基于單片機(jī)的智能灌溉系統(tǒng)1

1、摘 要水是一切生命過(guò)程中不可替代的基本要素，水資源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)資源。我國(guó)是世界上13個(gè)貧水國(guó)之一，人均水資源占有量只有世界人均水平的l/4。生產(chǎn)和生活占了大量用水。其中農(nóng)業(yè)灌溉用水占全國(guó)年總用水量的67左右，是節(jié)水潛力最大的領(lǐng)域。改變農(nóng)業(yè)灌溉方式是節(jié)約農(nóng)業(yè)用水的主要途徑。農(nóng)業(yè)灌溉方式中，滴灌是目前最為有效的一種。 本設(shè)計(jì)包括硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。硬件電路部分主要包括時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)，復(fù)位電路設(shè)計(jì)，報(bào)警電路設(shè)計(jì)，土壤濕度傳感器的選用，主控單片機(jī)的選用，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路和數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)，LED顯示部分和串行通信的設(shè)計(jì)。單片機(jī)選用AT89C51；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路采用外部靜

2、態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264；數(shù)據(jù)采集電路采用A/D轉(zhuǎn)換器AD574實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；設(shè)計(jì)的顯示部分采用6位LED顯示，74LS138實(shí)現(xiàn)其位選，CD4543實(shí)現(xiàn)其段選。土壤濕度傳感器將采集到的數(shù)據(jù)送入A/D轉(zhuǎn)換器AD574，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到外部靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264，最終由LED顯示部分顯示，讀出數(shù)據(jù)。軟件部分包括對(duì)主程序、數(shù)據(jù)采樣子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、顯示子程序的簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的本系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)的可靠性高關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)灌溉；單片機(jī)；傳感器；A/D轉(zhuǎn)換；LED顯示AbstractWater is the essential basic factor for all lifecycles. wa

3、ter resource is the important basic resource for social economics and society development. China is one of the 13 countries in the world which have the shortage problem with water resource. the average water distribution is only a quarter of the world. Production industry and every day life usages h

4、ave taken up the major part of water usage. Agricultural industry uses up about 67% of the total water resource and it is the major stream for water saving. Making changes to the ways of agricultural industry water usage is the main direction of saving agricultural water usage. Drip irrigation is th

5、e most effective technique currently in agricultureal irrigation. This design includes hardware ciruit design and software design.In this topic,the hardware circuit designincludes clock circuit design, reset circuit design, alarm circuit design, the selection of soil dampness detectors, the selectio

6、n of single chip microcomputer, data detection and store design, LED monitor part and serial communication circuit design. Single chip uses AT89C51; data storage circuit uses external stable data storage 6264; data detection circuit uses A/D converter AD574 to achieve the conversion; the display par

7、t of the design uses six digits LED monitor, 74LS138 achieves position selection, CD4543 achieves interval selection. Soil dampness detector will transfer detected data to A/D converter AD574; data is stored to external stable data storage space 6264, in the end, the LED monitor displays parts of th

8、e data for interpretation. Software includes the design of main program, data detection subprogram, data interpretation subprogram,and data display subprogram designs. The hardware design has advantage in a simple circuit, and high reliability of the program. Keywords: agricultural irrigation;single

9、chip;detector;A/D converter;LED monitor目 錄摘要IAbstractII第1章引言11.1農(nóng)業(yè)自動(dòng)灌溉11.2國(guó)、外灌溉現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)21.3課題研究目的與主要容4第2章農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉系統(tǒng)52.1滴灌原理概述52.2土壤濕度傳感器82.3模糊控制9第3章基于MCS-51單片機(jī)的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)113.1單片機(jī)選型113.2時(shí)鐘電路143.3復(fù)位電路143.4A/D轉(zhuǎn)換電路153.5數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路193.6LED顯示電路203.7串行通信電路243.8報(bào)警電路27第4章基于MCS-51單片機(jī)的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)294.1系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)304.2數(shù)據(jù)采

10、集子程序334.3數(shù)據(jù)處理子程序344.4數(shù)據(jù)顯示子程序364.5數(shù)據(jù)通信子程序37第5章結(jié)論40參考文獻(xiàn)41致42附錄4340 / 43第1章 引言1.1 農(nóng)業(yè)自動(dòng)灌溉水資源緊缺是中國(guó)的基本國(guó)情，特別是北方地區(qū)嚴(yán)重缺水，人均水資源量只占全國(guó)人均水平的1/4，水資源、土地資源、經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的布局嚴(yán)重失衡，生產(chǎn)和生活用水不斷增長(zhǎng)大量擠占了自然生態(tài)用水，已使黃河斷流、華北地區(qū)地下水位大幅度下降、生態(tài)環(huán)境急劇惡化，水資源短缺已成為地區(qū)可持續(xù)發(fā)展的重要制約因素。解決北方地區(qū)缺水有多種途徑，但立足點(diǎn)應(yīng)放在節(jié)約用水上，要建設(shè)節(jié)水型社會(huì)、節(jié)水型城市、發(fā)展節(jié)水型產(chǎn)業(yè)，不論居民生活、城市發(fā)展，還是各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)都

11、要厲行節(jié)水，提高水的利用效率和效益。我國(guó)農(nóng)業(yè)灌溉用水占全國(guó)年總用水量的67左右，是用水大戶，也是節(jié)水潛力最大的領(lǐng)域，節(jié)約灌溉用水對(duì)我國(guó)實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重要意義。因?yàn)椋旱谝弧⑥r(nóng)田灌溉耗水量最多，約占全國(guó)總耗水量的2/3，北方地區(qū)更是高達(dá)80%左右，節(jié)約灌溉用水可有效緩解水的供需矛盾；第二、目前農(nóng)田灌溉無(wú)效耗水的比重很大，發(fā)展節(jié)水灌溉不僅可以減少無(wú)效耗水、提高作物產(chǎn)量，同時(shí)還能減少土地鹽漬化危害和面源污染，改善生態(tài)問(wèn)題，一舉多得1。因而，解決農(nóng)業(yè)灌溉用水的問(wèn)題，對(duì)于緩解水資源的緊缺是非常重要的。在灌溉領(lǐng)域合理地推廣自動(dòng)化控制，不僅可以提高資源利用率，緩解水資源日趨緊的矛盾，還可以增加農(nóng)作物的

12、產(chǎn)量，降低農(nóng)產(chǎn)品的成本。灌溉系統(tǒng)的自動(dòng)化水平較低，這也是制約我國(guó)高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要原因。以色列、日本、美國(guó)等一些國(guó)家已采用先進(jìn)節(jié)水灌溉制度。由傳統(tǒng)的充分灌溉向非充分灌溉發(fā)展，對(duì)灌區(qū)用水進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，實(shí)際動(dòng)態(tài)管理。采用傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)土壤的情況和農(nóng)作物的生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)水管理的自動(dòng)化。高效農(nóng)業(yè)和精細(xì)農(nóng)業(yè)要求我們必須提高水資源的利用率。要真正實(shí)現(xiàn)水資源的高效，僅憑單向節(jié)水灌溉是不可能實(shí)現(xiàn)的。必須將水源開(kāi)發(fā)、輸配水、灌水技術(shù)和降雨、蒸發(fā)、土壤情況和農(nóng)作物需水規(guī)律等方面統(tǒng)一考慮。做到降水、灌溉水、土壤水和地下水聯(lián)合調(diào)用，實(shí)現(xiàn)按期、按需、按量自動(dòng)供水。自動(dòng)灌溉技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家，特別是大面積種植或缺水地區(qū)極其適用。按

13、灌溉方式分為噴灌、地面灌、微灌等。微灌又分為滴灌、微噴灌、涌泉灌、地下滲灌。自動(dòng)灌溉將充分發(fā)揮現(xiàn)有的節(jié)水設(shè)備的作用，優(yōu)化調(diào)度，提高效益；通過(guò)自動(dòng)控制節(jié)水技術(shù)的應(yīng)用，更加節(jié)水節(jié)能，降低灌溉成本，提高灌溉質(zhì)量；使灌溉更加科學(xué)、方便，提高管理水平；研制和推廣節(jié)水灌溉控制新技術(shù)是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的需要2。1.2 國(guó)、外灌溉現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)地面灌溉技術(shù)研究方面，水平畦灌、階式水平畦灌的研究不斷深入，傳統(tǒng)的畦灌、溝灌也由過(guò)去單純研究灌水技術(shù)要素對(duì)灌水均勻性、水分深層滲漏的影響，轉(zhuǎn)向綜合研究灌水技術(shù)要素對(duì)土壤水肥運(yùn)移、對(duì)水肥淋失的影響；同時(shí)，開(kāi)發(fā)了膜上灌等新型灌水技術(shù)，并得到較大面積推廣。水平畦灌是田面非常平整

14、條件下的畦灌，要求供水流量大、土地平整精度高，必須在進(jìn)行測(cè)量后，采用激光平地技術(shù)。該技術(shù)在美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家被稱為是地面灌溉最重要的進(jìn)展之一。波涌灌溉利用了致密層在發(fā)展中不斷減小田面糙率與土壤入滲特性這一客觀規(guī)律，逐次為以后各周期的灌溉水流創(chuàng)造了一個(gè)加速水流推進(jìn)與提高減滲效果的新接口。渾水波涌灌溉則是利用含沙量較高的水進(jìn)行波涌灌溉，能夠起到更加明顯的效果。在噴、技術(shù)研究方面，國(guó)外一直非常重視噴灌水肥需求規(guī)律與水肥耦合高效利用方面的研究，施肥灌溉應(yīng)用十分普遍。在微灌水肥高效利用方面，以色列、美國(guó)、荷蘭等國(guó)家對(duì)不同作物的施肥灌溉制度和微灌施肥灌溉專(zhuān)用液體肥料進(jìn)行了2030年的研究，取得了豐富的成果，已

15、經(jīng)研制出了針對(duì)多種經(jīng)濟(jì)作物水肥高效利用的專(zhuān)家管理系統(tǒng)。我國(guó)從20世紀(jì)70年代起，就針對(duì)微灌開(kāi)始了研究和試驗(yàn)示工作，開(kāi)展了微灌條件下的土壤水分與溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律、日光溫室和大田經(jīng)濟(jì)作物的灌溉制度、水肥耦合模式、滴灌施肥技術(shù)等研究工作。在噴微灌設(shè)備方面，對(duì)注肥設(shè)備的研制取得了可喜的進(jìn)展，但對(duì)滴灌施肥灌溉條件下養(yǎng)分的運(yùn)移以與施肥灌溉系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)幾乎沒(méi)有涉與。施肥灌溉自動(dòng)控制環(huán)節(jié)薄弱，施肥灌溉軟件方面研究嚴(yán)重滯后是造成這一局面的主要原因。國(guó)外現(xiàn)有滴灌施肥灌溉自動(dòng)控制軟件也只能在給定施肥量的情況下控制肥液濃度與施肥歷時(shí)，而未能將作物施肥灌溉制度、土壤特性、氮素運(yùn)移模式相結(jié)合，形成決策、管理一體化的軟件。國(guó)外

16、由于長(zhǎng)期的技術(shù)積累，一些著名公司不斷有新產(chǎn)品推出。在節(jié)水灌溉產(chǎn)品快速開(kāi)發(fā)平臺(tái)技術(shù)中，提出的高精度快速成型專(zhuān)用設(shè)備是快速成型領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，但是目前沒(méi)有見(jiàn)到開(kāi)發(fā)成功的報(bào)道。特別是微涂層的實(shí)現(xiàn)是技術(shù)難點(diǎn)，由于受到材料性能的限制，依靠自然流平無(wú)法達(dá)到很小的層厚，并且受到表面浸潤(rùn)性能的影響，必須采取相應(yīng)措施才能實(shí)現(xiàn)，目前正從材料、涂層方法方面力爭(zhēng)有所突破。近幾年，根據(jù)中國(guó)國(guó)情，我國(guó)已研發(fā)出大射程旋轉(zhuǎn)式微噴頭、長(zhǎng)流道新型薄壁微灌帶、帶離心清洗裝置的自動(dòng)反沖過(guò)濾器、帶穩(wěn)壓機(jī)構(gòu)的連續(xù)精量水動(dòng)式施肥泵、低壓壓力調(diào)節(jié)器、節(jié)能異形噴嘴、可調(diào)霧化程度與射程的多功能?chē)婎^、新型短流道噴頭、輕小型噴灌機(jī)組、新型中遠(yuǎn)射程噴

17、頭、國(guó)產(chǎn)激光控制精細(xì)平地鏟運(yùn)設(shè)備等節(jié)水灌溉設(shè)備和系統(tǒng)。一批節(jié)水產(chǎn)品初步表現(xiàn)出較強(qiáng)的市場(chǎng)前景和進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的潛力。如蜂窩管滲流集蓄新產(chǎn)品，長(zhǎng)流道新型薄壁微灌帶，帶離心清洗裝置的自動(dòng)反沖過(guò)濾器，帶穩(wěn)壓機(jī)構(gòu)的連續(xù)精量水動(dòng)式施肥泵，作物根區(qū)局部控水灌溉裝置，國(guó)產(chǎn)激光控制精細(xì)平地鏟運(yùn)設(shè)備，控制性分根交替灌溉孔口灌灌水器和交替閥等將會(huì)取得較大突破3。在工程節(jié)水技術(shù)方面, 國(guó)外的研究主要集中在渠系建筑物建設(shè)技術(shù)方面。相對(duì)來(lái)說(shuō)，技術(shù)正在趨于成熟，主要是探索新型建筑結(jié)構(gòu)形式。而新材料配方與其應(yīng)用技術(shù)的研究卻相對(duì)要活躍得多。國(guó)外都正在較普遍的將高分子材料應(yīng)用在渠道防滲中，尤其是在高分子膜料的應(yīng)用上已取得了不少實(shí)用的

18、研究成果。但薄膜易刺破和凍脹地區(qū)凍融破壞的問(wèn)題還沒(méi)有很好的解決。因此，各國(guó)都正在不斷研究開(kāi)發(fā)技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理的高分子合成新材料。我國(guó)目前采用的渠道防滲防凍技術(shù)主要是保溫整體剛性防滲防凍脹措施，適應(yīng)性較差、易損壞或成本高。剛?cè)峤Y(jié)構(gòu)具有適應(yīng)凍融變形、脹而不裂和防滲、減輕凍脹的特性，能同時(shí)有效解決滲漏和凍脹的問(wèn)題，應(yīng)用高分子材料研制技術(shù)可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)合理的剛?cè)峄旌辖Y(jié)構(gòu)或純?nèi)嵝越Y(jié)構(gòu)作為渠道的護(hù)砌結(jié)構(gòu)是我國(guó)科技人員正在努力研究的方向。在灌區(qū)灌溉用水管理中，綜合各種預(yù)測(cè)技術(shù)、優(yōu)化技術(shù)的灌溉用水計(jì)算機(jī)管理系統(tǒng)已開(kāi)始在我國(guó)灌區(qū)大面積應(yīng)用，使灌區(qū)的灌溉用水實(shí)現(xiàn)了由靜態(tài)用水向動(dòng)態(tài)用水的轉(zhuǎn)變，為提高灌區(qū)水資

19、源的利用率提供了技術(shù)保障。為實(shí)現(xiàn)渠系優(yōu)化配水的要求，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)的渠道水量、流量實(shí)時(shí)調(diào)控的研究也在國(guó)外逐步興起。灌區(qū)用水管理系統(tǒng)方面，已逐步轉(zhuǎn)向研究將數(shù)據(jù)庫(kù)、模型庫(kù)、知識(shí)庫(kù)和地理信息系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的灌區(qū)節(jié)水灌溉綜合決策支持系統(tǒng)。特別是近年來(lái)發(fā)達(dá)國(guó)家已開(kāi)展了基于田間水肥等生產(chǎn)要素的巨大差異性，利用GPS和G1S、RS和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，精細(xì)準(zhǔn)確調(diào)整灌水施肥的精準(zhǔn)灌溉技術(shù)研究，為最大限度地優(yōu)化各項(xiàng)農(nóng)業(yè)投入，充分挖掘田間水肥差異性所隱含的增產(chǎn)潛力創(chuàng)造了條件。實(shí)現(xiàn)灌區(qū)現(xiàn)代化管理，首先要有灌溉工程控制設(shè)備的自動(dòng)化，其次有先進(jìn)的系統(tǒng)運(yùn)行軟件對(duì)系統(tǒng)控制問(wèn)題進(jìn)行決策，從而建立灌區(qū)現(xiàn)代化管理決策支持系統(tǒng)，指導(dǎo)灌溉

20、用水過(guò)程。1.3 課題研究目的與主要容節(jié)水灌溉技術(shù)與其配套設(shè)備，在我國(guó)經(jīng)過(guò)近30多年的快速發(fā)展，在總結(jié)相關(guān)成果的基礎(chǔ)上，初步形成了其技術(shù)體系，在某些方面已達(dá)到或接近國(guó)際先進(jìn)水平。但由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平與科研體制的限制，我國(guó)的節(jié)水灌溉技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家還有很大的差距。隨著我國(guó)水資源供需矛盾日益尖銳，農(nóng)業(yè)用水分配額減少的問(wèn)題勢(shì)必日益突出，同時(shí)為了緩解我國(guó)進(jìn)入WTO外國(guó)農(nóng)產(chǎn)品對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的壓力，如何快速發(fā)展我國(guó)的節(jié)水灌溉技術(shù)與其配套設(shè)備，從而緩解我國(guó)農(nóng)業(yè)用水壓力與發(fā)展高品質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品以加國(guó)外產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)是一個(gè)不容忽視的嚴(yán)峻問(wèn)題。我國(guó)目前95%以上的灌溉面積采用地面灌溉方法。改進(jìn)地面灌溉技術(shù)，提高地面灌溉

21、的灌水效果對(duì)緩解我國(guó)水資源短缺、保持灌溉農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本課題任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)通過(guò)單片機(jī)控制的節(jié)能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)。要實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠、實(shí)時(shí)性好、靈敏度高；功耗低，操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。測(cè)量數(shù)據(jù)能夠在LED上顯示出來(lái)，結(jié)果直觀。和傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備相比成本大大降低，而且抗干擾性好、安裝維護(hù)方便、測(cè)量精度高，具有較高的性能和價(jià)格比。該系統(tǒng)可對(duì)不同土壤的適度進(jìn)行監(jiān)控，并進(jìn)行適時(shí)、適量的灌溉。第2章 農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉系統(tǒng)2.1 滴灌原理概述噴灌、滴灌、微噴灌等任何一種高效節(jié)水灌溉技術(shù)的應(yīng)用，都必需通過(guò)與技術(shù)相配套的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)的。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)的噴灌、滴灌、微噴灌技術(shù)的

22、推廣應(yīng)用一直沒(méi)有得到長(zhǎng)足的發(fā)展，這與國(guó)節(jié)水灌溉設(shè)備、器材制造業(yè)發(fā)展滯后有密切關(guān)系。國(guó)現(xiàn)有的節(jié)水灌溉設(shè)備、配套器材制造廠多為一些轉(zhuǎn)產(chǎn)的小企業(yè)，生產(chǎn)技術(shù)裝備落后、專(zhuān)業(yè)化生產(chǎn)程度低，生產(chǎn)與科研脫節(jié)，這是國(guó)產(chǎn)節(jié)水灌溉設(shè)備成本高，性能不穩(wěn)定、質(zhì)量差、不耐用的根本原因。國(guó)產(chǎn)設(shè)備價(jià)高，質(zhì)量差不僅影響了技術(shù)的推廣應(yīng)用，還給農(nóng)民造成不應(yīng)有的經(jīng)濟(jì)損失，甚至挫傷農(nóng)民節(jié)水灌溉的積極性。因此，抓好噴灌、滴灌、微噴灌的設(shè)備生產(chǎn)，以質(zhì)優(yōu)、價(jià)廉的國(guó)產(chǎn)設(shè)備來(lái)支持高效節(jié)水灌溉技術(shù)的加速發(fā)展是必要的。在事實(shí)上，加速發(fā)展高效節(jié)水灌溉技術(shù)與節(jié)水灌溉設(shè)備和配套器材制造業(yè)的發(fā)展壯大，也是存在互動(dòng)關(guān)系，相互依存，相互促進(jìn)發(fā)展，也是可以取得“

23、雙贏”的效果。微灌技術(shù)大都用于經(jīng)濟(jì)作物，是目前農(nóng)民比較關(guān)心的一種節(jié)水灌溉技術(shù)，它是在滴灌的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)一種節(jié)水灌溉技術(shù)，微灌包括滴灌、微噴灌、滲灌、小管涌流灌等多種方式。它是以少量的水濕潤(rùn)作物的根區(qū)附近的部分土壤的一種局部灌溉技術(shù)，其特點(diǎn)是灌水流量小、一次灌溉延續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，灌水周期短，能夠準(zhǔn)確的控制水量，能把水和養(yǎng)分直接地輸送到作物根部附近的土壤中去。微灌特別是在經(jīng)濟(jì)作物，應(yīng)用效益十分突出,因此很適合一家積使用一戶小面積使用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用該項(xiàng)技術(shù)后，可節(jié)水50（每畝每茬可節(jié)水287.5立方米，省電71.88度）,省地1520、省工50、省肥2030，省藥10，增產(chǎn)1530，特別是明顯降低棚的

24、濕度，解決了冬季溫棚生產(chǎn)放風(fēng)減濕與封閉保溫的矛盾，有利于作物的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。微灌具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)高效省水微灌系統(tǒng)全部由管道輸水，因此損失少，灌水時(shí)只濕潤(rùn)作物根部附近的部分土壤，灌水量小，灌水均勻度可達(dá)8090，水的利用率高。 (2)節(jié)能 微灌比噴灌的工作壓力低、耗能少。(3)增產(chǎn)微灌能適時(shí)適量地向作物根系附近灌水，供肥，有的還可調(diào)節(jié)棵間的溫度和濕度，不會(huì)造成土壤的板結(jié)，為作物提供了良好的生長(zhǎng)環(huán)境，有利于實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。實(shí)踐證明，微灌較地面灌水方式可增產(chǎn)30左右。 (4)對(duì)土壤和地形的適應(yīng)性強(qiáng)微灌的灌水速度可快，可慢。因此對(duì)粘土和沙土都適合?？梢赃M(jìn)行間隙灌溉，這樣可使作物的根系經(jīng)常

25、保持合適的水分，又不會(huì)產(chǎn)生深層的滲漏。 (5)省工、省力。 (6)利用咸水、污水咸水、污水經(jīng)過(guò)處理后，當(dāng)水質(zhì)達(dá)到要求時(shí)可進(jìn)行微灌灌溉4。滴灌技術(shù)是通過(guò)干管、支管和毛管上的滴頭，在低壓下向土壤經(jīng)常緩慢地滴水；是直接向土壤供應(yīng)已過(guò)濾的水分、肥料或其它化學(xué)劑等的一種灌溉系統(tǒng)。它沒(méi)有噴水或溝渠流水，只讓水慢慢滴出，并在重力和毛細(xì)管的作用下進(jìn)入士壤。滴人作物根部附近的水，使作物主要根區(qū)的土壤經(jīng)常保持最優(yōu)含水狀況。這是一種先進(jìn)的灌溉方法。滴灌技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：(1)節(jié)水、節(jié)肥、省工滴灌屬全管道輸水和局部微量灌溉，使水分的滲漏和損失降低到最低限度。同時(shí)，又由于能做到適時(shí)地供應(yīng)作物根區(qū)所需水分，不存在外圍水的損失問(wèn)

26、題，又使水的利用效率大大提高。灌溉可方便地結(jié)合施肥，即把化肥溶解后灌注入灌溉系統(tǒng)，由于化肥同灌溉水結(jié)合在一起，肥料養(yǎng)分直接均勻地施到作物根系層，真正實(shí)現(xiàn)了水肥同步，大大提高了肥料的有效利用率，同時(shí)又因是小圍局部控制，微量灌溉，水肥滲漏較少，故可節(jié)省化肥施用量，減少污染。運(yùn)用灌溉施肥技術(shù)，為作物與時(shí)補(bǔ)充價(jià)格昂貴的微量元素提供了方便，并可避免浪費(fèi)。滴灌系統(tǒng)僅通過(guò)閥門(mén)人工或自動(dòng)控制，又結(jié)合了施肥，故又可明顯節(jié)省勞力投入，降低了生產(chǎn)成本。(2)控制溫度和濕度傳統(tǒng)溝灌的大棚，一次灌水量大，地表長(zhǎng)時(shí)間保持濕潤(rùn)，不但棚溫、地溫降低太快，回升較慢，且蒸發(fā)量加大，室濕度太高，易導(dǎo)致蔬菜或花卉病蟲(chóng)害發(fā)生。因滴灌屬

27、于局部微灌，大部分土壤表面保持干燥，且滴頭均勻緩慢地向根系土壤層供水，對(duì)地溫的保持、回升，減少水分蒸發(fā)，降低室濕度等均具有明顯的效果。采用膜下滴灌，即把滴灌管（帶）布置在膜下，效果更佳。另外滴灌由于操作方便，可實(shí)行高頻灌溉，且出流孔很小，流速緩慢，每次灌水時(shí)間比較長(zhǎng)，土壤水分變化幅度小，故可控制根區(qū)土壤能夠長(zhǎng)時(shí)間保持在接近于最適合蔬菜、花卉等生長(zhǎng)的濕度。由于控制了室空氣濕度和土壤濕度，可明顯減少病蟲(chóng)害的發(fā)生，進(jìn)而又可減少農(nóng)藥的用量。(3)保持土壤結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)溝畦灌較大灌水量作用下，使設(shè)施土壤受到較多的沖刷、壓實(shí)和侵蝕，若不與時(shí)中耕松土，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重板結(jié)，通氣性下降，土壤結(jié)構(gòu)遭到一定程度破壞。而滴灌

28、屬微量灌溉，水分緩慢均勻地滲入土壤，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)能起到保持作用，并形成適宜的土壤水、肥、熱環(huán)境。(4)改善品質(zhì)、增產(chǎn)增效由于應(yīng)用滴灌減少了水肥、農(nóng)藥的施用量以與病蟲(chóng)害的發(fā)生，可明顯改善產(chǎn)品的品質(zhì)?？傊^之傳統(tǒng)灌溉方式，溫室或大棚等設(shè)施園藝采用滴灌后，可大大提高產(chǎn)品產(chǎn)量，提早上市時(shí)間，并減少了水肥、農(nóng)藥的施用量和勞力等的成本投入，因此經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。設(shè)施園藝滴灌技術(shù)適應(yīng)了高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的要求，這也是其能得以存在和大力推廣使用的根本原因5。在農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉中，描述土壤中水含量的概念有：體積百分?jǐn)?shù)，重量百分?jǐn)?shù)，水層厚度，田間持水量，相對(duì)含水量，水儲(chǔ)量，土壤濕潤(rùn)層深度。 通常所測(cè)量的

29、土壤含水量是指土壤的容積含水量，因?yàn)檫@樣可以忽略土樣的容重。土壤的容積含水量是容積土壤中水分容積與土壤容積的比例。重量百分?jǐn)?shù)是指濕、干土質(zhì)量之差與干土質(zhì)量的比值，就是土的含水量。水層厚度是指在一定厚度的土層中，水分的厚度毫米數(shù)；用它表示土壤含水量的優(yōu)點(diǎn)在于與氣象資料和作物耗水量所用的水分表示方法一致，便于互 相比較和互相換算。田間持水量指在地下水較深和排水良好的土地上充分灌水或降水后，允許水分充分下滲，并防止蒸發(fā)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，土壤剖面所能維持的較穩(wěn)定的土壤水含量。達(dá)到田間持水量時(shí)的土水勢(shì)為50350毫巴，大多集中于100300毫巴間。田間持水量長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為是土壤所能穩(wěn)定保持的最高土壤含水量

30、，也是土壤中所能保持懸著水的最大量，是對(duì)作物有效的最高的土壤水含量，且被認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)，常用來(lái)作為灌溉上限和計(jì)算灌水定額的指標(biāo)。但它是一個(gè)理想化的概念，嚴(yán)格說(shuō)不是一個(gè)常數(shù)。雖在田間可以測(cè)定，但卻不易再現(xiàn)，且隨測(cè)定條件和排水時(shí)間而有相當(dāng)?shù)某鋈?，故至今尚無(wú)精確的儀器測(cè)定方法。相對(duì)含水量是指土壤自然含水量占某種水分常數(shù)的百分?jǐn)?shù)。土壤濕潤(rùn)層深度是決定灌水定額的主要參數(shù)之一，實(shí)際中濕潤(rùn)層的深度硬取決于作物根系密集層深度，并與土壤剖面水分的消失深度有關(guān)，它隨著生育期和根系發(fā)育的變化而改變。土壤濕度傳感器A/D轉(zhuǎn)換器AT89C51單片機(jī)RS232LED顯示報(bào)警放大驅(qū)動(dòng)PC機(jī)數(shù)據(jù)顯示電磁閥圖2-1 單片機(jī)控制

31、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.2 土壤濕度傳感器傳感器是檢測(cè)系統(tǒng)中與被測(cè)對(duì)象直接發(fā)生聯(lián)系的部分，是信息輸入的窗口，它為檢測(cè)系統(tǒng)提供必要的原始信息。檢測(cè)系統(tǒng)獲取信息的質(zhì)量也往往是由傳感器的性能一次性確定。為了能使其輸出在精度要求圍之反映被測(cè)量，傳感器必須具備一定的基本特性，因?yàn)橹挥羞@樣，傳感器的輸出才能作為其輸出的量度。傳感器的基本特性是指?jìng)鞲衅鞯妮敵雠c輸入之間的關(guān)系特性，一般分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性兩類(lèi)。當(dāng)被測(cè)量不隨時(shí)間變化或變化很慢時(shí)，可用一系列靜態(tài)參數(shù)來(lái)描述和表征傳感器的靜態(tài)特性。當(dāng)被測(cè)量隨時(shí)間變化很快，可用一系列動(dòng)態(tài)參數(shù)來(lái)描述和表征傳感器的動(dòng)態(tài)特性6。本設(shè)計(jì)采用的是美國(guó)生產(chǎn)的AQUA-TEL-TDR便攜式

32、土壤水分儀。其技術(shù)參數(shù)如下：(1)測(cè)量土壤水分圍:0-100%vol(2)重復(fù)性誤差:<1(3)溫度圍:-600 to 850；精度:+2(4)電源:12VDC士20% 40mA(5)輸出:01 mA可選420 mA或05V其特點(diǎn)如下：(1)可長(zhǎng)期埋設(shè)；(2)長(zhǎng)度增加，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性；(3)容易攜帶，使用簡(jiǎn)單；(4)能耗極低；(5)最經(jīng)濟(jì)的TDR原理水分探頭。2.3 模糊控制在傳統(tǒng)的控制領(lǐng)域里，控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模式的精確與否是影響控制優(yōu)劣的最主要關(guān)鍵，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的信息越詳細(xì)，則越能達(dá)到精確控制的目的。然而，對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)，由于變量太多，往往難以正確的描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)，于是工程師便利用各種方法來(lái)

33、簡(jiǎn)化系統(tǒng)動(dòng)態(tài)，以達(dá)成控制的目的，但卻不盡理想。換言之，傳統(tǒng)的控制理論對(duì)于明確系統(tǒng)有強(qiáng)而有力的控制能力，但對(duì)于過(guò)于復(fù)雜或難以精確描述的系統(tǒng)，則顯得無(wú)能為力了。因此便嘗試著以模糊數(shù)學(xué)來(lái)處理這些控制問(wèn)題。模糊理論(Fuzzy Theory)是為解決真實(shí)世界中普遍存在的模糊現(xiàn)象而發(fā)展的一門(mén)學(xué)問(wèn)，是積極承認(rèn)主觀性問(wèn)題的存在，進(jìn)而以模糊集合理論來(lái)處理不易量化的問(wèn)題，以便能適當(dāng)而可靠的處理人們主觀評(píng)估問(wèn)題的方法。1974年,英國(guó)的E.H.Mamdani首次用模糊邏輯和模糊推理實(shí)現(xiàn)了世界上第一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的蒸汽機(jī)控制,并取得了比傳統(tǒng)的直接數(shù)字控制算法更好的效果,從而宣告模糊控制的誕生7。傳統(tǒng)的矢量控制系統(tǒng)需要電機(jī)

34、的精確數(shù)學(xué)模型，當(dāng)由于磁飽和或電機(jī)繞組溫度變化引起電機(jī)部參數(shù)變化時(shí)，會(huì)影響系統(tǒng)的控制效果。模糊邏輯處理是利用隸屬函數(shù)和模糊規(guī)則來(lái)求解那些含糊不清、不確定與不精確的問(wèn)題。模糊控制是指基于模糊邏輯描述一個(gè)過(guò)程的控制算法。模糊控制器主要嵌有操作人員的經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué)知識(shí)。模糊控制的最大優(yōu)點(diǎn)在于不依賴被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，并能克服非線性因素的影響，對(duì)調(diào)節(jié)對(duì)象的參數(shù)變化不敏感，即具有較強(qiáng)的魯棒性。模糊控制的優(yōu)點(diǎn)：(1)它是一種非線性控制方法，工作圍寬，使用圍廣，特別適合非線性系統(tǒng)的控制。(2)它不依賴于對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，對(duì)無(wú)法建?；蚝茈y建模的的復(fù)雜對(duì)象，也能利用人的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)模糊控制器完成控制任務(wù)；而傳統(tǒng)

35、的控制方法都要已知被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，才能設(shè)計(jì)控制器。(3)它具有在的并行處理機(jī)制，表現(xiàn)出較強(qiáng)的魯棒性，對(duì)被控對(duì)象的特性變化不敏感，模糊控制器的設(shè)計(jì)參數(shù)容易選擇調(diào)整。算法簡(jiǎn)單，執(zhí)行快，容易實(shí)現(xiàn)。不需要很多的控制理論知識(shí)，容易普與推廣8。模糊控制的基本思想:把人類(lèi)專(zhuān)家對(duì)特定的被控對(duì)象或過(guò)程的控制策略總結(jié)成一系列以"IF(條件)THEN(作用)"形式表示的控制規(guī)則,通過(guò)模糊推理得到控制作用集,作用于被控對(duì)象或過(guò)程.控制作用集為一組條件語(yǔ)句,狀態(tài)語(yǔ)句和控制作用均為一組被量化了的模糊語(yǔ)言集,如“正大”,“負(fù)大”,“正小”,“負(fù)小”,零等。模糊控制的作法即直接將對(duì)事物多個(gè)方面評(píng)估的意

36、見(jiàn)與其影響事物狀況的重要程度作加權(quán)的運(yùn)算，其意義在于希望系統(tǒng)性的分析出該事物的真實(shí)情況，其運(yùn)算方式類(lèi)似一般常用的“加權(quán)平均”，易于為人所接受。 簡(jiǎn)言之，模糊控制理論就是模仿人的思維方式和經(jīng)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的一種控制方法。第3章 基于MCS-51單片機(jī)的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)3.1 單片機(jī)選型鑒于控制的復(fù)雜性和兼顧顯示、報(bào)警、閉環(huán)控制等較高要求，本設(shè)計(jì)決定用單片機(jī)作為中心控制器?，F(xiàn)流行的單片機(jī)有很多種，8位單片機(jī)的控制功能較強(qiáng)，品種最為齊全。它不僅具有較大的存儲(chǔ)容量和尋址圍，而且中斷源、并行I/O接口和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器個(gè)數(shù)都有了不同程度的增加，并集成有權(quán)雙工串行通信接口；在指令系統(tǒng)方面，普遍增

37、設(shè)了乘除指令和比較指令。其中MCS-51系列以較高的性價(jià)比博得很多用戶的青睞。所以，本系統(tǒng)采用美國(guó)Intel公司生產(chǎn)的AT89C51型單片機(jī)，由于其具有集成度高、處理功能強(qiáng)、可靠性高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)并具有4K字節(jié)的程序存儲(chǔ)器，使得它應(yīng)用起來(lái)更加方便。1、AT89C51功能特性如下所述：(1)8位CPU；(2)含4KBytes的程序存儲(chǔ)器；(3)含256KBytes的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；(4)程序存儲(chǔ)器可外部擴(kuò)展至64Kbytes；(5)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可外部擴(kuò)展至64Kbytes；(6)一組全雙工的串行口；(7)兩組16位計(jì)時(shí)/計(jì)數(shù)器；(8)五個(gè)具有可編程為2層中斷優(yōu)先權(quán)的中斷源；(9)具有邏

38、輯運(yùn)算能力；(10)32條雙向且可被獨(dú)立尋址的I/O；(11)具有時(shí)鐘振蕩電路，一般工作頻率為12MHz或11.0592MHz。圖3-1 AT89C51引腳圖2、主要引腳功能：(1)VCC：供電電壓。(2)GND：接地。(3)P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門(mén)電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫(xiě)1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FLASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FLASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。(4)P1口：P1口是一個(gè)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4

39、TTL門(mén)電流。P1口管腳寫(xiě)入1后，被部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。 (5)P2口：P2口為一個(gè)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門(mén)電流，當(dāng)P2口被寫(xiě)“1”時(shí)，其管腳被部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的

40、容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。(6)P3口：P3口管腳是8個(gè)帶部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門(mén)電流。當(dāng)P3口寫(xiě)入“1”后，它們被部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：表3-1 P3口管腳功能表端口引腳 特殊功能P3.0 RXD（串行輸入口）P3.1 TXD（串行輸出口）P3.2 （外部中斷0）P3.3 （外部中斷1）P3.4 T0（定時(shí)/計(jì)時(shí)器0外部輸入）P3.5 T1（定時(shí)/計(jì)數(shù)器1外部輸入）P3.6 （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

41、寫(xiě)選通）P3.7 （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。(7)RESET：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RESET腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。(8)ALE/：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是，每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)，ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作

42、用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)效。(9)：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的信號(hào)將不出現(xiàn)。(10)/VPP：當(dāng)保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，將部鎖定為RESET；當(dāng)端保持高電平時(shí)，此間部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。(11)XTAL1：反向振蕩放大器的輸入與部時(shí)鐘工作電路的輸入。(12)XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出9。3.2 時(shí)鐘電路MCS-51雖

43、然有部振蕩電路，但要形成時(shí)鐘，必須外接元件，圖3-2是MCS-51的外部時(shí)鐘電路。外接晶體以與C2和C3構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。電容的大小會(huì)影響振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。該設(shè)計(jì)選用12MHz晶振，與之相適應(yīng)的電容的典型值是30pF左右。圖3-2 時(shí)鐘電路原理圖3.3 復(fù)位電路MCS-51復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。單片機(jī)在開(kāi)機(jī)時(shí)都需要復(fù)位，以便中央處理器CPU以與其它功能部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作。復(fù)位電路通常采用上電復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。該電路兼有上電復(fù)位和按鈕復(fù)位。復(fù)位電路如圖3-3所示。工作原理為：按鈕按

44、下后，RC電路充電，RESET引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要RESET端保持10ms以上的高電平，就能用單片機(jī)有效的復(fù)位。該設(shè)計(jì)時(shí)鐘頻率為12MHz，C取22F，R取1K歐姆。復(fù)位電路如圖3-3所示。圖3-3 復(fù)位電路原理圖3.4 A/D轉(zhuǎn)換電路A/D轉(zhuǎn)換接口是系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集前向通道的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)采集是在模擬信號(hào)源中采集信號(hào),并將之轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)的過(guò)程。因此,完成數(shù)據(jù)采集應(yīng)具備下述基本部件:模擬多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)和信號(hào)調(diào)節(jié)電路,采樣/保持放大器,模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器,通道控制電路。前向通道中,被測(cè)物理量經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào),而每一種傳感器都有與之配套的接口電路, 接口電路再將這一信號(hào)轉(zhuǎn)換

45、成電壓信號(hào)。多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)用來(lái)完成多路模擬信號(hào)的切換,信號(hào)調(diào)節(jié)則是將微弱的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成能滿足A/D轉(zhuǎn)換器需要的電平信號(hào)。為了減少動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集的孔徑誤差,需要加入采樣/保持電路。因此,數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計(jì)不僅僅限于是單純A/D轉(zhuǎn)換芯片的接口設(shè)計(jì),還必須綜合考慮傳感器到CPU的全過(guò)程10。AD574是美國(guó)模擬器件公司（Analog Devices）生產(chǎn)的12位逐次逼近型快速A/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換速度為35s，轉(zhuǎn)換誤差±0.05，是目前我國(guó)廣泛應(yīng)用、價(jià)格適中的A/D轉(zhuǎn)換器，其部有三態(tài)輸出緩沖電路，可直接與各種微處理器連接，且無(wú)須加邏輯接口電路，便能與CMOS與TTL電平兼容。部配置高精度參考電

46、壓源和時(shí)鐘電路，使它不需任何外部電路和時(shí)鐘信號(hào)，就能完成A/D轉(zhuǎn)換，應(yīng)用非常方便。AD574由兩部分組成，一部分是模擬芯片，另一部分?jǐn)?shù)字芯片，其中模擬部分由高性能的12位D/A轉(zhuǎn)換器AD565和參考電壓組成。數(shù)字部分由控制邏輯電路，逐次逼近型寄存器的三態(tài)緩沖器組成。控制邏輯部分，用來(lái)發(fā)出啟動(dòng)/停止始終信號(hào)與復(fù)位信號(hào)，并控制轉(zhuǎn)換過(guò)程，此部分信號(hào)包括5個(gè)外部信號(hào)以與部轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程結(jié)束后，輸出一個(gè)標(biāo)志狀態(tài)STS（低電平表明轉(zhuǎn)換結(jié)束）。另外，當(dāng)START信號(hào)出現(xiàn)高電平時(shí)，標(biāo)志狀態(tài)STS開(kāi)始變?yōu)楦唠娖?，直到轉(zhuǎn)換過(guò)程結(jié)束才變?yōu)榈仉娖?。在AD574芯片上有兩組控制引腳，即通過(guò)控制引腳（CE，和

47、），以與部寄存器控制輸入引腳（和A）。通用控制引腳的功能與大多數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器相似，主要決定裝置定時(shí)、尋址、啟動(dòng)脈沖和讀使能等功能。部寄存器控制輸入引腳是大多數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器所沒(méi)有的，它們用來(lái)選擇輸出數(shù)據(jù)的形式和轉(zhuǎn)換脈沖長(zhǎng)度。AD574的引腳如圖3-4所示。圖3-4 AD574引腳圖主要引腳功能：(1)CE是轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)和數(shù)據(jù)讀出端。和R/引腳來(lái)控制的。當(dāng)CE=1時(shí)，=0，且R/=0時(shí)，轉(zhuǎn)換過(guò)程開(kāi)始；而CE=1，=0，而R/=1時(shí)，數(shù)據(jù)可以被讀出。(2)為數(shù)據(jù)格式選擇端。當(dāng)=1時(shí)，雙字節(jié)輸出，即12位數(shù)據(jù)線同時(shí)生效輸出，可用于12位或16位微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。=0時(shí)，為單字節(jié)輸出，可與8位CPU接口連

48、接，AD574采用左對(duì)齊的數(shù)據(jù)格式，與A配合，使數(shù)據(jù)分兩次輸出。A=0時(shí)，高8位數(shù)有效。A=1時(shí)，則輸出低4位數(shù)據(jù)加4位附加0。請(qǐng)注意，引腳不能有TTL電平控制，必須直接接至+5V（引腳1）或數(shù)字地（引腳15）。(3)A為字節(jié)選擇端。A引腳有兩個(gè)作用，一是選擇字節(jié)長(zhǎng)度；二是與8位微處理器兼容時(shí)，用來(lái)選擇讀出字節(jié)。在轉(zhuǎn)換之前，設(shè)A=1，AD574按8位A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間為10。設(shè)A=0，12位A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間為25，這與的狀態(tài)無(wú)關(guān)。再讀周期中，A=0時(shí)，高8位數(shù)據(jù)有效；A=1時(shí)，則低4位數(shù)據(jù)有效。注意，如果=1，A的狀態(tài)不起作用。綜上所述，可寫(xiě)出AD574控制信號(hào)組合表，如表3-2所示。表

49、3-2 AD574控制信號(hào)組合表CE R/ 12/A 操作0 x x x x 禁止x 1 x x x 禁止1 0 0 x 0 啟動(dòng)12位轉(zhuǎn)換v 0 0 x 1 啟動(dòng)8位轉(zhuǎn)換1 0 1 接1腳（+5V） x 輸出數(shù)據(jù)格式為并行12位1 0 1 接地 0 輸出數(shù)據(jù)格式為并行8位1 0 1 接地 1 低4位加上尾隨4個(gè)零數(shù)據(jù)線DB0到DB11，高8位接于P00到P07，低4位接于P04到P07。數(shù)據(jù)格式控制端接地，可與8位單片機(jī)兼容，12位數(shù)據(jù)分兩次傳送。WR ,RD與非門(mén)后，接于CE，無(wú)論讀或?qū)?，CE =1時(shí)AD574均工作。通過(guò)74LS373接于P01,只要 P01=0則啟動(dòng)轉(zhuǎn)換器；P01=1則

50、讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。A0通過(guò)74LS373接于P00，即接于P00的狀態(tài)可控制轉(zhuǎn)換位數(shù)和讀取字節(jié)的方式。圖3-5AD574與單片機(jī)接口電路圖3.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路AT89C51單片機(jī)片有128B的RAM，在實(shí)際應(yīng)用中僅靠這256B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。這種情況下可利用MCS-51單片機(jī)所具有的擴(kuò)展功能擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。MCS-51系列單片機(jī)最大可擴(kuò)展64KB。常用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。由于在實(shí)際應(yīng)用中，需要擴(kuò)展的容量不大，所以一般情況采用靜態(tài)RAM。6264是靜態(tài)RAM擴(kuò)展。圖3-6 6264引腳圖6264是8K×8位靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器，采用CMOS工藝制造，單一+

51、5V電源供電，額定功率200mW，典型存取時(shí)間200ns，采用雙譯碼編址方式，為28線雙列直插式封裝，其引腳如圖3-6所示,工作方式選擇如表3-3所示,6264與AT89C51硬件連接圖3-7所示。其引腳功能如下所述：(1)地址線A12A0（13條）：A12A0位輸入地址線，用于傳送CPU送來(lái)的址編碼信號(hào)，高電平表示為“1”，低電平表示“0”。(2)數(shù)據(jù)線D7D0(8條)：D7D0位雙向數(shù)據(jù)線，D7為最高位，D0位最低位，正常工作時(shí)，D7D0用來(lái)傳送6264的讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。(3)控制線（4條）：允許輸出：該輸入線用于控制從6264中讀出的數(shù)據(jù)是否送到數(shù)據(jù)線D7D0上。片選輸入線CS1和：若CS1=

52、1和=0，則本芯片被選中工作；否則，本6264不被選中工作。讀寫(xiě)命令線：若為高電平，則6264建立讀出工作狀態(tài)；若為低電平，則6264處于寫(xiě)入狀態(tài)。(4)電源線（2條）：VCC為+5V電源線，允許在±10圍波動(dòng)；GND為接地線11。 AT89C51單片機(jī)外接數(shù)據(jù)RAM時(shí)，P2口輸出存儲(chǔ)器的高8位，P0口分時(shí)輸出地址的低8位和傳送指令字節(jié)或數(shù)據(jù)。P0口先輸出低8位地址信號(hào)，在ALE有效時(shí)將它鎖存到外部地址鎖存器中，然后P0口作為數(shù)據(jù)總線使用，此處地址鎖存器選用74LS373，實(shí)際電路連接如圖3-7所示。圖3-7 6264與AT89C51硬件連接原理圖3.6 LED顯示電路進(jìn)入二十一世紀(jì)

53、以來(lái)，顯示技術(shù)作為人機(jī)聯(lián)系和信息展示的窗口，已應(yīng)用于娛樂(lè)、工業(yè)、軍事、交通、教育、航空航天、衛(wèi)星遙感和醫(yī)療等各個(gè)方面，顯示產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為電子信息工業(yè)的一大支柱產(chǎn)業(yè)。在我國(guó)，顯示技術(shù)與相關(guān)產(chǎn)業(yè)的商品在信息產(chǎn)業(yè)的總產(chǎn)值的45%左右。電子顯示器可分為主動(dòng)發(fā)光型和非主動(dòng)發(fā)光型兩大類(lèi)。前者是利用信息來(lái)調(diào)制各像素的發(fā)光亮度和顏色，進(jìn)行直接顯示；后者本身不發(fā)光，是利用信息調(diào)制外光源而使其達(dá)到顯示的目的。顯示器器件的分類(lèi)有各種方式，按顯示容、形狀分為數(shù)碼、字符、軌跡、圖表、圖形的圖像顯示器；按所用顯示材料可分為固體、液體、氣體、等離子提和液晶體顯示器。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，常用的顯示器件有LED（發(fā)光二極管顯示器）

54、和LCD(液晶顯示器)。這兩種器件都具有成本低廉、配置靈活、與單片機(jī)接口方便的特點(diǎn)。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展。近年來(lái)，也開(kāi)始出現(xiàn)有配置簡(jiǎn)易形式的CRT顯示器，以方便圖形顯示。LED顯示塊是由發(fā)光二極管顯示字段的顯示器件。這種顯示塊有共陰極和共陽(yáng)極兩種。共陰極LED顯示塊的發(fā)光二極管共地。當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮；共陽(yáng)極LED顯示塊的發(fā)光二極管陽(yáng)極并接，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陰極為低電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)常使用的是七段LED顯示塊中有8的發(fā)光二極管，也叫8段顯示器。其中7個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成7筆字型“8”；一個(gè)發(fā)光二極管構(gòu)成小數(shù)點(diǎn)的“.”。7段發(fā)光二極管，再加上一

55、個(gè)小數(shù)點(diǎn)位，共計(jì)8位，因此提供給LED顯示器的字型數(shù)據(jù)正好一個(gè)字節(jié)。本設(shè)計(jì)選用的顯示塊是共陰極的LED（共陰極LED顯示塊的發(fā)光二極管陰極接地，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管點(diǎn)亮）。將單片機(jī)I/O口的8位線與顯示塊的發(fā)光二極管的引出端（adp）相連，共陰極低電平有效，選通有效后8位并行輸出口輸出不同的數(shù)據(jù)就點(diǎn)亮相應(yīng)的發(fā)光二極管，獲得不同的數(shù)字或字符。共陰極和共陽(yáng)極LED數(shù)碼宣示器的字模如表3-3。表3-3 LED顯示器字模表顯示字符 共陽(yáng)極 共陰極 顯示字體 共陽(yáng)極 共陰極0 C0H 3FH b 83H 7CH1 F9H 06H c C6H 39H2 A4H 5BH d A1H 5EH3 B0H 4FH E 86H 79H4 99H 66H F 8EH 71H5 92H 6DH P 8CH 73H6 82H 7DH U C1H 3EH7 F8H 07H Y 91H 31H8 80H 7FH H 89H 6EH9 90H 6FH L C7H 76Ha 88H 7FH “滅” FFH 00H單片機(jī)控制控制LED顯示器工作時(shí),要提供