基于单片机的智能节水灌溉系统的设计毕业论文

1、基于单片机的智能节水灌溉系统的设计系 （院）： 电子与通信工程系 学生姓名： 汪金艳 专业班级： 电子12c1 学 号： 122211107 指导教师： 荣雪琴 2015 年 4 月 声 明本人所呈交的基于单片机的智能节水灌溉系统的设计，是我在指导教师的指导和查阅相关著作下独立进行分析研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明并表示谢意。作者签名： 汪金艳 日期： 2015、4、8 【摘要】智能节水灌溉系统是现代农业发展的重要部分。农业用水占人类用水的很大一部分比例，且水资源浪费比较

2、严重，所以我们要研究出高效节能的节水灌溉系统。此灌溉系统主要以at89c51为主，最初泥土的湿度由土壤湿度传感器所取得，并将所得的电流信号变为电压信号，送至a/d转换器，a/d转换器主要是将模拟信号转变成数字信号，此时单片机会处理所接收的信号，送至led显示电路，进而判断土壤要不要灌溉，如果需要灌溉则会报警。该设计灵活性强，操作简单，未来很有发展前景。【关键词】： 单片机 节水灌溉 智能控制abstractabstract intelligent water-saving irrigation system is an important part of agricultural develo

3、pment. agriculture accounts for a large part of the proportion of water for human consumption. and waste of water resources is becoming serious. so we have to come up with energy-efficient water-saving irrigation system.intelligent water-saving irrigation system is based on at89c51,the system uses a

4、 humidity sensor collecting humidity. we can get the voltage signal by processing current signal. the voltage signal is input to the a / d converter into a digital signal. single-chip processes digital signal, we can see from the led display. if you need irrigation. the system start singing sound al

5、arm. this design is flexible, operate easily, this design will have a good development.【key word】:single chip microcomputer water-saving irrigation intelligent control目 录 引言1（一）研究的背景1（二）研究的意义2一、系统总体设计2二、主要器件介绍3（一）单片机3（二）模数转换芯片4三、硬件设计6（一）时钟电路6（二）复位电路6（三）数据存储器的扩展电路7（四）数据采集电路8（五）报警电路10（六）led显示电路10四、软件设

6、计12（一）主程序设计12（二）数据处理13（三）led动态显示15结束语16参考文献17附录一 原理图18附录二 源程序19致谢24引言（一）研究的背景1.中国水源情况曾有数据统计显示，中国人均年水资源是两千两百立方米，远低于世界人均水平；中国拥有庞大的人口，对水的需求量也是相当大。中国在农业方面的用水量有四千亿立方米，占总用水量约有百分之八十，仅占世界农业总量百分之十七。农田灌溉用水占农业用水总量百分之九十到百分之九十五之间，虽然比例较大，但农业灌溉仍然缺水。虽然有大量的水资源使用在农田上，但由于技术不到位，并严重浪费水资源，导致其利用率只有百分之四十三，远低于发达国家。曾有相关领导总结农

7、业用水的浪费现象，主要原因一是灌溉水利用率本来就比较低，而有效利用率约为百分之四十三，远远达不到发达国家的水平，输水渠道损失的水资源占很大比例，还损坏了相关建筑物；二是灌溉技术水平比较低，使用传统灌溉模式使得灌水量是实际需求量的一倍甚至两倍。从以上的调查报告显示，虽然到处提倡节约用水和科学用水，但我们并没有做到，而水资源的匮乏制约农业发展的脚步。面对此状况，我们必须提高节水灌溉技术以便于农业的更好发展。2. 国内外节水灌溉的现状虽然美国真正所使用的有效灌溉面积比较少，但使用喷灌和微灌农田的面积却占了很大的比例。近些年来，世界上微灌面积呈现出高速发展的状态。印度、美国在微灌面积的比例在不断提升，

8、占世界比例的三分之一，而中国的微观面积只有0.005。发达国家并且对输水所使用的低压管道相当重视，很多国家将其作为灌溉使用管道的首要选择。而且有的发达国家使用污水进行地下滴管，大大减少了水的浪费率。地下滴管技术也是很多发达国家的选择。中国由于人口众多等原因，耕地面积也是比较大的。从上个世纪70年代才开始采用喷灌技术，使得真正得到灌溉面积占耕地面积的一半，经过30年，中国在微灌方面也得到发展，虽然只是很小的一部分，也节约了大量水资源。但是由于农村经济比较落后，国家政策与设备的落后等原因，喷灌技术并没有得到很好的发展。在最近几十年中，随着灌溉技术的进步，农业节水灌溉面积占很大的比例。虽然微灌技术得

9、到较好发展，但并不是没有缺点的，还是有一些问题，并且与其他国家也有不小的差距。但是技术人员仍在不断创新，不断取得进步，使得中国在节水灌溉方面有很大的潜力可以被激发。（二）研究的意义节水灌溉可以大大减少农业的用水量，不造成浪费。大家都知道，农业用水只占人类用水的大部分，而我们生活中和工业所用的水资源只占用一个小部分。但我们农业用水利用率却很低，白白浪费掉很大一部分水资源，通过一些措施引入灌区的水量有一般损失掉了。我们都知道，水是万物之本，是无法替代的。所以节水灌溉是很有必要的。节水灌溉措施可以大大提高单位水量的使用效率，喷灌、微灌、滴管三种技术都大大减少了用水量，真正做到了节水灌溉。因此，在水资

10、源越来越缺乏的情况下，节水灌溉技术的推广和普及是非常有必要的。一、系统总体设计种农作物土壤湿度传感器a/d转换at89c51单片机led显示报警放大驱动电磁阀 图1 系统总体设计框图此灌溉系统的核心是at89c51单片机，除此之外由土壤湿度传感器，a/d模数转换器，led显示电路，报警电路，及以单片机为核心的时钟电路，复位电路，数据采集电路，数据存储器扩展电路组成。首先土壤的湿度由土壤湿度传感器所取得，并将所得的电流信号变为电压信号，送至a/d转换器，a/d转换器主要是将模拟信号转变为数字信号，此时单片机会处理所接收的信号，送至led显示电路，进而判断是否需要灌水，如果需要灌溉则会报警，接着电

11、磁阀将会完成灌溉这个动作。二、主要器件介绍（一）单片机at89c51单片机因为有较高的集成度、较强的功能、运作速度快、本身较小，耗能较低等优点，在工业、农业、通信及日常生活中都具有广泛的应用，同时单片机的重要性也在不断的提升。at89c51单片机的40只引脚可分为如下三类：（1） 20脚和40脚为电源引脚，19脚和18脚为时钟引脚。（2） 、ale、rst四个引脚都为控制引脚。（3） p0端口、p1端口、p2端口、p3端口四个端口都为i/o口引脚。下面结合图2介绍各引脚功能。 图2 at89c51芯片1.电源及时钟引脚:（1）电源引脚:vcc（pin40）：正电源引脚，正常工作电压为+5v;g

12、nd：接地(为20引脚，此图被隐藏)。（2）时钟引脚:xtal1(19引脚）：片内振荡器反相放大器和时钟发生器电路的输入端，xtal2（20引脚）为片内振荡器反相放大器的输出端。2.控制引脚rst：正常工作rst引脚是复位信号的输入端在单片机的rst端加上高电平持续2个机器周期以上单片机即进入复位工作方式，单片机在正常工作的情况下，rst引脚应为不大于0.5v的低电平。ale/：ale为低8位地址锁存许可信号。为输入端，当编程片内flash存储器时，引脚就会被当做是编程脉冲的输入端。：片外程序存储器的读选通信号。引脚输出脉冲为下降沿的时候，单片机就可以读取外部程序存储器。/vpp：是允许外部程

13、序存储器访问的控制端。3.i/o口引脚 p0口：8位，漏级开路的双向输入/输出端口。p1口：p1口为8位准双向输入/输出端口，而且有内部上拉电阻。p1端口是专门为用户设计使用的准双向输入/输出端口，当p1端口当做普通的i/o输入的时候，应该在p1端口的输出锁存器写1。 p2口：p2口为8位准双向输入/输出端口，也具备内部上拉电阻。当89c51芯片需要扩展外部存储器和输入/输出端口的时候，p2端口可以输出高八位地址。当p2端口当做普通的i/o输入的时候，应该在p2端口的输出锁存器写1。p3口：准双向输入/输出端口，并且有内部上拉电阻。当p3端口当做普通的输入/输出输入的时候，应该在p3端口的输出

14、锁存器写1。p3口可以为at89c51提供第二功能，如下表所示：表1 p3口的第二功能定义引 脚第二功能说 明p3.0rxd串行数据的输入口p3.1txd串行数据的输出口p3.2int0外部中断0输入p3.3int1外部中断1输入p3.4t0定时器0外部计数输入p3.5t1定时器1外部计数输入p3.6wr外部数据存储器写选通输出p3.7rd外部数据存储器读选通输出（二）模数转换芯片在单片机节水灌溉中用的是adc0809芯片，adc0809芯片是八通路8位逐次逼近式的a/d转换器；多路开关可以选通8个模拟通道，容许8路模拟量分时输入，但都是共用1个a/d转换器对数据进行转换。图3 adc0809

15、芯片（1） in7in0是模拟量输入通道，要求输入的模拟量必须是单极性信号，并且电压是0v到5v的范围；对过小的信号需要放大；在a/d转换过程中，输入模拟量的值应保持不变;（2） add a、 b、c是三条地址线：a,b,c地址位从低到高，是用来选择对应的模拟通道。（3） ale是输入端，即接收地址锁存允许信号，只有在高电平的状态下才能正常工作。（4） start为模数转换开始信号，当脉冲是高电平时芯片复位，反之，则开始模数转换。（5） eoc则为模数转换结束信号。（6） oe是在高电平的状态下才有效的输出允许信号，当模数转换停止时，oe端口输入的信号只有在高电平的情况下，输出三态门方可打开，

16、接着数字量输出。（7） clk为时钟脉冲的输入端。a、 b、c 这3个地址位可以产生8种结果，通道选择表如表2。表2 通道选择表c b a选择的通道0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1in0in1in2in3in4in5in6in7该系统只采用了输入通道in0。adc0809转换器的分辨率为8位，采用单一+5v供电，不需要进行零点和满度的调整。模数转换器需要在外部控制启动转换信号才可以进行转换数据，adc0809芯片使用脉冲进行启动模数转换，想要启动模数转换器的控制转换，只需要在start输入引脚载入一个正弦脉冲信号，当为上升沿的时候，对芯片进行复位

17、操作，当为下降沿时，模数转换器就开始进行模数转换同时eoc信号输出端处在低电平；当模数转换结束后，eoc变为高电平，就可以向主机发送信号，告诉主机可以读取转换结果的数字量。三、硬件设计（一）时钟电路89c51各功能部件的运行是以时钟控制信号为基本准则，按着一定的规律在运作。时钟频率、时钟电路的质量与单片机的速度、稳定性质有着一定的联系。51单片机的内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，如图4可知引脚19是输入端，引脚18为输出端。选择内部方式，若想构成稳定的自激振荡器从而产生振荡时钟脉冲，就要在这两个引脚之间连接石英晶体振荡器与微调电容，在引脚外接晶体振荡器就可以形成了内部振荡方式。图4

18、 时钟电路（二）复位电路复位是使单片机处于刚开始的状态，也可以说是对之前操作的清零；89c51的复位需要外部复位来完成；在正常运行情况下，就需要在89c51单片机的复位引脚rst加上高电平，并且该高电平必须大于两个机器周期，一个机器周期为12个时钟振荡周期，就可以使系统复位；复位并不影响内部静态存储器的状态，在系统上电的时候，ram的内容也是不确定的。复位操作有两种情况，即上电复位和手动(开关)复位。本系统采用上电复位方式。因为电容可用来储能，所以在图5中用电容来充电从而实现上电自动复位。因为电容充电十分迅速，当电容两头电压与电源电压一样的时候，电容相当于断路，rst引脚为低电平，程序正常工作

19、。图5 复位电路（三）数据存储器的扩展电路 因at89c51单片机内部储存较小，故在此设计中我选择6116外部数据存储器来完成对51单片机的扩展。如图6所示，p2.3作为片选信号，a10、a9、a8是p2端口寻址选择的数据单元。89c51单片机由于受引脚数的局限，p0端口不仅可以用作数据线使用，也可以作为低八位地址线使用，为了将二者很好的区分，需要在单片机的外部添加地址锁存器，这该系统中我用了74ls373，它是一种带有三态门的锁存器。当ale输出下降沿时，74ls373的le引脚接收到下降沿，数据存储到锁存器中，之后p0口作为数据总线使用。如图6所示。反正，外部数据将会选通内部锁存器。 图6

20、 数据存储器的扩展电路（四）数据采集电路adc0809是一种模数转换器，逐次对8通路进行比较的模拟输入、8位数字量输出。adc0809采用的方法是逐次比较，从而完成模数转换；供电电源是单一的+5v电压。本设计只用到in0这路输入通道。adc0809采取的是脉冲启动转换，只需要在start输入引脚载入一个正弦脉冲信号，当为上升沿的时候，对芯片进行复位操作，当为下降沿时，模数转换器就开始进行模数转换；当模数转换结束后，eoc变为高电平，就可以向主机发送信号，告诉主机可以读取转换结果的数字量，反之，开始时则为低电平。因为adc0809片内无时钟电路，所以需要外界提供时钟电路，这里可以通过89c51单

21、片机提供的地址锁存允许信号ale获得，ald触发器二分频后可给ale提供时钟电路；ale引脚的频率是单片机的1/6故为1mhz，过d触发器后为500khz,在规定的范围内；一次模数转换需要100us，脉冲启动以后，100us之后就可以读取数据。由上可知8位数据输出引脚可与数据总线直接连接，图7中a、b、c与q1、q2、q3的连接方法，在这样的连接情况下可选择in0-in7中的一个通道。in0口将接收土壤湿度信号；at89c51的p2.5作为片选信号，当p2.5输入为0时，和p2.5都为0，经过或非门，得到一个高电平，adc0809的start和ale都得到一个高电平，start对芯片进行复位，

22、ale为高电平，可以对地址进行锁存。当片选信号为1时，start为低电平，开始进行模数转换。转换时间100us结束后，当片选信号为0时，oe为高电平，启动三态输出锁存器，并将结果锁存在74ls373锁存器中。图7 数据采集电路（五）报警电路为了防止出现一些特殊情况，不能及时处理，所以需要一种可以提醒的装置，我选择了蜂鸣加光的报警电路。图8中蜂鸣器一端与+5v相连，另一端与p1.1端口相连，当想要报警时，程序需被清零，并可以用延时来控制报警的时间。要想灯发出黄光并报警则需要p1.2端口处于下降沿，这样二极管才处于导通状态，才可以达到预想的目标。 图8 报警电路（六）led显示电路led是发光二极

23、管缩写。led显示器由发光二极管构成。常用的led分为共阴极和共阳极。下图9（3）为共阴极led显示器，当a至dp那端有任一个为高电平时，二极管就会被点亮从而显示相应的段。图9(2）则与图（3）相反，若想发光二极管亮，则要使其中任一个二极管的阴极为低电平则可以使相应的段被显示。 (1)led数码管 (2)共阳极 (3)共阴极图9 led数码管,共阳极,共阴极n位led显示器由n个led显示块组成。以此类推下图则为3位led显示器。图10 3位led显示器的结构原理图位选线由led的个数来控制，段码线则为位选线的8倍。显示字符的字型由段码线控制，led显示位的亮与暗由位选线来控制。 led显示器

24、分为动态显示和静态显示，我选用的是动态显示方式。多位led为了简化硬件电路经常与8位i/o口控制并联，同时i/o线将控制各位的共阴极或共阳极。若想让led同时显示同本位相应的字符就要选择动态显示，在动态显示下只有被选通的led有字符出现，其余都处在关闭的情况下。图11 led显示电路81c55用来扩展i/o接口便于led的显示，pa口输出段码，就是要显示数据的代码，pc口输出位码，也就是控制某一个时候一个数码管显示，其余数码管不显示。图中led为共阴极显示器，pc端口连接位选线，选一个led亮，然后传送地址选择led的段码线，就可以显示数据。四、软件设计在程序设计中，主控模块负责处理数据并送至

25、4位1体的数码管显示器上，判断是否需要灌溉，以及执行相应的子程序，完成灌溉的功能。系统软件主要由主程序设计，采样子程序设计，数据处理程序，显示子程序等组成。（一）主程序设计主程序主要的任务就是判断土壤是否缺水，接通电源之后开始工作，开始后输入一个设置好的值，将土壤湿度传感器收集到的信号发送给单片机，单片机经过处理后会得到一个新的数据，将所得数据与之前设定好的值比较，如果比预定值大则表示土壤无需灌溉，反之，则表示土壤需灌溉。开始初始化设定值输入采样湿度值送单片土壤湿度是否到达预设值喷灌停止灌溉显示当前灌溉值 ny 图12 主流程流程图 （二）数据处理1.采集数据转换本部分主要是对所采集的数据消除

26、误差，在单片机进行数据采集时，输入信号总难免受到一些干扰，然而a/d输送给单片机的数据也将存在误差，为了尽可能的消除这种误差，我选择了数字滤波法。数字滤波法是用软件来完成的，通过改变程序的运行参数来改变其滤波特性。开始置初始位取前一个数取后一个数后数前数前数送后单元后数送前数单元（r5）-1=0?取值结束yny标志位00h=1?置采样值n 图13 数字滤波程序流程图 2.a/d转换本部分是将采集的模拟数据转化为数字数据，初始化后，启动a/d转换器，转换结束后读取数据并与设定值相比，若大于则结束，否则将不断的循环直至满足条件。 初始化启动a/d转换读出a/d转换后的数据是否大于设定值返回yn k

27、ai开始 图14 a/d转换流程图（三）led动态显示 本部分是将单片机处理的数据显示在4位1体的数码管显示器上，便于判断是否需要灌溉，通过led动态显示系统电路选中最左边的数码管，以此类推。下表为tab中有效的字型码: 表3 led显示段码字型共阳极段共阴极段字型共阳极段共阴极段0c0h3fh990h6fh1f9h06ha88h77h2a4h5bhb83h7ch3b0h4fhcc6h39h499h66hda1h5eh592h6dhe86h79h682h7dhf84h71h7f8h07h空白ffh00h880h7fhp8ch73h显示子程序后51单片机初始化，显示缓冲区末地址，接着显示数码管的

28、个数及位选字并送入51单片机，然后显示下一个单元，4位数码管若显示完则循环使用，反之则左移一位，指向下一位，直到最右边。4位数码管是否显示完？显示子程序89c51初始化显示缓冲区末地址r0字形码送89c51口，位选字送89c51口显示延时指示下一个显示单元（r0)-1数码管个数-r1,位选字-r6（r6）左移一位，指向下一位yn图15 led动态显示流程图结束语该项研究在农业节水灌溉是比较普及的，节水是比较贴近生活的，该项研究是比较有使用价值的。该设计不仅可以对农作物及时补水，也节约了水资源。系统以at89c51单片机系统完成对土壤湿度信号的采集、处理、显示以及执行机构的控制等功能；让我对51

29、单片机、6116芯片、数据的扩展、i/o口的扩展有了进一步的了解与学习。通过本论文我对模糊算法、土壤湿度传感器，模数转换器，单片机、报警等也有了初步的了解。深刻的体会到在这高科技的时代，科技已经渗透到了各个领域，并且更新的非常迅速，因此我们在合理的利用科技时，应该不断的创新。参考文献1信松肚. 节水灌溉技术发展现状及趋势j. 食品研究与开发，2010.2张毅刚，彭喜元. 单片机原理与应用设计m. 北京：电子工业出版社，2008.3王吉星，孙永远. 土壤水分检测传感器的分类和应用j. 南京日报，2011 .4毕海婷，任大伟.单片机控制的节水浇灌系统研究j.赤峰学院学报，2013 .5 赖强盛.汽

30、车空调模糊控制j.客车技术与研究，2004.6李季.家用电器模糊控制器的研究与设计j.信息技术，2007.7于建勇.浅谈时钟电路在单片机中的作用j.硅谷，2011.8陈忠平.基于proteus的51系列单片机设计与仿真m.北京：电子工业出版社，2012.9李健. 数据采集系统中的数字滤波处理j.安庆师范学院学报，2009.10兰云志. 智能节水灌溉系统设计j.四川理工学院，2013.11刘明真，陈鸿.基于单片机智能节水灌溉系统的设计j.学术问题研2010.12李学礼. 基于proteus的8051单片机的实例教程m.北京：电子工业出版社，2008.13史嘉权，戴梅萼.微型计算机技术及应用.第四

31、版m.北京：清华大学出版社，2008.14杨锋. 节水灌溉智能控制j.电子信息学院，2012.15沈德金，陈粤初.单片机接口电路与应用程序实例m.北京：航空航天大学出版社，2008. 附录一 原理图附录二 源程序adturno equ 21h ;in0adturn1 equ 2ch ;in1lineadro equ 37h ;1n0lineadr1 equ 38h ;in1 lineadr equ 39h ; humid equ 3bh ; bcdadr equ 3ch ; humadr equ 3dh ; timeadr equ 3eh ; t100us equ 256-50 ; cl00u

32、s equ 3fh showadr equ 40h ; org ooooh sjmp start org ooobh ; limp toint org 0023h ; limp serve org 0050hstart: mov sp, #50h ; mov humadr, #offh setb od3h ; sets od4h mov r0, #humadr clr od3h ; clr od4h mov tmod, #22h; mov th1, #of3h mov tl1, #of3h mov scon, #50h mov pcon, #80h mov dptr, #7ff8h mov a

33、, #4dh movx dptr, a setb tr1 setb ea setb es run: lcall ad; ad: mov r0, #adturno mov r6, #obh adloop: mov dptr, #obff8h; goon: movx dptr, a mov r7, #oaoh; dlay: nop nop nop nop nop djnz r7, dlay movx a, dptr mov r0, inc rodjnz r6, adloopsjmp adret lcall maopao; maopao: mov r1, #adturno mov r5, #oah

34、clr ooh filter: mov 3ch, r1 inc r1 mov a, r1 clr c subb a, 3ch jnc next mov a, r1 mov r1, 3ch dec r1 mov r1, a inc r1 setb ooh next: djnz r5, filter jb ooh, maopao mov lineadro, 26h ret lcall turn; mov a, humid; mov sbuf, a lcall twosec; lcall bcdturn; bcdturn: mov showadr+3, #00h mov b, #100 mov a, humid div ab m