基于单片机的定时喷水控制系统控制电路设计.docx

V基于单片机的定时喷水控制系统控制电路设计摘 要本系统由主要由四大部分组成：数据输入部分，数据显示部分，数据输出部分，数据处理部分。数据输入部分的功能是把要采集的数据转化成数字信号传入数据处理部分。数据显示部分的功能是把采集的数据显示出来。数据输出部分的功能是控制电磁阀来进行外部温湿度的调节。数据处理部分的功能是把采集进来的数据进行分析，输出要输出的信号控制数据的输出。本系统的功能是采集温湿度并显示，从而控制电磁阀的输出，进而控制外面的温湿度使得外面的温湿度适合植物的生长。关键词：单片机，自动灌溉，温湿度，LEDMicrocontroller-based Control Circuit Design for Timed Sprinkler Control SystemABSTRACTThis system mainly consists of four parts: data input, data display, data output, data processing. The data input portion of the function is to collect data into digital signal into the data processing section. Data display function is to collect data display. Data output portion of the function is to control the electromagnetic valve to external temperature and humidity regulator. The data processing part of the function is to collect in the data analysis, the output to output signals to control the output of the data.The function of this system is the collection of temperature and humidity and display, so as to control the electromagnetic valve to control the output, the outside temperature and humidity makes the outside temperature and humidity suitable for the growth of plants.KEY WORDS: Microcontroller, Automatic irrigation, Temperature and humidity目 录摘要IABSTRACTII1 引言31.1 课题研究背景31.2 国内外研究现状31.3 发展趋势31.4本论文的主要研究内容及章节安排32 智能灌溉系统的设计和功能介绍32.1智能灌溉系统的原理32.2系统测控原理错误！未定义书签。2.3智能灌溉系统的设计错误！未定义书签。2.4智能灌溉系统的功能设计33方案论证及比较错误！未定义书签。3.1单片机的选择33.2传感器的选择33.3显示器的选择34 智能灌溉系统的硬件设计34.1系统硬件的组成部分34.2主控制器34.3地表温湿度传感器34.4电磁阀34.5LED数码管35系统的设计与实现35.1控制输出电路的设计35.2电磁阀控制电路35.3 报警电路设计35.4显示模块35.5电源电路设计35.6温湿度采集电路设计35.7硬件的抗干扰设计36系统的软件设计及调试37展望3致 谢3参考文献335基于单片机的定时喷水控制系统控制电路设计1 引言1.1 课题研究背景 21 世纪水资源正在变成一种宝贵的稀缺资源，水资源问题己不仅仅是资源问题，更成为关系到国家经济、社会可持续发展和长治久安的重大战略问题。基于此种情况采用节水、节能的智能灌溉方法已成为全世界灌溉技术发展的总趋势，推广使用智能化节水灌溉也已成为世界各国为缓解水资源危机和实现农业现代化的必然选择(张磊，2009) 。 我国是全球人均占有水资源贫乏的国家之一，虽然总体水量较多，但人均明显不足，而且各条河流污染严重，许多土地都处于缺水少水的状态。随着全球性环境的恶化和水资源的短缺，与人类生存密切相关的干旱问题显得日益突出。同时，我国农业耕种面积较大，工业发展对水资源存在着巨大需求，致使我国很多地区和城市都出现了不同程度的缺水现象，给人们的日常生活带来众多不便，同样这也严重制约着我国经济的发展与社会的进步。 在这样水资源严重短缺的情形下，目前我国大部分地区还仍然停留在人工监测旱情，决定灌溉与否仅凭个人经验，这样就会造成更严重水资源浪费。近年来，随着现代农业的发展，农业经营模式正在向大型化、集约化方向发展。这样就为推广全面、统一、大型、智能化灌溉系统提供了必要条件。现在已经实现大面积种植的就是果园农业，因此我们设计和实现了一套针对大型果园的智能化检测和灌溉系统。 AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。 结合以上的条件和因素本课题提出了利用单片机、温湿度传感器、零压启动电磁阀，进行大范围多点数据采集，通过温湿度传感器数据终端，把数据信息传送到单片机。用户可通过液晶显示屏浏览采集到的数据信息。1.2 国内外研究现状 随着现代电子工业不断进步，使得微电子技术与机电一体化、计算机信息技术和自动控制、航空航天等高新技术在不断的应用于智能灌溉领域，给高效果园智能节水的溉技术插上了腾飞的翅膀，使精确灌溉技术逐渐成为现代灌溉农业的主体。果园智能节水灌溉在世界各国的农业中已经占据了重要地位，尤其是近几年连年出现的大旱天气，使得实施智能节水灌溉任务变得重之又重，但是由于技术设备的研制开发是一项长期艰巨、复杂的任务，因此更尖端、更高效设备需要好几代人的努力（李晓东，2007 ）。国外智能节水灌溉发展时间长，电子技术水平较高，人工成本高，所以与智能节水灌溉相配套的自动控制系统也较完善和先进。中国在这方面与他们相比就远远落后了，在中国由于起步时间比较晚、人工成本低使得大型智能灌溉系统得不到很好的推广，因此制约了这方面的发展，现有的智能灌溉系统大多是依赖于国外进口(朱德兰，2001)。 美国，早在 1984 年 Benami 和 Offen 开发了一套节水灌溉控制器，通过监测土壤水分来确定是否打开灌水阀门。Phene(1973) 、Phena 和 Howell(1954) ，Phena(1989)分别在灌溉系统的控制中使用了土壤湿度传感器，通过土壤湿度传感器把土壤湿度信息反馈给控制系统，再根据传感器获得的数据决定是否灌溉，使作物根部总能保持一定的湿度。他们所设计的控制系统经运行表明，控制系统运行参数的好坏主要取决于四个因素系统的硬件设计、控制系统所采用的算法、土壤湿度传感器的可靠性、螺旋形电磁阀和压力调节装置以及流量计、过滤器等设备的性能。鉴于当时传感器技术的发展现状和当时技术水平此套系统没有达到预期效果，因而也没有大范围的推广。随着技术的不断发展，许多专业做灌溉系统的公司逐渐兴起，最具代表性的是美国的雨鸟、亨特，这两个公司生产的产品已经走在了世界的最前沿，以雨鸟 ESP-4M 系统为例，主要性能包括：可升级性，模块控制器基本型为 4 站，通过增加每单元 3 战的模块，可简单将控制器扩展为7、10、13 站控制器，实现了大面积的智能化节水灌溉（章军富，2010 ）。 据美国自来水协会统计，通过安装智能灌溉系统，美国人每年能够节省大约 8520亿升水，这些水每年都因过度浇溉而被浪费，而智能灌溉系统可以帮助人们为植物提供合适数量的水（丁宝莹，2004 ）。但是现阶段美国还有 4,500 万个仅是安有简易计时器的灌溉系统，它们在时间控制上还可以，但精准度不高。Spain 称，城市灌溉系统占城市用水的 58%，这些被浪费的水资源每年生产 54.4 万吨温室气体。 以色列是世界上微灌技术发展最具有代表性的国家，目前他们全国农业土地基本上实现了灌溉管理的智能化和自动化，并且普遍推行自动控制系统，按时、按量将水、肥等直接送入作物根部，水资源利用率相当高。在以色列，已经出现了在家里利用电脑对灌溉过程进行全程控制的灌溉系统，可以远程设定灌溉间隔时间，操作方便。由于引进先进的传感器技术，因此对灌溉过程的控制可达到相当高的精度。现在他们也正在着力解决把空间信息技术、计算机技术和网络技术等高新技术应用到大型灌溉系统中（许一飞，1998）。 加拿大、澳大利亚和韩国等国家和地区也都有开发成功并形成系列的灌溉控制器产品，其中比较有代表性的是澳大利亚公司的灌溉控制器，已形成了多个系列，几十种型号的产品。其中系列成本较低，是一种小型化自动灌溉控制器，主要是面对家庭庭院和小面积的商业绿化场地的灌溉。该系统采用分布式结构，可与上位机双向通信，用微机对其进行编程操作和对其子控制器进行控制，并能用微机随时监控灌溉系统的工作状况。 微灌技术研究在我国的起步并不算太晚，我国微灌技术的试验研究是从1974年引进墨西哥滴灌设备开始的。先后经历了(19741980年)引进消化吸收，设备研制和应用试验与试点阶段；(19811986年)设备产品改进和应用试验研究与扩大试点推广阶段；(1987年至今)直接引进国外的先进工艺技术，高起点开发研制微灌设备产品阶段。在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上，结合我国的国情，本着经济实用，易于安装和便于推广的精神，在全国水利、农业、轻工、农机等主要部门和科研院所、高等院校、微灌企业及个地有关部门的密切合作和共同努力之下，微灌技术的开发、设备研制生产和科学试验等方面都取得了丰硕成果，微灌技术逐渐走向成熟。目前，我国生产温室微灌设备的主要企业已有30多家。微灌技术的总体水平己从80年代的初级阶段发展和提高到中级阶段。其中采用引进技术和生产线制造出的微灌设备产品性能己达到90年代初期与中期的国际水平，大大缩短了与国外微灌设备产品的差距，初步形成了具有中国特色的微灌技术和设备产品。在微灌自动化控制方面，我国也己进行了初步的研究，己研制和开发的以计算机为核心的自动监控系统装置己在温室微灌试验工程中得到应用，且初见自动化管理之成效。但是由于我国的微灌技术研究处于初级阶段，近些年来自行研制、开发和生产的微灌设备产品无论在质量、性能等各方面与先进国家相比，差距较大；在微灌工程首部设备组装配套和自动控制方面同发达国家相比存在更大差距。如微灌设备系统的成套性差，配套水平低；主要部件品种规格少，质量不稳定，没有系列化；关键设备的可靠性、稳定性、耐久性差；自动化及综合功能程度不高，基本还是手动操作，以至于综合效益不高。 国内在开发灌溉自动控制系统方面现在还仅处于研制试用阶段，能实际投入应用且应用较广的灌溉控制器还不多见。从上世纪七十年代引进墨西哥滴灌设备开始，在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上，结合我国的国情，本着经济实用，易于安装和便于推广的精神，在全国水利、农业、轻工、农机等主要部门和科研院所、高等院校、灌溉企业及各地有关部门的密切合作和共同努力之下，灌溉技术的开发、设备研制生产和科学试验等方面都取得了一定的成果（李铁男，2000 ）。 在国内开发能在实际推广应用的产品中最具代表性的是中国农业机械化研究院联合多家单位研制的智能型温室自动灌溉施肥系统。该系统是在国家“九五”科技攻关项目中自主研发的科技产品，该系统结合我国温室的环境和实际使用特点，以积木分布式系统结构原理，解决了计算机实时闭环控制、动态监测、控制显示中文、施肥泵混合比可调、电磁阀开度可调等关键技术问题。 2007 年郑重等人提出一种基于GSM 技术和FSK 技术的农田水分检测与决策支持系统，通过 FSK调制技术来实现不同采集单元间的分布式数据通讯，该系统可以将采集到的数据通过 GSM 网络传到 PC 监控器，并通过水分传感器测得土壤中水分含量并将测得的结果以 SIM 卡短信形式发送至用户手机，为农田的信息化管理提供技术支持。该系统能够实现农田水分实时检测、数据的无线远程传输（郑重，2007 ）。 2008 年靳广超等人应用 ZigBee 技术实现土壤墒情检测系统，该系统可以实时的监测土壤中的温度和湿度，为喷S灌和滴灌提供可靠的信息，适合土壤墒情检测的需要（靳广超，2008 ）。 1.3 发展趋势 随着现代高科技的发展，各种智能家电、数码产品走进人们的生活，网络已经成为人们现代生活中人际交往和获取知识的一个不可或缺的平台。鉴于现在高科技的发展，未来自动浇灌控制系统的发展也有望朝这些方面发展。1、智能化 随着传感技术、计算机技术和自动控制技术的不断发展，温室计算机环境控制系统的应用将由简单的以数据采集处理和监测，逐步转向以知识处理和应用为主。因此软件系统的研制开发将不断深入完善，其中以专家系统为主的智能管理系统已取得了不少研究成果，而且应用前景非常广阔。2、网络化 目前，网络技术己成为最有活力，发展最快的高科技领域。网络通信技术的发展促进了信息传播。设施的产业化程度的提高成为可能。3、综合环境调控 所谓综合环境调节，就是以实现花卉的正常生长为目标，把影响花卉生长的多种环境参数(如光照、温度、湿度等)都保持在适宜花卉生长的状态，并尽可能使用最少量的环境调节装置(采光、遮光、通风、保温、加温、施用C02等)。 智能及无人操作将是未来的各种行业的发展趋势，不仅能大量节省人们的宝贵时间还能更好的控制各种成分的细微比例做到人们自己动手所不能做到的效果。4、 高移植性 稍微修改一些系统的参数及设备即可应用于别的环境下，省时省力，节省大量资金及研发成本。 在不久的将来，不仅能实现对办公室花卉的控制而且可以实现路边及所有公共场所花草树木的自动灌溉，而且可以加入远程控制，可视频控制，更大限度的节省人力物力，这将是世界浇灌系统的一个发展趋势。1.4 本论文的主要研究内容及章节安排 通过研究植物正常生长的各种参数，根据是否需要水和光照而自动浇灌，很好地控制植物生长的温度及湿度。考虑干扰的消除措施，有效地避免干扰的产生，系统的器件需要采用高性能低价原件，降低开发成本低，而且能够满足大多数用户的需求： (1)本系统将对温室环境中土壤湿度、温度因子的调控进行自动化控制，以期达到最佳的控制效果。(2)系统硬件设计，完成硬件原理图。硬件将通过调研对比分析，选用高性价比元件，采用一些成熟电路设计，达到提高系统的稳定性、可靠性与精度，降低成本，提高市场竟争力的目标。(3)程序设计流程与程序清单。软件设计将采用C语言设计，提高系统的修改、调试与升级（增加控制因子)的能力。(4)、 通过系统仿真，检验系统硬件与软件设计的合理性，能否达到预期的功能。第一章介绍了智能灌溉系统的发展状况。第二章介绍了智能灌溉系统的原理和内容。第三章介绍了智能灌溉系统的一些元器件的选择。第四章介绍了智能灌溉系统的主要元器件。第五章介绍了智能灌溉系统的子系统的一些电路实现。第六章介绍了系统的软件设计和调试结果。第七章介绍了对于本次毕业设计的展望。2 智能灌溉系统的设计和功能介绍 2.1智能灌溉系统的原理 所谓的自动化控制灌溉即利用田间布设的相关设备采集或监测土壤信息、田间信息和作物生长信息，并将监测数据传到首部控制中心，在相应系统软件分析决策下，对终端发出相应灌溉管理指令。自动化控制系统的工作原理为:通过土壤、气象、作物等类传感器及监测设备将土壤、作物、气象状况等监测数据通过墒情信息采集站，传到计算机中央控制系统，中央控制系统中的各类软件将汇集的数值进行分析，比如将含水量与灌溉饱和点和补偿点比较后确定是否应该灌溉或停止灌水，然后将开启或关闭阀门的信号通过中央控制系统传输到阀门控制系统，再由阀门控制系统实施某轮灌区的阀门开启或关闭，以此来实现农业的自动化控制。与国际水平相比，我国的农业传感器生产水平相对落后，而土壤水分传感器生产水平已达到了国际同类水平。在控制技术方面，有诸如开环、闭环反馈控制，模糊控制，自适应控制，神经网络控制等现代控制技术。模糊控制技术当前应用最广泛，一般用于有上、下位机的单片机控制系统。本系统采用传统的闭环控制技术，系统控制原理逻辑框图见图2-1所示：图2-1 闭环控制逻辑原理框图现在农业智能化灌溉正逐步成为解决频繁出现的干旱问题关键技术，在本系统中我们采用的滴灌控制、信息反馈、控制与一体的自动化。该系统包括以下几个子系统：控制子系统，其中主要包括了电磁阀等相关电路。数据采集子系统，其中包括AM2301等相关电路。分析子系统，其中包括AT89S51单片机等相关电路。显示子系统，其中包括LED等相关电路。2.2智能灌溉控制系统的功能设计 现实生活中很多植物温度、湿度要保持在一个既定的值上，超出或者低于这个预定值将对植物的生长产生影响。该系统要求用单片机测控来实现花卉生长环境因子信息数据的实时采集、处理，而后输出控制执行机构，以实现环境湿度、温度的测控，达到节水节能，省时省工的效果。具体功能如下:1）、实现按需灌溉功能。按照花卉的需求开启和关闭灌溉系统，实现一般的控制。具有结构简单，成本低，操作方便。2）、通过传感器检测花卉生长的环境温度、土壤湿度和光照强度，依据设定的植物要求的温度、湿度和光照强度的上下限值，由单片机来控制开关电磁阀，从而调节湿度。3）、室内环境中土壤湿度是重要因子，要求当土壤含水量过低己不能满足植物最低需求时，就打开电磁阀进行灌溉，当湿度满足要求是关闭电磁阀。2.21单片机的选择电子技术飞速发展，使得计算机不断更新换代。其中单片机更是一枝独秀，广泛应用于各个领域，使其自动化程度大提高。 单片机具有体积小，价格低廉，功能强大，稳定可靠，运算速度快，功耗低，扩展容易，抗干扰能力强，系列齐全，使用方便灵活等优点，广泛应用于工业过程控制、自动监测、智能仪器仪表、家用电器等领域。单片机成为当今世界上销售量最大、应用面最广、价格最便宜的微型计算机产品。目前世界上最具实力的单片机开发公司有:美国的Intel，ATMEL，荷兰的PhilipS，德国的SiemenS等。其中Intel公司一直处于领先地位，主要有MCS-48、MCS-51和MCS-96三大系列，其中MCS-51系列是 1980年推出的高档8位单片机，代表着单片机的发展方向，成为单片机领域中的主流产品。ATMEL公司的89系列Flash单片机Intel80C51/52作为内核，并采用可重复编程FlashROM技术，是一种源于8051而又优于8051的单片机，己成为广大MCS-51用户进行电子设计与开发的优选单片机品种。下面我用at89c52和at89s51做一个比较：方案一：采用at89c52作为系统的控制器。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 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位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。主要功能特性a、兼容MCS51指令系统 b、8k可反复擦写(大于1000次）Flash ROM； c、32个双向I/O口； d、256x8bit内部RAM； e、3个16位可编程定时/计数器中断； f、时钟频率0-24MHz； g、2个串行中断，可编程UART串行通道； h、2个外部中断源，共8个中断源； i、2个读写中断口线，3级加密位； j、低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能； k、有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式，以适应不同产品的需求。方案二：采用at89s51单片机作为系统的控制器AT89S51单片机简介AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。功能特性： a.兼容MCS-51指令系统 b.32个双向I/O口 c.2个16位可编程定时/计数器 d.全双工UART串行中断口线 e.2个外部中断源 f.中断唤醒省电模式 g.看门狗（WDT）电路 h.灵活的ISP字节和分页编程 i.4k可反复擦写(1000次）ISP Flash ROM j.4.5-5.5V工作电压 k.时钟频率0-33MHz l.128x8bit内部RAM m.低功耗空闲和省电模式 n.3级加密位 o.软件设置空闲和省电功能 p.双数据寄存器指针 综合考虑，本次设计选用市场上比较普遍的单片机AT89S51来实现系统设计，其内部带有4KB的程序存储器，128字节的数据存储器，足以满足系统要求。并且他们的引脚相同，at89s51单片机的成本更低廉，对于我们来说也比较熟悉。2.22传感器的选择传感器技术和计算机技术及通信机技术构成了信息技术，成为信息时代的三大支柱。后两者发展迅速，唯有传感器技术发展滞后。传感器技术是衡量一个国家科技发展水平的重要标志。 依照中华人民共和国国家标准(GB/T7665-1987传感器通用术语)的规定，传感器的定义为：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置”，通常由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件“指传感器中能直接感受(或响应)被测量的部分”，此处的被测量一般为非电量；转换元件是“指传感器中能将敏感元件感受(或响应)的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分”。 传感器在我国的设施农业中发挥着重要的作用，主要用于环境参数的获取，根据检测对象分为空气环境和土壤环境。前者包括温度、湿度、二氧化碳、光照度等；后者包括土壤温度、土壤含水量、土壤PH值。方案一：选用温度采集模块和湿度采集模块。温度采集温度的采集采用的DS18B20温度传感器，通过温度传感器来检测空气的温度来判断当前的天气状况，以此温度作为参考是否灌溉的一个标准。DS18B20温度传感器有超小的体积，超低的硬件开消，抗干扰能力强，精度高，附加功能强等优点，而且全数字温度转换及输出，最高12位分辨率，精度可达土0.5摄氏度。检测温度范围为55C +125C (67F +257F)，完全适用于本产品的开发与要求。 湿度采集湿度采集采用的是AM1001湿度传感器，可以实时检测土壤中的湿度，土壤过湿或者过干，通过湿度传感器检测的土壤湿度来判断植物是否缺水。湿度传感器AM1001具有低功耗，小体积、带温度补偿、单片机校准线性输出、使用方便、成本低、完全互换、超长的信号传输距离、精确校准等优点。采集外界的模拟信号，传给单片机处理。第二种方案：将温度和湿度合成一个模块来处理。采用AM2301来对土壤中的温湿度进行采集。AM2301 湿敏电容数字温湿度模块是一款含有己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。传感器包括一个电容式感湿元件和一个高精度测温元件，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单片机中，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。标准单总线接口，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，使其成为温湿度测量的最佳选择。2.23显示器的选择方案一：选择led七位数码管显示 LED数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的 2个8数码管字样了。它有原理简单，容易理解和操作的特点，对于一些简单的显示系统是非常理想的器件。方案二：选择液晶显示屏液晶显示器，即LCD，为英文Liquid Crystal Display的缩写，是一种现在非常普遍的数字显示技术，广泛应用于微型计算机系统中。与传统的阴极射线管（CRT）相比，LCD具有占用空间小、低功耗、低辐射、无闪烁、降低视觉疲劳、重量轻、易于携带等优点。LCD的原理与CRT大不相同。LCD是基于液晶电光效应的显示器件,是一种借助外界光线照射液晶材料而实现显示的被动显示器件。可以通过液晶和彩色过滤器过滤光源，利用液晶的物理特性，在通电时导通，使液晶排列变得有秩序，使光线容易通过；不通电时，排列则变得混乱，阻止光线通过，让液晶如闸门般地阻隔或让光线穿透，在平面面板上产生图象。LCD虽然功能强大，但是操作复杂，并且led在本系统中就足以发挥作用，并且成本低廉，所以在本次设计中选用LED作为显示用。2.3程序开发语言选择本课题的软件设计主要由数据输入子程序，液晶显示子程序，数据处理程序程序及输出程序程序组成。汇编语言程序则具有较高的效率并且容易精确计算程序运行的时间，C语言它既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。C程序设计有利于实现较复杂的算法，根据课题以及实际情况选择C语言。 开发工具我选用Keil uVision3，KeilSoftware公司推出的uVision3是一款可用于多种8051MCU的集成开发环境(IDE)，该IDE同时也是PK51及其它开发套件的一个重要组件。除增加了源代码、功能导航器、模板编辑以及改进的搜索功能外，uVision3还提供了一个配置向导功能，加速了启动代码和配置文件的生成。此外其内置的仿真器可模拟目标MCU，包括指令集、片上外围设备及外部信号等。uVision3提供逻辑分析器，可监控基于MCUI/O引脚和外设状态变化下的程序变量。uVision3提供对多种最新的8051类微处理器的支持，包括AnalogDevices的ADuC83x和ADuC84x，以及Infineon的XC866等。3 系统硬件主要器件选择3.1系统硬件的组成部分这个控制系统的接受网络是由许多网络传感器子节点组成的，每一个子节点包括： 1个地表温湿度传感器，及相关电路。如图3-1所示 图31 系统原理图 系统主控制器采用的是单片机作为主控芯片，供电系统主要是由控压芯片组成。供电，由220v交流电供电的。单片机通过土壤温湿度传感器采集地表的水分和温度数据，并读取自己片内非遗失性数据储存器中的上下限数据，得出控制结果控制电磁阀实施滴灌操作。3.2主控制器 系统中我们选择主控制器芯片的时候需要考虑整个系统的功耗要低，并且有非易失性的程序和数据存储器方便数据的掉电存储，要集成内部基准电压源并采用at89s51单片机。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，AT89S51在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。AT89S51的管脚图如图4-2所示。管脚说明VCC：电源电压输入端。 GND：电源地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 图42 PDIP封装的AT89S51管脚图P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口除了作为普通I/O口，还有第二功能如表4-1所示：表4-1 P3口功能表接口功能P3.0 RXD串行输入口P3.1 TXD串行输出口P3.2 /INT0外部中断0P3.3 /INT1外部中断1P3.4 T0T0定时器的外部计数输入P3.5 T1T1定时器的外部计数输入P3.6 /WR外部数据存储器的写选通P3.7 /RD外部数据存储器的读选通P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 I/O口作为输入口时有两种工作方式，即所谓的读端口与读引脚。读端口时实际上并不从外部读入数据，而是把端口锁存器的内容读入到内部总线，经过某种运算或变换后再写回到端口锁存器。只有读端口时才真正地把外部的数据读入到内部总线。89C51的P0、P1、P2、P3口作为输入时都是准双向口。除了P1口外P0、P2、P3口都还有其他的功能。 RST：复位输入端，高电平有效。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：地址锁存允许/编程脉冲信号端。当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 PSEN：外部程序存储器的选通信号，低电平有效。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 EA/VPP：外部程序存储器访问允许。当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：片内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端。 XTAL2：片内振荡器反相放大器的输出端。3.3地表温湿度传感器 土壤水分是植物吸收水分的主要来源，它是反映当前土壤需水量的重要指标。如果要进行快速精准化灌溉必须需要一种实时、精准的传感器获取当前土壤中的水分数据，并把这些数据信息转化成电压信号供给主控制器。主控制器再通过自身的阀值判断，推断出当前土壤中的水分含量执行相应的操作，并且把数据传送给单片机，同时联系当前的温度，对电磁阀进行控制。 AM2301 湿敏电容数字温湿度模块是一款含有己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。传感器包括一个电容式感湿元件和一个高精度测温元件，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单片机中，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。标准单总线接口，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择。产品为3 引线（单总线接口）连接方便。特殊封装形式可根据用户需求而提供。AM2301的引脚分配图如图4-3所示，AM2301的引脚分配表如表4-2所示 表4-2 AM2301引脚分配引脚颜色名称描述1红色Vdd电源（3.5-5.5v）2黄色Sda串行数据，双向3黑色Gnd地4Nc空脚图4-3 Am2301引脚分配图 AM2301器件采用简化的单总线通信。单总线即只有一根数据线，系统中的数据交换、控制均由数据线完成。设备（微处理器）通过一个漏极开路或三态端口连至该数据线，以允许设备在不发送数据时能够释放总线，而让其它设备使用总线；单总线通常要求外接一个约 5.1k的上拉电阻，这样，当总线闲置时，其状态为高电平。由于它们是主从结构，只有主机呼叫传感器时，传感器才会 应答，因此主机访问传感器都必须严格遵循单总线序列，如果出现序列混乱，传感器将不响应主机。SDA 用于微处理器与 AM2301 之间的通讯和同步,采用单总线数据格式，一次传送40 位数据，高位先出。图4-4 Am2301总线通信协议用户主机（MCU ）发送一次起始信号（把数据总线SDA 拉低至少800s ）后，AM2301 从休眠模式转换到高速模式。待主机开始信号结束后，AM2301 发送响应信号，从数据总线SDA 串行送出40Bit的数据，先发送字节的高位；发送的数据依次为湿度高位、湿度低位、温度高位、温度低位、校验位，发送数据结束触发一次信息采集，采集结束传感器自动转入休眠模式，直到下一次通信来临。主机和传感器之间的通信可通过如下三个步骤完成读取数据。 步骤一 : AM2301 上电后（AM2301 上电后要等待2S 以越过不稳定状态，在此期间读取设备不能发送任何指令），测试环境温湿度数据，并记录数据，此后传感器自动转入休眠状态。AM2301 的SDA 数据线由上拉电阻拉高一直保持高电平，此时 AM2301 的 SDA 引脚处于输入状态，时刻检测外部信号。 步骤二: 微处理器的I/O 设置为输出，同时输出低电平，且低电平保持时间不能小于800us ，典型值是拉低1MS，然后微处理器的I/O 设置为输入状态，释放总线，由于上拉电阻，微处理器的I/O 即AM2301的SDA 数据线也随之变高，等主机释放总线后，AM2301 发送响应信号，即输出80 微秒的低电平作为应答信号，紧接着输出80 微秒的高电平通知外设准备接收数据，信号传输如图4-5所示: 图4-5 单总线分解时序图步骤三: AM2301 发送完响应后，随后由数据总线SDA 连续串行输出40 位数据，微处理器根据I/O 电平 的变化接收40 位数据。 位数据“0”的格式为： 50 微秒的低电平加26-28 微秒的高电平； 位数据“1”的格式为： 50 微秒的低电平加70 微秒的高电平； 位数据“0”、位数据“1”格式信号如图4-6 所示： 图4-6 单总线分解时序图 AM2301 的数据总线SDA 输出40 位数据后，继续输出低电平50 微秒后转为输入状态，由于上拉电阻随之变为高电平。同时AM2301 内部重测环境温湿度数据，并记录数据，测试记录结束，单片机自动进入休眠状态。单片机只有收到主机的起始信号后，才重新唤醒传感器，进入工作状态。AM2301 传感器读单总线的流程图如图 4-7所示图4-7 AM2301 传感器读单总线的流程图 4.4 电磁阀电磁阀是用来控制流体的方向的自动化基础元件，通常用于机械控制和工业阀门上面，对介质方向进行控制。在本系统中是控制灌溉系统的开启和关闭。灌溉系统我们采用的是智能化水塔滴灌系统当水满时离地面的高度为 10 米有较大的压力此时对电磁阀要求并不高，但是当水塔中的水位降低到 1 米左右时，产生的水压就比较小，无法使普通的电磁阀正常工作，再加上降落在在电磁阀上的水压降，这样就会大大降低滴灌系统的工作效率。因此我们需要一种可以在零水压的时候可以进行启动，并且在电磁阀上的水压降也非常小。因此我们采用的是永嘉县英络克泵阀有限公司生产的 ZCW-2 型零压启动电磁阀。 此电磁阀主要用于常温、中温、零压、常压、中压等场合，使用于灌溉控制、暖通空调、自来水厂以及环保水处理等行业。它的结构特点有：零水压既能打开主阀，低压差流量大，适用范围广；采用进口合成橡胶密封材料，寿命长是同类产品的 5 倍以上，采用德国进口 Nass 塑封线圈确保电磁阀的可靠性，防水、防潮，宜适用于长时间通电；阀体采用黄铜和不锈钢热锻成型、体积小、外形美观等特点。在电气连接上它的工作电压为 24V （适合于双块蓄电池供电），工作压力在 01.0Mpa （完全可以满足零水压启动），工作的介质温度最高可以达到 125。 4.5 LED数码管LED数码管实际上是由七个发光管组成8字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a,b,c,d,e,f,g,dp来表示。当数码管特定的段加上电压后，这些特定的段就会发亮，以形成我们眼睛看到的字样了。如：显示一个“2”字，那么应当是a亮b亮g亮e亮d亮f不亮c不亮dp不亮。LED数码管有一般亮和超亮等不同之分，也有0.5寸、1寸等不同的尺寸。小尺寸数码管的显示笔画常用一个发光二极管组成，而大尺寸的数码管由二个或多个发光二极管组成，一般情况下，单个发光二极管的管压降为1.8V左右，电流不超过30mA。发光二极管的阳极连接到一起连接到电源正极的称为共阳数码管，发光二极管的阴极连接到一起连接到电源负极的称为共阴数码管。常用LED数码管显示的数字和字符是0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、A、B、C、D、E、F。图4-8 LED数码管4硬件电路的设计与实现5.1控制输出电路的设计自动控制系统通过传感器对受控对象的有关参数信息数据的实时采集，经过数字化变换进入单片机CPU进行必要的处理，而后输出以驱动执行器件或机构产生相应的动作，直接推动被控对象来调整被测参量，最终目的以使受控参量始终处于要求值或范围内。在单片机完成控制处理后总是以数字信号通过I/O口线或数据总线输出至受控对象的。对受控设备的驱动常采用模拟量或数字量输出驱动两种方式。而在实际的单片机测控系统中，数字量输出控制已越来越广泛地被应用，尤其是其中的开关量输出驱动和控制。目前单片机I/0口线的驱动能力和与CPU直接接口的一般TTL电路或CMOS电路的驱动能力很有限的，不足以驱动那些功率开关(如继电器、电机、电磁开关等)和强电设备、大功率负载，且由于工作现场环境恶劣、输出通道接近控制对象及周围的电磁等干扰严重，所以输出控制电路设计主要是解决输出隔离即干扰防治和功率驱动问题。其逻辑框图见图5-1所示:图5-1输出通道控制示意图本系统的执行器件和机构只有开启和停闭两种状态，采用开关量形态输出控制，经I/0口到受控对象，据输出控制具体情况附加功率放大驱动电路后驱动执行器件直接推动受控对象。单片机与功率放大电路间易产生电磁干扰，因此采用光电耦合器隔离等抗干扰措施。开关量输出电路中最主要的干扰是在控制动力设备启停时的冲击干扰。开关量输出隔离的目的在于隔断单片机与执行机构之间的直接电气联系，以防地电位差、外界电磁场等干扰因素造成执行机构地误动作，甚至导致智能仪器本身的损坏。目前常用的开关量输出驱动隔离器件主要有：功率晶体管、光电耦合器件和继电器等。功率晶体管适合于负载所需电流不太大的场合，常用来驱动微型继电器、LED显示等。光电耦合器件具有输出信号与输入信号在电气上完全隔离，抗干扰能力强，隔离电压可达千伏以上;无触点，寿命长，可靠性高;响应速度快，易与TTL电路配合使用，兼有隔离驱动功能。继电器是利用改变金属触点位置使动触点和