【基于AT89C51单片机的农田节水浇灌系统设计9500字（论文）】

I基于AT89C51单片机的农田节水浇灌系统设计现如今，中国作为一个农业大国，农业依旧是经济发展中不可忽视的一部分，农田环境的节水浇灌也在农业中尤为重要。传统的农田浇灌系统通常另一个是农田面积较大，通过大范围的机械式浇灌进行无差别的浇水，这样做不仅会影响到土壤湿润的地区，也会浪费有限的水资源，因此本文设计一本设计以AT89C51单片机为核心，由DHT11数字温湿度感应装置、LCD1602液晶显示器及继电器操控水阀构成系统整体方案，实现农田节水的功能设计。DHT11温度、湿度感应装置所需传输耗能低，通过多个温度、湿度感应装置的覆盖，可以实现多个节点温湿度的监测，即节省了成本，同时监测系统也更加稳定。本系统设计主要分为硬件部分和软件部分，硬件部分包括温湿度检测模块、数据显示模块、A/D转换模块、蜂鸣器警报模块、按键操控模块、水量控制模块等，并针对硬件版块进行软件设计。在完成硬件与软件设计的基础上进行了仿真，能够实现节水浇灌的功能。本系统具有成关键词：AT89C51;温度、湿度感应装置；节能浇灌；ADC0832 11.1课题背景与意义 11.2国内外现状 1 2 42.1节水浇灌系统功能与结构 4Ⅱ2.1.1节水浇灌系统功能 42.1.2节水浇灌系统结构 42.2微处理器模块选择 42.3本章小结 5 63.1微处理器模块 63.1.1时钟电路模块 63.1.2复位电路模块 73.2液晶显示模块 73.3A/D转换模块 3.4温湿度传感模块 3.5继电器模块 3.6蜂鸣器警报模块 13.7按键操控模块 3.8本章小结 四、系统软件部分设计 4.1软件工具介绍 4.2主程序流程设计 4.3显示模块流程设计 4.4温度传感模块流程设计 4.5本章小结 5.1仿真软件 5.2仿真系统调试 节水浇灌是指尽可能少的浇灌水量来满足农作物对水的需求量，为了获取农田种植的最大收益，使用现代最有效率的浇灌科技进行农业浇灌，使用少量的浇灌用水量以期望创造最大的收益，产生充足的产量。这种浇灌技术与以往浇灌方法相比具有更多的优点，可以结合当前科技成果和研究结果，依据各地区的特征、国民生产水平，实现多种适宜、可供选择的节水浇灌方现代节水浇灌技术为攻克国内农产品种植方面水源紧缺的难题提供了支持，在增加农产品种植使用水资源效率、农产品增加产量以及农产品生长环境的改善等领域体现出主要的影响，浇灌方式大致分为三类，具体为滴水浇农田进行浇灌期间，需要人工进行判断农田土壤的温度与湿度，有线传输的方式不仅所需空间大，还需耗费较多的人力物力。农田浇灌所需要的数据是多个节点的，这就造成了数据传输线的布局复杂程度大大增加。同时，在农田这个小生态系统中，连接电缆易损坏或者断线，大大影响了数据采集的可靠性。针对目前农田土壤温湿度采集与操控系统存在的不足，拟采用感应装置操控水阀来实现数据的采集与判断。本系统主核心，采用环境的温湿度与DHT11感应装置，大量减少了布线的难度，使数据采集传输更加准确方便，采用继电器来模拟水阀的开关，采用软测量方法实现试验数据的检测，提高了系统的灵活性。本文通过对感应装置版块的讨论，重点研究了感应装置节点设备在农田环境温现阶段，我国节水浇灌方面的应用比发达国家还差很多，仍处于传统的人工浇灌模式或人工操控浇灌模式，甚至智能农业或智能操控系统都是小规模的。我国大部分农业都接近水源，对于不接近水源的农业生产来说，节水浇灌成为了一个重要的步骤，然而国内真正大规模的物联网节水浇灌系统却]2寥寥无几。但我国对节水浇灌也进行了相应的研究，在高效节水浇灌工程勘测设计中讲述了通过网络端的监测，充分利用了GPS测量和GIS技术。基于WebGIS的天津灌区水管理信息系统、PLC的水田浇灌自动操控系统和单片机的蔬菜温室自动浇灌系统，这些在温室里面使用自动的技术进行施肥的系统的已经有了非常好的开始，是中国一些专门研究机械的机构和一些公司企业合作开发的系统。结合当地实际使用情况和温室温湿度等特点。已成功开发出可变环境变量。这些系统可实现中英文动态监控显示、弄肥料的板和浇灌的板是可以混合的，也是可以调节的，它们的电阀还是可以调节的，计算机实时闭环操控等功能。还可以根据不同地区的浇灌系统，有选择截止今天为止，此项目已投入我国家大多数农业区，在大连、北京等农业种植地区产生了显著的效果。天津水利科学研究院与农业机械化研究所均自主开发了温室滴灌施肥智能操控系统。一般来说，我国精密浇灌技术的知识只达到先进国家的基础知识水准。智能农产品和高科技农产品的种植经验另一方面，美国、加拿大、以色列等发达国家可以在精准浇灌方面进行机器操控、前期手动操控和后期液压操控进行混合协调，包括机械操控、电算法、仿真算法、神经网络算法等越来越多的应它能实现越来越高的智能化、可靠性和稳定性，用户界面使用更加友好。20世纪90年代，数字农业开始在北美流行。直到现在，数字农业已经覆盖几乎所有的中大型农业管理中，并且在应用中不断的发展完善在美国，部分水管研究系统功能，确定系统的构成，设计农田节水浇灌系统整体方案；研各项测量导电回路及信号导电回路，基于AT89C51单片机系统为中心来设计；研究各模块的运行原理，确定其设计方案；根据实际需求，选择所需的3软件进行编写和仿真。全文章节安排如下：第一章为绪论，主要讨论系统的研究来源及研究现状，明确本设计的主要内容。第二章为系统的总体方案设计，对系统的功能和结构进行描述。第三章为系统硬件导电回路设计，对AT89C51单片机的选择，说明其特点，基本使用原理，设计合理的导电回路图，已初步达到节水的目的。第四章为系统的软件设计，对系统的各版块软件设计和工作模式进行介绍，并对系统的相应设计进行说明。第五章为系统测试与结果分析。克服系统重点与难点技术后，把各版块组合成一个系统，并对其进行仿真测试，根据显示结果查看本系统是否能够达到各项指标要求，实现节约用水，满足课题所期望的目标。总结整体系统的核心操控技术，分析并描述了软件部分实现的流程，最终说出系统设计过程中困难的地方。2.1.1节水浇灌系统功能基于AT89C51单片机为核心的节水浇灌系统设计，为了实现自动化的农业浇灌，使用感应装置实时判断农田环境的温度和湿度，操控继电器实现水泵的开关，从而实现节水的目的。利用单片机系统完成对农田各项信息的采集、处理等功能，编写各版块的程序，完成程序仿真测试，最后测试结果表明通过环境温湿度感应等的检测，可以操控农田水阀的开关，实现智能节水。2.1.2节水浇灌系统结构此系统是以AT89C51单片机的环境温度、湿度监测和农产品节水自主浇灌系统的设计为主要基础，在系统设计方面主要包括单片机主控模块、温湿度传感器、继电器模块、LCD液晶显示模块等，该系统的导电回路组成框图如图2.1所示。单片机本设计需要采用单片机进行操控并仿真，就像现在大部分仿真电路上比较多的是51型号单片机、STM32型号单片机。上述两种单片机中，STM32型号单片机具有快速计算，大空间存储等的优点，但是，它的功能引脚相对更加的复杂，在功能更加严谨的导电回路中非常普遍，但该系统仿真的功能相较而言简单一点，那么这种型号的单片机也就不常采用了，故在本设计的5要求中用的是51单片机。AT89C51单片机在STC系列的单片机系列还添加了许多功能，包括功能强大且已经广泛应用的16位计时器/计数器。选择AT89C51通用的普通单片机来实现系统设计是已经与当前市面上主流到了兼容，它在工作时的工作电压跨度为4.0V至5.5V,完全静态时时钟的工作频率为0Hz至33MHz,32个I/O□,定时计数器和通信端口。32KB数据存储也已得到了扩展，所以足够满足系统要求。其引脚如图2.2所示。8P2.1/A9PSENP2.3912345678本节首先介绍了节水浇灌系统预期实现的功能，还有系统的硬件电路构造在系统设计上选用了模块化设计，其中包含单片机主控模块、温湿度传感随着单片机技术的不断发展，8051系列的单片机的体积逐步减小，功能首先是稳定系统的工作状态。系统可以稳定运行是重中之重。某些微型其次是CPU处理能力的高低。要选取适合的芯片，需要考虑CPU的处理速率。一旦其处理速率过慢，就无法达到本系统的设计要求。出于这几个方面的考虑，最终选择AT89C51,如图3.1所示。TXD图3.1单片机最小系统就不能正常运行。AT89C51芯片所需的晶振为12MHZ,所以晶振所组成的电容至少选择30pf才能最大限度地提高系统性能。微型处理装置需要利用晶振才能运转。换句话说，晶振提供一定周期的工作频率。其导电回路如图3.2所示：图3.2时钟电路模块复位电路的功能是在微处理器接通电源时经过简易的动作让处理器复位。简而言之，如果处理器运行时发生意外或者故障，只需按复位按钮即可重新运行工作。需要重新启动已有回路时，回路不会自动复位，必须人工操控。即工作程序运行时出现故障，可以使用复位的方法重启处理器以解决问如图3.3所示，在复位电路模块中，RST接口的电压为高电平系统，为电容器充电。在操作人员按下复位按钮时，电容按钮和1K的电阻会形成电图3.3复位电路模块8是操控字符显示区域的电压大小，然后经过单片机的处理就能够实现显示功LCD1602采用标准的14引脚(无背光)或16引脚(带背光)接口，各引脚接口说明如表编号引脚符号引脚说明1正极2地3液晶显示偏压4寄存器选择56使能信号7数据8数据9数据数据数据数据数据数据背光源正极背光源负极比较薄，适合大范围集成电路直接应用，同时具有全彩色显示的功能，现已LCD1602的引脚VL用于操控显示器亮度，通过改变电阻阻值大小来控过单片机的显示区域信息来实现字符的展示，如图3.4所示。图3.4LCD1602显示导电回路3.3A/D转换模块A/D转换模块主要是利用A/D转换芯片进行模拟信号到数字信号之间的转变。首先是利用光照度传感器获取到模拟量，接着把模拟量转化为数字信的设计中，具体使用的是ADC0832芯片，其当做A/D转换装置。ADC0832这能够加快检测信号的速度，其导电回路原理比较简单，成本也较低，总的具有8条可进行数模转换的引脚，能够进行自主转换，转换时间短，响应速度快，需要进行5V电源的供给，能够并且具有较低的功耗。如图3.5所示。首先向ADC0832芯片的内部发送3条地址指令，进行对电源导电回路的变成低电平。图3.5模数转换模块此系统是基于单片机的温湿度采集系统中用于检测温度和湿度的模块是DHT11传感器，能够进行对周围环境因子温度以及湿度的检测，并且通过内部导电回路将信号转换为可用的电信号，发送给主电路，DHT11的性能十分稳定，并且耐久度高。温湿度传感器的导电回路中包含了一个感湿元件和一个测温元件，可以利用与8位单片机的连接，迅速转化接收到的信息。在DHT11传感器制作过程中，所有的DHT11传感器都会被校准，预设好的系统参数将存储在DHT11的内存里，在DHT11进行温湿度检测的时候，会通过内部程序进行电信号强弱的操控。DHT11占用的空间很小，并且内部功率的消耗很低，是本次设计的最佳选择。当用户端的微操控单元进行一次信号传输之后，DHT11会进行速度很快的环境因子采集，当传输信号的工作任务结束之后，DHT11会对用户端的微操控单元发送一个反馈信号，并且进行一次数据因子的处理，通过蓝牙传输版块发送给用户，DHT11收到微操控单元的信号就会进行数据采集，反之，则不采集，并在一段时间后自动进入低功耗模式。表示’0’表示1'衣小如果DHT11显示的字符是0,单个芯片读取的信号是50us的低电平，之后是26-28us的高电平。如果DHT11显示的字符是1,则在单个芯片上读取的信号是50us的低电平，之后是70us的高电平。数字0信号表示方法和数字1信号表示方法如图3.6和图3.7所示。传感器的第一个引脚是电源，用于连接电路板的电源。第二个引脚是连接电路板底部的接地端。如图3.8所示。3.5继电器模块设备在设计过程中需要继电器来操控LED灯以及水泵和加热系统的开关工作，继电装置是当导入量(冲击量)的变化到达一定条件时，在输出电路中被控量引起设定阶段发生变化的电气操控装置。实际上是用低电流控制高继电器模块电路如图3.9所示。图3.9继电器原理图3.6蜂鸣器警报模块由电路板上的三极管供电的蜂鸣器产生简单的声音，从微操控器接收引脚作为电源，系统设定阈值，当感应装置检测环境参数在阈值外，导通高电平，则出发驱动报警器蜂鸣。通过PNP9012实现电流的放大，当符合时输出低电平后，蜂鸣器无声。图3.10是蜂鸣器警报模块：图3.10蜂鸣器警报模块3.7按键操控模块图3.11按键控制模块原理图装置的操控按键电路由三个开关组合构成，首先按钮的一边与I/O端呈双向连接的状态，并且其他方向接地处理，开关处于闭合的状态时，它的引脚与地分离，这时引脚的电压很高。按下按钮后，引脚接地，这时电压变低，返回低电压信号。原理就是对于电压的检测，由于按键时间较短，所以会产生一定的误差，在编写相关参数时，要写一个相应的函数来减小其误差。图本章节主要对农田节水浇灌系统的硬件导电回路部分进行设计，核心硬件导电回路部分为微处理器模块设计，并附有最小系统中时电路模块和复位电路模块的原理图概念，随后介绍了其余的模块电路设计原理以及相应的电4.1软件工具介绍Keil编程软件是一款出自美国的代码编写软件，起源于美国的Keil软件公司，该编程软件所使用的语言十分类似C语言，全面性非常优秀现更加全能的功能，其严谨的结构逻辑，使其在后期的调试和维护上更具有适合于应用在C51系列单片机当中，保障了C语言开发平台的全能性，并维持了结构严谨的优势，并且在51系列单片机不断发展的大背景下，陆续更新化值动此系统可以经过查看全部数据的运行方式，知晓数据的编码升级速度。系统复原到初始状态后，能够传播数据信息，在切断电源的同时AT89C51主板记录当前配置，然后重新接通电源。一旦系统有中断现象，中断情况下的子程序就可以相应地处理导致中断的状况，并能够进行相应识别的空闲形式。假设系统通过相应的识别实现了各个系统的处理，说明中断已从这里结束。主程序流程如图4.1所示。LCD1602的输出类型属于缓慢显示器件，该器件在收到命令时会对模块的电平情况进行确定，假设版块电平情况为低电平，则为不忙，那么该所条接收到指令就会失效，当LCD1602进行字符串显示的时候需要先进行字符地址的确认，随后显示版块才能够进行字符的显示，并显示版块仅需要连接最小系统的串口接口，不需要连接增设版块。液晶1602示首先要对系统进行初始化程序，LCD1602初始化完成后启动延时代码，等待感应层采集数据，并通过单片机进行数据处理，随后将地址和指令发送至LCD1602,当显示版块接收到指令时，首先进行对指令和地址的判断。然后单片机会再向显示版块发送一个“写”的指令，随后LCD1602才会进行指令的显示，最终返回初始化。软件流程图如图4.2所示。写LED指令示P3.2输出延时18msP3.2输出延时40ms按照系统感应层的通信协议，当接收到最小系统I/O□发出来的执行信号，随后由感应层感应装置进行对连接串□的操控，烧录程序中的while语句将会执行，其主要作用是时刻检测连接该感应装置的I/O串口的高低电平，来实现对周围环境因子的实时监测，最终单片机得到最为精准的数字信号。DHT11传感器的主要功能是进行温度和湿度的检测，系统最初进行初始化，并由最小系统的I/O□启动感应版块，随后通过读取引脚的电平是高或者低，来判断环境因子，启动时进行首次判断，检测到P3.2引脚为低电平，经过代码操控在18ms延迟后，引脚输出检测结果为高电平，在40ms延迟后，确认引脚是否为低电平，假设引脚结果为高电平，则继续读取电平，假设引在，那么单片机就会停止接收数据，并把数据按照十进制存储至数组里面，并继续监测下一组信息。DHT11感应装置版块的软件流程图4.5本章小结本章节为农田节水浇灌系统软件部分的设计序和流程图绘制为主，首先介绍软件工具，并描述5.1仿真软件Protues仿真软件诞生于英国，开发该软件的公司名为LabCenterElectronics,Protues导电回路仿真包含丰富的EDA工具，以及基础系列的单片机以及单片机最小系统的增设导电回路。该软件能够高效且优秀的实现对单片机系统的导电回路模拟仿真，即使我国在该方面仍旧与大部分发达国家在英国Protues是一款十分出众的EDA工具，能够进行软件库的导入，做到了从无到有的整体流程设计。并且也是唯一一款集导电回路仿真、PCB绘制和建模仿真为一体的成熟软件平台，能够对绝大部分的基础版块进行仿等大部分的处理器版块，并在后期仍旧在更新全新的处理模块，能够识别并导入IAR、Keil和MATLAB等多种编译器的程序。5.2仿真系统调试在最小系统正常工作的情况下，查看复位电路是否能正常复位，首先检查复位电路的连接顺序是否无误，然后在电路中检测电阻和电容的大小，如果电阻和电容过大或过小，均不能使复位电路正常复位，同时进行按键复位电源电路是所有系统中不可缺少的存在，如果电源发生故障，系统将无法正常工作，所以必须要有稳定的电源，电压太大会导致芯片烧坏，电源太小则会干扰系统效果。用万用表和示波器测量电源的正负引脚，查看电压是否为稳定的5V电压，如果示波器检测到电源有纹波产生，表明电源不稳定。通过添加稳压芯片和电容，可以过滤电源的纹波，让电压更加的稳定，这样是38度，温度下限提醒是30度，湿度在41%至50%之间为正常；继电器1和2分别代表加热关闭和打开，继电器3和4分别代表水泵关闭和打开。情况一：温度过高，湿度过高，液晶显示版块提示“热和潮湿”,同时启用继电器1和3,效果如图5.1所示。情况二：温度过高，湿度过低，液晶显示版块提示“热和干燥”,同时启用继电器1和4,效果如图5.2所示。图5.2仿真结果二启用继电器2和3,效果如图5.3所示。Ten:30CE图5.3仿真结果三启用继电器2和4,效果如图5.4所示。图5.4仿真结果四结论科技正在不断的发展，自动化行业俨然成为非常流行的产业，基于AT89C51模块的农田节水浇灌技术也有了很大的进步。目前，这些科技的自动化装置性价比逐渐增高，在市面上的权重也越来越大。自动化方式的节水浇灌系统已是研究人员致力于探究的重要领域，同时也是本篇文章的核心所本次系统在设计中，对于信号的采集和数据的处理的不断完善，对农业节水浇灌系统进行了全面的设计，无论是硬件方面还是软件方面都进行了详细的介绍和应用。本设计根据C语言已有的基础内容进行编程，在Keil软件的编码环境下编写代码并调试，同时在Keil中生在设计过程中，通过查找相关资料文献和部件的使用手册完成了初步的几乎每个模块都有不同的难题摆在眼前，最终实现了真，成功