環(huán)境管理_基于單片機(jī)的節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

教學(xué)單位 信息工程系 學(xué)生學(xué)號(hào) 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題 目 基于單片機(jī)的節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 胡楓 專(zhuān)業(yè)名稱(chēng) 電子信息工程 指導(dǎo)教師 丁么明 2013年12月20日目錄前言11.課題研究背景12.國(guó)內(nèi)外節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展概況13.課題研究的目的和意義24.課題研究?jī)?nèi)容3正文41.土壤含水量41.1概述41.2土壤濕度計(jì)算42.單片機(jī)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖53.主要器件的選取63.1單片機(jī)的選取63.2土壤濕度傳感器的選取73.3 A/D轉(zhuǎn)換器的選用103.4顯示器件選取103.5開(kāi)關(guān)與報(bào)警選取114.軟件語(yǔ)言的選取115.單片機(jī)的主要系統(tǒng)電路135.1時(shí)鐘電路135.2復(fù)位電路135.3數(shù)據(jù)采集處理電路145.4 LCD液晶顯示145.4報(bào)警系統(tǒng)146.軟件設(shè)計(jì)部分166.1頭文件166.2主程序與子程序部分18結(jié)論26致謝27參考文獻(xiàn)27 前言1.課題研究背景生命離不開(kāi)。隨著21世紀(jì)的到來(lái)，能源危機(jī)將接踵而至。比能源危機(jī)更可怕的是，作為人類(lèi)生命之源的水的短缺到了前所未有的程度，這一狀況還將隨著時(shí)間的推移和社會(huì)的發(fā)展繼續(xù)惡化。水資源危機(jī)己成為全球性的突出問(wèn)題，越來(lái)越受到國(guó)際社會(huì)的重視和關(guān)注。專(zhuān)家們?cè)A(yù)言，如果不注意保護(hù)水節(jié)約水，地球上剩下的最后一滴水將是人類(lèi)的眼淚。利用科技手段緩解這一危機(jī)，將是人類(lèi)主要的出路。當(dāng)前，占世界人口總量40的80個(gè)國(guó)家缺水，其中26個(gè)國(guó)家嚴(yán)重缺水。我國(guó)有28萬(wàn)億m3的水資源總量，全世界排第6位，但人均水資源不足世界水資源的14，排在世界人均占有水資源量的第109位，是世界上人均占有水資源最貧乏的13個(gè)國(guó)家之一，目前，我國(guó)每年缺水量近400億m3，其中農(nóng)業(yè)缺水約300億m3。我國(guó)用水大戶(hù)仍然是農(nóng)業(yè)用水，約占70，而農(nóng)業(yè)用水的90是灌溉用水，因此節(jié)水首先要在農(nóng)業(yè)節(jié)水上做文章。采用傳統(tǒng)的灌溉模式，灌溉定額普遍偏高，全國(guó)平均每畝實(shí)際灌水量達(dá)到450-500 m3，超過(guò)實(shí)際需水量的1倍左右，有的地區(qū)高達(dá)2倍以上。與一些發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)農(nóng)業(yè)的用水效率還是相當(dāng)?shù)偷?，灌溉水資源的浪費(fèi)情況相當(dāng)嚴(yán)重，節(jié)水的潛力十分巨大。據(jù)統(tǒng)計(jì)：目前我國(guó)灌溉水利用率只有40左右，水分生產(chǎn)率不足10 kgm 3；而發(fā)達(dá)國(guó)家的灌溉水利用率可達(dá)8090，水分生產(chǎn)率在20 kgm 3以上。如果采用先進(jìn)的灌溉技術(shù)，將我國(guó)的灌水利用率提高到6070，則在目前情況下每年可節(jié)約灌溉用水O10O15萬(wàn)億m3。這樣，通過(guò)發(fā)展節(jié)水灌溉，在減少(最起碼不增加)農(nóng)業(yè)用水總量的前提下，滿(mǎn)足灌溉需要，同時(shí)把節(jié)約出來(lái)的水量用于城市生活、工業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)用水，以水資源的可持續(xù)利用促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。2.國(guó)內(nèi)外節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展概況微灌是一種現(xiàn)代化的精細(xì)高效節(jié)水灌溉技術(shù)，它是當(dāng)前世界上諸多節(jié)水灌溉技術(shù)中省水率最高、最為先進(jìn)的一種灌溉方法。近十年來(lái)，微灌作為新興的灌溉技術(shù)在世界各國(guó)得到了較快的發(fā)展。從70年代中期到90年代中期，微灌在部分發(fā)達(dá)國(guó)家迅速推廣，1983年全世界微灌面單片機(jī)控制的節(jié)水灌溉系統(tǒng)的研究積達(dá)到43萬(wàn)丘m 2，其中美國(guó)占一半以上。到90年代中，全世界微灌面積達(dá)到2913萬(wàn)m 2，約占全世界灌溉面積的11，其中美國(guó)約150萬(wàn)m 2，占美國(guó)總灌溉面積的4，根據(jù)2000年統(tǒng)計(jì)，美國(guó)微灌面積占全國(guó)總灌溉面積25536萬(wàn)m2的5。灌溉面積中微灌比例最高的國(guó)家是塞浦路斯和以色列，其中以色列農(nóng)業(yè)微灌面積占到了灌溉總面積的40，達(dá)到10，4萬(wàn)m2，其余均為噴灌。西班牙、法國(guó)、意大利、希臘、埃及等環(huán)地中海國(guó)家以及南非、澳大利亞、墨西哥、日本等國(guó)應(yīng)用面積也較多。而同一時(shí)期我國(guó)微灌設(shè)備與技術(shù)進(jìn)步緩懂，全國(guó)微灌面積徘徊在237萬(wàn)hm2。90年代以來(lái)，我國(guó)對(duì)節(jié)水灌溉越來(lái)越重視，據(jù)各地資料匯總，到1999年底，全國(guó)微灌面積己達(dá)到20萬(wàn)hm2，平均每年以2000027000m2的速度增加，一年新增面積相當(dāng)于過(guò)去二十年的總和1811*1。盡管至今微灌在世界總灌溉囂積中所占的比重很小，僵其增長(zhǎng)率遠(yuǎn)高于其它灌溉技術(shù)。在微灌技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，自動(dòng)化灌溉控制技術(shù)以及相應(yīng)的理論研究也得到了高度重視。3.課題研究的目的和意義農(nóng)業(yè)是人類(lèi)社會(huì)最古老的行業(yè)，是各行各業(yè)的基礎(chǔ)，也是人類(lèi)賴(lài)以生存的最重要的行業(yè)。農(nóng)業(yè)的發(fā)展從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看很重要，一是水的闖題，二是科技的闖題。農(nóng)業(yè)的根本出路在科技，在教育。由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變，由粗放經(jīng)營(yíng)向集約經(jīng)營(yíng)轉(zhuǎn)變，必須要求農(nóng)業(yè)科技有一個(gè)大的發(fā)展，進(jìn)行一次耨的農(nóng)業(yè)技術(shù)革命。農(nóng)業(yè)與工業(yè)、交通等行業(yè)相比仍然比較落后，農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)尤其落后。灌溉系統(tǒng)自動(dòng)化東平較低是制約我國(guó)離效農(nóng)業(yè)發(fā)展豹主要原因。傳統(tǒng)的灌溉模式自動(dòng)化程度極低，基本上屬粗放的人工操作，即便對(duì)于給定的置，在操作中也無(wú)法進(jìn)行有效的控制，為了提高灌溉效率，縮短勞動(dòng)時(shí)間和節(jié)約水資源，必須發(fā)展節(jié)水灌溉控制技術(shù)。單片機(jī)控制的節(jié)水灌溉系統(tǒng)的研究現(xiàn)代智能型控制器是進(jìn)行灌溉系統(tǒng)田間管理的有效手段和工具，它可提高操作準(zhǔn)確性，有利于灌溉過(guò)程的科學(xué)管理，降低對(duì)操作者本身素質(zhì)的要求。除了能大大減少勞動(dòng)量，更重要的是它能準(zhǔn)確、定時(shí)、定量、高效地給作物自動(dòng)補(bǔ)充水分，以提高產(chǎn)量、質(zhì)量，節(jié)水、節(jié)能?，F(xiàn)代灌溉控制器的研究使用在我國(guó)農(nóng)：林、及園藝為數(shù)不多，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，有較大的差距，還基本停留在人工操作上，即使有些地方搞了一些灌溉工程的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，也是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法來(lái)確定每天灌溉次數(shù)和每次灌溉量，如果灌溉量與作物實(shí)際需水量相比太少，便不能有效的促進(jìn)作物健康成長(zhǎng)；而灌溉量太多，肥水流失，又會(huì)造成資源浪費(fèi)，同時(shí)傳統(tǒng)的灌溉法還需要相關(guān)專(zhuān)家的實(shí)時(shí)觀察并經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)生產(chǎn)，勞動(dòng)生產(chǎn)率低，這也不能與現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)向優(yōu)化、高效化方向發(fā)展要求同步。我國(guó)先后引進(jìn)了以色列、美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)等國(guó)家的部分先進(jìn)灌溉控制設(shè)備，但價(jià)格昂貴，維護(hù)保養(yǎng)困難，多數(shù)用于農(nóng)業(yè)示范區(qū)、科研單位或高校，而且不符合我國(guó)土壤的應(yīng)用特點(diǎn)。我國(guó)自己的現(xiàn)代灌溉控制器的研制和使用尚處于起步階段，因此，作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，中國(guó)硪究開(kāi)發(fā)自己的先進(jìn)的低成本、使用維護(hù)方便、系統(tǒng)功能強(qiáng)且擴(kuò)展容易的國(guó)產(chǎn)化數(shù)字式節(jié)水灌溉器是一項(xiàng)極有意義的工作。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)和傳感器的價(jià)格日益降低，可靠性日益提高，用信息技術(shù)改造農(nóng)業(yè)不僅是可能的而且是必要的。用高新技術(shù)改造農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，實(shí)施節(jié)水灌溉已成為我國(guó)農(nóng)業(yè)乃至國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展帶戰(zhàn)略性的根本大事。本文旨在設(shè)計(jì)一套能對(duì)作物生長(zhǎng)的土壤濕度迸行自動(dòng)監(jiān)控的系統(tǒng)，它能對(duì)作物進(jìn)行適時(shí)、適量的灌水，起到高效灌溉，節(jié)水、節(jié)能的作用。4.課題研究?jī)?nèi)容本論文主要研究單片楓控制的漓灌節(jié)水灌溉系統(tǒng)，分別對(duì)土壤濕度與灌水量之間的關(guān)系、灌溉控制技術(shù)及系統(tǒng)設(shè)備的軟、硬件各個(gè)部分進(jìn)行了深入的研究。主要內(nèi)容如下：(1)根據(jù)滴灌技術(shù)的特點(diǎn)，進(jìn)行節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的整體研究與設(shè)計(jì)。(2)針對(duì)土壤濕度難以用精確的數(shù)學(xué)模型描述的特點(diǎn)，采用模糊控聿4理論，對(duì)這一理論進(jìn)行了深入的研究，重點(diǎn)研究雙輸入單輸出的模糊控制方式。(3)上位機(jī)采用VB編程語(yǔ)言建立良好的人機(jī)對(duì)話界面，可對(duì)相關(guān)的參數(shù)值進(jìn)行設(shè)置，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同作物進(jìn)行適時(shí)、適量灌水的目的。(4)上位機(jī)(PC機(jī))與下位機(jī)(AT89C51)之間可進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)通信。(5)LED顯示土壤濕度值，在灌水期間以倒計(jì)時(shí)的方式顯示灌水剩余時(shí)間。(6)當(dāng)土壤濕度值低于設(shè)定的最低值時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)報(bào)警。(7)通過(guò)滴灌實(shí)驗(yàn)研究灌水量、灌水時(shí)間和土壤濕度之間的關(guān)系。正文1.土壤含水量1.1概述土壤含水量是影響農(nóng)作物收成與水保的重要因素之一。土壤濕度對(duì)于制定灌溉進(jìn)程表、水與溶質(zhì)流的評(píng)價(jià)、凈太陽(yáng)輻射潛熱與顯熱的劃分等方面都是很重要的。 作為預(yù)測(cè)水源耗竭模式中的重要參量，土壤濕度在水文學(xué)中是很重要的。在大氣數(shù)值模式中陸氣相互作用的模擬及水氣循環(huán)的其它參量要求測(cè)量土壤濕度，衛(wèi)星遙感評(píng)價(jià)的驗(yàn)證也需要直接測(cè)量地表土壤水分。 土壤濕度的測(cè)量可用土壤含水量與土壤濕度位勢(shì)的測(cè)定來(lái)表示。土壤含水量反映了土壤中水的質(zhì)量與體積，而土壤濕度位勢(shì)則反映土壤水分能量狀態(tài)。 農(nóng)業(yè)學(xué)科非常關(guān)注土壤水分的測(cè)定。為滿(mǎn)足土壤水分狀態(tài)測(cè)量的廣泛需求，許多儀器已發(fā)展到商業(yè)化的程度。濕潤(rùn)層深度是決定灌水定額的主要參數(shù)之一，目前研究認(rèn)為計(jì)劃濕潤(rùn)層深度應(yīng)決定于根系密集層深度，并與土壤剖面水分的消失深度有關(guān)，它隨著生育期的改變，根系發(fā)育而異。對(duì)于般蔬菜類(lèi)作物，其根系濕潤(rùn)層深度約為OO6m。土壤供水的土層深度與蔬菜根系在土壤中分布的深淺相適應(yīng)。蔬菜根系伸展深度大致可分為三類(lèi)范圍：淺根系蔬菜，根深在0O。6m范圍，屬于這類(lèi)蔬菜的有油菜、大蔥、甘藍(lán)、大蒜、菜花、洋蔥、蘿h、菠菜、馬鈴薯、芹菜等。單片機(jī)控制的節(jié)水灌溉系統(tǒng)的研究中等深度的根系根深在O912m范圍，葫蘆、胡蘿等。根深系蔬菜有番茄、如菜豆、黃瓜、豌豆、茄子、甜椒、南瓜等。1.2土壤濕度計(jì)算稱(chēng)重技術(shù)是測(cè)量土壤含水量最為簡(jiǎn)單且被廣泛運(yùn)用的方法。因?yàn)榇朔椒ê?jiǎn)單易行而且是直接測(cè)量，所以被用作其它方法參照的標(biāo)準(zhǔn)。定義在干質(zhì)基礎(chǔ)上的稱(chēng)重土壤濕度g可表達(dá)為：g=.100 % （11.1） 此處為土樣中水質(zhì)量，為土樣中烤干（100-110）后的土質(zhì)量。 對(duì)于風(fēng)干（25）的礦物土壤，稱(chēng)重土壤濕度通常少于2%，但隨著土壤水分達(dá)到飽和，其水含量會(huì)增到25%至60%。但是稱(chēng)重取樣法具有破壞性，使得土壤接近飽和時(shí)，取得準(zhǔn)確的土壤含水量測(cè)量結(jié)果變得極為困難。 通常，土壤濕度用體積表達(dá)。由于降水、蒸散量和溶質(zhì)變化參量通常用容量表示，用體積表示的水含量更為有用。體積水含量v可表達(dá)為： v= .100% （11.2）此處，為水體積，為土壤（土+氣+水）總體積。土壤體積含水量的變化可從風(fēng)干土壤的少于10%到臨近飽和的礦物土壤的40-50%間變化。由于水與土壤體積的準(zhǔn)確測(cè)定存在困難，體積水含量通常間接測(cè)定。體積與稱(chēng)重土壤含水量有一定關(guān)系。該關(guān)系如下： v=g b/ w （11.3）b是干土壤體積密度，w是土壤水分密度。2.單片機(jī)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)圖3.主要器件的選取3.1單片機(jī)的選取隨著大規(guī)模集成電路的出現(xiàn)及其發(fā)展，將計(jì)算機(jī)的CPU、RAM、ROM、定時(shí)器計(jì)數(shù)器和多種IO接口集成在一片芯片上，形成了芯片級(jí)的計(jì)算機(jī)，因此單片機(jī)早期的含義稱(chēng)為單片微型計(jì)算機(jī)(single chip microcomputer)，直譯為單片機(jī)，沿用至今。準(zhǔn)確反映單片機(jī)本質(zhì)的叫法應(yīng)是微控制器(microcontroller)。單片機(jī)具有集成度高，功能強(qiáng)，可靠性高，體積小，功耗低。使用方便，價(jià)格低廉等特點(diǎn)，在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，目前已滲透到人們工作和生活的各個(gè)角落，幾乎無(wú)處不在。革片機(jī)最早是以嵌入式微控制器(EmbeddedMicro-controller)的面貌出現(xiàn)的。在嵌入式系統(tǒng)中，它是應(yīng)用最多的核心器件。在計(jì)算機(jī)主導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn)并且目益走進(jìn)家庭生活的今天，從家用電器、工業(yè)控制、醫(yī)療儀器到軍事應(yīng)用，到處都有單片機(jī)的存在。目前世界上有很多單片枕卷4造公司，如美國(guó)的INTEL、ATMEL、MOTOROLA和ZILOG公司：德國(guó)的SIEMES公司；荷蘭的PHILIP公司等。他們相繼推出了各種類(lèi)型的單片機(jī)，其中INTEL公司撰出的一種離性能8位單片機(jī)MCS-51系列單片機(jī)以?xún)?yōu)越的性能，成熟的技術(shù)和高性?xún)r(jià)比迅速占領(lǐng)了工業(yè)測(cè)控和自動(dòng)化工程領(lǐng)域的主要市場(chǎng)，成為單片機(jī)領(lǐng)域中的主流產(chǎn)品。除了INTEL公司外，PHILIP,ATMEL，ADM，SIEMES等公司紛紛推出了與MCS-51系列兼容的單片機(jī)，其中ATMEL公司的89系列單片機(jī)也稱(chēng)Flash單片機(jī)是以8031為核心構(gòu)成的，它和INTEL公司的MCS-51系列單片機(jī)完全兼容，它不但繼承了MCS一51系列原有的功能，而且又?jǐn)U展了它的功能。對(duì)于一般用戶(hù)來(lái)說(shuō)，89系列單片機(jī)存在下列很顯著的優(yōu)點(diǎn)：內(nèi)部含F(xiàn)lash存儲(chǔ)器；和AT80CSl插座兼容；靜態(tài)時(shí)鐘方式：錯(cuò)誤編程亦無(wú)廢品產(chǎn)生；可反復(fù)進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)。使用方便是ATMEL公司89系列單片機(jī)被廣泛應(yīng)用的一個(gè)主要因素。一般的OTP產(chǎn)品，一旦錯(cuò)誤編程就成了廢品，而89系列單片楓內(nèi)部采用了Flash存儲(chǔ)器，所以，錯(cuò)誤編程后仍可以重新編程，直到正確為止。其次是它可反復(fù)進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)。用89系列單片枕設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，可以反復(fù)進(jìn)行系統(tǒng)試驗(yàn)，每次試驗(yàn)可以編入不同的程序，這樣可以保證用戶(hù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)，而且還可以隨用戶(hù)的需要和發(fā)展進(jìn)行修改，使系統(tǒng)能不斷追髓用戶(hù)的最新要求。89系列單片機(jī)可分為標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)，低檔型號(hào)和高檔型號(hào)。鑒于以上的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)分析比較，根據(jù)本課題的特點(diǎn)，選用ATMEL公司89系列懿標(biāo)準(zhǔn)型單片機(jī)STC89C52RC。型號(hào)電壓時(shí)鐘頻率HZFlash存儲(chǔ)器RAM降低EMI看門(mén)狗雙倍速P4口ISPIAPA/DEEPROMSTC89C52RC5V0-80M8K512無(wú)2K3.2土壤濕度傳感器的選取目前國(guó)內(nèi)外測(cè)定土壤水分的方法有多種，最常用的方法是使用土鉆法(SA亦稱(chēng)烘干法)，即鉆取一定量的土，用烘箱烘干后再稱(chēng)其純千重量，即可計(jì)算出土壤含水量。間接測(cè)量土壤含水量可以用石膏電阻塊法、負(fù)壓法和中子儀法等。20越紀(jì)80年代初期，為了準(zhǔn)確測(cè)定土壤含水量，一些研究者開(kāi)始對(duì)時(shí)域反射儀（簡(jiǎn)稱(chēng)TDR)技術(shù)產(chǎn)生了興趣。因?yàn)樗哂性S多優(yōu)點(diǎn)，如無(wú)核輻射，測(cè)量快速，并與土壤類(lèi)型基本沒(méi)有關(guān)系。TDR技術(shù)正逐漸成為土壤水分測(cè)定的一項(xiàng)重要的新工具。土壤水分的盈缺對(duì)作物生長(zhǎng)有著最宣接的影響，在適宜的濕度環(huán)境下，作物長(zhǎng)勢(shì)良好，所以土壤濕度傳感器的選用就要滿(mǎn)足可以使?jié)穸瓤刂圃谝欢ǖ姆秶鷥?nèi)，并能夠快速、準(zhǔn)確地測(cè)定農(nóng)田壤水分，以便適時(shí)作出灌溉、施肥決策和捧水措施等。本系統(tǒng)的輸入信號(hào)是傳感器所測(cè)土壤水分信息，因此傳感器的選擇很重要，如選用的土壤濕度傳感器精度太高，則增加了成本，糖度太低，則難以保證把土壤濕度控制在需要的范圍內(nèi)，綜合考慮選用SS2802M 土壤水分傳感器。SS2802M 土壤水分傳感器為可遠(yuǎn)距離傳輸?shù)耐寥浪謧鞲衅?，可長(zhǎng)期埋設(shè)于土壤和堤壩內(nèi)使用，對(duì)表層和深層土壤進(jìn)行墑情的定點(diǎn)監(jiān)測(cè)和在線測(cè)量，也叫農(nóng)田墑情檢測(cè)儀。采用4-20mA工業(yè)通用接口，可直接接入各種顯示儀表，實(shí)現(xiàn)土壤水分監(jiān)測(cè)。與數(shù)據(jù)采集器配合使用，可作為水分定點(diǎn)監(jiān)測(cè)或移動(dòng)測(cè)量的儀器。土壤的各種理化性狀、地形的差異作用、氣候變化和人為的土壤管理措施對(duì)土壤水分狀況有不同的影響，地表特征與土壤水分狀況也存在著依次的相關(guān)性。SS2802M是一種高精度、高可靠性、受土壤質(zhì)地影響不明顯的快速土壤水分測(cè)量傳感器。傳感器采用世界先進(jìn)的最新FDR原理制作，其性能和精度可與TDR型和FD型土壤水分傳感器相媲美，并在可靠性與測(cè)量速度上具有更大的優(yōu)勢(shì)。本產(chǎn)品可應(yīng)用在、農(nóng)場(chǎng)自動(dòng)化灌溉系統(tǒng)、溫室大棚種植土壤水分控制系統(tǒng)、食用菌水分控制系統(tǒng)、沙漠地區(qū)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化滴灌系統(tǒng)。其它需要監(jiān)測(cè)土壤水分的各種場(chǎng)合等。SS2802M為新一代土壤水分測(cè)量傳感器，采用工業(yè)級(jí)精密核心元件，使其具有優(yōu)越的準(zhǔn)確性與長(zhǎng)期穩(wěn)定性。小巧化的體積設(shè)計(jì)，方便攜帶和安裝。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理密封，不銹鋼探針保證適用性和廣泛性。以環(huán)氧樹(shù)脂密封膠灌封，可以直接埋入土壤中使用且不受腐蝕，保證較長(zhǎng)的使用壽命。很高的測(cè)量靈敏度和精度，采用高抗干擾設(shè)計(jì)，性能可靠穩(wěn)定。4-20mA工業(yè)通用接口，使現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量更加靈活多變，可適應(yīng)多種場(chǎng)合。技術(shù)參數(shù)：接口說(shuō)明：設(shè)備輸出三線接口，紅黑線是傳感器電源接口，綠線是電流輸出接口。接口會(huì)引出三個(gè)接線座方便用戶(hù)接線。本設(shè)備綠線和黑線為4-2mA電流輸出，供電電壓為紅線和黑線，電壓為12-24V之間。具體顏色與引腳定義如下表所示：本設(shè)備采集工業(yè)通用的電流4-20mA信號(hào)輸出的方式，下圖為典型的應(yīng)用接線示意圖。其中V-為電源的負(fù)極。V+與V-之間通常在本地接入電源。而A+與A-之間為水分信號(hào)電流輸出。因輸出為是電流信號(hào)，故可以遠(yuǎn)距離信號(hào)傳輸。理論上最大可以在1000米距離范圍內(nèi)可靠傳輸。使用說(shuō)明：土壤含水率：規(guī)定條件下測(cè)得的土壤中水的量，以土壤的烘前質(zhì)量與烘干質(zhì)量的差數(shù)對(duì)烘干質(zhì)量的百分率表示。簡(jiǎn)單地說(shuō)就是：(濕重-干重)/干重100%，含水率為土壤中自由水的質(zhì)量在土壤總質(zhì)量中占的百分比。實(shí)際使用時(shí)，當(dāng)土壤中的含水量超過(guò)24%時(shí)土壤已達(dá)到飽和且呈溢出水狀態(tài)，因此檢測(cè)含水量超過(guò)24%的值沒(méi)有實(shí)際意義。農(nóng)作物正常生長(zhǎng)所需的適宜含水率土壤為12%-20%范圍之內(nèi)。因此僅需要檢測(cè)低于飽和含水量24%的含水量就滿(mǎn)足灌溉和各種生產(chǎn)實(shí)際需要了。因此該傳感器的動(dòng)態(tài)定為0-24%檢測(cè)范圍表示為0-100%的土壤含水率輸出。因輸出為模擬量，4-20mA分別對(duì)應(yīng)設(shè)定的滿(mǎn)量程。3.3 A/D轉(zhuǎn)換器的選用AD轉(zhuǎn)換是把模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)化成與其大小成正比的數(shù)字置信號(hào)，AD轉(zhuǎn)換電路是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心電路。目前AD轉(zhuǎn)換電路的種類(lèi)繁多，但大量投放市場(chǎng)的單片集成或模塊AD按其轉(zhuǎn)換原理主要分為逐次逼近式、雙積分式、量化反饋式和并行式AD轉(zhuǎn)換器。雙積分式AD轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度高，抗干擾能力強(qiáng)、價(jià)格低，但轉(zhuǎn)換速度較慢；并行式轉(zhuǎn)換器速度快，但價(jià)格高：逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換精度較高、速度快，大約在幾微妙到幾百微妙之間，但抗干擾能力弱?？偟膩?lái)講逐次逼近式AD轉(zhuǎn)換器的性?xún)r(jià)比最高，應(yīng)用最廣泛，國(guó)內(nèi)使用較多的芯片有ADC08080809,ADC0801-ADC0805及ADC08160817和ADS74等本系統(tǒng)選用中速、低廉的逐次逼近式ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。AD轉(zhuǎn)換爨的主要技術(shù)指標(biāo)為：分辨率表示輸出數(shù)字量變化一個(gè)相鄰數(shù)碼所需輸入模擬電壓的變化量，習(xí)慣上以輸出的二進(jìn)制位數(shù)或BCD碼位數(shù)表示。量化誤差由AD轉(zhuǎn)換器的有限分辨率面引起的誤差。轉(zhuǎn)換精度反映一個(gè)實(shí)際AD轉(zhuǎn)換器在量化值上與理想AD轉(zhuǎn)換器的差值。轉(zhuǎn)換速率指能夠重復(fù)進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的速疫，即每秒轉(zhuǎn)換的次數(shù)。3.4顯示器件選取顯示部分選用1602液晶顯示共十六引腳，1602液晶模塊內(nèi)部的字符發(fā)生存儲(chǔ)器（CGROM)已經(jīng)存儲(chǔ)了160個(gè)不同的點(diǎn)陣字符圖形，如表1所示，這些字符有：阿拉伯?dāng)?shù)字、英文字母的大小寫(xiě)、常用的符號(hào)、和日文假名等，每一個(gè)字符都有一個(gè)固定的代碼，比如大寫(xiě)的英文字母“A”的代碼是B（41H），顯示時(shí)模塊把地址41H中的點(diǎn)陣字符圖形顯示出來(lái)，我們就能看到字母“A” 。藍(lán)底白字標(biāo)準(zhǔn)型16X2液晶顯示字符模塊（背光/藍(lán)屏）1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其中:第1腳：VSS為地電源第2腳：VDD接5V正電源第3腳：V0為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高，對(duì)比度過(guò)高時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，使用時(shí)可以通過(guò)一個(gè)10K的電位器調(diào)整對(duì)比度第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。第5腳：R/W為讀寫(xiě)信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫(xiě)操作。當(dāng)RS和RW共同為低電平時(shí)可以寫(xiě)入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平RW為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng)RS為高電平RW為低電平時(shí)可以寫(xiě)入數(shù)據(jù)。第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第15腳：背光電源正極第16腳：背光電源負(fù)極3.5開(kāi)關(guān)與報(bào)警選取開(kāi)關(guān)部分采用控制開(kāi)關(guān)來(lái)控制電路。報(bào)警裝置采用的是蜂鳴器以及二極管。4.軟件語(yǔ)言的選取本系統(tǒng)下位機(jī)以單片機(jī)為核心，采用C語(yǔ)言編程。C語(yǔ)言是書(shū)寫(xiě)程序的一種軟件語(yǔ)言，它是計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)的重要工具。在系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)、實(shí)時(shí)控制的和實(shí)時(shí)處理領(lǐng)域中有著不可替代的地位。用C語(yǔ)言編程使編程簡(jiǎn)潔易懂，進(jìn)而進(jìn)行高質(zhì)量的設(shè)計(jì)，而且它不獨(dú)立于具體機(jī)器，是一種非常通用的高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，采用C語(yǔ)言編程，因此，在已經(jīng)有眾多高級(jí)語(yǔ)言和可視化集成開(kāi)發(fā)環(huán)境工具的今天，C語(yǔ)言有著重要的有效的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言地位。5.單片機(jī)的主要系統(tǒng)電路5.1時(shí)鐘電路單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)用來(lái)提供單片機(jī)片內(nèi)各種微操作的時(shí)間基準(zhǔn)，時(shí)鐘信號(hào)通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩和外部振蕩。MCS-51單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反向放大器，引腳XTALl和XTAL2分別是此放大電器的輸入端和輸出端，由于采用內(nèi)部方式時(shí)，電路簡(jiǎn)單，所得的時(shí)鐘信號(hào)比較穩(wěn)定，實(shí)際使用中常采用這種方式，如圖所示在其外接晶體振蕩器(簡(jiǎn)稱(chēng)晶振)或陶瓷諧振器就構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式，片內(nèi)高增益反向放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起可構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時(shí)鐘脈沖。圖中外接晶體以及電容C2和C3構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，它們起穩(wěn)定振蕩頻率、快速起振的作用，其值均為30PF左右，晶振頻率選12MHz。5.2復(fù)位電路為了初始化單片機(jī)內(nèi)部的某些特殊功能寄存器，必須采用復(fù)位的方式，復(fù)位后可使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初始狀態(tài)開(kāi)始正常工作。單片機(jī)的復(fù)位是靠外電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在正常運(yùn)行情況下，只要RST引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期時(shí)間以上的高電平，即可引起系統(tǒng)復(fù)位。但如果RST引腳上持續(xù)為高電平，單片機(jī)就處于循環(huán)復(fù)位狀態(tài)。復(fù)位后系統(tǒng)將輸入輸出(IO)端口寄存器置為FFH，堆棧指針SP置為07H，SBUF內(nèi)置為不定值，其余的寄存器全部清0，內(nèi)部RAM的狀態(tài)不受復(fù)位的影響，在系統(tǒng)上電時(shí)RAM的內(nèi)容是不定的。復(fù)位操作有兩種情況，即上電復(fù)位和手動(dòng)(開(kāi)關(guān))復(fù)位。本系統(tǒng)采用上電復(fù)位方式。5.3數(shù)據(jù)采集處理電路ADC0809是一種8位逐次逼近AD轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部具有鎖存控制的8路模擬開(kāi)關(guān)，外接8路模擬輸入端，可同時(shí)對(duì)8路O一5V的輸入模擬電壓信號(hào)分時(shí)進(jìn)行采集轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)只用到IN0輸入通道。ADC0809轉(zhuǎn)換器的分辨率為8位，最大不可調(diào)誤差小于1LSB，采用單一+5V供電，功耗為15mW，不必進(jìn)行零點(diǎn)和滿(mǎn)度調(diào)整。由于ADC0809轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)寄存器具有可控的三態(tài)輸出功能，輸出具有三態(tài)鎖存緩沖器，故其8位數(shù)據(jù)輸出引腳可直接與數(shù)據(jù)總線相連。AD轉(zhuǎn)換器需外部控制啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)方能進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這一啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)可由CPU提供，不同型號(hào)的AD轉(zhuǎn)換器，對(duì)啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)的要求也不同，分脈沖啟動(dòng)和電平啟動(dòng)兩種，ADC0809采用脈沖啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，只需給AD轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)控制轉(zhuǎn)換的輸入引腳(START)上，加入正脈沖信號(hào)，即啟動(dòng)AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換開(kāi)始后，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)輸出端(EOC)信號(hào)變低，轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，EOC返回高電平，以通知主機(jī)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量，這個(gè)信號(hào)可以作為AD轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)信號(hào)供查詢(xún)，也可以用作中斷請(qǐng)求信號(hào)。本系統(tǒng)中ADC0809與AT89C51單片機(jī)的接口如圖45所示，采用等待延時(shí)方ADC0809的時(shí)鐘頻率范圍要求在10一1280kHz，采用定時(shí)器給其脈沖頻率。如圖連接方式，ADC0809的8位數(shù)據(jù)輸出引腳可直接與數(shù)據(jù)總線相連，地址譯碼引腳A、B、C分別接地，以選通IN0通道。AT89C51的P：。作為片選信號(hào)，在啟動(dòng)AID轉(zhuǎn)換時(shí)，由單片機(jī)的寫(xiě)信號(hào)WR和P：?？刂艫DC的地址鎖存和轉(zhuǎn)換啟動(dòng)。由于ALE與START連在一起，因此ADC0809在鎖存通道地址的同時(shí)也啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)，用單片機(jī)的讀信號(hào)RD和P，。引腳一級(jí)或菲門(mén)產(chǎn)生的正脈沖作為OE信號(hào)，用以打開(kāi)三態(tài)輸出鎖存器。6.4 LCD液晶顯示該系統(tǒng)采用1602液晶顯示，數(shù)據(jù)口接單片機(jī)P0口，和AD0809公用數(shù)據(jù)口，LCD顯示簡(jiǎn)單，電路接線也簡(jiǎn)單，價(jià)格也便宜。6.5報(bào)警系統(tǒng)為了在某些緊急狀態(tài)或反常狀態(tài)下，能使操作人員不致忽視，以便及時(shí)處理，往往需要有某種更能引起人們注意提起警覺(jué)的報(bào)警信號(hào)產(chǎn)生，這種報(bào)警信號(hào)通常有三種類(lèi)型：閃光報(bào)警、鳴音報(bào)警、語(yǔ)音報(bào)警，本系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單易行的光報(bào)警電路。報(bào)警設(shè)備選用壓電式蜂鳴器，它約需要10mA的驅(qū)動(dòng)電流，只需在其兩條引線上加3一15v的直流電壓，即可產(chǎn)生3KHz左右的蜂鳴聲音，圖中蜂鳴器的一端接在高電平+5V，另一端接P17，在初態(tài)P17始終輸出高電平1，當(dāng)需要報(bào)警時(shí)，程序?qū)ζ涠丝谇辶慵纯桑曇舻拈L(zhǎng)短可用延時(shí)程序控制實(shí)現(xiàn)。6.軟件設(shè)計(jì)部分系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)主要包括：主程序設(shè)計(jì)采樣子程序設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)處理程序LCD顯示子程序,開(kāi)關(guān)控制，蜂鳴器報(bào)警。6.1頭文件文件名稱(chēng)：main.c版 本：Keil uVision4控 制 器: STC89C51/STC89C52RC/AT89C51/AT89C5212MHz 說(shuō) 明：基于SHT10的自動(dòng)花草澆水器控制程序說(shuō) 明：傳感器SHT10,液晶顯示器LCD1602,蜂鳴器報(bào)警,繼電器控制,按鍵設(shè)置說(shuō) 明：液晶實(shí)時(shí)顯示采集的濕度值,顯示濕度界限值，澆水倒計(jì)時(shí)時(shí)間說(shuō) 明：三個(gè)設(shè)置按鍵,一個(gè)設(shè)定按鍵,一個(gè)增加按鍵,一個(gè)減少按鍵,檢測(cè)頻率150ms說(shuō) 明：測(cè)量濕度值小于濕度界限值，自動(dòng)打開(kāi)繼電器澆水，蜂鳴器報(bào)警提示說(shuō) 明：倒計(jì)時(shí)運(yùn)行，顯示倒計(jì)時(shí)。加水期間，濕度值大于界限值，自動(dòng)停止?jié)菜?/*includes-*/ #include reg52.h#include intrins.h /*typedefs-*/typedef unsigned char u8;typedef unsigned int u16;/*-繼電器底層控制函數(shù)-*/*sbits-*/sbit Pin_Relay = P13; /Pin of Relay/*defines-*/ #define Relay_ResetPin() Pin_Relay = 0 #define Relay_SetPin() Pin_Relay = 1/* 函數(shù)名稱(chēng): Relay_Control(unsigned char State) * 功能書(shū)名： 繼電器1控制函數(shù) */void Relay_Control(unsigned char State)if(State)Relay_ResetPin();elseRelay_SetPin();/*-蜂鳴器驅(qū)動(dòng)函數(shù)-*/*sbits-*/sbit Pin_BuzzePhone = P24; /-Button pin of BuzzePhone/*defines-*/ #define BuzzePhone_ResetPin() Pin_BuzzePhone = 0 #define BuzzePhone_SetPin() Pin_BuzzePhone = 1/* 函數(shù)名稱(chēng): BuzzePhone_DelayOneMillisecond(void) * 功能書(shū)名： 蜂鳴器發(fā)聲延時(shí)函數(shù)，延時(shí)1個(gè)mS程序 */void BuzzePhone_DelayOneMillisecond(void)unsigned char i, j;i = 2;j = 239;dowhile (-j);while(-i);6.2主程序與子程序部分* 函數(shù)名稱(chēng): BuzzePhone_Switch(unsigned char State) * 功能書(shū)名： 蜂鳴開(kāi)關(guān)控制 */void BuzzePhone_Switch(unsigned char State)if(State)BuzzePhone_ResetPin();else BuzzePhone_SetPin();/* 函數(shù)名稱(chēng): BuzzePhone_Music(unsigned int Number) * 功能書(shū)名： 蜂鳴器發(fā)音樂(lè)函數(shù) */void BuzzePhone_Music(unsigned int Number,unsigned char Frequency)unsigned int i;unsigned char j,k;for(i = 0;i Number;i+)for(j = 0;j 20;j+)BuzzePhone_Switch(0x01);/蜂鳴器發(fā)聲音for(k=0;kFrequency;k+)BuzzePhone_DelayOneMillisecond();BuzzePhone_Switch(0x00);/蜂鳴器不發(fā)聲for(k=0;kFrequency/2;k+)BuzzePhone_DelayOneMillisecond();/*-按鍵檢測(cè)底層函數(shù)-*/*sbits-*/sbit Key_Up = P33; /遞增按鍵sbit Key_Set = P10; /設(shè)置按鍵sbit Key_Down = P15; /遞減按鍵/* 函數(shù)名稱(chēng): Check_ButtonState(void) * 功能說(shuō)明： 檢測(cè)按鍵的狀態(tài),返回按鍵的狀態(tài)值 */unsigned char Check_ButtonState(void) unsigned char ButtonFunctionValue; if(Key_Up = 0) ButtonFunctionValue = 0x03;else if(Key_Set = 0) ButtonFunctionValue = 0x01;else if(Key_Down = 0)ButtonFunctionValue = 0x02;else ButtonFunctionValue = 0xff;return ButtonFunctionValue;/*-LCD1602器驅(qū)動(dòng)函數(shù)-*/*sbits-*/sbit LCD1602_RS = P27; /數(shù)據(jù)命令端口sbit LCD1602_RW = P26; /讀寫(xiě)控制端口sbit LCD1602_EN = P25; /器件使能端口 /*defines-*/#define LCD1602_ResetRS() LCD1602_RS = 0 #define LCD1602_SetRS() LCD1602_RS = 1#define LCD1602_ResetRW() LCD1602_RW = 0#define LCD1602_SetRW() LCD1602_RW = 1#define LCD1602_ResetEN() LCD1602_EN = 0#define LCD1602_SetEN() LCD1602_EN = 1#define LCD1602_DataPort_In P0#define LCD1602_DataPort_Out P0 /*函數(shù)名稱(chēng)：LCD1602_DelayMs(unsigned int i)函數(shù)功能：對(duì)于11.0592MHz時(shí)鐘, 例i=10,則大概延時(shí)10ms*/void LCD1602_DelayMs(unsigned int i)unsigned int j;while(i-)for(j = 0; j 125; j+);/*函數(shù)名稱(chēng):LCD1602_WriteDataToHD44780(unsigned char Data) 描 述:寫(xiě)數(shù)據(jù)到LCD1602的控制器HD44780 */ void LCD1602_WriteDataToHD44780(unsigned char Data) LCD1602_SetRS(); /數(shù)據(jù)指令選擇，1表示數(shù)據(jù)，0表示指令LCD1602_ResetEN();/器件使能控制，1表示失能，0表示使能LCD1602_DataPort_In = Data;/數(shù)據(jù)傳送到LCD數(shù)據(jù)輸入口LCD1602_SetEN();/器件使能控制，1表示失能，0表示使能LCD1602_DelayMs(1);LCD1602_ResetEN();/器件使能控制，1表示失能，0表示使能LCD1602_DataPort_In = (Data 4);/數(shù)據(jù)傳送到LCD數(shù)據(jù)輸入口LCD1602_SetEN();/器件使能控制，1表示失能，0表示使能LCD1602_ResetEN();/器件使能控制，1表示失能，0表示使能 /*函數(shù)名稱(chēng):LCD1602_WriteCommandToHD44780(unsigned char Command) 描 述:寫(xiě)指令到LCD1602的控制器HD44780 */ void LCD1602_WriteCommandToHD44780(unsigned char Command) LCD1602_ResetRS(); /數(shù)據(jù)指令選擇，1表示數(shù)據(jù)，0表示指令LCD1602_ResetEN();/器件使能控制，1表示失能，0表示使能LCD1602_DataPort_In = Command;/數(shù)據(jù)傳送到LCD數(shù)據(jù)輸入口LCD1602_SetEN();/器件使能控制，1表示失能，0表示使能LCD1602_DelayMs(1);LCD1602_ResetEN();/器件使能