【正文】 國，雖然有多種灌溉控制器，但多數(shù)規(guī)模較小，局限于實驗和理論的探討，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用。目前，約有 80多個國家和地區(qū)推廣應用微灌技術。一些發(fā)達國家的噴灌系統(tǒng)中廣泛使用多功能壓力流量控制設備，如法國和日本均開發(fā)并使用集給水拴、壓力控制、流量顯示、水量控制等功能于一體的多功能壓力流量控制給 水拴。微灌領域，以色列和美國水平很高。尤其是以色列，在水資源極度缺乏的情況下，通過發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)和節(jié)水灌溉工程技術，建立起了高度發(fā)達的外向型農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)。除了大力推廣微灌與噴灌技術外，發(fā)達國家發(fā)展高效農(nóng)業(yè)的另一個重要途徑是灌溉管理的自動化舊。他們采用先進的節(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)用水進行監(jiān)測預報，實行動態(tài)管理，采用遙感技術，監(jiān)測土 4壤墑情和作物生長，開發(fā)和制造了一系列用途廣泛，功能強大的數(shù)字式灌溉控制器，并得到了廣泛的應用。北美、澳大利亞、韓國等國家和地區(qū)都已有發(fā)展成熟并形成系列的灌溉控制器產(chǎn)品，微灌方式普遍采用計算機控制，埋在地下的濕度傳感器可以傳回有關土壤水分的信息，還有的傳感器系統(tǒng)能通過檢測植物的莖和果實的直徑變化來決定對植物的灌水間隔。計算機化操作運行精密、可靠、節(jié)省人力， 對灌溉過程的控制可達到相當?shù)木龋谝陨?，已?jīng)出現(xiàn)了在家里利用電腦對灌溉過程進行全部控制 (無線、有線 )的農(nóng)場主。 我國 節(jié)水灌溉自動控制器 研發(fā)行業(yè)與國外研發(fā)企業(yè)相比存在如下幾點問題 : 從中國整個 灌溉系統(tǒng)設計 行業(yè)的產(chǎn)品發(fā)展來看： 產(chǎn)品主要以仿制國外產(chǎn)品為主，缺乏自主創(chuàng)新 。 技術開發(fā)體系沒有受到應有的重視和規(guī)范： 一方面，技術開發(fā)規(guī)劃工作缺乏，預見性不強；另一方面，技術開發(fā)過程不規(guī)范，對開發(fā)周期、成本和風險等方面的控制有待加強 。 第 2章 灌溉系統(tǒng)總體設計方案 計算機控制系統(tǒng)的基本形式 計算機控制系統(tǒng)的種類繁多，但歸納起來，目前實現(xiàn)計算機控制的方式基本上屬于下面五種形式： 成套的計算機控制系統(tǒng)產(chǎn)品 : 目前世界上已出現(xiàn)了許多與硬件產(chǎn)品配套的，具有不同特點、適用于不同控制對象的軟件產(chǎn)品， 像 HONEYWELL、 WDPF等 DCS(集散系統(tǒng) )系統(tǒng)。 這類系統(tǒng)要求用戶自己編寫應用程序，設計程序的流向，而由操作系統(tǒng)對應用程序進行實時調(diào)度和占先，循環(huán)處理，因此減少了應用軟件開發(fā)的難度。 集成的實時系統(tǒng)開發(fā)軟件 : 例如： Citect， Intouch，由軟件制造商提供，是專門為實時服務的開發(fā)環(huán)境和運行本科生畢業(yè)設計 8 環(huán)境。用戶只需要按照規(guī)定方式，根據(jù)實際對象要求，調(diào)用相應模塊，即可構成應用程序。 RTX， RTKERNEL， RTOS等都是應用廣泛的實時核。程序設計的難度和工作量很大，但整個程序?qū)τ谠O計人員來說是完全透明的，適應性強。 該系統(tǒng)采用 AT89C51單片機來實現(xiàn) 。系統(tǒng)將檢測得土壤的濕度值，送到 LED顯示電路顯示，從而實現(xiàn)對土壤濕度的監(jiān)測監(jiān)控，能進行適度范圍設置和顯示，同時通過模糊控制算法實現(xiàn)對水泵開關的只能控制。軟件選用匯編語言編程。該系統(tǒng)靈活性強 ，成本低，可靠性高，在實際應用中前景廣闊。若需要，則 對 AT89C51微控器進行 片 外存儲器擴展，以構成控制系統(tǒng)的最基本部分。 數(shù)據(jù)采集部分 ADC0809 是一種 8 位逐次逼近式 A/D 轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部具有鎖存控制 的 8路模擬開關，外接 8 路模擬輸入端，可同時對 8 路 05V 的輸入模擬電壓信號分時進行采集轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)只用到 INO 和 INl 兩路輸入通道。由于 ADC0809轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)據(jù)寄存器具有可控的三態(tài)輸出功能，輸出具有 TTL 三態(tài)鎖存緩沖器，故其 8 位數(shù)據(jù)輸出引腳可直接與數(shù)據(jù)總線相連。 本系統(tǒng)中 ADC0809與 AT89C51單片機的接口如圖 5所示，采用等待延時方式。 ADC0809 的 8 位數(shù)據(jù)輸出引腳可直接與數(shù)據(jù)總線相連，地址譯碼引腳 A, B, C 分別與 74LS373 的 A, B, C 相連，以選通 INO IN7 中的一個通道?？刂?ADC的地址鎖存和轉(zhuǎn)換啟動。引腳一級或非門產(chǎn)生的正脈沖作為OE信號，用以打開三態(tài)輸出鎖存器。這兩種顯示器都具有線路簡單、耗電少、成本低、壽命長等優(yōu)點，本系統(tǒng)輸出結果選用 4 個 LED 顯示。 LED數(shù)碼管的外形結構，外部有 10 個引腳，其中 3, 8 腳為公共端也稱位選端，其余8個引腳稱為段選端，當要使某一位數(shù)碼管顯示某一數(shù)字 ((09中的一個 )必須在這個數(shù)碼管的段選端加上與數(shù)字顯示數(shù)字對應的 8位段選碼 (也稱字形碼 )，在位選端加上低電平即可。 由于 電壓源 是現(xiàn)成的設備， 可以在市場上訂制，所以不在涉及范圍內(nèi)，不再予以講述。 本科生畢業(yè)設計 11 第 3章 系統(tǒng)硬件 電路 設計 本系統(tǒng)的硬件 設計 概述 從總體上講，本系統(tǒng)硬件電路根據(jù) 技術 需求，由以 AT89C51單片機為核心的主控電路以及其外圍接口電路組成。主控電路 是 以單片機為核心和必要的外圍接口電路組成的，包括單片機最小系統(tǒng)、存儲器擴展 （若需要） 、 復位電路等。 輸出 部分接口電路包括電機驅(qū)動電路，電磁閥驅(qū)動電路， LED顯示驅(qū)動電路。 從硬件具體組成來看，整個硬件電路包括主控電路 部分 (主要由 AT89C51單片機、數(shù)字接口、模擬接口組成 )、 土壤濕度 信號采集 電路部分 (主要由 濕度 傳感器 、必要的數(shù)字接口電路組成 )、 時鐘電路、數(shù)據(jù)存儲擴展電路、 LED顯示電路組成。單片機的主要特點有： 集成度高、功能強 微型計算機通常由中央處理器 (CPU)、存儲器 (RAM, ROM)以及 I/O 接口組成，其各部分分別集成在不同的芯片上。目前應用得最多的是 MCS51 系列單片機。 MCS51系列單片機內(nèi)的定時 /計數(shù)器為 16 位，而 Z80 微型計算機只有 8 位， MCS51 系列單片機中不但有 4 個并行 I/O 接口，而且還有串行接口，且時鐘頻率可達 12MHz。這是數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器相互獨立的一種結構。單片機采用上述結構主要有 四點 好處 — — 存儲量大、速度快、抗干擾性 、 強指令豐富。到目前為止，單片機的發(fā)展主要可分為以下四個階段 : 第一階段 :4 位單片機。根據(jù)不同用途，還配有許多專用接口，如打印機接口、鍵盤及顯示器接口， PLA(可編程邏輯陣列 )譯碼輸出接口，有些甚至還包括 A/D, D/A 轉(zhuǎn)換， PLL(鎖相環(huán) )，聲音合成等電路。 第二階段 :低、中檔 8 位機 (19741978 年 )。它是 8 位機的早期產(chǎn)品，如 Mostek 公司的 3870, Intel 公司的 8048等單片機即屬此類。這一類單片機常有串行 I/O 接口，有多級中斷處理，定時 /計數(shù)器為 16 位，片內(nèi)的 RAM 和 ROM 的容量相對增大，且尋址范圍可達 64KB，有的片內(nèi)還帶有 A/D 轉(zhuǎn)換接口。由于這類單片機應用領域較廣，其結構和性能還在本科生畢業(yè)設計 13 不斷地改進和發(fā)展。此階段的主要特征是， 一方面不斷完善高檔 8 位機，改善其結構，以滿足不同用戶的需要；另一方面發(fā)展 16 位單片機及專用單片機。近來， 32 位單片機己進入實用階段，但還未引入國內(nèi)市場。 本系統(tǒng)單片機的選擇 AT89C51是美國 ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS8位單片機，片內(nèi)含 4k bytes的反復擦寫的 Flash只讀程序存儲器和 128 bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ RAM），器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，兼容標準 MCS51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8位中央處理器（ CPU）和 Flash存儲單元可靈活應用于各種控制領域。 主要特性 4K 字節(jié)可編程 FLASH 存儲器 數(shù)據(jù)保留時 間： 10 年 三級程序存儲器鎖定 32 可編程 I/O 線 5 個中斷源 低功耗的閑置和掉電模式 同時， AT89C51可下降至 0Hz的靜態(tài)邏輯操作， 并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。掉電方式保存 RAM的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個硬件復位。單片機選用從 ATMEL 公司的低功耗、高性能的 8位 CMOS 芯片 AT89C51，其片內(nèi)帶有 4K 字節(jié)的閃速可編程及可擦除只讀存儲器（ EPROM）。VCC：電源電壓 P0 口： P0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 I/O 口，也即地址 /數(shù)據(jù)總線復用口。在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低8 位）和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。 對端口寫“ 1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口。 Flash 編程和程序校驗期間， P1 接收低 8 位地址。P2 口： P2 口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出 電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（ IIL）。在訪問 8 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器（如執(zhí)行 MOVX RI 指令）時， P2 口線上的內(nèi)容（也即特殊功能寄存器區(qū)中 R2 寄存器的內(nèi)容），在整個訪問期間不改變。 P3 口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。作輸入端時，被外部拉低的 P3 口將用上拉電阻輸出電流（ IIL）。P3 口還接收一些用于 Flash 閃速存儲器編程和程序校驗的控制信號。RST：復位輸入。 即使不訪問外部存儲器， ALE 仍以時鐘振蕩頻率的 1/6 輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。 對 Flash 存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（ CS） 。該位置位后，只有一條 MOVX 和 MOVC 指令 ALE 才會被激活。 在此期間，當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，這兩次有效的 PSEN 信號不出現(xiàn)。EA/VPP：外部訪問允許。需注意的是：如果加密位 LB1 被編程，復位時內(nèi)部會鎖存 EA 端狀態(tài)。 Flash 存儲器編程時，該引腳加上 +12V 的編程允許電源 Vpp,當然這必須是該器件是使用 12V編程電壓 Vpp。XTAL1：振蕩器反相放大器 及內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。時鐘振蕩器： X T A L 2X T A L 1G N D 圖 外部振蕩電 路 AT89C51 中有一個用于構成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳 XTAL1 和XTAL2 分別是該放大器的輸入端和輸出端。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成并聯(lián)振蕩電路。采用外部時鐘的電路如圖 所示，這種情況下 ，外部時鐘脈沖接到 XTAL1 端，即內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端， XTAL2 則懸空。 系 統(tǒng)的工作原理 系統(tǒng)采用 AT89C51單片機來實現(xiàn)。系統(tǒng)將檢測得土壤的濕度值，送到 LED顯示電路顯示，從而實現(xiàn)對土壤濕度的監(jiān)測監(jiān)控，能進行適度范圍設置和顯示，同時通過模糊控制算法實現(xiàn)對水泵開關的只能控制。軟件選用匯編語言編程。 單片機主系統(tǒng)電路 AT89C51 單片機是 51系列單片機的一個成員，是 8051 單片機的簡化版。由于將多功能八位 CPU 和閃速存儲器結合在單個芯片中，因此， AT89C2051 構成的單片機系統(tǒng)是具有結構最簡單、造價最低廉、效率最高的微控制系統(tǒng)，省去了外部的 RAM、 ROM 和接口器件，減少了硬件開銷，節(jié)省了成本，提高了系統(tǒng)的性價比，如圖 。 MCS51 單片機內(nèi)部有一個用于構成振蕩器的高增益反向放大器，引腳 XTALl 和 XTAL2 分別是此放大電器的輸入端和輸出端，由于采用內(nèi)部方式時，電路簡單，所得的時鐘信號比較穩(wěn)定，實際使用中常采用這種方式，如圖3 所示在其外接晶體振 蕩器 (簡稱晶振 )或陶瓷諧振器就構成了內(nèi)部振蕩方式，片內(nèi)高增益反向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可構成一個自激振蕩器并產(chǎn)生振蕩時鐘脈沖。 RESET 數(shù)據(jù)存儲的擴展電路 本科生畢業(yè)設計 19 AT89C51 單片機外接數(shù)據(jù) RAM 時， P2口輸出存儲器地址的高 8 位， PO口分時輸出地址的低 8 位和傳送指令字節(jié)或數(shù)據(jù)。 D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719OE1LE11U374LS373A08A17A26A35A44A53A62A71A823A922A1019CE18OE20WE21D09D110D211D313D414D515D616D717U561 16A0A1A2 圖 數(shù)據(jù)存儲擴展電路