【正文】 ......................................................... 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。 本文設(shè)計了一個自動灌溉控制器，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。自動灌溉技術(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。在時間（手動）模式下，可通過鍵盤設(shè)置灌溉的時間，超過該時間，則停止灌溉。 本設(shè)計以 AT89C51單片機(jī)為主要硬件模塊， 通過軟件編程 實現(xiàn) 對土壤濕度進(jìn)行多點檢測，當(dāng)所測的實際濕度低于警戒值時，將觸發(fā)灌溉控制器裝置。顯示模塊將采集數(shù)據(jù)和灌溉信息顯示在顯示屏上。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 型溫室自動灌溉施肥系統(tǒng)。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，實時監(jiān)測土壤墑情，根據(jù)要 求自動灌溉。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。其中 HR6100 系列成本較低，是一種小型自動灌溉控制器，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。模塊化設(shè)計已被廣泛應(yīng)用于 機(jī)床、電子產(chǎn)品、航天、航空等設(shè)計領(lǐng)域。 在本系統(tǒng)中，分兩種控制方式：閉環(huán)控制方式和時間控制方 式，用戶可在兩種方式之間自由選擇。同時單片機(jī)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。這種灌溉方式主要應(yīng)用于特殊情況 [4]。系統(tǒng)的基本模塊原理圖如圖 所示。 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。 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(jī)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。行列式鍵盤的缺點是程序設(shè)計較復(fù)雜些。 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。它的測量范圍很大程度上受土質(zhì)的影響。 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。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。 第 3 章 系統(tǒng) 硬件電路設(shè)計 AT89C51 單片機(jī)硬件電路 單片機(jī)的全稱為微型計算機(jī) （ Single Chip Microputer） 。單片機(jī)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(qiáng)，適用范圍廣。若有，則打開閥門，若沒有則循環(huán)等待。 。 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。 管腳說明 VCC（ 40） ：供電電壓，其工作電壓為 5V。 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 FLASH 編程和校驗時， P1 口作為第八位地址接收。 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。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。 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。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件， XTAL2 應(yīng)不接。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]。C 為等效導(dǎo)納的電容 ,則 ? ?22Y G wC?? 。 k 取決于探針的幾何結(jié)構(gòu)。當(dāng)探針結(jié)構(gòu)一定時 ,被測物質(zhì)的介電常數(shù)決定著探針的阻抗 ,而土壤的介電 常數(shù)又主要取決于土壤含水量 ,這樣最終通過探針阻抗的測量得出土壤含水量的數(shù)值。 此外，體積微小、響應(yīng)迅速、低能耗、可浸沒、抗干擾能力強(qiáng)、溫濕一體，兼有露點測量，性價比高，使該產(chǎn)品能夠適于多種場合的應(yīng)用。 （ 2） 應(yīng)用領(lǐng)域： 數(shù)據(jù)采集器、變送器、自動化過程控制、汽車行業(yè)、樓宇控制 amp。通過串行通信模塊與上位機(jī)通信 ,可以實現(xiàn)對含水量的人工監(jiān)控 ,同時可以通過上位機(jī)下達(dá)指令 ,實行定點灌溉。具體的識別及編程方法如下所述。只要有一列的電平為低，則表示鍵盤中有 鍵被按下，而且閉合的鍵位于低電平線與 4根行線相交叉的 4 個按鍵之中。在確定某根行線位置為低電平后，再逐行檢測各列線的電平狀態(tài)。其中包含數(shù)字鍵 09 共十個，模 式選 擇鍵手動和自動共兩個，功能鍵啟動、停止和數(shù)字清零鍵共三個。 圖 12864 液晶顯示屏 可以顯示 84 行 1616 點陣的漢字，也可完成圖形顯示，低電壓低功耗。 利用 STATUS RD 指令 ,可以將 BF 讀到 DB7 總線 ,從而檢驗?zāi)K之工作狀態(tài) 。 （ 5） 顯示數(shù)據(jù) RAM（ DDRAM） ： 模塊內(nèi)部顯示數(shù)據(jù) RAM 提供 642 個位元組的空間，最多可控制 4 行 16 字（ 64 個字）的中文字型顯示，當(dāng)寫入顯示數(shù)據(jù) RAM 時，可分別顯示 CGROM 與 CGRAM 的字型；此模塊可顯示三種字型，分別是半角英數(shù)字型 (16*8)、 CGRAM 字型及 CGROM 的中文字型，三種字型的選擇，由在 DDRAM中寫入的編碼選擇，在 0000H—0006H 的編碼中（其代碼分別是 0000、 000 0000006 共 4 個）將選擇 CGRAM 的自定義字型， 02H—7FH 的編碼中將選擇半角英數(shù)字的字型，至于 A1 以上的編碼將自動的結(jié)合下一個位元組，組成兩個位元組的編碼形成中文字型的編碼 BIG5（ A140—D75F）， GB（ A1A0F7FFH）。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速 、 停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個脈沖信號，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個步距角。 電機(jī)的位置和速度由導(dǎo)電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)開關(guān) SC 接通電源， SB、 SA、 SD 斷開時，由于 C 相繞組的磁力線和 4 號齒之間磁力線的作用，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動， 4 號齒和 C 相繞組的磁極對齊。單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉(zhuǎn)動力矩小 。該系統(tǒng)中的行驅(qū)動器和列驅(qū)動器均可采用高 β, 高速低壓降的達(dá)林頓管。 第 4 章 系統(tǒng) 軟件設(shè)計 程序設(shè)計 程序設(shè)計是指設(shè)計、編制、調(diào)試程序的方法和過程。 按照結(jié)構(gòu)性質(zhì)，有結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計與非結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計之分。前者是指使用過程式 程序設(shè)計語言的程序設(shè)計，后者指非過程式程序設(shè)計語言的程序設(shè)計。程序是程序設(shè)計中最為基本的概念，子程序和協(xié)同例程都 是為了便于進(jìn)行程序設(shè)計而建立的程序設(shè)計基本單位，順序性、并發(fā)性、并行性和分布性反映程序的內(nèi)在特性。所謂“模塊”，實質(zhì)上就是能完成一定功能，并相對獨立的程序段，這種程序設(shè)計方法稱為模塊程序設(shè)計法 [16]。 （ 4） 模塊可以共存，一個模塊可以被多個任務(wù)在不同條件下調(diào)用。 在主程序模塊中，需要完成對各模塊接口的初始化工作，另外，在主程序模塊中還需要檢測 模式標(biāo)志單元的值，若該單元的值為 0，則為手動模式，若為 1，則為自動模式。啟動閥門后，單片機(jī)還要繼續(xù)檢測 口 的值，若變高電平，則關(guān)閉閥門。若選擇手動模式，顯示屏還會提示用戶通過鍵盤設(shè)置灌溉時間。 第二個數(shù)的字形參數(shù) U2 EQU 28H 。按鍵次數(shù)計數(shù)器 MOV P0,0FFH MOV P2,0F0H MOV P1,00H CLR A CLR EA 。它的指令是通過選擇 RS 的高低電平來區(qū)別所從 DB0~DB7 輸入的是數(shù)據(jù)還是指令， RW 的高低電平來選擇對現(xiàn)實屏是讀操作還是寫操作。 開 始顯 示 屏 初 始 化清 屏選 擇 左 或 右 半 屏設(shè) 置 起 始 行 、 起 始 列半 屏 寫 完 ？是寫 字否結(jié) 束 圖 顯示屏顯示子程序流程圖 顯示屏顯示子程序： 。列 第一位數(shù) MOV CODES,U0 。第三位數(shù) MOV CODES,U2 MOV DPTR,TAB2 LCALL CHINE RET 。左半屏開顯示設(shè)置 LCALL PRM 。寫指令子程序 。RW 清 0 SETB E MOV DATAES,DAT 。COM 中為實際的頁碼 ORL A,0B8h 。COM 中為實際的列碼 ORL A,40H 。===============顯示程序 ==================== CHINE: MOV A,CODES MOV B,32 MUL AB ADD A,DPL MOV DPL,A MOV A,B ADDC A,DPH MOV DPH,A 。=============設(shè)置顯示起始頁 ================= MOV A,YM INC A MOV COM,A 。本鍵盤的思路如下：鍵盤采用中斷掃描方式， 作為行線， 作為列線，將行線用一個與門連起來。若有鍵按下，行線中的某一條將會被置低電平，與門輸出低電平，單片機(jī) 將響應(yīng)外部中斷。鍵盤子程序流程圖如下： 開 始有 鍵 閉 合建 立 無 效 標(biāo) 志建 立 有 效 標(biāo) 志鍵 盤 掃 描計 算 鍵 值閉 合 鍵 釋 放找 到 閉 合 鍵返 回是否是否是否 圖 鍵盤 子程序 流程圖 LCD 數(shù)碼管顯示子程序： 。確實有鍵按下，轉(zhuǎn) K2 LJMP RETURN 。第 0 行首鍵號 JNB ,JH 。第 2 行首鍵號 JNB ,JH 。第 1 列 CLR SETB SETB SETB MOV A,00 JNB ,JH MOV A,04 JNB ,JH MOV A,08 。有鍵按下轉(zhuǎn)求鍵號 L2: MOV R4,02H 。第 3 行 首鍵號 JNB ,JH 。有鍵按下轉(zhuǎn)求鍵號 MOV A,12 。鍵號入棧保護(hù) K3: LCALL DELAY LCALL KS ?；謴?fù) P2 口電平 MOV DPTR, TAB4 。 （ 2） 具有模擬電路仿真、數(shù)字電路仿真、單片機(jī)及其外圍電路組成的系統(tǒng)的仿真，是獨一無二的支持處理器與外圍電路的協(xié)同仿真電路設(shè)計軟件。 （ 6） 具有強(qiáng)大 的原理圖到 PCB 板設(shè)計功能，可輸 出多種格式的電路設(shè)計報表。若開關(guān)按下，則代表需要灌溉；若開關(guān)處于斷開的狀態(tài)，則不灌溉。打開PROTEUS 的 ISIS 編輯環(huán)境，從 PROTEUS 中選取該電路所需要的元器件，放置元器件、放 置電源和地，再點菜單欄工具下拉的電氣規(guī)則檢查，當(dāng)規(guī)則檢查出現(xiàn) ： “NETLIST GENERATED OK NO ERC ERRORD FOUND”， 表示通過檢查，電路設(shè)計完成。 ④ 目標(biāo)代碼加載： 在 PROTEUS 編輯環(huán)境雙擊 AT89C51， 彈出如圖 所示的對話框，在 PROGRAM FILE 一欄中單擊打開按鈕，選中“ 自動灌溉 .HEX”