节水灌溉自动控制系统设计

I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意义。AbstractWateristhesourceoflife,anditisthebasicfactorstomaintainthesocialresourceofchinaandagriculturalwatersavingirrigationtechnologyhasn’tbeenp 课题研究目的和意义......................................5课题研究内容............................................6系统总体设计方案.......................................8述............................................8微灌技术................................................8...........................................9 硬件电路设计..........................................16........................16.........................17.....................18A/D转换电路...........................................19CH451驱动键盘显示电路.................................21I/O扩展电路...........................................23信号调理电路...........................................24 11.1研究背景.1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。2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2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h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。由于地表区域性地下水降落漏斗面积已达8.2k㎡。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，单方水粮食生产率只有1.0kg左右，大大低于发达国家灌溉水利用率70％~1.2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、输配水自动量测及监控技3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9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。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。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4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。水灌溉自动化发展状况截止到2005年底，全国灌溉面积达到9.28亿亩，有效灌溉面积8.48亿节水灌溉工程面积2.95亿亩；非耕地上约为0.25亿亩，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，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。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5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1.3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。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61000m³，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。1.4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。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。(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7(6)可存储多套灌溉程序。82.1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。2.2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。器的工作压力一般为50~150kPa,比喷灌低得多,又因微水,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2.3系统总体方案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V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，可土壤湿度检测电土壤湿度检测电路存储电路键盘电路功率放大功率放大.单片机图2.1单片机控制系统结构图在整个控制系统中，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PID控制器是一种线性控制器，它根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控将偏差的比例(P)、积分(I)和微D)通过线性组合构成控制量，对被控对象T0dt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(|e(k)≤||e0|)(2-3)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2.5主要器件选取2.5.1控制器选取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。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、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2.5.2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3、量程：0~100%8、工作电压：5~12V9、输出信号：0~1.875VDC2.5.3模数转换芯片选取AD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(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；MSBLSB前导；(10)可编程输出数据长度。T2.5.4显示方案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、全色化方向发余时间与灌溉模式的选择。2.5.5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2.5V~5.5V。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3453.1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VCCRXDTXDALEVCCRXDTXDTTPX1X2RDWR234234567816WR单片机最小系统电路图VCC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ST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。34tleB5个机器周期的高电平时间。AT89S52引脚XTAL1和XTAL2与晶体振荡器及电容。按图3.1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3.2数据存储电路设计CC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WP：写保护。如果WP管脚连接到Vcc，所有的内容都被写保护。当WPA0、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I²C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2323DA0A1A2VSSVCCWPSCLSDA3.3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C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32.768kHz晶振。DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实源进行涓细电流充电的能力。CA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134DP2P1P0I/OSCLKGNDVcc2Vcc1CBA1图3.3实时时钟电路3.4A/D转换电路TL。这是一款有良好热稳定性能的三端可调基TLC2543工作时必须将片选端CS置低电平，2然后用软件产生时钟脉冲并4换的结果，同时从DIN端口输入下一次的操作指令。当选择从高到低的顺序输(2)在工作温度范围内10μs转换时间；(5)采样率为66kbps；(6)线性误差±1LSBmax；1D(7)有转换结束输出EOC；2(8)具有单、双极性输出；LSB(10)可编程输出数据长度。35VTLC25432KAIN0AIN1AIN2AIN3AIN4AIN5VCCEOCCLKDINDOUTREF+CAIN6AIN7AIN8AIN9AIN102KTL4312KB3.5CH451驱动键盘显示电路2323通过可以级联的串行接口与单片机等交换数据；并且提供上电复位和看门狗等系统时钟信号SCLK，如果要求定时精确单片机也可以用晶振获得系统时钟信号CH451的段驱动引脚串接了电阻R1(200)，用以限制和均衡段驱动电流，近，用于电源退耦，减少驱动大电流产生的干扰。当不需要键盘功能时，还可以省去KEY信号线，只使用DCLK、DIN、LOAD三个信号线；当使用键盘功能连接到普通I/O引脚，那么应该使用查询方式确定CH451是否检测到有效按由于标准单片机的I/O引脚是弱上拉的准双向口，所以在与CH451进行远距离连接的电路中，建议对DIN、DCLK、LOAD加上拉电阻以减少干扰，上拉电阻的阻值可以是500到10K。近距离无需上拉电阻，距离越远则阻值应该越小。键盘显示驱动芯片CH451如图3.5所示。*X1CCGNDCLKDCLKDINLOADDOUTADJDIG0DIG1DIG2DIG3DIG4DIG5DIG6DIG7DIG0DIG1DIG2DIG3DIG4DIG5DIG6DIG7图3.5CH451驱动电路CH451对数码管和发光管采用动态扫描驱动，顺序为DIG0~DIG7，当其中一个引脚吸入电流时，其它引脚则不吸入电流。CH451内部具有大电流驱动外接打功率管支持大尺寸的数码管。还可以所有数码管的相同段引脚(段A~段一般在60Ω至1KΩ之间，在其他条件相同的情况下，应该优先选择较大的阻值。在数码管的面板布局上，建议数码管从左到右的顺序是N1靠左边，N8靠右345边，以便匹配字左右移动命令和字左右循环移动命令。驱动数码管电路图，如2345678234567823456782345678PYaPYaPYaPYafffffbfbbbfffggggeceecpcpecpddddbcdefgp2345678234567823456782345678234567823456782345678PYaPYaPYaPYafffbffbbffbggggcpececpcpeeddddbcdefgpKKKK电路K4K5DIG7~DIG0引脚用于列扫描输出，SEG7~SEG0引脚都带有内部下iK12K13K14K15K16K17于行扫描输入；当启用键盘扫描功能后，DOUT引脚的功能由串行接口的数据SEG2CH451具有DIG0DIG1DIG2G信号线之间形成短路，影响显示，一般应该在CH451的DIG0DIG1DIG2DIG3DIG4DIG5矩阵之间串接限流电阻R2，其阻值可以从1KΩ至10KΩ。键盘扫描电路如图3.7DIG0DIG1DIG2K0K6K12K18R22K*6K1K7K13K19K2K8K14K20图3.7键盘扫描电路即数据线、地址线、控制线接口。同时必须具有与外设连接的接口A、B、C口。由于8255可编程，所以必须具有逻辑控制部分，因而8255内部结构分为D(2)地址总线AB：编号为A0~A1，用于选择A、B、C口与控制寄存(3)控制总线CB：片选信号、复位信号RST、写信号、读信号。当CPUSESEG1fgbfgbfgbfgb2VVCCDI3PA4RFBDIRFBPA5DI5PA6DI6PA7DI7IOUT1IOUT1CSIOUT2WRaVbOUTWRDGND24C16ASCLCEI/OI/O2K2KAT89S522K2KTXDALE4020VCCVSSTXD123456789GOE.ALE.28KDTDIG0DIG1DIG2DIG3DIG4DIG5DIG6DIG7图3.8单片机I/O扩展电路R1200*8DS1DS2DS3DS4ededededSEG5DIG7DIG6DIG5DIG4SEG12baSEG12baSEG12baSEG12baDDIG3pppp的0~1.875的0~1.875V输出，经过放大电路将电压统一输出信号可采取4~20mA/0~5VDIG6K6K7K8K9K10K11换成电压信号进K16K12K1K16K12K13K14K17K18K20K2K18K20K21K22K23DIG0DIG1R2DIG0DIG1234Ui120K60K100K5V1425K0K100K20KUi25K60KU1U2100K100K0K0KQ1i。iQ28K20K20KRLUfi。i43K0K5V由节点方程可知u=u=isR(3-1)np0n=n+nf0n=n+nf(3-2)RRRf15RRR故有u=(1+f+f)isRfu(3-3)0RRRf155调整电位器Rp，使u=7.53V，则当is=4~20mA时，可求得u=0~5V。f03.8输出控制电路H型双极模式PWM控制提高转台伺服系统低速特性的作用十分显著，而H型双极模式PWM控制的电动机电枢回路中始终流过一个交变的电流，这个电流可以使电动机发生高频颤动，有利于减小静摩擦，从而改善伺服系统的低HPWM控2266产生电动机的附加功耗、大功率可控开关管高频开通关闭产生的导通功耗和开关功耗等动态功耗，是H型双极模式PWM控制功率损耗的主要来源。决定电动机附加功耗大小的因素主要是PWM的开关频率，开关频率越大附加功耗就D越小。决定大功率可控开关管的动态功耗大小的因素主要是大功率可控开关管的开通关闭时间和PWM的开关频率，开通关闭时间越长动态功耗就越大，CCD1T2D2T1VDDD1T2D2T1MG1VCCB+-1KAT4VouT4D4DD4T3NOT3ATTitleBBMayMaySheetof635435电源是非常重要的一部分，在设计中，电源应该尽可能满足系统的需要，NOTNOTT3波5T3波3412100K5K并且稳定性要好。本文设计中OT07需要两种直流稳压电源，一种是单片机和大多芯20K60KUi直流稳压电源是一种将220V工频交流电转换成稳压输出的直流电压的装0K0KT20Ki。i滤 滤 图3.11电源原理图VS稳Up压压Uf负载43K10KKPP43K10K (1)电源变压器：是降压变压器，它将电网220V交流电压变换成符合需RLi。(2)整流电路：利用单向导电元件，把50Hz的正弦交流电变换成脉动的(3)滤波电路：可以将整流电路输出电压中的交流成分大部分加以滤除，LM7805T113+5VAC220V413DNGD0~D3223.11通信电路设计T2VDD1KT2VDD1KT1VCC1K总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数+-据的成帧处理，包括位填充1K、数据块编码、循环冗余检验、优先级判A别等项工T4VT4D4DD4据块进行编码。采用这种方法的优点可使网络内的节点个数在理论上不受限个不同的数据块，这种按数据块编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一点在分布式控制系统中非常有用。数据段长度最多为8个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。CAN卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，特别适合工业过程监控设备的互连，因此，越来越受到工业界的重视，并已公认为最有前途的现场总线之一。这些请求是根据报文在整个系统中的重要性按顺序处理的。这种方法在网络负载较重时有很多优点，因为总线读取的优先级已被按顺序放在每个报文中了，这可以保证在实时系统中较低的个体隐伏时间。CAN控制器，它完全兼容CAN2.0B协议，可以在有干扰的环境里使用上述协I0、EV(事件管理器)、A/D(模数转换)、12345WRALEAD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7WRALETX0TX1RX0RX1CLKOUTMODEVDD1VDD2VDD36NINVDDINVDDENOUTGND6N6N138VDDOUTENINVCCC05KTXDRXTXDRXDCANL5K100nfVCC47K1234TitleBFile:57-May-2013Sheet4.1程序语言一个应用系统要完成各项功能，首先必须有较完善的硬件作保证。同时还必须得到相应设计合理的软件的支持，尤其是微机应用高速发展的今天，许多由硬件完成的工作，都可通过软件编程而代替。甚至有些必须采用很复杂的硬件电路才能完成的工作，用软件编程有时会变得很简单。因此充分利用其内部S单片机相对应的51汇编语言和结程序设计语言有三种：机器语言、汇编语言和高级语言。机器语言是机器唯一能“懂”的语言，用汇编语言或高级语言编写的程序(称为源程序)最终都必须翻译成机器语言的程序(成为目标程序)，计算机才能“看懂”，然后逐机，用户编程时不必仔细了解所用的计算机的具体性能与指令系统，而且语句的功能强，常常一个语句已相当于很多条计算机指令，于是用高级语言编制程序的速度比较快，也便于学习和交流，但是本系统却选用了汇编语言。原因在于，本系统是编制程序工作量不大、规模较小的单片机微控制系统，使用汇编语言可以不用像高级语言那样占用较多的存储空间，适合于存储容量较小的系统。AT89S52指令长度较短，它在存储空间和执行时间方面具有较高的效率，编成的程序占用内存单元少，执行也非常的快捷，与本系统的应用要求很适合。而且MCS—51指令系统有丰富的位操作(或称位处理)指令，可以形成一个相当完整的位操作指令子集，这是MCS-51指令系统主要的优点之一。对于要求反应灵敏与控制及时的工控、检测等实时控制系统以及要求体积小、系统小的许多“电脑化”产品，可以充分体现出汇编语言简明、整齐、执行时间短和易于使用的特点。4.2主程序流程图主程序流程图如图4.1。开开始各个模块初始化化设定水分要求上下限显显示当前湿度判断当前湿度值超过设定湿度上限否关闭电磁阀低于设定湿度下限是开启电磁阀是主程序的功能是：先将各个模块进行初始化并定义所有变量。设定土壤所需湿度的上下限，同时实时对土壤湿度进行检测，经A/D转换送入单片机处理判断，看测量湿度是否超越设定范围，如果测量湿度大于设定范围上限，则关闭电磁阀，减少灌溉；如果测量湿度小于设定范围下限，开启电磁阀，增加灌溉。同时，液晶实时显示当前土壤湿度值。4.3数据滤波程序设计在本控制系统中，现场一些大功率设备如电机的启/停等，都有可能对附近放置的传感器造成冲击干扰，造成采集的数据中出现突变值，如果不对这些值进行处理会使系统产生错误动作。在此应用数据滤波技术，可有效的滤除或削弱随机干扰，从而提高了采集数据的可靠性。数据滤波技术有中值滤波、算术平均数、滑动平均值法、低通数字滤波方法等。根据本控制系统的特点，防脉防脉冲干扰平均值法在本控制系统中的具体应用为：将一小段时间内采集的N歌数值进行比较，去除最大值和最小值，在将剩下的N-2个数据进行平均，这样就有效的防止了尖脉冲干扰现象。A/D转换器对模拟信号按一定时间间隔进行采样，再量化为数字信号。 (1)模拟信号：时间上连续，幅值上连续的信号，f(t)。(2)离散模拟信号：时间上离散，幅值上连续的信号，f*(t)。(3)数字信号：时间上离散，幅值上离散的信号，f(n)。所谓采样就是将连续信号经采样开关后转变为离散模拟信号的过程，采样可以采用等时隔采样和非等时隔采样。采样需遵循香龙 (Shanno定理：如果随时间变化的模拟信号(包括噪声干扰在内)的最高频率为fmax，值要按照采样频率f≥2fmax、进行采样，那么被采样的信号的样品换所用的时间小道1ms。而系统中的变量为田地内的环境参数等，都属于缓变在保证足够小到满足香龙采样定理即可，太小会增加计算机系统无谓的机时负环境参数。在实际采样中需要注意的一点是：初次采集时，为了确保第一个采集数据的有效性，最好延时一段时间，使得A/D转换器充分初始化。数字滤波流程图如图4.2.Yx=ximaxX>XimaxNYx=ximiniminNxi=i-1minmaxX<Xi4.4显示模块软件设计LEDLED显示模块初始化时转十进制是否在第一行显示数据是输入显示地址命令时输入显示数据回否标，不闪烁设定输入方式，增量不移位，清除屏幕显示，延时等待，将采集到的温湿度数据进行转换，十六进制转换成十进制，然后，判断是否在第一行显示，输入相应的地址数据，延时等待，输入需要显示的数据。4.5数据处理模块开开始初始化开中断调显示子程序否扫描是否有键按下是转按键处理程序TLC2543在每次I/O周期读取的数据都是上次转换的结果，当前的转换结果在下一个I/O周期中被串行移出。第一次读数由于内部调整，读取的转换结4.6矩阵键盘扫描流程图键盘扫描键盘扫描否有键闭合是延时去抖否找到闭合键是建立无效志否是建立有效标志回计算键值图4.5是键盘扫描流程图。按键的触点在闭合和断开时均会产生抖动，这时触点的逻辑电平是不稳定的，如不妥善处理，将会引起按键命令的错误执行或重复执行。现在一般均用软件延时的方法来避开抖动阶段，这一延时过程一延时子程序便直接插入读按键过程中。当按键按下去，对应的功能通过键盘解释程序很快得到执行。这时候操作者通常还没有释放按键，对应的功能就会反复执行，要避免这一现象发生。4.7DS1302工作流程图开开始变量初始化复位端产生一个高电平延时写数据地址增加复位端产生一个高电平延时将该地址的数据读出地址增加数据写完了吗是否数据写完了吗显示数据否回命令字节，命令字节最高位MSB(D7)必须为逻辑1，如果D7=0，则禁止写特别说明的是备用电源B1，可以用电池或者超级电容器(0.1F以上)。虽然DS1302在主电源掉电后的耗电很小，但是，如果要长时间保证时钟正常，最好选用小型充电电池。可以用老式电脑主板上.6V充电电池。如果断电时间较当今，精细农业的观念已经深入人心，而精准灌溉作为其中的重要一环得到了各方人士的重视。在这一大背景下，本文设计了一套开、闭环控制的灌溉控制系统，设计了土壤湿度传感器、电磁阀控制器及灌溉监测控制器，实现了土壤含水率的自动在线监测与调控。本系统可用于农作物精准灌溉控制，节约用性，可满足不同作物对土壤湿度的要求，下位机也可脱离上位机单独工作。还可对作物进行适时、适量灌水，不仅有利于作物的生长发育，而且避免了水的发展具有十分重要的意义。灌溉技术涉及的领域很多，随着科学技术的进步，还会有不断地有新的技实行监控，而未涉及肥的问题，应将水肥结合起来进行灌溉，对作物生长效果会更好；同时还应当考虑土壤湿度和作物需水量两个因素，判断是否要对作物进行灌溉以及所需灌水量的多少。总之，节水灌溉控制技术还处在发展和完善之中，还有好多工作需要去研究。要提高我国节水灌溉系统智能化、自动化水平，早日实现我国农业的现代化，还需要大家不断的努力。李英能等.纪节水农业中的高新技术重点研究领域.农业(5)：(30-31)四年的大学生活将随本论文的定稿和论文的答辩而结束！但大学生活期间的点点滴滴却让我终生难忘！在此，本人首先向我的老师、同学、家人和朋友在这里首先要感谢我的导师。老师平日里工作繁多，但是对于我的毕业设计他一直严格督促。在我做毕业设计的每个阶段，从查阅资料，到设计草案，方案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，设计的修改等整个过程中都给我悉心的指导。我的设计较为复杂烦琐，但是老师给予我很多重要的指导意见，并细心地为我指正设计思想上的误区、纠正原理图中的错误。在此谨向老学术造诣、严谨的科研作风以及执着的敬业精神值得我永远学习。感谢您们在我入学近四年来，无论在生活上还是在学习中，都给予我无微不至的关心和极大的帮助。感谢我同一寝室的同学，感谢你们四年来的支持和陪伴，使我的大学生活过得快乐而充实。同时，衷心的感谢我的父母和亲朋，你们在我的求学过程中已经付出了太多太多，用自己的关爱和无私为我铸造了一个永远无忧的温暖后方，使我能够放心的前行！不管以后我能走多远、站多高，都将不会忘记你们给我的支持和关爱，并将尽我所能得回报你们！愿我们共同奋进、辉煌！衷心感谢所有帮助过我的老师、同学和朋友们，祝我们都有一个美好的明天！衷心entwatermGullymadeonthefilmofwaterflowinthemembranecropsgrowholetoinfluencedbywind,highinvestmentinequipment.Moreinourcountryarethesnlynoticedtopreventmicro-sprinklerfloworificelarge,largenumberoftrafficflowratefasterUnlikendhefynl灌水方法即田间配水方法，就是如何将已送到田头的灌溉水均匀地分布到作物根系活动层中去。按灌溉水是通过何种途径进入根系活动层，灌水方法可分为地面灌溉、喷灌、微灌和地下灌溉。地面灌溉是古老的传统的灌水方法，一般说来它是作为比较是否节水的基点。但是地面灌溉技术也在不断发展不断完善，所以最近也有许多比传统地面灌溉技术更节水的方法。1.新的沟畦灌水工具传统的沟畦灌水是用人工从配水渠开口放水入沟畦，这样既不准确又不方便，而且常因放水口渗漏造成水的田间损失，国外早已采用虹吸管(用于明渠输可提高田间水利用率5%~10%。近代国外又研究出波涌(沟)畦灌或称间歇沟(畦)灌，就是控制放入沟(畦)的流量是间歇的，向田间放一段时间(几分钟或几十分钟)的水然后停止放水一段时间(几分钟或几十分钟)，如此反复，这样可以使沿沟(畦)长度方向的水量分布更加均匀。田间水利用率可达80%~90%。在地膜上做成沟状，水就在膜上流动，到作物长出孔处才渗入土地，这样灌水效率高，一般可节水25%~35%，增产15%~20%，又不要专门的设施。喷灌是通过空中进行喷水，由于需要压力所以常用压力管道输水。一般说要缺点是受风影响大，设备投资高。在我国用得较多的有以下几种：固定管道是用小塑料管将灌溉水直接送到每棵作物根部的附近，水由滴头慢慢滴出，是一种精密的灌溉方法，只有需要水的地方才灌水，可真正做到只灌作物而不是灌土地。而且可长时间使作物根区的水分处于最优状态，因此既省水又增产。但其最大缺点就是滴头出流孔口小，流速低，因此堵塞问题严重。对灌溉水一定要认真地进行过滤和处理。目前我国还都只注意到防止物理堵塞，而同样严重的生物堵塞和化学堵塞问题尚未引起足够的重视。滴灌的主要方式有的地方称之为雾灌，与滴灌相似，只是为了克服滴头太易于堵塞的缺点，将滴头改为微喷头，由于微喷头出流孔口大一些，流量大一些，流速快一些，所以不像滴头那么容易堵塞，但流量加大了，毛管相应也要加粗些，在每棵作物或树下装1~2个微喷头一般即可满足灌溉的需要。微喷头仍有堵塞问题，因此也要对过滤问题给予足够的重视，每公顷造价与固定式滴灌相仿。在国外有逐渐以微喷灌取代滴灌的趋势。特别适用于灌溉果园。渗灌与地下的滴灌相似，只是用渗头代替滴头全部埋在地下，渗头的水不像滴头那样一滴一滴地流出，而是慢慢的渗流出来，这样渗头不容易被土粒和根系所堵塞。最近在国外引进采用废轮胎加工成的多孔渗流管，并进行小面积试点，但是微孔渗流管的堵塞是一个严重的问题，未经长时间试验检验不宜贸推广。地下灌溉是用控制地下水位的方法进行灌溉。在要灌溉时把地下水位抬高到水可以进入根系活动层的高度，地面仍保持干燥，所以非常省水，不灌溉时把地下水位降下去。这种方法的局限性很大，只有在根系活动层下以有不透水二．影响节水灌溉方式选择的因素我国由东南沿海向西北内陆，一般划分为湿润地区、半湿润地区、半干旱，农作物对灌溉的依赖程度也相应递增。湿润地区多年平均降水量大于种植旱作物的田间耗水量，水资源总量有余，只是在干旱季节和部分干旱年份降水量不足，需要补充灌溉；半湿润地区多年平均降水量基本符合种植旱作物的需水量，但由于降水分布不均，干旱年份和干然植被，极易引起土地沙化；干旱地区降水稀少，没有灌溉条件就没有农业，这类地区水源奇缺，河川径流主要来自高山降雨和冰雪融水，不仅工农业赖以发展，而且沿河道附近的自然植被也赖以生存，因此引用河水灌溉，必须顾及因为地形地貌和水文地质条件影响雨水的自然分配，所以也会影响节水灌溉的模式。如山区丘陵区地面坡度陡，易产生水土流失和干旱，因此节水灌溉要采取综合措施。一是通过农业耗作栽培技术和修筑梯田、地埂等，减少坡地水土流失和土壤水分蒸发；二是在冲沟上修筑塘坝，或在适当地点修筑水窖，拦蓄径流，解决饮水和小面积灌溉用水；三是在大的冲沟和支