【正文】 業(yè)灌溉方式中，滴灌是目前最為有效的一種。單片機(jī)選用AT89C51；數(shù)據(jù)存儲電路采用外部靜態(tài)數(shù)據(jù)存儲器6264；數(shù)據(jù)采集電路采用A/D轉(zhuǎn)換器AD574實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；設(shè)計的顯示部分采用6位LED顯示，74LS138實現(xiàn)其位選，CD4543實現(xiàn)其段選。 data storage circuit uses external stable data storage 6264。single chip。解決北方地區(qū)缺水有多種途徑，但立足點應(yīng)放在節(jié)約用水上，要建設(shè)節(jié)水型社會、節(jié)水型城市、發(fā)展節(jié)水型產(chǎn)業(yè)，不論居民生活、城市發(fā)展，還是各項經(jīng)濟(jì)活動都要厲行節(jié)水，提高水的利用效率和效益。在灌溉領(lǐng)域合理地推廣自動化控制，不僅可以提高資源利用率，緩解水資源日趨緊張的矛盾，還可以增加農(nóng)作物的產(chǎn)量，降低農(nóng)產(chǎn)品的成本。采用傳感器來監(jiān)測土壤的情況和農(nóng)作物的生長，實現(xiàn)水管理的自動化。做到降水、灌溉水、土壤水和地下水聯(lián)合調(diào)用，實現(xiàn)按期、按需、按量自動供水。自動灌溉將充分發(fā)揮現(xiàn)有的節(jié)水設(shè)備的作用，優(yōu)化調(diào)度，提高效益；通過自動控制節(jié)水技術(shù)的應(yīng)用，更加節(jié)水節(jié)能，降低灌溉成本，提高灌溉質(zhì)量；使灌溉更加科學(xué)、方便，提高管理水平；研制和推廣節(jié)水灌溉控制新技術(shù)是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的需要[2]。波涌灌溉利用了致密層在發(fā)展中不斷減小田面糙率與土壤入滲特性這一客觀規(guī)律，逐次為以后各周期的灌溉水流創(chuàng)造了一個加速水流推進(jìn)與提高減滲效果的新接口。我國從20世紀(jì)70年代起，就針對微灌開始了研究和試驗示范工作，開展了微灌條件下的土壤水分與溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律、日光溫室和大田經(jīng)濟(jì)作物的灌溉制度、水肥耦合模式、滴灌施肥技術(shù)等研究工作。國外由于長期的技術(shù)積累，一些著名公司不斷有新產(chǎn)品推出。一批節(jié)水產(chǎn)品初步表現(xiàn)出較強(qiáng)的市場前景和進(jìn)一步開發(fā)的潛力。而新材料配方及其應(yīng)用技術(shù)的研究卻相對要活躍得多。我國目前采用的渠道防滲防凍技術(shù)主要是保溫整體剛性防滲防凍脹措施，適應(yīng)性較差、易損壞或成本高。灌區(qū)用水管理系統(tǒng)方面，已逐步轉(zhuǎn)向研究將數(shù)據(jù)庫、模型庫、知識庫和地理信息系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的灌區(qū)節(jié)水灌溉綜合決策支持系統(tǒng)。但由于我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及科研體制的限制，我國的節(jié)水灌溉技術(shù)與發(fā)達(dá)國家還有很大的差距。本課題任務(wù)是設(shè)計一個通過單片機(jī)控制的節(jié)能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對不同土壤的適度進(jìn)行監(jiān)控，并進(jìn)行適時、適量的灌溉。國產(chǎn)設(shè)備價高，質(zhì)量差不僅影響了技術(shù)的推廣應(yīng)用，還給農(nóng)民造成不應(yīng)有的經(jīng)濟(jì)損失，甚至挫傷農(nóng)民節(jié)水灌溉的積極性。它是以少量的水濕潤作物的根區(qū)附近的部分土壤的一種局部灌溉技術(shù)，其特點是灌水流量小、一次灌溉延續(xù)時間較長，灌水周期短，能夠準(zhǔn)確的控制水量，能把水和養(yǎng)分直接地輸送到作物根部附近的土壤中去。 (2)節(jié)能 微灌比噴灌的工作壓力低、耗能少。因此對粘土和沙土都適合。滴灌技術(shù)是通過干管、支管和毛管上的滴頭，在低壓下向土壤經(jīng)常緩慢地滴水；是直接向土壤供應(yīng)已過濾的水分、肥料或其它化學(xué)劑等的一種灌溉系統(tǒng)。 滴灌技術(shù)的優(yōu)點：(1)節(jié)水、節(jié)肥、省工滴灌屬全管道輸水和局部微量灌溉，使水分的滲漏和損失降低到最低限度。滴灌系統(tǒng)僅通過閥門人工或自動控制，又結(jié)合了施肥，故又可明顯節(jié)省勞力投入，降低了生產(chǎn)成本。另外滴灌由于操作方便，可實行高頻灌溉，且出流孔很小，流速緩慢，每次灌水時間比較長，土壤水分變化幅度小，故可控制根區(qū)內(nèi)土壤能夠長時間保持在接近于最適合蔬菜、花卉等生長的濕度。(4)改善品質(zhì)、增產(chǎn)增效由于應(yīng)用滴灌減少了水肥、農(nóng)藥的施用量以及病蟲害的發(fā)生，可明顯改善產(chǎn)品的品質(zhì)。 通常所測量的土壤含水量是指土壤的容積含水量，因為這樣可以忽略土樣的容重。田間持水量指在地下水較深和排水良好的土地上充分灌水或降水后，允許水分充分下滲，并防止蒸發(fā)，經(jīng)過一定時間，土壤剖面所能維持的較穩(wěn)定的土壤水含量。雖在田間可以測定，但卻不易再現(xiàn)，且隨測定條件和排水時間而有相當(dāng)?shù)某鋈?，故至今尚無精確的儀器測定方法。檢測系統(tǒng)獲取信息的質(zhì)量也往往是由傳感器的性能一次性確定。當(dāng)被測量隨時間變化很快，可用一系列動態(tài)參數(shù)來描述和表征傳感器的動態(tài)特性[6]。然而，對于復(fù)雜的系統(tǒng)，由于變量太多，往往難以正確的描述系統(tǒng)的動態(tài)，于是工程師便利用各種方法來簡化系統(tǒng)動態(tài)，以達(dá)成控制的目的，但卻不盡理想。1974年,并取得了比傳統(tǒng)的直接數(shù)字控制算法更好的效果,從而宣告模糊控制的誕生[7]。模糊控制器主要嵌有操作人員的經(jīng)驗和直覺知識。(3)它具有內(nèi)在的并行處理機(jī)制，表現(xiàn)出較強(qiáng)的魯棒性，對被控對象的特性變化不敏感，模糊控制器的設(shè)計參數(shù)容易選擇調(diào)整。 模糊控制的作法即直接將對事物多個方面評估的意見與其影響事物狀況的重要程度作加權(quán)的運(yùn)算，其意義在于希望系統(tǒng)性的分析出該事物的真實情況，其運(yùn)算方式類似一般常用的“加權(quán)平均”，易于為人所接受。它不僅具有較大的存儲容量和尋址范圍，而且中斷源、并行I/O接口和定時器/計數(shù)器個數(shù)都有了不同程度的增加，并集成有權(quán)雙工串行通信接口；在指令系統(tǒng)方面，普遍增設(shè)了乘除指令和比較指令。圖31 AT89C51引腳圖主要引腳功能：(1)VCC：供電電壓。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。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RESET腳兩個機(jī)器周期的高電平時間。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。另外，該引腳被略微拉高。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的信號將不出現(xiàn)。(11)XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。電容的大小會影響振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。復(fù)位電路通常采用上電復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。該設(shè)計時鐘頻率為12MHz，C取22μF，R取1K歐姆。因此,完成數(shù)據(jù)采集應(yīng)具備下述基本部件:模擬多路轉(zhuǎn)換開關(guān)和信號調(diào)節(jié)電路,采樣/保持放大器,模擬/數(shù)字(A/D)轉(zhuǎn)換器,通道控制電路。因此,數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計不僅僅限于是單純A/D轉(zhuǎn)換芯片的接口設(shè)計,還必須綜合考慮傳感器到CPU的全過程[10]。AD574由兩部分組成，一部分是模擬芯片，另一部分?jǐn)?shù)字芯片，其中模擬部分由高性能的12位D/A轉(zhuǎn)換器AD565和參考電壓組成。另外，當(dāng)START信號出現(xiàn)高電平時，標(biāo)志狀態(tài)STS開始變?yōu)楦唠娖?，直到轉(zhuǎn)換過程結(jié)束才變?yōu)榈仉娖?。AD574的引腳如圖34所示。(2)為數(shù)據(jù)格式選擇端。A=1時，則輸出低4位數(shù)據(jù)加4位附加0。在轉(zhuǎn)換之前，設(shè)A=1，AD574按8位A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時間為10。綜上所述，可寫出AD574控制信號組合表，如表32所示。通過74LS373接于P01,只要 P01=0則啟動轉(zhuǎn)換器；P01=1則讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。MCS51系列單片機(jī)最大可擴(kuò)展64KB。圖36 6264引腳圖6264是8K8位靜態(tài)隨機(jī)存儲器，采用CMOS工藝制造，單一+5V電源供電，額定功率200mW，典型存取時間200ns，采用雙譯碼編址方式，為28線雙列直插式封裝，其引腳如圖36所示,工作方式選擇如表33所示,6264與AT89C51硬件連接圖37所示。②片選輸入線CS1和：若CS1=1和=0，則本芯片被選中工作；否則，本6264不被選中工作。 AT89C51單片機(jī)外接數(shù)據(jù)RAM時，P2口輸出存儲器的高8位，P0口分時輸出地址的低8位和傳送指令字節(jié)或數(shù)據(jù)。電子顯示器可分為主動發(fā)光型和非主動發(fā)光型兩大類。這兩種器件都具有成本低廉、配置靈活、與單片機(jī)接口方便的特點。這種顯示塊有共陰極和共陽極兩種。其中7個發(fā)光二極管構(gòu)成7筆字型“8”；一個發(fā)光二極管構(gòu)成小數(shù)點的“.”。共陰極和共陽極LED數(shù)碼宣示器的字模如表33。如MC14558等。上述兩類接口芯片無輸入鎖存能力。74LS138是一個38譯碼器，共16個引腳，其引腳說明如下：(1)A、B、C：選擇端即信號輸入端；(2)EEE3：使能端，其中EE2低電平有效，E3高電平有效；(3)Y0～Y7：譯碼輸出信號，始終只有一個為低電平；(4)Vcc：電源端，＋5V；(5)GND：線路地。并行通信，即數(shù)據(jù)的各位同時傳送；串行通信，即數(shù)據(jù)一位一位順序傳送。 按照串行數(shù)據(jù)的時鐘控制方式,串行通信可分為同步通信和異步通信兩類。缺點是字符幀中因包含起始位和停止位而降低了有效數(shù)據(jù)的傳輸速率。在同步通信中，同步字符可以采用統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)格式，也可以由用戶約定。如無線電廣播和電視廣播都是單工通信。全雙工通信允許數(shù)據(jù)同時在兩個方向上傳輸，又稱為雙向同時通信，即通信的雙方可以同時發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在設(shè)計通信接口時，必須根據(jù)需要選擇標(biāo)準(zhǔn)接口，并考慮傳輸介質(zhì)、電平轉(zhuǎn)換等問題。RS232C是使用最早、應(yīng)用最多的一種異步串行通信總線標(biāo)準(zhǔn)。例如CRT、打印機(jī)與CPU的通信大都采用RS232C接口，MCS51單片機(jī)與PC機(jī)的通信也是采用該種類型的接口。常用的電平轉(zhuǎn)換電路是MAX232。(2)GND（引腳15）：接地。(5)T2 IN、R2 OUT、R2 IN、T2 OUT（引腳7～10）：為第二數(shù)據(jù)通道。圖313 聲光報警電路接口電路第4章 基于MCS51單片機(jī)的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)軟件設(shè)計本課題的軟件程序設(shè)計采用匯編語言。這種指令集稱為計算機(jī)的指令系統(tǒng)。因此，就產(chǎn)生了匯編語言。在這樣的環(huán)境中編寫的匯編程序，有很大一部分是面向匯編器的偽指令，已經(jīng)類同于高級語言。這樣用符號代替機(jī)器語言的二進(jìn)制碼，就把機(jī)器語言變成了匯編語言。匯編語言比機(jī)器語言易于讀寫、調(diào)試和修改，同時具有機(jī)器語言全部優(yōu)點。 匯編語言是我們理解整個計算機(jī)系統(tǒng)的最佳起點和最有效途徑。所有程序，不論用何種語言編制，都必須轉(zhuǎn)成機(jī)器指令，運(yùn)用機(jī)器的邏輯功能，其功能才能得以實現(xiàn)。 開始設(shè)定土壤濕度值的上下限各寄存器初始化采集土壤濕度值模糊化計算將測量值與設(shè)定值相比較，是否大于設(shè)定值？顯示報警灌溉NY圖41 系統(tǒng)主程序流程圖主程序完成的功能是：設(shè)定土壤濕度值的上下限，對系統(tǒng)進(jìn)行初始化后，啟動土壤濕度傳感器測量土壤的含水情況，將測量的濕度值與設(shè)定值比較進(jìn)行模糊化計算，若測量值大于設(shè)定值，則返回重新進(jìn)行測量；若測量值小于設(shè)定值，則進(jìn)行報警，灌溉系統(tǒng)啟動，對缺水的地方進(jìn)行灌溉。這種誤差是隨機(jī)且不可避免的，這就要求我們要對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以便獲得更為精確的數(shù)據(jù)。顯示緩沖區(qū)首址R0指向最左邊一位取出要顯示的數(shù)據(jù)求待顯示數(shù)據(jù)的顯示碼送位選碼到74LS138送段選碼到CD4543DPTR CD4543地址動態(tài)顯示子程序延時1ms6位數(shù)顯示完了嗎？返回求下一位位選碼YN修改顯示緩沖區(qū)地址圖44 數(shù)據(jù)顯示子程序流程圖 數(shù)據(jù)通信子程序 在單片機(jī)系統(tǒng)中，串口（UART，通用異步收發(fā)接口）是一個非常重要的組成部分?！〔蓸哟鎯?shù)據(jù)置完成標(biāo)志處理數(shù)據(jù)是否大于土壤濕度設(shè)定值？YN開始中斷返回圖45 中斷服務(wù)子程序流程圖程序清單：SERVE: CLR EA ；中斷服務(wù)PUSH DPLPUSH DPHPUSH ACCPUSH PSWSETB 0D3HSETB OD4HJB TI, STOP WAIT: JNB RI, WAITMOV A, SBUFMOV R0,A ；將要求的濕度下限值始終存入片內(nèi)HUMADR單元(即03DH )INC R0 ；將計算所得時間值始終存入片內(nèi)TIMEADR單元(即03EH )MOV A,R0 CJNE A,3FH,DLEVMOV R0,HUMADRDLEV: CLR RISTOP: CLR TIPOP PSWPOP ACCPOP DPHPOP DPLSETB EA RETI第5章 結(jié)論本設(shè)計主要內(nèi)容有數(shù)據(jù)采集的電路設(shè)計，數(shù)據(jù)處理的電路設(shè)計，單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計，軟件設(shè)計。該系統(tǒng)的主要特點是適用性強(qiáng)，可對作物進(jìn)行適時、適量灌水，系統(tǒng)成本低廉，操作非常簡單，可擴(kuò)展性強(qiáng)，只要稍加改變，即可增加其他使用功能。除了敬佩李老師的專業(yè)水平外，她的治學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)和科學(xué)研究的精神也是我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí)的榜樣，并將積極影響我今后的學(xué)習(xí)和工作。附 錄43