【《农田节水浇灌系统的硬件和软件设计案例》5000字】

农田节水浇灌系统的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u21513农田节水浇灌系统的硬件和软件设计案例 127941一、系统硬件部分设计 1297681.1微处理器模块 1122651.1.1时钟电路模块 2288251.1.2复位电路模块 3245151.2液晶显示模块 368551.3A/D转换模块 5152631.4温湿度传感模块 5248601.5继电器模块 780701.6蜂鸣器警报模块 7171111.7按键操控模块 8152761.8本章小结 928032二、系统软件部分设计 9299442.1软件工具介绍 9291542.2主程序流程设计 9170572.3显示模块流程设计 10137312.4温度传感模块流程设计 11148022.5本章小结 1311991三、系统仿真与结果分析 13162573.1仿真软件 1384553.2仿真系统调试 13一、系统硬件部分设计1.1微处理器模块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，功能性越来越高，功耗越来越少，处理速度逐步提升。因此，在此次系统设计中，可依据以下方面进行控制系统芯片的选择。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CPU的核心抗干扰性能很弱，所以不适合在本系统使用。而AT89C51芯片是抗干扰性能技术中最先进的芯片之一。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1.1所示。图1.1单片机最小系统1.1.1时钟电路模块时钟电路模块同样也是重要的部分。一个系统如果缺少时钟电路模块，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1.2所示：X11819U130pF30pFC1C2X11819U130pF30pFC1C2图1.2时钟电路模块1.1.2复位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题。如图1.3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的电阻会形成电路，此时电容放电，将复位接口变为低电平，实现复位操作。图1.3复位电路模块1.2液晶显示模块液晶显示模块主要显示环境中的温湿度，本系统采用的是LCD1602液晶显示屏显示，由单片机操控显示，可以显示两行字符，LCD1602的运行原理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能。以下为引脚接口说明表：表1.1引脚接口说明表LCD1602通过电压操控显示部分，接通电源会显示图像。液晶显示模块比较薄，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，现已广泛使用于笔记本电脑、数码相机、PDA移动通讯装置等多个方面。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制电源电压，实现控制显示器亮度的功能，RS、RW、EN是控制显示器的接口，D0-D7是LCD显示器的信息引脚，可以将信息引脚直接接至单片机，经过单片机的显示区域信息来实现字符的展示，如图1.4所示。图1.4LCD1602显示导电回路1.3A/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号，才能被单片机识别并作出相应动作，而A/D的作用就在在于此。在本文的设计中，具体使用的是ADC0832芯片，其当做A/D转换装置。ADC0832模数转换装置是8位依次递进的，以其为核心的单片机具有很少数量的接口，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，总的来说性价比处于较高的水平。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，能够适宜人们日常生活中的一切温度，并且具有较低的功耗。如图1.5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保护，然后再把接收到的地址指令转存到内部。然后START引脚的电平跳变为高电平，从而进行从模拟信号向数字信号的转换，在此过程之后EOC引脚变成低电平。图1.5模数转换模块1.4温湿度传感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。1bit开始50us26us-28us表示’0’下一bit1bit开始50us26us-28us表示’0’下一bit开始VCCGND单总线70us表示‘1’图1.70us表示‘1’单总线下一bit开始GND1Bit开始50usVCC单总线下一bit开始GND1Bit开始50usVCC图1.7数字1信号电平变化图如果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1.6和图1.7所示。传感器的第一个引脚是电源，用于连接电路板的电源。第二个引脚是连接单片机的I/O端口P1.2，将信息输送到单片机的数据端。第三个引脚是连接电路板底部的接地端。如图1.8所示。图1.8DHT11引脚图1.5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电流操作的自动开关。所需的稳定电压为5V左右，运行电压在4V-5V之间，继电器模块电路如图1.9所示。图1.9继电器原理图1.6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1.10是蜂鸣器警报模块：P00Q69012BELLVCCBEEPP00Q69012BELLVCCBEEP图1.10蜂鸣器警报模块1.7按键操控模块PA12GNDPA11PB1PB0K1PA12GNDPA11PB1PB0K1图1.11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1.11为按键控制模块原理图。1.8本章小结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路原理图的制作。二、系统软件部分设计2.1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，能够实现更加全能的功能，其严谨的结构逻辑，使其在后期的调试和维护上更具有优势，更加适用于嵌入式技术的开发。该设计所使用的的Keil4版本，更加适合于应用在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，陆续更新出来全新的编译版块，能够实现全新的集成性编译。2.2主程序流程设计结束继电器启动是否超过阈值液晶显示温湿度版块检测系统初始化开始结束继电器启动是否超过阈值液晶显示温湿度版块检测系统初始化开始图2.1主程序流程图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2.1所示。2.3显示模块流程设计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。返回写显示行列地址写LED指令读数据并显示返回写显示行列地址写LED指令读数据并显示图2.2显示版块子程序流程图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2.2所示。2.4温度传感模块流程设计图2.3DHT11传感器模块的软件流程图按照系统感应层的通信协议，当接收到最小系统I/O口发出来的执行信号，随后由感应层感应装置进行对连接串口的操控，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口启动感应版块，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P1.2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，假设引脚结果为低电平，则对接收端口的电平进行读取。如果80µs的高电平仍然存在，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如图2.3所示。2.5本章小结本章节为农田节水浇灌系统软件部分的设计，以介绍软件部分的工作时序和流程图绘制为主，首先介绍软件工具，并描述系统的主程序和子程序时序流程，最后通过流程图的方式进行体现。三、系统仿真与结果分析3.1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存在差距，可Protues依然在国内大幅度流行，尤其是科研工作者、工科教师和电子发烧友们的使用。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，系统的封装，PCB的绘制，还有源代码的烧录，程序检测，BUS总线的绘制，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真，包含8051、MC96、AX1101、ADE、ADuC、ADCore、AVR以及ARM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。3.2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