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基于单片机的自动节水灌溉系统本科学位.doc
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1、河北大学2009届本科生毕业论文(设计) 基于单片机的自动节水灌溉系统摘 要节水灌溉-农业节水不仅潜力很大而且利国利民。对占消费水80%左右的农业用水的合理使用和发挥最大效益应该说具有非常重要的意义。尤其对于处在干旱、半干旱地区的大半个中国,节水将是可持续发展需要解决的最重要问题。单片机可编程控制节水灌溉系统,该系统可对不同土壤的湿度进行监控,并按照作物对土壤湿度的要求进行适时、适量灌水.本控制器以AT89C51单片机为核心,由传感器,信号处理电路、输出控制电路等构成。以实现数据采集、控制信号输出,通过传感器自动检测土壤水分实现自动灌溉控制。 硬件方面,土壤含水量的测量采用HIH3610湿度传
2、感器;A/D转换采用ADC0809芯片,74LS373芯片等。单片机控制部分采用AT89C51单片机为核心,主要由土壤湿度传感器,信号处理电路,输出控制电路等组成,软件选用汇编语言编程。单片机可将土壤湿度传感器检测到的土壤湿度模拟量转换成数字量,并传输给控制系统检测是否该灌溉。该系统灵活性强,成本低,可靠性高,在实际应用中前景广阔。关键词:单片机 芯片 采样 A/D转换 ABSTRACTStanza water irrigation-agriculture stanza water not only the potential but is very big and benefit peopl
3、e of country.To have to consume water 80% or so agriculture to use aqueous of reasonable usage and develop the biggest efficiency should say having count for much meaning.Particularly for be placed in the greater half inside country of drought, the half dry region, stanza water will be keep on the d
4、evelopment needs to be solved the most important problem.The single slice of machine programmable control stanza water irrigation system, that system can carry on supervision to the degree of humidity of different soil, and Be according to the request of farm crop to soil degree of humidity carry on
5、 in good time and just the right amount infusing water.This controller takes the AT89 C51 single slice of machine as core, from spread a feeling machine, the signal handles electric circuit and output control electric circuit etc. composing.Collect by carrying out a data, control signal output, pass
6、 to spread a feeling machine an auto examination the soil humidity carry out an automatic irrigation control.Hardware, the soil contains the diagraph adoption HIH3610 degree of humidities of amount of water to spread a feeling machine;A|D convert the adoption ADC0809 chips, 74 LS373 chip etc.Single
7、slice of machine control part adoption the AT89 C51 single slice of machine is mainly spread a feeling machine by soil degree of humidity, the signal handles electric circuit and outputs control electric circuit etc. to constitute, the software choice edits collected materials a language plait dista
8、nce.The single slice of machine can spread soil degree of humidity, the feeling machine examines of the soil degree of humidity imitates quantity to convert into a number quantity, and deliver to control system examination whether should irrigate.The systems vivid is strong, the cost is low, High re
9、liability, at physically applied in foreground vast.Keyword: single chip Chip Sample A| D convert目 录一 前言11.1本设计的任务和主要内容1二本系统主要硬件电路设计及介绍22.1本系统主要硬件介绍及总体说明:22.2简介AT89C51内部总体结构及其基本特性如下:22.3湿度传感器介绍32.4 A/D模块介绍42.5电动机介绍62.6电磁阀,喷头7三本系统主要硬件电路设计93.1系统的工作原理93.2单片机主系统电路93.3时钟电路103.4 数据存储器的扩展电路113.数据采集处理电路113.
10、LED显示系统电路12四 系统的软件设计154.1 系统主程序设计1542 采样子程序设计174.3数据处理174.3.1采集数据转换174.3.2 BCD转换194.4 LED动态显示程序19结 论21谢 辞22参考文献23 一 前言水是生命之源,没有了水,地球上的生物都将消失。农业自古是我国重中之重的行业,是各行各业的基础,也是人类得以生存的行业。农业的发展从长远的可持续战略发展来看,节水,高科技农业是二来的趋势。由传统农业向现代化农业转变,由粗放经营向集约经营转变。农业科技要想有大的发展,必须进行一次新的农业技术革命。农业与工业、交通等行业相比仍然比较落后,农业灌溉技术尤其落后。灌溉系统
11、自动化水平较低是制约我国高效农业发展的主要原因之一。传统的灌溉模式自动化程度低,属粗放的人工操作,即便对于给定的量,在操作中也无法进行有效的控制,为了提高灌溉效率,缩短劳动时间和节约水资源,必须发展节水灌溉控制技术。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已经是势在必行。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。本课题旨在设计一套能对作物生长的土壤湿度进行监控并自动灌溉的系统,它能对作物进行适时、适量的灌水,起到高效灌溉,节水、节能的作用。1.1本设计的任务和主要内容本论文主要讨论单片机控
12、制的节水灌溉系统,分别对土壤湿度与灌水量之间的关系、灌溉控制技术及系统设备的软、硬件各个部分进行了探讨。主要内容如下:1.节水灌溉控制系统的整体说明与设计思路分析。2.单片机的各部件的硬件说明,电路分析及软件编码。3. 据土壤湿度值,在灌水期间以预定的时间进行灌溉。当土壤湿度值低于设定的最低值时,系统便自动灌溉。4.相对于落后的人工灌溉来讲,这种自动化的方式可以控制浇水量的多少,减少人工操作,达到节水的目的。二本系统主要硬件电路设计及介绍2.1本系统主要硬件介绍及总体说明:要实现智能灌溉,系统需要有单片机、传感器、A/D模块,电动机、电磁阀、管网和喷头等设备。单片机:负责发出和接收各种运行程序
13、指令,是整个控制系统的中枢部分。传感器:由于本次设计时间比较仓促,忽略了温度对灌溉的影响,因此没有使用温度传感器,只使用了土壤湿度传感器。通过传感器采集土壤里的湿度信号,判断是否需要灌溉。A/D模块:将传感器采集的信号送到单片机。电动机:从水源抽水,为喷灌系统提供一定的压力。电磁阀:控制喷头的喷灌与否。喷头:实现均匀喷洒,便于充分吸收。管网:灌溉系统输送水的管路。图2-1 系统结构框图2.2简介AT89C51内部总体结构及其基本特性如下:AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压,高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。8位CPU、片内振荡器、4k字节ROM、128字节R
14、AM、21个特殊功能寄存器、32根I/O线、可寻址的64k字节外部数据、程序存贮空间、2个16位定时器、计数器中断结构:具有二个优先级、五个中断源一个全双口串行口位寻址功能,适于按位进行逻辑运算的位处理器。除128字节RAM、4k字节ROM和中断、串行口及定时器模块外,还有4组I/O口P0P3,余下的就是CPU的全部组成。如去掉ROM/EPROM部分即为8031,如果将ROM置换为Flash存贮器或EEPROM,或再省去某些I/O,即可得到51系列的派生品种,如89C51等单片机。单片机各部分是通过内部的总线有机地连接起来。图- AT89C51引脚结构图因此,AT89C51构成的单片机系统是具
15、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。2.3湿度传感器介绍湿敏元件的特性: 由于单总线微网采用寄存电源的方式向单总线器件供电,因此,要求挂接在单总线微网上的器件必须满足低功耗的要求。这里,选用了具有低功耗特性的模拟大信号湿度传感器HIH-3610。HIH-3610是美国Honeywell公司生产的相对湿度传感器。该传器采用热固聚酯电容式传感头,同时在内部集成了信号处理功能电路,因此,可完成将相对湿度值变换成电容值,再将电容传转换成线性的电压输出。同时该传感器还具精度高、响应快速、高稳定性、低温漂、抗
16、化学腐蚀性能强及互换性好等优点,其性能指标如表2-3所列,输出电压与相对湿度的关系如表2-1所示。表2-1 HIH-3610湿度传感器性能指标参 数指 标RH精度2%RH,0100%RH非凝结,25(DC供电电压=5V)RH互换性5%RH,060%RH;8%90%RHRH线性0.5%RH典型值RH迟滞1.2%的RH最大量程RH重复性0.5%RHRH反应时间/s30(慢流动的空气中,1/e25)RH稳定性1%RH典型值,50%RH,5年时间内DC供电电压/V49(传感器在DC5V下标定)消耗电流/mA0.2(DC 5V);2(典型值,DC9V)输出电压Vout=Vsuppl0.0062(sens
17、or%RH)+0.16由性能指标及输出电压与相对湿度的关系曲线,可得出如下结论。HIH-3610在供电电压为5V时,其消耗电流仅为200A,完全可满足单总线微网对器件低功耗的要求。HIH-3610输出电压为 Vout=Vsupply0.0062(sensor%RH)+0.16即输出电压Vout不仅正比于湿度测量值,且与电源电压值Vsupply圾关。若Vsupply固定为5V,则其值仅由相对湿度值决定,但由于单总线上的供电电压值为变量,故要求在进行湿度测量的同时还应测量电源电压Vsupply的值。HIH-3610输出的湿度值还与环境温度有关,故应进行温度补偿,补偿公式为RH=(sensor%RH
18、)/1.0546-0.0216t2.4A/D模块介绍ADC有两大类:一类在电子线路中使用,没有使能控制端;另一类有使能控制端,可以和微机接口直接连接。ADC0809是8位逐次逼近式A/D转换器,可以和微机接口直接相连。内部结构ADC0809由八路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、256电阻阶梯、树状开关、逐次逼近式寄存器SAR、控制电路和三态输出锁存器等组成。 (1)八路模拟开关及地址锁存与译码器八路模拟开关用于输入IN0IN7上八路模拟电压。地址锁存和译码器在ALE信号控制下可以锁存ADDA、ADDB和ADDC上地址信息,经译码后控制IN0IN7上哪一路模拟电压送入比较器。例如:当ADDA
19、、ADDB和ADDC上均为低电平0以及ALE为高电平时,地址锁存和译码器输出使IN0上模拟电压送到比较器输入端VIN。(2)256电阻阶梯和树状开关为了简化问题起见,现以二位电阻阶梯和树状开关为例加以说明。其中,四个分压电阻使A、B、C和D四点分压成2.5V、1.5V、0.5V和0V。SAR中高位D1控制左边两只树状电子开关,低位D0控制右边四只树状开关。各开关旁的0和1表示树状开关闭合条件,由D1D0状态决定。例如:D1=1,则上面开关闭合而下面开关断开,D1=0时的情况正好与此相反。树状开关输出电压VST和D1D0关系列于表2-2。表2-2 VST和D1D0的关系D1 D0VST0 00V
20、0 10.5V1 01.5V1 12.5V对于8位A/D转换器,SAR为八位,电阻阶梯、树状开关和上述情况类似。只是要有256个分压电阻,形成256个标准电压供给树状开关使用。VST送给比较器输入端。(3)逐次逼近寄存器和比较器SAR在A/D转换过程中存放暂态数字量,在A/D转换完成后存放数字量,并可送到“三态输出锁存器”。A/D转移前,SAR为全0。A/D转换开始时,控制电路使SAR最高位为1,并控制树状开关的闭合和断开,由此产生VST送给比较器。比较器对输入模拟电压VIN和VST进行比较。若VINVST,则比较器输出逻辑0而使SAR最高位由1变为0;若VINVST,则比较器输出使SAR最高
21、位保留1。此后,控制电路在保持最高位不变下,依次对次高位、次次高位最低位重复上述过程,就可在SAR中得到A/D转换完成后的数字量。(4)三态输出锁存器和控制电路三态输出锁存器用于锁存A/D转换完成后的数字量。CPU使OE引脚变为高电平就可以从“三态输出锁存器”取走A/D转换后的数字量。控制电路用于控制ADC0809的操作过程。引脚功能ADC0809采用双列直插式封装,共有28条引脚,如图2-3所示,现分为四组简述如下:图2-3ADC0809引脚图(1)IN0IN7(8条)IN0IN7为八路模拟电压输入线,用于输入被转换的模拟电压。(2)地址输入和控制ALE为地址锁存允许输入线,高电平有效。当A
22、LE线为高电平时,ADDA、ADDB和ADDC三条地址线上地址信号得以锁存,经译码后控制八路模拟开关工作。ADDA、ADDB和ADDC为地址输入线,用于选择IN0IN7上哪一路模拟电压送给比较器进行A/D转换。ADDA、ADDB和ADDC对IN0IN7的选择如表2-3所列。表2-3 被选模拟量路数和地址的关系被选模拟电压路数ADDCADDBADDAIN0000IN1001IN2010IN3011IN4100IN5101IN6110IN7111(3)数字量输出及控制线START为“启动脉冲”输入线,该线上正脉冲由CPU送来,宽度应大于100ns。EOC为转换结束输出线,该线上高电平表示A/D转换
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