毕业设计(论文)基于AT89C51单片机的节水灌溉系统的应用.doc
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1、专科毕业设计(论文)设计题目: 基于AT89C51单片机的节水灌溉系统的应用 系 部: 电气工程系 专 业: 工业企业电气 班 级: 工企091301 姓 名: 学 号: 093905130121 指导教师: 职 称 : 助教 2012年6月 南京摘 要 自动控制节水灌溉技术的高低代表着农业现代化的发展状况,目前我国的灌溉系统自动化水平较低。用单片机控制的节水灌溉系统可以对不同土壤进行湿度监控,并根据作物对土壤湿度的要求进行适时、适量灌水。 单片机控制部分采用的是型号为AT89C51的单片机,主要由湿度传感器,数据处理电路,LED动态显示电路,超限报警电路等组成。单片机可将土壤湿度传感器检测到
2、的土壤湿度模拟量转换成数字量,显示于LED显示器上。该系统灵活性强,易于操作,可靠性高,将会有更广阔的开发前景。关键词 智能 节水灌溉系统 单片机 AbstractAutomatic control of water saving irrigation techniques represent the level of development of the modernization of agriculture of our country, at present the low automatic level of irrigation system. MCU control of the
3、 water saving irrigation system can be of different soil humidity monitor, and on the basis of crops on soil moisture requirements of timely and adequate irrigation, its core is the SCM control part.SCM control part is used in model AT89C51single-chip, mainly by the humidity sensor, a data processin
4、g circuit, LED dynamic display circuit, alarm circuit. SCM could soil moisture sensors to detect soil moisture analog into digital, displayed in the LED display. The system is flexible, easy operation, high reliability, there will be a broader development prospects.Key words Intelligence Water savin
5、g irrigation system Single chip microcomputer 目 录 1 引言11.1 本设计任务和主要内容12 单片机概述12.1基本定义12.2 单片机的特点22.3 单片机的应用23 设计要求与系统方案23.1 设计要求23.2 系统方案24 硬件设计34.1 单片机控制系统原理34.2 单片机主机系统电路34.3 数据采集处理电路44.4 水泵控制电路54.5 LED数字显示部分54.6 超限报警电路75 软件设计75.1 主程序设计75.2 采样子程序设计85.3 数据处理95.4 LED动态显示程序14结论16致谢17参考文献18附录一 主程序设计19
6、 1 引言迄今为止,全世界范围内,有40的国家处于缺水状态,并有26个国家处于严重缺水的状态,我国拥有23万亿立方米的储水量,位于世界人均占有水资源量的109位,属于世界最缺乏水资源的国家之一。当前,我国每年缺水量高达400亿立方米,农业缺水尤为显著,约300亿立方米,农业占总用水量的70,高达90的用水量是用于灌溉,因此,农业节水是节水工程的关键所在,若采用传统的灌溉模式,全国每亩地的平均需水量在450-500立方米,因此研究一种有效的农业节水灌溉方式是当前的首要任务之一。随着计算机技术和传感器技术的迅猛发展,计算机和传感器的价格日益降低,可靠性日益提高,用信息技术改造农业可能的而且是必要的
7、。用高新技术改造农业产业,实施节水灌溉已成为我国农业乃至国民经济持续发展带战略性的根本大事。微灌溉技术是一种有效的现代节水技术,20世纪7O年代中期在发达国家中开始蔓延,国内进步缓慢,仅有234万立方米的土地试行微灌技术,我国在20世纪7O年代开始对此技术进行研究, 并在山西渗灌工程中得到了应用,取得了较好的效果。制约我国自动化节水工程发展的主要原因是自动化水平不高,多采用传统的灌溉模式,自动化意识低下,仍然属于粗放型的灌溉操作,因此,提高有效灌溉率、缩短工作时间,是节水的关键, 节水技术则是重中之重。本文旨在针对已经存在的作物生长土地湿度自动监控系统的理论进行研究,并且提出相应的修正措施,进
8、而能够极大地发挥其本身的优越性,使其促进作物生长的同时,节约大量的水,降低能耗。 1.1 本设计任务和主要内容论文研究用单片机控制的节水灌溉系统,对土壤湿度与灌水量之间的关系进行分析、研究。主要内容如下: 1.根据节水灌溉系统技术的特点,进行节水灌溉系统的分析、研究与设计。 2.由于土壤湿度难以用具体的数学模型来描述,所以采用模糊控制理论,对这一理论进行了深入的研究,重点研究双输入单输出的模糊控制方式。 3. LED显示土壤湿度值,在灌水期间以倒计时的方式显示灌水剩余时间。 4.当土壤湿度值低于设定的最低值时,系统可自动报警。 2 单片机概述2.1基本定义所谓单片机,就是把中央处理器CPU(C
9、entral Processing Unit)、存储器(Memory)、定时器、I/0(Input/Output)接口电路等一些计算机的主要功能部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。2.2 单片机的特点 小巧灵活,成本低,易于产品化,很高的性价比。 集成度高,有很高的可靠性,能在恶劣环境下工作。 控制功能强,特别是集成了功能接口电路,使用更方便有效。 低功耗,低电压,便于生产便携式产品。2.3 单片机的应用单片机的应用范围很广,比如智能仪器仪表、工业自动化、消费类电子产品、终端及外部设备控制、通讯、武器装备等。3 设计要求与系统方案3.1 设计要求该节水灌溉系统要求达到以下性能(1) 量测
10、范围:0100RH,精度:2% RH(2) DO输出,系统在土壤缺水时,自动浇水。(3) 数码管显示温湿度值。3.2 系统方案数据采集模块数据处理模块输出模块图1 节水灌溉系统方案用湿度传感器XR61TDR对湿度进行采集,所得电流信号经处理得到可用的电压信号,输入到A/D转换器ADC0809转化成数字信号,再由单片机对此信号进行处理。用温度传感器DS18B20对温度进行采集,所得信号经内部处理,直接得到可用的数字信号,再由单片机对此信号进行处理。系统将测得土壤的温度和湿度值,送到LED显示电路显示,同时通过模糊控制算法实现对水泵开关的智能控制。 4 硬件设计4.1 单片机控制系统原理 种植作物
11、的土壤土壤湿度传感A/D转换AT89C51单片机LED显示报警放大驱动电磁阀图2 单片机控制系统原理框图4.2 单片机主机系统电路AT89C51单片机是8051单片机的简化版。内部自带2K字节可编程FLASH存储器的低电压、高性能COMS八位微处理器,与IntelMCS-51系列单片机的指令和输出管脚相兼容。AT89C2051构成的单片机系统是具有结构最简单、造价最低廉、效率最高的微控制系统,省去了外部的RAM、ROM和接口器件,减少了硬件开销,节省了成本,提高了系统的性价比。图3 单片机主机系统图4.3 数据采集处理电路ADC0809是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器,它由8路模拟开关、
12、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和定时电路组成。本系统只用到INO和INl两路输入通道。ADC0809转换器的分辨率为8位,采用单一+5V供电,不需要进行零点和满度的调整。A/D转换器需要外部控制启动转换信号才能进行转换,ADC0809采用脉冲启动转换,只需要再A/D转换器的启动控制转换的输入引脚(START)上,加入正弦脉冲信号,A/D转换器便开始进行转换,转换开始后,信号输出端(EOC)变为低电平;转换结束时,EOC返回高电平,以通知主机读取转换结果的数字量。图4 数据采集处理电路4.4 水泵控制电路采用继电器控制电路,利用单片机的P3.1为水泵
13、的控制端口,当需要灌溉的时候P3.1为高电平,反之,P3.1为低电平。单片机要达到控制目的,电路要加放大电路,现使用9015三极管放大信号。使用1N4001稳压二极管来指示水泵开关状态,发光二极管亮代表继电器开关打开。4.5 LED数字显示部分 数字显示电路包括两个四位共阳极LED 显示器和键盘控制电路组成,一个LED 显示器显示实际的温度值,另一个 LED 显示器显示设定的湿度。共阳极LED显示器的阴极和单片机AT 89C51的P1口连接,显示段码由CPU 通过P1口传送到LED显示器的阴极。位扫描码由单片机AT 89C51的P20、P21、P22 输出,经74LS138 译码器译码后,再经
14、同相驱动器传送到LED 显示器的阳极,选通LED 显示器的对应位。单片机输出电压电流不能驱动数码管,使用 9015 三极管进行驱动,138译码器是TTL 电平与单片机兼容。本模块利用138译码器对显示器动态扫描,大大简化硬件,充分利用了单片机的资源。 本系统输出结果选用4个LED显示。数码管有共阴共阳之分,本系统采用8段共阴型LED,其原理图如图5所示,每位数码管内部8个发光二极管组成,由8个发光二极管的阴极并接而成的公共端在正常显示时接低电平(GND),a-dp各引脚上是否是高电平将决定各个数码管是否被点亮。 图5为 LED数码管的外形结构,外部共有10个引脚,其中3, 8脚是公共端,其余的
15、8个引脚被称为段选端。由于系统要显示的内容比较简单,显示量不多,所以选用数码管既方便又经济。LED有共阴极和共阳极两种。如图5所示。二极管的阴极连接在一起,通常此公共阴极接地,而共阳极则将发光二极管的阳极连接在一起,接入+5V的电压。一位显示器由8个发光二极管组成,其中7个发光二极管构成字型“8”的各个笔划(段)ag,另一个小数点为dp发光二极管。当在某段发光二极管施加一定的正向电压时,该段笔划即亮;不加电压则暗。为了保护各段LED不被损坏,需外加限流电阻。 符号和引脚 共阴极 共阳极图5 LED数码管结构原理图 数码管显示器有两种工作方式,即静态显示方式和动态扫描显示方式。为节省端口及降低功
16、耗,本系统采用动态扫描显示方式。用P3口来控制数码管每一位的公共端,即“位控”。如果要显示不同的内容,那么就要采用轮流显示的方式,即在某一瞬间,只让其中的某一位的字位线处于选通状态,其它各位的字位线处于断开状态,同时字段线上输出这一位相应要显示字符的字段码。 显示扫描由程控实现,其中PA口输出字型码,PC口输出位选信号即扫描信号。相应的端口地址分配如表4-1:名称命令/状态寄存器PA口PB口PC口端口地址7FF8H7FF9H7FFAH7FFBH4.6 超限报警电路为了使操作人员在一些紧急或反常状态下不会忽视、能够及时的处理突发状况,所以需要有一种能够引起人们注意的报警信号。报警信号一般包括:闪
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