【正文】 理自動化，并且普遍推行自動控制系統(tǒng)，按時、按量將水、肥直接送入作物根部，水資源利用率和單方水的糧食產(chǎn)量都相當高。北美、澳大利亞、韓國等國家和地區(qū)都已有發(fā)展成熟并形成系列的灌溉控制器產(chǎn)品，微灌方式普遍采用計算機控制，埋在地下的濕度傳感器可以傳回有關(guān)土壤水分的信息，還有的傳感器系統(tǒng)能通過檢測植物的莖和果實的直徑變化來決定對植物的灌水間隔。在溫室等設(shè)施內(nèi)較多使用小型灌溉管、理程序，澆水時間可按日期設(shè)定每次每路灌水起止時聞，操作便于小規(guī)模經(jīng)營。計算機化操作運行精密、可靠、節(jié)省人力， 對灌溉過程的控制可達到相當?shù)木?，在以色列，已?jīng)出現(xiàn)了在家里利用電腦對灌溉過程進行全部控制 (無線、有線 )的農(nóng)場主。 總之，目前國外灌溉控制器已逐步趨于成熟、系列化，并朝著大型分布式控制系統(tǒng)和小面積單機控制兩個方向發(fā)展，產(chǎn)品 一般都能與微機進行通信，并由 機對其施行控制。 我國 節(jié)水灌溉自動控制器 研發(fā)行業(yè)與國外研發(fā)企業(yè)相比存在如下幾點問題 : 從中國整個 灌溉系統(tǒng)設(shè)計 行業(yè)的產(chǎn)品發(fā)展來看： 產(chǎn)品主要以仿制國外產(chǎn)品為主，缺乏自主創(chuàng)新 。 技術(shù)開發(fā)體系沒有受到應(yīng)有的重視和規(guī)范： 一方面，技術(shù)開發(fā)規(guī)劃工作缺乏，預(yù)見性不強 ；另一方面，技術(shù)開發(fā)過程不規(guī)范，本科生畢業(yè)設(shè)計 7 對開發(fā)周期、成本和風(fēng)險等方面的控制有待加強 。 技術(shù)開發(fā)體系沒有受到應(yīng)有的重視和規(guī)范： 一方面，技術(shù)開發(fā)規(guī)劃工作缺乏，預(yù)見性不強；另一方面，技術(shù)開發(fā)過程不規(guī)范，對開發(fā)周期、成本和風(fēng)險等方面的控制有待加強 。 產(chǎn)品立項前的市場管理活動沒有規(guī)范化： 市場信息收集和分析工作薄弱， 生產(chǎn)廠家 對新產(chǎn)品近 35年的產(chǎn)品路標規(guī)劃也不清晰，往往只有 12年的開發(fā)項目計劃； 產(chǎn)品研發(fā)缺乏一個整合企業(yè)資源的清晰的研發(fā)流程： 產(chǎn)品線建設(shè)明顯滯后于資源線的建設(shè) 專業(yè)研發(fā)人才缺乏： 在培養(yǎng)關(guān) 鍵性研發(fā)人才上，缺少相應(yīng)的機制保障。 第 2章 灌溉系統(tǒng)總體設(shè)計方案 計算機控制系統(tǒng)的基本形式 計算機控制系統(tǒng)的種類繁多，但歸納起來，目前實現(xiàn)計算機控制的方式基本上屬于下面五種形式： 成套的計算機控制系統(tǒng)產(chǎn)品 : 目前世界上已出現(xiàn)了許多與硬件產(chǎn)品配套的，具有不同特點、適用于不同控制對象的軟件產(chǎn)品， 像 HONEYWELL、 WDPF等 DCS(集散系統(tǒng) )系統(tǒng)。 以實時操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，由控制系統(tǒng)設(shè)計人員設(shè)計在操作系統(tǒng)上運行的實時應(yīng)用軟件 : 目前通用有一大批 IRMXRTOX， PSOS的實時操作系統(tǒng)。 這類系統(tǒng)要求用戶自己編寫應(yīng)用程序，設(shè)計程序的流向，而由操作系統(tǒng)對應(yīng)用程序進行實時調(diào)度和占先，循環(huán)處理，因此減少了應(yīng)用軟件開發(fā)的難度。但要求程序員熟悉實時多任務(wù)編程技術(shù)，而且圖形界面不太好。 集成的實時系統(tǒng)開發(fā)軟件 : 例如： Citect， Intouch，由軟件制造商提供，是專門為實時服務(wù)的開發(fā)環(huán)境和運行本科生畢業(yè)設(shè)計 8 環(huán)境。系統(tǒng)本身已經(jīng)構(gòu)建了實現(xiàn)不同功能的軟件包、程序模塊和控鍵。用戶只需要按照規(guī)定方式，根據(jù)實際對象要求，調(diào)用相應(yīng)模塊，即可構(gòu)成應(yīng)用程序。 在通用操作系統(tǒng)例 了 如 DOS， WINDOWS環(huán)境下 : 采用實時核實 現(xiàn)程序的實時多任務(wù)特性。 RTX， RTKERNEL， RTOS等都是應(yīng)用廣泛的實時核。 直接從系統(tǒng)的最底層采用高級語言或匯編語言編制實時應(yīng)用程序 : 這種方法先把系統(tǒng)劃分層次，明確目標，任務(wù)，對各個任務(wù)的子過程進行結(jié)構(gòu)化編程，然后還要另外編寫計時、中斷、調(diào)度等控制程序。程序設(shè)計的難度和工作量很大，但整個程序?qū)τ谠O(shè)計人員來說是完全透明的，適應(yīng)性強。 系統(tǒng)總體方案 根據(jù)實際情況及系統(tǒng)技術(shù)要求，擬采用 AT89C51微控器作為控制與數(shù)據(jù)處理的核心以構(gòu)成 節(jié)水灌溉 控制系統(tǒng)。 該系統(tǒng)采用 AT89C51單片機來實現(xiàn) 。用濕度檢測電路中的濕敏電阻對土壤濕度進行采集，所得電流信號經(jīng)處理得到可用的電壓信號，輸入到 A/D轉(zhuǎn)換器 ADC0809轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進行處理。系統(tǒng)將檢測得土壤的濕度值，送到 LED顯示電路顯示，從而實現(xiàn)對土壤濕度的監(jiān)測監(jiān)控，能進行適度范圍設(shè)置和顯示，同時通過模糊控制算法實現(xiàn)對水泵開關(guān)的只能控制。該電路主要由 AT89C51系統(tǒng)電路、電源電路、濕度檢測電路、顯示電路、開關(guān)控制電路等組成。軟件選用匯編語言編程。單片機可將土壤濕度傳感器檢測到的土壤濕度模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并傳輸給控制系統(tǒng)檢測是否該灌溉。該系統(tǒng)靈活性強 ，成本低，可靠性高，在實際應(yīng)用中前景廣闊。 系統(tǒng)框圖如圖 種 植 物 的 土 壤 土 壤 濕 度 傳 感A / D 轉(zhuǎn) 換A T 8 9 C 5 1 單 片 機L E D 顯 示放 大 驅(qū) 動電 磁 閥 本科生畢業(yè)設(shè)計 9 圖 系統(tǒng)框圖 AT89C51微控器構(gòu)成的最小系統(tǒng) 根據(jù)本設(shè)計的技術(shù)要求來判斷是否需要對此微控器進行片外程序存儲器及數(shù)據(jù)存儲器的擴展。若需要，則 對 AT89C51微控器進行 片 外存儲器擴展，以構(gòu)成控制系統(tǒng)的最基本部分。 若不需要，則單片機及其時鐘電路與復(fù)位電路等構(gòu)成最小系統(tǒng)。 數(shù)據(jù)采集部分 ADC0809 是一種 8 位逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部具有鎖存控制 的 8路模擬開關(guān)，外接 8 路模擬輸入端，可同時對 8 路 05V 的輸入模擬電壓信號分時進行采集轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)只用到 INO 和 INl 兩路輸入通道。 ADC0809 轉(zhuǎn)換器的分辨率為 8位，最大不可調(diào)誤差小于士 1LSB，采用單一 +5V供電，功耗為 15mW,不必進行零點和滿度調(diào)整。由于 ADC0809轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)寄存器具有可控的三態(tài)輸出功能，輸出具有 TTL 三態(tài)鎖存緩沖器，故其 8 位數(shù)據(jù)輸出引腳可直接與數(shù)據(jù)總線相連。 A/D轉(zhuǎn)換器需外部控制啟動轉(zhuǎn)換信號方能進行轉(zhuǎn)換，這一啟動轉(zhuǎn)換信號可由 CPU 提供，不同型號的 A/D 轉(zhuǎn)換器，對啟動轉(zhuǎn)換信號的要求也不同，分脈沖啟動和電平啟動兩種， ADC0809 采用脈沖啟動轉(zhuǎn)換，只需給 A/D轉(zhuǎn)換器的啟動控制轉(zhuǎn)換的輸入引腳 ((START)上，加入正脈沖信號，即啟動 A/D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換開始后，轉(zhuǎn)換結(jié)束信號輸出端 (EOC)信號變低，轉(zhuǎn)換結(jié)束時， EOC返回高電平，以通知主機讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量，這個信號可以作為 A/D轉(zhuǎn)換器的狀態(tài)信號供查詢，也可以用作中斷請求信號。 本系統(tǒng)中 ADC0809與 AT89C51單片機的接口如圖 5所示，采用等待延時方式。 ADC0809的時鐘頻率范圍要求在 101280kHz , AT89C51 單片機的 ALE 腳的頻率是單片機時鐘頻率的 1/6，因此當單片機的時鐘頻率采用 6MHz,ADC0809 輸入時鐘頻率即為 CLK=1MHz，發(fā)生啟動脈沖后需延時 100Us 才可讀取 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。 ADC0809 的 8 位數(shù)據(jù)輸出引腳可直接與數(shù)據(jù)總線相連，地址譯碼引腳 A, B, C 分別與 74LS373 的 A, B, C 相連，以選通 INO IN7 中的一個通道。 AT89C51 的 p 作為片選信號，在啟動 AM 轉(zhuǎn)換時，由單片機的寫信號 WR 和 p2.?？刂?ADC的地址鎖存和轉(zhuǎn)換啟動。由于 ALE 與 START 連在一起，因 此 ADC0809 在鎖存通道地址的同時也啟動轉(zhuǎn)換，在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時，用單片機的讀信號 RD 和 p2.。引腳一級或非門產(chǎn)生的正脈沖作為OE信號，用以打開三態(tài)輸出鎖存器。 顯示部分 微機化測控系統(tǒng)中常用的測量數(shù)據(jù)的顯示器有發(fā)光二極管顯示器 (簡稱 LED 或數(shù)碼本科生畢業(yè)設(shè)計 10 管 )和液晶顯示器 (簡稱 LCD)。這兩種顯示器都具有線路簡單、耗電少、成本低、壽命長等優(yōu)點，本系統(tǒng)輸出結(jié)果選用 4 個 LED 顯示。數(shù)碼管有共陰共陽之分，本系統(tǒng)采用 8 段共陰型 LED，每位數(shù)碼管內(nèi)部有 8個發(fā)光二極管，公共端由 8個發(fā)光二極管的陰極并接而成，正常顯示時 公共端接低電平 (GND)，各發(fā)光二極管是否點亮取決于 adp各引腳上是否是高電平。 LED數(shù)碼管的外形結(jié)構(gòu)，外部有 10 個引腳，其中 3, 8 腳為公共端也稱位選端，其余8個引腳稱為段選端，當要使某一位數(shù)碼管顯示某一數(shù)字 ((09中的一個 )必須在這個數(shù)碼管的段選端加上與數(shù)字顯示數(shù)字對應(yīng)的 8位段選碼 (也稱字形碼 )，在位選端加上低電平即可。 供電電源單元 采用變壓器、整流濾波及穩(wěn)壓等電路組成，分別給以上各部分提供所需要的電壓，可以提供 +5V, +12V, +40V的穩(wěn)定電壓。 由于 電壓源 是現(xiàn)成的設(shè)備， 可以在市場上訂制，所以不在涉及范圍內(nèi)，不再予以講述。 本章小結(jié) 本章首先介紹 了 計算機控制系統(tǒng)的 五種 基本形式， 根據(jù)實際情況與技術(shù)要求，畫出了 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，并擬定了系統(tǒng)總體設(shè)計方案，包括數(shù)據(jù)采集單元、鍵盤及顯示單元、控制與執(zhí)行單元、系統(tǒng)各部分所需電源等輸入與輸出通道，并 對每一部分都進行了較詳細的敘述。 本科生畢業(yè)設(shè)計 11 第 3章 系統(tǒng)硬件 電路 設(shè)計 本系統(tǒng)的硬件 設(shè)計 概述 從總體上講，本系統(tǒng)硬件電路根據(jù) 技術(shù) 需求，由以 AT89C51單片機為核心的主控電路以及其外圍接口電路組成。概括 為以單片機為主的主控電路、單片機 輸入 部分 接口電路、單片機 輸出 部分接口 電路。主控電路 是 以單片機為核心和必要的外圍接口電路組成的，包括單片機最小系統(tǒng)、存儲器擴展 （若需要） 、 復(fù)位電路等。 輸入 部分 接口電路包括各種模擬信號，數(shù)字信號與單片機的接口信號調(diào)理電路以及按鍵接口電路。 輸出 部分接口電路包括電機驅(qū)動電路，電磁閥驅(qū)動電路， LED顯示驅(qū)動電路。其中各種接口電路設(shè)計的好壞直接關(guān)系到系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。 從硬件具體組成來看，整個硬件電路包括主控電路 部分 (主要由 AT89C51單片機、數(shù)字接口、模擬接口組成 )、 土壤濕度 信號采集 電路部分 (主要由 濕度 傳感器 、必要的數(shù)字接口電路組成 )、 時鐘電路、數(shù)據(jù)存儲擴展電路、 LED顯示電路組成。 單片機的選擇及分析 單片機的定義和特點 所謂單片機就是把 CPU、寄存器、 RAM/ROM、 I/O 接口電路集成在一塊集成電路本科生畢業(yè)設(shè)計 12 芯片上，構(gòu)成一個完整的微型計算機。單片機的主要特點有： 集成度高、功能強 微型計算機通常由中央處理器 (CPU)、存儲器 (RAM, ROM)以及 I/O 接口組成，其各部分分別集成在不同的芯片上。例如，大家熟悉的 Z80 微型計算機就是由 Z80CPU、存儲器 (RAM, ROM), PIO 等芯片組成的，單片機則不同，它把 CPU, RAM, ROM, I/O接口，以及定時器 /計數(shù)器都集成在一個芯片上。目前應(yīng)用得最多的是 MCS51 系列單片機。 和微型計算機進行比較，單片機不僅體積大大減小，而且功能大為增強。 MCS51系列單片機內(nèi)的定時 /計數(shù)器為 16 位，而 Z80 微型計算機只有 8 位， MCS51 系列單片機中不但有 4 個并行 I/O 接口，而且還有串行接口，且時鐘頻率可達 12MHz。 結(jié)構(gòu)合理 目前單片機大多采用 Harvard 結(jié)構(gòu)。這是數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器相互獨立的一種結(jié)構(gòu)。而在許 多微型計算機 (如 Z80, Inte18085, M6800 等 )中，大都采用兩類存儲器合二為一 (即統(tǒng)一編址 )的方式。單片機采用上述結(jié)構(gòu)主要有 四點 好處 — — 存儲量大、速度快、抗干擾性 、 強指令豐富。 單片機的發(fā)展概況 自從 1974 年 12 月美國仙童 (Fairchild )公司第一個推出 8 位單片機 FS 以來，單片機以驚人的速度發(fā)展，從 4 位機、 8 位機發(fā)展到 16 位機、 32 位機，集成度越來越高，功能越來越強，應(yīng)用范圍越來越廣。到目前為止，單片機的發(fā)展主要可分為以下四個階段 : 第一階段 :4 位單片機。這種單片機的 特點是價格便宜，控制功能強，片內(nèi)含有多種I/O 接口，如并行 I/O 接口、串行 I/O 接口、定 時 計數(shù)器接口、中斷功能接口等。根據(jù)不同用途，還配有許多專用接口，如打印機接口、鍵盤及顯示器接口， PLA(可編程邏輯陣列 )譯碼輸出接口，有些甚至還包括 A/D, D/A 轉(zhuǎn)換， PLL(鎖相環(huán) )，聲音合成等電路。豐富的 I/O 功能大大地增強了 4 位單片機的控制功能，從而使外部接口電路極為簡單。 第二階段 :低、中檔 8 位機 (19741978 年 )。這種 8 位機一般不帶有 I/O 接口，尋址范圍通常為 4KB。它是 8 位機的早期產(chǎn)品，如 Mostek 公司的 3870, Intel 公司的 8048等單片機即屬此類。 第三階段 :高檔 8 位機階段 (19781982 年 )。這一類單片機常有串行 I/O 接口，有多級中斷處理，定時 /計數(shù)器為 16 位，片內(nèi)的 RAM 和 ROM 的容量相對增大，且尋址范圍可達 64KB，有的片內(nèi)還帶有 A/D 轉(zhuǎn)換接口。這類單片機有 Intel 公司的 MCS51, Motorola公司的 6801 和 Ziiog 公司的 Z8 等。由于這類單片機應(yīng)用領(lǐng)域較廣，其結(jié)構(gòu)和性能還在本科生畢業(yè)設(shè)計 13 不斷地改進和發(fā)展。 第四階段 :16 位單片機和超 8 位單片機 (1982 年至今 )。此階段的主要特征是，