4446基于单片机的温室自动灌溉系统的设计【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】
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1 2 3 4 5 614 C:y:098761098575234323324321329245+1112 3 45 67 89 1016956 湖 南 农 业 大 学 全日制普通本科生毕业设计 基于单片机的温室自动灌溉系统的设计 F N N 生姓名 ： 罗昂莹 学号： 200940614213 年级专业 及班级 ： 2009级机械设计制造及其自动化（ 2）班 指导老师 及职称： 刘旭红 副教授 学 院： 工学院 湖南 长沙 提交日期： 2013 年 5 月 湖南农业大学全日制普通本科生毕业设计 诚 信 声 明 本人 郑重声明：所呈交的本科毕业设计是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业设计作者签名： 年 月 日 目 录 摘要 1 关键词 1 1 前言 2 究意义 2 内外现状 2 2 系统结构设计及器材选型 3 统结构设计 3 件选取 4 处理器选择 4 壤湿度传感器选择 5 晶显示模块选择 6 章小结 6 3 硬件电路设计与实现 6 用软件介绍 6 处理器模块设计 7 述 7 围电路设计 8 处理器复位及调试接口电路设计 9 据采集模块设计 10 源供应模块设计 10 制模块硬件设计 11 机交互模块设计 12 示模块原理图设计 12 键电路设计 12 路板制作 13 制 13 统实物制作 15 章小结 15 4 系统软件设计 15 用软件介绍 15 统需求分析 17 统程序设计 17 统主程序设计 17 感器采集程序设计 18 示程序设计 19 溉模型设计 21 统应用方案设计 23 制方式的选择 23 作方式的选择 23 章小结 24 5 系统应用验证 24 证内容 25 6 总结与展望 25 结 25 望 25 参考文献 26 致谢 27 附录 27 1 湖南农业大学全日制普通本科生 毕业论文（设计）开题报告 学生姓名 罗昂莹 学 号 200940614213 年级专业及班级 2009 级机械设计制造及其自动化 (2)班 指导教师及职称 刘旭红 副教授 学 院 工学院 20 年 月 日 2 毕业论文（设计）题目 基于 单片机 的温室 自动 灌溉系统的设计 文献综述 （选题研究意义、国内外研究现状、主要参考文献等，不少于 1000 字） 一、选题研究的意义 设施农业是结合机械技术、自动控制技术和现代化农业工程， 通过改变植物和动物生长环境，为它们提供生存所需的最适宜环境条件，如湿度、温度、光照、水肥和营养液等，降低动、植物对自然环境的依赖性，从而进行有效的农业生产。设施农业的特点有技术含量高、产量高和效益高等，它是最具活力和生命力的现代新农业。设施农业涉及学科领域很广泛，如：栽培、园艺、自动控制、机械等，它的发达程度是现代化农业水平的重要标志之一。 温室作为现代设施农业中的一个典型代表，同时随着信息化、智能化、网络化技术的快速发展，温室也在大踏步的走上智能化发展的道路。为了实现温室农作物高产，高效和优质的产出，温室 的监控系统就很有必要得到研究与应用，对于目前我国温室监控系统常有 2种形式：有线监控系统和传统的无线监控系统，但是这样的监控系统有诸多的不足 。 有线监控系统和传统无线监控系统，这 2种系统都不利于在我国现代设施农业中推广应用。本课题研究的目的就是针对上述有线形式的不足，提出的无线形式：又针对传统无线的缺点，提出了短距离传输的 者针对传统无线监控系统可扩展性小数据存储量少的不足，又提出结合无线技术和嵌入式技术。中国是水资源和电能短缺的国家，供 水控制技术相对落后，自动化程度偏低。供水系统中主要存在的问题：供水量不足时，管道压力过小，满足不了需求；供水量过大时，管道压力升高，造成水资源浪费，严重时会引起水管爆裂和供水设备故障。为提高供水系统的稳定性、可靠性和节能效果，系统中供水部分采用变频恒压控制技术。经以上几个方面思考，提出一种基于无线嵌入式技术的温室自动灌溉监控系统的设计和研究。 本课题研究意义在于针对温室自动灌溉监控系统，提高供水量的精确性，保证供水的可靠性和连续性，适时适量的给作物提供合理有效的水分补给。综合考虑到短距离无线通讯和长距离无线 通信同时也是物联网通讯网络中的形式，使我们所研究的温室监控系统也属于物联网在农业应用中的一个范畴。近几年来，一些发达国家不断将高新尖技术应用到农业设施上，世界的设施化农业不断向智能化发展，本课题研究的温室自动灌溉监控系统也正符合这样的发展趋势。 二、国内外研究现状 在国外，从二战时期温室的发展就开始了，也就是说温室监控系统也得到了完善和完备的发展，系统的机械化和自动化程度水平都较高，稳定性可靠性也较好，应用范围也很广。荷兰作为温室监控系统的领头羊，还包括美国、日本、以色列、韩国等国家也在不断提高温室监控系统 的机械化和自动化程度和水平。伴随着信息高速路的出现，无线通信技术也被应用于温室监控系统之中。 无线通信技术 (02 15 4 被大量的应用于这些温室监测与控制系统的研究之中，例如： 1，美国加州大学的研究人员设计了对大鸭岛生物环境的监测系统。都意味着智能温室监控技术巨大的发展潜力。 近年来，国内在温室 自动控制与智能化方面也进行了大量有价值的研究，经过几十年的消化吸收和发展，国产温室在国内已经占据了主导地位。 高校研究也层出不穷，如：国家农业信息化工程技术中心，中国农业科学院，中国农 3 业大学，浙江大学，江苏大学等都在进行温室无线监控系统的应用性研究。江苏大学的李萍萍、毛罕平教授等研制开发了温室软硬件控制系统，能对温度、光照、施肥、营养液等进行综合控制，是目前国内国产化温室计算机控制系统较为典型的研究成果 121。浙江大学也在研制基于 于蓝牙技术的数据采 集系统 内公司大都进口国外的设备，这对中国农业发展造成很大的障碍，而且这些进口设备存在系统复杂，操作不便，价格昂贵，体积庞大，移动困难等不足。 三、主要参考文献 1、 黄丹枫，葛体达荷兰温室园艺对上海农业发展的借鉴阴上海交通大学学报 (农业科学版 )， 2008， 26(5)： 35 1 356+362 2、 赵伟基于远程通信技术的温室环境控制系统研究与实现 D中国农业科学院， 2010 3、 冯宾基于 D安徽农业大学， 2010 4、 朱玉堂变频恒压供水系统的 研究开发及应用 D浙江大学， 2005 5、 叶金虎自适应模糊控制技术在变频调速恒压供水系统中的应用研究 D华中农业大学， 2007 6、 王瑞兰基于模糊 D山东大学， 2006 7、 刘金琨先进 M电子工业出版社， 2004 8、 石辛民，郝整清模糊控制及其 M清华大学出版社， 2008 9、 刘大铭，车进恒压供水 J宁夏大学学报 (自然科学版 )， 2008， 29(4)： 4 10、 ； 2010 13 14 010 11、 龙忠伟黑果腺肋花楸全光照喷雾嫩枝扦插育苗技术 J科技创新导报， 2008， (11)：1 12、 及华，张红梅，张海新黑 果腺肋花楸的组织培养和快速繁殖 J植物生理学通讯， 2004， (0 1)： 67 13、 李萍萍，毛罕平，王多辉温室小气候要素的计算机自动控制效果分析 J中国农业气象， 1998， 19(6)： 21 22+40 14、 朱伟兴，毛罕平，李萍萍基于模糊控制的温室加热器的研究叨农业工程学报， 2002，18(03)： 72 15、 P ； 008 8 20 22 2008 16、 蔡型，张思全短距离无线通信技术综述【 J】现代电子技术， 2004， (03)： 65 67+76 4 研究方案 （ 研究目的、内容、方法、预期成果、条件保障等） 一、 研究目的 通过本次毕业设计，我将运用绘图和分析软件解决实际问题。在此基础上，我不但能掌握运用专业软件， 并将自己 所学知识与实际结合起来，进一步提升自己的能力。同时，本次毕业设计还涉及到单片机和电路控制系统的相关知识。这对我巩固所学知识及灵活应用所学知识来解决实际问题具有深远意义。 也能 锻炼我在遇到困难时冷静分析的能力。 二、研究内容、方法、预期成果、条件保障 通过对国内外温室监控系统现状的研究及发展趋势分析可以了解到，国内需要将高新技术融入到温室监控系统之中，提升国内温室监控系统的自动化水平，农业设施的建设水平以及国内整个农业发展水平。论文提出结合短距离无线通信的 距离无线通信的 高效率大存储量多功能的嵌入式技术、稳定可靠和节约能源的变频恒压供水控制技术的基于无线嵌入式技术的温室自动灌溉监控系统的设计和研究。系统由无线恒压控制节点，无线阀门控制节点，无线采集节点，现场控制器和无线路由节点组成。无线恒压控制节点接收控制命令，采用变频恒压控制算法比较设定值与采集值，调节变频器输出，控制水泵转速，恒定管道中压力。变频恒压控制算法中设计采用 其进行 究自适应模糊 其进行 阀门控制节点接收控制命令，控制阀门通断。 无线采集节点采集空气温度，空气湿度，光照强度和土壤水分参数。现场控制器接收现场各节点数据和远程手机短信，根据控制策略发送命令。无线路由节点则是延长通信距离，提高通信质量。 进程计划（各研究环节的时间安排、实施进度、完成程度等） 2012 年 12 月至 2013 年 2 月 收集资料 2013 年 3 月 1 日至 3 月 20 日 总体方案论证、选择，整体结构的初步设计 2013 年 3 月 21 日至 4 月 20 日 整体结构设计，绘制装配图 2013 年 4 月 21 日至 4 月 25 日 绘制零件图 2013 年 4 月 26 日至 5 月 6 日 编写设计计算说 明书 论证小组意见 组长签名： 20 年 月 日 专业委员会意见 专业委员会主任签名： 20 年 月 日 1 基于单片机的温室自动灌溉系统的设计 学 生： 罗昂莹 指导老师： 刘旭红 (湖南农业大学 工学院，长沙 410128) 摘 要 ： 我国设施农业节水灌溉已成为农业工程领域中重点关注的问题之一，由于国内外的自动灌溉系统造价高、使用复杂而难以推广，开发满足当前设施农业生产需求的灌溉控制系统具有重要意义。本文设计系统以 片机为核心，将周期采集的土壤湿度数据传送到微处理器模块，由决策算法对数据进行分析后做出是否灌溉的指令，在灌溉过程中由数据采集模块持续监测土壤湿度，以实现土壤湿度维持在预设范围。系统 采用人机交互模块实现灌溉阈值的可配置，满足不同设施作物种植的参数定制需求，同时提供实时土壤湿度查看和灌溉设备状态管理功能。初步试验表明，系统运行稳定，操作简单，准确性和快速性指标能满足设施农业灌溉要求。系统成本低、可维护性强，从而具有良好的推广应用前景。 关键词 ： 温室自动灌溉；土壤湿度监测；单片机 ； 10128, of in of of at its to to a to is of be to of at is to of to a 前言 世界各国都面临着水资源逐渐匮乏的危机，水资源问题日益受到各国重视。该设计基于对水资源现状及现在农业发展趋势的研究，探讨未来温室农业灌溉用水技术的发展趋势和突破口。 研究意义 我国自古以来就是农业大国，即使是现代社会，我国国民经济的基础仍是农业。但是，我国农业生产效率较低，长期以经验种植为主，农业生产效率相对发达国家较低。温室种植可增加粮食年均成熟次数，增大粮食产量，提高粮食生产效率，因此，大力发展温室种植产业，对我国农业发展具有很大的战略意义。我国目前的温室总面积达世界第一，但温室管理水平相 对落后，主要采用定时系统控制或者手动系统控制方式。通常存在浇水不及时、不均匀、灌水不足量或过量灌水等现象 1。 自动灌溉系统能对作物根系的土壤湿度进行实时监测，取得作物根系的需水量数据，并以此作为灌溉依据。温室自动灌溉可实现土壤湿度和营养成分的有效管理，是保证设施作物优质高产的重要措施。随着精准感知技术、定量控制技术的迅速发展 ,自动控制技术在节水灌溉中有了新的发展，通过灌溉控制器适时、适量地灌水，在节省水、人工和提高作物产量方面取得了一定的成效，可显著提高灌溉精准度，提高水的利用率。 本文设计一种操作简单 、精确灌溉的低成本自动化控制灌溉系统，使之既能保证植物的良好的生长状态，又能做到尽量节水，对温室农业的发展具有重要意义。 国内外现状 在国外，早在 20世纪 50年代，利用电子设备、计算机设备和程序控制的灌排系统就得到很大发展，并在法国、美国、日本等发达国家得到日益广泛的应用。 1966 年美国利用虚拟仪器技术开发了一套 动灌溉系统，系统中的现场处理器由场处理器配置了模拟输入、锁存和继电器板，用户可以监控水箱水位、阀门位置、泵的状态和土壤湿度等，而修改设定 点即可改变灌溉计划。水的用法、水箱水位和降水情况等都是存储在灌溉数据库文件里的数据，用户能够读出这些数据以与当前数据进行比较，以图形方式显示给定月份的土壤湿润度和外加的水，其发展程度已经非常高。相关研究依靠气象数据，通过对比过去灌区的蒸发量及灌水量，结合各分灌区的植物种类分布、地形、土壤成分等数据进行自动分析，并自动制定出当前各项灌溉指标的灌溉系统，存在灌溉依据的间接性，很可能偏离灌溉目标 2。近年来相关研究已经深入到将气象因素、蒸腾量和土壤含水率相结合的综合灌溉3 控制系统。但国外的设备普遍价格昂贵、专业性 较强，不适合普通用户使用。 国内在这方面的研究起步较晚，但也取得一定成就，比如北京农业工程大学研制了以 031 系统单片机为核心的自动化灌溉系统，该系统为多通道土壤水分检测、多路控制灌溉的控制系统 3。张建丰等研发的多功能网络式自动灌溉方法及其装置，实现了定时、定量，根据土壤湿度，预先制定灌溉计划的灌水功能。但总体上，国内灌溉自动化程度不高，相关设备落后，与国外的先进水平还有很大的差距。 国内外专家在这方面已做出了不可否认的成就，但这些自动灌溉系统由于造价高、专业性强而难以推广。本文设计的系 统通过实时监测作物根域的土壤湿度信号，从而对作物进行适时适量按需灌溉，不但可以做到精准灌溉，达到节水的目的，而且操作简单，开发成本低，适于推广。 2 系统结 构设计及器 材选取 该系统使用单片机作为核心，采用模块化的设计方法，主要由数据采集模块、微处理器模块、电源供应模块、控制模块、人机交互模块及相关软件组成。 整个系统的核心是单片机，它控制本系统的各类功能，因此所选择单片机性能的可靠性就显得尤为重要，考虑到要满足功能需求、稳定性、性价比以及开发等因素，选用 单片机。 土壤湿度传感器 是本系统的测量元件，传感器性能的好坏直接影响到本系统性能的好坏。本设计采用的 其技术参数为：工作电压 5 12V，工作电流 15量精度 3%，探针长度 出模拟信号。 在本系统中，采用 为显示单元， 晶显示器具有功耗低、寿命长、无辐射、不易引起视疲劳等优点，正在广泛应用于仪表、家用电器、计算机、医疗仪器及交通和通信领域。 本系统采用 是 128 64 点阵型液晶模块，可显示各种字符及图形，可与 系统结构设计 所谓的 模块化设计，简单的说就是将产品的某些要素组合起来，构成一个具有特定功能的子系统，将这个子系统作为通用性的模块与其他产品要素进行多种组合，构成新的系统，产生多种不同功能或相同功能、不同性能的系列产品。模块化是在传统设计基础上发展起来一种新的设计思想，现已成为一种新的设计思想被广泛采用，尤其是信息时代电子产品不断推陈出新，模块化设计的产品正在不断涌现。模块化设计已被广泛用于机床、电子产品、航空、航天等设计领域 4。模块化设计是绿色设计方法之一，它已经从理念转变为比较成熟的设计方法。 4 本文设计的温室自动灌溉系统 是实现温室作物根系处土壤湿度的自动控制， 采用模块化设计方法， 系统主要由 微处理器模块、数据采集模块、控制模块、电源供应模块以及人机交互模块 组成。整个系统以单片机 (控制核心，系统运行时，首先将数据采集模块采集到的土壤湿度数据传送到微处理器模块上，并将采集到的土壤湿度数据显示在液晶屏上 ,由存储在单片机的决策算法对数据进行分析后做出是否灌溉的指令，与此同时数据采集模块对土壤湿度进行实时监测，将土壤湿度参数信息送入微处理器模块发出是否继续灌水的指令，直到土壤湿度维持在我们预先设定的灌溉阈值停止灌水。另 外系统针对不同农作物及其不同发育期，可预先通过人机交互模块输入相关参数，使得土壤湿度达到我们预期的标准，达到节水和精确灌溉的目的，灵活适用于多种场合。系统示意图如 图 1所示： 2 . 4 A S 420430A / 电池 / 市电 / 太阳能可选 ）光耦21驱动模块灌溉设备水流开关控制模块通用数字I / 100数据采集模块图 1 温室自动灌溉系统示意图 of 器材选取 微处理器选择 微处理器是整个系统的核心，直接关系到系统的整体性能、价位、开发难度等。在选择微处理器芯片时需考虑以下因素： A芯片集成度高低 有些芯片内部集成有 外围设备，外围设备越多，硬件电路越简单，系统功耗也会越小，因此应尽量选择集成度高的芯片。 B开发商开发套件完备程度 5 不同的开发商提供的开发系统不尽相同，开发套件完备程度关系到系统开发的难度，选择芯片时应考虑开发商提供的资料是否满足开发需求。 C价格高低 下面首先对当前几种主流的微处理器芯片加以介绍 ： （ 1） 高性能 8位 8051 微控制器核，是常规 8051理速度的 8倍 ； 2128 8 3接收模式功耗 低于 27射模式低于 25 4休眠模式仅 功 耗，在待机模式时少于 功耗 ； 5集成 可编程的 8路输入 模数转换 （ 2） 116位 2128 5 3两种休眠模式：处理器空闲 深度休眠 4集成有 12位 （ 3） 116理器 ； 296K 4K 对比以上各芯片的性能参数， 有最低的系统功耗，较高的主频速度，较多的外围设备。低功耗对以电池供电的温室设备而言极为重要，超低工作功耗并具有休眠功能的 此方面有着最为出色的表现； 8路 8的内部可编程用方便，可以省去外接 片，集成的 128 编程闪存和 8 统设计时不需考虑外接 壤湿度传感器选择 当前土壤水分传感器基本为模拟型号，数字型的非常少见，下面罗列了几种型号： 1壤水分传感器 ： 测 量范围： 0 100%； 测量精度： 3%； 供电： 5V10V； 输出信号： 0 工作电流： 21 2壤水分传感器 ： 测量范围： 0 100%； 测量精度： 0 50%（ m3/围内为 2%； 供电： 输出信号： 0 工作电流： 60 3土壤水分传感器 ： 测量范围： 0 100%； 测量精度： 0 50%（ m3/ 6 范围内为 2%； 供电： 12V 24V； 输出信号： 4 20准电流环 ； 工作电流： 50 比较以上几种传感器， 感器功耗最低，测量精度虽然稍为逊色，但价格最为便宜，并且应用 多， 陶瓷材料比金属材料更耐锈蚀。 要考虑 材料问题以及 功耗和价格因素，因此本系统采用 传感器用于测量土壤水分含量。 晶显示模块选择 有 16*8 的英文字母显示能力和 8*4 的汉字显示能力。由于 I/O 口有限，为了节省有限的系统资源，故采用 74示数据经 行输入 74再由其并行输入给 符点阵液晶显示模块描述： 1主要工艺： 2显示内容： 128 64点阵 ； 3显示模式： 4驱动条件： 1/64； 5背光： 色 ； 6工作温度： +70 ； 7储存温度： +80 。 本章小结 本章主要是对温室自动灌溉系统的总体设计，以及设备各模块元器件的选用和相关介绍。 3 硬件电路设计与实 现 应用软件介绍 本文使用 004作为绘制底层硬件电路板的工具。 004是司在于 2004 年推出的电路设计软件，是一个 32 位的电子设计系统。它是一套构建在板设计与实现特性基础上的 主要功能包括电路原理图设计、印刷电路板设计、改进型拓扑自动布线、模拟 /数字混合信号仿真、布局前后信号完整性分析、 编程逻辑系统，以及完整的计算机辅助输出和编辑性能等。本文从电路原理图设计开始，最终得到所需的印刷电路板图 5。 下文对 系 统 的各个功能模块 进行了讲述， 绘制原理图是绘制 的前提，只有正确的绘制原理图并形成正确的网络表才能绘制 。系统原理图如图 1所示， 最终绘制成的 路板 在后续章节中将有 展示 。 图是供需实现的关键步骤，能将系统原理设计转换成实际应用生产。 7 D V D D 120D V D D 241D V D D 37D V D D 447D V D D 542P 2 D D S E _ D D 140A V D D 239A V D D 338A V D D 437A V D D 536A V D D 731A V D D 830A V D D 929A V D D 1 028A V D D 635A V D D 1 127A V D D 1 225R F _ R X _ K _ 2433 2 K _ 1443 2 M _ 1213 2 M _ 219B A S I 122B A S I 226A V 1 24R F G _ I 2 4 3 0 6 p 12 7 0 P P C 1 02 7 2 m m 0 0 8 m 32 2 0 T E N N C 3 . 3R 2 11 0 21 0 2C A 0R E S 2 C 3 . 3P 2 S E C 3 . 3O - P U b a c 5+ V i 2 5 9 6C 1 4C A 2R E S 2R 1 1R E S 2 O D E S C H O T T K D U C T O 5C A 0R E S 2 L 5 2 1R 3 0R E S 2V C C 3 . 3P 0 9R E S 2R 3 1R E S 2R 3 2R E S 2R 3 3R E S 2 1H E A D E R 3 X 2 2H E A D E R 3 X 212J P 3H E A D E R 212J P 4H E A D E R 2 S 2 3 45 67 89 10J P 5H E A D E R 5 X 2P 2 S E C 3 . 3 6T P S 7 9 5 3 3 O N E J A C O N E J A C O D E S C H O T T K O D E S C H O T T K 6R E S 2R 1 9R E S 2 T T E R 7R E S 2 S P D 9C A P C 1 6C A 7C A 8C A 0C A 8R E S 2 9S C L 7 4 H C 5 9 5 B 1 C 3 . 3P 1 8C O N 2 0 2R S D +L E D P 3R E S 2R 1 5R E S 2P 1 4R E S 2 C 3 . 3V C C 3 . 3 - P - P - P - P - P - P S 2 S 2 S 2 S 2P 0 S 2 S 2 S 2V C C 3 . 3P 0 0 7H E A D E R 2 S 2 1S P E A K E C 3 . 31 2 3J P 1 0C O N 312345J P 9C O N 5R 2 4R E S 2R 2 3R E S 2R 2 5R E S 221J P 1 1C O N 2P 0 V 5 C 3 . 3P 0 C 3 . 3图 2 系统原理图 of 微处理器模块设计 述 司设计的一款真正的片上系统解决方案，专为 用量身制作，其内部集成有一个高性能的 频收发器和工业级标准的高性能 8051外还有一些其它的强大的功能特性，配合业界领先的 议栈， 供了市场上最具竞争力的 决方案。其关键性能如下： 1性能低功耗的 8051 微控制器内核 ； 2符合 准的 频收发器 ； 3优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性 ； 432/64/128内可编程 8态 中 4在掉电状况下保持数据 ； 5低功耗。接收模式为 27送模式为 25休眠模式时仅 耗，外部的中断或 唤醒系统 ； 在待机模式时少于 部的中断能唤醒系统 ； 6较宽的电压范围（ ； 8 721 个通用 I/O 口，两个具有 20 吸收电流能力 ； 88 路 8可编程 92 个强大的支持几组协议的 10一个 时器，一个通用 16 位定时器和 2 个 8 位定时器；一个看门狗定时器。 围电路设计 基于 用的微处理器模块硬件电路如图 3所示。 微处理器模块主要包括微处理器电路和调试电路。数据发送通过单极天线（ 实现，非平衡变压器及配套元件（ 化了天线性能，使节点间的最远传输距离可达 120米。晶振 振 真器通过 口 过该两端口可对片上闪存编程，访问存储器和寄存器，并可以设置断点、单步操作和修改寄存器。 节省微处理器的 I/ 4存器的输出口与 接作为数据输入，再通过软件模拟 现实时数据的查询与显示。 一颗真正的系统芯片。它能提高性能并满足以 基础的 对低成本，低功耗的要求。它结合一个高性能 接序列扩频）射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的 8051控制器。 设计结合了 8 强大的外围模块， 并且有三种不同的版本，他们是根据不同的闪存空间 32,64和 128优化复杂度与成本的组合。 单个芯片上整合了 存和微控制器。它使用一个 8位 8051），具有 128包含模拟数字转换器、几个定时器 ， 同处理器、看门狗定时器、 32电复位电路、掉电检测电路，以及 21个可编程 I/ 流损耗分别低于 27 25 休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。需要外部 X 开关，其开关已集成在芯片内部。芯片至天线之间电路的构架是由平衡 /非平衡器与少量低价电容与电感所组成。可替代的，一个平衡式天线，如对折式偶极天线也是可以实现上述功能的。集成在内部的频率合成器可去除对环路滤波器和外部被动式压控振荡器的需要。晶片内置的偏压可变电容压控振荡器工作在一倍本地振荡频率范围，另搭配了二分频电路，以提供四相本地振荡信号给上、下变频9 综合混频器使用。 该系统中的 设计电路图如下。 D V D D 120D V D D 241D V D D 37D V D D 447D V D D 542P 2 . 048P 2 . 1 / D . 2 / D . 26P 1 . 35P 1 . 44P 1 . 53P 1 . 62P 1 . 71P 0 . 011P 0 . 112P 0 . 213P 0 . 314P 0 . 415P 0 . 516P 0 . 617P 0 . 718P 1 . 18R E S E _ . 09A V D D 140A V D D 239A V D D 338A V D D 437A V D D 536A V D D 731A V D D 830A V D D 929A V D D 1 028A V D D 635A V D D 1 127A V D D 1 225R F _ R X _ K _ 2433 2 K _ 1443 2 M _ 1213 2 M _ 219B A S I 122B A S I 226A V 1 . 8 G _ I 2 4 3 0 6 p 12 7 0 P P C 1 02 7 2 m m . 0 0 0 . 0 0 0 8 m 32 2 0 T E N N C 3 . 3R 2 11 0 21 0 2C A 0R E S 2 C 3 . 3P 2 . 0P 2 . 1P 2 . 2P 1 . 0P 1 . 1P 1 . 2P 1 . 3P 1 . 4P 1 . 5P 1 . 6P 1 . 7P 0 . 0P 0 . 1P 0 . 2P 0 . 3P 0 . 4P 0 . 5P 0 . 6P 0 . 7R E S E C 3 . 3图 3 微处理器模块硬件电路 of in 处理器复位及调试接口电路设计 1 23 45 67 89 10P?（ 1）复位电路 10 种复位模式：强制复位引脚 低电平、上电复位、看门狗定 时 器复位。如图 4所示为外部复位电路，引脚 10为复位引脚，当按键 低电平脉冲，使系统复位。 （ 2）调试接口电路 合测试行动小组 )是一种国际标准测试协议，主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试。 术是一种嵌入式调试技术，它在芯片内部封装了专门的测试电路 试访问口 )，通过专用的 通过两线接口对芯片进行调试。端口 调试时钟接口， 调试数据接口。通过该两端口可对片上闪存进行编程，可以访问存储器和寄存器 ，并可进行设置断点、单步操作和修改寄存器。当芯片处于非调试模式时，端口 。在 数据采集模块设计 数据采集模块由传感器及其接口电路组成，主要完成作物根系处土壤湿度数据采集，传感器需具备较高的精度及较低的功耗，完成土壤湿度的准确测量。按传感器工作特性设计外围接口电路，通过数据线采集数据、电源线驱动传感器。本系统所采用的土壤水分传感器型号为 技术参数为：工作电压 5 12V，工作电流 15量精度 3%，探针长度 出模拟信号。由于 通道的 814位 以无需外置 A/D 转换器，通过 即可实现信号的传输。另外，本系统采用水流开关来监测灌溉阀门的状态、管路中液体是否流动和流动的量是否达到要求，以此来监测系统运行的可靠性 6。 5 3 传感器通用接口电路 of in 电源供应模块设计 电源供电部分采用 24入的电源适配器供电，电源输入后，经过桥整、电容11 滤波后，分为两路，经过 种电平输入。本系统用到的电压有 24V、 12V、 5V、 统的电源电路如图 3中， 是为板上的元器件和芯片提供合适的工作电源；而 外，它也可以为以 5监测节点上留有土壤湿度传感器的接 口，可用于扩展 )。 +5 系统的电源电路 of of in 控制模块硬件设计 控制模块主要由执行机构及其驱动电路组成。本系统的执行机构采用了中间继电器，它按照微处理器的命令执行相应的操作。而驱动电路是连接微处理器与执行机构的桥梁，在本电路中连接了 中间继电器。功率驱动部分主要由光电耦合器三极管 2关电路构成。光电耦合器 电，主要起隔离作用， 把微处理器的控制信号和执行机构的功率信号隔离开来，提高系统抗干扰性，保护温室自动灌溉系统。 过隔离后把该信号输出至三极管 2极管 2作用是放大从处理器 出的控制信号，把其变成可以驱动执行机构的信号 7控制模块硬件电路如图 3为低电平时，光耦导通，进而使三极管导通把 亮，表示该路控制的强电设备正常工作。 座12 控制模块硬件电路图 of in 2 为了提高精度，本系统在温室中多点采集作物根系的土壤湿度，微处理器接收多点采集的同一时刻的同一环境参数，根据相应的算法进行均值估算，最后根据需要向相应的执行机构下达任务，执行灌溉命令。 人机交互模块设计 加装显示设备，可以更好的实现人机交互，使系统更人性化，本课题采用两种显示方式： 示方式和 示方式。本设计采用 晶显示模块，它是128 64 点阵型液晶模块，可显示各种字符及图形，可与 接接口， 块对外提供了以下几种信号线： 8 位标准数据总线 (读写控制线（ R/W） ,片选信号线 (数据 /指令选择线（ A/O） ,允许信号线（ E） ，还有复位信号线（ / 显示模块原理图设计 根据信号线的逻辑电平 ,选择合适的微处理器 。 为节省微处理器的 I/ 4存器的输出口与液晶屏数据口（ 接作为数据输入，再通过软件模拟时序，实现实时 数据的查询与显示。另外 ,通过调节 脚的偏置电压 ,对 光进行点亮、熄灭控制，即使在环境光亮程度较低的情况下 ,可以清晰的观察 8。液晶显示模块硬件接口电路图如图 3 液晶显示模块硬件接口电路图 of in CD 按键电路设计 用户通过键盘与系统交互，可对系统程序的运行做出某些配置，系统的键盘电路13 如图 9所示。 - P - P - P - P - P - P S 2 S 2 S 2 S 2P 0. 6 S 2 S 2 S 2V C C 3. 3P 0. 5 P 0. 6图 9 系统的键盘电路 of in 中按键 6实现原理为由 后经 D 转换器识别电压值来判断按键值， 接经由端口 生系统中断来判断按键值。端口 有 20 吸收电流能力，因此可用于驱动 做显示之用。 路板制作 绘制 本文将整个系统设计为三个 板、控制板和 板只包括用户常用的电源模块、人机交互模块 ；控制板包括控制模块、数据采集模块和电源模块； 模块主要包括微处理器模块，单独画一块微处理器模块板子主要考虑统调试过程中如果 烧坏，主板和控制板仍可以继续使用，减少了系统开发的费用。 在绘制 要给各个元器件添加自己的封装，有些封装在 是有些元器件的封装需要自己绘制，如 9、 74及单片机 就要求查明芯片手册，弄清楚引脚以及元器 件各部分尺寸，制作好这些封装后添加到库里就可以直接使用 9 14 1、规划电路板 在给原理图添加好封装后就可以绘制 。电路板采用双层，电路板的大小形状尺寸都要考虑进去，考虑到所选盒子的包装，所以版面尺寸设计的比较大。在规划电路板时还要考虑电路板与外界的接口部分，操作是否方便，是否便于测量等等，如适配器插头、电源开关以及温湿度传感器都要要放到板的边缘。同时还要注意单片机的时钟电路尽量靠近单片机。 2、手动布线 自动布线遵循的原则是路线最短，但是如果采用自动布线， 且对于高频电路， 自动布线容易造成高频对信号线的干扰，还有就是如果顶层和底层信号线平行的话，容易产生电容耦合，从而造成信号干扰。所以此次设计采用手动布线，对于简单的电路部分可以部分自动布线。 3、覆铜和补泪滴 在完成所有布线并检查无误后就可以进行覆铜，增强板子的抗干扰能力，考虑到大多数厂子制版条件，本设计采用网格法覆铜。补泪滴可以保护焊盘，避免多次焊接时焊盘的脱落，还可以减少阻抗的急剧跳变。覆铜后板 示意图 如下图所示： 图 10 系统 图 of 5 系统实物制作 当 画完之后，将印制板文件送到制板厂家进行电路板的制作，在实验室完成元器件的插装、焊接并装入包装盒后。考虑到温室环境具有湿度大、酸性大、基础设施少、作物众多且动态变化等特点，系统包装盒在设计上需要考虑密封，防止温室中的水蒸气进入设备，使系统的电子器件短路。另外在考虑到美观等因素，系统采用航空接头作为接插件 10 本章小结 本章重点介绍了各个功能模块的硬件电路设计，借助 004 电路设计软件完成原理图以及 的制作，为以后的软件设计打下基础。 4 系统 软件设计 应用软件介绍 称 C/C+交叉编译器和调试器是今天世界最完整的和最容易使用专业嵌入式应用开发工具。 不同的微处理器提供一样直观用户界面。 天已经支持 35 种以上的 8 位、 16 位、 32 位 微处理器结构。 3所示 图 11 界面 作步骤： 使用 发环境首先应建立一个新的工作区。用户打开 ，已经 建好了一个工作区，可选择打开最近使用的工作区。 16 单击 单，选择 出建立新工程对话框，确认 经选择 8051，在 择 击下方 根据需要选择工程保存的位置，更改工程名，如 击 保存。这样便建立了一个空的工程。系统产生两个创建配置：调试和发布。在这里我们只使用 调试。项目名称后的星号 (*)指示修改还没有保存。选择菜单 存工作区文件，并指明存放路径，这里把它放到新建的工程目录下。 选择 按 图 14所示。 图 12 译连接界面 功编译工程，并且没有错误信息提示后，按照下图连接硬件系统。 图 13 接图 of 择 按快捷键 进入调试状态，也可按工具栏上按钮进入程序下载，程序下载完成后， 安装完成仿真器驱动后，通过 口把 发系统与计算机连接后，进 块 真器 线 10 芯 下载仿真调试线 17 入 择菜单 按快捷键 进入调试状态，也可按工具栏上按钮进入调试。 系统需求分析 温室环境具有湿度大、基础设施少、作物众多且动态变化等特点。 温室设施 农业中的灌溉如果能够 自动 控制，则可以减少不必要的劳动，因此信息化
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