【正文】 根據(jù)本設計的功能要求，可確定此方案： 以 AT89C51 單片機為控制電路 的 核心，采用模塊化的設 計方案 。節(jié)水灌溉控制器近期在中國應朝著價格低、性能可靠、操作簡便的方向發(fā)展。濕度采集模塊以探針式電容濕度傳感器為核心，步進電機控制電路模塊采用了達林頓驅(qū)動芯片 ULN2803，顯示電路模塊主要由 LCD12864 構成 。 畢業(yè)設計 (論文 ) 課 題 名 稱 自動灌溉控制器的設計 學 生 姓 名 學 號 系、年級專業(yè) 指 導 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。在閉環(huán)（自動）模式下，該系統(tǒng)能自動對土壤的濕度進行檢測，當實際濕度低于警戒值時單片機自動啟動步進電機進行灌溉。但從長遠利益考慮，新的智能化技術、傳感技術和農(nóng)業(yè)科技的引入、應用和普及，將會有智能化程度更高、功能更強、性能更穩(wěn)定可靠的灌溉控制器出現(xiàn)。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進行模數(shù)轉(zhuǎn)化后傳送給單片機，單片機將采集到的數(shù)據(jù)與警戒值比較；若采集數(shù)據(jù)低于警戒值，則啟動步進電機驅(qū)動模塊進行灌溉；若采集數(shù)據(jù)高于警戒值，則不啟動驅(qū)動模塊進行灌溉。 國內(nèi)外現(xiàn)狀 國內(nèi)在開發(fā)灌溉自動控制系統(tǒng)方面處于研制、試用階段，能實際投入應用，且應用較廣的灌溉控制 器還不多見。 天津市水利科學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，采用世界先進的可編程序控 制器和觸摸屏控制技術，性能可靠、功能齊全、人機界面友好、操作簡單、價格低廉，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，能控制 24 路閥門，系統(tǒng)具有人工干預灌溉施肥功能，定時、定量灌溉施肥功能，條件控制灌溉施肥功能。 國外一些先進國家，如美國、以色列和加拿大等，運用先進的電子技術、計算機和控制技術，在節(jié)水灌溉技術方面起步較早，并日趨 成熟。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 等多個系列，幾十種型號的產(chǎn)品。模塊化是在傳統(tǒng)設計基礎上發(fā)展起來的一種新的設計思想，現(xiàn)已成為一種新技術被廣泛應用，尤其是信息時代電子產(chǎn)品不斷推陳出新，模塊化設計的產(chǎn)品正在不斷涌現(xiàn)。 其中以 探針式電容濕度傳感器 為核心構成濕度采集電路，以 達林頓驅(qū)動芯片ULN2803 為核心構成 步進電機控制電路，以 液晶顯示器 12864 為核心構成顯示電路，再配合鍵盤電路 實現(xiàn) 對土壤濕度進行多點檢測。若收到的數(shù)據(jù)不低于設定的數(shù)值，則不啟動步進電機進行灌溉。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，對應的數(shù)據(jù)將在顯示屏上顯示出來。 系統(tǒng)結構簡潔，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。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)。上拉電阻保證了按鍵斷開時， I/O 口線上有確定的高電平。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。 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)這一原理設計而成。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 :結構及原理都比較簡單 ,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。由于以上缺陷的存在極大地限制了該方法的推廣應用 。利用該方法測量濕度 的應用很多 ,多為探針式。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 ,而且響應速度也較快 ,可應用于在線監(jiān)測實現(xiàn)自動化。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備就構成微機的硬件系統(tǒng) [7]。在自動模式下，單片機檢測外部有無灌溉信號。 鍵 盤中斷信號，若有鍵按下，則 送入單片機。因此， AT89C51 是一種功能強、 靈活性高且價格合理的單片機，可方便的應用于各種控制領域 [8]。在掉電方式中，片內(nèi)振蕩器停止工作，由于時鐘被“凍結”，使一切功能都暫停，只保存片內(nèi) RAM中的內(nèi)容，直到下次硬件復位為止。當 P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 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。 這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 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。 P3 口同時為閃爍編 程和編程校驗接收一些控制信號。石晶振 蕩和陶瓷振蕩均可采用。 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。假設電極的電容為 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? （ ） 探針導納為 Y G jwC?? （ ） 其中 ,G 為等效導納的電導 。 0? 表示真空中的介電常數(shù) ,等于 10 /Fm?? 。 圖 土壤介電測量模型的等效電路 根據(jù)矢量電壓表測得的電壓和相角以及信號源電流值 ,可以計算出導納 ,進而求得等效電容 C 和等效電導 G。全量程標定，兩線數(shù)字接口，可與單片機直接相連，大大縮短研發(fā)時間、簡化外圍電路并降低費用?！? ⑦ 響應時間： 8s(tau63%)； ⑧ 低功耗 80μW(12 位測量， 1 次 /s)； ⑨ 可完全浸沒。高頻信號加到傳感器探頭 上 ,通過整流濾波電路獲取電壓信號 ,經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器 AD574 送入單片機 AT89C51 濕 度 傳 感 器 A / D 轉(zhuǎn) 化A T 8 9 C 5 1 圖 濕度采集模塊組成和單片機的連接圖 計算得到含水量值 ,該值與通過鍵盤設定的門限值比較 ,以決定是否實現(xiàn)自動灌溉 [11]。行線輸出是低電平，一旦有鍵按下，則輸入線就會被拉低，這樣，通過讀入輸入線的 狀態(tài)就可得知是否有鍵按下了。 判斷鍵盤中有無鍵按下將全部行線 H0H3 置低電平，然后檢測列線的狀態(tài)。其方法是：依次將行線置為低電平，即在置某根行線為低電平時，其它線為高電平。總共構成 16 個鍵。利用該模塊 靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構成全中文人機交互 圖形界面。 BF=0 時 ,模塊為準備狀態(tài) ,隨時可接受外部指令和數(shù)據(jù) 。 DFF 的狀態(tài)是指令DISPLAY ON/OFF 和 RST 信號控制的。 步進電機驅(qū)動電路 步進電機簡介和原理 步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。感應子式步進電機以相數(shù)可分為：二相電機、三相電機、四相電機、五相電機等。開始時，開關 SB 接通電源， SA、SC、 SD 斷開， B 相磁極和轉(zhuǎn)子 0、 3 號齒對齊，同時，轉(zhuǎn)子的 4 號齒就和 C、 D相 繞組磁極產(chǎn)生錯齒， 5 號齒就和 D、 A 相繞組磁極產(chǎn)生錯齒。四相步進電機按照通電順序的不 同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。 ② 驅(qū)動 LCD 智能顯示屏 LCD 智能顯示屏是由微型計算機控制 ,以 LCD 矩 陣板作顯示的系統(tǒng) ,可用來顯示各種文字及圖案。單片機輸出驅(qū)動電平較低，經(jīng)ULN2803 放大后，才能驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)。程序設計通常分為問題建摸，算法設計，編寫代碼和編譯調(diào)試四個階段。按照用戶的要求，有過程式程序設計與非過程式程序設計之分。 程序設計的基本概念有程序、數(shù)據(jù)、子程序、子例程、協(xié)同例程、模塊以及順序性、并發(fā)性、并行性、和分布性等。 把一個程序分成具有多個明確任務的程序模塊，分別編制、調(diào)試后再把它們連接在一起形成一個完整的程序，這樣的程序設計方法稱為模塊化程序設計 。 （ 3） 程序的修改可局部化。 主程序設計 在本系統(tǒng)的程序設計中， 主控 模塊負責 啟動系統(tǒng)后顯示屏上的初級顯示，開外部中斷，判斷系統(tǒng)模式，以及執(zhí)行相應的子程序，完成系統(tǒng)功能。若為自動模式，則單片機定時檢測 口 的值，若該值為高電平則不啟動閥門，若該值為低電平，則啟動閥門。當接通電源時，自動灌溉控制系統(tǒng)啟動，同時 LCD液晶顯示提示語，提示用戶選擇模 式。 盛放第一個數(shù)的字形參數(shù) U1 EQU 27H 。 鍵盤采取中斷檢測方式 ORG 0030H MAIN: MOV SP,60H MOV R1,00H 。開外部中斷 LOOP: LCALL DELAY LCALL DELAY MOV A,U3 JNZ TYPE1 SJMP LOOP TYPE1: LCALL DELAY MOV A,U3 CJNE A,2,TYPE1 RECYCLE0: LCALL DELAY1 MOV C, JC TESTNEXT LCALL STARTMOVE RECYCLE: LCALL DELAY1 MOV C, JNC RECYCLE LCALL STOPMOVE TESTNEXT: SJMP RECYCLE0 12864 LCD 顯示子程序設計 12864LCD 顯示屏有著自己的指令集，基本指令集有 11 條指令。 對 12864LCD 寫程序的步驟如下： （ 1）開啟兩個半屏 （ 2）清左半屏和右半屏 （ 3）選擇左半屏 （ 4）設置頁和起始行 （ 5）寫左半屏 顯示屏顯示子程序流程圖如圖所示。頁設置 MOV LM,48 。第二位數(shù) MOV CODES,U1 MOV DPTR,TAB2 LCALL CHINE RET DISPLAY2: LCALL RIGHT MOV YM,4 MOV LM,16 。左半屏控制 MOV COM,3FH 。右半屏開顯示設置 LCALL PRM 。RS 置 1 CLR RW 。==============設置顯示初始頁 ============== PAGEFIRST: MOV A,COM 。===============設置顯示初始列 ============== LIEFIRST: MOV A,COM 。調(diào)用寫入指令子程序 RET 。============在指定位置顯示 16*16 漢字上半部分 ====== MOV R0,00H RETURN0: MOV A,R0 MOVC A,A+DPTR MOV DAT,A LCALL PRD INC R0 CJNE R0,16,RETURN0 。===========在指定位置顯示 16*16 漢字下半部分 = RETURN1: MOV A,R0 MOVC A,A+DPTR MOV DAT,A LCALL PRD INC R0 CJNE R0,32,RETURN1 RET 鍵盤子程序設計 本設計的鍵盤方案采取矩陣式鍵盤，和獨立式鍵盤相比，矩陣式鍵盤按鍵數(shù)目較多，擴展性強，可在需要按鍵較多的情況下使用。與門輸出端輸出高電平。掃描完成后，將鍵值存入累加器 A。判別是否有鍵按下 JNZ K2 。第 0 列 CLR SETB SETB SETB MOV A,00 。有鍵按下轉(zhuǎn)求鍵號 MOV A,08 。有鍵按下轉(zhuǎn)求鍵號 L1: MOV R4,01H 。第 3 行首鍵號 JNB ,JH 。有鍵按下轉(zhuǎn)求鍵號 MOV