【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 處不同地點檢測到的濕度模擬量輪流進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化后對各數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理，再傳送給單片機。單片機將接收到的數(shù)據(jù)和單片機內(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)電機控制電路模塊啟動步進(jìn)電機進(jìn)行灌溉。若收到的數(shù)據(jù)不低于設(shè)定的數(shù)值，則不啟動步進(jìn)電機進(jìn)行灌溉。同時單片機將采集到的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)的灌溉狀況在現(xiàn)實模塊的顯示屏上顯示出來。灌溉進(jìn)行一定的時間后自動停止，該時間由用戶加載在單片機內(nèi)部數(shù)據(jù)決定。用戶可通過灌溉方式切換鍵切換到時間控 制方式。在時間控制方式下，用戶通過鍵盤輸入灌溉的時間和灌溉的周期，對應(yīng)的數(shù)據(jù)將在顯示屏上顯示出來。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交互界面，而且具有良好的實時控制功能，能及時響應(yīng)用戶請求。系統(tǒng)支持的 灌溉方式靈活多樣，用戶可根據(jù)實際情況進(jìn)行模式選擇 。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡潔，各類功能易于實現(xiàn)， 大大提高了系統(tǒng)的可靠性和實用性。系統(tǒng)的基本模塊原理圖如圖 所示。 圖 自動灌溉控制器系統(tǒng)基本模塊原理框圖 鍵盤方案選取 方案一 :獨立式按鍵 。 獨立式按鍵是指直接用 一根 I/O 口線構(gòu)成的單個按鍵電路。每個獨立式按鍵單獨占有一根 I/O 口線，每根 I/O 口線上的按鍵的工作狀態(tài)不會影響其他 I/O 口線的工作狀態(tài)。 獨立式按鍵接口電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單，但每個按鍵必須占用一根 I/O 口線，在按鍵數(shù)量較多時， I/O 口線浪費較大。故在按鍵數(shù)量不多時，常采用這種按鍵結(jié)構(gòu)。獨立式按鍵電路如圖 所示。上拉電阻保證了按鍵斷開時， I/O 口線上有確定的高電平。 圖 獨立式按鍵鍵盤框圖 AT98C51 濕度采集模塊 接盤接口模塊 顯示 模塊 步進(jìn)電機控制模塊 方案二 : 矩陣式鍵盤 [5] 在鍵盤中按鍵數(shù)量較多時，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。在矩陣式鍵盤中，每條水平線和垂直線在交叉處不直接連通，而是通過一個按鍵加以連接。這樣，一個端口 (如 P1 口 )就可以構(gòu)成 4*4=16 個按鍵，比之直接將端口線用于鍵盤多出了一倍，而且線數(shù)越多，區(qū)別越明顯，比如再多加一條線就可以構(gòu)成 20 鍵的鍵盤，而直接用端口線則只能多出一鍵 (9 鍵 )。由此可見，在需要的鍵數(shù)比較多時，采用矩陣法來做鍵盤是合理的。行列式鍵盤的缺點是程序設(shè)計較復(fù)雜些。 因為本設(shè)計需要的按鍵數(shù)目較多，為了節(jié)省 I/O 口線資源，選用矩陣式鍵盤，故采取方案二。 圖 矩陣式鍵盤框圖 土壤濕度傳感器的選取 目前市場上測量土壤濕度方法有中子衰減法、張力計測濕法、介電法速測法 [6]。 中子衰減法測量土壤含水量 高速運動的快中子與物質(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 ,而中子對氫原子作用的損失遠(yuǎn)大于對其他原子作用的損失 ,這樣可以通過測定慢中子來測定土壤含水量 ,也就是通過衰減程度的大小來確定被測物質(zhì)中含水量的多少 ,中子土壤水分測 試儀就是根據(jù)這一原理設(shè)計而成。 這個方法的優(yōu)點在于快速準(zhǔn)確 ,但重要的是 這種方法如果屏蔽不好 ,易造成射線泄漏 ,以致污染環(huán)境 ,危害人體健康 ,特別難以測量淺層土壤含水量 ,而淺層土壤含水量與作物生長關(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 ,需要實時監(jiān)測 ,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)國家已被禁止使用。 張力計式土壤水分傳感器 張力計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量的傳感器。這種儀表有個多孔瓷頭 ,它通過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 力計來測量土壤含水量有很大的發(fā)展 ,它的優(yōu)點是 :結(jié)構(gòu)及原理都比較簡單 ,可以在線實時測量 ,而且可以確定水在土壤內(nèi)的流動方向和滲透深度 ,但它的缺點也很突出。它的測量范圍很大程度上受土質(zhì)的影響。該方法所測量的是土壤水的吸力 ,需要依據(jù)土壤水分特征曲線來換算成土壤含水量 ,由于土壤水分能量關(guān)系非常復(fù)雜 ,呈非線性 ,且容易受到許多土壤理化特性的影響 ,即使對同一塊田 ,這一關(guān)系也十分復(fù)雜 ,使得用張力推求土壤含水量時極為困難 ,不方便 ,帶來較大誤差。該方法存在滯后和回環(huán) ,影響其測量速度。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測量土壤含水量是一種行之有效的、快速的、簡便的、可靠方法。對一定幾何結(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 ,其介電常數(shù)相應(yīng)增大 ,測量時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應(yīng)關(guān)系可測出土壤的水分。利用該方法測量濕度 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。探針用來感測土壤的水分 ,其長度和距離根據(jù)被測對象的靈敏度優(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是精度高、量程寬、可測的物料品種多 ,而且響應(yīng)速度也較快 ,可應(yīng)用于在線監(jiān)測實現(xiàn)自動化。 第 3 章 系統(tǒng) 硬件電路設(shè)計 AT89C51 單片機硬件電路 單片機的全稱為微型計算機 （ Single Chip Microputer） 。從應(yīng)用領(lǐng)域來看，單片機主要用于控制，所以又稱微控制器 （ MicroControllerUnit） 或嵌入式控制器（ Embedded Controller）。單片機是將計算機的基本部件微型化并集成在一塊芯片上的微型計算機，其基本組成和工作原理與通用微型計算機是一致的。主要由微處理器（ CPU）、存儲器、 I/O 接口三大功能部分通過總線有機連接而成，在外部通過 I/O接口配置各種外部設(shè)備就構(gòu)成微機的硬件系統(tǒng) [7]。單片機體積小，成本低，運用靈活，易于產(chǎn)品化；面向控制，能針對性地解決從簡單到復(fù)雜的各類控制任務(wù)；抗干擾能力強，適用范圍廣。 本系統(tǒng)采用 AT89C51單片機作為中央處理 器，其主要任務(wù)是讀取自動灌溉控制器的模式，并在相應(yīng)模式下進(jìn)行相應(yīng)的控制。如用戶選擇時間控制模式，從鍵盤輸入灌溉的時間顯示在顯示屏上，啟動步進(jìn)電機，電機正轉(zhuǎn)一圈把自動灌溉的閥門打開，灌溉的時間一到，步進(jìn)電機反轉(zhuǎn)一圈把閥門關(guān)閉。在自動模式下，單片機檢測外部有無灌溉信號。若有，則打開閥門，若沒有則循環(huán)等待。 在本系統(tǒng)中， AT89C51單片機的 P0口用于單片機與 LCD之間的數(shù)據(jù)傳送， ~ 步進(jìn)電機的驅(qū)動接口 ， LCD顯示的位驅(qū) ， LCD的讀寫控制信號， LCD的指令是屬于寫數(shù)據(jù)還是寫指令。 P2口用作鍵盤電路，一共設(shè)置 16個按鍵。 鍵 盤中斷信號，若有鍵按下，則 送入單片機。 。 AT89C51 是一種低功耗 /低電壓、高性能的八位 CMOS 單片機，片內(nèi)有一個 4KB的 FLASH 可編程可擦除只讀存儲器 （ 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 存儲單元，片內(nèi)的存儲器允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲器編程。因此， AT89C51 是一種功能強、 靈活性高且價格合理的單片機，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)可編程閃爍存儲器； （ 3） 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán)； （ 4） 數(shù)據(jù)保留時間： 10 年； （ 5） 全靜態(tài)工作： 0Hz24MHz； （ 6） 三級程序存儲器鎖定； （ 7） 128*8 位內(nèi)部 RAM； （ 8） 32 條可編程 I/O 線； （ 9） 兩個 16 位定時器 /計數(shù)器； （ 10） 6 個中斷源； （ 11） 可編程串行通道； （ 12） 低功耗的閑置和掉電模式； （ 13） 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路。 另 外， AT89C51 是用靜態(tài)邏輯來設(shè)計的，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 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8 個TTL 門電流。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗時， P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高 [9]。 P1 端口 （ ） ： P1 口是一個內(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 TTL 門電流。 P1 口管腳寫入 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，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時， P1 口作為第八位地址接收。 P2 端口 （ ） ： P2 口為一個內(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 TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫 “1”時，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， 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)用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取 時， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 “1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存 儲器進(jìn)行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2 口在 FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3 端口 （ ） ： P3 口管腳是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位的雙向 I/O 端口，可接收輸出 4 個 TTL 門電流。當(dāng) P3 口寫入 “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，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 口同時為閃爍編 程和編程校驗接收一些控制信號。 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 /計數(shù) 0） T1（定時 /計數(shù) 1） WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） 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。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件， XTAL2 應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的 寬度。 AT89C51 最小系統(tǒng)接線如圖 所示，在 XTAL XTAL2 端接上晶振及兩個諧振電容，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 來測量土壤含水量是一種行之有效、簡便、快速的方法。對一定幾何結(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 ,其介電常數(shù)相應(yīng)增大 ,測量時水分傳感器測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應(yīng)關(guān)系可測出土壤的水分。交流信號源產(chǎn)生某一頻率的 交變信號 ,此信號通過一定的傳輸線到達(dá)探針 ,傳感器探針可以看作電極 ,等效為一個電容和一個電導(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)生一個交變電量 ()qt ,從而引起一個交變電流 ()cit,則交變電壓 ()ut 可以寫為 ()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