单片机控制的节水灌溉系统

1、泰山学院毕业论文题 目单片机控制的节水灌溉系统学院机械与工程学院年级二0三级专业机械设计制造及其自动化姓名张德学号2013170144指导教师签字 学生签字2013 年12月11日题目来源指导教师推荐自选口其它口题目类别基础研究口应用研究口其它口摘要本设计主要的内容基于单片机控制的节水灌溉系统。土壤湿度检测电路核心部分是由 ADC0832和ADC0832组成的检测系统，同时也是土壤湿度检测电路的工作原理，输入的模拟 信号是传送到ADC0832勺IN端的土壤湿度传感器收集的数据。在检测系统中选用的是AD转换和土壤湿度传感器，土壤湿度检测电路的内部包含有AD转换模块、土壤湿度的采集、单片机译码显示

2、等功能。在单片机收集数据的过程中，单片机先发出启动A/D转换器工作的 指令，ADC0832艮据送来的地址信号选通IN1通道，之后对输入的模拟信号进行 A/D转换， 转换结束时，EOC俞出高电平，其目的是通知单片机读取转换结果，这时单片机会调用中断 程序，通过调用中断程序后读取转换后的数据。最后，STC89C5单片机将经过软件程序处理后的土壤湿度值送到LCD液晶显示屏上，显示所采集的数据。基于单片机控制的节水灌溉 系统是一个智能的控制系统，同时也有手动部分：智能控制的部分是根据实际情况，将适合 植物生长的最佳土壤湿度值的上下限通过单片机程序与感应电路送入单片机中，与土壤湿度传感器测得的土壤湿度值

3、相比较，当低于设定的土壤湿度下限值时，单片机将会发出指令， 打开电磁阀控制灌溉，同时土壤湿度传感器继续检测土壤湿度，当测得的湿度值高于单片机 内设的上限值时，单片机再次发出指令，关闭电磁阀停止灌溉；手动部分指的是当关闭单片机电源时，由外围电路供电进行浇灌的过程。关键词：土壤湿度测量；STC89C5洋片机；模糊控制；自动灌溉；LCDAbstractthe desig n of potted pla nt automatic wateri ng system in eludes soil temperature and humidity acquisition and display, and t

4、he eounter setting and display and alarm two parts water. Soil temperature and humidity acquisition and display part, and comprises a soil temperature and humidity acquisition and display, automatic watering system. Soil temperature and humidity acquisition and display in ADC0832is connected with tw

5、o potentiometers as an induction circuit, the collected soil temperature and humidity value is send to the STC89C52 single chip, then by its tran smissi on to the LCD scree n display. Automatic wateri ng system desig n for in tellige nt and manual two parts: in tellige nt wateri ng sect ion through

6、the MCU program ming wateri ng the upper limit and the lower limit and the induction circuit into the microcontroller 's soil humidity value are compared, when less than the lower limit value, the MCU output a signal to control the wateri ng, high in the upper limit value by the microc on trolle

7、r output a sig nal con trol stopwateri ng; manual part is composed of sin gle-chip digital tube into the month and day from real time, through the software programmed timi ng wateri ng time.Key words : STC89C52 temperature and humidity acquisition in the display counterLED第一章绪论1.1研究的目的和意义水是生命之源，地球上的

8、生命都起源于水。在能源危机问题将越来越突出的今天，水资源的短缺的问题更加不容忽视，其短缺程度已达到了前所未有的状况， 且这一状况有愈演愈 烈的态势，不禁让人担忧。目前世界各国都高度重视水资源短缺问题， 并通过科技的手段来 缓解目前的水资源危及。我国的水资源危及也越来越突出，面临着两方面的矛盾，突出表现在农业用水方面， 农业用水面临着水资源短缺，然而农业用水采用的漫灌、畦灌等灌溉方式导致水资源的严重 浪费。这样的灌溉方式使得水的利用率比较低， 农业用水浪费严重。同时我国的旱地面积大， 约占耕地面积的百分之六十左右，但是降水的生产率却只有0.3kg/m30.4kg/时'132。农业水生产率

9、低也制约着我国农业的进一步发展。面对我国水资源短缺的现状，国家和地方政府把节水灌溉作为一项基础性工作来抓，并加大了在此项工作中的投入。此外，还鼓励、倡导学者和科研人员从事节水灌溉新理论和新 技术的研究，并为他们创造良好的科研环境。 与此同时，我国还积极引进国外先进的节水灌 溉技术和相应的设备，并将其应用到农业生产实际中来，取得了一定的效果。然而，由于我 国在这方面的研究起步较晚，大多数只是起到示范性应用的作用，并没有得到大面积的推广 和使用。与节水技术相对发达的国家和地区相比， 我国的灌溉管理技术水平比较低、 方法也 比较落后，这直接导致了产品在技术层面上存在不足， 系统功能方面的设计也存在缺

10、陷，制 造相对粗糙，亟需进一步的完善。这其中最大的制约因素是缺乏适应性强的硬件设施和合理 的灌溉控制技术，特别是测控系统的自动化程度水平不高。因此，我国在节水灌溉工作中的出路是研究出高效的节水灌溉设施，努力提高农业灌溉的水利用效率。本文结合以往对自动灌溉的研究，设计出一套基于单片机控制的灌溉控制器。在完成 对灌溉控制器的整体设计之后，分别进行了软硬件的设计。以土壤含水量作为灌溉指标，并 对土壤水分快速测量的方法进行探究， 分析各种测量方法的优缺点，选择出适合本研究的测 量方法。通过比较，最终采用介电法中基于频域反射原理的土壤水分传感器准确采集土壤水 分信息，为了确保测量的准确性要进行土壤水分传

11、感器的标定和测量准确性的实验。根据以单片机为核心构建的控制单元模块内置的控制规则，结合模糊控制理论，指导灌溉，执行机构由继电器控制电磁阀来动作。为了更好的配合灌溉控制器的工作， 尽可能的对灌水量进行 定量控制，达到节水灌溉的目的，保证水分的充分利用，选用滴灌的饶灌方式。为了更好的 监测整个灌溉过程，设计了监测界面，能够实时完成对所接收数据的显示、存储、查询等功 能。在实验室完成灌溉控制器的总装后，通过一定的栽培试验来验证灌溉控制器的性能。1.2国内外研究的现状灌溉自动化技术的研究和应用始于二次世界大战前夕。大约在20世纪30年代，法国通过运行水利自动闸门，实现了自动化渠系灌溉，率先提出了一套相

12、对完整的自动化灌溉农作 物的控制方法，开辟了自动控制灌溉作物的先河，大大减少了人力的参与。到了 20世纪50 年代，电子学和计算机技术得到了快速发展，同步得到长足发展的还有利用电子设备、计算 机设备和程序控制的灌溉技术，并在法国、加拿大、美国等发达国家得到了广泛的应用，在 一些发展中国家的应用也相当广泛，控制模式也更加先进科学，现在可以实现遥测、遥控的 集中控制的模式。1.2.1 土壤水分快速测量技术的国内外研究现状外国学者在土壤水分快速测量技术方面，起步较早，做了大量的研究工作，取得了丰 硕的研究成果。早些年，分别利用中子衰减法进行了快速测量土壤含水量的研究中子法提出 后，相关学者们对其产生

13、了浓厚的兴趣，纷纷加入到其中的研究中来。1976年，人们最早将基于介电特性的时域反射法运用到土壤水分快速测量的研究中来，它克服了中子法的许多缺点，具有较高的测量精度，适合长期定点观测，经过不断的深入研究，已渐渐成为一种较 为成熟的测量方法，应用范围比较广泛。1983年，有学者开始利用一射线来进行快速测量 土壤湿度可行性的研究。同年，考虑到单点布设一射线测定的结果受容重的影响较大，通过使用在两点布设一射线的形式来监测灌溉数小时内水分在土壤中运动的状况，采用双点能够同时探测容重和土壤含水量，以消除土壤容重变化造成的影响。1991年，在实验室内利用近红外的方法测量土壤含水量，经过试验得出此种方法具有

14、较好的使用效果。我国在土壤含水量的测量方面，经过不断地研究，已由射线法、介电特性法以及遥感 光谱法等新方法逐步取代一开始的传统烘干方法。 为了寻找一种适合我国国情的土壤水分快 速测量技术，除了在价格上具有优势之外，还要使用方便和利于推广。为此，国家加大了在 此方面人力和物力的投入。早在上世纪七十年代末，国内的一些大学就对土壤湿度快速测量 技术进行了相关的研究，开发出了一些水分测定仪的样机。我国科研人员从很早就开始从事 利用阻抗方法测量土壤含水量方面的研究， 并取得了一定的研究成果。直到二十世纪末，我 国在土壤湿度快速测量技术方面取得了重大突破，利用驻波电压的方法，成功研制出了基于驻波率原理的快

15、速土壤湿度测量仪。 通过与和两种测量方法进行性能对比试验， 验证了此法 的可靠性和可行性，并且性能优良，在一定程度上缩短了我国在土壤湿度快速测量技术方面 与世界先进水平的差距。灌概自动化技术的国内外研究现状40多年前，灌溉工作几乎全部靠人力完成，费时且费力，而且自动化控制技术也未应 用到灌溉工程这个领域中。以色列是最早面临着水资源严重匮乏问题的国家， 使得他们不得 不大力发展节水灌溉农业，经过几十年的发展，以色列在自动控制灌溉方面取得了重大突破，走在了世界的前列。简单的定时器构成了早期的灌溉控制器。由于电子科学技术的不断发展， 以检测土壤中水分的信息来决定灌溉的控制器应时而生。像以色列美国等国

16、家，在节水灌溉控制系统的开发上起步较早，并由最初的水力、机械控制的灌溉系统，发展到由机械电子混 合控制，再到与电子科学技术相结合的计算机控制、模糊控制等。在温室等设施内，使用较 为普遍的是小型灌溉控制器，通过内置的灌溉管理程序，进行灌溉条件的设定，操作方便， 自动化程度高。不仅节省了人力，还能够对灌溉过程的控制达到一定的控制精度。在不断的 更新发展中，系统在控制精度和智能化程度、稳定性、可靠性上都具备了较高水平，操作也 非常简便。美国在早些年开发出了一套灌溉控制器， 它能够通过检测土壤中含有水分的多少 来确定是否打开灌溉控制器阀门的动作。 后来的学者在他们的研究中，都是把土壤湿度选为 控制对象

17、，是否灌溉是通过比较采集到的土壤湿度与设定值之间的关系来决定的。整个系统构成一个闭环控制系统，从而保证土壤中的水分保持在一定量，以满足作物对水分的需求量。 系统经过运行后发现，如果节水灌溉系统想要运行的更好， 就必须在传感器的可靠性、系统 的硬件设计、系统所采用的控制算法、电磁阀和压力调节装置以及灌溉装置等设备的性能方 面进行改进和提高。1990年，采用红外线热电偶来测量土壤温度，将空气湿度、土壤湿度 等参数信息考虑到其中，研制出了一套多参数融合的综合决策灌溉控制器。1992年，设计了一种以计算作物蒸腾量为研究对象，对作物的需水量进行控制的滴灌控制系统。1997年，在计算作物蒸腾量时通过使用模

18、糊控制逻辑，构建了一个以太阳福射和空气相对湿度为指标 来估算作物蒸腾量的数学模型，并将估算出的作物蒸腾量与已有方法的计算结果进行比较， 比较结果显示此估算模型相关性良好。在后来的研究中把输入数据选为土壤湿度和作物蒸腾 量，研制出了一套基于模糊控制的实时灌溉系统。1.3主要研究内容及技术路线主要研究内容为了给小型区域自动绕灌提供一种便携、快速、准确的灌溉控制器设备，本文主要做了以下研究工作：（1）设计了基于STC89C5洋片机的灌溉控制器硬件部分。主控制器单元采用STC89C5 单片机，以此为核心构建 A/D转换电路、LC1D显示电路、土壤湿度测量电路和电磁阀控制 电路。在硬件部分中，还包括程序

19、下载电路、单片机与机的串口通信电路和电源电路。（2）设计完成了基于单片机的灌溉控制系统的模糊控制，输入量为所测土壤湿度与植 物土壤含水定额的偏差和偏差的变化率，输出量为灌溉时间，依次为规则建立起模糊控制，求出模糊控制表，用查表法来实现模糊控制算法。(3) 设计基于STC89C52I片机的灌溉控制系统中控制器的软件程序。软件程序设计采 用的是C语言，并选择keil uVision 4 编程软件来编写系统的总体程序，程序中包括 主程 序、LCD显示子程序、模数转换子程序、电磁阀控制子程序等程序的编写。使用C#完成监测 界面的设计。(4) 设计基于STC89C52I片机的灌溉控制器的控制单元硬件原理

20、图，并焊接相应元器 件，制作控制单元电路板，并完成整个灌溉控制器的装配，之后进行软硬件的联合调试，以 达到预期控制效果，并加以试验进行验证。试验结果表明，基于单片机控制的灌水系统的运 行状况良好，工作相对稳定，控制比较准确，反应灵敏度较强，完全可以满足节水自动灌溉的要求。第二章灌溉控制器硬件的设计与实现本文针对以基于介电法测量土壤含水量的土壤水分传感器进行灌溉控制器的研究和设 计，通过土壤湿度传感器测得土壤的湿度值，与之前设定的适合植物生长的土壤湿度值作比较，通过单片机内置的控制规则，控制水的灌溉量，以满足植物正常生长所需要的水分。为 了达到这个目的，需要设计整个灌溉控制器，选型硬件部分和设计

21、电路，最终完成灌溉控制 器硬件部分的设计与制作。2.1灌溉控制器总体设计灌溉控制器的控制核心选取的是 STC89C5单片机，由土壤湿度釆集和处理模块、LCD 显示模块、控制单元模块、灌溉执行模块和电源模块等组成。使用开关电源作为电源模块。 选用开关电源是因为整个系统中的多个电子元器件需要供电，且供电电压不完全相同，为了确保整个系统的正常工作，依据此设计的灌溉控制器，开关电源应具备5V、12V、24V三种电压。灌溉控制器的整体结构框图如图 3-1所示。图3-12.2灌溉系统控制器设计本章节重点是对单片机模块、数据采集模块、转换模块、显示模块、控制单元程序下载 模块、单片机与机的串口通讯、执行机构

22、，喷灌装置等部分进行硬件的设计与制作。2.2.1 STC89C52单片机简介STC89C52是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS位微处理器，俗称单片机。这种存储器可擦除只读存，并且支持反复100次的擦除。该器件的制造技术采用的是ATME高密度非易失存储器制造技术，兼容工业标准 MCS-51旨令集合输 出管脚，使用STC89C525单片机是因为它性能灵活且价格相对便宜，并且在单个芯片中具 有多功能8位CUP和闪烁存储器的组合，ALMEL勺STC89C5也是一种高效微控制器。其基 本组成框图如图3-2-1所示。外藹中斷定时器1A4 :*字节1期字节4ROMRAM定时器

23、0内部 中昕I外部计J数脉沖中 BrfiMliniL4X8 M3 口輛口控制卜 1V VPSEN 刊 PlV VP2 P3TXD RXD图 3-2-1222 STC89C52主要特性：(1) 与 MCS-51兼.容(2)4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写、擦循环(4)数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz(6)三级程序存储器锁定128*8位内部RAM(8) 32可编程I/O线(9) 16位计数器、定时器各两个(10) 5个中断源(11) 可编程串行通道(12) 低功耗的闲置和掉电模式(13) 片内时钟电路和振荡器224 STC89C52的管脚说明STC89C52勺引脚图如图3

24、-2-4所示图 3-2-42.2.5 STC89C52单片机的存储器在单片机中存储器有ROM和RAM之分，ROMfe程序存储器，RAM为数据存储器，ROM和RAM虫立编址。STC89C52单片机芯片内配置的Flash程序存储器为8KB(0000H-仆FFH)数 据存储器 RAM为256字(00H-FFH ,同时支持最大64KB的 ROM和64KB的 RAM扩展。STC89C52单片机有4部分的存储器结构，分别为片内和片外程序存储器、片内数据存储器和片外程序 存储器。STC89C52单片机的存储器分布空间如图3-2-5所示。左侧框中为单片机自身提供的 256 字节数据存储器RAM和8KBFlas

25、h程序存储器。右侧框中即为可扩展的 64KB的ROM和RAMFTTHFFFH64KBROM64KBROltI/O片内存储器1FFFHFFH|180h|麻OOH I18KBROM图 3-2-52000H1FFFH0000HEA-1图 3-2-5OOOOHEA= 0OOOOH226程序存储器8KB的Flash程序存储器是STC89C5单片机出厂时片内就带有的，使用得时候，引脚/EA 要按的是高电平（5V），因为这样复位后CPU从片内ROh区读取指令代码是从0000H单元开 始一直运行到1FFFH单元结束，若外部扩展有ROM则CPU读取指令代码时会自动转移到片 外程序存储器 ROh空间数据存储器25

26、6字节的数据存储器RAM是STC89C5单片机出厂时片内就带有的，同样支持片外扩展， 最大可支持扩展64KB RAM.片内ROM勺00H-7FH单元可划分成3个部分：工作寄存器所用的是00H-仆H块；位寻址 功能的单元区所用的是20-2FH块；普通RAM区所用的是30H-3FH工作寄存器也由4组组 成，在行程序中是否被激活由程序状态寄存器 PEW勺RS1, RS0两位决定。2.3 土壤湿度传感器的选用土壤湿度传感器是用来检测土壤湿度，即土壤容积含水量，其用途相当广泛，如可以用 来监测土壤墒情、用于农业灌溉以及林业防护等等。 在现实生活中常用到的土壤湿度传感器 有两种型号，分别是FDR型和TDR

27、型。目前比较流行的是FDR型。本系统选用土壤水分传感 器,是由中国农业大学电子电力工程学院研制的一款国产高性价比的传感器,型号为SWF一2型，其外形如图2.3所示。图2.32.4振荡电路和时钟STC89C52单片机芯片中有一个时钟发生器和振荡电路，内部时钟的构成是在引脚XTAL1和XTAL2之间接入晶体振荡器和电容。使用外部振荡器同样也是可以的，外部时钟是 由外部振荡器产生的信号直接加载到振荡器的输入端，作为CPU勺时钟源的方式。采用这种时钟方式时，外部振荡器的输出信号接至 XTAL1 XTAL2悬空。本次设计使用的是内部时钟 方式。内外部时钟这两种方式的电路连接图如图3-4所示。图3-4时钟

28、发生器在芯片内部，是一个二分频触发器，其输入是振荡器输出的fosc，两相状态时钟信号为其输出，频率为振荡器输出信号频率fosc的一半。低字节地址锁存信号 ALE是状态时钟经三分频后的信号，振荡器输出信号频率fosc的六分之一为其频率，经六分频后为机器周期信号，频率为fosc/12。C1, C2一般取20-30pF的陶瓷电容器。2.5 STC89C52的中断系统小型键盘和LCD显示屏结合在一起，是控制软件的一个重要组成部分，同时也是人机交 换的一个桥梁。工作人员操作小键盘是可以料及系统的工作状态，通过键盘和显示，根据实 际生产的需要设置和修改参数。在 STC89C52单片机设置中断系统，其的目是

29、为了提高系统 的工作效率，同时也节省 CUP勺工作时间，因此采用中断方式响应按键要求。中断控制“中断”的定义指的是单片机由于某种特殊原因，在执行某一段程序的过程中暂时中 止当前程序，相应的去执行处理程序，待相应的处理程序处理结束后，再次返回到之前被打 断的程序处，继续执行原程序的过程。本次设计中采用的是定时器/计数器0中断，它的中断控制寄存器包括中断允许控制寄存器 IE和定时器/计数器0、1控制寄存器TCON定时器控制寄存器TCONTCON是一个可寻址的具有特殊功能的寄存器，定时器 /计数器和外部中断两者合用TCON格式如下表格所示：D7D6D5D4D3D2D1D0TF1TR1TF0TR0IE

30、1IT1IE0IT0中断允许控制寄存器IE的格式如下表格所示:D7D6D5D4D3D2D1D0EAET2ESET1EX1ET0EX0各控制定义如下：EA中断总控制位，EA=1，CPU能否响应中断的前提是CPU要开中断，只有在CPU开中断 的前提下，若某中断源的中断允许置位1，应该中断源的中断请求方能响应。当 EA=0时，在中断源中无论哪个有请求，CPL都不回应中断请求。ET2定时器/计数器T2中断控制位，ET2=1,允许T2计数溢出中断；ET=2禁止T2中断。ES:串行口中断控制位，ES=1,允许串行口发送/接受中断；ES=0禁止串行口中断。ET1:定时器/计数器T1中断控制位，ET1=1,允

31、许T1计数溢出中断；ET1=0禁止T1中断。EX1:外部中断1控制位，EX仁1允许中断；EX=0禁止外部中断1中断。ET0定时器/计数器T0中断控制位，ET0=1,允许T0计数溢出中断；ET0=Q禁止T0中断。EX0外部中断0控制位，EX0=1允许中断；EX0=0,禁止外部中断0中断。2.6定时器/计数器在STC89C5单片机中设有可编程定时器/计数器，是两个16位的，分别为定时器/计数器0 和定时器/计数器1。除此之外还有一个可编程定时器/计数器2。与定时器/计数器0和1相关的特殊功能寄存器计数器寄存器 TH0 TL0和TH1、TL116位的计数寄存器在启动定时器的时候需要对它设定初始值。计

32、数器寄存器的高8位是THX 低 8 位是 TLX TH0 TL0对应 T/C0，TH1, TL1 对应 T/C1。定时器/计数器控制寄存器TCON勺格式如下所示:TF1TR1TF0TR1IE1IT1IE0IT0TF1为T/C1的溢出标志，溢出时由硬件置1,进入中断后又由硬件自动清 0。TR1为T/C1的启动和停止位，由软件控制。置 1时启动T/C1;清0时停止T/C1。TF0和TR0的功能和使用方法以TF1、TR1类似，只是它们针对的是 T/C0.(3)定时器/计数器方式控制寄存器TMOD定时器/计数器方式控制寄存器TMO的格式如下所示。它的控制位都是由软件控制的，其中 高4位是针对T/C1的

33、，低4位是针对T/C0的，其功能和使用方法相似。GATEM1M0GATEM1M0现在以T/C0来说明各控制位的使用方法：GATE是一个选通位，当GATE位置1时，T/C0受 到双重控制，只有/INT0为高电平且TR0位置1是T/C0才开始工作，当GATE清0时，T/C0 仅受到TR0的控制。C/T用来选择工作在定时器方式还是计数器方式。当该位置1时工作在计数器方式，清0时工作在定时器方式。M1和M0联合起来用于选择操作模式，一共有四 种操作模式，如表2-6-1所示。M1M0操作模式计数器配置00模式013位计数器10模式2自动重转载的8位计数器10模式2自动重转载的8位计数器11模式3T0分为

34、两个8位计数器，T1停止计 数表 2-6-22.7 1602 LCD的基本参数及引脚功能1602 LCD 显示屏有两种，分别为带背光的和不带背光的，基控制器大部分为 HD44780 带背光的和不带背光的稍有区别，两种显示屏的厚度不一样，带背光的比不带背光的厚，其 他地方在实际应用中并无差别，两种显示屏的区别如图 2-7所示。flO D'图2-7LCD1602主要技术参数：容量:16 X 2个字符芯片工作电压：4.5 5.5V工作电流:2.0mA(5.0V)模块最佳工作电压:5.0V字符尺寸:2.95 X 4.35(WX H)mm引脚功能说明：1602LCD采用标准的14脚(无背光)或1

35、6脚(带背光)接口，各引脚接口说明如表1所示:表1引脚接口说明表编号符号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对 比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器

36、。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和 R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D旷D7为8位双向数据线。第15脚：背光源止极。第16脚：背光源负极。显示模块采用1602液晶显示接口电路采用LCD显示屏作为测量数据的显示器。LCD显示屏在使用上不仅线路简单、成本低， 而且耗电量较少、寿命较长。本灌溉控制器测得的实时电压值是通过 LCD显示屏进行显示的。 液晶显示电路如图3-7-1所

37、示GXDIl液晶显示电路LCD1 LCD1<JO2一 NO3H1 9宫 SGI1 舟一 =si0AII»GXD图 2-7-1第三章基于模糊控制的灌溉控制器设计自动灌溉系统是一个典型的非线性、时变性、变结构系统。除了系统结构复杂以外，在 土壤水分测量过程中由于受土壤本身、 渗水速度等不确定因素的影响，要求灌溉控制器的控 制不仅要根据测得的土壤水分含量进行饶灌， 而且还要对饶水量进行定量控制，在满足植物 生长的同时，还要达到节水的目的。为解决上述问题，在灌溉控制器中加入以单片机为控制 核心的模糊控制器，与一般的数字控制系统相比，其结构差异并不大。因此，有效的过程控 制策略就可以通过

38、编制模糊控制算法程序来实现对作物灌溉的自动控制，从应用效果来看， 这种做法具有良好的鲁棒性和适应性。3.1模糊控制理论在实际应用中，使用模糊语言将专家或现场操作人员的知识和控制经验表达出来，形成模糊控制规则以实现系统控制。它是一类规则型的专家系统，模糊控制原理框图如图3.1所示模糊控制的过程是：土壤水分传感器测量的土壤水分精确值， 经采集模块采集，送至控 制单元，将这个测得的实际值与预先设定好的给定值进行比较，进行控制变量的计算后得到偏差信号。再根据当前的值与前一刻的偏差信号相减后再除以釆样时间可得到偏差信号变化 率。将偏差信号和偏差信号变化率的精确量进行模糊化处理，变成模糊量后，再用模糊语言

39、进行表示。可以分别得到模糊语言集合和的模糊子集和。 再根据推理的合成规则进行模糊决 策，经过非模糊化处理后就可以得到电磁阀的输出控制量。最后还需要将其转换为精确量， 这样就能通过控制电磁阀的动作对土壤水分进行精确地控制。3.2模糊控制器的结构设计根据灌溉控制器进行自动灌溉的特点及要求， 选用双输入单输出的结构，其结构如图3。2所示AT39S52 榄糊控制器蛙迄值.+土壤水分传感器图3.23.3基于单片机的模糊控制及实现形式釆用基于STC89C5单片机的模糊控制方式可以对被控对象实现自动化程度较高的控制，并且STC89C5单片机可以对数字量、模拟量和开关量进行接收。 STC89C5单片机可以 外

40、设A/D转换器，因此，就具备了接收模拟量的条件。在 STC89C5单片机中，反模糊化方 便。在输出信息的模糊判决过程中， 无论是采用最大隶属度函数法还是面积法， 可以通过专 门的子程来实现。模糊控制算法的目的是通过模糊推理的算法， 完成从输入的连续精确量到 求出相应的精确控制值的过程。模糊控制算法的实现形式是多种多样的。在实际应用中，单 片机一般采用的是合成推理的查表法。本灌溉控制器的隶属函数选为三角形隶属函数。其在单片机中釆用三点法的方式进行 存储。利用三点法存储一个隶属函数需要保存的数据有三个，这三个数据实际上是三角形的三个顶点。但在三角形隶属函数中，其中的两个数据就变成了三角形的底点，

41、另一个则为三 角形的顶点。这样只需将3个点的横坐标存放在单片机内部的 ROh中，就能够利用编程求得 论域中某一输入量隶属于该模糊量的隶属度。查询表得到的是模糊控制算法的最终结果。3.4本章小结本章对模糊控制理论进行了简要的阐述，并介绍了它的基本原理。利用相关知识，设计 了用于灌溉的模糊控制器，包括编制模糊控制规则和设计模糊控制算法等工作。 其中用单片 机组成硬件部分，根据灌溉控制器实际的工作情况和用水需求，分别选择土壤含水量与植物土壤含水定额的偏差和偏差变化率作为模糊控制器的输入，以灌水时间作为输出控制量，建立模糊控制规则，求出了模糊控制表。在软件设计时，将该表格事先置于内存中，供实时查 表使

42、用。这样，不仅可以节省单片机的内存空间，还能大大提高模糊控制的实时效果，较好 的实现对自动灌溉的模糊控制。第四章灌溉控制器的软件设计在灌溉控制器的硬件部分设计完成后，接下来就要对本灌溉控制器的软件部分进行设计，完成对于功能模块的程序编写并进行编译调试。采用C语言编写。在本灌溉控制器中，由于要实现多项数据的处理功能，所以采用模块化的编程方法，方便各模块函数之间相互调 用。4.1软件软件实现的功能与构成硬件功能的实现需要软件的配合，而有些控制环节只能靠软件来实现。如标度变换，模 糊控制量的输出、模糊控制算法的子程序等环节均需要通过软件设计来完成。软件部分主要包括以下几个功能模块：（1） 数据采集，

43、对土壤水分含量进行采样，并将采集的数据存入到STC89C5单片机中。（2）数据处理，为获得更加准确的测量数据，对釆集的数据（土壤水分含量）进行处理。（3）转换模块，将模拟信号转换成单片机能够识别的数字信号，完成对数据的采集，便于 进行下一步的处理。(4) 模糊控制算法模块，确定语言变量、模糊集合和论域，建立模糊规则控制器，利用模 糊控制算法对输入量进行计算，并输出相应的控制量。(5) 电磁阀控制模块，输出的控制量是通过继电器幵闭的时间完成对电磁阀的开启控制， 继而实现定量饶灌。灌溉控制器的整个程序由主程序、 中断服务程序和以上个功能模块组成。此外，还进行了监测界面的设计。4.2灌溉控制器软件设计控制器主程序设计主程序的流程过程是：系统上电，首先进行单片机的初始化。然后，单片机向土壤水分 传感器发送测量命令，对测量数据进行釆集处理。查询转换结束后，LCD显示屏实时显示测量数据，同时计算水分偏差和偏差变化率， 并与存储在单片机内部的控制规则， 进行运算判 断。根据输出的精确值，决定是否进行定时开闭继电器的动作， 继而启动电磁阀实施自动绕 灌动作。测量数值在灌溉范围内，循环过程一直执行，直至达到灌溉的上限阈值时，停止灌 溉。若不在灌溉范围内，则灌溉控制器处于不动