单片机控制在农田水肥自动调控系统

经典word整理文档，仅参考，转Word此处可删除页眉页脚。本资料属于网络整理，如有侵权，请联系删除，谢谢！摘要ATMEL公司的AT89S51单片机作为核心处理器控制整个系统的工作，系统由湿度传感器，信号采集电路、键盘、显示电路、输出控制电路、串行通信电路、EPROM2气湿度，自动控制水肥调控设备；同时，系统的参考湿度值可修改，并有断电保存功能；信去修改水肥调控系统的参考湿度值，从而实现对整个系统的管理。S302H5V5的A/D转换模块采用了ADC0809LCD程序、键盘扫描子程序、A/D采样子程序、串行接收和发送子程序、LCD显示子程序等。经过实验室的连续调试证明：该控制器具有可靠性高、功能强、自动化控制、操作简建议。关键词：智能，水肥调控，单片机IAbstractThehardwarelayoutandsoftwaredevelopmentforsinglechipmicroprocessorintelligentmicro-irrigationsystemandsystemprogrammingarepresentedindetailinthispaper.BasedontheAT89S51singlechipmicrocomputer,themicro-irrigationsystemconsistsofhumiditymoisturesensors,signalgatheringcircuit,keyboardandmonitordisplaycircuit,outportcontrolcircuit,serialcommunicationcircuit,EPROMreading-writingcircuitandirrigatingequipmentsandsoon.Thesystemisabletoautomaticallydetectthehumidityofenvironmentandcontroltheirrigatingequipment.Thus,thesettinghumiditycanbemodified.Thehumiditymodifiedwillbesavedtopreventfromthatthedataislostwhenthepoweriscutoff.Then,thegatheringhumidityofenvironmentandsettinghumiditywillbesentseriallytothecomputer.Ontheotherhand,thecomputercanmodifythesettinghumidityofthemicro-irrigationsystembytheserialcommunication.Sowecanusethecomputertomanagethemicro-irrigationsystem.Asfarasthedesignofthehardwareisconcerned,herechosetheS302H5V5capacitivehumiditysensorasthehumiditysensor,ADC0809astheA/Dconversion,thetouchingstylekeyasthekeyboard,LCDasthemonitordisplay.Theoutportcircuitisconsistsoftriode,NORgate,relay,light-emittingdiodeandsoon.Thedevelopmentofsoftwareadoptsthepopularmodularizedstructureandthemodularizeddebugfacilities.Thedesignofsoftwareadoptsassemblylanguageentirely.Theprimaryprogramiscomposedofmainprogram,keyboardscanningsubroutine,A/Dsamplingsubroutine,serialtransmitandreceivesubroutine,displayingsubroutineofLCDandsoon.Thesuccessivedebugexperimentsprovethatthesystemischaracterizedbyhighreliability,capablecontrolfunction,controllingbyautomationandsimpleoperations.Inaddition,therearesomesuggestionsaboutthefurtherdevelopmentandimprovementofthemicro-irrigationsysteminthispaper.Keywords:intelligence,micro-irrigation,singlechipmicrocomputerII目录·······························································································································································I····················································································································································II第1章··················································································································································1·································································································································1········································································································································1·····························································································································1··············································································································2··············································································································3·································································································································4·····················································································································4········································································································································4第2章·······················································································································5自动化灌溉概述·····························································································································5··································································································5······································································································7··································································································8········································································································································8第3章········································································································9·····················································································································9·······························································································································10···················································································································10···························································································································10·······························································································································11·····································································································11湿度模块···········································································································11ADC0809·····························································································································12···························································································································13E································································································································162····································································································································17······································································································································18第4章·································································································································19········································································································19·······························································································································20····················································································································21····························································································································23···························································································································26···························································································································29E·······················································································································322···························································································································37······································································································································39·····························································································································································40·····························································································································································421······················································································································································431·······································································································································442第1章绪论水资源危机被公认为未来10年人类共同面临的最严重挑战之一。农业是用水大户，农业灌溉又占用了农业总用水量中的绝大部分，世界各国均非常重视发展水肥调控技术。业的最佳经济效益、社会效益、生态环境效益而采取多种措施的总和。现阶段国内外采[1]经常保持适宜于作物生长的水分、通气和营养状况。一般来讲，水肥调控系统由水泵、[2]分为滴灌、渗灌、微喷灌和小管涌泉灌四类。目前，常用的水肥调控技术有滴灌和微喷[3]灌溉水喷洒在土壤表面进行灌溉的一种新型灌水方法。[4]1.2.1研究背景在所有自然资源中，水是最重要的有限资源，必须合理开发和利用。联合国环境与21[5]均淡水约为200万m，可直接利用的淡水资源人均不到1万m，而且水资源分布不均，33有50多个国家严重缺水，1/3的人口得不到安全用水，缺水形势日趋严重。我国水资源2200m1/413个贫水国之一。2[6]然选择。我国水资源总量为2.8万亿m，居世界第六位，亩均占有1888m占世界平均的4/5，33人均2320m，仅为世界人均的28.6%，排名为109位，农业用水量约为4000亿m，占总331用水量的80%,单方水生产粮食不足1kg[7]0.4利工程引蓄的5000多亿m的水量，有60%左右是在输水、配水和田间灌溉过程中被白白3地浪费掉，而先进国家的灌溉水利用系数可达0.8～0.9。我国目前喷灌面积仅占同期有效灌溉面积的1～2%，大大低于80年代末以色列50%和美国40%的先进水平。[8]1.2.2国内外的发展情况水肥调控最先是从地下滴灌发展起来的，1860年在德国首次利用排水瓦管进行地下灌溉试验。第二次世界大战以后,由于塑料工业迅速发展，出现了各种塑料管，使滴灌系20世纪50列研制成功长流道管式滴头，在滴灌技术的发展中又迈出了重要的一步，20世纪70年代以来许多国家开始重视滴灌，认识到滴灌不仅是一种缺水地区有效利用资源的灌水方式，而且是一种现代化的农业技术措施，发展很快从1981～1986年世界水肥调控面积增加了136%1986～1991年增加77%1991～2000年增加了76%1981～2000年的19年间世界水肥调控面积增加了633%,达到了377万hm。其中，发展最快为发达国家，以美国和2以色列为代表。[9]20世纪70年代，美、苏、法等国就开始大量采用自动或半自动的喷灌机来代替人工移动的支管，尤其是中心支轴式、平移式等大型喷灌机的应用,大大地减轻了劳动强度,提高了效率,降低了单位面积的投资,到1983年,世界喷灌面积已达2645.9万hm2知,以色列是一个水资源严重紧缺的国家,2/3的国土是沙漠荒山,全年7个月无雨,人均水资源占有量仅365m,只有世界平均水平的3%，因此,以色列必须大力发展水肥调控技术,3而在此当中,1981～2000年的20年时间里,以色列的水肥调控面积翻了一番,达到16万hm,占总灌溉面积的70%2列传统耕耘观念,使每寸土地都包含着高科技。滴灌系统把混合了肥料、农药的水渗入植株根部,90%,,沙漠出现成片的绿色,使以色列农业用水大量减少,产出则较以前翻了5番。[10]我国从70,入90年代后,随着我国科学技术水平的提高,塑料工业的不断发展和完善,世界范围的水肥调控技术越来越成熟,从国家领导到一大批直接受益的用户都认识到了发展水肥调控的重要性。到1998年已经发展水肥调控面积18.21万hm，占节水工程总面积的1.19%。2[11]主要经过了引进、消化和试制，设备和理论的深化研究，改进、研制、制定技术标准和规要问题为：[11]2一、是水肥调控设备种类少，性能差，生产工艺水平还比较落后，材质不耐老化；二、是水肥调控系统抗防堵塞研究不够深入，过滤设备等水净化装置种类少，造成了水肥调控系统的报废；三、是我国目前的水肥调控主要集中在果菜等经济作物，大田作物水肥调控技术及适应设备亟待研究解决。1.2.3研究的意义和目的现实意义。率很小。喷水肥调控技术可以实现节省劳力、节省水量,获取更高的劳动生产率、水分生,要节约灌溉用水,提高水分生产率,水肥调控(包括滴灌)主要应用于园艺作物、花卉、葡萄、果园、油橄榄等。从我国目前的233.3万hm,而水肥调控面积仅30万hm22潜力。[10]另外，水肥调控技术本身具有很多的优点。[11]（170%,灌水均匀度在90%以上，能有效控制作物实际需要的灌水量；（2,节省肥药在50%以上，能做到肥药不流失，不污染环境；（3）提高灌溉效果，浇水不过量，土地不板结，提高地温大大减少棵间蒸发，降低棚内湿度，减少病虫害，座果率提高；（430%～50%，而且提高了灌水质量；术和水肥调控技术结合起来，实现水肥调控自动化。3溉的自动化控制，减少人力投入，提高科学管理。本课题的设计任务为利用ATMEL公司的AT89S51单片机作为智能水肥调控系统的核心控制器件，利用S302H5V5湿度传感器采集土壤周围空气湿度，按照设定好的程序，根据情况。课题的技术要求：（1）熟练运用单片机控制整个水肥调控系统；（2）单片机能正确接收到湿度传感器传送的信号；（3）A/D转换模块能将传感器的模拟信号准确转换成数字信号；（4出相应的动作；（5应的湿度，并将转换后的湿度送到液晶显示出来；（6）湿度传感器要能够采集到土壤周围空气的湿度变化；第1义、研究目的和论文主要结构。第2章：介绍水肥调控自动化技术的发展情况及种类。第3章：介绍系统总体设计思想、硬件构成、主要器件及其应用技术。第4章：介绍整个系统的软件设计思想及过程。结论部分对本文进行了总结，并对未来的工作方向提出一些建议。4第2章水肥调控自动化技术（1）灌溉自动化概念连[12]和经济地运行。这样就使其不仅具有较高的科技含量而且具有较强的实用性。时、适量灌溉，具有节能、高产、高效益等显著优点。[13]（2）灌溉自动化的分类溉系统不需要人直接参与，而是根据预先编制好的控制程序和反映作物需水的某些参量，和灌溉周期等，只是根据预先编制的程序进行控制的。[14]系统。（1）国外水肥调控自动化技术的发展也为世界的前列，其中以美国、以色列、法国、澳大利亚等为代表。5国外在水肥调控自动控制技术和设备的研究上发展迅速，美国微型电子计算机及PLC(ProgrammableLogicController,可编程控制器)的应用使自动化系统发生了根本[12]农田灌溉和田间管理完全自动连续的进行。PLC是以微处理器为核心，综合了计算机技术、通信技术而发展起来的一种新型、通用的自动控制装置，具有结构简单、性能优越、可靠性高、灵活通用、易于编程、使用方第一台可编程控制器196030PLC构基本上与微机相同，即由微处理器存储器（CPUI/O）模块、外设I/O接口、电源等组成。各部分通过总线（电源总线、控制总线、地址总线、数据总线）连接而成。[12]用装置，拥有1-4个流路，注入流量为0-57h/L，每一路均配有流量计和调节阀。[15]PLC全部采用水肥调控，以滴灌为主。以色列温室滴灌的最高水利用率为95%。新近研制的压发出的系列化缝隙式、折射式、旋转式微喷头及连接件产品，材质好、耐磨损、喷洒效果效果更好，但成本也相对较高。[15]设现代化的灌溉管理技术体系，应用高、新技术使农业灌溉向精准化方向发展。在美国、溉效果。此外，流域的天气情况、河湖水位、水质等信息均可传输到监测中心，用于辅助普罗旺斯渠道工程可实现中央控制室对整个工程的自动监测控制4800个信息采集点对水位、流量、闸门开度和水质进行遥控，15min便可自动采集一次数据。[1]6（2）国内水肥调控自动化技术的发展我国自20世纪50年代以来[13]达国家的技术存在着相当大的差距。自1974年由墨西哥政府赠送我国3套滴灌设备开始引进滴灌技术以来，水肥调控技术在我国已有30余年的发展历程。进入90年代后，国家对农业水肥调控更加重视，[16][16]模。但绝大数，还是引进以色列、美国、法国、韩国等国家的部分先进技术和设备。引进一些设备并不适合我国的土壤环境。为多，各灌区限于设备和仪器的原因，没有准确测定土壤墒情、土壤温度等信息的能力。自20世纪50年代起，我国便对主要农作物需水量、需水规律、灌溉制度进行了较多的试验研究，绘制了全国主要农作物需水量等值线图，建立了全国灌溉试验资料数据库。[17]系统和数据传输系统，全灌区测试数据参差不齐，很难作汇总分析。控制系统方面已开[1]术，改善生态环境，建立生态高科技农业。（1）农业精确灌溉技术(RS)、地理信息系统(CIS)和全球定位系统(CPS)以及计算机等先进技术，对农作物、土壤墒情、气候等从宏观到微观进行监测预报，并根据监测结果，采用高科技(滴灌、渗灌、微喷、脉冲)灌溉设施，以缓慢精确向作物根部直接供水供肥的灌水技术。受技术的限制，这[18]推广和发展。（2）预报灌溉7势，作物生长及需水量预测，预报适宜灌水时间、灌水量，做到适时适量灌溉作物。它[18]的有效利用率。（3）调控灌溉而且能够改善作物的品质。[18]土壤墒情、土壤湿度、降雨、蒸发、水资源供给、作物的需水及需肥规律等信息的综合分以适应高效农业和精细农业的要求。本章对水肥调控自动化技术的概念进行简单的介绍，重点讲述了水肥调控自动化技发展方向。8第3章系统设计思想及主要应用器件得到广泛应用[19]应用软件也日趋完善，采用AT89S51作为核心控制器件。智能水肥调控系统的总体设计思想如下：（1）湿度采集：利用湿度传感器采集土壤周围空气湿度，从而间接测量土壤湿度，并将其转换成足够大的模拟电压信号；（2）信号处理：利用A/D转换器件ADC0809将模拟电压信号转换成数字信号，然后传给单片机AT89S51；（3）键盘：采用4×4的点触式键盘，实现系统参考湿度值的修改；（4）显示模块：采用LCD显示，显示两个系统参数——采集的湿度值和当前的参考湿度值；（5）控制灌溉：继电器的常开开关在线圈通电后会闭合，利用这种特性，将其作为外部灌溉电路的控制开关，实现系统灌溉的自动化；（6）存储参考湿度值：采用EPROM器件存储参考湿度值，保证断电后，修改后的参2考湿度值不丢失；（7）串行通信：通过单片机的串行发送TXD和串行接收RXD，实现单片机与PC之间的通信。（8）软件：①实现数字量到电压值的转换，电压值到湿度值的转换；②LCD显示系统的两个参数——当前湿度值和参考湿度值；③将修改的参考湿度值保存在EPROM；2④实现灌溉的自动化；⑤键盘扫描和处理；⑥AT89S51与PC之间的通信；93.2.1硬件设计思想部处理传感器传送过来的数据，然后做出决策，控制系统。本系统的硬件电路基本思想：（1我们选择了将湿度转换成电压信号输出；（2）考虑到输出的电压信号可能较小,因此在系统中加入信号放大电路；（3）单片机只能接收数字信号，因此，利用A/D转换将模拟电压信号转换成数字信号，再通过数据口传给单片机；（4）利用三极管的开关特性，实现单片机对控制电路的控制；（5）LCD显示：单片机送出数据，由LCD显示系统参数；（6）串行通信：单片机与PC之间的电平标准不一样，因此要实现二者之间的通信，就要在二者之间加入电平电路；（7）单片机内部提供的存储器为RAM和ROM。其中RAM存储的数据可以随时更改，ROMROM中便无法更改。为了实现数据可以随时更改和断电不丢失，我们加了外部存储器EPROM；2（8）键盘：采用4×4的点触式按键。3.2.2硬件构成（1）核心控制：采用ATMEL公司的AT89S51作为核心控制器件；（2）湿度传感器：采用北京宝力马传感器技术有限公司的S302H5V5，其为湿度采集模块元件，无需外加的信号放大电路；（3）AD转换：采用8位AD转换器件ADC0809作为A/D转换的核心；（4）电平转换：采用MAX232实现TTL电平到RS-232电平的转换；（5）EPROM存储：采用AT24C02作为存储器件；2（6）控制电路：主要由继电器、三极管和LED组成。103.3.1核心控制器件AT89S51从20世纪70片微型计算机（singlechipmicrocomputer）,简称单片机。由于单片机面向控制性应用领域,装入到各种智能化产品之中,所以其又称为嵌入式微控制器(embeddedmicrocontroller)。从性能和和用途上，单片机正朝着面向多层次用户的多规格方向[20]发展。效率和产品的质量。本系统应用的AT89S51，性能稳定，价格便宜，易购买。其为8位面向控制的51系列单片机，内部的数据存贮器为静态随机存取存贮器SRAM，其属于FlashMemory型单片机，内部含有快速的FlashMemory程序存贮器，容量为4K字节，可以利用工具对程序存贮器反复擦除和写入，使用方便。同时，其支持（InSystemProgram写文件为FLASH文件，在系统编程的接口图如图3-1所示。它和Intel的MCS-51系列单片机中典型产品兼容、开发和使用简便。图同时，AT89S51拥有一个全双工的异步串行口，这为实现和上位机的通信提供了便利。3.3.2S302H5V5湿度模块S302H5V5为高分子薄膜型电容感湿元件，厚膜制造工艺，保护树脂密封，抵抗环境110.8～3.9v,集有重要作用。3.3.3ADC0809ADC0809为一种8路模拟输入8位数字输出的A/D拟信号转换为数字信号。其内部为树形开关和多个比较器。其将参考电压V256等分，ref然后通过比较器得出数字信号。单5v供电，输出电压为0～5v范围的TTL标准电压，与微处理器的兼容性好，输出为三态（高电平1ADC0809主要控制引脚：[20]（1）A、B、C：通路选择输入线，可以实现8路输入。（2）ALE：通路锁存控制信号输入线，ALE电平正跳变时把A、B、C指定的通路地址锁存到片内通路地址寄存器。（3）CLK：转换时钟输入线，其范围在10～1200kHz，一般取640kHz，此时的转换速度为100us一次；该信号由单片机的ALE端提供。（4）START：启动转换控制信号输入线，该信号的上升沿清除内部寄存器，下降沿启动控制电路开始A/D转换，在系统中，此信号由单片机的写信号WR和高位地址线信号异或提供。（5）EOC：转换结束信号输出线，转换结束后EOC线输出一个宽为8个CLK周期的负脉冲。（6OE：输出允许控制信号输出线，OE为高平时把转换结果送数据线2～2OE为-1-8低电平时2～2为浮空态；这样处理可以保证单片机和A/D转换二者不互相干扰。-1-8ADC0809主要控制引脚时序图如图3-2所示。12图3.3.4串行通信中央处理器CPU行口来实现。与并行通信相比，串行通信速度较慢，但其适合远距离的通信。3.3.4.1串行通信的分类按照串行数据的时钟控制方式，串行通信可分为同步通信和异步通信两类。（1）同步通信13字符和校验字符CRC[21]CyclicRedundancyCheck）三部分组成。同步字符可以采用统同步通信的单同步字符帧的传输格式如图3-3所示；双同步字符帧传输格式如图3-4所示。图图（2）异步通信（AsynchronousCommunication）帧地发送，每一帧数据均是低位在前，高位在后，通过传输线被接收端一帧一帧地接收。发送端和接收端可以由各自独立的时钟来控制数据的发送和接收，这两个时钟彼此独立，步通信对硬件要求较低，实现起来比较简单、灵活，适用于数据的随机发送/接收，但因机中主要采用异步通信方式。异步通信有两个重要的指标——字符帧格式和波特率。①字符帧也叫数据帧，由起始位、数据位、奇偶校验位和停止位等4部分组成。起始位：位于字符帧开头，只占一位，为逻辑0低电平，用于向接收设备表示发送端开始发送一帧信息。数据位：紧跟起始位之后，用户根据情况可取5位、6位、7位或8位，低位在前高位在后。偶校验，由用户决定，或者也可以不使用。停止位：位于字符帧最后，为逻辑1高电平。通常可取1位、1.5位或2位，用于向接收端表示一帧字符信息已经发送完，也为发送下一帧做准备。143-5若干空闲位，有3个空闲位的字符帧格式如图3-6所示。图图②波特率为每秒钟传送二进制数码的位数，也叫比特数，单位为b/s，即位/秒。际传输速率不同，字符的实际传输速率是每秒内所传字符帧的帧数，和字符帧格式有关。3.3.4.2串行通信的制式单工、半双工和全双工三种制式。（1）在单工制式下，通信线的一端接发送器，一端接接收器，数据只能按照一个固定的方向传送。（2）半双工制式下，系统的每个通信设备都由一个发送器和一个接收器组成。数据能从A站传送到BB站传送到A能一端发送，一端接收。其收/发开关一般是由软件控制的电子开关。（3）全双工通信系统的每端都有发送器和接收器，可以同时发送和接收，即数据可以在两个方向上同时传送。AT89S51就属于这种制式的。于半双工制式下，因为这种用法简单、实用。15CPU给CPU，或从CPU接收并行数据，转换成串行数据后输出到外部逻辑。这样的处理方法，有利提高反应时间和传输速度。3.3.4.3串行通信总线标准及其接口RS-232C是使用最早、应用最多的一种异步串行通信总线标准。它是美国电子工业协EIA19621969RS表示RecommendedStandard，232是该标准的标识号，C表示最后一次修订。RS-232C主要用来定义计算机系统的一[23]些数据终端设备和数据电路终接设备之间的电气性能。RS-232C采用串行格式，其标准规定：信息的开始为起始位，信息的结束为停止位；信息本身可以是5678表示空。RS-232C串行格式如图3-7所示。图RS-232CTTL是+5V和地，而是采用负逻辑，即逻辑“0”：+5v～+15v；逻辑“1”：-5v～-15v。而TTL12.8v～5v00v～0.8vRS-232C不能和TTLTTL电路烧坏。MCS-51单片机与PC机的通信就是采用该种类型的接口，电平转换采用MAX232。MAX232内部存在两组电平转换门，第一组是实现从TTL/CMOS到RS-232，第二组实现从RS-232到TTL/CMOS。3.3.5EPROM2选用AT24C022K字节。AT24C02读写采用IC串行总线来2实现。IC总线是通过两根线（SDA串行数据线和SCL串行时钟线）实现器件之间通信的2IC总线标准的单片机或ICIC2216的连接。CPU不仅能通过指令将某个功能单元电路挂靠或摘离总线，还可对该单元的工作状况进行检测，从而实现对硬件系统的既简单又灵活的扩展与控制。IC总线接口具有双向传输的接口特性。IC总线根据器件的功能通过软件程序使其可22工作于发送或接收方式。当某个器件向总线上发送信息时，它就是发送器(也叫主器件)，(也叫从器件)据并产生时钟以开放传送的器件，此时任何被寻址的器件均被认为是从器件。IC总线的2没有优先机。3.3.6LCD显示器件采用JHD1620，它带有背光源，为慢显示器件。其模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字制器共有11条控制指令，显示全部通过编程来实现。指令库如表3-1所示。表3-1液晶显示编程指令指令RSRWD7D6D5D4D3D2D1D0清显示0000000000000010100000001000001000010001001D011*光标返回0置输入模式显示开/关控制光标或字符移位置功能0I/DS0CB**0S/CR/L*0DLNF*置字符发生存贮器地址00字符发生存贮器地址(AGG)置数据存贮器地址读忙标志或地址001显示数据存贮器地址(ADD)计数器地址(AC)要写的数BF写数到CGRAM或DDRAM1从CGRAM或DDRAM读数1读出的数据（1）指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。（2）指令2：光标复位，光标返回到地址00H。17（33：光标和显示模式设置。I/DS:屏幕上所有文字是否左移或者右移，高电平表示有效，低电平则无效。（4）指令4D：控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示；C：控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标；B：控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁。（55S/C（6）指令6：功能设置命令。DL：高电平时为4位总线，低电平时为8位总线；N：F:低电平时显示5×7显示5×10的点阵字符。（7）指令7：字符发生器RAM地址设置。（8）指令8：DDRAM地址设置。（9）指令9：读忙信号和光标地址。BF：为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。（10）指令10：写数据。（11）指令11：读数据。本章简单介绍了系统的设计思想、硬件组成及主要器件的工作原理。18第4章系统软件设计（1ADC0809ADC0809A/D转换完毕后取数据、ADC0809数据采集的间隔。（2ADC0809将其还原成采集到的电压值，同时要保证一定的精度。（3）电压值到湿度值的转换：系统最终要得到是湿度值，电压值只是一个中间信号，要根据传感器的特性，确定传感器输出电压与采集到的湿度的关系，算法要在（1）的基础上，将其再转换成湿度，在这过程中还要解决精度的问题。（4）EPROM写数据和读数据：EPROM读写采用IC总线传输形式，而IC总线的读写2222遵循严格的时序，要确保时序的准确性，存储参考湿度值，保证数据断电不丢失。（5闭合与断开。（6）键盘扫描：当进入设置状态后，实现对键盘的16个按键的扫描，键盘按键要实现功能为：输入0～9十个数字、数据加1和减1操作、数据更改后确认、数据清零、开/关LCD的背光灯。（7）串行通信：①PC接收单片机发送的采集到的湿度值和参考湿度值。②接收PC键盘发送的数据，当发送数据的格式符合要求，就对参考湿度值进行相应的更改。（8）LCD显示模块：LCD显示初始化、显示。19系统软件的主控程序流程如图4-1所示。理采集的湿度是否小于参考湿度？调用显示中断返回图204.2.1A/D转换模块4.2.1.1设计思想ADC080916位的数据指针DPTRDPH（DPTR高8位）和DPL（DPTR低8P2口为高8位地址，P0口为低8位地址。由于ADC0809采集只用到一路，因此，地址线ABC全部接地，即地址为000，选通ADC0809的0通道。最高位地址选用P2.7，同时规定有用的地址线设为0（低ADC0809存在一个转换结束标志EOC，EOC在转换结束后会产生一个宽度为8个转换时钟周期的负脉冲。要在EOC来临后，完成送数的操作。可以采用两种方式进行送数：（1）查询方式：即在启动ADC0809之后，利用语句判断EOC是电平是否为低电平。如果为低电平话，则进行读转换结果；否则，就等待。（2）中断方法：转换结束后，EOC的电平会触发中断，在中断处理子程序里面进行读A/D转换结果。鉴于中断无须等待、处理方便的特点，采用中断方法。4.2.1.2程序框图先将中断初始化，然后启动ADC0809，一旦A/D转换结束完，EOC就会触发中断，这时程序就会跳入中断处理子程序。当中断事件处理完毕，就返回到原来产生中断的位置，接着执行下面的程序——数据处理和调用显示。A/D转换流程如图4-2所示。21Y读A/D数据处理子程序中断返回图4.2.1.3汇编语言设计A/D转换完后采用中断方式读转换结果。在这里，选用中断1，即ADC0809的EOC接单片机的P3.3。因为，转换完毕后，EOC为负脉冲，所以中断1采用边沿触发方式。由于LCD与A/D共用数据口P0LCD干扰单片机读A/D子程序后，要首先关闭LCD。（1）中断初始化：SETBSETBSETBEAEX1IT1以上为中断1的初始化语句。EX1为外部中断1中断允许位，EX1=1允许外部中断1。IT1为外部中断源1触发方式控制位，有两种触发方式。IT1=0，外部中断1程控为是电平触发方式；IT1=1，外部中断1程控为边沿触发方式，即当外部中断信号由高电平向负低电平跳变时，CPU响应中断。22（2）启动ADC0809：AD_CONV：MOVDPTR，#7FFFHMOVX@DPTR，ADPTR为16位的数据指针，硬件上选择P2.7作为最高位地址线，而P2口的其它地址线和P0地址口都没有使用，所以DPTR为7FFFH。（3）中断处理子程序：INT_1：SETBRSCLRRWSETBEMOVDPTR，#7FFFHMOVXA，@DPTRMOVAD_DATA，ALCALLDATA_PROCESS_1LCALLVOL_CONV_HDYLCALLDESPLAYINT_1_D3：RETI在中断处理子程序的开始，为了避免在读转换结果时，数据口P0受到液晶读写的干扰，所以要关液晶，即RS=1RW=0E=1。接下来就是把A/D转换的结果读进来，然后存入内存中。4.2.2LCD显示4.2.2.1设计思想LCD的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。LCD存在三条控制线RS、RW、E。（1）RS为寄存器选择线，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。（2）RW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RW同为低电平时可以写入指令或者显示地址。当RS为低电平、RW为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平、RW为低电平时可以写入数据。（3）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。志。当其为低电平时，则表示不忙，否则此指令失效。液晶地址分布如图4-3所示。23图4.2.2.2程序框图LCD显示字符流程如图4-4所示。YNN结束图244.2.2.3汇编语言设计（1）液晶初始化：MOVP0，#01HLCALLLCD_ENMOVP0，#38HLCALLLCD_ENMOVP0，#0CHLCALLLCD_ENMOVP0，#06HLCALLLCD_EN初始化过程的主要工作为清屏幕、设置液晶晶示模式（包括总线的位数、显示行数、用写命令子程序即可完成显示初始化。（2）写显示地址写入的地址并非直接等于显示位置的实际地址，因为写入显示地址时，要求最高位D7定为高电平1，所以实际写入的地址数据应该是实际地址与80H相加的结果。（3）写入显示字符（以写入I为例）MOVSETBCLRCLRP0，#49HRSRWELCALLLCD_BUSY要让液晶某一字符，应向液晶的数据口该字符的ASCII码，然后选择数据寄存器（RS=1RW=1E=1（4）写命令子程序LCD_EN：CLRRSRWECLRCLRACALLBUSYESETBRET写命令主要是对三个控制位进行操作，包括：选择指令寄存器（RS=1（RW=0E=0（5）忙判断子程序25LCD_BUSY：MOVP0,#0FFHCLRRSSETBRWCLRENOPSETBEJBP0.7,BUSYRET忙判断主要是借助忙判断指令，去读取高位D7的状态，如果其为高电平说明液晶仍处于忙状态，这时候是不可以再对液晶写数据的，否则，数据无效，一旦高位为高电平，就让其进入循环判断状态，直到高位为低电平时，才退出判断子程序；当其为低电平时，则说明液晶处于空闲状态，可以对其进行其它的操作。4.2.3湿度算法4.2.3.1程序思路读取的A/D转换结果为数字量，因此，第一步是要将其转换成电压值。ADC0809将参考电压256等分，参考电压V=5v，故算法的基数为51。采集到的电压是小数的，为了ref算法处理后得到的电压值、电压值的个位和十分位。湿度模块S302H5V5的电压值与相对湿度之间的函数关系近似为线性，湿度电压关系如图4-5所示。设输出电压为V，相对湿度为H，二者的近似关系式如公式（4-1）所示。H3V4-1）将带小数点的电压全部换成整数来处理，即将电压放大10倍，放大电压后湿度转换公式如公式（4-2）所示。10V9H公式（4-2）3放大后的电压范围V'为：9～39，当其减去9后直接乘以10，就会存在溢出问题，因此，在算法中，将V'-H函数关系分成两段处理。V'小于34时，采用的计算公式如公式（4-2）所示；V'大于等于34时，采用的计算公式如公式（4-3）所示。26H25010(V34)公式（4-3）33图H4.2.3.2程序框图（1）数字信号转换成电压数字量转换在电压流程如图4-6所示。27电压的十位乘10，加上个位得到放大10倍电压值余数除以5，得到电压的个位图（2）电压转换成湿度电压转换成湿度值过程如图4-7所示。28转换后电压赋给累加器结束图4.2.4键盘扫描4.2.4.1按键功能定义按键功能的定义如图4-8所示。29图4.2.4.2键盘扫描原理4×4键盘的分成四行和四列，当键盘上某一按键闭合时，则该键所对应的行线和列线被短路。扫描从行线开始，行线完毕后，移到下一列，再扫描，直到全部的列线都扫描到。先使P2.3为低电平(0),其余三根列线P2.2P2.1P2.0都为高电平，读行线P2.7，P2.6P2.5P2.6。如果P2.7P2.6P2.5P2.6都为高电平，则说明P2.3这一列没有键闭合。如果读出的行线状态不全为高电平，则为低电平的行线和P2.3相交的按键处于P2.3P2.2平，用同样方法检查P2.2这一列上有无键闭合。以此类推，直至P2.0列。4.2.4.3程序处理为键盘设置一个SETTING键，其接中断0。当SETTING按下时，则响应中断0，置标志。返回主程序中，判断标志位，如果标志为FFH，则转入键盘扫描，否则，程序去处理短和开关的机械特性有关。因此，在按键处理子程序中要消除抖动。4.2.4.4键盘扫描程序框图键盘扫描过程如图4-9所示。30Y其他处理程序按键处理子程序图314.2.5EPROM读写24.2.5.1IC总线时序2在IC总线上传送信息时的时钟同步信号是由挂接在SCL时钟线上的所有器件的逻辑2“与”完成的。SCL线上由高电平到低电平的跳变将影响到这些器件，一旦某个器件的时SCLSCL线上的所有器件开始低电平期。SCL件将进入高电平等待的状态。当所有器件的时钟信号都上跳为高电平时，低电平期结束，SCL线被释放返回高电平，即所有的器件都同时开始它们的高电平期。其后，第一个结束高电平期的器件又将SCLSCL器件确定。SCL据线SDA由高电平跳变为低电平定义为“开始”信号；当SCLSDA线发生以后，总线即被认为处于忙状态；在结束信号以后的一段时间内，总线被认为是空闲的。开始信号和结束信号时序如图4-10所示。图C4.2.5.2数据传送格式IC总线的数据传送格式：在IC总线开始信号后，送出的第一个字节数据是用来选2278位为方向位(R/W)0即主器件把信息写到所选择的从器件；方向位为“1”表示主器件从所选择的从器件读信息。开始信号后，系统中的各个器件将自己的地址和主器件送到总线上的地址进行比较，32还是发送信息则由第8位(R/W)确定。IC总线上每次传送的数据字节数不限，但每一个字节必须为8位，而且每个传送的字节后面必须跟一个认可位（第9ACKSCL使时钟SCLSDA1个结束信号，SCLSCLACK）认可位，在此时钟内主器件释放SDA线，一个字节传送结束，而从器件的响应信号将SDASDASDA线返回高电平，进入下一个传送周期。4.2.5.3AT24C02的程序读写原理对AT24C02的写数据过程为单片机向它发送开始信号，然后向SDA送器件地址；接SDA时序如图4-11所示，写多个字节SDA时序如图4-12所示。图33图对AT24C02后送停止信号。读过程SDA时序如图4-13所示。图写入器件地址和数据结束后，都要判断ACK，即写入是否成功，有接到ACK标志位，说明器件有接收数据；如果没有接收ACK，单片机就会处于等待状态。4.2.5.4程序框图对AT24C02的某一地址写入数据过程如图4-14所示；读出AT24C02某一地址的读数据过程如图4-15所示。34)NNN图35送器件地址(方向位为写)写器件地址(方向位为写)送结束信号送器件地址(方向位为读)写器件地址(方向位为读)Y图364.2.6串行通信4.2.6.1串行通信原理单片机内部有数据发送缓冲器和数据接受缓冲器，都用SBUF表示。发送数据即将数据赋给发送缓冲器，再由外部的接收设备从SBUF中读取数据；而接收数据，则是外部设备将数据发送到SBUFSBUF方式和波特率。工作方式通过控制寄存器（SCON）设置。SCON为8位寄存器，包括工作方式选择位（SM0、SM1SM29位数据TB8、RB8；以及发送和接收中断标志TI、RI。当串行口发送完一个字符由内部硬件置位发送中断标志TI，接收一个个字符后也由内部硬件置位接收中断标志RI。当CPU响应串行中断时，TI和RI要有软件来清零。波特率由波特率发生器产生，设B为波特率，f为振荡器频率，TH1为定时器T1的计数初值高8位数，工作方式1的波特率计算公式如公式（4-4）所示。f3212256THB2S公式(4-4)4.2.6.2程序设计串行通信采用工作方式1，允许串行接收，采用串行中断，中断子程序中接收数据和SCON设置为SMO=0SM1=1SM2=0REN=1TB8=0RB8=0TI=0RI=0，即SCON=40H。波特率为1200b/s，设置为SOMD=0，f=11.0592MHz，TH1=E8H。PC向单片机发送的数据格式如表4-1所示，其中N，N，N为9的数字。只有格10式符合时，单片机才会对数据做出处理，否则就放弃数据。2表开始位数据位结束位SNNNO0124.2.6.3程序框图串行通信的单片机发送过程如图4-16所示；接收数据过程如图4-17所示。37结束图38结束图本章详细介绍了系统软件的设计思想、各个软件模块的设计原理以及具体的软件框图。39结论一、系统总结通过查阅大量文献资料，了解水肥调控自动化技术，本系统利用汇编语言、WAVE仿真软件VW和仿真机实现了对系统软件的设计和调试，实现了系统控制的自动化。系统软件设计的关键在于湿度算法、EPROM读写、串行通信、键盘扫描这四大模块。2系统经过调试和测试，可以实现：（1）采集土壤周围空气湿度，自动与参考湿度值比较，实现灌溉的自动化。（2）采集到的湿度值和参考湿度值可以由LCD显示出来。（3）可以通过键盘对参考湿度值进行修改。（4）修改后的参考湿度值会被保存在EPROM中，防止断电丢止。2（5）采集到的湿度值和参考湿度值可以通过串口传给PC，PC的键盘也可以通过串口对参考湿度值进行修改。实验测试结果表明，该系统具有稳定、实用、经济、操作简单等方面的优势。二、在进行本次设计的过程中主要遇到以下问题：（1）在读A/D转换结果程序设计的实现过程中，遇到数据读取错误的问题。原因就在于单片机AT89S51的P0同时作为多个读写器件的数据口时，各个读写器件之间存在着干扰，影响器件工作。因此，在对某一器件操作时，其他的读写器件应当关闭，保证这一器件在整个数据的读写过程不受干扰。（2）在EPROM读写程序设计的实现过程中，主要遇到了时序匹配控制问题。串行时2钟SCL和数据SDA写转换过程需要有足够的延时，保证状态转换的正确。（3）系统软件中用到多个中断。多个中断的开放就会存在优先级高的中断影响优先处理完毕要返回才可再开放那些被关闭的中断。（4）串行通信的设计主要要注意的就是在字符接收和字符发送完毕后，要将标志位RI和TI软件清零，保证下一个字符操作的顺利进行。三、未来工作展望统软件进行完善。（1）土壤灌溉的参数包括空气湿度、土壤湿度、土壤质量、地形、空气温度等多个方因素。（240,会经济信息相结合提出实施计划，通过全球定位系统的控制，即可使农业机械完成播种、施肥、灌溉、除草、培土及收割等工作。这些技术在未来可以应用于土壤参数的监控中，使灌溉管理更加合理和科学。（3）记录保存系统的采集到的参数。将这些系统参数建成一个灌溉智能决策库，以此为系统灌溉决策的依据，形成一个科学的智能决策系统。41谢辞42参考文献吴修文,孙玉娟,袁修坤.我国温室水肥调控技术的现状及发展趋势.农业装备与车辆工,,.CAPABILITYOF43附录1软件程序#include<reg52.h>#include<intrins.h>typedefunsignedcharuchar;typedefunsignedcharuint;//****************************************IO***************************************sbitMISO=P1^3;端口定义sbitMOSI=P1^1;sbitSCK=P1^4;sbitCE=P1^5;sbitCSN=P1^0;sbitIRQ=P1^2;sbitLcdRssbitLcdRwsbitLcdEn=P2^3;=P2^2;=P2^1;sbitACC0=ACC^0;sbitACC7=ACC^7;sbitSet=P2^5;sbitUp=P2^6;//模式切换键//加法按钮sbitDown=P2^7;sbitDQ=P2^0;//减法按钮//温度传送数据IO口//发光二极管模拟继电器输出sbitJDQ=P2^4;chardone,count,temp,flag,up_flag,down_flag;inttemp_value;//温度值inttemp_value;//报警温度ucharTempBuffer[5];/***********1602液晶显示部分子程序****************/44//PortDefinitions***************************************sfrDBPort=0x80;//P0=0x80,P1=0x90,P2=0xA0,P3=0xB0.数据端口/内部等待函数***********************************************unsignedcharLCD_Wait(void){LcdRs=0;LcdRw=1;_nop_();LcdEn=1;_nop_();LcdEn=0;returnDBPort;}//向LCD写入命令或数据****************************#defineLCD_COMMAND#defineLCD_DATA0//Command1//Data#defineLCD_CLEAR_SCREEN0x01//清屏#defineLCD_HOMING0x02//光标返回原点voidLCD_Write(bitstyle,unsignedcharinput){LcdEn=0;LcdRs=style;LcdRw=0;_nop_();DBPort=input;_nop_();//注意顺序LcdEn=1;_nop_();//注意顺序LcdEn=0;_nop_();LCD_Wait();}//设置显示模式********************************************45#defineLCD_SHOW#defineLCD_HIDE#defineLCD_CURSOR#defineLCD_NO_CURSOR#defineLCD_FLASH0x04//显示开0x00//显示关0x02//显示光标0x00//无光标0x01//光标闪动#defineLCD_NO_FLASH0x00//光标不闪动voidLCD_SetDisplay(unsignedcharDisplayMode){LCD_Write(LCD_COMMAND,0x08|DisplayMode);}//设置输入模式************************************************************#defineLCD_AC_UP#defineLCD_AC_DOWN#defineLCD_MOVE0x020x00//default0x01//画面可平移#defineLCD_NO_MOVE0x00//defaultvoidLCD_SetInput(unsignedcharInputMode){LCD_Write(LCD_COMMAND,0x04|InputMode);}//初始化LCD************************************************************voidLCD_Initial(){LcdEn=0;LCD_Write(LCD_COMMAND,0x38);LCD_Write(LCD_COMMAND,0x38);//8位数据端口,2行显示,5*7点阵LCD_SetDisplay(LCD_SHOW|LCD_NO_CURSOR);//开启显示,无光标LCD_Write(LCD_COMMAND,LCD_CLEAR_SCREEN);//清屏LCD_SetInput(LCD_AC_UP|LCD_NO_MOVE);//AC递增,画面不动}//液晶字符输入的位置************************46voidGotoXY(unsignedcharx,unsignedchary){if(y==0)LCD_Write(LCD_COMMAND,0x80|x);if(y==1)LCD_Write(LCD_COMMAND,0x80|(x-0x40));}//将字符输出到液晶显示voidPrint(unsignedchar*str){while(*str!='\0'){LCD_Write(LCD_DATA,*str);str++;}}voidshow_value()//液晶显示程序{ReadTemp();//开启温度采集程序temp_to_str();GotoXY(12,1);Print(TempBuffer);GotoXY(12,0);Print(maxtemp);//温度数据转换成液晶字符//液晶字符显示位置//显示测量温度//液晶字符显示位置//显示报警温度Delay1ms(400);//扫描延时}voidWarming(){if(temp_value>=maxtenp)47JDQ=~JDQ;elseJDQ=0;}#include<reg52.h>#include<intrins.h>typedefunsignedcharuchar;typedefunsignedcharuint;//****************************************IO***************************************sbitMISO=P1^3;端口定义sbitMOSI=P1^1;sbitSCK=P1^4;sbitCE=P1^5;sbitCSN=P1^0;sbitIRQ=P1^2;sbitLcdRs=P2^3;sbitLcdRw=P2^2;sbitLcdEn=P2^1;sbitACC0=ACC^0;sbitACC7=ACC^7;sbitSet=P2^5;sbitUp=P2^6;//模式切换键//加法按钮sbitDown=P2^7;//减法按钮sbitDQ=P2^0;sbitJDQ=P2^4;//温度传送数据IO口//发光二极管模拟继电器输出chardone,count,temp,flag,up_flag,down_flag;inttemp_value;//温度值inttemp_value;//报警温度ucharTempBuffer[5];/***********1602液晶显示部分子程序****************/48//PortDefinitions***************************************sfrDBPort=