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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
17、光报警、鸣音报警和语音报警，本系统采用声光报警。如图6所示为报警电路，选用压电式蜂鸣器，这种蜂鸣器仅需要10mA的驱动电流就可以产生3KHz左右的蜂鸣声音，其中蜂鸣器的一端接在高电平+SV上，另一端连接Pl.0，在初态时，P1.0始终输出高电平1，在需要报警的时候，对端口P1.0清零就可以了。同时利用延时程序来控制报警声音的长短。当P1.1端输出为低电平“0”时，二极管导通，灯亮发出报警信号。 图6 报警电路5 软件设计系统软件程序设计主要包括:主程序设计，采样子程序设计，数据处理程序，显示子程序，串口通信程序等。各芯片地址编码为:RAM6116: OFOOOH-OF7FFH 81551/0口
18、:7FF8H - 7FFDHADC0809: OBFF8H-OBFFFH5.1 主程序设计启动初始化读取A/D转换结果数值显示数值小于设定的值调用控制模块设定时间未到？调用时间显示模块 否 是 否 是 图7 主程序设计流程图5.2 采样子程序设计采样子程序清单:AD: MOV R0, #ADTURNO MOV R6, #OBHADLOOP: MOV DPTR, #OBFF8H ；启动INO通道A/D转换GOON: MOVX DPTR, A MOV R7, #OAOH ；延时等待转换结束DLAY: NOP NOP NOP NOP NOP DJNZ R7, DLAY MOVX A, DPTR MO
19、V R0, A ；将转换后的数据送入以ADTURNO为首址的一片 RAM内INC RODJNZ R6, ADLOOPSJMP ADRET5.3 数据处理5.3.1 数字滤波技术 在进行数据采集时，输入信号容易受到随机干扰，因此A/D转换器送入单片机中的数据存在误差，称为随机误差。为了克服随机干扰引起的误差，硬件上可采用滤波技术；软件上采用数字滤波法来抑制有效信号中的干扰成分，消除误差。本系统即采用数字滤波法。 常用的数字滤波法包括:限幅滤波法、中位值滤波法、算术平均滤波法、去极值平均滤波法、移动平均滤波法、加权平均滤波法、低通滤波法、复合滤波法等。本系统即采用中位值滤波法。 中位值滤波法的具体
20、思路是:对被测参数连续采样N次(一般N为奇数)，然后把N次采样值按大小排列，取其中间值为本次采样值。 本程序每次对土壤湿度连续采样11次，ADTURNO为片内RAM的21H地址单元，是采样值放入内存的首地址，滤波结果放入片内RAM的37H地址单元，即LINEADRO地址。MAOPAO: MOV Rl, #ADTURNO MOV R5, #OAH CLR OOHFILTER: MOV 3CH, R1 INC R1 MOV A, R1 CLR C SUBB A, 3CH JNC NEXT MOV A, R1 MOV R1, 3CH DEC R1 MOV Rl, A INC R1 SETB OOHN
21、EXT: DJNZ R5, FILTER JB OOH, MAOPAO MOV LINEADRO, 26H RET 图8 数字滤波程序流程图5.3.2 数字显示的标度变换在微机化测控系统中，经A/D转换器接口送入微机的数据，是对被测量进行测量得到的原始数据。这些原始数据送入微机后通常要先进行一定的处理，然后才能输出作为显示器的显示数据。在该系统中，湿度传感器和A/D相连，A/D转换器和单片机相连，其中不包括任何非线性的数字化测量通道，因此被测量的值N与A/D转换结果D，存在如图9所示线性关系。 图9 线性关系在该系统中，土壤湿度测量范围0100%对应的输出电压范围为0-5V,ADC0809为8
22、位A./D转换器，转换输出的数码为0255。即根据上面公式，DL=0lD H =255，NL=0, NH=100。TURN: SETB OD3H CLR OD4H；选则第一组寄存器 CLR C MOV A, LINEADR MOV B, #20 MUL AB CLR OD2H MOV R7, B MOV R6, A MOV R5, #00H MOV R4, #33HLOOP1: MOV A, R7 JNZ LOOP2 MOV A, R6 JNZ LOOP2 MOV R7, #0 MOV R6, #0 SJMP$LOOP2: CLR A MOV R2, A MOV R3, A MOV Rl, #
23、16ADIN: CLR C MOV A, R6 RLC A MOV R6, A MOV A, R7 RLC A MOV R7, A MOV A, R2 RLC A MOV R2, A MOV A, R3 RLC ALOOP3:DJNZ R1,ADIN MOV A,R3 JB ACC.7, LOOP4 MOV A, R2RLC A MOV R2,A MOV A, R3RLC ASUBB A,R5JC DONE1JNZ LOOP4MOV A,R2SUBB A,R4JC DONE1LOOP4:MOV A,R6 ADD A,#1 MOV R6,A MOV A,R7 ADDC A,#0 MOV R7,A
24、DONE1: MOV HUMID,R6 CLR 0D3HRET5.4 LED动态显示程序 字型表TAB中有效的字型码为:LED显示段码字型共阳极段共阴极段字型共阳极段共阴极段0C0H3FH990H6FH1F9H06HA88H77H2A4H5BHB83H7CH3B0H4FHCC6H39H466HDA1H5EH592H6DHE86H79H682H7DHF84H71H7F8H07H空白FFH00H880H7FHP8CH73H程序清单如下:MOV DPTR, #7FF8H ；指向8155控制口MOV A, #4DH ；设置8155工作方式字MOVX DPTR, A ；设A口、C口均为输出SHOW: C
25、LR OD3HSETB OD4H ；选中寄存器2组MOV R4, #OFFHSHOWSTART: MOV R0, SHOWADR+3 ；指向缓冲区末单元MOV R1, #4 ；显示4位LEDSHOWLED:MOV R6, #20HMOV R7, #00HDIR 1:MOV A, #00H MOV DPTR, #7FFBH MOVX DPTR, AMOV A,R0MOV DPTR, #TABMOV A, A+DPTRMOV DPTR, #7FF9HMOVX DPTR,AMOV A,R6MOV DPTR,# 7FFBHMOVX DPTR,AHERE:DJNZ R7,HEREDEC ROCLR CM
26、OV A,R6RRC AMOV R6,AJNZ DIR1DJNZ R1,SHOWLEDDJNZ R4,SHOWSTARTCLR 0D4HTAB:DB OCOH, OF9H, OA4H, OBOHDB 99H, 92H, 82H, OF8HDB 80H, 90H, 88H, 83HDB OC6H, OA1H, 86H, 8EHRET结 论 本设计的创新点是：基于单片机控制的智能节水灌溉系统制造成本低、体积小、安装方便、抗干扰性强、运行可靠。此系统在小型的农业灌 溉系统中，具有较好的推广应用价值。在实际应用中，有不完善的地方，还需要做进一步的改善和提高。 系统以单片机AT89C51为核心部件，单片
27、机系统完成对土壤湿度信号的采集、处理、显示等功能；用Protel软件绘制电路原理图和PCB电路印刷板图，并在电路板厂制作控制主板；利用MCS51汇编语言编制运行程序。该系统的主要特点是: 1)适用性强，用户只需对界面参数进行设置并启动系统正常运行便可满足不同作物对土壤湿度的要求，实现对土壤湿度的实时监控，下位机也可脱离上位机单独工作。 2)可对作物进行适时、适量灌水，不仅有利于作物的生长发育，而且避免了水资源的浪费，起到了高产节水的作用。 3)将模糊智能控制技术引入对土壤湿度的分析和处理中，模糊控制决策无需建立被控对象的数学模型，系统的鲁棒性强，适合对非线性、时变、滞后系统的控制，对灌溉系统采
28、用模糊控制非常适合。具体 采用双输入单输出的模糊控制方法，使控制系统更具科学性。4) 系统成本低廉，操作非常简单，可扩展性强，只要稍加改变，即可增加其他使用功能。 通过这次应用系统设计，在很大程度上提高了自己的独立思考能力和单片机的专业知识，也深刻了解写一篇应用系统的步骤和格式，有过这样的一次训练，相信在接下来的日子我们都会了，而且会做得更好。致 谢这次毕业设计在设计与操作的过程中，感谢指导老师给了我很大的帮助。同时也离不开同学的热情帮助，是他们在我遇到困难的过程中给了我启发，通过本次毕业设计，我在专业知识、专业技能和解决问题方面都得到了很大的提高。更深入了解和掌握了传感器的基本理论知识，并在
29、单片机实际电路开发和常用编程设计思路方面有了一定程度的提高，虽然本次设计不是很完美，但是为我以后的设计累积了经验。然而由于缺乏实际工程经验，加之设计水平有限，设计中不妥之处在所难免，请各位老师批评指正。祝全体老师身体健康，万事如意，工作顺利！参 考 文 献1 景东升.单片机自动灌溉控制系统研究、设计及应用.学位论文.北京农业工程大学，1994 2 武庆生，仇梅.单片机原理与应用.电子科技大学出版，1998,12 3 朱定华.单片机原理与接口技术.电子工业出版社，2001,44 刘瑞新.单片机原理及应用教程.机械工业出版社，2003,75 吴普特，牛文全，郝宏科.现代化高效节水灌溉设施.化学工业
30、出版社，2002,56 赵秀珍. 单片微型计算机原理及其应用. 中国水利水电出版社，20087 李朝青. 单片机原理及接口技术. 北京航空航天大学出版社,20088 潘新民. 王燕芳. 微型计算机控制技术. 北京：电子工业出版社，20039 李广弟. 单片机技术M. 北京:航空航天大学出版社200110 阎石. 数字电子技术基础（第三版）. 北京：高等教育出版社，200911 黎旺星. 项目驱动式单片机教程. 北京：中国电力出版社，200912 王勇. 叶敦范. 基于AT89C51的便捷式实时温度检测仪J.仪表技术与传感器,2006(1)13 沈德金. 陈粤初. 单片机接口电路与应用程序实例.
31、 北京:航空航天大学出版社,200814 赵俊生. 单片机技术项目化原理与实训. 北京：电子工业出版社，200915 李学礼. 基于Proteus 的8051单片机的实例教程. 北京：电子工业出版社，2008附录一 主程序设计ADTURNO EQU 21H ；INO通道A/D转换数据存放首址ADTURN1 EQU 2CH ；IN1通道A/D转换数据存放首址LINEADRO EQU 37H ；1N0采集数据经滤波处理数据存放地址LINEADR1 EQU 38H ；IN1采集数据经滤波处理数据存放地址 LINEADR EQU 39H ；平均值存放地址 HUMID EQU 3BH ；标度变换后的湿度
32、值存放地址 BCDADR EQU 3CH ；BCD转换后的湿度值存放地址 HUMADR EQU 3DH ；上位机传来的湿度值存放地址 TIMEADR EQU 3EH ；上位机传来的时间值存放地址 T100US EQU 256-50 ；延时参 Cl00US EQU 3FH SHOWADR EQU 40H ；显示区数据存放首址 ORG OOOOH SJMP START ORG OOOBH ；定时器0中断服务程序入口 Limp TOINT ORG 0023H ；串行I/O中断服务程序入口 Limp SERVE ORG 0050H START: MOV SP, #50H ；设置堆栈 MOV HUMAD
33、R, #OFFH SETB OD3H ；选中寄存器3 SETS OD4H MOV R0, #HUMADR CLR OD3H ；选中寄存器0 CLR OD4HMOV TMOD, #22H ；主程序初始化MOV TH1, #OF3HMOV TLl, #OF3HMOV SCON, #50HMOV PCON, #80HMOV DPTR, #7FF8HMOV A, #4DHMOVX DPTR, ASETB TR1SETB EASETB ESRUN: LCALL AD ；调用A/D转换子程序LCALL MAOPAO ；调用滤波子程序LCALL TURN ；调用湿度转换子程序MOV A, HUMID ；将湿度值送往上位机MOV SBUF, ALCALL TWOSEC ；延时等待两妙钟LCALL BCDTURN ；调用BCD转换子程序LCALL SHOW ；调用显示子程序MOV A, HUMID CJNE A, HUMADR, COMP；检测到的湿度值大于上位机送来 的湿度值时，则循环采样，否则报 警灌溉 DONE: CLR P1.1LCALL ALARM ；调用报警延时子程序进行灌溉动作LCALL TIMEORL P1, #02HLCALL TENMIN ；灌水结束等待10分钟Limp RUN ；回到主程序COMP:JC DONELJMP RUN END
