【正文】 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 課 題 名 稱 自動(dòng)灌溉控制器的設(shè)計(jì) 學(xué) 生 姓 名 學(xué) 號(hào) 系、年級專業(yè) 指 導(dǎo) 教 師 職 稱 講 師 2020 年 5 月 30 日 摘 要 近幾年來，隨著水資源的日趨緊張，世界各國都在積極探索行之有效的節(jié)水途徑和措施。自動(dòng)灌溉技術(shù)是為了解決水資源不足，提高灌溉效率而發(fā)展起來的現(xiàn)代灌溉技術(shù)之一。 本文設(shè)計(jì)了一個(gè)自動(dòng)灌溉控制器，該系統(tǒng)以 AT89C51 單片機(jī)為控制核心 ， 采用模塊化的設(shè)計(jì)方案 ，由 濕度采集模塊、步進(jìn)電機(jī)控制模塊、鍵盤接口模塊和顯示模塊組成。濕度采集模塊以探針式電容濕度傳感器為核心，步進(jìn)電機(jī)控制電路模塊采用了達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)芯片 ULN2803，顯示電路模塊主要由 LCD12864 構(gòu)成 。在閉環(huán)（自動(dòng)）模式下，該系統(tǒng)能自動(dòng)對土壤的濕度進(jìn)行檢測，當(dāng)實(shí)際濕度低于警戒值時(shí)單片機(jī)自動(dòng)啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行灌溉。在時(shí)間（手動(dòng)）模式下，可通過鍵盤設(shè)置灌溉的時(shí)間，超過該時(shí)間，則停止灌溉。 關(guān)鍵詞 ： AT89C51；探針式電容濕度傳感器； ULN2803 達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)； LCD12864 目 錄 摘 要 .............................................................................................................. I 第 1 章 緒論 .................................................................................................. 1 引言 ................................................................................................. 1 國內(nèi)外現(xiàn)狀 ..................................................................................... 1 第 2 章 方案設(shè)計(jì)與論證 .............................................................................. 4 總體方案論證 ................................................................................. 4 鍵盤方案選取 ................................................................................. 5 土壤濕度傳感器的選取 .................................................................. 6 第 3 章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) .......................................................................... 9 AT89C51 單片機(jī)硬件電路 .............................................................. 9 濕度采集電路 ............................................................................... 12 矩陣鍵盤電路設(shè)計(jì) ........................................................................ 14 LCD 液晶顯示電路 ....................................................................... 15 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 ........................................................................ 19 第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ................................................................................ 21 程序設(shè)計(jì) ....................................................................................... 21 主程序設(shè)計(jì) ................................................................................... 22 12864 LCD 顯示子程序設(shè)計(jì) ......................................................... 24 鍵盤子程序設(shè)計(jì) .......................................................................... 28 第 5 章 系統(tǒng)仿真 ........................................................................................ 35 PROTUES 仿真軟件介紹 .............................................................. 35 仿真電路設(shè)計(jì) ............................................................................... 35 系統(tǒng)總體電路仿真 ........................................................................ 36 第 6 章 結(jié)束語 ............................................................................................ 41 參考文獻(xiàn) ..................................................................................................... 42 致謝 ............................................................................................................. 43 附錄 1 系統(tǒng)整體電路圖 ............................................................................. 44 第 1 章 緒論 引言 隨著中國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程的加快、農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整以及我國加入 WTO等因素，農(nóng)業(yè)灌溉自動(dòng)化技術(shù)的要求越來越高，灌溉控制器在我國有著巨大的市場。節(jié)水灌溉控制器近期在中國應(yīng)朝著價(jià)格低、性能可靠、操作簡便的方向發(fā)展。但從長遠(yuǎn)利益考慮，新的智能化技術(shù)、傳感技術(shù)和農(nóng)業(yè)科技的引入、應(yīng)用和普及，將會(huì)有智能化程度更高、功能更強(qiáng)、性能更穩(wěn)定可靠的灌溉控制器出現(xiàn)。 本設(shè)計(jì)以 AT89C51單片機(jī)為主要硬件模塊， 通過軟件編程 實(shí)現(xiàn) 對土壤濕度進(jìn)行多點(diǎn)檢測，當(dāng)所測的實(shí)際濕度低于警戒值時(shí)，將觸發(fā)灌溉控制器裝置。系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)時(shí)間控制方式，隨時(shí)灌溉，從而也體現(xiàn)了多用途、人性化的 現(xiàn)代智能化系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。 根據(jù)本設(shè)計(jì)的功能要求，可確定此方案： 以 AT89C51 單片機(jī)為控制電路 的 核心，采用模塊化的設(shè) 計(jì)方案 。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)檢測到的濕度模擬量進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化后傳送給單片機(jī)，單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)與警戒值比較；若采集數(shù)據(jù)低于警戒值，則啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行灌溉；若采集數(shù)據(jù)高于警戒值，則不啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行灌溉。顯示模塊將采集數(shù)據(jù)和灌溉信息顯示在顯示屏上。灌溉時(shí)間一到，驅(qū)動(dòng)電路則停止驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，灌溉停止。在時(shí)間控制方式下，用戶通過鍵盤輸入進(jìn)行灌溉的時(shí)間，時(shí)間一到，灌溉停止。 國內(nèi)外現(xiàn)狀 國內(nèi)在開發(fā)灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)方面處于研制、試用階段，能實(shí)際投入應(yīng)用，且應(yīng)用較廣的灌溉控制 器還不多見。在開發(fā)的產(chǎn)品中有代表性的如中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究院聯(lián)合多家單位研制的 2020 型溫室自動(dòng)灌溉施肥系統(tǒng)。該系統(tǒng)是國家“九五”科技攻關(guān)項(xiàng)目中自主研發(fā)的科技產(chǎn)品，該系統(tǒng)結(jié)合我國溫室的環(huán)境和實(shí)際使用特點(diǎn)，以積木分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理，解決了計(jì)算機(jī)適時(shí)閉環(huán)控制、動(dòng)態(tài)監(jiān)測、控制顯示中文、施肥泵混合比可調(diào)、電磁閥開度可調(diào)等關(guān)鍵技術(shù)問題。該系統(tǒng)具有手動(dòng)控制、程序控制和自動(dòng)控制等多種灌溉系統(tǒng)模式，可按需要靈活應(yīng)用，在大連、北京等地已經(jīng)投入了應(yīng)用，從系統(tǒng)運(yùn)行情況來看，該系統(tǒng)有很好控制效果，取的了一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益 [2]。 天津市水利科學(xué)研究所研制的溫室滴灌施肥智能化控制系統(tǒng)主要用于現(xiàn)代溫室，日光溫室作物的灌溉營養(yǎng)液施肥，環(huán)境監(jiān)測的智能控制，采用世界先進(jìn)的可編程序控 制器和觸摸屏控制技術(shù)，性能可靠、功能齊全、人機(jī)界面友好、操作簡單、價(jià)格低廉，此控制系統(tǒng)的控制流量為 15 3/mh，控制規(guī)模為 1~2 2hm 時(shí)，能控制 24 路閥門，系統(tǒng)具有人工干預(yù)灌溉施肥功能，定時(shí)、定量灌溉施肥功能，條件控制灌溉施肥功能。北京澳作生態(tài)儀器有限公司的澳作智能節(jié)水 灌溉控制系統(tǒng)可與各種滴、噴灌系統(tǒng)連接，實(shí)時(shí)監(jiān)測土壤墑情，根據(jù)要 求自動(dòng)灌溉。控制方式靈活，手動(dòng)、半自動(dòng)、全自動(dòng)任選且可隨意在計(jì)算機(jī)上更改，可同時(shí)控制多個(gè)設(shè)備，受控區(qū)位置及形狀，環(huán)境參數(shù)及設(shè)備狀態(tài)可同時(shí)顯示在中心計(jì)算機(jī)上。北京奧特思達(dá)科技有限公司研制的 WT02 型微噴灌定時(shí)自動(dòng)控制器，是一種供農(nóng)業(yè)、草坪、果園、溫室一般場合給水的電子灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)。 國外一些先進(jìn)國家，如美國、以色列和加拿大等，運(yùn)用先進(jìn)的電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)，在節(jié)水灌溉技術(shù)方面起步較早，并日趨 成熟。這些國家從最早的水力控制、機(jī)械控制，到后來的機(jī)械電子混合協(xié)調(diào)式控制，到當(dāng)前應(yīng)用廣泛的計(jì)算機(jī)控制、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等，控制精度和智能化程度越來越高，可靠性越來越好，操 作也越來越簡便。 近年來隨著農(nóng)業(yè)對自動(dòng)化程度要求的提高，以色列出現(xiàn)灌溉用的可編程邏輯控制器 (PLC)，這種控制器通過把不同的網(wǎng)絡(luò)連接到主機(jī)上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理。隨著控制技術(shù)、傳感器技術(shù)的發(fā)展，以色列開發(fā)出了現(xiàn)代診斷式控制器，這種控制器把以前不可能采集到的信息通過不同的傳感器來獲得，通過因特網(wǎng)、遠(yuǎn)程控制、 GSM 等來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，然后通 過計(jì)算機(jī)中的一些模型來處理信息，作出灌溉計(jì)劃。加拿大、澳大利亞和韓國等國家和地區(qū)也都有開發(fā)成功并形成系列的灌溉控制器產(chǎn)品，其中，比較有代表性的如澳大利亞的 HARDIE IRRGATION 公司的灌溉控制器，已形成了MICROMASTER、 RAINJET 等多個(gè)系列，幾十種型號(hào)的產(chǎn)品。其中 HR6100 系列成本較低，是一種小型自動(dòng)灌溉控制器，主要是面對家庭庭院和小面積的商業(yè)綠化場地的灌溉，而 MICROMASTER，系列產(chǎn)品是 HARDIE 公司為進(jìn)行大面積灌溉而開發(fā)的控制器。該系統(tǒng)采用分布式布置，可與上位機(jī)雙向通信 ，用微機(jī)對其進(jìn)行編程操作和對其子控制器進(jìn)行控制，并能用微機(jī)隨時(shí)監(jiān)控灌溉系統(tǒng)的工作狀況。 第 2 章 方案設(shè)計(jì)與論證 總體方案論證 所謂的模塊化設(shè)計(jì)，簡單地說就是將產(chǎn)品的某些要素組合在一起，構(gòu)成一個(gè)具有特定功能的子系統(tǒng)，將這個(gè)子系統(tǒng)作為通用性的模塊與其他產(chǎn)品要素進(jìn)行多種組合，構(gòu)成新的系統(tǒng)，產(chǎn)生多種不同功能或相同功能、不同性能的系列產(chǎn)品。模塊化是在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的設(shè)計(jì)思想，現(xiàn)已成為一種新技術(shù)被廣泛應(yīng)用，尤其是信息時(shí)代電子產(chǎn)品不斷推陳出新，模塊化設(shè)計(jì)的產(chǎn)品正在不斷涌現(xiàn)。模塊化設(shè)計(jì)已被廣泛應(yīng)用于 機(jī)床、電子產(chǎn)品、航天、航空等設(shè)計(jì)領(lǐng)域。模塊化設(shè)計(jì) 是綠色設(shè)計(jì) 方法之一，它已經(jīng)從理念轉(zhuǎn)變?yōu)檩^成熟的設(shè)計(jì)方法 [3]。 本設(shè)計(jì)方案以 AT89C51 單片機(jī)為控制核心 ， 采用模塊化的設(shè)計(jì) 方法，總分為四大模塊： 濕度采集電路模塊、步進(jìn)電機(jī)控制電路模塊、鍵盤接口電路模塊和顯示電路模塊。 其中以 探針式電容濕度傳感器 為核心構(gòu)成濕度采集電路，以 達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)芯片ULN2803 為核心構(gòu)成 步進(jìn)電機(jī)控制電路，以 液晶顯示器 12864 為核心構(gòu)成顯示電路，再配合鍵盤電路 實(shí)現(xiàn) 對土壤濕度進(jìn)行多點(diǎn)檢測。 在本系統(tǒng)中，分兩種控制方式：閉環(huán)控制方式和時(shí)間控制方 式，用戶可在兩種方式