节水灌溉自动控制系统设计

I摘要水是生命的源泉，水是维系社会进步、生态环境和人类文明的基础因素，而我国水资源严重匮乏，农业节约水灌溉技术仍未得到很好的普及利用。我们必须进一步提高认识，抓紧完善节水灌溉的规划设计，大力推进节水灌溉技术的研究、生产和应用，以更好地服务“三农”推进社会的现代化进程。本文就此问题研究了单片机控制的节水灌溉系统，该系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、适量的节水灌溉。本文在设计中采用了微灌的节水灌溉工作模式。系统可以根据土壤湿度要求自动控制电磁阀开关，进行灌溉，还可以根据上位机指令进行灌溉。系统设计上选用AT89S52单片机为控制器，选用FDS100湿度传感器检测土壤水分湿度。土壤湿度传感器检测出的土壤湿度信号经信号调理电路转换为电流信号传送到AT89S52，单片机将土壤湿度信号转换成数字量，根据用户设定的土壤湿度要求驱动电磁阀进行灌溉。本系统可以检测10路土壤湿度信息，可以控制10路水阀的开关。土壤湿度信息由8位LED显示器就地显示。系统设有CAN总线接口电路可以与上位机通信。本系统功能较为全面，使用方便，能够满足农业生产的基本要求，对于提高农作物产量、节约劳动力成本有重要的作用，对我国农业生产自动化有积极地意义。关键字节水灌溉；湿度传感器；土壤湿度；电磁阀IIABSTRACTWATERISTHESOURCEOFLIFE,ANDITISTHEBASICFACTORSTOMAINTAINTHESOCIALPROGRESS,THEECOLOGICALENVIRONMENTANDHUMANCIVILIZATION,BUTSHORTAGEOFWATERRESOURCEOFCHINAANDAGRICULTURALWATERSAVINGIRRIGATIONTECHNOLOGYHASNTBEENWIDELYUSEDWELLWEMUSTPROMOTETHEUNDERSTANDINGFURTHER,ANDHURRYTOIMPROVETHEPLANNINGANDDESIGNOFWATERSAVINGIRRIGATION,WORKHARDONPROMOTINGTHESTUDYOFWATERSAVINGIRRIGATIONTECHNOLOGYANDITSPRODUCTIONANDAPPLICATIONTOBETTERSERVETHETHREERURALADVANCINGTHEPROCESSOFMODERNIZATIONOFSOCIETYTHISARTICLESTUDIESTHEPROBLEMOFWATERSAVINGIRRIGATIONSYSTEMCONTROLLEDBYSINGLECHIPMICROCOMPUTER,THESYSTEMCANBEOFDIFFERENTSOILMOISTUREMONITORING,ANDINACCORDANCEWITHTHEREQUIREMENTSOFTHECROPSONSOILMOISTUREOFWATERSAVINGIRRIGATIONTIMELY,APPROPRIATETHISARTICLEADOPTSTHEWATERSAVINGIRRIGATIONSPRINKLERIRRIGATIONINDESIGNMODETHESYSTEMCANAUTOMATICALLYCONTROLTHEELECTROMAGNETICVALVESWITCH,ACCORDINGTOTHESOILMOISTUREREQUIREMENTSFORIRRIGATION,ALSOCANBEUSEDINIRRIGATIONACCORDINGTOCOMPUTERINSTRUCTIONTHEDESIGNOFSYSTEMUSINGAT89S52MCUASCONTROLLERANDUSINGFDS100HUMIDITYSENSORTODETECTSOILMOISTUREANDHUMIDITYSOILMOISTURESOILMOISTURESENSORSIGNALDETECTEDBYSIGNALCONDITIONINGCIRCUITCONVERTSTHECURRENTSIGNALISTRANSMITTEDTOTHEAT89S52,THESOILHUMIDITYSIGNALISCONVERTEDINTODIGITALQUANTITY,IRRIGATIONBASEDONSOILMOISTURESETBYTHEUSERREQUIREMENTDRIVINGSOLENOIDVALVETHISSYSTEMCANDETECT10OFSOILMOISTUREINFORMATION,SWITCHCANCONTROL10ROADWATERVALVETHESOILMOISTUREINFORMATIONFROM8LEDDISPLAYDISPLAYSYSTEMWITHCANBUSINTERFACECIRCUITCANCOMMUNICATEWITHTHEPCTHEFUNCTIONOFSYSTEMISMORECOMPREHENSIVE,EASYTOUSEANDITCANMEETSTHEBASICREQUIREMENTSOFAGRICULTURALPRODUCTION,TOINCREASETHEYIELDOFCROPS,SAVINGLABORCOSTSHAVEANIMPORTANTROLEANDITHASPOSITIVESIGNIFICANCEFORAGRICULTURALPRODUCTIONAUTOMATIONINCHINAKEYWORDSWATERSAVINGIRRIGATIONHUMIDITYSENSORSOILMOISTUREELECTROMAGNETICVALVEIII目录第1章绪论111研究背景1111节水农业概述1112农业高效节水的必要性112节水灌溉技术发展概况2121国外节水灌溉自动化发展状况3122国内节水灌溉自动化发展状况413课题研究目的和意义514课题研究内容6第2章系统总体设计方案821灌溉系统概述822微灌技术823系统总体方案924数字PID算法10241数字PID控制器及其算法10242PID调节器在湿度控制系统中的应用1125主要器件选取11251控制器选取11252土壤湿度传感器选取12253模数转换芯片选取13254显示方案14255定时时钟芯片选取14第3章硬件电路设计1631单片机最小系统设计1632数据存储电路设计1733实时时钟电路1834A/D转换电路1935CH451驱动键盘显示电路2136I/O扩展电路2337信号调理电路24IV38输出控制电路25310电源电路26311通信电路设计27第4章软件设计3041程序语言3042主程序流程图3043数据滤波程序设计3244显示模块软件设计3445数据处理模块3546矩阵键盘扫描流程图3647DS1302工作流程图37第5章结论39参考文献40致谢41附录42附录50附录521第1章绪论11研究背景到2030年，我国人口将达到16亿，需要粮食7亿吨左右，为保证粮食与其他农产品的供给，灌溉面积必须达到6000万吨左右，否则指标难从实现。然而，我国是缺水国家，尤其北方广大地区水资源供给已严重不足，在未来30年内，随着人口的增加，农业供水只能维持在目前的4000亿M水平上，唯一的出路只能是节水灌溉，提高水的利用率，把灌溉水利用率从目前的045左右提高到065。111节水农业概述节水农业是提高用水有效性的农业，也就是充分利用降水和可利用的地表、地下水资源，采用水利和农业措施，提高水分利用率和水的利用效率的农业。农业节水措施主要包括以下几方面的内容（1）运用分子生物技术进行节水。利用基因转化、基因重组、植物再生技术和细胞工程技术进行农作物品种的定向改良，提高其耐旱和抗旱能力。（2）精细农业节水技术。喷、微灌技术是当今世界上节水效果最明显的技术，利用智能型的田问检测设备及田间喷、微灌设备，根据作物生长环境和收获产量实际分布的空间差异机理和环境胁迫作用与产量形成的定量关系，对作物灌区进行精确灌溉，达到节水的目的。（3）信息节水技术。“3S”技术与信息高速公路相结合，在灌溉中采用智能决策系统，采用适时适量的灌溉预报技术，加强作物灌溉的管理技术，增强宏观节水。（4）化学节水技术。研制土壤保水剂、制蒸腾剂和土壤改良利等。（5）高分子材料在大型管道及大型渠道上的应用。研制新型防渗抗老化材料及相应的施工工艺及技术，减少水分在传输途中的渗透损失。112农业高效节水的必要性在我国，由于独特的地理环境及气候，降雨时空分布不均，农业生产对水的依赖性很强，有水才能做到稳产高产。目前，我国灌溉用水量的比例在经历明显的下降过程后，呈稳定态势，但从长远看，随着工业，城市，生活，生态用水的不断增加，由于新增加水资源的开发潜力越来越小，开发代价越来越大，因此乃将有一部分灌溉用水转为其他行业用水。目前，农业用水占全国总有2用水量的70，由于受工程配套状况和管理水平所限，灌溉用水效率仅有水资源短缺的主要对策之一。如何通过各种节水措施，有效地提高灌溉水资源的使用效率是发展农业节水的根本任务。近年来，随着人口增加，经济发展和城市化水平的提高，水资源供需矛盾日益尖锐，农业干旱缺水与水资源短缺已成为我国经济和社会发展的重要制约因素，而且加剧了生态环境的恶化。按现状用水量统计，全国中等干早缺水358亿M，其中农业灌溉缺水300亿M。20世纪90年代以来，我国农业年均受旱面积大2000H万以上，全国600多个城市中有一半以上发生水危机，北方河流断流的问题日益突出，缺水已从北方蔓延到南方的许多地区。由于地表水资源不足导致地下水超采，全国区域性地下水降落漏斗面积已达82K。目前，我国农业用水比重已从1980年的88下降到目前的70左右，今后还会继续下降，农业干旱缺水的局面不可逆转。我国农业灌溉用水量大，灌溉效率底下和用水浪费的问题普遍存在。目前全国灌溉水利用率约为43，单方水粮食生产率只有10KG左右，大大低于发达国家灌溉水利用率7080，单方水浪费生产率20KG以上的水平。通过采用现代节水灌溉技术改造传统灌溉农业，实现适时量的“精细灌溉”，真有重要的现实意义和深远的历史意义。12节水灌溉技术发展概况节水灌溉技术是比传统的灌溉技术明显节约用水和高效用水的灌水方法，措施和制度等的总称。灌溉用水从水源到田间，到被作物吸收、形成产量，主要包括水资源调配、输配水、田间灌水和作物吸收等四个环节。在各个环节采取相应的节水措施，组成一个完整的节水灌溉技术体系，包括水资源优化调配技术、节水灌溉工程技术、农艺及生物节水技术和节水管理技术。节水灌溉技术体系主要包括以下几个方面（1）灌溉水资源优化调配技术。主要包括地表水与地下水联合调度技术、灌溉回归水利用技术、多水源综合利用技术、雨洪利用技术。（2）节水灌溉工程技术。主要包括渠道防渗技术、管道输水技术、喷灌技术、微灌技术、改进地面灌溉技术、水稻节水灌溉技术及抗旱点浇技术。直接目的是减少输配水过程的跑漏损失和田间灌水过程的深层渗漏损失，提高灌溉效率。（3）农艺及生物节水技术。包括耕作保墒技术、覆盖保墒技术、优选抗旱品种、土壤保水剂及作物蒸腾调控技术。（4）节水灌溉管理技术。包括灌溉用水管理自动信息系统、输配水3自动量测及监控技术，土壤墒情自动监测技术、节水灌溉制度等。121国外节水灌溉自动化发展状况发达国家节水灌溉技术的基本特点是高技术、高投入和管理现代化，高效益则是维系节水灌溉能否持续发展的基础。自20世纪60年代“红火”以来，喷灌技术一直被作为机械化大面积解决灌溉问题的最主要技术。随着这项技术在生产中的广泛应用和各类喷灌机在技术、经济、适应性等多方面的考核，目前世界上已趋于将软管卷盘式自动喷灌机、平移式自动喷灌机及人工移管式喷灌机作为受欢迎的三大类机型大面积推广。近年来喷灌技术又在喷洒农药、降低能耗、施水方式等多用途利用方面取得了很大突破。如美国林赛公司在平移式喷灌机上对喷头装置和喷洒方式进行了改进，水量损失大大减少，水的利用率可提高到09以上。法国等国在提高软管卷盘式的能量利用率上作了不少工作，使驱动旋转和过流损失减少了很多，很大程度上改善了这种机型耗能较多的“先天不足”弊病。在综合利用机型上，英国、美国等国将平移式喷灌机作为田间的综合作业机械，将所有的作物种植环节以此一机包办，其不仅可完成作物的所有老观念种植环节的耕、耙、播、收等，还可以完成其它许多新作业项目。20世纪80年代发展起来的微灌技术，近10余年来有了很大的进步，随着设施农业的发展，微灌技术和设备更是如虎添翼，已趋于完善的地步。微灌技术的发展最有典型性的应首推以色列，除了大田作物很少应用外，他们几乎将微灌技术应用到有作物的各处，包括林园、阳台、花园，甚至于室内装饰植物。近几年微灌设备有很大突破，80年代仅灌水器滴头、微喷头等有100余种，现在逐步淘汰，形式变少，品种系列化。滴灌多采用滴灌带。微喷头多采用旋转与折射相结合的形式，使出水孔口相对变大不易堵塞；射程相对增加使喷灌强度变小，均匀度提高；水滴直径绝大多数为细小水滴而不是雾状使能耗大大减少。世界各国如美国、日本、印度、前苏联、巴基斯坦、伊朗、加拿大等，由于渠道渗漏损失的水量很大，均非常重视并积极开展渠道防渗工程研究和建设工作。这些国家渠道防渗工程建设发展快、技术水平高、节水效果显著。如美国把渠道防渗作为水利工程挖潜措施之一，早在1946年就开始研究，到1990年美国共建防渗渠道9656KM。目前已形成统一的设计和施工技术标准，施工机械化程度高，工程质量好。防渗材料多采用混凝土，约1/3采用压实土防渗，塑膜等新型材料目前正在发展推广中。日本也十分重视渠道防渗，现有干、支渠道4已经全部防渗，田间渠道也基本防渗，它们大量使用工厂化生产的钢筋混凝土预制构件，现场施工以机械施工为主，渠道防渗工程标准高、质量好。近10余年来，世界上兴起了研究新型地下灌溉热潮，地下灌溉不仅在机理上、技术上、经济上而且在生态环境保护上、水资源保护上都被认为是最有发展前途的节水灌溉技术。这种技术主要用在草地、果园、棉田、小麦、玉米、蔬菜、花卉等作物上。地下灌溉在意大利、美国、德国、法国、日本、俄罗斯及我国等研究较多，发展较快，面积在稳定增加。122国内节水灌溉自动化发展状况截止到2005年底，全国灌溉面积达到928亿亩，有效灌溉面积848亿亩，非耕地上灌溉面积080亿亩。节水灌溉工程面积为320亿亩，其中耕地上节水灌溉工程面积295亿亩；非耕地上约为025亿亩，主要为林果草节水灌溉。在耕地上节水灌溉工程面积中，渠道防渗14454万亩，低压管灌9933万亩，喷灌4184万亩，微灌932万亩。目前，全国有效灌溉面积上节水灌溉工程面积比例为348，全国灌溉水利用率约为45。根据水利部最近编制的全国节水灌溉规划，为高效利用我国的水资源，保障国家粮食安全、促进经济社会持续健康发展，“十一五”期间需发展耕地节水灌溉工程面积15亿亩、牧草节水灌溉面积350万亩、林果节水灌溉面积550万亩、节水措施面积2亿亩。到2020年，发展耕地节水灌溉工程面积47亿亩、牧草节水灌溉面积1300万亩、林果节水灌溉面积1700万亩、节水措施面积15亿亩。近几年来围绕大中型灌区节水改造项目、农业综合开发水利骨干项目、国家级节水示范市、国家和省级节水增效重点县、国家节水增效示范项目建设等，建成了400多个不同规模的以节水灌溉技术为支撑的农业科技示范园，这些科技示范园初步形成了从输水到灌水、从工程到管理、从微观到宏观的立体化、多样化、系统化农业节水格局。目前我国推广的节水灌溉技术有渠道防渗、管道输水、喷灌、滴灌、膜上灌、膜下灌等多种形式，不同的地区宜采用的节水灌溉技术也不同，大、中型灌区适宜推广渠道防渗技术，井灌区和小型灌区宜推广低压管道灌溉技术，经济条件好的地方提倡采用喷灌技术，在果园、菜园及其他经济作物种植区适合发展微、滴灌，西北干旱地区应推广雨水集流、水窖滴灌技术，南方水稻产区则应推广水稻节水灌溉技术，各地要根据其经济发展水平，合理确定技术方案。结合水利产权制度的改革，对建立适合市场经济要求和农村特点的“多元化”运行管理机制作了尝试。其中节水灌溉工程产权制度改革和对灌区建设自主管理灌排区的探索都取得了成功经验。在井灌区推广应用射频卡控制灌溉，有力地促进了管理水平的提高。5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，并由微机对其施行控制。而在我国，虽然有多家研制灌溉控制器但多数是小规模、实验和理论的探讨，面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。13课题研究目的和意义现代灌溉控制器是进行灌慨系统田间管理的有效手段和工具。发达国家已开发和制造了多种用途广泛、功能很强的灌概控制器，广泛应用于农业、林业、园艺以及体育场、高尔夫球场和庭院等。它不仅能大大减少劳动量，更重要的是能定时、定量、高效地自动给作物补充水分，达到提高产量、质量，节水、节能的目的。在我国，喷灌、微灌等新型灌概技术在田间和果园的推广应用中己取得良好的经济效益和社会效益，但现代灌溉控制器的研制使用尚属空白，因此研制一种符合我国国惰的国产化微电脑全自动灌溉控制器具有十分重要的意义。水不光是农业命脉，也是整个国民经济开展和公民生计的命脉。合理运用水资源、节省水资源已经成为可继续开展的必定选择。随着人口密度的添加、人为地表植被的损坏和气候的影响，我县境内地表水呈现严峻缺少，小河流域流量急剧削减，大有些地表溪水终年断流无水，特别自上世纪80年代以来，因为工业迅速开展，农业灌溉程度进步，人口数量添加和日子用水量进步，致使对地下水的挖掘量逐年添加，低下水位大幅度下降。久而久之会形成灌溉用水缺少、日子用水缺少、工业用水缺少等疑问，制约可继续开展进程。实施节水灌溉，有利于节省水资源，然后减轻地下水的挖掘压力。传统农业灌溉首要选用漫灌的方法，浪费了很多水资源，且农业生产中很多运用化肥，形成了污染，将对土质和农作物发生晦气的影响。选用节水灌溉方法，将大大削减化肥在土壤中的残留，将水和废料直接送往植物根部，不光减轻污染，也有利于作物成长。粮食的增产往往是通过灌溉面积的增加来实现的。目前，全国13亿HM的耕地面积中，水田、水浇地占05亿H，不足40，而生产的粮食却占全国粮食总产量的80。我国能以占世界7的耕地养活占世界22的人口，正是因为我们拥有占世界22的灌溉面积。“九五”计划曾提出的到20世纪末增加400亿500亿KG粮食的生产能力，即是以大幅度增加灌溉面积作为惟一选择。然而，灌溉面积的增加已受到水资源总量和用水结构变化的双重制约。6从总量上讲，中国是水资源短缺的国家，人均占有水资源量仅相当于世界人均1/4，而且南多北少、东多西少，占国土面积60以上的北方地区水资源拥有量不足全国总量的20。国际上一般公认的人均水资源最低需求量标准为1000M，我国有10个省（市、区）低于这个标准。专家估计，目前我国缺水总量为400亿600亿M，每年受旱面积02亿03亿H，影响粮食产量75亿100亿KG。用水结构的调整和农业用水下降，已对粮食生产构成了直接威胁。随着经济的发展，工业、城镇、农业用水矛盾日益尖锐。在这一矛盾斗争中，农业用水逐渐被工业和城镇用水挤占。全国80的水库，近十年来都不同程度地调整了供水的范围，不断地转向工业和城市据专家统计，我国农业用水量从80年代的年用水3912亿M，下降到1993年的3850亿M，减少了62亿M。而同期工业用却从每年523亿M，增加到1400亿M，增加了17倍。农业用从占总量的85下降到72，今后还将继续下降，农业用水总量不但不可能增加，还可能减少。因此发展农业的根本出路在于节水。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。14课题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。设计的是一种能预置多种灌溉模式喷灌、滴灌、波涌灌等，并具有采用预编定时程序的开环控制和根据土壤水分信息决定灌溉指标的闭环控制2种工作方式的现代灌溉控制器，利用一台控制器即可完成数十公顷土地的耀概管理。以单片机为核心的节水灌溉控制系统。该系统可以按照预定的时间进行定时灌溉控制，也可以根据检测到的土壤水分进行闭环控制。能够控制多路灌溉系统进行多种方式灌溉，适应于不同季节、不同作物，以满足不同的控制要求。具有以下功能（1）10通道土壤水分检测，可控制10路电磁阀输出，并易根据需要扩展输入、输出通道。7（2）能实现由土壤水分信息决定灌溉的闭环控制。（3）具有实时时钟，能预编多套多回路定时灌概程序，实现开环控制。（4）可灵活选择定时周期，置入各通道的定时灌慨时间，设置按土壤水分决定灌溉的指标。（5）可显示土壤湿度值，在灌溉期间以倒计时的方式显示灌水剩余时间。（6）可存储多套灌溉程序。技术指标为土壤湿度范围0100；检测精度38第2章系统总体设计方案21灌溉系统概述节水灌溉自动控制系统是一种针对大田灌溉水分供给的智能控制系统。整套系统的研制工作主要包括灌溉回路的设计和安装、传感器的选择和应用、智能控制器设计执行机构的选择和安装、灌溉控制系统的软件编程、灌溉量控制模型的实现等。该系统主要是通过上下位机对喷灌工程的主要设备进行监测、控制以及对各种信息进行处理。控制系统采用上下位机形式，上位机与下位机之间通过CAN总线相连，一个下位机负责一片区域，系统可以根据实际需要增减下位机的数目。水源为河水时，含泥沙及其它各种杂质，故灌溉水进入灌溉系统之前先需沉淀，为此设置一个蓄水池。当需要进行灌溉时，水泵从蓄水池灌溉干管注入水形成灌溉液。此时，为了防止水中未沉淀杂质进入灌溉系统，需在灌溉主管上设置过滤器。为便于观察系统是否正常工作，还需在管路上接压力表和流量计。另外由于过滤器用久之后，会发生堵塞，造成管网压力下降，也需对其工作状况进行观察。可将两只压力表分别接于过滤器的两端，当两者读数相差较大时，即说明过滤器堵塞严重，需要清洗。为尽量实现均匀灌水，灌溉系统的管路采用对称布置。分流点在管路长度方向上呈对称布置。整块大田分若干个区，每区一个或若干个喷头，负责这个区域的灌溉。各区轮流灌溉，灌溉干管进入大田后，在每一灌溉区与支管相连，连接处设置分电磁阀，由控制系统决定其通断。系统的执行机构主要有三相异步电机以及相应的电压控制器、电磁阀等，电机用于驱动离心泵将灌溉用水注入管道。电磁阀控制相应区域灌溉与否。22微灌技术微灌是按照作物需求，通过管道系统与安装在末级管道上的灌水器，将水和作物生长所需的养分以较小的流量，均匀、准确地直接输送到作物根部附近土壤的一种灌水方法。与传统的全面积湿润的地面灌和喷灌相比，微灌只以较小的流量湿润作物根区附近的部分土壤，因此，又称为局部灌溉技术。微灌可以非常方便的将水施灌到每一株植物附近的土壤，经常维持较低的9水应力满足作物生长要求。微灌还具有以下诸多优点1、省水微灌按作物需水要求适时适量地灌水，仅湿润根区附近的土壤，因而显著减少了灌溉水损失。2、省工微灌是管网供水，操作方便，劳动效率高，而且便于自动控制，因而可明显节省劳力；同时微灌是局部灌溉，大部分地表保持干燥，减少了杂草的生长，也就减少了用于除草的劳力和除草剂费用；肥料和药剂可通过微灌系统与灌溉水一起直接施到根系附近的土壤中，不需人工作业。3、节能微灌灌水器的工作压力一般为50150KPA,比喷灌低得多,又因微灌比地面灌省水,对提水灌溉来说意味着减少了能耗。4、灌水均匀微灌系统能够做到有效地控制每个灌水器的出水流量,因而灌水均匀度高,一般可达85以上。5、增产微灌能适时适量地向作物根区供水供肥,为作物根系活动层土壤创造良好的水、热、气、养分环境，因而可实现高产稳产，提高产品质量。6、对土壤和地形的适应性强微灌采用压力管道将水输送到每棵作物的根部附近，可以在任何复杂的地形条件下有效工作，但是微灌系统投资一般要远高于地面灌；灌水器出口很小，易被水中的矿物质或有机物质堵塞，如果使用维护不当，会使整个系统无法正常工作，甚至报废。23系统总体方案根据实际情况及系统技术要求，拟采用AT89S52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。本系统主要完成对土壤水分的采集以及控制，并进行节水灌溉。不同的时间，不同的农作物对土壤的湿度要求是不同的，建立土壤湿度与时间的关系曲线，将该设定值曲线存入单片机。通过湿度传感器从10个土壤内采集模拟信号，经A/D信号处理电路后将数字信号传入单片机，并与设定值比较，当湿度不符合条件时，单片机将输出05V的模拟电压，以高低电平来驱动10个电磁阀的正反转，对应模拟信号的大小进而控制电磁阀的开启的时间，最终实现对农作物进行节水灌溉。人机接口部分，采用十二个按键，执行设定灌溉时间、查看该灌溉时间倒计时和选择通道，并同时采用LED液晶作为显示部分。灌溉时间的设定采用具有实时时钟芯片的DS1302。存储单元采用24C16，与单片机连接，存储湿度检测量和设定值并通过CAN总线进行数据传输。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21所示。1010TDTETDETEKPTU图21单片机控制系统结构图24数字PID算法241数字PID控制器及其算法在整个控制系统中，控制规律及算法是一个关键问题，它直接影响到系统的性能指标，控制效果。控制算法决定着控制规律，而控制规律是反映计算机控制系统性能的核心。本文针对实验室环境的湿度自动控制的需求，研究并设计一种带死区的增量式PID控制算法。在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是PID控制。PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值RT与实际输出值CT构成控制偏差E0RCCC21将偏差的比例P、积分I和微D通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID控制器。其控制规律为22式中KP比例系数；T1积分时间常数；TD微分时间常数；简单说来，PID控制器各校正环节的作用如下比例环节及时成比例地单片机土壤湿度检测电路A/D转换电路电源电路存储电路键盘电路电磁阀1功率放大电磁阀10功率放大LED显示电路CAN总线接口电路11KE反映控制系统的偏差信号偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数，越大，积分作用越弱，反之则越强。微分环节能反映偏差信号的变化趋势F变化速率1，并能在该偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。在计算机控制系统中，使用的是数字PID控制器，数字PID控制算法通常又分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。242PID调节器在湿度控制系统中的应用本系统采用增量式PID控制算法控制湿度，为了消除电磁阀控制动作的过于频繁而引起的系统振荡，使控制过程更加平稳，人为的设置了一个死区，即带死区的PID控制。只有湿度实际值不在死区范围内时，才按PID算式计算湿度控制量。0|EK|E0|（23）EK|EK|E0|死区E0是个可调参数，其具体数值可根据现场实验得到。若E0过小，则输出过于频繁，达不到稳定被控对象的目的；若E0过大，系统将产生较大的滞后。该控制器实际上是一个非线性系统，即当|E（K）|E0|时，控制器无输出；当|E（K）|E0|时，控制器有输出。在传统控制中，通常采用模拟量来控制被控对象，这样硬件较复杂且成本较高。而采用脉冲宽度调制PWM方法取代模拟量控制，采用双向晶闸管构成输出控制电路即可实现系统控制。数字脉宽调节常用的方法是脉冲周期不变，脉冲宽度可调，通过改变脉冲的宽度，就能达到改变占空比的目的，从而实现功率控制。25主要器件选取251控制器选取自单片机出现至今，单片机技术已走过了近20年的发展路程。纵观20年来单片机发展历程可以看出，单片机技术的发展以微处理器MPU技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域拉动，表现出较微处理器更具个性的发展趋势。12单片机长寿命这里所说的长寿命，一方面指用单片机开发的产品可以稳定可靠地工作十年、二十年，另一方面是指与微处理器相比的长寿命。随着半导体技术的飞速发展，MPU更新换代的速度越来越快，以386、486、586为代表的MPU，很短的时间内就被淘汰出局，而传统的单片机如68HC05、8051等年龄已有15岁，产量仍是上升的。这一方面是由于其对相应应用领域的适应性，另一方面是由于以该类CPU为核心，集成以更多I/O功能模块的新单片机系列层出不穷。可以预见，一些成功上市的相对年轻的CPU核心，也会随着I/O功能模块的不断丰富，有着相当长的生存周期。新的CPU类型的加盟，使单片机队伍不断壮大，给用户带来了更多的选择余地。8位、16位、32位单片机共同发展这是当前单片机技术发展的另一动向。长期以来，单片机技术的发展是以8位机为主的。随着移动通讯、网络技术、多媒体技术等高科技产品进入家庭，32位单片机应用得到了长足发展。以MOTOROLA68K为CPU的32位单片机97年的销售量达8千万枚。过去认为由于8位单片机功能越来越强，32位机越来越便宜，使16位单片机生存空间有限，而16位单片机的发展无论从品种和产量方面，近年来都有较大幅度的增长。单片机具有集成度高，功能强，可靠性高，体积小，功耗低，使用方便，价格低廉等特点，在各个领域得到了广泛的应用和发展，目前已渗透到人们工作和生活的各个角落，几乎无处不在。单片机最早是以嵌入式微控制器EMBEDDEDMICROCONTROLLER的面貌出现的。在嵌入式系统中，它是应用最多的核心器件。在计算机主导工业生产并且日益走进家庭生活的今天，从家用电器、工业控制、医疗仪器到军事应用，到处都有单片机的存在。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AT89S52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。为降低成本、小体积和满足控制功能，主控制器选用技术成熟、性价比高的AT89S52单片机。AT89S52内置在线可擦除编程8KBFLASH，不需要扩展存储器；具有32个可编程I/O口；而且采用了ISP在线编程，提高了调试效率，减少了传统烧写器烧写芯片时对芯片造成的损耗。这足以满足系统实现其功能13，故无霈对程序存储器进行扩展。252土壤湿度传感器选取目前国内外测定土壤水分的方法有多种，最常用的方法是使用土钻法亦称烘干法，即钻取一定量的土，用烘箱烘干后再称其纯干土的重量，即可计算出土壤含水量。间接测量土壤含水量可以用石膏电阻块法、负压法和中子仪法等。土壤湿度传感器广泛应用于节水农业灌溉、温室大棚、花卉蔬菜、草地牧场、土壤速测、植物培养、科学试验等场领域。土壤水分的缺乏对作物生长有着最直接的影响，在适宜的湿度环境下，作物长势良好，所以土壤湿度传感器的选用就要满足可以使湿度控制在一定的范围内，并能够快速、准确地测定农田土壤水分，以便适时作出灌溉、施肥决策和排水措施等。FDS100湿度传感器，其特点有体积小巧化设计，携带方便，安装、操作及维护简单；结构设计合理，不绣钢探针保证使用寿命；外部以环氧树脂纯胶体封装，密封性好，可直接埋入土壤中使用，且不受腐蚀；土质影响较小，应用地区广泛；测量精度高，性能可靠，确保正常工作；响应速度快，数据传输效率高。在满足技术要求的同时，尽量降低成本，因此选用型号为FDS100湿度传感器。技术参数1、测量参数土壤容积含水率2、单位M3/M33、量程01004、探针长度53CM5、探针直径3MM6、测量精度37、工作温度范围40858、工作电压512V9、输出信号01875VDC10、响应时间1秒11、测量区域以中央探针为中心，围绕中央探针的直径为7CM、高为7CM的圆柱体14253模数转换芯片选取本设计需要10路模拟转换，如果选用ADC0809，则需要用10个A/D转换器。而TLC2543是TI公司的12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。由于是串行输入结构，能够节省51系列单片机I/O资源，且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。故选用TLC2543作A/D转换。TLC2543的特点（1）12位分辩率A/D转换器；（2）在工作温度范围内10S转换时间；（3）11个模拟输入通道；（4）3路内置自测试方式；（5）采样率为66KBPS；（6）线性误差1LSBMAX；（7）有转换结束输出EOC；（8）具有单、双极性输出；（9）可编程的MSB或LSB前导；（10）可编程输出数据长度。工作原理将片选端CS置低电平，然后用软件时钟脉冲并加到CLK端，在时钟脉冲作用下，TLC2543一方面从DOUT端口输出上次转换结果，同时从DIN端口输入下一次的操作指令。当从高到低的顺序输出12位转换结果的工作模式时，操作指令的低4位为0，高4位为通道号。254显示方案方案一采用LCD液晶显示屏进行显示液晶显示具有线路简单，耗电少，寿命长等优点，但其先天缺点太明显，如可视角度小，响应时间慢，亮度低，成本亦高。方案二采用LED数码管进行显示LED显示屏（LEDPANEL）LED就是LIGHTEMITTINGDIODE，发光二极管的英文缩写，简称LED。它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式，其大概的样子就是由很多个通常是红色的小灯组成，靠灯的亮灭来显示字符。用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。LED显示屏可以显示变化的数字、文字、图形图像；不仅可15以用于室内环境还可以用于室外环境，具有投影仪、电视墙、液晶显示屏无法比拟的优点。LED之所以受到广泛重视而得到迅速发展，是与它本身所具有的优点分不开的。这些优点概括起来是亮度高、工作电压低、功耗小、小型化、寿命长、耐冲击和性能稳定。LED的发展前景极为广阔，目前正朝着更高亮度、更高耐气候性、更高的发光密度、更高的发光均匀性，可靠性、全色化方向发展。综上所述，此次设计选用8位LED显示器就地显示。其中4位LED显示器就地显示土壤湿度的湿度值显示，另外4位通过程序控制，交替显示灌水剩余时间与灌溉模式的选择。255定时时钟芯片选取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。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。DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为25V55V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个318的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增加了主电源/后背电源双电源引脚，同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。DS1302可以用于数据记录，特别是对某些具有特殊意义的数据点的记录，能实现数据与出现该数据的时间同时记录。这种记录对长时间的连续测控系统结果的分析及对异常数据出现的原因的查找具有重要意义。传统的数据记录方式是隔时采样或定时采样，没有具体的时间记录，因此，只能记录数据而无法准确记录其出现的时间；若采用单片机计时，一方面需要采用计数器，占用硬件资源，另一方面需要设置中断、查询等，同样耗费单片机的资源，而且，某些测控系统可能不允许。但时钟芯片DS1302，则能很好地解决这个问题。16123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE10MAY2013SHEETOFFILEI。PROTEL99SE1DDBDRAWNBY1K22UFVCCVCCVSSRESET22PF22PF12MHZX1X2EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10AT89S52VCC4020VSSVCCVSSX1X2RESETALERDWRP00P01P02P03P04P05P06P07P10P11P12P13P14P15P16P17P20P21P22P23P24P25P26INT0INT1T0T1EARXDTXDPSEN第3章硬件电路设计31单片机最小系统设计单片机最小系统，或者称为最小应用系统，是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对51系列单片机来说，最小系统一般应该包括单片机、晶振电路、复位电路。单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。无论是在单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位。该电路在最简单的复位电路下增加了手动复位按键。增加手动复位按键是为了避免死机时无法可靠复位。最小系统电路图，如图31所示。图31单片机最小系统电路图复位电路由电容串联电阻构成，由图并结合“电容电压不能突变”的性质，可以知道，当系统一上电，RST脚将会出现高电平，并且，这个高电平持续的时间由电路的RC值来决定。典型的52单片机当RST脚的高电平持续两个机器周期以上就将复位，所以，适当组合RC的取值就可以保证可靠的复位。一般推荐C取22UF，R取1K。当然也有其他取法的，原则就是要让RC组合可以在RST脚上产生不少于2个机周期的高电平。当振荡器复位时，要保持RST脚两个机器周期17的高电平时间。AT89S52引脚XTAL1和XTAL2与晶体振荡器及电容。按图31方式连接。晶振、电容及片内与非门（作为反馈、放大元件）构成了电容三点式振荡器，振荡信号频率与晶振频率及电容的容量有关。根据实际情况，本设计中采用12MHZ做为系统的外部晶振。电容取值为22PF。EA/VPP接高电平时，单片机在复位后从内部ROM的0000H开始执行当接低电平时，复位后直接从外部ROM的0000H开始执行。32数据存储电路设计24C16是一个16位串行CMOSEPROM，内部含有2K个8位字节。CATALYST公司的先进CMOS技术实质上减少了器件的功耗，24C16有一个16字节页写缓冲器，该器件通过IC总线接口进行操作有一个专门的写保护功能。24C16支持IC总线数据传送协议IC总线协议规定，任何将数据传送到总线的器件作为发送器任何从总线接收数据的器件为接收器数据传送是由产生串行时钟和所有起始停止信号的主器件控制的主器件和从器件都可以作为发送器或接收器但由主器件控制传送数据发送或接收的模式通过器件地址输入端A0、A1和A2可以实现将最多8个24C01和24C02器件4个24C04器件，2个24C08器件和1个24C16器件连接到总线上。24C16特性1与400KHZIC总线兼容218到60V工作电压范围3低功耗CMOS技术4写保护功能当WP为高电平时进入写保护状态5页写缓冲器6自定时擦写周期71,000,000编程/擦除周期8可保存数据100年98脚DIPSOIC或TSSOP封装9温度范围商业级工业级和汽车级SCL串行时钟。24C16串行时钟输入管脚用于产生器件所有数据发送或接18收的时钟这是一个输入管脚。SDA串行数据/地址。24C16双向串行数据/地址管脚用于器件所有数据的发送或接收SDA是一个开漏输出管脚可与其它开漏输出或集电极开路输出进行线或WIREOR。WP写保护。如果WP管脚连接到VCC，所有的内容都被写保护。当WP管脚连接到VSS或悬，空允许器件进行正常的读/写操作。A0、A1、A2器件地址输入端。这些输入脚用于多个器件级联时设置器件地址，当这些脚悬空时默认值为0。当使用24C16时最多只可连接1个器件所有地址管脚A0、A1、A2都未用管脚可以连接到VSS或悬空。起始信号时钟线保持高电平期间数据线电平从高到低的跳变作为IC总线的起始信号；停止信号时钟线保持高电平期间数据线电平从低到高的跳变作为IC总线的停止信号。根据设计所需选择24C16芯片进行数据的存储，记录灌溉时间土壤湿度值等一些数据。实际电路连接如图32所示。图32数据存储器扩展电路33实时时钟电路现在流行的串行时钟电路很多，如DS1302、DS1307、PCF8485等。这些电路的接口简单、价格低廉、使用方便，被广泛地采用。本文介绍的实时时钟电路DS1302是DALLAS公司的一种具有涓细电流充电能力的电路，主要特点是采用串行数据传输，可为掉电保护电源提供可编程的充电功能，并且可以关闭充电功能。采用普通32768KHZ晶振。DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路，它可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，具有闰年补偿功能，工作电压为25V55V。采用三线接口与CPU进行同步通信，并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。DS1302内部有一个318的用于临时性存放数据的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升级产品，与DS1202兼容，但增123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE7MAY2013SHEETOFFILECDOCUMENTSANDSETTINGSADMINISTRATOR。PROTEL99SE1DDBDRAWNBYA1A2A0VSSVCCWPSCLSDA24C16VCCP10P1119加了主电源/后备电源双电源引脚，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。DS1302的引脚排列，其中VCC1为后备电源，VCC2为主电源。在主电源关闭的情况下，也能保持时钟的连续运行。DS1302由VCC1或VCC2两者中的较大者供电。当VCC2大于VCC102V时，VCC2给DS1302供电。当VCC2小于VCC1时，DS1302由VCC1供电。X1和X2是振荡源，外接32768KHZ晶振。DS1302每次进行读写操作都必须首先将CE置高电平，接着向DS1302写入1字节的命令码，随后才能写入数据字节或读取数据字节。每个字节从低位到高位分8次进行串行读写。在串行时钟SCLK的上升沿，DS1302从I/O段口读入1位数据，8个串行时钟脉冲就可以读入1字节的数据。在串行时钟SCLK的下降沿，DS1302向I/O端口输出1位数据，8个串行时钟脉冲就可以输出1字节的数据。读写结束