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3.2.1充电芯片的选择
3.2.2稳压电路的选择
3.2.3过充保护电路
3.3数据采集电路的设计
3.3.1传感器的选择
3.3.2输出控制电路的设计
第四章软件系统的设计
4.1总体设计思想
4.2传感器控制模块设计
第五章结论
5.1总结
5.2展望
附表一
附表二
1.1研究的背景和意义
水是生命之源,也是经济发展的命脉,人类生存的命脉,水的重要性已成为国际共识,水资源的开发、利用和保护己为世界各国所重视。
而就如何合理高效利用有限的淡水资源,充分发挥资源效益己成为一个全球性急需解决的重要课题。
在诸多缺水国家之中,我国是水资源严重短缺的国家之一。
水资源的利用率和利用效率低下使水资源在节流方面呈现巨大的挖掘潜力,因此节水成为历史发展的必然。
伴随着人们快节奏的生活、工作、学习,人们已没有很多时间去精心照顾自己种的花卉植物等,因此市场上急需一种可以代替人类劳动的产品。
由于现在市场上很多的喷灌设备主要是是针对温室、露天农作物、森林等大面积植物喷灌,而对于家庭小面积喷灌系统设备几乎没有,也没有达到自动化的水平。
现代生活中,随着人们生活水平的提高,人们对花卉、树木等绿色植物的喜爱和种植越来越多,然而以前对花木的浇灌、施肥等工作都需要靠人工来实现,由于现代生活节奏的加快,人们往往忙于工作而忘记定期、及时地为花卉补充水分及养料,或者由于放假回家而将花放在办公室没有人管理导致花木枯死。
已有的浇水器需要有人控制或者定时的浇灌,不能根据植物正常生长所需要的光照、水分、温度来实时调节植物生长环境的参数,不利于花木的成长,而且现在的名贵花如果因为以上原因而死亡得不偿失,鉴于以上情况,市场上急需提供一种能够根据光照、温度、湿度及光照的变化自动将水分和及光补充给花木,达到定期、及时浇灌花木的花木自动浇灌器。
微灌技术研究在我国的起步并不算太晚,我国微灌技术的试验研究是从1974年引进墨西哥滴灌设备开始的。
先后经历了(1974-1980年)引进消化吸收,设备研制和应用试验与试点阶段;
(1981-1986年)设备产品改进和应用试验研究与扩大试点推广阶段;
(1987年至今)直接引进国外的先进工艺技术,高起点开发研制微灌设备产品阶段。
在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上,结合我国的国情,本着经济实用,易于安装和便于推广的精神,在全国水利、农业、轻工、农机等主要部门和科研院所、高等院校、微灌企业及个地有关部门的密切合作和共同努力之下,微灌技术的开发、设备研制生产和科学试验等方面都取得了丰硕成果,微灌技术逐渐走向成熟。
目前,我国生产温室微灌设备的主要企业已有30多家。
微灌技术的总体水平己从80年代的初级阶段发展和提高到中级阶段。
其中采用引进技术和生产线制造出的微灌设备产品性能己达到90年代初期与中期的国际水平,大大缩短了与国外微灌设备产品的差距,初步形成了具有中国特色的微灌技术和设备产品。
在微灌自动化控制方面,我国也己进行了初步的研究,己研制和开发的以计算机为核心的自动监控系统装置己在温室微灌试验工程中得到应用,且初见自动化管理之成效。
但是由于我国的微灌技术研究处于初级阶段,近些年来自行研制、开发和生产的微灌设备产品无论在质量、性能等各方面与先进国家相比,差距较大;
在微灌工程首部设备组装配套和自动控制方面同发达国家相比存在更大差距。
如微灌设备系统的成套性差,配套水平低;
主要部件品种规格少,质量不稳定,没有系列化;
关键设备的可靠性、稳定性、耐久性差;
自动化及综合功能程度不高,基本还是手动操作,以至于综合效益不高。
国内外大多的盆景自动浇灌控制系统采用定时自动浇灌,不能根据植物土壤的湿度及所
需的水分及时适量地加水,不仅导致水资源的浪费,还有可能导致植物因为水多或者水量不足而死。
随着现代高科技的发展,各种智能家电、数码产品走进人们的生活,网络已经成为人们现代生活中人际交往和获取知识的一个不可或缺的平台。
鉴于现在高科技的发展,未来自动浇灌控制系统的发展也有望朝这些方面发展。
1、智能化
随着传感技术、计算机技术和自动控制技术的不断发展,温室计算机环境控制系统的应用将由简单的以数据采集处理和监测,逐步转向以知识处理和应用为主。
因此软件系统的研制开发将不断深入完善,其中以专家系统为主的智能管理系统已取得了不少研究成果,而且应用前景非常广阔。
2、网络化
目前,网络技术己成为最有活力,发展最快的高科技领域。
网络通信技术的发展促进了信息传播。
设施的产业化程度的提高成为可能。
3、综合环境调控
所谓综合环境调节,就是以实现花卉的正常生长为目标,把影响花卉生长的多种环境参数(如光照、温度、湿度等)都保持在适宜花卉生长的状态,并尽可能使用最少量的环境调节装置(采光、遮光、通风、保温、加温、施用C02等)。
智能及无人操作将是未来的各种行业的发展趋势,不仅能大量节省人们的宝贵时间还能更好的控制各种成分的细微比例做到人们自己动手所不能做到的效果。
4、高移植性
稍微修改一些系统的参数及设备即可应用于别的环境下,省时省力,节省大量资金及研发成本。
在不久的将来,不仅能实现对办公室花卉的控制而且可以实现路边及所有公共场所花草树木的自动灌溉,而且可以加入远程控制,可视频控制,更大限度的节省人力物力,这将是世界浇灌系统的一个发展趋势。
通过研究盆景花卉正常生长的各种参数,根据是否需要水和光照而自动浇灌,很好地控制花卉生长的温度及湿度。
考虑干扰的消除措施,有效地避免干扰的产生,如何采用太阳能给电池充电使之环保又节省了资本,系统的器件需要采用高性能低价原件,降低开发成本低,而且能够满足大多数用户的需求。
1、本系统将对温室环境中土壤湿度、光照强度、温度因子的调控进行自动化控制,以期达到最佳的控制效果。
2、系统硬件设计,完成硬件原理图。
硬件将通过调研对比分析,选用高性价比元件,采用一些成熟电路设计,达到提高系统的稳定性、可靠性与精度,降低成本,提高市场竟争力的目标。
3、程序设计流程与程序清单。
软件设计将采用C语言设计,提高系统的修改、调试与升级(增加控制因子)的能力。
4、通过系统仿真,检验系统硬件与软件设计的合理性,能否达到预期的功能。
该单片片机应用系统主要应用于办公室、家庭内,价格低,操作方便,主要面向喜爱花卉但没有时间管理者经营者。
其工作环境温度为0~40°
C。
现实生活中很多花卉温度、湿度和光照需要保持在一个既定的值上,超出或者低于这个预定值将对花卉的生长产生影响。
该系统要求用单片机测控来实现花卉生长环境因子信息数据的实时采集、处理,而后输出控制执行机构,以实现环境湿度、温度和光照强度的测控,达到节水节能,省时省工的效果。
具体功能如下:
1、实现按需灌溉功能。
按照花卉的需求开启和关闭灌溉系统,实现一般的控制。
具有结构简单,成本低,操作方便。
2、通过传感器检测花卉生长的环境温度、土壤湿度和光照强度,依据设定的植物要求的温度、湿度和光照强度的上下限值,由单片机来控制开关窗户、电磁阀和窗帘,从而调节温度、湿度和光照。
当空气温度高于上限值时,自动打开窗户进行自然降温,达到要求值时则自动关闭。
3、室内环境中土壤湿度是重要因子,要求当土壤含水量过低己不能满足花卉最低需求时,就打开电磁阀进行灌溉,当湿度满足要求是关闭电磁阀。
4、光照强度控制因子考虑到生产成本问题,但是本系统不足之处是未考虑人工增光设备,如果光照强度高于上限值时,关闭窗帘降低光照,如果光照强度低,打开窗帘网。
系统技术指标(夏天)要求具体见表3-1所示,其控制范围亦可据具体作物的需要来设定,%RH(RelativeHumidity)为相对百分数,其中硬件成本由于单个制作跟批量生产有一定的差值。
表2-1系统技术指标
控制参数
土壤湿度
%RH
温度°
C
光照强度LX
太阳能电池板
硬件总成本
控制范围
60~80
20~30
3~5万
尺寸112mm*65mm*4mm,开路6V,短路电流150MA
50~70
在控制技术方面,有诸如开环、闭环反馈控制,模糊控制,自适应控制,神经网络控制等现代控制技术。
模糊控制技术当前应用最广泛,一般用于有上、下位机的单片机控制系统。
本系统采用传统的闭环控制技术,系统控制原理逻辑框图见图2-2所示:
湿度给定值
图2-
系统的工作中,有太阳能电池给电池充电,电池的输出经过稳压模块,避免电压的较大变化,电池为整个系统提供电能。
经过温度、湿度及光照检测的传感器把被测对象的温度、湿度光照转换成电压信号,转换为0-1数字信号后送入单片机中,与给定的所要控制的温度、湿度值进行比较,根据单片机AT89S52中设置的参数,输出相应温度、湿度值对应的被控对象电机和电磁阀的值,带动动力系统作相应的运动,不断减少与单片机中设置值的差值,温度过高时,单片机控制直流电机驱动器打开窗户,进行自然散热,温度适合时关闭窗户。
当土壤湿度过低时,单片机通过继电器控制电磁阀使其打开进行浇水,浇水后湿度适中时关闭电磁阀。
光照检测电路将光照强度转换成0-1代码,输入单片机,当光照过强时关闭窗帘,光照适合时打开窗帘。
温度湿度不断地检测、控制,使之达到一个动态的平衡。
3.1.1单片机的选择
电子技术飞速发展,使得计算机不断更新换代。
其中单片机更是一枝独秀,广泛应用于各个领域,使其自动化程度大提高。
单片机具有体积小,价格低廉,功能强大,稳定可靠,运算速度快,功耗低,扩展容易,抗干扰能力强,系列齐全,使用方便灵活等优点,广泛应用于工业过程控制、自动监测、智能仪器仪表、家用电器等领域。
单片机成为当今世界上销售量最大、应用面最广、价格最便宜的微型计算机产品。
目前世界上最具实力的单片机开发公司有:
美国的Intel,ATMEL,荷兰的PhilipS,德国的SiemenS等。
其中Intel公司一直处于领先地位,主要有MCS-48、MCS-51和MCS-96三大系列,其中MCS-51系列是1980年推出的高档8位单片机,代表着单片机的发展方向,成为单片机领域中的主流产品。
ATMEL公司的89系列Flash单片机以Intel80C51/52作为内核,并采用可重复编程FlashROM技术,是一种源于8051而又优于8051的单片机,己成为广大MCS-51用户进行电子设计与开发的优选单片机品种。
根据实际情况与要求,本系统选用ATMEL公司89系列标准型单片机AT89S52,其价格适中功能强大,这应当是比较符合我国国情的选择。
AT89S52是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含8KBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
3.1.2.1单片机内部结构图与基本特征
AT89S52内部结构图如图3-1所示:
1、基本特征
·
与MCS-51单片机产品兼容
8K字节在系统可编程Flash存储器,256字节RAM
可反复擦写>
1000次
全静态操作:
0Hz~33Hz
三级加密程序存储器
32个可编程I/O口线
三个16位定时器/计数器
八个中断源
全双工UART串行通道
低功耗空闲和掉电模式
掉电后中断可唤醒
看门狗定时器
双数据指针
掉电标识符
图3-1AT89S52外部引脚
3.1.2.2引脚配置及功能
AT89S52单片机有40个引脚,为CMOS工艺双列直插封装(DIP),其引脚配置见图3-1所示,各引脚功能简述如下:
1、主电源引脚
VCC:
电源端,+5V。
GND:
接地
2、4个8位I/O端口P0、P1、P2和P3
P0口:
PO口为一个8位漏级开路双向工/0口,每个引脚可吸收8个TTL门电流。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/0口,P1口缓冲器能接收输出4个TTL门电流。
Pl口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/0口,P2口缓冲器可接收输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作
为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行
存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址"
1"
时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/0口,可接收输出4个TTL
门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输
入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89S52的一些特殊功能口,如下表1所示:
口管脚
备选功能
P3.0RXD
串行输入口
P3.1TXD
并行输入口
P3.2/INT0
外部中断0
P3.3/INT1
外部中断1
P3.4T0
计时器0外部输入
P3.5T1
计时器1外部输入
P3.6/----WR
外部数据存储器写选通
P3.7/----RD
外部数据存储器读选通
表1P3口的特殊功能
3、控制信号引脚
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE:
低电平有效,当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFRSEH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX、MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
PSEN:
低电平有效,外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的PSEN信号将不出现。
EA/V即:
当EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,丽将内部锁定为RESET;
当EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
4、时间振荡电路
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
AT89系列单片机的存储器采用的程序存储器和数据存储器分开编址的,它们有各自的寻址系统、控制信号和特定功能。
程序和数据存储器在物理和逻辑上均分为两个地址空间:
内部存储空间和外部存储空间。
本系统的代码程序不太大,AT89S521片内的8KBROM闪速存储器256字节的RAM即可满足要求,无需扩展片外ROM跟RAM。
1、时钟电路设计
AT89S52单片机内部有个振荡器,可以用作CPU的时钟源。
本系统时钟选用内部方式。
AT89S52内部含有一个高增益的反相放大器,通过XTAL1(输入端)、XTAL2(输出端)外接作为反馈元件的片外石英晶体(或陶瓷谐振器)和电容C1,C2组成的并联谐振电路后便构成片内自激振荡器,从而利用它内部的振荡器产生时钟。
连接方法见图3-2所示,其中晶体呈感性,其决定着振荡器的振荡频率;
电容Cl,C2对频率有微调作用。
电路中反馈元件选用石英晶体,电容Cl和C2均为22PF,电容与晶体的安装位置应尽量靠近单片机。
图3-2时钟电路
2、复位电路设计
89系列单片机在启动时也需要复位使CPU及系统各部件处于确定的初始状态,并从初始态开始工作。
按下SW,电源对C充电,使RST端快速到达高电平;
松开按键,C向芯片内阻放电,恢复为低电平,从而使单片机可靠复位,一般R1选470Ω,R2选8.2kΩ,C选22uF。
AT89S52的按键复位电路见图3-3,电路简单可靠。
图3-3按键复位电路
CN3068是可以对单节可充电锂电池进行恒流/恒压充电的充电器电路。
该器件内部包括功率晶体管,应用时不需要外部的电流检测电阻和阻流二极管。
CN3068只需要极少的外围元器件,热调制电路可以在器件的功耗比较大或者环境温度比较高的时将芯片温度控制在安全范围内。
内部固定的恒压充电电压为4.2V,也可以通过一个外部的电阻调节。
充电电流通过一个外部电阻设置。
当输入电压掉电时,CN3068自动进入低功耗的睡眠模式,此时电池的电流消耗小于3微安。
其它功能包括输入电压过低锁存,自动再充电,电池温度监控以及充电状态/充电结束状态指示等功能。
3.2.1.1详细描述
CN3068是专门为一节锂电池而设计的线性充电器电路,利用芯片内部的功率晶体管对电池进行恒流和恒压充电。
充电电流可以用外部电阻编程设定,最大持续充电电流可达500mA,不需要另加阻流二极管和电流检测电阻。
CN3068包含两个漏极开路输出的状态指示输出端,充电状态指示端STAT2和充电结束指示输出端STAT1。
芯片内部的功率管理电路在芯片的结温超过115℃时自动降低充电电流,这个功能可以使用户最大限度的利用芯片的功率处理能力,不用担心芯片过热而损坏芯片或者外部元器件。
这样,用户在设计充电电流时,可以不用考虑最坏情况,而只是根据典型情况进行设计就可以了,因为在最坏情况下,CN3068会自动减小充电电流。
当输入电压大于电源低电压检测阈值和电池端电压时,CN3068开始对电池充电,STAT2管脚输出低电平,表示充电正在进行。
如果电池电压Kelvin检测输入端(FB)的电压低于3V,充电器用小电流对电池进行预充电。
当电池电压Kelvin检测输入端(FB)的电压超过3V时,充电器采用恒流模式对电池充电,充电电流由IR管脚和GND之间的电阻RIR.确定。
当电池电压Kelvin检测输入端(FB)的电压接近电池端调制电压时,充电电流逐渐减小,CN3068进入恒压充电模式。
当充电电流减小到充电结束阈值时,充电周期结束,STAT2端输出高阻态,STAT1端输出低电平,表示充电周期结束,充电结束阈值是恒流充电电流的10%。
如果要开始新的充电周期,只要将输入电压断电,然后再上电就可以了。
当电池电压Kelvin检测输入端(FB)的电压降到再充电阈值以下时,自动开始新的充电周期。
芯片内部的高精度的电压基准源,误差放大器和电阻分压网络确保电池端调制电压的误差在±
1%以内,满足了电池的要求。
当输入电压掉电或者输入电压低于电池电压时,充电器进入低功耗的睡眠模式,电池端消耗的电流小于3uA,从而增加了待机时间。
CN3068的管脚排列如图3-4所示:
FB
TEMP
IRSTAT2
GNDSTAT1
VCCBAT
图3-4CN3068的管脚排列
3.2.1.2CN3068特点:
(1)输入电压范围:
4.35V到6V
(2)不需要外部阻流二极管和电流检测电阻
(3)恒压充电电压4.2V,也可外接电阻调整恒压充电电压
(4)可设置的持续恒流充电电流可达500mA
(5)采用恒流/恒压/恒温模式充电,既可以使充电电流最大化,又可以防止芯片过热
(6)电源电压掉电时自动进入低功耗的睡眠模式
(7)充电状态和充电结束状态双指示输出
(8)封装形式SOP8
(9)无铅产品
3.2.2稳压电路的选择
稳压电源电路采用LM7805系列集成稳压器,可以输出正5V直流电压。
C7、C8分别为输入端和输出端采用滤波电容,输出端接一个齐纳二极管进一步稳定输出电压。
为了防止把电池充坏,本系统还采用了简单自己设计的过冲保护电路,本电路还需以后的实验验证。
在不发生过充时,由于二极管D1的阻隔三极管不导电。
当充电电压升到5V左右时,三极管(2N3055)开始导通,它对电池进行分流,以防止过充。
Q1应装在中等尺的散热板上。
Q1选用低电压的齐纳管。
太阳能电池板充电的电路图如图3-5所示:
图3-5太阳能电池板充电的电路图
电池正极的恒压充电电压为:
Vbat=4.2+3.04×
10-6×
Rx
其中,Vbat的单位是伏特
Rx的单位是欧姆
太阳能电池板采用尺寸112mm*65mm*4mm,开路6V,短路电流150MA。
充电池采用四节镍镉电池
3.3.1.1传感器基本概念
传感器技术和计算机技术及通信机技术构成了信息技术,成为信息时代的三大支柱。
后两者发展迅速,唯有传感器技术发展滞后。
传感器技术是衡量一个国家科技发展水平的重要标志。
依照中华人民共和国国家标准(GB/T7665-1987传感器通用术语)的规定,传感器的定义为:
“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置”,通常由敏感元件和转换元件组成。
其中敏感元件“指传感器中能直接感受(或响应)被测量的部分”,此处的被测量一般为非电量;
转换元件是“指传感器中能将敏感元件感受(或响应)的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分”。
传感器在我国的设施农业中发挥着重要的作用,主要
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