毕业设计-由at89c51单片机为处理器的自动灌溉控制器的硬件、软件设计

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LW02型水分传感器；A/D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、A/D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ABSTRACTTHEHARDWARELAYOUTANDSOFTWAREDEVELOPMENTFORSINGLECHIPMICROPROCESSORAUTOMATICMICROIRRIGATIONCONTROLLERANDSYSTEMPROGRAMMINGAREPRESENTEDINDETAILINTHISPAPERBASEDONTHEAT89C51SINGLECHIPMICROPROCESSOR,THEWHOLESYSTEMCONSISTSOFSOILMOISTURESENSORS,SIGNALTRANSFERCIRCUIT,KEYBOARDANDMONITORDISPLAYCIRCUIT,OUTPORTCONTROLCIRCUIT,MALFUNCTIONALARMCIRCUITASWELLASSYSTEMSOFTWARETHISCONTROLLERCANCONTROLMUFTIINPUTANDMUFTIOUTPUTITCANWORKINSEVERALWAYSSUCHASCLOSEDLOOPCONTROLWITHSENSORS,OPENEDLOOPCONTROLBASEDONTHEPRESETTIMINGPROGRAMINADDITION,ITHASAUTOMATICALARMFUNCTIONWHENTHESOILMOISTUREEXCEEDSTHEPRESETRANGETHERECHOSETHELW02CAPACITIVEMOISTURESENSORASTHESOILMOISTURESENSOR,ADC0809ASTHEA/DCONVERSION,INDEPENDENTKEYASTHEKEYBOARD,LEDDISPLAYUNITASTHEMONITORDISPLAYANDCHOSETHESIMPLEPIEZOELECTRICBUZZERASTHEMALFUNCTIONALARMDEVICETHEOUTPORTCONTROLCIRCUITISCOMPOSEDOFAT89C51,TRIODE,PHOTOELECTRICCOUPLER,RELAY,ELECTROMAGNETICVALVEANDSOONTHESOFTWAREDESIGNINGADOPTTHEPOPULARMODULARIZEDSTRUCTURETHEDEVELOPMENTOFSOFTWAREPROGRAMSAPPLYC51LANGUAGEENTIRELYTHEPRIMARYPROGRAMSAREMAINPROGRAM,KEYBOARDSCANNINGSUBROUTINE,A/DSAMPLINGSUBROUTINE,TIMERPRESETTINGSUBROUTINEMEANWHILE,THEEFFICIENTANTIINTERFERENCEMEASURESAREADOPTEDDURINGTHEDESIGNOFTHEHARDWAREANDSOFTWAREKEYWORDSSINGLECHIPMICROPROCESSORMICROIRRIGATIONSOILMOISTURESENSORAUTOMATICCONTROL目录摘要IABSTRACTII目录III第一章前言511研究背景512研究目的和意义613任务和要求6第二章智能灌溉系统的组成821灌溉总系统的组成822灌溉系统结构总框图923单片机灌溉量的确定9231灌水量的确定9232灌水时间间隔的确定9233一次灌水延续时间的确定9234灌水次数与灌水总量的确定10235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GTM900C无线模块1231GTM900C模块介绍12311GTM900C模块产品定位13312GTM900C模块产品特性13313GTM900C模块产品的应用14314GTM900C无线模块的业务演示框图1432GTM900C无线模块AT命令1321AT命令类型1322消息发送和写入命令233GTM900C信号连接器和天线接口5331信号连接器6332天线接口6333接口信号734接口的使用10341UART接口的功能特性10342UART接口信号定义10343UART接口DCEDTE配线11第四章系统硬件设计1241土壤水分传感器的选择与使用12411土壤水分传感器的选择12412土壤水分传感器的测量原理及其实现方法12413传感器在田间的埋设1542单片机的选择16421单片机的发展概况及其选择1642289C51单片机性能与应用16423引脚功能1743振荡器电路及复位电路设计1944存储器的配置2045数据采集处理电路21451模数转换器的选择21452ADC0809引脚及接口电路设计2246显示系统的电路设计2447输出控制电路设计2548故障报警电路及键盘接口电路设计26第五章系统软件设计2951主程序设计2952键盘扫描子程序设计3153实时时钟中断与控制功能的完成3254时间灌溉控制功能的实现3355其它控制功能的实现33551定时设定功能的实现34552湿度范围设定功能的实现34第六章技术经济分析36第七章结论37参考文献38致谢39第一章前言11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28万亿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05亿M2，占耕地面积一半以上，平均每年受早面积约达026亿M2，成灾减产的约007亿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6070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0304，个别省份只有02，与先进国家的0708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5060，增产2030，一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2913万亩，约占全世界灌溉面积的11，其中美国约150万M2。我国单片机灌溉面积只徘徊在237万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。12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。13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；土壤水分测量时采用先进的TW02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。第二章智能灌溉系统的组成21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21自动灌溉系统图22灌溉系统结构总框图土壤水分传感器A/D转换器AT89C51键盘报警LED显示光隔继电器电磁阀图22灌溉系统结构总框图23单片机灌溉量的确定231灌水量的确定灌水量可由式MB1B0HPR（21）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T/M3；H为土壤计划湿润层深度；P为单片机土壤湿润比。232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TM/E，T为灌水周期H；E为作物需水量；M为灌水定额MM。233一次灌水延续时间的确定TMSESR/Q（22）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；Q为灌水器流量L/H；为单片机灌溉水利用系数，一般为090950。234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MMI；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。235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23图23自动灌溉系统农田水分动态变化示意图假定灌溉从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。第三章GTM900C无线模块31GTM900C模块介绍华为GTM900C无线模块是一款两频段GSM/GPRS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TCP/IP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900/1800MHZ高度集成的GSM/GPRS模块，是GTM900B的升级模块。内嵌TCP/IP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GSM/GPRSPHASE2/2；GSM0340短信业务；GPRSCLASS10数据业务；支持GROUP3，CLASS2传真业务；电路交换业务96KBPS，144KBPS；分组交换数据业务856KBPS；FR/HR/EFR/AMR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；SIM30V和18V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GSM0705，GSM0707；TCP/IP扩展AT指令集。311GTM900C模块产品定位华为GTM900C无线模块是一款两频段GSM/GPRS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。312GTM900C模块产品特性表31GTM900C的产品特性表工作频段EGSM900/GSM1800双频最大发射功率EGSM900CLASS42WGSM1800CLASS11W接收灵敏度结尾一般来讲，AT命令包括四种类型，如表32所示表32AT命令类型类型说明实例设置命令该命令用于设置用户自定义的参数值。ATCXXX测试命令该命令用于查询设置命令或内部程序设置的参数及其取值范围。ATCXXX查询命令该命令用于返回参数的当前值。ATCXXX执行命令该命令用于读出受GSM模块内部程序控制的不可变参数。ATCXXX322消息发送和写入命令发送消息ATCMGS使用设置命令，可将SMS（SMSSUBMIT）从TE发送到网络侧。发送成功后，消息参考值将返回给TE。在接收到非请求发送状态报告结果码时，使用该取值可进行消息识别。表33ATCMGS操作命令语法类型命令可能的返回结果说明CMGS,OK使用文本模式（CMGF1）且发送成功ATCMGS,TEXTTOSENDERROR/CMEERROR使用文本模式（CMGF1）但发送失败CMGS,OK使用PDU模式（CMGF0）且发送成功设置命令ATCMGSPDUTOSENDERROR/CMEERROR使用PDU模式（CMGF0）但发送失败测试命令ATCMGSOK表34参数的详细说明参数取值说明GSM0340IPDESTINATIONADDRESS中“地址取值”字段，字符号；将BCD数值（或缺省GSM字母格式的字符）转换为当前选择的TE字符集中的字符，（请参考TS0707中的CSCS命令）给定的地址类型SMS情况下GSM0340TPDU,16进制，遵循GSM0411SC地址；ME/TA把TP数据单元中的每个8位字符转换为包含2个IRA字符的16进制数（如整数取值为42的8位字符作为2位数字（2A，即IRA50和65）发送给TE）CBS情况下使用16进制GSM0341TPDU整数型取值；文本模式（CMGF1）下，用字符表示的（或）消息正文的长度；PDU模式（CMGF0）下，8位真实TP数据单位的长度（即RP层的SMSC地址中的8位字符将不计算在该长度内）整数型的GSM0340TPMESSAGEREFERENCE时间字符型（请参考）的GSM0340TPSERVICECENTRETIMESTAMPE时间字符型GSM0340TPDISCHARGETIME“YY/MM/DD，HHMMSSZZ”,在该格式的消息中，字符部分表示年（最后2位）、月、日、小时、分钟、秒和地区。例如6THOFMAY1995，221000GTM2HOURS相当于“95/05/06,22100008”。RPACKPDU中的GSM0340RPUSERDATA元素；SMS情况下，与的格式相同，但没有GSM0311SC地址字段；该参数应放在双引号中，与普通的字符型参数相同。整数型的GSM0411TDDESTINATIONADDRESS中的8位“类型地址”字段（当的首字符为（IRA43）时，缺省值为145；否则缺省值为129）举例发送文本方ATCMGF1NOTE设置以文本方式发送短信式的短信OKATCMGSNOTE输入对方号码SMSNOTE输入短信内容，以CTRLZ发送；ESC取消OK举例发送和接收PDU方式的短信ATCMGF0OKATCMGS160891683108200105F011000D91683118087981F60004000168OKPDU编码解析发送数据0891683108200105F011000D91683118087981F60004000168表35PDU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（TON/NPI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（TPMTI/VFP）发送,TPVP用相对格式00消息基准值（TPMR）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（TON/NPI）用国际格式号码（在前面加）683118087981F6目标地址（TPDA）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0891683108200105F0040D91683184821969F2000470404271726423026869表36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（TON/NPI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（TPMTI/VFP）0D回复地址数字个数91回复地址格式（TON/NPI）683118087981F6回复地址（TPRA）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）07042417274623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）06806933GTM900C信号连接器和天线接口GTM900C的信号连接器和天线接口，包括信号连接器接口；天线接口。331信号连接器GTM900C的信号连接器是一个40PIN的ZIF连接器，引脚间距为05MM，线距05MM，结构为单排弯式表贴型，带电缆锁紧机构，型号是HIROSE的FH1240S05SH。连接器外形如图33所示。图33连接器外形332天线接口GTM900C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UFLRSMT110，具体的图形和尺寸如图34所示。图34天线接口连接器尺寸图（单位MM）333接口信号表37信号连接器接口功能表序号信号名称I/O接口电平功能备注1VBATI3447V电源建议典型值38V2VBATI3VBATI4VBATI5VBATI6GND地7GND8GND9GND10GND11USB_DI/O仅用于模块调测,设计时悬空12USB_DI/O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GTM900A/B存在差异，不能兼容，GTM900A/B为VDD信号，用于模块正常启动指示信号。14ADCI0175V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_DSR0O285V01数据准备就绪17UART_RI0O28501振铃指示18UART_RXD0O285V01GTM900模块AT命令串口发送信号（对端设备接收）用于GTM900C模块的AT命令，TTL电平19UART_TXD0I285V01GTM900模块AT命令串行接收信号（对端设备发送）用于GTM900C模块的AT命令，TTL电平20UART_CTS0O285V01清除发送GTM900C上PIN脚定义为输出信号21UART_RTS0I285V01请求发送GTM900C上PIN脚定义为输入信号22UART_DTR0I285V01数据设备准备就绪23UART_DCD0O285V01载波检测24SIM_CDI285V01SIM卡在位信号目前软件尚不支持,设计时悬空25SIM_RSTO285V01SIM卡复位信号26SIM_DATAI/O285V01SIM卡数据传输接口27SIM_CLKO285V01SIM卡时钟信号28SIM_VCCO285V01SIM卡电源29SIM_GNDSIM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30VBACKUPI/O30V备用电池电源信号参考后面章节的推荐设计31RSTI285V01复位信号低电平有效，对模块复位32LPGO285V01指示灯状态控制信号33AUXOO第二路音频输出信号34AUXOO第二路音频输出信号35EARO第一路音频输出信号36EARO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34接口的使用GTM900C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。341UART接口的功能特性UART接口与外界进行串行通信，支持300V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1152KBIT/S，默认支持9600BIT/S的速率，支持波特率掉电保存。342UART接口信号定义UART接口信号定义如表38所示表38UART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DCEDTE17UART_RI0振铃指示通知DTE有远程呼叫DCEDTE21UART_RTS0请求发送DTE通知DCE请求发送DTEDCE19UART_TXD0发送数据DTE发送数据DTEDCE16UART_DSR0数据设备就绪DCE准备就绪DCEDTE22UART_DTR0数据终端就绪DTE准备就绪DTEDCE20UART_CTS0清除发送CE已切换到接收模式DCEDTE18UART_RXD0接收数据DTE接收串行数据DCEDTE6GND地343UART接口DCEDTE配线DCEDTE的连接关系如图34所示。图34DCEDTE的连接关系第四章系统硬件设计41土壤水分传感器的选择与使用411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LW02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。412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37，而自由介电常数达8036（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CRC01XC0（41）其中C0表示无介质即在空气中时的电容C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41所示。SN75LBC184AT98C2051X25045看门狗智能数采模块CC4060555上位机图41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F143/RARBC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，就可以来调节电路的输出；同时，振荡器输出波形的占空比为QRA/RARA，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。LWO2土壤湿度传感器的整体电路图如图42所示。图42土湿传感器的整体电路图413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、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。42单片机的选择421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AT89C511842289C51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MCS51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MCS51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0HZ24MHZ；三级存储器保密；128X8字节内部RAM；32条可编程I/0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。423引脚功能图43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43AT89C51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，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，/ALE/PROG，PSEN和EA/VPPRST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。ALE/PROG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1/6的固定速率输出，并可为外部电路提供时序与时钟信号，但在每次访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。在对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲FROG。PSEN程序存贮允许PSEN输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存贮器取指令时，每个机器周期两次PSEN有效即输出2个脉冲，但在此期间内，每当访问外部数据存储器时，两次PSEN有效信号都不输出。EA/VPP外部访问允许端，要使CPU访问外部程序存储器地址为0000HFFFFH，则右端必须保持低电平接GND端。当EA端保持高电平时接VCC端时CPU则执行内部程序存储器中的程序，在FLASH存储器编程期间，此引脚用于施加12V的编程允许电源VPP。输入/输出引脚P00P07，P10PL7，P20P27，P30P37P0端口P00P07是一个8位漏极开路型双向I/O端口，它的地址是80H至87作为输出口用时，每位能以吸收电流的方式驱动8个TTL输入，对端口写1时，可作为高阻抗输入端用，在编程时P0端口接收指令字节。验证程序时则输出指令字节，此时要求外接上拉电阻。P1端口P10P17是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/0端口，它的位地址是90H与97HPI的输出缓冲器可驱动4个TTL输入，对端口写1时可用作输入口，此时那些被外部信号拉低的引脚会输出一个电流。在访问外部程序存储器和16位地址的外部数据存储器时P2送出高8位地址，在访问8位地址的外部数据存储器时，P2引脚上的内容是专用寄存器SPR区中P2寄存器的内容，整个访问期间不会改变。在对FLASH编程和程序验证期间，P2也接收高位地址和一些控制信号。P3端口P30P37是一个带内部上拉电阻的8位双向I/0端口，除了一些与P1，P2部分相同的功能外，还有一些专门功能。如表1所示6表1P3各端口引脚与兼用功能端口引脚兼用功能P30RXD串行输入口P31TXD（串行输出口）P32/INT0（外部中断0）P33/INT1（外部中断1）P34T0（定时0的外部输入）P35T1（定时1的外部输入）P36/WR（外部数据存储器写选通）P37/RD（外部数据存储器读选通）43振荡器电路及复位电路设计T89C51内部有一个用于构成片内荡振器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端，这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起可构成一个自激振荡器，振荡电路的连接方法如图34所示图44振荡电路图中外接石英晶体或陶瓷谐振器以及电容C1或C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。虽然对电容的大小没有严格的要求，但多少会影响振荡器频率的高低、振荡器的稳定性、起振的快速性和温度稳定性。外接石英晶体时，CL和C2一般取30PF士10PF，外接陶瓷谐振器时，C1和C2一般取40PF土10PF，在此选用的是石英晶体，C1，C2均为30PF。AT89系列与其它微处理器一样，在启动时都需要复位，使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。AT89C51的上电复位电路如图45所示。图45复位电路在RST复位输入引脚上接一电容至VCC端，下接一个电阻到地。上电复位的过程是在加电时，复位电路通过电容加给RST端一个短暂的高电平信号，此高电平信号随着VCC对电容的充电过程而逐渐回落。为保证能可靠地复位，RST端的高电平信号必须维持足够长的时间。在复位期间端口引脚处于随机状态，复位后系统将端口置为全”1”态，除了端口寄存器的复位值为FFH，堆栈指针SP为07H，SBUF内为不定值外，其余的寄存器全部清0。内部RAM的状态不受复位的影响，在系统上电时RAM的内容是不定的。若系统在上电时得不到有效的复位，则在程序计数器PC中将得不到一个合适的初值，CPU可能会从一个未被定义的位置开始执行程序9。44存储器的配置AT89C51单片机将程序存储器和数据存储器分为不同的存储空间，程序存储器只可读不可写，用于存放编好的程序和表格常数。AT89系列单片机可寻址的外部程序总空间为64KB，引脚接高电平时，执行内部ROM中的命令，EA引脚接低电平时，单片机就从外部程序存储器中取指令。数据存储器在物理上和逻辑上分为两个地址空间，一个为内部数据存储器空间，一个为外部数据存储器空间，外部数据存储器的寻址空间可达64KB。只有对于片内部无ROM的单片机或者程序较长，内部ROM不够用时，才需扩展外部程序存储器芯片；当数据量大内部RAM不够用时，需扩展外部数据存储器芯片。而本系统的数据量不太大，程序也不太长，选用的AT89C51单片机内部含有4KB的FLASH闪速存储器，128KB的RAM数据存储器，即可满足要求，因此不需扩展存储器电路。AT89C51的4KB片内FLASH的地址为0000H0FFFH，当把EA引脚连到VCC，当地址为0000H0FFFH时，即访问内部FLASH存储器；当地址为1000HFFFFH时，访问外部程序存储器。AT89C51程序存储器中，0000H0002H单元用于初始化程序，单片机复位后，CPU总是从0000H单元开始执行程序。另外，每个中断在程序存储器中都分配有一个固定的入口地址，中断响应后CPU便跳到该单元，在这里开始执行中断服务子程序。每个中断入口地址的间隔为8个单元，外部中断的入口地址为0003H，定时器0的入口地址为000BH，外部中断1的入口地址为0013H，定时器1的入口地址为001BH，依此类推。如果一个中断服务子程序足够短的话，则可全部存放在这8个单元中。对较长的服务子程序，则利用一条跳转指令跳过后续的中断入口地址。内部数据存储器的地址是8位的，低128KB的分配是最低32个单00H1FH是四个通用工作寄存器组，每个寄存器组含有8个8位寄存器，编号为R0R7。专用寄存器PSW程序状态字中有2位RS0,RS1用来确定采用哪一个工作寄存器组，低128字节区中所有单元都既可通过直接寻址方式访问，又可通过间接寻址方式访问。虽然高128字节区与专用寄存器SFR区的地址是重合的80HFFH，但实际上它们是分开的，究竟访问哪一区是通过不同的寻址方式加以区分的。访问SFR用直接寻址方式，访问高128字节区时，采用间接寻址方式，并且仅在带有256KBRAM的单片机才有高128字节区。45数据采集处理电路本电路主要用于传感器信号的处理，由前面己知土壤水分的测定采用LW02型水分传感器，测量时需给其加50VDC，传感器的白、蓝、黄接线分别为接地线、输入电压线、输出电压线。根据土壤水分含量的不同，直接可输出不同的电压信号，该信号经A/D转换后成为数字信号，再传输至单片机内，本系统可接八路传感器信号。451模数转换器的选择A/D转换电路是数据采集系统的核心电路，它对采样获得的连续电压被测量信号从时间上离散化转换成数字量数值上离散化。任何A/D转换器的最基本的特性都是转换位数和转换时间，转换时间是指完成一次完整的A/D转换所占有时间。在同样模拟输入电压下，A/D转换器的位数越高，标志着它的量化精度越高，但这会带来转换速度减慢和转换器价格上升的问题。A/D转换器芯片种类繁多，但大量投放市场的单片集成或模块A/D按其变换原理主要分为逐次比较式、双积分式、量化反馈式和并行式A/D转换器。双积分式A/D转换器转换精度高，抗干扰能力强、价格低，但转换速度较慢；并行式转换器速度快，但价格高；逐次逼近式A/D转换器，转换精度较高、速度快，大约在几微秒到几百微秒之间，但抗干扰能力弱。但总的来讲逐次逼近式A/D转换器性能价格比最优，应用最广泛，国内使用较多的芯片有ADC0808/0809,ADC0801，ADC0805及ADC0816/0817和AD574等。经过分析比较，这里选择常用的中速、低廉的逐次逼近型A/D转换器ADC0809芯片。452ADC0809引脚及接口电路设计ADC0809是一种逐次逼近式8路模拟输入，8位数字量输出的A/D转换器。为了实现8路模拟信号的分时采集，片内设置了8路模拟选通开关以及相应的通道地址锁存及译码电路，转换后的数据送入三态输出数据锁存器，其转换时间约为100MS。A/D转换过程主要包括采样量化及编码，采样是使模拟信号在时间上离散化，量化及编码是把采样后的值按比例变换成相应的二进制数码。如8位A/D转换器采集到OV电压则变成00H数字信号，采集到5V电压则变换成FFH数字信号，其他在05V之间的模拟量都可转换成00HFFH之间的数字量。通过数字量运算比较的结果，实现对模拟量的测量及控制。ADC0809的引脚及模拟通道的地址码如图46所示图46A