智能微喷灌控制系统设计说明书.docx
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智能微喷灌控制系统设计说明书
摘要
本文采用一款基于AT89C52单片机的智能微喷灌控制器,与传统的定时喷灌控制器相比,它具有如下功能:
一、具有多路控制功能,即能同时控制四组电磁阀完成不同定时要求的喷灌控制;
二、具有选择多种喷灌模式功能,即用户可为每路输出选择不同的控制模式;
三、具有无人值守灌溉功能,即用户可以根据作物的生长特点,灵活设置每天的灌溉程序;
四、具备造价低、性价比高的特点。
本控制器的最大创新点是当系统工作于自动控制模式时,控制器能在每天不同的时间段自动选择合适的喷灌参数或按用户程序进行喷灌,可实现无人值守灌溉。
本文从硬件设计和软件设计两个方面,详细地阐述了该控制器的开发过程。
该控制器以目前比较流行的AT89C52单片机为控制核心,硬件由电源模块、键盘显示器接口电路、数据采集电路及输出驱动电路等组成;系统软件使用目前最流行的MCS一51系列单片机的开发软件Keil软件进行开发,软件功能模块包括:
主监控程序、系统时钟程序、按键识别和处理程序、动态显示程序和A/D转换程序等。
关键词:
节水灌溉单片机AT89C52硬件设计软件设计
Abstract
Inthispaper,anintelligentmicro-sprinklerirrigationcontrollerbasedonAT89C52,comparedwiththetraditionaltimingofsprinklerirrigationcontroller,ithasthefollowingfunctions:
1.Amultiplecontrolfunctionsthatcancontrolthefoursolenoidvalvestocompletethesprinklercontrolofthedifferenttimingrequirements;
2.Withavarietyofsprinklermodefunction,theusercanselectthedifferentmodesofcontrolforeachoutput;
3.Unattendedirrigationfunctions,theusercancropgrowthcharacteristics,flexiblesetdailyirrigationprogram;
4.Withlowcost,andcost-effectivefeatures
Thebiggestinnovationofthecontrollerwhenthesystemworksinautomaticcontrolmode,thecontrollercanselecttheappropriatesprinklerparametersinthedifferentdailytimeperiodsautomaticallyorbyuserprogramsprinklerunattendedirrigation.
Inthispaper,twoaspectsofthehardwareandsoftwaredesign,detaileddescriptionofthedevelopmentprocessofthecontroller.ThecontrolleriscurrentlymorepopularonAT89C52tocontrolthecore,thecompositionofthehardwarebythepowersupplymodule,keyboarddisplayinterfacecircuit,dataacquisitioncircuitandtheoutputdrivecircuit;systemsoftwareusesthemostpopularMCS-51seriesmicrocontrollerdevelopmentsoftwareKeilsoftwaredevelopment,softwaremodules,including:
themainmonitoringprogram,thesystemclockprocedures,keys,identificationandhandlingprocedures,dynamicdisplayprogram,andA/Dconversionprocedures.
Keywords:
Water-savingirrigationSCMAT89C52HardwaredesignSoftwareDesign
摘要I
AbstractI
1绪论1
1.1研究背景1
1.2国内外智能节水灌溉技术发展状况1
1.3本课题的设计目标2
2系统总体设计3
2.1系统总体设计3
2.2操作界面设计及系统功能说明4
2.2.1系统控制面板设计4
2.2.2主操作界面设计4
2.2.3主操作界面对其它按键的响应5
2.2.4时钟调整界面设计6
2.2.5时钟调整界面对按键的响应7
2.2.6控制参数设置界面设计8
2.2.7不同控制方式对按键的响应9
3.控制系统硬件电路设计11
3.1微处理器AT89C52简介11
3.1.1主要功能特性11
3.1.2AT89C52各引脚功能12
3.2时钟电路及复位电路设计14
3.2.1时钟电路设计14
3.2.2复位电路设计15
3.3人机对话接口电路的设计15
3.3.1LED显示接口电路的设计15
3.3.2键盘接口电路的设计17
3.4数据采集电路设计18
3.4.1土壤湿度传感器的选用18
3.4.2模数转换芯片TLC549简介19
3.4.3TLC549与系统接口电路设计19
3.5数据存储芯片接口电路设计19
3.5.1AT24C16简介19
3.5.2数据存储芯片接口电路设计21
3.6输出驱动电路设计21
3.7电源模块设计22
3.8系统硬件电路图22
4系统软件设计22
4.1系统软件组成22
4.2主监控程序设计23
4.2.1系统状态图的设计23
4.2.2“状态转移法”主监控程序设计24
4.3系统时钟程序设计25
4.4键盘扫描程序设计29
4.5LED动态显示程序设计30
4.5.1字型码计算30
4.5.2动态扫描显示程序设计31
4.6TLC549的驱动32
4.9AT24C16的编程33
参考文献34
致谢35
1绪论
1.1研究背景
中国是世界上人均水资源拥有量最低的国家之一,每年有约250亿立方米的水因受污染而不能使用,有240亿立方米地下水被超采,造成地下水耗竭;水危机导致的经济损失已约占中国GDP的2.3%。
中国是世界上人均水资源拥有量最低的国家之一,每年有约250亿立方米的水因受污染而不能使用,有240亿立方米地下水被超采,造成地下水耗竭;水危机导致的经济损失已约占中国GDP的2.3%。
在中国农业用水量约占总用水量的80%左右,由于农业灌溉效率普遍低下,水的利用率仅为45%,而水资源利用率高的国家已达70%~80%,因而,解决农业灌溉用水的问题,对于缓解水资源的紧缺是非常重要的。
智能灌溉系统在这种背景下应运而生了。
1.2国内外智能节水灌溉技术发展状况
发达国家发展高效农业的一个重要途径是灌溉管理的自动化,如美国、法国、英国、日本、以色列等发达国家已采用了先进的灌溉系统。
他们采用先进的节水灌溉制度,由传统的充分灌溉向非充分灌溉发展,对灌区用水进行监测预报,实行动态管理,采用遥感技术,监测土壤墒情和作物生长,开发和制造了一系列用途广泛,功强大的数字式灌溉控制器,并得到了广泛的应用。
地处干早缺水地带的以色列,它是世界上微灌技术发展最具有代表性的国家,目前全国农业土地基本上实现了灌溉管理自动化,并且普遍推行自动控制系统,按时、按量将水、肥直接送入作物根部,水资源利用率和单方水的粮食产量都相当高。
北美、澳大利亚,韩国等国家和地区都已有发展成熟并形成系列的灌溉控制器产品,微灌方式普遍采用计算机控制,埋在地下的湿度传感器可以传回有关土壤水分的信息,还有的传感器系统能通过检测植物的茎和果实的直径变化来决定对植物的灌水间隔。
在温室等设施内较多使用小型灌溉管理程序,浇水时间可按日期设定每次每路灌水起止时间,操作便于小规模经营。
计算机化操作运行精密、可靠、节省人力,对灌溉过程的控制可达到相当的精度,在以色列,已经出现了在家里利用电脑对灌溉过程进行全部控制无线、有线的农场主
我国农业灌溉有着悠久的历史。
但是,直到解放初期大部分农田灌溉还沿袭着旱田大水漫灌、水田串畦淹灌的灌水方法。
由于长期大水漫灌的结果,抬高了地下水位,土壤发生次生盐碱化,严重影响着作物产量的提高。
解放后为了发展农业,满足国民经济增长和人民生活水平提高的需要,各省和各大灌区在50年代先后建立了灌溉试验站。
试验研究科学的灌溉制度和与之相配套的田间工程规格、标准。
50年代我国一直不断地开发新水源,建设新灌区。
因此,灌溉面积发展很快,从1949年的1600万平方米到1957年增加到2734万平方米;粮食产量从1132亿kg增加到1950亿kg。
为了提高灌溉水的有效利用率,灌区除不断加强科学管理、合理配水、大搞平田整地、划小畦块外,同时还不断开展渠道防渗工作,到1992年,全国各级渠道已采取防渗措施的有55.11万km,占全国渠道总长的18%,使渠系水的有效利用率从0.35一0.45提高到0.45一0.55,提高约0.1左右。
80年代初又开始在全国推广低压管道输水灌溉,使灌溉水的有效利用率又提高一步,到1996年底全国低压管道输水灌溉面积达到367万多平方米。
为了进一步开展节水灌溉,50年代末我国开始从国外引进先进的节水灌溉技术和设备,如前苏联的涡轮涡杆喷头、法国的薄壁铝合金移动管道成套系统,并在重庆、武汉、上海、南京四城市的郊区各建立了一个喷灌试点。
同时我国在滴灌等节水灌溉技术上的研究也取得长足进步,但是在自动灌溉控制系统方面仍属空白,与国外相比,我国技术还比较落后,基本上还没有自行研制的、成型的自动控制产品,绝大部分都依靠从国外进口汇。
但是那些引进的国外灌溉自动控制设备,是为国外的具体情况设计的,没有考虑我国的气候、土壤条件、作物类型等因素,并不适合我国的国情,不能充分发挥它的优势,而且引进的设备价格昂贵。
凡此种种,在我国推广引进国外控制设备不可行的。
总之,目前国外灌溉控制器已逐步趋于成熟、系列化,并朝着大型分布式控制系统和小面积单机控制两个方向发展,产品一般都能与微机进行通信,并由微机对其施行控制。
而在我国,虽然有多家研制灌溉控制器,但多数是小规模、实验和理论的探讨,而且开发出来的产品价格昂贵,农民尽管知道能节能、节水、增产,但由于一次性投资太大,多数农民承受不起,所以根本无法普及应用。
1.3本课题的设计目标
本文的智能微灌控制器的功能设计如下:
1、智能微喷灌控制器具有多路控制功能,它能同时控制四组喷头实现不同的喷灌控制。
每组喷头可选择为定时控制、土壤湿度控制和自动控制中的一种。
2、在定时喷灌模式中,用户可为每组喷头设定各自的喷灌周期及喷灌时间,启动运行后,四组喷头按各自设定的时间独立控制,互不影响。
比如:
用户可将第一组喷头设定为每隔5分钟喷水一次,每次喷水巧秒;将第二组喷头设置为每10分钟喷水一次,每次喷水9秒;将第三组设定为每20分钟喷灌一次,每次喷水7秒;第四组喷头设定为每3秒喷灌一次,每次喷水30秒。
这样四组喷头可实现四种不同定时要求的喷灌控制。
3、智能微喷控制器还能测量土壤的湿度,并能根据土壤的湿度大小自动控制喷头启动喷灌或停止喷灌。
在湿度控制模式时,用户需要设定下限湿度(启动阂值)和上限湿度(停止阂值)。
当土壤湿度低于用户设定的下限湿度时,系统会自动开启喷头进行喷灌;随着喷灌的进行,土壤的湿度会逐渐增大,当土壤湿度超过用户设定的上限湿度时,系统自动关闭喷头停止喷灌;直到土壤湿度再次低于下线温度时,系统会重新启动喷灌。
4、在自动控制模式时,用户可根据某种植物的生长特点自行输入该作物不同时间段的喷灌参数,启动喷灌后,系统按用户预先设定的程序自动完成该作物的喷灌。
比如:
用户可设定某作物每天按以下程序自动喷灌:
0:
00―6:
00关闭喷头停止喷灌;早上6:
00―8:
30喷头每30开启一次,每次喷水15秒;上午8:
30―10:
30喷头每10分钟开启一次,每次喷水10秒;上午10:
30―12:
00每5分钟喷水一次,每次12秒;中午12:
00―下午3:
30每3分钟喷水一次,每次喷水20秒,下午3:
00―5:
00每10分钟一次,每次10秒;5:
00―9:
00每10分钟一次,每次15秒;9:
00以后停止喷灌。
用户只需选择自动控制模式,并输入参数,启动喷灌即可:
其中用户设定控制程序的输入格式如下:
H1―0:
00→E1―60→E2―0(E2为0表示停止灌溉)
H2―6:
00→El―30→E2―15
H3―8:
30→El―10→E2―10
H4―10:
30→El―5→E2―12
H5―12:
00→El―3→E2―20
H6―15:
30→El―10→E2―10
H7―17:
00→El―30→E2―15
H5―End
5、控制器要能显示各种参数及和系统时间,并能通过键盘修改这些参数。
2系统总体设计
2.1系统总体设计
整个控制系统由电源、微处理器、键盘、显示器、数据采集电路、数据存储器、输出驱动电路组成,结构框图如图2-1。
其中微处理器采用Atmel公司生产的高性价比的8位单片机芯片AT89C52;人机对话接口主要由键盘和显示电路组成,其中键盘采用4位独立式多义按键来实现各种操作功能,显示器采用8位七段式LED数码管组成的动态显示电路;数据采集电路由土壤湿度传感器和一个8位A∕D转化芯片组成;此外用户数据的存储通过芯片Af24C16来完成。
图2-1系统总体设计方案
2.2操作界面设计及系统功能说明
2.2.1系统控制面板设计
根据系统的功能要求,控制器的操作控制面板设计如图2-2所示:
图2-2系统的控制面板
其中右下方电源开关使用船形开关;下方键盘部分的四个操作按键分别为:
参数设置键﹑切换键﹑加一键和减一∕启停复用键;右侧指示灯包括电源指示灯﹑运行指示灯和四路输出控制指示灯。
正上方为8位七段LED组成的显示器,用于显示系统参数和各种数据。
2.2.2主操作界面设计
控制器接通电源后,系统自动进入主操作界面。
在主操作界面下,显示器高4位用于显示系统时钟,低4位用于显示系统运行标志。
此时系统运行指示灯灭,四路控制均无输出。
假设系统时钟为9:
38,则此时8位数码管显示格式如图2-3所:
图2-3主操作界面显示格式
若此时用户按下启∕停键S4,则系统进入控制运行状态,此时运行指示灯亮,四路喷头按各自的设定进行喷灌控制。
数码管显示格式如图2一4所示
图2-4控制运行界面格式
主操作界面与运行控制界面之间通过启、停键S4进行切换,如下图2-5所示:
图2-5主操作界面与运行控制界面之间的切换
2.2.3主操作界面对其它按键的响应
在主操作界面下,系统除了响应启、停键S4的操作外,用户还可通过参数设置键S1对系统进行操作。
主操作界面对参数设置键S1的响应如图2-6所示:
图2-6主操作界面对其它按键的响应图
2.2.4时钟调整界面设计
系统由主界面切换到时钟调整界面后,用户可通过S2切换键来切换时钟、分钟、秒值的修改。
如果系统当前时钟为9时38分07秒则时钟调整界面显示格式如图2-7所示:
图2-7时钟调整界面
此时可按S2键来切换以选择时钟、分钟、秒钟;然后按S3或S4来作时间的加1或减1的调节。
当用S2键选择修改时钟值时,时钟值修改界面如图2-8所:
图2-8时钟修改界面
此时,小时值09不停地闪烁,提示用户可以调整小时值。
用户通过加一S3或减一键S4可调节系统的时钟值。
分钟值修改界面如图2-9所示:
图2-9分钟修改界面
此时分钟值38不停地闪烁,提示用户可以调整分钟值。
秒钟值修改界面如图2-10所示:
图2-10秒钟修改界面
2.2.5时钟调整界面对按键的响应
系统由主操作界面进入时钟调整界面后,用户可通过S2、S3、S4键来调节系统时钟,此时,系统对按键的响应过程如图2-11所示:
图2-11时钟调整界面对按键的响应
2.2.6控制参数设置界面设计
控制器的每路输出可选择工作于不同控制方式,它们是:
定时控制方式、湿度控制方式和自动控制方式(用户编程设定各时间段的喷灌参数)。
在控制参数设置界面中,不同控制方式的选择定义如下:
F0:
输出控制关(禁用)
Fl:
工作于定时模式
F2:
工作于湿度控制模式
F3:
工作于自动控制模式(用户编程设定各时间段的喷灌参数)
若系统在进行第一路输出Pl的控制参数设定,系统默认该路输出工作于F0方式,则相应的控制参数设置界面如图2-12所示:
图2-12控制参数设置界面
在控制参数设置界面下,用户按切换键S2后,LED3和LED4两位数码管开始不停地闪烁,此时用户可通过加一键S3来选择该路输出的控制方式。
如图2-13所示为工作方式的选择操作。
图2-13工作方式的选择
2.2.7不同控制方式对按键的响应
用户选择不同的控制方式时,控制参数的输入界面和系统对按键的响应也都不相同,下面分别介绍四种不同控制方式下的控制参数输入方法。
(1)禁用方式F0
系统在F0方式下,输出禁用,用户不需输入控制参数,此时系统对按键的响应如图2-14所示:
图2-14F0方式对按键的响应
(2)定时控制方式Fl
在Fl方式下工作时,用户需要输入定时参数,即喷灌间隔参数的设定和每次喷水持续时间参数的设定。
如果要将Pl设定为每30分钟喷灌一次,每次喷水持续12秒,则控制参数输入如图2-15所示:
(3)湿度控制方式F2
在FZ方式下工作时,用户需要输入湿度控制参数,即需要输入下限湿度和上限湿度的大小。
当土壤湿度低于用户设定的下限湿度时,系统会启动喷灌;而当土壤湿度达到或超过上限湿度时,系统会停止喷灌,直到土壤湿度再次低于下限时为止。
如果用户将下限湿度设定为70,上限湿度设定为90,则湿度参数的输入操作如图2-16所示
图2-15F1方式对按键的响应
图2-16F2方式对按键的响应
(4)自动控制方式F3
在F3方式下工作时,系统按用户设定的程序进行喷灌控制。
假设某作物每天需按以下程序自动喷灌:
00:
00-早上6:
30关闭喷头停止喷灌;早上6:
30-9:
10喷头每30分钟开启一次,每次喷水巧秒;上午9:
10-12:
00每5分钟喷水一次,每次12秒;12:
00-15:
00每3分钟喷水一次,每次10秒;15:
00-19:
00每10分钟喷水一次,每次:
15秒;19:
00以后停止喷灌。
用户需要在F3模式输入以下参数:
Hl-0:
00E1-60E2-0(注:
E2为0表示停止喷灌)
H2-6:
30El-30E2-15
H3-9:
10El-5E2-12
H4-12:
00El-3E2-10
H5-15:
00El-10E2-15
H6-19:
00El-60E2-0H7-End
控制参数输入如图2-17所示:
3.控制系统硬件电路设计
3.1微处理器AT89C52简介
AT89C52是一个低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含8k字节的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256字节的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,它适合于许多较为复杂控制的应用场合。
下面简单介绍其主要主要功能特性。
3.1.1主要功能特性
AT89C52主要功能特性有:
l)兼容MCS51指令系统,内置8k字节的可反复擦写FlashROM;
2)有犯个双向I∕O口,并含256字节的片内RAM;
3)有3个16位可编程定时∕计数器中断,时钟频率为0-24MHz;
4)有2个串行中断源,提供一个可编程UART串行通道;
5)含2个外部中断源,2个读写中断口线,共8个中断源;
6)具有低功耗空闲和掉电模式及软件设置睡眠和唤醒功能。
图2-17F3方式对按键的响应
3.1.2AT89C52各引脚功能
AT89C52P为40脚双列直插封装的8位通用微处理器,管脚如图3-1所示,其主要管脚有:
XTAL1(19脚)和XTAL2(18脚)为震荡输入输出端口,可外接12MHz晶振。
RST∕Vpd(9脚)为复位输出端口,外接电阻电容组成的复位电路。
VCC(40脚)和VSS(20脚)为供电端口,分别接+5V电源的正负端。
P0~P3为可编程通用I∕O脚,其功能用途由软件定义。
各引脚功能如下:
VCC:
电路的供电电压。
VSS:
公共连接端电压(负极)。
RST:
复位输入端。
当振荡器工作时,RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位。
XTAL1:
振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。
XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
ALE:
地址锁存引脚。
当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
:
外部访问允许。
如果巨A端为高电平,则CPU执行内部程序存储器中的指令;如需执行片外ROM中的程序,该引脚需置低电平。
图3-1AT89C52管脚图
表3-1P3口功能复用
端口引脚
第二功能
P3.0
RXD(串行输入口)
P3.1
TXD(串行输出口)
P3.2
(外中断0)
P3.3
(外中断1)
P3.4
T0(定时/计数器0)
P3.5
T1(定时/计数器1)
P3.6
(外部数据存储器写选通)
P3.7
(外部数据存储器读选通)
P0.0~P0.7:
为P0口,该口是三态双向口,可做数据总线。
P1.0~Pl.7:
为P1口,该口是准双向口,专供用户使用。
P2.0~P2.7:
为P2口,该口也是准双向口,系统作扩展时用作地址总线高8位。
P3.0~P3.7:
为P3口,它是双功能口,第一功能当一般I∕O口用;第二功能定义如表3-1所示。
3.2时钟电路及复位电路设计
3.2.1时钟电路设计
AT89C52内部有一个用于构成片内振荡器的高增益反向放大器,引XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。
这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体可构成一个自激振荡器。
振荡电路的连接方法见图3-2所示。
图3-2时钟电路
图中,外接石英晶体以及电容C1和C2构成并联谐振电路,接在放大器的反馈回路中。
外接电容C1和C2的值没有严格的要求,一般取30PF左右。
3.2.2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,并从初始状态开始工作。
AT89C52的上电复位和手动按键复位电路如图3-3所示
图中,上电自动复位功能通过对
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