【正文】 的要求，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)的渠道水量、流量實(shí)時(shí)調(diào)控的研究也在國(guó)內(nèi)外逐步興起。特別是近年來發(fā)達(dá)國(guó)家已開展了基于田間水肥等生產(chǎn)要素的巨大差異性，利用GPS和G1S、RS和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，精細(xì)準(zhǔn)確調(diào)整灌水施肥的精準(zhǔn)灌溉技術(shù)研究，為最大限度地優(yōu)化各項(xiàng)農(nóng)業(yè)投入，充分挖掘田間水肥差異性所隱含的增產(chǎn)潛力創(chuàng)造了條件。 課題研究目的及主要內(nèi)容節(jié)水灌溉技術(shù)及其配套設(shè)備，在我國(guó)經(jīng)過近30多年的快速發(fā)展，在總結(jié)相關(guān)成果的基礎(chǔ)上，初步形成了其技術(shù)體系，在某些方面已達(dá)到或接近國(guó)際先進(jìn)水平。隨著我國(guó)水資源供需矛盾日益尖銳，農(nóng)業(yè)用水分配額減少的問題勢(shì)必日益突出，同時(shí)為了緩解我國(guó)進(jìn)入WTO外國(guó)農(nóng)產(chǎn)品對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的壓力，如何快速發(fā)展我國(guó)的節(jié)水灌溉技術(shù)及其配套設(shè)備，從而緩解我國(guó)農(nóng)業(yè)用水壓力及發(fā)展高品質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品以加大同國(guó)外產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)是一個(gè)不容忽視的嚴(yán)峻問題。改進(jìn)地面灌溉技術(shù)，提高地面灌溉的灌水效果對(duì)緩解我國(guó)水資源短缺、保持灌溉農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。要實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠、實(shí)時(shí)性好、靈敏度高；功耗低，操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。和傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備相比成本大大降低，而且抗干擾性好、安裝維護(hù)方便、測(cè)量精度高，具有較高的性能和價(jià)格比。第2章 農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉系統(tǒng) 滴灌原理概述滴灌（drip irrigation）是利用塑料管道將水通過直徑約10mm毛管上的孔口或滴頭送到作物根部進(jìn)行局部灌溉。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的節(jié)水灌溉設(shè)備、配套器材制造廠多為一些轉(zhuǎn)產(chǎn)的小企業(yè)，生產(chǎn)技術(shù)裝備落后、專業(yè)化生產(chǎn)程度低，生產(chǎn)與科研脫節(jié)，這是國(guó)產(chǎn)節(jié)水灌溉設(shè)備成本高，性能不穩(wěn)定、質(zhì)量差、不耐用的根本原因。因此，抓好噴灌、滴灌、微噴灌的設(shè)備生產(chǎn)，以質(zhì)優(yōu)、價(jià)廉的國(guó)產(chǎn)設(shè)備來支持高效節(jié)水灌溉技術(shù)的加速發(fā)展是必要的。(1)微灌具有以下優(yōu)點(diǎn)： ①省水。 ②節(jié)能 微灌比噴灌的工作壓力低、耗能少。有利于實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn),增產(chǎn)微灌能為作物提供了良好的生長(zhǎng)環(huán)境，提高產(chǎn)品質(zhì)量。 ⑤節(jié)省勞動(dòng)力和耕地面積。(2)微灌具有以下缺點(diǎn)：①成本比較高。③容易引起淺層土壤鹽分積累。(3)滴灌技術(shù)的發(fā)展①以色列滴管技術(shù)的發(fā)展(a)1962年以色列農(nóng)民發(fā)現(xiàn)滴灌有很好的灌溉效果。(c)以色列滴灌系統(tǒng)目前已是第六代。一個(gè)農(nóng)業(yè)可養(yǎng)活90100人。(b)從1998年開始國(guó)家建設(shè)300個(gè)節(jié)水重點(diǎn)縣。本系統(tǒng)是一種高效率、低成本的灌溉優(yōu)化控制系統(tǒng)。濕度傳感器主要用來測(cè)量土壤容積含水量，做土壤墑情監(jiān)測(cè)及農(nóng)業(yè)灌溉和林業(yè)防護(hù)。該傳感器的設(shè)計(jì)原理是通過測(cè)量電極之間的電阻值來表征土壤濕度的大小。若將兩個(gè)電極插在土壤中，兩電極之間就會(huì)有離子通過，因此通過測(cè)量?jī)呻姌O之間的電阻值就可以表征土壤濕度的含量。在測(cè)量電壓之前，需將傳感器得到的模擬電壓信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)以便單片機(jī)處理[6]。檢測(cè)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。傳感器的基本特性一般分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性兩類。當(dāng)被測(cè)量隨時(shí)間變化很快，可用一系列動(dòng)態(tài)參數(shù)來描述和表征傳感器的動(dòng)態(tài)特性[7]。AQUATELTDR便攜式土壤水分儀適用于測(cè)量任何土壤的含水量，采用先進(jìn)的TDR原理，可以直接輸出電信號(hào)，也可配專用的手持讀數(shù)表，直接顯示土壤的含水量，因其價(jià)格低廉，廣泛應(yīng)用到節(jié)水灌溉、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究等領(lǐng)域[8]。 模糊控制 模糊控制的定義 定義：從廣義上，可將模糊控制定義為：“以模糊集合理論、模糊語言變量及模糊推理為基礎(chǔ)的一類控制方法”，或定義為：“采用模糊集合理論和模糊邏輯，并同傳統(tǒng)的控制理論相結(jié)合，模擬人的思維方式，對(duì)難以建立數(shù)學(xué)模型的對(duì)象實(shí)施所謂一種控制方法”。模糊理論(Fuzzy Theory)能解決真實(shí)世界普遍存在的一些模糊的現(xiàn)象，并且以模糊集合理論來處理不易量化的問題，以便于能適當(dāng)而可靠的處理人們主觀評(píng)估問題的方法。 模糊控制是以人對(duì)被控對(duì)象的控制經(jīng)驗(yàn)為依據(jù)而設(shè)計(jì)的控制器，故無須知道被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。(2)模糊控制是反映人類智慧的智能控制方法。這些模糊量是人類智能活動(dòng)的體現(xiàn)。(3)模糊控制已被人們接受。模糊控制規(guī)則易于軟件實(shí)現(xiàn)。(5)魯棒性和適應(yīng)性好[9]。作為一種較新的智能控制方式，模糊控制也要遵循一定的規(guī)律和法則，該方法首先將操作人員或?qū)＜医?jīng)驗(yàn)編成模糊規(guī)則[10]，然后將來自傳感器的實(shí)時(shí)信號(hào)模糊化，將模糊化后的信號(hào)作為模糊規(guī)則的輸入，完成模糊推理，將推理后得到的輸出量加到執(zhí)行器上。意思就是模糊控制是通過模糊控制器實(shí)現(xiàn)的。目前人們所研究的模糊控制是由計(jì)算機(jī)去執(zhí)行的。模糊控制的優(yōu)點(diǎn)：(1)它是一種非線性控制方法，工作范圍寬，使用范圍廣，特別適合非線性系統(tǒng)的控制。(3)它具有內(nèi)在的并行處理機(jī)制，對(duì)被控對(duì)象的特性變化不敏感，模糊控制器的設(shè)計(jì)參數(shù)容易選擇調(diào)整。第3章 基于MCS51單片機(jī)的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)選型及分析從1946年世界公認(rèn)的第一臺(tái)電子數(shù)字計(jì)算機(jī)ENIAC在美國(guó)賓西法尼亞大學(xué)誕生起，在計(jì)算機(jī)的發(fā)展過程中，它主要是朝著大型和快速發(fā)展。在此期間。計(jì)算機(jī)專業(yè)領(lǐng)域集中精力發(fā)展通用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的軟硬件技術(shù)，不必兼顧嵌入式應(yīng)用要求，通用微處理器迅速?gòu)?83848586發(fā)展到奔騰系列，操作系統(tǒng)則迅速升級(jí)到高速海量的數(shù)據(jù)文件處理單片機(jī)是最典型的嵌入系統(tǒng)，起源于微型計(jì)算機(jī)時(shí)代。他們將單片機(jī)以智能化器件的身份用于電子系統(tǒng)，脫離了計(jì)算機(jī)專業(yè)領(lǐng)域，沒有帶入“嵌入式系統(tǒng)”概念，但從學(xué)科的角度應(yīng)該把統(tǒng)一為“嵌入式系統(tǒng)”單片機(jī)的產(chǎn)生與應(yīng)用將發(fā)展計(jì)算機(jī)技術(shù)人為擴(kuò)展到系統(tǒng)領(lǐng)域，使計(jì)算機(jī)成為人類社會(huì)全面智能化的有力工具。(2)8位單片機(jī)8位單片機(jī)的控制功能較強(qiáng)，品種最為齊全，和4位單片機(jī)相比，它不僅具有較大的存儲(chǔ)容量和尋址范圍，而且中斷源，并行I/O接口和定時(shí)器/計(jì)算器個(gè)數(shù)都有了不同程度的增加。在指令系統(tǒng)方面，普遍增設(shè)了乘除指令和比較指令?？偩€控制部件和晶體振蕩電路等。主要在工業(yè)控制，智能儀表，家用電器和辦公自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用。Philips公司的80C51系列機(jī)（同MCS51兼容）Motorola公司的M6805系列機(jī)，Microchip公司的PIC系列機(jī)和Atmel公司的AT89系列機(jī)（同MCS5兼容）等。片內(nèi)含有A/D和D/A轉(zhuǎn)換電路。這類單片機(jī)主要用于過程監(jiān)控，智能儀表，家用電器以及計(jì)算機(jī)外部設(shè)備的控制器，典型產(chǎn)品和INTEL公司的MCS96/98系列機(jī)，Motorola公司的M68NC16系列機(jī)，NS公司的HPCXXXX系列機(jī)等。今年來，隨著家用電子系統(tǒng)的新發(fā)展，32位單片機(jī)的市場(chǎng)前景看好。 本系統(tǒng)所選擇的單片機(jī)在本系統(tǒng)中，考慮到系統(tǒng)的功能需求和市場(chǎng)上單片機(jī)的應(yīng)用情況，以及學(xué)習(xí)8051單片機(jī)的兼容情況，選定MCS51系統(tǒng)的AT89C51?，F(xiàn)流行的單片機(jī)有很多種，8位單片機(jī)的控制功能較強(qiáng)，品種最為齊全。所以，本系統(tǒng)采用美國(guó)Intel公司生產(chǎn)的AT89C51型單片機(jī)，由于其具有集成度高、處理功能強(qiáng)、可靠性高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)并具有4K字節(jié)的程序存儲(chǔ)器，使得它應(yīng)用起來更加方便。(1)AT89C51功能特性如下所述：①片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器； ②內(nèi)含4KBytes的程序存儲(chǔ)器；③內(nèi)含256KBytes的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；④程序存儲(chǔ)器可外部擴(kuò)展至64Kbytes；⑤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可外部擴(kuò)展至64Kbytes；⑥兩個(gè)雙全工串行通信口；；⑦2個(gè)16位可編程計(jì)時(shí)/計(jì)數(shù)器；⑧五個(gè)具有可編程為2層中斷優(yōu)先權(quán)的中斷源；⑨具有邏輯運(yùn)算能力；⑩32條雙向且可被獨(dú)立尋址的I/O；圖31 AT89C51引腳圖 (2)主要引腳功能如下：①VCC：供電電壓；②GND：接地；③P0口：P0口有三個(gè)功能(a)外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)做數(shù)據(jù)總線（D0~D7為數(shù)據(jù)總線接口） (b)外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器時(shí)，當(dāng)作地址總線（A0~A7為地址總線接口） (c)不擴(kuò)展時(shí)，可做一般的I/O使用，但內(nèi)部無上拉電阻④P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。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。P3口的輸入輸出及P3口鎖存器、中斷、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行口和特殊功能寄存器有關(guān)，P3口的第一功能和P1口一樣可作為輸入輸出端口，同樣具有字節(jié)操作和位操作兩種方式，在位操作模式下，每一位均可定義為輸入或輸出。(7)RESET：復(fù)位輸入。當(dāng)電源VCC發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定時(shí)，將+5V電源自動(dòng)接到該引腳，為RAM提供備用電源，以保證儲(chǔ)存在RAM中的信息不丟失，從而使復(fù)位之后能繼續(xù)正常工作。 表32復(fù)位時(shí)各寄存器的狀態(tài)寄存器復(fù)位狀態(tài)寄存器復(fù)位狀態(tài)PC0000HTMOD00HA00HTCON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL100HP0P3FFHSCON00HIP(8051)XXX00000BSBUFXXXXXXXXIE(8051)0XX00000BPCON(CHMOS)0XXX0000B(8)ALE/：當(dāng)CPU訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE輸出信號(hào)控制鎖存P0口輸出的低8位地址，從而實(shí)現(xiàn)P0口數(shù)據(jù)與地位地址的分時(shí)復(fù)用。當(dāng)單片機(jī)上電正常工作后，自動(dòng)在ALE短輸出頻率為fosc/6的脈沖序列。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效。(10)/VPP：當(dāng)=0時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000HFFFFH），允許使用片外ROM，不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。(12)XTAL2：它是振蕩電路放大器的輸出端，要檢查8051的振蕩電路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脈沖信號(hào)輸出[12]。AT89C51的時(shí)鐘產(chǎn)生方式有內(nèi)部震蕩和外部時(shí)鐘兩種MCS51雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時(shí)鐘，必須外接元件，圖32是MCS51的外部時(shí)鐘電路。電容的大小會(huì)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。圖32 時(shí)鐘電路原理圖 復(fù)位電路MCS51復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的。復(fù)位電路通常采用上電復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。上電復(fù)位電路是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的，只要電源VCC的上升時(shí)間不超過1ms，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位，即接通電源就完成了系統(tǒng)的復(fù)位初始化。工作原理為：按鈕按下后，RC電路充電，RESET引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要RESET端保持10ms以上的高電平，就能用單片機(jī)有效的復(fù)位。復(fù)位電路如圖33所示。A/D轉(zhuǎn)換接口用于將傳感器檢測(cè)到的模擬量轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)可以處理的數(shù)字量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量的測(cè)量和控制。前向通道中,被測(cè)物理量經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成電信號(hào),而每一種傳感器都有與之配套的接口電路, 接口電路再將這一信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。為了減少動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集的孔徑誤差,需要加入采樣/保持電路。AD574是美國(guó)模擬器件公司（Analog Devices）生產(chǎn)的12位逐次逼近型快速A/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換速度為35s，轉(zhuǎn)換誤差177。內(nèi)部配置高精度參考電壓源和時(shí)鐘電路，使它不需任何外部電路和時(shí)鐘信號(hào)，就能完成A/D轉(zhuǎn)換，應(yīng)用非常方便。數(shù)字部分由控制邏輯電路，逐次逼近型寄存器的三態(tài)緩沖器組成。整個(gè)轉(zhuǎn)換過程結(jié)束后，輸出一個(gè)標(biāo)志狀態(tài)STS（低電平表明轉(zhuǎn)換結(jié)束）。在AD574芯片上有兩組控制引腳，即通過控制引腳（CE，和），以及內(nèi)部寄存器控制輸入引腳（和A）。內(nèi)部寄存器控制輸入引腳是大多數(shù)A/D轉(zhuǎn)換器所沒有的，它們用來選擇輸出數(shù)據(jù)的形式和轉(zhuǎn)換脈沖長(zhǎng)度。和R/引腳來控制的。(2)為數(shù)據(jù)格式選擇端。=0時(shí)，為單字節(jié)輸出，可與8位CPU接口連接，AD574采用左對(duì)齊的數(shù)據(jù)格式，與A配合，使數(shù)據(jù)分兩次輸出。A=1時(shí)，則輸出低4位數(shù)據(jù)加4位附加0。(3)A為字節(jié)選擇端。在轉(zhuǎn)換之前，設(shè)A=1，AD574按8位A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間為10。再讀周期中，A=0時(shí)，高8位數(shù)據(jù)有效；A=1時(shí)，則低4位數(shù)據(jù)有效。AD574的引腳如圖34所示。數(shù)據(jù)格式控制端接地，可與8位單片機(jī)兼容，12位數(shù)據(jù)分兩次傳送。通過74LS373接于P01,只要 P01=0則啟動(dòng)轉(zhuǎn)換器；P01=1則讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。 綜上所述，可寫出AD574控制信號(hào)組合表，如表33所示。外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器最大尋址空間64KB，地址為0000HFFFFH。低128字節(jié)為用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，地址為00H7FH高128字節(jié)為特殊功能寄存器，地址為80HFFH由于本系統(tǒng)應(yīng)用中會(huì)用到更多的RAM，所以只能在片外進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展RAM芯片一般采用靜態(tài)RAM。其性能見表34所示。GND端接地。 (3)地址線：A12A0共13根地址線，可尋址的存儲(chǔ)單元數(shù)為1213=8K個(gè)。CE2：片選信號(hào)2，輸入高電平有效。：寫選通信號(hào)，輸入低電平有效。AT89C51單片機(jī)外接數(shù)據(jù)RAM時(shí)，P2口輸出存儲(chǔ)器的高8位，P0口分時(shí)輸出地址的低8位和傳送指令字節(jié)或數(shù)據(jù)。圖37 6264與AT89C51硬件連接原理圖 LED顯示電路進(jìn)入二十一世紀(jì)以來，顯示器行業(yè)以發(fā)展為一個(gè)空間巨大，前景廣闊的新型行業(yè)。顯然，LED顯示已成為城市亮化、現(xiàn)代化和信息化社會(huì)的一個(gè)重要標(biāo)志。由于LED和LCD顯示器可以顯示數(shù)字、字符和系統(tǒng)狀態(tài)，且具有體積小。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(diǎn)。近年來，也開始出現(xiàn)有配置簡(jiǎn)易形式的CRT顯示器，以方便圖形顯示。這種顯示塊有共陰極和共陽極兩種。另一種是共陰極連接法；它是把各