环控制和定时程序的时间控制等多种自动灌溉控制方式，并具有土壤水分超出设定范围自动报警功能。土壤含水量的测量采用先进的LW-02型水分传感器；AD转换采用了ADC0809芯片；键盘、显示分别采用了独立式按键和LED显示块；故障报警选用了压电式蜂鸣器；输出控制电路由三极管、光电耦合器、继电器、电磁阀等组成。软件设计采取了模块化编程方法，软件程序的开发全部采用了C51高级语言。主要包含的程序有:主程序、键盘扫描子程序、AD采样子程序、定时设定子程序等。同时，在软硬件设计时均采取了有效的抗干扰措施。关键字：单片机；灌溉；土壤水分传感器；自动控制沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文）IIAbstractThehardwarelayoutandsoftwaredevelopmentforsinglechipmicroprocessorautomaticmicro-irrigationcontrollerandsystemprogrammingarepresentedindetailinthispaper.BasedontheAT89C51singlechipmicroprocessorthewholesystemconsistsofsoilmoisturesensorssignaltransfercircuitkeyboardandmonitordisplaycircuitoutportcontrolcircuitmalfunctionalarmcircuitaswellassystemsoftware.Thiscontrollercancontrolmufti-andmufti-output.Itcanworkinseveralwayssuchasclosedloopcontrolwithsensorsopenedloopcontrolbasedonthepresettimingprogram.Inadditionithasautomaticalarmfunctionwhenthesoilmoistureexceedsthepresetrange.TherechosetheLW-02capacitivemoisturesensorasthesoilmoisturesensorADC0809astheADconversionindependentkeyasthekeyboardLEDdisplayunitasthemonitordisplayandchosethesimplepiezoelectricbuzzerasthemalfunctionalarmdevice.TheoutportcontrolcircuitiscomposedofAT89C51triodephotoelectriccouplerrelayelectromagneticvalveandsoon.Thesoftwaredesigningadoptthepopularmodularizedstructure.ThedevelopmentofsoftwareprogramsapplyC51languageentirely.TheprimaryprogramsaremainprogramkeyboardscanningsubroutineADsamplingsubroutinetimerpresettingsubroutine.Meanwhiletheefficientanti-interferencemeasuresareadoptedduringthedesignofthehardwareandsoftware.Keywords:SinglechipmicroprocessorMicro-irrigationSoilmoisturesensorAutomaticcontrol沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文）III目录目录摘要摘要.IIABSTRACTABSTRACT.IIII目录目录.IIIIII第一章第一章前言前言.551.11.1研究背景研究背景.51.21.2研究目的和意义研究目的和意义.61.31.3任务和要求任务和要求.6第二章第二章智能灌溉系统的组成智能灌溉系统的组成.882.12.1灌溉总系统的组成灌溉总系统的组成.82.22.2灌溉系统结构总框图灌溉系统结构总框图.92.32.3单片机灌溉量的确定单片机灌溉量的确定.92.3.1灌水量的确定.92.3.2灌水时间间隔的确定.92.3.3一次灌水延续时间的确定.92.3.4灌水次数与灌水总量的确定.102.3.5开启和关闭供水系统的土壤含水量临界点的确定.10第三章第三章GTM900CGTM900C无线模块无线模块.12123.13.1GTM900CGTM900C模块介绍模块介绍.123.1.1GTM900C模块产品定位.133.1.2GTM900C模块产品特性.133.1.3GTM900C模块产品的应用.143.1.4GTM900C无线模块的业务演示框图.143.23.2GTM900CGTM900C无线模块无线模块ATAT命令命令.13.2.1AT命令类型.13.2.2消息发送和写入命令.23.33.3GTM900CGTM900C信号连接器和天线接口信号连接器和天线接口.5沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文）IV3.3.1信号连接器.63.3.2天线接口.63.3.3接口信号.73.43.4接口的使用接口的使用.103.4.1UART接口的功能特性.103.4.2UART接口信号定义.103.4.3UART接口DCE-DTE配线.11第四章第四章系统硬件设计系统硬件设计.12124.14.1土壤水分传感器的选择与使用土壤水分传感器的选择与使用.124.1.1土壤水分传感器的选择.124.1.2土壤水分传感器的测量原理及其实现方法.124.1.3传感器在田间的埋设.154.24.2单片机的选择单片机的选择.164.2.1单片机的发展概况及其选择.164.2.289C51单片机性能与应用.164.2.3引脚功能.174.34.3振荡器电路及复位电路设计振荡器电路及复位电路设计.194.44.4存储器的配置存储器的配置.204.54.5数据采集处理电路数据采集处理电路.214.5.1模数转换器的选择.214.5.2ADC0809引脚及接口电路设计.224.64.6显示系统的电路设计显示系统的电路设计.244.74.7输出控制电路设计输出控制电路设计.254.84.8故障报警电路及键盘接口电路设计故障报警电路及键盘接口电路设计.26第五章第五章系统软件设计系统软件设计.29295.15.1主程序设计主程序设计.295.25.2键盘扫描子程序设计键盘扫描子程序设计.315.35.3实时时钟中断与控制功能的完成实时时钟中断与控制功能的完成.325.45.4时间灌溉控制功能的实现时间灌溉控制功能的实现.33沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文）V5.55.5其它控制功能的实现其它控制功能的实现.335.5.1定时设定功能的实现.345.5.2湿度范围设定功能的实现.34第六章第六章技术经济分析技术经济分析.3636第七章第七章结论结论.3737参考文献参考文献.3838致谢致谢.3939沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文）6第一章第一章前言前言1.11.1研究背景研究背景随着社会经济的发展，人口的增多，对水资源的利用正在迅速增长，占世界人口总量40%的80个国家缺水，其中26个国家严重缺水。我国水资源总量为2.8万亿mm3，居世界第6位，我国人均占水仅2200m3，排在世界第109位。我国的水资源在时空上分布很不均匀，南多北少，东多西少；夏秋多，冬春少占国土面积50%以上的华、西北、东北地区的水资源仅占全国总量的20%左右，农业的季节性、区域性干旱缺水问题十分突出。农业节水不仅是可能的，而且潜力很大，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。我国旱地农业面积约0.5亿m2，占耕地面积一半以上，平均每年受早面积约达0.26亿m2，成灾减产的约0.07亿m2左右，这些干旱地区水资源灌溉的开发余地几乎枯竭。然而我国灌溉用水利用率却很低，约有60-70%的水资源因灌溉方法不当白白浪费。从作物需要来讲，我国水分有效利用率仅0.3-0.4，个别省份只有0.2，与先进国家的0.7-0.8相比，浪费惊人。21世纪的节水农业技术将是农业科技革命的重要组成部分，节水灌溉具有广阔的前景1。单片机灌溉技术是当前世界上诸多节水灌溉技术中省水率最高的一种先进节水灌溉技术，单片机灌溉属局部灌溉、精细灌溉，灌节水50%60%，增产20%30%，一般只用于温室中水果、蔬菜、花卉等产值高、收益高的经济作。到90年代中期，全世界单片机灌溉面积达到291.3万亩，约占全世界灌溉面积的1.1%，其中美国约150万m2。我国单片机灌溉面积只徘徊在23.7万m2。世界上单片机灌溉技术的发展最有代表性的国家应首推以色列，其温室种植全部采用单片机灌溉。以色列温室滴灌的最高水利用率为95%，以色列著名的公司有NETAFIM，AAMLAD、PLAASTRO等。单片机灌溉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。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。在以沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文）7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。但是我国单片机灌溉技术还处于初级发展阶段，系统的成套性还较差，主要部件品种少，质量不稳定，自动化程度低，大部分单片机灌溉技术还停留在人工操作上，即使有些地方搞了一些灌溉工程自控系统，也只是从国外引进或者是小规模的局部控制，国内开发的自动灌溉控制器目前还处于研制、试用阶段。总之，目前西方发达国家的自动灌溉控制器已基本发展成熟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通讯，并由微机对其施行编程操作2。1.21.2研究目的和意义研究目的和意义灌溉管理自动化是世界先进国家发展高效农业的重要手段，而我国目前仍局限于灌溉单项技术的推广和应用，技术的集成和自动化水平较低，这也是制约我国高效农业发展的主要原因。以色列、日、英、美等国家己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，监土壤墒情和作物生长，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，得到广泛应用2。1.31.3任务和要求任务和要求本课题采用AT89C51单片机为灌溉控制器的核心，通过传感器自动检测土壤水分，按照设置的程序根据土壤含水量要求的上、下限确定供水时间、供水量，采用预编定时程序的时间控制和根据水分信息决定灌溉指标的闭环控制两种工作方式，并能实现故障报警功能。使单片机灌溉向适时、适量、按需灌溉发展，达到节约用水、省工省时、增产增收的目的。本自动灌溉控制器的总体研制方案如下：自动控制器采用ATMEL公司的AT89C51系列单片机；沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文）8土壤水分测量时采用先进的TW-02型水分传感器，可同时接八路传器；系统控制多路输出；系统可完成:传感器自动闭环控制，时间控制等多种灌溉控制方式；具有灌溉水分超出设定范围自动报警功能；根据以上性能要求本控制器采用4位LED显示和4个按键来完成多种功能操作。总体功能确定后，开始着手整个系统的硬件设计和软件编制工作3。沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文）9第二章第二章智能灌溉系统的组成智能灌溉系统的组成2.12.1灌溉总系统的组成灌溉总系统的组成自动化单片机灌溉系统是指利用微机技术对单片机灌溉工程的主要设备进行监视、控制以及各种信息处理，及时地对设备运行情况进行全面地分析和准确的判断，确保灌溉工程安全、合理和经济地运行。它包括传感器系统，控制器系统和水源控制系统三大部分组成。图2.1自动灌溉系统图沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文）102.22.2灌溉系统结构总框图灌溉系统结构总框图土壤水分传感器AD转换器AT89C51键盘报警LED显示光隔继电器电磁阀图2.2灌溉系统结构总框图2.32.3单片机灌溉量的确定单片机灌溉量的确定2.3.1灌水量的确定灌水量可由式m=(b1-b0)hpr（2-1）计算，式中:m为灌水定额；b1，b0分别为土壤田间持水量和灌前土壤含水率；r为土壤干容(tm3)；h为土壤计划湿润层深度；P为单片机土壤湿润比。2.3.2灌水时间间隔的确定两次灌水之间的时间间隔又称灌水周期T=mE，T为灌水周期(h)；E为作物需水量；m为灌水定额(mm)。2.3.3一次灌水延续时间的确定t=(mSeSr)q.（2-2）式中:t为次灌水延续时间(h)；Se为灌水器间距(m)；Sr为毛管间距(Cm)；沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文）11q为灌水器流量(Lh)；为单片机灌溉水利用系数，一般为0.90.950。2.3.4灌水次数与灌水总量的确定采用单片机灌溉，作物全生育期的灌水次数比传统地面灌多，并随作物种类、地区水源条件等而不同。总灌水量M=mi；M为灌溉定额即总灌水量m3；mi为各次单片机灌溉灌水量，即灌水定额(m3)。2.3.5开启和关闭供水系统的土壤含水量临界点的确定这两个临界点的选择要依据土壤的水分特性、作物的需水特性及灌溉管理的要求确定，相当于确定农田灌溉管理用的土壤含水量上限(关闭值)和下限(开启值)。田间持水量是指土壤中毛管悬着水达到最大量时的土壤含水量，当灌溉水量超过田间持水量时，只能加深土壤的湿润深度，而不可能再增加土层中含水量的百分数，它是土壤中对作物有效水的上限，可用作灌溉的上限和计算灌溉量的依据。灌水定额=(田间持水量一灌水前土壤含水量)。毛管断裂含水量，是指土壤中毛管悬着水发生断裂时的土壤含水量，土壤这时的水分已不能满足作物的需求，一般只是田间持水量的65%左右，可用此作物灌水的限。用灌溉控制器闭环控制灌溉农田的土壤含水量动态变化可用图2.3图2.3自动灌溉系统农田水分动态变化示意图沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文）12假定灌溉从A处开始，随着农田水分的消耗土壤含水量由点A逐步下降，当降至点B时，达到设定的土壤含水量的控制下限，灌水设备起动，开始灌水，土壤含水量也快速上升。当土壤含水量抵达C点时，达到设定的土壤含水量控制上限，供水设备关闭，停止供水。但由于土壤含水量测定上的滞后，土壤含水量会有一个轻微的继续上升的过程，最后达到D点。之后由于作物的吸收及土壤蒸发，含水量又开始逐步的下降，直至抵达E点，开始下一次灌水过程。由于灌水时土壤含水量的变化比正常作物消耗情况下的变化要快得多，因而在灌水过程中土壤含水量的监测频率应比作物耗水过程的监测频率高的多5。沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文）13第三章第三章GTM900CGTM900C无线模块无线模块3.13.1GTM900CGTM900C模块模块介绍介绍华为GTM900-C无线模块是一款两频段GSMGPRS无线模块。它支持标准的AT命令及增强AT命令，提供丰富的语音和数据业务等功能，是高速数据传输等各种应用的理想解决方案。内嵌TCPIP协议模块，使用简单，易于集成GTM900C软件、硬件兼容GTM900B、TC35i、MC39i，使用TC35i或MC39i的用户不用作任何更改就可以使用。华为GTM900C是一款双频9001800MHZ高度集成的GSMGPRS模块，是GTM900B的升级模块。内嵌TCPIP协议模块，使用简单，易于集成，使用它您可以在较短的时间内花费较少的成本开发出新颖的产品。在远程监控和无线公话以及无线POS终端等领域您都能看到GTM900C无线模块在发挥作用，GTM900C软件、硬件兼容GTM900B、TC35i、MC39i，使用TC35i或MC39i的用户不用作任何更改就可以使用，以降低产品成本。主要功能:GSMGPRSPhase22+；GSM03.40短信业务；GPRSCLASS10数据业务；支持Group3，Class2传真业务；电路交换业务(9.6kbps，14.4kbps)；分组交换数据业务(85.6kbps)；FRHREFRAMR语音编码；呼叫转移、等待、保持、呼叫前转；多方通话、来电显示、可选铃声接口特性：40pinzip连接器；红外串口接口；SIM3.0V和1.8V接口；2路模拟音频输入输出接口；电源输入接口和充电管理；ADC输入；全双工串行接口，TTL电平；支持GSM07.05，GSM07.07；TCPIP扩展AT指令集。沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文）143.1.1GTM900C模块产品定位华为GTM900-C无线模块是一款两频段GSMGPRS无线模块。它支持标准的AT命令及增强AT命令，提供丰富的语音和数据业务等功能，是高速数据传输等各种应用的理想解决方案。3.1.2GTM900C模块产品特性表3-1GTM900-C的产品特性表工作频段EGSM900GSM1800双频最大发射功率EGSM900Class4(2W)GSM1800Class1(1W)接收灵敏度SMSNOTE：输入短信内容，以ctrl-Z发送；ESC取消沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文）4OK举例：发送和接收PDU方式的短信AT+CMGF=0OKAT+CMGS=160891683108200105F011000D91683118087981F60004000168OKPDU编码解析：发送数据：0891683108200105F011000D91683118087981F60004000168表3-5PDU编码解析码段含义说明08SMSC地址信息的长度共8个八位字节（包括91）91SMSC地址格式（TONNPI用国际格式号码（在前面加+）683108200105F0SMSC地址8613800210500，补F凑成偶数个11基本参数（TPMTIVFP）发送TPVP用相对格式00消息基准值（TP-MR）00D目标地址数字个数共13个十进制数（不包括91和F）91目标地址格式（TONNPI）用国际格式号码（在前面加+）683118087981F6目标地址（TP-DA）8613800210500，补F凑成偶数个00协议标识（TPPID）是普通GSM类型点到点方式04用户信息编码方式（TPDCS）8bit编码00有效期（TPVP）5分钟01用户信息长度（TPUDL）实际长度1个字节68用户信息（TPUD）068接收数据:沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文）50891683108200105F0040D91683184821969F2000470404271726423026869表3-6接收数据码段含义说明08SMSC地址信息的长度共8个八位字节（包括91）91SMSC地址格式（TONNPI)用国际格式号码（在前面加+）683108200105F0SMSC地址8613800210500，补F凑成偶数个04基本参数（TPMTIVFP）0D回复地址数字个数91回复地址格式（TONNPI）683118087981F6回复地址（TP-RA）8613800210500，补F凑成偶数个00协议标识（TPPID）是普通GSM类型点到点方式04用户信息编码方式（TPDCS）8bit编码70404271726423时间戳（TPSCTS）07-04-2417：27：4623表示时间区02用户信息长度（TPUDL）实际长度2个字节68用户信息（TPUD）0680693.33.3GTM900CGTM900C信号连接器和天线接口信号连接器和天线接口GTM900-C的信号连接器和天线接口，包括：信号连接器接口；天线接口。3.3.1信号连接器GTM900-C的信号连接器是一个40Pin的ZIF连接器，引脚间距为0.5mm，线距0.5mm，结构为单排弯式表贴型，带电缆锁紧机构，型号是Hirose的FH12-40S-0.5SH。连接器外形如图3-3所示。沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文）6图3-3连接器外形3.3.2天线接口GTM900-C提供的天线接口为GSC射频连接器，外接天线通过电缆连接到该连接器上。该连接器是由HRS公司提供的，器件编码是U.FL-R-SMT-1(10)，具体的图形和尺寸如图3-4所示。图3-4天线接口连接器尺寸图（单位：mm）3.3.3接口信号表3-7信号连接器接口功能表沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文）7序号信号名称IO接口电平功能备注1VBATI3.44.7V电源建议典型值：3.8V2VBATI3VBATI4VBATI5VBATI6GND-地7GND-8GND-9GND-10GND-11USB_D+IO仅用于模块调测设计时悬空12USB_D-IO仅用于模块调测设计时悬空13VBUSI仅用于模块调测设计时悬空。注意：此管脚与GTM900-AB存在差异，不能兼容，GTM900-AB为VDD信号，用于模块正常启动指示信号。14ADCI01.75V模拟数字采样最高输入电压15PWONI-开关机控制信号低电平有效16UART_DSR0O2.85V(0.1)数据准备就绪-17UART_RI0O2.85(0.1)振铃指示-18UART_RXD0O2.85V(0.1)GTM900模块AT命令串口发送信号（对端设备接收）用于GTM900-C模块的AT命令，TTL电平19UART_TXD0I2.85V(0.1)GTM900模块AT命令串行接收信号（对端设备发送）用于GTM900-C模块的AT命令，TTL电平20UART_CTS0O2.85V(0.1)清除发送GTM900-C上PIN脚定义为输出信号21UART_RTS0I2.85V(0.1)请求发送GTM900-C上PIN脚定义为输入信号沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文）822UART_DTR0I2.85V(0.1)数据设备准备就绪-23UART_DCD0O2.85V(0.1)载波检测-24SIM_CDI2.85V(0.1)SIM卡在位信号目前软件尚不支持设计时悬空25SIM_RSTO2.85V(0.1)SIM卡复位信号-26SIM_DATAIO2.85V(0.1)SIM卡数据传输接口-27SIM_CLKO2.85V(0.1)SIM卡时钟信号-28SIM_VCCO2.85V(0.1)SIM卡电源-29SIM_GND-SIM卡地与通常的工作地：GND信号连接同时要求与SIM卡的GND信号连接30VbackupIO3.0V备用电池电源信号参考后面章节的推荐设计31RSTI2.85V(0.1)复位信号低电平有效，对模块复位32LPGO2.85V(0.1)指示灯状态控制信号-33AUXO+O-第二路音频输出信号-34AUXO-O-第二路音频输出信号-35EAR+O-第一路音频输出信号-36EAR-O-第一路音频输出信号-37MIC+-第一路音频输入信号第一路音频单端输入正，内部已经带直流偏置38MIC-第一路音频输入信号第39AUXI+-第二路音频输入信号第二路音频单端输入正，内部已经带直流偏置40AUXI-第二路音频输入信号第二路音频单端输入负，内部已经带直流偏置沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文）93.43.4接口的使用接口的使用GTM900-C各接口的使用，包括：UART接口；USB接口；SIM卡接口；RTCBackup接口；Audio接口；LPG接口。3.4.1UART接口的功能特性UART接口与外界进行串行通信，支持3.00V电平输入和输出。UART接口的信号除了RXD0、TXD0是高电平有效之外，其余所有信号均为低电平有效。UART接口有512byte的发送FIFO（FirstInFirstOut）和接收FIFO，支持可编程的数据宽度、可编程的数据停止位、可编程的奇偶校验或者没有校验。UART接口工作的最大速率为115.2kbits，默认支持9600bits的速率，支持波特率掉电保存。3.4.2UART接口信号定义UART接口信号定义如表3-8所示.表3-8UART接口信号定义序号信号名描述特性方向23UART_DCD0载波检测数据链路已连接DCE-DTE17UART_RI0振铃指示通知DTE有远程呼叫DCE-DTE21UART_RTS0请求发送DTE通知DCE请求发送DTE-DCE19UART_TXD0发送数据DTE发送数据DTE-DCE16UART_DSR0数据设备就绪DCE准备就绪DCE-DTE22UART_DTR0数据终端就绪DTE准备就绪DTE-DCE20UART_CTS0清除发送CE已切换到接收模式DCE-DTE18UART_RXD0接收数据DTE接收串行数据DCE-DTE6GND地-沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文）103.4.3UART接口DCE-DTE配线DCE-DTE的连接关系如图3-4所示。图3-4DCE-DTE的连接关系沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文）11第四章第四章系统硬件设计系统硬件设计4.14.1土壤水分传感器的选择与使用土壤水分传感器的选择与使用4.1.1土壤水分传感器的选择快速、准确地测定农田土壤水分，对于探明作物生长发育期内土壤水分的盈亏，以便适时做出灌溉、施肥决策和排水措施等具有重要意义。由于土壤水分含量测定的特殊要求以及影响因子的复杂性，有关的测定方法都表现出这样或那样的不足，比如破坏性、不稳定性、测定适用范围的局限性、对测定人员具有危害性及需要经常标定、价格昂贵等等，均对这些方法的适应性、测定结果的可靠性及由于价格原因的推广性有极大的影响。经过综合比较，本课题最终选定了电容式水分传感器，对一定几何结构的电容式水分传感器，其电容量与两电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，其介电常数相应增大，测量时水分传感器给出的电容值也随之上升，根据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。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。但灵敏度稍低，设备较复杂，价格稍贵。根据被测物料不同，传感器应有不同的结构，这里选用了Lw-02型水分传感器。它已通过HUMREL的品质认证，可以很好工作于较恶劣的环境。它有小且易安装的接头，由于它是线性的电压输出湿度检测模块，因此能直接与微控制器相接，价格相对便宜，具有较高的性价比。它适用范围广，可用于环境测控、温室大棚、粮食仓储等6。4.1.2土壤水分传感器的测量原理及其实现方法众所周知，空气的介电常数为1，土壤的介电常数介于3-7，而自由介电常数达80.36（20），这种巨大差异表明可以通过测量土壤介电特性来测定土壤含水量。电磁阀公式：C=rC0=(1+X)C0（4-1）其中C0表示无介质(即在空气中)时的电容沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文）12C一充入均匀介质后的电容r一所充介质的相对介电常数(也称电容率)X一介质的极化率由上式可见，充入介质后，原空气中的电容将增至r倍，介质不同则r不同，C也不同，通过C间接反映土壤含水量。通过振荡电路，很容易把C转换成振频频率不同的电信号，把该信号通过单片机与其它电路转换成标准信号输出。土壤水分传感器的原理框图如图4.1所示。SN75LBC184AT98C2051X25045看门狗智能数采模块Cc4060555上位机图4.1土壤水分传感器原理框图探头的设计，这里以一根较粗的绝缘探针作为电容的正极，以八根连接在一起的绝缘探针作为电容的负极，这样随着夹在两极板之间的介质的湿度不同，电容值也就不同，而土壤湿度不同，其介质系数也是不同的，从而实现了土壤湿度的数字化。在实验中发现，采用两极板的方式受土壤松紧度的影响较大，且不够稳定，影响了传感器的稳定性和可靠性，因此，采用了绝缘探针的方式，因为探针较尖，插入土壤比较容易，且对土壤松紧度的影响较小，封闭性较好，能够构成完整的闭合电容，系统比较稳定。探头的探针必须是绝缘的，这里采取了搪瓷的方法，因为瓷在土壤中不会被腐蚀，绝缘性好，且质地坚硬，耐-磨性较好，可以达到理想的效果。通过一个555振荡电路产生一个近似方波信号。由频率计算公式f=1.43(RA+RB)C可知，在RA和C一定的情况下，只要改变RB的值，就可以改变输出频率f的值。这样，整个电路的调节就集中到电阻RB上了，只要调节电阻RB，就可以来调节电路沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文）13的输出；同时，振荡器输出波形的占空比为q=RA(RA+Ra)，只要RA与RB的比值越大，输出的波形就越接近方波，得到的值就越接近理想值。取RA为100K，取RB为3K，这样输出的波形就近似为方波(RB为可调电阻)。在其他参数一定的情况下，电容值不同，输出的波形周期也不同，从而实现了电容与周期的一一对应。输出的方波信号的频率是比较高的，因此需要通过一个CC4060芯片对其进行分频，以便单片机能进行处理。我们经常需要把高频信号加以分频得到较低频率的信号，CC4060有10个输出端最小可得到16分频，最大可得到16348分频，这样大的分频范围给了一个自由选择的空间。经过16分频的方波信号输入AT89C51单片机，由软件对输入的信号进行处理，通过分段拟合，以降低误差，同时进行查表计算，获得相应的湿度值。利用看门狗来实时监控，还需要进行通讯编程并借助智能数据采集模块实现与上位机之间的数据传输与命令传输。采用X25045对电路进行保护，在故障情况下对数据进行保存。看门狗电路在现在的电路设计中的应用是非常普遍的，X25045把三种常用的功能:看门狗定时器，电压监控和E2PROM组合在单个封装之内，这种组合降低了系统成本并减少了对电路板空间的要求。看门狗定时器对微控制器提供了独立的保护系统。当系统故障时，在可选的超时周期之后，看门狗将以RESET信号作出响应。用户可从三个预置的值中选择此周期。一旦选定，即使在电源周期变化之后，此周期也不改变。利用X25045低Vcc检测电路，可以保护系统使之免受低电压的影响。当Vcc降到最小转换点以下时，系统复位。复位一直确保到Vcc返回且稳定为止。单片机输出的是RS232信号，其传输距离比较短，最大为15米，极大地限制了信号的传输：与之相比，RS485信号的传输距离可达到1200米左右，再加上两级中继后，能达到3000米以上。通过SN75LBC184对信号进行转换，这样，只要在上位机的端口加上一个D485转换头，就可以实现信号的转换和数据的传输了。同时，SN75LBC184的片内A，B引脚接有高能量瞬变干扰保护装置，这种结构能承受400W的过压瞬变，从而显著地提高了器件抗过压瞬变的可靠性。普通的RS485收发器很容易被过压瞬变损坏，如果要有效加以保护，一般需外加包括隔离变压器在内的保护器件。若使用LBC184，可直接与传输线相接而不需要任何外加保护元件，这提供了一种可靠、低价和简单的设计方案。该器件还具有合适于电噪声环境中的合用数据总线应用的许多特点5。沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文）14LW-O2土壤湿度传感器的整体电路图如图4.2所示。图4.2土湿传感器的整体电路图4.1.3传感器在田间的埋设选择合适的埋设位置和正确埋入传感器是精确、可靠地进行土壤含水量测定所必须在进行埋设工作时要遵循下列一些原则：埋设点应选在处理方便，不受田块边界作用影响，土壤、气候、作物生长及灌溉系统都具有代表性的地段，此处不应干燥得太快，也不应处于低洼地或较其它部分位置积水时间长或更潮湿的地块。必须埋在根系活动集中层内，该处为作物大部分吸水发生部位，需给予重点关注。最好能在各点或不同深度分层埋设若千传感器。对于浅层根系作物，如大多数蔬菜作物，可在1015cm，2540cm深度之间各埋一个。对于扎根较深的作物，如玉米、沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文）15果树等，可考虑在15cm，40cm，80cm处各埋一个，这时只有在三个传感器的测量结果都显示缺水时才开始灌溉。分层埋设时，应将各传感器的导线头引到埋设处的地表，在导线头上做好不同埋深的标记，以便和传感器信号处理电路连接。对于较长时间的连续观察，探头最好能与垂线呈一定角度安放(一般取100450)，这样可以减小土壤的非均质性，作物根系的垂直生长特性以及垂直干裂隙、蛆叫洞等的影响，并可克服垂直安放探头易引发干裂缝及孔洞，从而造成降雨或灌水时水分沿探头下渗的弊端。传感器在洞内放好后，要加入少量细土，压实，灌入少量水，然后再填一些土。同时应注意用细砂布裹在传感器外，以避免砂粒进入探头内影响测量效果。总之，在传感器埋设时，应请教有关专家，了解作物的有效根系活动范围和土壤土质况，以便选择好埋设传感器的位置、深度和数量，保证测量结果的可信性8。4.24.2单片机的选择单片机的选择4.2.1单片机的发展概况及其选择随着电子技术、微电子技术的飞速发展，微型计算机发展很快，单片机作为计算机的一个独特的分支，它是在一块芯片上集成了多种功能部件所构成的一台完整的、具有一定功能的单片微型计算机。根据本课题的特点，这里选ATMEL公司89系列的标准型单片机AT89C51184.2.289C51单片机性能与应用AT89C51是一种低功耗、高性能的8位单片机，片内带有一个4K字节的Flash可编程可擦除只读存储器(EPROM)，它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器(NURAM)技术，而且其输出引脚和指令系统都与MCS-51兼容。片内的Flash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器来编程。因此AT89C51是一种功能强、灵活性高且价格合理的单片机，它可方便地应用在各种控制领域。19AT89C51的主要性能有20:与MCS-51微控制器产品兼容；4KB可改编程序Flash存储器；(可经受1，000次的写入擦除周期)全静态工作：0HZ-24MHZ；沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文）16三级存储器保密；128X8字节内部RAM；32条可编程I0线；2个16位定时器计数器；6个中断源；可编程串行通道；片内时钟振荡器；空闲状态维持低功耗和掉电状态保存片内以RAM中的内容。4.2.3引脚功能图4.3是AT89C51的引脚结构图，这个是40线双列直插封装(DIP)方式，下面分别叙述这些引脚的功能。图4.3AT89C51单片机引脚图主电源引脚Vcc电源端，GND接地端；外接晶体引脚XTAL1和XTAL2引脚功能XTALI连接外部晶体的一个引脚，在单片机内部，它是构成片内振荡器的反相放大器的输入。当用外部振荡器时该引脚接收振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。XTAL2接外部晶体的另一个引脚，在单片机内部它是振荡器的反相放大器的输出，沈阳建筑大学城市建设学院毕业设计（论文）17采用外部振荡器时，引脚悬挂不连接。控制或与其它电源复用引脚RST，ALEPROG，PSEN和EAVPPRST复位输入端，当振荡器运行时，在该引脚上出现两个机器周期的高电平将使单片机复位。ALEPROG访问外部存储器时，ALE(地址锁存允许)的输出用于锁存地址的低位字节，正常工作时ALE以振荡频率16的固定速率输出，并可为外部电路提供时序与时钟信号，