自動澆水控制器畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、目 錄第一章 引言.1 1.1單片機(jī)的概述.1 1.2單片機(jī)的分類及發(fā)展.1 1.3灌溉技術(shù)的發(fā)展簡介.2第二章 設(shè)計(jì)題目與要求.42.1 課程設(shè)計(jì)要求.42.2 課程設(shè)計(jì)目的.4第三章 設(shè)計(jì)的方案選擇與論證.53.1 整體設(shè)計(jì)框架.53.2 系統(tǒng)硬件的選擇.53.3最終方案決定及電路設(shè)計(jì).6第四章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì).74.1 at89c51的介紹.7 4.1.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu).7 4.1.2 引腳說明.84.2 顯示模塊.11 4.2.1 顯示功能及實(shí)現(xiàn).12 4.2.2 數(shù)碼管介紹.124.3 時(shí)鐘電路及復(fù)位電路的設(shè)計(jì).14 4.3.1 時(shí)鐘電路.14 4.3.2 復(fù)位電路.164.4 鍵盤

2、輸入模塊.164.5 澆水模塊設(shè)計(jì).17 4.5.1 uln2803的介紹.17 4.5.2 澆水功能的實(shí)現(xiàn).184.6 電源的設(shè)計(jì).19第五章 系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì).215.1 系統(tǒng)時(shí)間顯示.215.2 鍵盤控制時(shí)間設(shè)置.22 5.2.1 按鍵校對系統(tǒng)時(shí)間.22 5.2.2 按鍵設(shè)置澆水時(shí)間.235.3 澆水執(zhí)行程序框圖.245.4 主程序.25第六章 仿真.396.1 仿真說明.396.2 仿真電路圖.39第七章 結(jié)論.41致謝.42參考文獻(xiàn).43附錄 電路圖 第一章 引言 目前，農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、軍事等各個方面都向自動化、智能化、數(shù)字化發(fā)展。為了適應(yīng)時(shí)代的發(fā)展電子技術(shù)迅猛發(fā)展。數(shù)字化、智能化、

3、自動化的實(shí)現(xiàn)方式多種多樣，從而產(chǎn)生了很多的設(shè)計(jì)工具。單片機(jī)就是其中之一，它正朝著多品種和高性能發(fā)展，正在進(jìn)一步向著coms化、小體積、低功耗、高性能、大容量和外部電路內(nèi)裝化等多個方向發(fā)展。卓越的性價(jià)比受到了設(shè)計(jì)者們的歡迎。 隨著農(nóng)業(yè)的規(guī)模化、系統(tǒng)化，傳統(tǒng)的管理方法需要大量的人力而且不能及時(shí)。為了滿足更高效更高產(chǎn)，并提高管理水平。本文將介紹一個可以自動定時(shí)、多路澆水、定澆水時(shí)間的系統(tǒng)，它主要基于51單片機(jī)來設(shè)計(jì)，并將隨著社會生活的進(jìn)步、人們對效率的要求，將會得到大量的應(yīng)用和不斷的完善。 本論文中將會應(yīng)用單片機(jī)等電子技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自動澆水控制。 1.1 單片機(jī)的概述 為了適應(yīng)社會發(fā)展的需求，微型計(jì)算機(jī)

4、不斷地更新?lián)Q代，新產(chǎn)品層出不窮。在微型計(jì)算機(jī)的大家庭中，幾年來單片微型計(jì)算機(jī)異軍突起，發(fā)展極為迅速。 單片微型計(jì)算機(jī)(single-chip microcomputer)簡稱單片機(jī)。它是微型計(jì)算機(jī)的一個重要分支，也是一種非常活躍且具生命力的機(jī)種。特別適用于控制領(lǐng)域，故又稱微控制器(microcontroller)。 通常單片機(jī)由單塊集成電路芯片構(gòu)成，內(nèi)部包含有計(jì)算機(jī)的基本功能功能部件：中央處理器(central processing unit，cpu)、隨機(jī)存儲器(random access memory，ram)、只讀存儲器(read only memory，rom)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器及i/o(

5、input/output)接口電路等部件。因此單片機(jī)只需要與適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個單片機(jī)控制系統(tǒng)。 它的特點(diǎn)是：高性能、高速度、體積小，價(jià)格低廉，穩(wěn)定可靠，應(yīng)用廣泛。1.2 單片機(jī)的分類及發(fā)展 20世紀(jì)80年代以來，單片機(jī)有了新的長足發(fā)展，各個半導(dǎo)體器件廠商也相繼推出自己的產(chǎn)品。到目前為止，市面上出售的單片機(jī)品種已達(dá)60多個系列，600多個品種。如果按照cpu對數(shù)據(jù)處理的位數(shù)來分，通常可以把單片機(jī)分為4位的單片機(jī)、8位的單片機(jī)、16位的單片機(jī)、32位的單片機(jī)四類。它的產(chǎn)生和發(fā)展過程也經(jīng)歷了相應(yīng)的四個階段。 第一階段(1970-1974)為4位的單片機(jī)的階段。這種單片機(jī)的特點(diǎn)為

6、：價(jià)格便宜并且控制功能強(qiáng)，片內(nèi)含有多種i/o接口，有的根據(jù)不同用途還配有許多專用接口，豐富的i/o功能大大增強(qiáng)了四位單片機(jī)應(yīng)用于錄音機(jī)、攝像機(jī)、電冰箱、電視機(jī)、洗衣機(jī)等產(chǎn)品。 第二階段(1974-1978)為低中檔的8位單片機(jī)的階段。它是八位單片機(jī)的早期產(chǎn)品，以intel公司的mcs-48系列單片機(jī)為代表產(chǎn)品，這個系列的單片機(jī)在片內(nèi)集成八位cpu、并行i/o口、8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、ram和rom等，中斷處理較簡單，片內(nèi)ram和rom容量較小，且尋址范圍不大于4kb。 第三階段(1978-1983)為高檔的8位單片機(jī)階段。這類單片機(jī)在低、中檔基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其性能有明顯額提高。還是以intel公

7、司的mcs-48系列單片機(jī)為代表，在片內(nèi)還增加了串行接口，有多級的中斷處理系統(tǒng)，還有16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，片內(nèi)ram和rom容量也增大了，尋址范圍已經(jīng)可達(dá)64kb，有的片內(nèi)還加有a/d轉(zhuǎn)換接口。這類單片機(jī)功能強(qiáng)大，應(yīng)用領(lǐng)域廣闊，是現(xiàn)在各類單片機(jī)中應(yīng)用最多的一種。第四階段(1983-現(xiàn)在)為8位額單片機(jī)鞏固發(fā)展的階段和16位單片機(jī)、32位單片機(jī)推出的階段。這個階段特點(diǎn)是：一方面不斷的發(fā)展16位的單片機(jī)、32位的單片機(jī)和一些專用的單片機(jī)。近年來，各個計(jì)算機(jī)廠家已進(jìn)入了高性能的32位單片機(jī)的研制和生產(chǎn)階段，32位單片機(jī)除了具有更高的集成度以外，主振頻率已經(jīng)達(dá)到20mhz，這使32位的單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理速

8、度可以16位單片機(jī)快得多，性能比8位、16位單片機(jī)也更加優(yōu)越。 而需要說明的是，單片機(jī)的發(fā)展雖然經(jīng)歷了4位、8位、16位三階段，但4位、8位、16位單片機(jī)仍然各有其應(yīng)用領(lǐng)域，比如4位單片機(jī)在簡單家用電器、高檔玩具中還有應(yīng)用，而8位單片機(jī)在中、小規(guī)模應(yīng)用的場合仍占主流的地位，16位的單片機(jī)在比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)中才有應(yīng)用，32位單片機(jī)因控制領(lǐng)域?qū)λ囊蟛⒉皇制惹兴?2位單片機(jī)在我國的應(yīng)用并不多。 正是由于單片機(jī)具有上述顯著的特點(diǎn)，使得單片機(jī)應(yīng)用的范圍也日益擴(kuò)大。單片機(jī)的應(yīng)用打破了人們傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，原來很多用模擬電路、脈沖數(shù)字電路和邏輯部件來實(shí)現(xiàn)的功能，現(xiàn)在均可以使用單片機(jī)。使用軟件來實(shí)現(xiàn)。

9、使用單片機(jī)具有體積小、可靠性高、性價(jià)高和容易產(chǎn)品化的優(yōu)點(diǎn)。1.3 灌溉技術(shù)的發(fā)展簡介 生命之起源，水為必然條件。沒有了水，地球上的生命將會枯竭。人文明之?dāng)?shù)千年的歷史，為水而奮斗可以說是非常重要的篇章。比如我國古代的靈渠、鄭渠和都江堰，埃及尼羅河兩岸的歷史非常悠久的灌溉工程都是非常好的例證。 20世紀(jì)以前，人類經(jīng)過了數(shù)個世紀(jì)的探索，學(xué)會了攔河蓄水，筑渠引水和開畦灌溉的技術(shù)。但水的利用效率比較低下，限制了灌溉的面積擴(kuò)大。怎樣生產(chǎn)大量的糧食，來為飛快增長的人口提供糧食，如何提高水的利用率已經(jīng)成了20世紀(jì)的一大難題，而且伴隨著勞務(wù)成本大的迅速提高，怎樣節(jié)省人力來消減勞務(wù)成本也成了亟待解決的問題。 我國

10、從70年代開始引進(jìn)噴灌、滴灌技術(shù)，80年代中期曾一度得到迅速發(fā)展。但因?yàn)榻?jīng)濟(jì)及技術(shù)落后，不幾年即紛紛下馬。進(jìn)入90年代中期以來，我國充分意識到我國水資源的短缺問題，重新積極推廣節(jié)水技術(shù)。經(jīng)過數(shù)年努力，已取得長足進(jìn)步。 盡管各種節(jié)水技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的很成熟，但是還不能滿足的是智能化的定時(shí)澆水，要兩者結(jié)合才能更自動化及智能化。限于本論文的篇幅，這里只設(shè)計(jì)自動系統(tǒng)，有八路出水，而采用什么節(jié)水設(shè)備，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場合自行選取，只需對接到出口即可。 第二章 設(shè)計(jì)題目與要求2.1 課程設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)一種自動澆水控制器，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)定每周內(nèi)任意幾天需要澆水，每天何時(shí)開始澆水，每路每次澆水多長時(shí)間，八路依次自動澆水

11、。狀態(tài)顯示在平時(shí)模式現(xiàn)實(shí)當(dāng)前時(shí)間及星期幾，從左至右，前兩位顯示時(shí)，中間兩位顯示分，最后一位顯示星期。時(shí)與分之間兩個led為秒閃指示，每秒閃動一次。制作出適合系統(tǒng)運(yùn)行的電源。2.2 課程設(shè)計(jì)目的(1) 鞏固、加深和擴(kuò)大單片機(jī)應(yīng)用的知識面。提高綜合及靈活運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際控制的能力； (2) 培養(yǎng)針對課題需要，選擇和查閱有關(guān)手冊、圖標(biāo)及文獻(xiàn)資料的自學(xué)能力，提高組成系統(tǒng)、編程、調(diào)試的動手能力； (3) 學(xué)會對課程設(shè)計(jì)方案的分析、選擇、比較、熟悉系統(tǒng)開發(fā)、研制的過程，軟硬件設(shè)計(jì)的方法、內(nèi)容及步驟； (4) 掌握計(jì)數(shù)器、加法器、led的使用； (5) 掌握數(shù)碼管顯示電路的應(yīng)用與按鍵設(shè)置。 第三章 設(shè)計(jì)

12、的方案選擇與論證3.1 整體設(shè)計(jì)框架 圖3-1是本次設(shè)計(jì)的整體系統(tǒng)框圖，本電路是由at89c51單片機(jī)為控制核心，具有在線編程功能，低功耗，高性能等優(yōu)點(diǎn)；顯示模塊有三個數(shù)碼管，cd4511譯碼器構(gòu)成，使用動態(tài)掃描的顯示方式對數(shù)字進(jìn)行顯示；按鍵模塊位五個獨(dú)立按鍵構(gòu)成，分別設(shè)定時(shí)、分、星期、定時(shí)、定天；電源電路是為了給at89c51提供穩(wěn)定的工作電壓而設(shè)計(jì)；時(shí)鐘電路采用晶振提供時(shí)鐘頻率，再結(jié)合編程來實(shí)現(xiàn)時(shí)間的顯示與設(shè)定。顯示模塊鍵盤模塊澆水輸出模塊時(shí)鐘電路復(fù)位電路電源模塊 at89c51 圖3-1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框圖3.2 系統(tǒng)硬件的選擇 (1)控制系統(tǒng)模塊的方案選擇和論證 方案一：采用89c205

13、1芯片作為硬件核心，有2kb的存儲空間，雖然加上端口擴(kuò)展，鍵盤不做獨(dú)立式的，也可以滿足電路要求，但是它無法擴(kuò)展rom，也不能用c語言編程，因?yàn)閏的第一條指令是跳轉(zhuǎn)，會浪費(fèi)很多空間，因此導(dǎo)致空間不夠，就只能用匯編語音。 并且2051的p3.7在芯片的引腳上沒有，只在內(nèi)部有用，p1.0,p1.1沒有內(nèi)部上拉，要用做輸入輸出，就需要外接上拉。 方案二：采用89c51芯片作為硬件核心，采用flashrom，內(nèi)部具有4kb rom存儲空間，能于3v的超低壓工作，而且與mcs-51系列單片機(jī)完全兼容，有40個引腳，完全滿足電路要求，具有電路進(jìn)行調(diào)試時(shí)，由于程序的錯誤修改或?qū)Τ绦虻男略龉δ苄枰獰氤绦驎r(shí)，不

14、需要對芯片進(jìn)行多次拔插，所以不會對芯片造成損壞。結(jié)合兩者優(yōu)缺點(diǎn)考慮，在本設(shè)計(jì)中選擇采用at89c51作為主控制系統(tǒng)。 (2)顯示模塊選擇方案和論證 方案一：采用點(diǎn)陣式數(shù)碼管顯示，點(diǎn)陣式數(shù)碼管是由八行八列的發(fā)光二極管組成，對于顯示文字比較合適，如果用在顯示數(shù)字顯得太浪費(fèi)，且價(jià)格也相對比較高，所以不采用此種作為顯示。 方案二：采用led液晶顯示器，液晶顯示器的顯示功能強(qiáng)大，可顯示大量文字，圖形，顯示多樣，清晰可見，但是價(jià)格昂貴，需要的接口線多，所以在此設(shè)計(jì)中也不用這種作為顯示。 方案三：采用led數(shù)碼管動態(tài)掃描，led數(shù)碼管價(jià)格適中，對于顯示數(shù)字最合適，而且采用動態(tài)掃描法與單片機(jī)連接時(shí)，占用的單片

15、機(jī)口線少。 在本設(shè)計(jì)中選擇采用了led數(shù)碼管作為顯示。 (3)時(shí)鐘電路的選擇方案和論證 方案一：采用ds12887時(shí)鐘芯片實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘，ds12887芯片是一種高性能的時(shí)鐘芯片，可自動對秒、分、時(shí)、周、月、年以及閏年補(bǔ)償?shù)哪赀M(jìn)行計(jì)數(shù)，雖然精度高，但是成本相對高，本設(shè)計(jì)不需要如此顯示精度及詳細(xì)度。 方案二：采用外部晶振提供時(shí)鐘頻率，直接采用單片機(jī)定時(shí)計(jì)數(shù)器提供秒信號，使用程序?qū)崿F(xiàn)星期、時(shí)、分、秒的計(jì)數(shù)。采用此種方案可以減少芯片的使用，節(jié)約成本，適用更多的用戶需求。 在本設(shè)計(jì)中直接采用方案二的時(shí)鐘電路為電路提供時(shí)鐘控制模塊。 (4)鍵盤模塊的選擇方案和論證 方案一：采用獨(dú)立式的非編碼鍵盤模式，在此種連

16、接方式中，每個按鍵都是相互獨(dú)立的，均需占用cpu的一條i/o輸入數(shù)據(jù)線。 方案二：采用行列式的非編碼鍵盤，它是一種把所有按鍵排列成行列矩陣的鍵盤，所以，一個mn的行列式的非編碼鍵盤只需m條行線以及n條列線，共要占用m+n條單片機(jī)的端口線，本設(shè)計(jì)中按鍵只有五個，因此不采用此方案。 在本設(shè)計(jì)中采用方案一的鍵盤來對現(xiàn)實(shí)電路，和澆水設(shè)置進(jìn)行設(shè)定。3.3 最終方案決定及電路設(shè)計(jì) 綜上各方案所述，對此次設(shè)計(jì)的方案選定：采用at89c51作為主控制系統(tǒng)；led數(shù)碼管動態(tài)掃描作為顯示系統(tǒng)；采用單片機(jī)自身的定時(shí)計(jì)數(shù)器作為時(shí)鐘電路；系統(tǒng)電路圖見附錄。 第四章 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) 硬件電路是系統(tǒng)的重要部分，在本次設(shè)

17、計(jì)中主要是以at89c51為核心控制器。外加一些控制電路來實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的基本功能。下面分別介紹各個控制電路的功能及工作原理。 4.1 at89c51的介紹 89c51是一種帶4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器(fperomflash programmable and erasable read only memory)的cmos8位微處理器，簡稱單片機(jī)。它低電壓、高性能。該器件采用atmel高密度肥肉非易失存儲器制造技術(shù)來加工的，并且可以與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的mcs-51指令集和輸出管腳相兼容。因?yàn)閷⒍喙δ?位cpu和閃爍存儲器結(jié)合在一個芯片中，使得atmel的89c51成為一種高效的微控制器 89c單片

18、機(jī)，為許多嵌入式的控制系統(tǒng)完美的提供了一種不僅靈活性高而且價(jià)廉的方案。 4.1.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu) at89c51的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖4-1所示 圖4-1 89c51內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 89c51單片機(jī)基本組成包括有： 一個8位的微處理器 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器ram有128b 21個特殊功能寄存器sfr 片內(nèi)程序存儲器flash rom 有4kb 可尋址片內(nèi)外統(tǒng)一編址的64kb的rom 可尋址片外64kb的ram 4個8位并行i/o接口(p0p3) 一個全雙工通用異步串行接口uart 兩個16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 五個中斷源、兩個優(yōu)先級的中斷控制系統(tǒng) 具有位操作功能的布爾處理機(jī)及位尋址功能 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路

19、 at89c51主要部件也可以劃分為cpu、存儲器、i/o端口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和終端系統(tǒng)等五部分。cpu包括運(yùn)算器、控制器；存儲器包括程序存儲器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器、片外數(shù)據(jù)存儲器。 4.1.2 引腳說明 at89c51共含有40個引腳，分為端口線、電源線、控制線三類。如圖4-2所示： 圖4-2 at89c51封裝和引腳分配1. 電源引腳(2條) vcc (40腳)：電源端，接+5v電源。 gnd(20腳)：接地端，接地端。 2. 控制引腳(6條) xtal1和xtal2：片內(nèi)振蕩電路輸入線。 xtal1(19腳)：片內(nèi)振蕩電路反相放大器輸入。 xtal2(18腳)：片內(nèi)振蕩電路反相放大器輸出。 當(dāng)采用內(nèi)部時(shí)鐘時(shí),片外連接石英晶體和微調(diào)電容，產(chǎn)生原始的振蕩脈沖信號。采用外部時(shí)鐘時(shí)，xtal1輸入外部時(shí)鐘脈沖信號, xtal2懸空。相應(yīng)電路如圖4-3所示。 圖4-3 89c51的晶振連接圖 rst (9腳) : 復(fù)位信號輸入端。 高電平有效，保持兩個機(jī)器周期高電平時(shí),完成復(fù)位操作。 ale/ (30腳) :地址鎖存允許輸出端/編程脈沖輸入端 。 正常時(shí),連續(xù)輸出振蕩器頻率的1/6正脈沖信號。訪問片外存儲器時(shí)：作為鎖存p0口低8位地址的控制信號。對89c51片內(nèi) rom編程寫入時(shí)：作為編程脈沖輸入端。 (