【正文】 溫濕度 的 自動控制灌溉 ， 采用模塊化 ，層次化設(shè)計，采用新型智能溫濕度傳感器 SHT10 主要是對溫度、濕度 進(jìn)行 檢測，將溫濕度信號通過傳感器進(jìn)行信號采集并轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，在運(yùn)用單片機(jī)將數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理， 然后 顯示 LED1602 液晶 上，并根據(jù)需求進(jìn)行灌溉與報警 ?？諝獾母蓾癯潭冉凶觥?濕度 ” 。環(huán) 境因數(shù)可以影響我們的生活，學(xué)習(xí)已經(jīng)工作。 研究背景 水污染的嚴(yán)重性 最初的生命在水中誕生。 生命之起源，水為必要條件，沒有了水，地球上的生命將會枯竭。專家們曾預(yù)言，如果不注意保護(hù)與節(jié)約用水，地球上剩下的最后一滴水將是人類的眼淚。 當(dāng)前 ，占世界人口總量 40％的 80 個國家缺水，其中 26 個國家嚴(yán)重缺水。與一些發(fā)達(dá)國家相比，我國農(nóng)業(yè)的用水效率還是相當(dāng)?shù)偷模喔人Y源的浪費(fèi)情況相當(dāng)嚴(yán)重，節(jié)水的潛力十分巨大。 微灌是一種現(xiàn)代化的精細(xì)高效節(jié)水灌溉控制技術(shù)，它是當(dāng)前世界上諸多節(jié)水灌溉控制技術(shù)中省水率最高、最為先進(jìn)的一種 灌溉方式。到 90 年代中，全世界微灌面積達(dá)到 萬公頃，約占全世界灌溉面積的 %，其中美國約 150 萬公頃之大。他們采用先進(jìn)的節(jié)水灌溉制度，由傳統(tǒng)的充分灌溉向非充分灌溉發(fā)展，對灌區(qū)用水進(jìn)行監(jiān)測預(yù)報，實(shí)行動態(tài)管理，采用遙感技術(shù)，監(jiān)測土壤墑情和作物生長，開發(fā)和制造了一系列用途廣泛，功能強(qiáng)大的數(shù)字式灌溉控制系統(tǒng)，并得到了廣泛的 應(yīng)用。計算機(jī)化操作運(yùn)行精密、可靠、節(jié)省人力，對灌溉過程的控制可達(dá)到相當(dāng)?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(jìn)行全部控制的農(nóng)場主。北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué)研制的自動化灌溉控制系統(tǒng)是以 8031 單片機(jī)為核心，可對多通道土壤水分進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)對多路通道進(jìn)行自動灌溉控制的功能。而在我國，雖然有多家研制灌溉控制器．但多數(shù)是小規(guī)模、實(shí)驗(yàn)和理論的探討，而且開發(fā)出來的產(chǎn)品價格昂貴，農(nóng)民盡管知道能節(jié)能、節(jié)水、增產(chǎn)，但由于一次性投資太大，多數(shù)農(nóng)民承受不起，所以根本無法普及應(yīng)用。 溫度 的測量 范圍 1050℃， 精度為 177。 濕度 的測量 范圍 35%85%，精度為 177。 沈陽航空 航天大學(xué) 電子 信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 第 2 章 總體 方案 設(shè)計 灌溉控制系統(tǒng)的 基本工作原理 本次設(shè)計核心是研究單片機(jī)控制灌溉控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對不同土壤的濕度進(jìn)行監(jiān)控，并按照作物對土壤濕度的要求進(jìn)行適時、適量灌溉。 圖 方案 1 原理框圖 STC 89C52 單 片 機(jī) 作物土壤 灌溉倒計時電路 超限報警電路 LCD 顯示電路 獨(dú)立式鍵盤設(shè)置 SHT10 溫 濕度傳感器 執(zhí)行機(jī)構(gòu) SHT10 溫濕度傳感器 沈陽航空 航天大學(xué) 電子 信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 方案 2 本方案采用的是 以 80C51 單片機(jī)為核心， 鍵盤設(shè)置部分采用矩陣式鍵盤，主要由 FDR 型溫濕度傳感器， A/D 轉(zhuǎn)換電路， LCD 顯示電路，灌溉倒計時電路，超限報警電路和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成，方案 2 原理框圖如圖 所示。 MCS－ 51 的硬件結(jié)構(gòu)決定了其指令系統(tǒng)不會發(fā)生變化，設(shè)計人員可以很容易的對不同公司的單片機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行選型，他們只需將重點(diǎn)放在芯片內(nèi)部資源的比較上。 濕度傳感器的選取 測量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學(xué)性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量及周圍空氣的濕度。 方案一 ：采用 SHT10 單片數(shù)字溫濕度集成傳感器，將傳感元件和信號處理電路集成在一塊微型電路板上，輸出完全標(biāo)定的數(shù)字信號。 SHT10 的主要特點(diǎn)如下： (1)相對濕度和溫度的測量兼有露點(diǎn)輸出； (2)全部校準(zhǔn)，數(shù)字輸出； (3)接口簡單 (2wire)，響應(yīng)速度快； (4)超低功耗，自動休眠； (5)出色的長期穩(wěn)定性； (6)測濕精度 177。 鍵盤設(shè)置方式的選取 方案 2 中通過矩陣式鍵盤設(shè)置土壤濕度的相關(guān)參數(shù)，方案 1 則是 采用獨(dú)立式鍵盤接口 來實(shí)現(xiàn)通過鍵盤設(shè)置參數(shù)。當(dāng)需要顯示的數(shù)據(jù)比較復(fù)雜的時候，它的優(yōu)點(diǎn)就突現(xiàn)出來了，并且當(dāng)硬件設(shè)計完成時，可以通過軟件的修改來不斷擴(kuò)展系統(tǒng)顯示能力。 該方案 以 STC89C52 單片機(jī)為核心，采用獨(dú)立式鍵盤接口，主要由 溫 濕度傳感器 SHT10， LCD 顯示電路，灌溉倒計時電路，超限報警電路及相應(yīng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成。 由于它灌水可兼施肥（藥），還具有提高肥（藥）效，促進(jìn)作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的效果。一般來講，微灌系統(tǒng)由水泵、過濾供肥設(shè)備、輸配水管網(wǎng)和灌水器等部分組成；按組成微灌系統(tǒng)的灌水器不同，可分為滴灌、滲灌、微噴灌和小管涌泉灌 四類。 微灌是利用微灌設(shè)備組裝成微灌控制系統(tǒng)，將有壓水輸送分 配到田間，通過灌水器以微小的流量濕潤作物根部附近土壤的一種局部灌水控制技術(shù)。滴灌是精細(xì)灌溉、科學(xué)用水的高新技術(shù)，它不僅是一種缺水地區(qū)有效利用水資源的灌水方式，同時還是一種現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)技術(shù)措施的有效載體。 圖 滴灌設(shè)備 地表滴灌即常規(guī)滴灌，其管網(wǎng)及灌水器布設(shè)在地表或地表以上，是目前最常用的微灌技術(shù)。傳統(tǒng)的滴灌系統(tǒng)由水源、營部樞紐、輸水配水管網(wǎng)和滴頭四大部分組成，本次畢設(shè)主要研究結(jié)合滴灌技術(shù)特點(diǎn)由單片機(jī)控制的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)。從對作物在不同土壤含水量下的生長發(fā)育及產(chǎn)量指標(biāo)分析來看，大多數(shù)蔬菜作物的最佳含水量并不在田間最大持水量或者附近。它是反映土壤保水能力大小的一個指標(biāo)。 (3)土壤濕潤層深度 濕潤層深度是決定灌水定額的主 要參數(shù)之一，目前研究認(rèn)為計劃濕潤層深度應(yīng)決定于根系密集層深度，并與土壤剖面水分的消失深度有關(guān)，它隨著生育期的改變，根系發(fā)育而異。 2) 不致使根系附近水分過濕或過干，土壤通氣狀況良好，還可結(jié)合施肥，有利于作物的生長。其作用是從水源抽水加壓；施入化肥溶液，過濾雜質(zhì)；最后，將水、肥輸進(jìn)干管。 沈陽航空 航天大學(xué) 電子 信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 第 4 章 硬件電路的設(shè)計 概述 本 系統(tǒng)采用 AT89C52單片機(jī)為核心， 根據(jù)滴灌技術(shù)的特點(diǎn)，進(jìn)行灌溉控制系統(tǒng)的整體硬件電路的設(shè)計 數(shù)據(jù)采集電路部分 選用一種具有獨(dú)特工藝設(shè)計、價格較低廉的、高精度、極好的線性輸出的 SHT10做為溫濕度傳感器，較好的實(shí)現(xiàn)了對空氣濕度的測量。此外在灌水期間以倒計時的方式顯示剩余時間。它把處理器，存儲器和各種輸入輸出接口全部集中到一塊芯片上， 是 計算機(jī)屬性的微型計算機(jī) ， 是典型的嵌入式微控制器，常用英文字母的縮寫 MCU 表示單片機(jī)，最早是被用在工業(yè)控制領(lǐng)域。 單片機(jī)加上適當(dāng)?shù)耐鈬骷蛻?yīng)用程序便構(gòu)成了最小應(yīng)用系統(tǒng)。 這些中斷源可通過分別設(shè)置專用寄存器 IE 的置位或清 0 來控制每一個中斷的允許或禁止。 定時器 2 的中斷是由 T2CON 中的 TF2 和 EXF2 邏輯或產(chǎn)生的，當(dāng)轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序時，這些標(biāo)志位不能被硬件清除 ，事實(shí)上，服務(wù)程序需確定是 TF2 或EXF2 產(chǎn)生中斷，而由軟件清除中斷標(biāo)志位。 這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自 激振蕩器，外接石英晶體 (或陶瓷諧振器 )及電容 C C2 接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。 用戶也可以采用外部時鐘。 12345678RST/VPD91011121314151617XTAL218XTAL119GND202122232425262728PSEN29ALE/PROG30EA/Vpp313233343536373839VCC40U3STC89C52C433PC333PR1110KX11X22U412M_RTC1122C210uFGNDGNDVCCRSTXTAL1XTAL2XTAL1 XTAL2RST最小系統(tǒng)模塊D0D1D2D3D4D5D6D7LED0LED1LED2LED3RWENRDSWITCH_1KEY1KEY2KEY3SCLKDATA 圖 STC89C52 單片機(jī)最小系統(tǒng) STC89C52 單片機(jī) STC89C52是一種帶 8K字節(jié)閃爍可編程可檫除只讀存儲器（ FPEROMFlash Programable and Erasable Read Only Memory ）的低電壓，高性能 COMOS8的微處理器，俗稱單片機(jī)。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在線系統(tǒng)可編程 Flash，使得STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為沈陽航空 航天大學(xué) 電子 信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 止。對 P0端口寫“ 1”時，引腳用作高阻抗輸入。程序校驗(yàn)時，需要外部上拉電阻。此外， /計數(shù)器 2的外部計數(shù)輸入（ ）和時器 /計數(shù)器 2 的觸發(fā)輸入（ ）；在 flash編程和校驗(yàn)時， P1口接收低 8位地址字節(jié)，引腳號第二功能 T2（定時器 /計數(shù)器 T2的外部計數(shù)輸入），時鐘輸出 T2EX（定時器 /計數(shù)器 T2的捕捉 /重載觸發(fā)信號和方向控制）， MOSI（在線系統(tǒng)編程用）， MISO（在線系統(tǒng)編程用）， SCK（在線系統(tǒng)編程用）。 在訪問外部程序存儲器或用 16位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲器（例如執(zhí)行 MOVX DPTR） 時， P2 口送出高八位地址。 P3 口： P3 口是一個具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， p2 輸出緩沖器能驅(qū)動 4 個 TTL 邏輯電平。在 flash編程和校驗(yàn)時， P3口也接收一些控制信號。一般情況下， ALE仍以時鐘振蕩頻率的 1/6輸出固定的脈沖信號 ，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。該位置位后，只有一條 MOVX和 MOVC指令才能將 ALE激活。需注意的是：如果加密位 LB1被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存 EA端狀態(tài)。單片機(jī)本身就是一個復(fù)雜的同步時序電路，為保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)應(yīng)在唯一的時鐘信號控制下，嚴(yán)格地按時序執(zhí)行指令進(jìn)行工作，而時序所研究的是指令執(zhí)行中各個信號的關(guān)系。 電容 C1 和 C2 的作用有兩個：其一是使振蕩器起振，其二是對振蕩器的頻率 f 起微調(diào)作用，典型值為 30pF。 圖 單片機(jī)時鐘電路 圖 AT89C52 復(fù)位電路的設(shè) 計 在實(shí)際應(yīng)用中，復(fù)位對于單片機(jī)來說，是程序還沒開始執(zhí)行，是在做準(zhǔn)備工作。 (1)SHT10 的主要特點(diǎn)如下： ①相對濕度和溫度的測量兼有露點(diǎn)輸出； ②全部校準(zhǔn)，數(shù)字輸出； ③接口簡單 (2wire)，響應(yīng)速度快； ④超低功耗，自動休眠； ⑤出色的長期穩(wěn)定性； ⑥超小體積 (表面貼裝 )； ⑦測濕精度 177。傳感器上電后，要等待 11ms，從 “ 休眠 ”狀態(tài)恢復(fù)。 ④ 串行時鐘輸入 (SCK)。 DATA 的狀態(tài)在串行時鐘 SCK 的下降沿之后發(fā)生改變，在 SCK 的上升沿有效。整個數(shù)據(jù)的傳輸過程都由 8 位校驗(yàn)保證，確保任何錯誤的數(shù)據(jù)都能夠被檢測到并刪除 。 輸出轉(zhuǎn)換公式為： 12. TT d d SO?? 式 （ ) 其中， RHlinear 為 25℃時相對濕度的線性值， RHso 為傳感器輸出的相對濕度的數(shù)值， c1， c2,c3 為系數(shù) ，濕度的非線性補(bǔ)償如 表 41 所示。 ? ? ? ?0 122 5 . .t r u e R H l i n e a rCR H T t t S O R H??? ? ? ????? 式 42 表 42 溫度補(bǔ)償系數(shù) RHSO t1 t2 12bit 8bit 其中， RHtrue 為溫度不等于 25℃時相對濕度的實(shí)際值， T℃為當(dāng)前溫度， t t2是系數(shù)。 表 SHT10 供電電壓與 d1,d2 系數(shù)關(guān)系： VDD d1(℃ ) d2（℉） 5V 4V 3V 沈陽航空 航天大學(xué) 電子 信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 單總線通信位數(shù)與 d1,d2 系數(shù)關(guān)系如表 所示： 表 單總線通信位數(shù)與 d1,d2 系數(shù)關(guān)系 TSO d1(℃ ) d2（℉） 14bit 12bit 其中， T 為實(shí)際溫度， TSO 為傳感器輸出的溫度數(shù)值， d1,d2 為系數(shù)。 如圖 所示。 ③與 CPU 接口采用 5 條位控制總線和 8 位并行數(shù)據(jù)總線輸入輸出； ④內(nèi)部有顯示數(shù)據(jù)鎖存器； ⑤簡單的操作指令顯示開關(guān)設(shè)置，