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基于單片機(jī)的自動灌溉系統(tǒng) 摘要 自動灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用對于我國這個農(nóng)業(yè)大國有著重要的意義。本論文提出一種基于單片機(jī)的自動灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)由若干節(jié)點(diǎn)組成，以STC12C5A60S2單片機(jī)作為控制芯片。節(jié)點(diǎn)采用土壤濕度檢測模塊YL-69對土壤的濕度進(jìn)行檢測，通過單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并顯示在液晶顯示器上。系統(tǒng)具有安全可靠，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，節(jié)能低耗，軟硬件擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：自動灌溉，STC12C5A60S2，土壤濕度，A/D轉(zhuǎn)換 Abstract The design of automatic irrigation system is of great significance for our agricultural country. This thesis presents a design scheme of automatic irrigation system based on single chip microcomputer, and the system is composed of several nodes, STC12C5A60S2 single-chip microcomputer being the control chip. Nodes use soil moisture detection module YL - 69 to test the soil humidity, through the MCU A/D transformation and data processing and then display on the LCD. This system is safe and reliable, economical and practical, energy saving and with low consumption and great extensibility of the hardware and software and so on. Keywords:automatic irrigation, STC12C5A60S2,soil humidity,A/D transformation 目錄 1 前言 1 1.1選題背景及意義 1 1.2國內(nèi)外自動灌溉系統(tǒng)研究現(xiàn)況 1 1.3內(nèi)容章節(jié)概述 3 2 自動灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 4 2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)及技術(shù)指標(biāo) 4 2.1.1系統(tǒng)功能特點(diǎn) 4 2.1.2技術(shù)指標(biāo) 4 2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 4 3 節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì) 6 3.1硬件設(shè)計(jì) 6 3.1.1中心節(jié)點(diǎn) 6 3.1.2土壤濕度檢測節(jié)點(diǎn) 7 3.1.3液晶檢測節(jié)點(diǎn) 7 3.2主要功能電路 8 3.2.1單片機(jī)最小系統(tǒng) 8 3.2.2土壤濕度檢測電路 10 3.2.3 5V電源電路 11 3.2.4單片機(jī)與計(jì)算機(jī)串行通信電路 12 3.2.5液晶顯示電路 13 3.2.6蜂鳴器電路 14 4 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì) 18 4.1中心節(jié)點(diǎn)程序流程 18 5 總結(jié) 20 附錄 21 參考文獻(xiàn) 27 致謝 28 2828 1 前言 1.1選題背景及意義 水資源是人類賴以生存的基礎(chǔ)性資源，是農(nóng)業(yè)的命脈，是生態(tài)環(huán)境的控制性要素，同時(shí)又是戰(zhàn)略性的經(jīng)濟(jì)資源。一方面我國的水資源卻十分緊缺。雖然我國水資源總量居世界第六位，但人均占有量只有2500m,約為世界人均水量的1/4，在全世界屬于貧水國家之一。另一方面，我國作為世界上的農(nóng)業(yè)大國之一，農(nóng)業(yè)用水浪費(fèi)十分嚴(yán)重，就全國范圍而言，水資源的利用率僅%為45%，而水資源利用率高的國家已達(dá)70%~80%。由于農(nóng)業(yè)灌溉用水的利用率低下，因此，提高節(jié)水灌溉的利用率，對于解決我國農(nóng)業(yè)灌溉用水，緩解水資源的緊缺非常重要。 我國的自動灌溉技術(shù)，在經(jīng)過幾十年的快速發(fā)展，在總結(jié)相關(guān)成果的基礎(chǔ)上，初步形成了相應(yīng)的技術(shù)體系，在某些方面已經(jīng)達(dá)到或接近國家先進(jìn)水平。但由于受我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及科研體制的限制，我國的自動灌溉技術(shù)與發(fā)達(dá)國家還有很大的差距。隨著我國水資源的供需矛盾日益尖銳，農(nóng)業(yè)用水分配額減少的問題勢必日益突出，同時(shí)為了緩解我國水資源短缺對我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的壓力，如果快速發(fā)展我國的節(jié)水灌溉技術(shù)及配套設(shè)備，從而緩解我國農(nóng)業(yè)用水壓力已經(jīng)成為一個不容忽視的嚴(yán)峻問題。 在灌溉系統(tǒng)中，合理地推廣自動化控制，不僅可以提高水資源的利用率，從而緩解我國水資源日趨緊張矛盾，還可以減少大量的人力物力，從而減低農(nóng)產(chǎn)品的生成成本，為了我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)保障十分必要。 當(dāng)前我國包括灌溉水和降水在內(nèi)的農(nóng)田利用效率也很低，單方水生產(chǎn)糧食的能力約為0.84kg，一些發(fā)達(dá)國家大體都在2kg以上，差距很大。為了提高灌溉水的利用率，使單方水生產(chǎn)糧食的能力得到提高，為保證21世紀(jì)中國的糧食安全，靠傳統(tǒng)的灌水方式是很難達(dá)到期望的，必須從高新技術(shù)入手，在管理上下功夫，從過去那種澆地轉(zhuǎn)變成澆植物的思想觀念。做到作物需要多少水，灌溉系統(tǒng)就能及時(shí)而準(zhǔn)確的提供多少水。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，只有發(fā)展先進(jìn)的灌溉系統(tǒng)，使灌溉過程達(dá)到自動控制才有可能實(shí)現(xiàn)。因此，實(shí)現(xiàn)灌溉系統(tǒng)的自動控制，對節(jié)水、提高灌溉的利用率以及對我國糧食安全將起到極為重要的作用，具有重要的實(shí)現(xiàn)意義。 1.2國內(nèi)外自動灌溉系統(tǒng)研究現(xiàn)況 國內(nèi)自 20 世紀(jì) 70 年代以來就非常重視灌溉設(shè)備的研制，但引進(jìn)較多，自主開發(fā)且有影響的成果較少。灌區(qū)灌水自動控制技術(shù)在“九五”期間才真正開始研制，進(jìn)行示范。目前我國在灌溉控制系統(tǒng)方面還處于研制、試用階段，能實(shí)際投入應(yīng)用，且應(yīng)用廣泛的灌溉控制器還不多見。 節(jié)水農(nóng)業(yè)就是以節(jié)約用水、提高農(nóng)業(yè)用水效率為核心的農(nóng)業(yè)，是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的重要內(nèi)涵。其核心是在有限的水資源條件下，通過采用先進(jìn)的工程技術(shù)、適宜的農(nóng)業(yè)技術(shù)和用水管理等綜合技術(shù)措施，充分提高農(nóng)業(yè)用水利用率和水的生產(chǎn)效率及效益，保證農(nóng)業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。面對 WTO 的挑戰(zhàn)，節(jié)水農(nóng)業(yè)更應(yīng)該賦予其新的內(nèi)涵，其內(nèi)涵應(yīng)擴(kuò)展為節(jié)水、高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)的農(nóng)業(yè)。 節(jié)水灌溉技術(shù)是發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)性工作，選擇適當(dāng)?shù)募夹g(shù)有助于節(jié)水農(nóng)業(yè)的發(fā)展；研究開發(fā)節(jié)水灌溉技術(shù)，有助于提高節(jié)水農(nóng)業(yè)的效益。因此，我們非常有必要對現(xiàn)狀節(jié)水灌溉技術(shù)，節(jié)水的水平以及技術(shù)的適應(yīng)性，發(fā)展現(xiàn)狀及存在問題做認(rèn)真分析，為真正實(shí)現(xiàn)提高農(nóng)業(yè)用水效率和水的生產(chǎn)效率打好基礎(chǔ)。 結(jié)合我國各地區(qū)特點(diǎn)，認(rèn)為適宜各地區(qū)推廣應(yīng)用的節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)主要有，渠道防滲技術(shù)、低壓管道輸水技術(shù)、地面灌水技術(shù)、雨水利用技術(shù)、農(nóng)業(yè)節(jié)水配套技術(shù)、劣質(zhì)水利用技術(shù)及農(nóng)業(yè)節(jié)水管理等技術(shù)。 節(jié)水農(nóng)業(yè)在國外的發(fā)展已有幾十年的歷史，在西方發(fā)達(dá)國家，節(jié)水灌溉的應(yīng)用面積和產(chǎn)業(yè)化程度很高。目前，約有80多個國家和地區(qū)推廣應(yīng)用微灌技術(shù)。美國、前．蘇聯(lián)的噴灌面積己占其總灌溉面積40％以上，英國、德國、奧地利、丹麥、瑞典、日本等國的旱地灌溉面積中90％以上采用噴灌。一些發(fā)達(dá)國家的噴灌系統(tǒng)中廣泛使用多功能壓力流量控制設(shè)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。節(jié)能效果良好的恒壓噴灌技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用，如日本在大多數(shù)旱地灌溉系統(tǒng)的五泵站中使用調(diào)壓罐控制。微灌領(lǐng)域，以色列和美國水平很高。他們對灌溉的新概念是：把含有肥料的水一滴滴的輸入作物根系層的土壤中，使土壤中的水、肥、氣、熱等保持協(xié)調(diào)關(guān)系，達(dá)到作物高產(chǎn)的目的。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(shù)，建立起了高度發(fā)達(dá)的外向型農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)。世界著名的耐特費(fèi)姆Netfim灌溉設(shè)備和滴灌系統(tǒng)公司生產(chǎn)的微灌系統(tǒng)基本由計(jì)算機(jī)自動控制運(yùn)行，可根據(jù)作物的生長及水、肥狀況進(jìn)行灌水和施肥，節(jié)約大量人力，且管理及時(shí)，使作物產(chǎn)量和品質(zhì)都有較大幅度的提剮161。除了大力推廣微灌與噴灌技術(shù)外，發(fā)達(dá)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。如美國、法國、英國、日本、以色列等發(fā)達(dá)國家已采用了先進(jìn)的灌溉系統(tǒng)。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(bào)，實(shí)行動態(tài)管理，采用遙感技術(shù)，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(qiáng)大的數(shù)字式灌溉控制器，并得到了廣泛的應(yīng)用。仍然以以色列為例，以色列是世界上微灌技術(shù)發(fā)展最具有代表性的國家，目前全國農(nóng)業(yè)土地基本上實(shí)現(xiàn)了灌溉管理自動化，并且普遍推行自動控制系統(tǒng)，按時(shí)、按量將水、肥直接送入作物根部，水資源利用率和單方水的糧食產(chǎn)量都相當(dāng)高。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(jì)算機(jī)控制，埋在地下的濕度傳感器可以傳回有關(guān)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(shí)的直徑變化來決定對植物的灌水間隔。在溫室等設(shè)施內(nèi)較多使用小型灌溉管、理程序，澆水時(shí)間可按日期設(shè)定每次每路灌水起止時(shí)聞，操作便于小規(guī)模經(jīng)營。計(jì)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)行全部控制無線、有線的農(nóng)場主。 總之，目前國外灌溉控制器已逐步趨于成熟、系列化，并朝著大型分布式控制系統(tǒng)和小面積單機(jī)控制兩個方向發(fā)展，產(chǎn)品一般都能與微機(jī)進(jìn)行通信，并由微機(jī)對其施行控制。 1.3內(nèi)容章節(jié)概述 本章是前言，對課題的研究背景、意義以及國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀和前景進(jìn)行論述。第2章提出以單片機(jī)為控制系統(tǒng)的土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)列出系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和技術(shù)性能，并給出系統(tǒng)組成框圖。第3章分別對節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的分析。首先介紹傳感器節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)，然后對各功能模塊的實(shí)現(xiàn)和主要元器件進(jìn)行詳細(xì)論述，最后細(xì)述傳感器節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)思路。第4章首先介紹單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)的開發(fā)環(huán)境，然后該系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)的思路的流程圖。第5章為本系統(tǒng)的測試結(jié)果與分析。第6章總結(jié)本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能和系統(tǒng)的特點(diǎn)，簡要分析本設(shè)計(jì)的實(shí)用價(jià)值。 2 自動灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 自動灌溉系統(tǒng)的檢測和控制方式可以有多種，本章以性能可靠、實(shí)用經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，提出以單片機(jī)為控制系統(tǒng)的土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，該方案可以解決目前土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)中布線、成本、數(shù)量、通信等方面存在的諸多問題，實(shí)現(xiàn)自動化灌溉。 2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)及技術(shù)指標(biāo) 2.1.1系統(tǒng)功能特點(diǎn) 課題研究預(yù)期功能 現(xiàn)實(shí)生活中很多農(nóng)作物溫度、濕度和光照需要保持在一個既定的值上，超出或者低于這個預(yù)定值將對農(nóng)作物的生長產(chǎn)生影響。該系統(tǒng)要求用單片機(jī)測控來實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物生長環(huán)境因子信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理，而后輸出控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)環(huán)境濕度的測控，達(dá)到節(jié)水節(jié)能，省時(shí)省工的效果。具體功能如下: （1）實(shí)現(xiàn)按需灌溉功能。按照農(nóng)作物的需求開啟和關(guān)閉灌溉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一般的控制。具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低，操作方便。 （2）通過土壤濕度傳感器檢測農(nóng)作物生長的環(huán)境濕度，依據(jù)設(shè)定的植物要求的濕度的上下限值，由單片機(jī)來控制灌溉開關(guān)，從而調(diào)節(jié)濕度。當(dāng)土壤濕度高于上限值時(shí)，自動關(guān)閉灌溉開關(guān)。 2.1.2技術(shù)指標(biāo) 系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)主要涉及傳感器測量精度和A/D轉(zhuǎn)換精度等，具體參數(shù)如下： （1）傳感器測量范圍：濕度：20％～90%RH； （2）傳感器測量精度：濕度：5.0%RH（20％～90%RH）； （3）A/D轉(zhuǎn)換精度：8通道10位高速ADC，速度可達(dá)25萬次/秒； （4）電源管理：節(jié)點(diǎn)和傳感器均使用5V直流電源。 2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)由土壤濕度傳感模塊、帶A/D單片機(jī)最小系統(tǒng)、液晶顯示模塊三大部分組成。如圖2-1所示，單片機(jī)最小系統(tǒng)作為系統(tǒng)的中樞，YL-69土壤濕度檢測模塊通過探頭對土壤濕度進(jìn)行檢測，并通過其內(nèi)置的信號處理電路把土壤濕度轉(zhuǎn)換成模擬信號，STC12C5A60S2單片機(jī)通過內(nèi)置A/D轉(zhuǎn)換模塊把模擬信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換和處理，并顯示在LCD液晶模塊上。當(dāng)土壤濕度值到達(dá)下限值時(shí)，單片機(jī)啟動灌溉電路。 圖2-1 系統(tǒng)組成框圖 3 節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì) 3.1硬件設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的硬件系統(tǒng)由以STC12C5A60S2系列單片機(jī)為核心的中心節(jié)點(diǎn)和傳感器檢測節(jié)點(diǎn)組成，它們均由Altium Designer 09進(jìn)行布線及畫PCB板[8]。 3.1.1中心節(jié)點(diǎn) 中心節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，主要由STC12C5A60S2單片機(jī)、發(fā)光二極管、LCD1602、5V直流電源電路和串口通信電路組成。發(fā)光二極管用于當(dāng)土壤濕度低于預(yù)設(shè)的報(bào)警值時(shí)發(fā)光報(bào)警；LCD1602作為人機(jī)交互界面，顯示土壤濕度節(jié)點(diǎn)采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；1x3矩陣鍵盤是控制器件，可以按相應(yīng)的按鍵進(jìn)行LCD1602顯示界面切換、預(yù)設(shè)報(bào)警值；5V電源電路采用7805作為直流穩(wěn)壓芯片，為單片機(jī)和土壤濕度模塊提供電源；串口通信電路使用MAX232作為電平轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信。 圖3-1 中心節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖 LED 3.1.2土壤濕度檢測節(jié)點(diǎn) 土壤濕度節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3-2所示，主要由土壤濕度探頭、處理電路、5V直流電源和帶有A/D轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)組成。土壤濕度探頭通過插于土壤中以獲得一個信號，該信號經(jīng)過處理電路的處理后向STC12C5A60S2單片機(jī)傳送一個模擬電信號，最后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后獲得一個數(shù)字信號。5V直流電源電路用于為處理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路提供電源。 A/D 轉(zhuǎn)換 土壤濕度探頭 直流電源 圖3-2 溫度檢測節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖 3.1.3液晶顯示節(jié)點(diǎn) 液晶顯示節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3-3所示，主要由STC12C5A60S2單片機(jī)、蜂鳴器、發(fā)光二極管、LCD1602液晶、和5V電源電路組成。STC12C5A60S2單片機(jī)負(fù)責(zé)把A/D轉(zhuǎn)換后的值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；蜂鳴器用于當(dāng)濕度低于預(yù)設(shè)的報(bào)警值時(shí)發(fā)出聲音警報(bào)；發(fā)光二極管用于當(dāng)濕度低于預(yù)設(shè)的報(bào)警值時(shí)發(fā)出光信號警報(bào)；LCD1602液晶作為人機(jī)交互界面，顯示該節(jié)點(diǎn)采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和濕度報(bào)警值； 5V直流電源電路為LCD、單片機(jī)和報(bào)警電路提供電源。 直流電源 LCD STC 單片機(jī) 報(bào)警 電路 圖3-3 濕度檢測節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖 3.2主要功能電路 3.2.1單片機(jī)最小系統(tǒng) STC12C5A60S2單片機(jī)是宏晶科技公司生產(chǎn)的單時(shí)鐘周期(1T)單片機(jī)，是高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，但速度快8-12倍，工作頻率范圍是0～35MHz[9]。它還具有高速SPI串行通信端口和硬件看門狗功能，采用宏晶最新的第六代加密技術(shù)，有全球唯一ID號，無法解密，能完全滿足本系統(tǒng)低成本和相應(yīng)的功能要求，具體的特點(diǎn)如下： （1）增強(qiáng)型8051 CPU，單時(shí)鐘周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)； （2）工作電壓：4.5～5.5V； （3）用戶應(yīng)用程序空間：60K字節(jié)； （4）片上集成1280字節(jié)RAM； （5）通用I/O口36/40/44個，每個I/O口驅(qū)動能力均可達(dá)到20mA，但整個芯片最大不要 超過55mA； （6）在系統(tǒng)可編程（ISP）/在應(yīng)用可編程（IAP），無需專用編程器，無需專用仿真器， 可通過串口直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成； （7）時(shí)鐘源：外部高精度時(shí)鐘，內(nèi)部R/C振蕩器（溫漂為5%～%10），精度要求不高 時(shí)可選擇使用內(nèi)部時(shí)鐘； （8）共4個16位定時(shí)器：兩個與傳統(tǒng)8051兼容的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，再加上2路PCA模塊可再 實(shí)現(xiàn)2個16位定時(shí)器； （9）2個時(shí)鐘輸出口，可由T0的溢出在P3.4/T0輸出時(shí)鐘，可由T1的溢出在P3.5/T1輸出 時(shí)鐘； （10）外部中斷I/O口7路，傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸發(fā)中斷，并新增支持上升沿中 斷的PCA模塊； （11）通用全雙工異步串行口，可再用定時(shí)器或PCA軟件實(shí)現(xiàn)多串口； （12）工作溫度范圍：-40～+85℃。 圖3-4為STC12C5A60S2單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路圖。單片機(jī)最小系統(tǒng)由單片機(jī)、電源、復(fù)位電路、晶振電路組成，本設(shè)計(jì)所有單片機(jī)晶振電路都采用11.0592MHz的外部石英晶振。單片機(jī)最小系統(tǒng)的5V電源電路如圖3-5所示，S1為電路板的電源開關(guān)，陶瓷電容C3和電解電容C2的作用是增強(qiáng)系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性，發(fā)光二極管D1作為電路板的電源指示燈。 圖3-4 單片機(jī)最小系統(tǒng) 圖3-5 電源電路 3.2.2土壤濕度檢測電路 土壤濕度傳感器 又名：土壤水分傳感器、土壤墑情傳感器。主要用來測量土壤容積含水量，做土壤墑情監(jiān)測及農(nóng)業(yè)灌溉和林業(yè)防護(hù) 目前常用到的土壤濕度傳感器有 FDR 型和 TDR 型目前比較流行的是 FDR 型 FDRFrequency Domain Reflectometry頻域反射儀是一種用于測量土壤水分的儀器，它利用電磁脈沖原理、根據(jù)電磁波在介質(zhì)中傳播頻率來測量土壤的表觀介電常數(shù)ε，從而得到土壤容積含水量θv，F(xiàn)DR 具有簡便安全、快速準(zhǔn)確、定點(diǎn)連續(xù)、自動化、寬量程、少標(biāo)定等優(yōu)點(diǎn)。是一種值得推薦的土壤水分測定儀器。本系統(tǒng)采用雁凌公司生產(chǎn)的土壤濕度傳感器YL-69是一種 FDR 型傳感器。該傳感器的技術(shù)參數(shù)、應(yīng)用及特點(diǎn)如下： 測量參數(shù)：土壤容積含水率 單 位： m3/m3 量 程：20%～90%RH 探針長度：5.3cm 探針直徑：3mm 探針材料：不銹鋼 密封材料：環(huán)氧樹脂 測量精度：5.0%RH 工作溫度范圍：-20℃~55℃ 工作電壓：3.3~5V 工作電流：21~26mA 數(shù)字輸出信號：0.5V或5V 模擬輸出信號：2.5V~5V 測量穩(wěn)定時(shí)間：2秒 響應(yīng)時(shí)間：<1秒 測量區(qū)域：以探針為中心，圍繞探針的直徑為7cm、高為7cm的圓柱體 功能及特點(diǎn)： 本傳感器體積小巧化設(shè)計(jì)，攜帶方便，安裝、操作及維護(hù)簡單 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，不銹鋼探針保證使用壽命。 外部以環(huán)氧樹脂純膠體封裝，密封性好，可直接插入土壤中使用且不受腐蝕。 土質(zhì)影響較小，應(yīng)用地區(qū)廣泛。 測量精度高，性能可靠，確保正常工作。 響應(yīng)速度快，數(shù)據(jù)傳輸效率高。 靈敏度可調(diào)。 雙輸出模式，數(shù)字量輸出簡單，模擬量輸出精確。 廣泛應(yīng)用于節(jié)水農(nóng)業(yè)灌溉、溫室大棚、花卉蔬菜、草地牧場、土壤檢測、植物培養(yǎng)、科學(xué)試驗(yàn)等場領(lǐng)域。 本系統(tǒng)采用的YL-溫度69傳感器有四個個引腳，表3-1為 YL-69傳感器引腳說明，其應(yīng)用電路如圖3-6所示，其中引腳2與單片機(jī)的P1.0口相連進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。 引腳 名稱 說明 1 VDD 供電，4.5-5.5V/DC 2 AO 模擬量輸出 3 DO 數(shù)字量輸出 4 GND 接地，電源負(fù)極 表3-1 YL-69傳感器引腳說明 圖3-6 YL-69應(yīng)用電路 3.2.3 5V電源電路 中心節(jié)點(diǎn)和傳感器子節(jié)點(diǎn)都是由5V直流電壓供電，所以需要設(shè)計(jì)5V/DC的直流穩(wěn)壓電路。LM7805載電流可達(dá)1.5線性穩(wěn)壓集成芯片。LM7805固定輸出5V直流電壓，滿足實(shí)際需求，其主要特點(diǎn)如下： （1） 輸入為直流5~18V時(shí)，固定輸出4.8~5V/DC，穩(wěn)壓精度可達(dá)0.099V(+25℃)； （2） 最大負(fù)載電流為1.5 （3） 紋波抑制比為73dB （4） 短路電流為230mA （5） 內(nèi)置有過載保護(hù)、安全區(qū)保護(hù)等多種保護(hù)電路； （6） 工作溫度范圍：-40～+125℃。 在實(shí)際應(yīng)用中，LM7805需要增加外圍電路，如圖3-9所示，470μF的電解電容Cap可以確保所有操作條件下芯片工作的穩(wěn)定性。 圖3-9 LM7805應(yīng)用電路 3.2.4單片機(jī)與計(jì)算機(jī)串行通信電路 MAX232芯片是美信公司專門為計(jì)算機(jī)的RS-232C標(biāo)準(zhǔn)串口設(shè)計(jì)的單電源電平轉(zhuǎn)換芯片,使用+5v單電源供電。其主要特點(diǎn)有： （1）符合所有的RS-232C技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)； （2）只需要單一 +5V電源供電 ； （3）片載電荷泵具有升壓、電壓極性反轉(zhuǎn)能力； （4）功耗低，典型供電電流5mA ； （5）內(nèi)部集成2個RS-232C驅(qū)動器 ； （6）高集成度，片外最低只需4個電容即可工作。 RS232接口是1970年由美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計(jì)算機(jī)終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通訊的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定采用一個25個腳的DB25連接器，對連接器的每個引腳的信號內(nèi)容加以規(guī)定，還對各種信號的電平加以規(guī)定。隨著設(shè)備的不斷改進(jìn)，出現(xiàn)了代替DB25的DB9接口，現(xiàn)在都把RS232接口叫做DB9。 本系統(tǒng)采用的就是DB9接口。因?yàn)镈B9接口的信號電平值較高，且與TTL電平不兼容，故需要使用電平轉(zhuǎn)換電路方能與TTL電路連接。如圖3-10所示，MAX232將單片機(jī)TXD引腳輸出的TTL電平信號轉(zhuǎn)換為RS-232C電平，輸入到PC機(jī)，并將PC機(jī)輸出的RS-232C電平信號轉(zhuǎn)換為TTL電平，輸出到單片機(jī)的RXD引腳。 圖3-10 MAX232串口應(yīng)用電路 3.2.5液晶顯示電路 本設(shè)計(jì)的液晶顯示采用1602液晶。1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點(diǎn)陣型液晶模塊，它由57點(diǎn)陣字符位組成，每個點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個字符。LCD1602可以顯示兩行，每行16個字符。LCD1602工作電壓為4.0～5.5V，工作電流為2mA，其接口說明見表3-3。 表3-3 LCD1602引腳說明 引腳 名稱 引腳說明 引腳 名稱 引腳說明 1 VSS 電源地 9 D2 Data I/O 2 VDD 電源正極 10 D3 Data I/O 3 VL 液晶顯示偏壓信號 11 D4 Data I/O 4 RS 數(shù)據(jù)/命令選擇端（H/L） 12 D5 Data I/O 5 R/W 讀/寫選擇端（H/L） 13 D6 Data I/O 6 E 使能信號 14 D7 Data I/O 7 D0 Data I/O 15 BLA 背光源正極 8 D1 Data I/O 16 BLK 背光源負(fù)極 LCD1602的應(yīng)用電路如圖3-11所示，D0～D7接到單片機(jī)I/O口P0，功能控制引腳E、R/W、RS分別接到單片機(jī)I/O口P2.2、P2.1、P2.0，可變電阻R1用于調(diào)節(jié)LCD1602的背光亮度。 圖3-11 LCD1602液晶顯示電路 3.2.8蜂鳴器電路 蜂鳴器電路如圖3-13所示，由阻值為10k的電阻、PNP三極管和有源蜂鳴器組成。蜂鳴器電路控制端BELL接單片機(jī)I/O口的P2.0，電阻和三極管構(gòu)成簡單的電流放大電路，為蜂鳴器的提供工作電流。通過控制BELL端的輸入電平即可實(shí)現(xiàn)對蜂鳴器的控制：當(dāng)BELL端為高電平時(shí)，蜂鳴器不工作；當(dāng)BELL端為低電平時(shí)，蜂鳴器發(fā)出聲音。 圖3-13 蜂鳴器電路 圖3-14和圖3-15分別為中心節(jié)點(diǎn)的PCB工程原理圖總圖和PCB圖，圖3-16為系統(tǒng)硬件實(shí)物照。 圖3-14 中節(jié)點(diǎn)PCB工程原理圖 圖3-15 PCB圖 圖3-16 系統(tǒng)硬件實(shí)物照 4 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì) 在已有的硬件平臺的基礎(chǔ)上，軟件設(shè)計(jì)的任務(wù)是編寫移植性好、可讀性強(qiáng)、代碼效率高的單片機(jī)程序。系統(tǒng)的中心節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件均由C語言編寫，由Keil uVision4編譯器編譯。在程序?qū)懞煤螅煞奖愕貙⑵錈龑懙絊TC12C5A60S2單片機(jī)上。 Keil uVision4是51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學(xué)易用。Keil提供包含C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)壞境（uVision）將這些部分組合在一起，其主要特點(diǎn)如下： （1）全功能的源代碼編譯器； （2）器件庫用來配置開發(fā)工具設(shè)置； （3）項(xiàng)目管理器用來創(chuàng)建和維護(hù)用戶的項(xiàng)目； （4）集成的MAKE工具可以匯編、編譯和連接用戶嵌入式應(yīng)用； （5）所有開發(fā)工具的設(shè)置都是對話框形式的； （6）真正的源代碼級的對CPU和外圍器件的調(diào)試器； （7）高級GDI（AGDI）接口用來在目標(biāo)硬件上進(jìn)行軟件調(diào)試以及和monitor-51進(jìn)行通信。 4.1中心節(jié)點(diǎn)程序流程 中心節(jié)點(diǎn)作為軟硬件系統(tǒng)的主控制中樞，需要完成A/D轉(zhuǎn)換、自動報(bào)警等智能控制等功能，其程序流程圖如圖4-1所示。 主程序首先進(jìn)行單片機(jī)串口中斷、單片機(jī)定時(shí)器中斷、單片機(jī)A/D采集、LCD1602等功能模塊的初始化，然后LCD顯示界面，緊接著進(jìn)入主循環(huán)。主循環(huán)的功能包括：系統(tǒng)正常運(yùn)行后，進(jìn)行檢測值掃描，根據(jù)掃描到的檢測值，系統(tǒng)做出相應(yīng)的動作；LCD1602顯示檢測到的電壓值和濕度值界面；與子節(jié)點(diǎn)建立通信后，子節(jié)點(diǎn)把采集到的電壓值傳給中心節(jié)點(diǎn)；中心節(jié)點(diǎn)將以1s為周期將采集到的數(shù)據(jù)通過單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換并計(jì)算出與濕度的對應(yīng)值，并顯示在LCD上；當(dāng)采集到的土壤濕度的數(shù)值超過了預(yù)設(shè)的報(bào)警值，單片機(jī)將使蜂鳴器發(fā)出聲音警報(bào)并點(diǎn)亮LED燈，否則處于安靜狀態(tài)。 圖4-1 中心節(jié)點(diǎn)程序流程圖  5 總結(jié) 本設(shè)計(jì)完成以單片機(jī)為檢測和控制的自動灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)能很好地克服復(fù)雜的安裝環(huán)境，實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的土壤濕度的實(shí)時(shí)傳輸，可以滿足大部分對土壤濕度進(jìn)行監(jiān)測的需要。整個系統(tǒng)采用分時(shí)掃描區(qū)域內(nèi)的傳感器的控制思想，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的監(jiān)測并自動報(bào)警。通過實(shí)驗(yàn)測試，本系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，效果良好。 本系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)具有電路簡單、性能穩(wěn)定、可靠性高、搭建方便和易于擴(kuò)展等特點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，可以改變或增減節(jié)點(diǎn)，以滿足不同需求。鑒于該系統(tǒng)具有功耗低、數(shù)據(jù)傳輸可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大、實(shí)現(xiàn)成本低和易升級等特點(diǎn)，因而可以應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域，值得推廣宣傳。 附錄 頭文件源代碼： #ifndef __main_h_ #define __main_h_ #include "stc12c5a.h" #include"stdio.h" #include"1602.h" #include"intrins.h" #define TRUE 1 #define FALSE 0 #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #endif 主程序源代碼： #include"main.h" extern uchar adc_hi; extern bit btStartAdFlag; extern bit btUartSendFinishFlag; extern bit btAdEndFlag; void InitAD(void); void StartADC(void); void InitUart(void); void InitTimer0(void); void baojing(void); /******************主函數(shù)*********************/ void main() { InitTimer0(); InitUart(); InitAD(); InitLCD(); StartADC(); EA = 1; while(1) { if(btStartAdFlag==TRUE) { btStartAdFlag = FALSE; ADC_CONTR|=0x08; //啟動 A/D 轉(zhuǎn)換 } if(btAdEndFlag==TRUE) { btAdEndFlag = FALSE; SBUF = adc_hi; //向串口發(fā)數(shù)據(jù) btUartSendFinishFlag = FALSE; LCD_Vtg(); //向1602寫電壓值數(shù)據(jù); } } } A/D轉(zhuǎn)換源代碼： #include"main.h" uchar adc_hi,adc_low; bit btAdEndFlag = FALSE; void InitAD(void) { EADC = 1; } /*****************AD轉(zhuǎn)換程序*******************************/ void StartADC(void) { ADC_CONTR|=0x80; //開A/D轉(zhuǎn)換電源,第一次使用時(shí)要打開內(nèi)部模擬電源 _nop_(); //適當(dāng)延時(shí) _nop_(); _nop_(); _nop_(); P1ASF = 0x04; ADC_CONTR = 0xE0; //選擇P1.0作為A/D轉(zhuǎn)換通道 // ADC_CONTR = 0xE1; //選擇P1.1作為A/D轉(zhuǎn)換通道 _nop_(); //適當(dāng)延時(shí) _nop_(); _nop_(); _nop_(); AUXR1 |= 0x04; //ADRJ=1 ADC_CONTR |= 0x08; //啟動 A/D 轉(zhuǎn)換 } /**********************ADC中斷處理程序**********************************/ void ADCSPI_ISR (void) interrupt 5 // ADC和SPI中斷函數(shù) { ADC_CONTR &=0xE7; //將ADC_FLAG清0 adc_hi = ADC_RES&0x03; //保存A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果高2位 adc_low = ADC_RESL; //保存A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果低8位 btAdEndFlag = TRUE; } LCD1602源代碼： #include"main.h" unsigned char code table[]="Voltage:"; unsigned char code table1[]="Humidity:"; unsigned int shidu; sbit lcden=P2^2; sbit lcdrs=P2^0; sbit lcdrw=P2^1; extern uchar adc_hi,adc_low; void baojing(void); /**********************延時(shí)程序**********************************/ void delay(unsigned int z) { unsigned int x,y; for(x=z;x>0;x--) for(y=1100;y>0;y--); } /**********************LCD1602寫命令程序**********************************/ void write_com(unsigned char com) { lcden=0; lcdrs=0; lcdrw=0; P0=com; _nop_(); _nop_(); _nop_(); lcden=1; delay(10); lcden=0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); } /**********************LCD1602寫數(shù)據(jù)程序**********************************/ void write_data(unsigned char date) { lcden=0; lcdrs=1; lcdrw=0; P0=date; _nop_(); _nop_(); _nop_(); lcden=1; delay(10); lcden=0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); } /**********************LCD1602初始化程序**********************************/ void InitLCD(void) { unsigned char data i,k; write_com(0x01); write_com(0x38); write_com(0x0c);//開顯示，不顯示光標(biāo) write_com(0x06); //寫字符后，地址指針加一。整屏不移動 write_com(0x80); //設(shè)置數(shù)據(jù)地址指針 for(i=0;i<8;i++) { write_data(table[i]); delay(5); } write_com(0xc0); //設(shè)置數(shù)據(jù)地址指針 for(k=0;k<9;k++) { write_data(table1[k]); delay(5); } } void LCD_Vtg(void) { uint num,bai,shi,ge,dianyazhi; bai = (adc_hi*256+adc_low)*5/1023; //整數(shù)位 shi = (adc_hi*256+adc_low)*5%1023*10/1023; //小數(shù)點(diǎn)后一位 ge = (adc_hi*256+adc_low)*5%1023*10%1023*10/1023; //小數(shù)點(diǎn)后的第二位 dianyazhi = (bai)*1000 + (shi)*100 + (ge)*10; shidu = 103 - dianyazhi/60; baojing(); write_com(0x89); //設(shè)置數(shù)據(jù)地址指針 write_data(0x30+bai); write_data(.); write_data(0x30+shi); write_data(0x30+ge); write_data(V); for(num=2;num>0;num--) { write_com(0xC9+num); write_data(0x30+shidu%10); shidu=shidu/10; } write_com(0xCC); write_data(%); } 串口通信源代碼： #include"main.h" bit btUartSendFinishFlag = TRUE; extern uchar adc_low; void InitUart(void) { TMOD = (TMOD&0x0F)|0x20; TH1 = 0xFA; //波特率9600 TL1 = 0xFA; SCON = 0x50; PCON = PCON|0x80; TR1 = 1; ES = 1; } /******************串口通訊***************************/ void Uart(void) interrupt 4 { if(TI==1) { TI = 0; if(btUartSendFinishFlag==FALSE) { SBUF = adc_low; btUartSendFinishFlag = TRUE; } } else { RI = 0; } } 報(bào)警電路源代碼： #include"main.h" sbit led = P1^7; sbit bell = P3^6; unsigned char yushezhi = 50; //設(shè)定土壤濕度預(yù)設(shè)值 extern shidu; void baojing(void) { if (shidu < yushezhi) { led = 0; bell = 0; } else { led = 1; bell = 1; } } 參考文獻(xiàn) [1]廣州奧松電子有限公司.數(shù)字溫濕度傳感器DHT11[G],2008. [2]北京雁凌電子有限公司.土壤濕度傳感器YL-69[G],2008. [3]穆秀春,馮新宇,王宇. Altium Designer原理圖與PCB設(shè)計(jì)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社, 2011. [4]陳純,卜佳俊,俞琦. 分布式傳感網(wǎng)絡(luò)前沿技術(shù)及實(shí)時(shí)應(yīng)用[J]. 國際學(xué)術(shù)前沿,2010,10(2): 50-53. [5]孫利民,李建中,陳渝,等. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2005． [6]李建中,高宏. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究進(jìn)展[J]．計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2008，45(1)：1-15． [7]IEEE 802.11 WLAN Task Guoup. Part 11:Wireless LAN Medium Access Control(MAC) and Physical Layer(PHY) Specifications[S],1999. [8]蔡紹濱.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出社.2011. [9]中科院沈陽自動化所．工業(yè)無線網(wǎng)[EB/OL]．http://www.industrialwireless.cn/,2011-10-2. [10]王漫,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)技術(shù)進(jìn)展 [EB/OL]. (2010-6-5)[2012-2-20].http://www.doc88. com/p-929298678971.html [11]陳桂友. 增強(qiáng)型8051單片機(jī)實(shí)用開發(fā)技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2010: 6-7. [12]華成英，童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京，高等教育出版社：2006. [13] Dallas Semiconductor.DS18B20 High-Precision 1-Wire Digital Thermometer[G],2008. 致謝 本論文是在我的導(dǎo)師張杏平老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。從課題的選擇到設(shè)計(jì)論文的最終完成，張老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。在大學(xué)受教期間，張老師不僅在學(xué)業(yè)上給我以精心指導(dǎo)，同時(shí)在生活上給我親切的關(guān)懷。張老師豐富的知識面、見微知著的洞察力、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和永不懈怠的工作作風(fēng)令我深受感染并受益匪淺。在此對我的導(dǎo)師致以崇高的敬意和衷心的感謝！ 感謝和我同窗一起奮斗的諸位好友，是他們在我的設(shè)計(jì)過程中和我一起探討問題，并指出我設(shè)計(jì)上的誤區(qū)，使我及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并改正，沒有他們的支持我不可能有這么順利地完成任務(wù)，在此表示深深的謝意。 感謝我的家人，他們是我的堅(jiān)強(qiáng)后盾！感謝他們對我的默默支持和無私的付出！ 最后要感謝嘉應(yīng)學(xué)院給我提供良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，讓度過人生中難忘的大學(xué)四年時(shí)光，祝母校蒸蒸日上！