【正文】 之間自由選擇。在閉環(huán)控制方式下， 利用濕度采集模塊將 多 處不同地點(diǎn)檢測(cè)到的濕度模擬量輪流進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化后對(duì)各數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，再傳送給單片機(jī)。單片機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)和單片機(jī)內(nèi)存的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若收到的數(shù)據(jù)低于設(shè)定的數(shù)值，則步進(jìn)電機(jī)控制電路模塊啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行灌溉。若收到的數(shù)據(jù)不低于設(shè)定的數(shù)值，則不啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行灌溉。同時(shí)單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)的灌溉狀況在現(xiàn)實(shí)模塊的顯示屏上顯示出來(lái)。灌溉進(jìn)行一定的時(shí)間后自動(dòng)停止，該時(shí)間由用戶(hù)加載在單片機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)決定。用戶(hù)可通過(guò)灌溉方式切換鍵切換到時(shí)間控 制方式。在時(shí)間控制方式下，用戶(hù)通過(guò)鍵盤(pán)輸入灌溉的時(shí)間和灌溉的周期，對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)將在顯示屏上顯示出來(lái)。這種灌溉方式主要應(yīng)用于特殊情況 [4]。 綜上所述，本系統(tǒng) 不但具有非常友好的人機(jī)交互界面，而且具有良好的實(shí)時(shí)控制功能，能及時(shí)響應(yīng)用戶(hù)請(qǐng)求。系統(tǒng)支持的 灌溉方式靈活多樣，用戶(hù)可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行模式選擇 。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔，各類(lèi)功能易于實(shí)現(xiàn)， 大大提高了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性。系統(tǒng)的基本模塊原理圖如圖 所示。 圖 自動(dòng)灌溉控制器系統(tǒng)基本模塊原理框圖 鍵盤(pán)方案選取 方案一 :獨(dú)立式按鍵 。 獨(dú)立式按鍵是指直接用 一根 I/O 口線(xiàn)構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路。每個(gè)獨(dú)立式按鍵單獨(dú)占有一根 I/O 口線(xiàn)，每根 I/O 口線(xiàn)上的按鍵的工作狀態(tài)不會(huì)影響其他 I/O 口線(xiàn)的工作狀態(tài)。 獨(dú)立式按鍵接口電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但每個(gè)按鍵必須占用一根 I/O 口線(xiàn)，在按鍵數(shù)量較多時(shí)， I/O 口線(xiàn)浪費(fèi)較大。故在按鍵數(shù)量不多時(shí)，常采用這種按鍵結(jié)構(gòu)。獨(dú)立式按鍵電路如圖 所示。上拉電阻保證了按鍵斷開(kāi)時(shí)， I/O 口線(xiàn)上有確定的高電平。 圖 獨(dú)立式按鍵鍵盤(pán)框圖 AT98C51 濕度采集模塊 接盤(pán)接口模塊 顯示 模塊 步進(jìn)電機(jī)控制模塊 方案二 : 矩陣式鍵盤(pán) [5] 在鍵盤(pán)中按鍵數(shù)量較多時(shí)，為了減少 I/O 口的占用，通常將按鍵排列成矩陣形 式，如圖 所示。在矩陣式鍵盤(pán)中，每條水平線(xiàn)和垂直線(xiàn)在交叉處不直接連通，而是通過(guò)一個(gè)按鍵加以連接。這樣，一個(gè)端口 (如 P1 口 )就可以構(gòu)成 4*4=16 個(gè)按鍵，比之直接將端口線(xiàn)用于鍵盤(pán)多出了一倍，而且線(xiàn)數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線(xiàn)就可以構(gòu)成 20 鍵的鍵盤(pán)，而直接用端口線(xiàn)則只能多出一鍵 (9 鍵 )。由此可見(jiàn)，在需要的鍵數(shù)比較多時(shí)，采用矩陣法來(lái)做鍵盤(pán)是合理的。行列式鍵盤(pán)的缺點(diǎn)是程序設(shè)計(jì)較復(fù)雜些。 因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)需要的按鍵數(shù)目較多，為了節(jié)省 I/O 口線(xiàn)資源，選用矩陣式鍵盤(pán)，故采取方案二。 圖 矩陣式鍵盤(pán)框圖 土壤濕度傳感器的選取 目前市場(chǎng)上測(cè)量土壤濕度方法有中子衰減法、張力計(jì)測(cè)濕法、介電法速測(cè)法 [6]。 中子衰減法測(cè)量土壤含水量 高速運(yùn)動(dòng)的快中子與物質(zhì)作用能改變方向和產(chǎn)生能量損失 ,變成慢中子 ,形成衰減 ,由于被測(cè)物中含水量不同產(chǎn)生的衰減亦不同 ,主要原因是水中含有氫原子 ,而中子對(duì)氫原子作用的損失遠(yuǎn)大于對(duì)其他原子作用的損失 ,這樣可以通過(guò)測(cè)定慢中子來(lái)測(cè)定土壤含水量 ,也就是通過(guò)衰減程度的大小來(lái)確定被測(cè)物質(zhì)中含水量的多少 ,中子土壤水分測(cè) 試儀就是根據(jù)這一原理設(shè)計(jì)而成。 這個(gè)方法的優(yōu)點(diǎn)在于快速準(zhǔn)確 ,但重要的是 這種方法如果屏蔽不好 ,易造成射線(xiàn)泄漏 ,以致污染環(huán)境 ,危害人體健康 ,特別難以測(cè)量淺層土壤含水量 ,而淺層土壤含水量與作物生長(zhǎng)關(guān)系密切 ,明顯隨灌溉、降雨、蒸發(fā)等的變化而變化 ,是土壤水分中最為活躍的部分 ,需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) ,這就極大地限制了中子法的進(jìn)一步推廣應(yīng)用 ,這種方法在發(fā)達(dá)國(guó)家已被禁止使用。 張力計(jì)式土壤水分傳感器 張力計(jì)式土壤水分傳感器是一種廣泛成功地用于某些土壤水分測(cè)量的傳感器。這種儀表有個(gè)多孔瓷頭 ,它通過(guò)充水的管子與真空表連接 ,該裝置插入土壤的鉆孔中 ,多孔瓷頭與土壤緊密帖合 ,真空表設(shè)在地面之上。用張 力計(jì)來(lái)測(cè)量土壤含水量有很大的發(fā)展 ,它的優(yōu)點(diǎn)是 :結(jié)構(gòu)及原理都比較簡(jiǎn)單 ,可以在線(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量 ,而且可以確定水在土壤內(nèi)的流動(dòng)方向和滲透深度 ,但它的缺點(diǎn)也很突出。它的測(cè)量范圍很大程度上受土質(zhì)的影響。該方法所測(cè)量的是土壤水的吸力 ,需要依據(jù)土壤水分特征曲線(xiàn)來(lái)?yè)Q算成土壤含水量 ,由于土壤水分能量關(guān)系非常復(fù)雜 ,呈非線(xiàn)性 ,且容易受到許多土壤理化特性的影響 ,即使對(duì)同一塊田 ,這一關(guān)系也十分復(fù)雜 ,使得用張力推求土壤含水量時(shí)極為困難 ,不方便 ,帶來(lái)較大誤差。該方法存在滯后和回環(huán) ,影響其測(cè)量速度。由于以上缺陷的存在極大地限制了該方法的推廣應(yīng)用 。 探針式電容濕度傳感器 利用土壤的介電特性來(lái)測(cè)量土壤含水量是一種行之有效的、快速的、簡(jiǎn)便的、可靠方法。對(duì)一定幾何結(jié)構(gòu)的電容式水分傳感器 ,其電容量與兩極間被測(cè)物料的介電常數(shù)有正比關(guān)系。由于水的介電常數(shù)比一般物料的介電常數(shù)要大得多 ,所以當(dāng)土壤中的水分增加時(shí) ,其介電常數(shù)相應(yīng)增大 ,測(cè)量時(shí)水分傳感器給出的電容值也隨之上升 ,根據(jù) 圖 探針式土壤濕度傳感器 傳感器的電容量與土壤水分之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系可測(cè)出土壤的水分。利用該方法測(cè)量濕度 的應(yīng)用很多 ,多為探針式。探針式電容傳感器是介電常數(shù)傳感器中的一種 ,它可 以敏感不同深度土壤的含水量。探針用來(lái)感測(cè)土壤的水分 ,其長(zhǎng)度和距離根據(jù)被測(cè)對(duì)象的靈敏度優(yōu)化確定。圖 為 3 針電容土壤傳感器的基本結(jié)構(gòu)圖 ,中央探針作為驅(qū)動(dòng)電極，2 根周部敏感電極連接到一起作為電容的另一極。電容式水分傳感器的特點(diǎn)是精度高、量程寬、可測(cè)的物料品種多 ,而且響應(yīng)速度也較快 ,可應(yīng)用于在線(xiàn)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。 第 3 章 系統(tǒng) 硬件電路設(shè)計(jì) AT89C51 單片機(jī)硬件電路 單片機(jī)的全稱(chēng)為微型計(jì)算機(jī) （ Single Chip Microputer） 。從應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，單片機(jī)主要用于控制，所以又稱(chēng)微控制器 （ MicroControllerUnit） 或嵌入式控制器（ Embedded Controller）。單片機(jī)是將計(jì)算機(jī)的基本部件微型化并集成在一塊芯片上的微型計(jì)算機(jī)，其基本組成和工作原理與通用微型計(jì)算機(jī)是一致的。主要由微處理器（ CPU）、存儲(chǔ)器、 I/O 接口三大功能部分通過(guò)總線(xiàn)有機(jī)連接而成，在外部通過(guò) I/O接口配置各種外部設(shè)備就構(gòu)成微機(jī)的硬件系統(tǒng) [7]。單片機(jī)體積小，成本低，運(yùn)用靈活，易于產(chǎn)品化；面向控制，能針對(duì)性地解決從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的各類(lèi)控制任務(wù)；抗干擾能力強(qiáng)，適用范圍廣。 本系統(tǒng)采用 AT89C51單片機(jī)作為中央處理 器，其主要任務(wù)是讀取自動(dòng)灌溉控制器的模式，并在相應(yīng)模式下進(jìn)行相應(yīng)的控制。如用戶(hù)選擇時(shí)間控制模式，從鍵盤(pán)輸入灌溉的時(shí)間顯示在顯示屏上，啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)正轉(zhuǎn)一圈把自動(dòng)灌溉的閥門(mén)打開(kāi)，灌溉的時(shí)間一到，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)一圈把閥門(mén)關(guān)閉。在自動(dòng)模式下，單片機(jī)檢測(cè)外部有無(wú)灌溉信號(hào)。若有，則打開(kāi)閥門(mén)，若沒(méi)有則循環(huán)等待。 在本系統(tǒng)中， AT89C51單片機(jī)的 P0口用于單片機(jī)與 LCD之間的數(shù)據(jù)傳送， ~ 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)接口 ， LCD顯示的位驅(qū) ， LCD的讀寫(xiě)控制信號(hào)， LCD的指令是屬于寫(xiě)數(shù)據(jù)還是寫(xiě)指令。 P2口用作鍵盤(pán)電路，一共設(shè)置 16個(gè)按鍵。 鍵 盤(pán)中斷信號(hào)，若有鍵按下，則 送入單片機(jī)。 。 AT89C51 是一種低功耗 /低電壓、高性能的八位 CMOS 單片機(jī)，片內(nèi)有一個(gè) 4KB的 FLASH 可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器 （ FPEROM—Flash ProgrammAble and Erasable Read Only Memory） ， 它采用了 CMOS 工藝和 ATMEL 公司的高密度 非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)，而且其輸 出引腳和指令系統(tǒng)都與 MSC— 51 兼容。片內(nèi)置通用 8 位中央處理器 （ CPU） 和 FLASH 存儲(chǔ)單元，片內(nèi)的存儲(chǔ)器允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲(chǔ)器編程。因此， AT89C51 是一種功能強(qiáng)、 靈活性高且價(jià)格合理的單片機(jī)，可方便的應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域 [8]。 主要特性 （ 1） 與 MCS51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)兼容； （ 2） 4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器； （ 3） 壽命： 1000 寫(xiě) /擦循環(huán)； （ 4） 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10 年； （ 5） 全靜態(tài)工作： 0Hz24MHz； （ 6） 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定； （ 7） 128*8 位內(nèi)部 RAM； （ 8） 32 條可編程 I/O 線(xiàn)； （ 9） 兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器； （ 10） 6 個(gè)中斷源； （ 11） 可編程串行通道； （ 12） 低功耗的閑置和掉電模式； （ 13） 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。 另 外， AT89C51 是用靜態(tài)邏輯來(lái)設(shè)計(jì)的，其工作頻率可下降到零并提供兩種軟件的省電方式 空閑方式和掉電方式。在空閑方式中， CPU 停止工作。在掉電方式中，片內(nèi)振蕩器停止工作，由于時(shí)鐘被“凍結(jié)”，使一切功能都暫停，只保存片內(nèi) RAM中的內(nèi)容，直到下次硬件復(fù)位為止。 管腳說(shuō)明 VCC（ 40） ：供電電壓，其工作電壓為 5V。 GND（ 20） ：接地。 P0 端口 （ ） ： P0 口為一個(gè) 8 位漏級(jí)開(kāi)路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8 個(gè)TTL 門(mén)電流。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫(xiě) 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高 [9]。 P1 端口 （ ） ： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4 個(gè) TTL 門(mén)電流。 P1 口管腳寫(xiě)入 1 后，被內(nèi)部上拉為高電平，可用作輸入， P1 口被外部下 拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1 口作為第八位地址接收。 P2 端口 （ ） ： P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個(gè) TTL 門(mén)電流，當(dāng) P2 口被寫(xiě) “1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出 電流。 這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取 時(shí)， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 “1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2 口在 FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 P3 端口 （ ） ： P3 口管腳是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位的雙向 I/O 端口，可接收輸出 4 個(gè) TTL 門(mén)電流。當(dāng) P3 口寫(xiě)入 “1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入端時(shí)，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流 （ ILL）。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如表 所示。 P3 口同時(shí)為閃爍編 程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 表 P3 端口引腳兼用功能表表 端口引腳 第二功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） INT0（外中斷 0） INT1（外中斷 1） T0（定時(shí) /計(jì)數(shù) 0） T1（定時(shí) /計(jì)數(shù) 1） WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通） RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） AT89C51 引腳圖如圖 所示。 圖 AT89C51 引腳圖 AT89C51 最小系統(tǒng) XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振 蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件， XTAL2 應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過(guò)一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的 寬度。 AT89C51 最小系統(tǒng)接線(xiàn)如圖 所示，在 XTAL XTAL2 端接上晶振及兩個(gè)諧振電容，在 RESET 端接上相應(yīng)的電阻、電容，如需要按鍵復(fù)位，加上按鍵即可組成一個(gè)最小系統(tǒng)，按要求通電后，系統(tǒng)就可以工作了。 圖 AT89C51 最小系統(tǒng)圖 濕度采集電路 濕度傳感器的原理 利用土壤含水量的介電特性 來(lái)測(cè)量土壤含水量是一種行之有效、簡(jiǎn)便、快速的方法。對(duì)一定幾何結(jié)構(gòu)的電容式水分傳感器 ,其電容量與兩極間被測(cè)物料的介電常數(shù)有正比關(guān)系 [10]。由于水的介電常數(shù)比一般物料的介電常數(shù)要大得多 ,所以當(dāng)土壤中的水分增加時(shí) ,其介電常數(shù)相應(yīng)增大 ,測(cè)量時(shí)水分傳感器測(cè)出的電容值也隨之上升 ,根據(jù)傳感器的電容量與土壤水分的對(duì)應(yīng)關(guān)系可測(cè)出土壤的水分。交流信號(hào)源產(chǎn)生某一頻率的 交變信號(hào) ,此信號(hào)通過(guò)一定的傳輸線(xiàn)到達(dá)探針 ,傳感器探針可以看作電極 ,等效為一個(gè)電容和一個(gè)電導(dǎo)的并聯(lián)。假設(shè)電極的電容為 C,加在電極之間的交變電壓 ()ut 將產(chǎn)生一個(gè)交變電量 ()qt ,從而引起一個(gè)交變電流 ()cit,則交變電壓 ()ut 可以寫(xiě)為 ()ut? 1 ()ci t dtc? （ ） 探針導(dǎo)納為 Y G jwC?? （ ） 其中 ,G 為等效導(dǎo)納的電導(dǎo) 。C 為等效導(dǎo)納的電容