葡萄节水灌溉自动控制系统的设计 本科学生毕业设计

本科学生毕业设计葡萄节水灌溉自动控制系统的设计院系名称电气与信息工程学院专业班级电气工程及其自动化101班学生姓名王清泉指导教师聂相举职称讲师黑龙江工程学院二一四年六月THEGRADUATIONDESIGNFORBACHELORSDEGREEDESIGNOFAUTOMATICCONTROLSYSTEMOFWATERSAVINGIRRIGATIONOFGRAPESCANDIDATEWANGQINGQUANSPECIALTYELECTRICALENGINEERINGANDAUTOMATIONCLASS101SUPERVISORLECTURERNIEXIANGJUHEILONGJIANGINSTITUTEOFTECHNOLOGY201406HARBIN黑龙江工程学院本科生毕业设计I摘要现代高效农业的发展状况取决于节水自动灌溉控制技术的不断发展，而严重制约我国高效农业发展的重要因素是节水自动灌溉控制系统的全数字化自控水平较低。本设计基于单片机的葡萄节水灌溉自动控制系统的设计，本系统主要对土壤湿度、空气温度等环境条件进行监测和控制，对农作物进行合理的适时，适量的节水灌溉，其核心是以单片机为核心构成的自动控制部分，本设计主要用于对夏季葡萄的生长条件与灌溉量之间的关系进行节水灌溉，并对自动控制系统的硬、软件等各个部分进行的设计。自动控制系统部分使用了上、下位机的形式，以AT89S52单片机为核心，设计了一种基于单片机的葡萄自动节水灌溉控制系统。同时介绍了系统总体框图、单片机最小系统电路、数据信息采集处理电路、输出扩展电路、通信接口等硬件电路以及软件编程的设计。节水自动灌溉控制系统能够实现自动灌溉，具备报警、实时时钟、数据上传以及双向通信等功能。该套基于单片机控制的自动节水灌溉控制系统成本较低，体积小，安装简单，抗干扰性强、运行可靠性高，相比工控机等其它控制的方式，性价比较高，形成产品简单，利于使用推广。关键词单片机；节水灌溉；自动控制；湿度传感器；温度传感器黑龙江工程学院本科生毕业设计IIABSTRACTDEVELOPMENTOFMODERNEFFICIENTAGRICULTUREDEPENDSONTHECONTINUOUSDEVELOPMENTOFWATERSAVINGAUTOMATICIRRIGATIONCONTROLTECHNOLOGYTHEIMPORTANTFACTORSTHATSERIOUSLYHAMPEREDTHEDEVELOPMENTOFEFFICIENTAGRICULTUREISTHELOWERALLDIGITALAUTOMATIONLEVELOFAUTOMATICWATERSAVINGIRRIGATIONCONTROLSYSTEMTHEDESIGNISADESIGNOFGRAPESWATERSAVINGIRRIGATIONAUTOMATICCONTROLSYSTEMBASEDONMCUTHESYSTEMISMAINLYFORMONITORINGANDCONTROLOFSOILMOISTURE,AIRTEMPERATUREANDOTHERENVIRONMENTALCONDITIONSANDFORREASONABLE、TIMELYANDMODERATEWATERSAVINGIRRIGATIONOFCROPITSCOREISTHEAUTOMATICCONTROLSECTIONCONSTITUTEDBYTHEMCUASTHECORETHISDESIGNISDESIGNEDPRIMARILYFORSOFTWAREANDHARDWAREOFWATERSAVINGIRRIGATIONCONTROLSYSTEMTHEAUTOMATICCONTROLSYSTEMUSESTHEFORMOFPCANDMCUANDAT89S52MCUASTHECOREITISDESIGNEDTOCONTROLGRAPEAUTOMATICWATERSAVINGIRRIGATIONSYSTEMBASEDONMCUANDITDESCRIBESTHEDESIGNOFOVERALLSYSTEMBLOCKDIAGRAM,SYSTEMCIRCUITOFTHESMALLESTMCUSYSTEM,DATAACQUISITIONANDPROCESSINGCIRCUIT,OUTPUTEXPANSIONCIRCUIT,COMMUNICATIONINTERFACEHARDWARECIRCUITANDSOFTWAREPROGRAMMINGTHEWATERSAVINGAUTOMATICIRRIGATIONCONTROLSYSTEMCANREALIZETHEFUNCTIONSOFAUTOMATICIRRIGATION，ALARM，REALTIMECLOCK，DATAUPLOADANDTWOWAYCOMMUNICATIONITISCHEAP,SMALL,EASYTOINSTALL,HARDTOBEINTERFEREDANDRELIABLESOTHECONTROLSYSTEMISMOREVALUEBLEFORMONEY，EASIERTOBEPRODUCTANDMORECONDUCIVETOUSEANDSPREADCOMPAREDTOOTHERCONTROLSYSTEMSKEYWORDSCONTROLMODELWATERSAVINGIRRIGATIONAUTOMATICCONTROLHUMIDITYSENSORTEMPERATURESENSOR黑龙江工程学院本科生毕业设计目录摘要IABSTRACTII第1章引言111研究背景112国内外节水农业研究状况和发展趋势213课题研究的目的和意义414设计内容5第2章系统总体设计621灌溉系统概述622方案选择623本章小结8第3章系统硬件的设计931主模块设计932外部时钟电路1033模数转换芯片的选取1134输出功能模块12341扩展模块12342驱动电路的设计13343继电器14344电机选型1435数据通信模块设计1536人机接口电路设计1737系统供电模块设计1838传感器选择18381土壤湿度传感器的选取18382空气温度传感器的选用与性能2039警报电路20310本章小结21第4章灌溉系统控制软件设计22黑龙江工程学院本科生毕业设计41灌溉主程序设计2242键盘显示程序设计22421键盘中断子程序23422按键处理子程序设计2443采样子程序设计2544本章小结26结束语27参考文献28致谢33附录A34附录B35黑龙江工程学院本科生毕业设计1第1章引言11研究背景生命之起源于海洋，生存离不开水。水是人类生活的根本，没水生命就不能存活。同时工业、农业生产水资源也是必需的，水资源是工农业生产的基础。人们在农业生产生涯中淡水量的损耗占人类损耗淡水总量的5575，当今工业高速发展，生产加倍需要很多的水。此外，在交通运输行业上水资源也起着至关重要的作用。在地球的自然界中淡水量占水总量的1都不到。人类社会不断发展需水量不断提高，水资源污染也不断加剧，这就要求我们必须加大水资源的保护。水资源短缺危机已成为全球性的突出问题，有的国家已经严重缺水，受到全世界的重视与关注。全球淡水资源地区性分布极度不均并且严重短缺。按地区分布，巴西、俄罗斯、加拿大、华夏、美国、等9个国度的淡水资源占了全球的淡水资源的60，大概占全世界40人口总额的80个国家和地区缺水很重。其中26个国家严重缺水。我国有28万亿M3的水资源总量，全世界排名第6位，我国人均用水量是世界人均用水量的30左右。据21世纪都会水资源国际学术研讨会表露，联合国开始把我国列为世界上13个最缺水的国度之一324。我国此刻每一年缺水严重约400多亿M3，而我国是农业用水大国，农业更是缺水近300亿M3大约占70左右，基本上还都是浇灌用水。我国是一个水资源严重短缺的农业性大国，制约我国的高速发展，所以我国出它一系政策与措施不断调整农业结构实施可持续发展战略，同时大力推广节约型农业产业。我国的传统灌溉量普遍较高。每一亩实际的均匀浇灌量到达450500M3，高出了实际需要的一倍还多，有的地方甚至在2倍以上。但与发达国家比较，我国农业水资源使用效率较低，灌溉损耗的情形相当严重，节水潜力是非常大26。据数据统计，当前我国灌溉水资源利用率仅为40，水分生产率低于10KGM3，发达国家灌溉水资源利用率到达8090，水分生产率超过20KGM3。如果我国使用先进的节水灌溉自动技术，我国每年在这样的状况下灌溉水节约010015万亿M327。因此，通过提高节水自动灌溉控制技术，不断缩短农业生产的用水总数的状态下，能符合当前用水要求，同时又把节省的水资源用于工业生产、城市生活和生态用水，用水资源的可持续使用来增进当代社会的可持续发展3。节水农业就是提升水的利用效率的农业，也就是充足使用地表淡水和雨水、地井水等淡水，利用水利措施和农业设施，提升水资源利用效率的农业。农业节水以下几方面的内容用分子生物技术进行节水；精细农业节水技术；喷、微、滴灌科技黑龙江工程学院本科生毕业设计2是目前全世界节约用水最有效最显著的科技2；信息科技节水；化学科技节水；材料高分子科技在大型传输管道上的使用，缩减水在输送过程中的渗入消耗1。12国内外节水农业研究状况和发展趋势我国自20世纪50年代就着手节水灌溉科技的研制工作，而且对当初几种主要农作物的现实用水量和用水规律、灌溉方式做了不少实验，描绘了我国农作物的用水多少的曲线图，建成了我国节水浇灌试验资料数据库。多年来，微灌成为高新的灌溉科技在全世界取得了迅猛的发展。从1970年到1990年以来，微灌科技在少许发达国家快速发展，1983年全球的微灌土地43万HM2还多，其中美国占有多半。到1990年，全球微灌土地已经有2913万HM2了，达到全世界灌溉土地的11，而美国就有150万HM2，达到美国灌溉土地的4，根据2000年数据计算，美国微灌土地达到全国灌溉土地的25536万HM2的525。由于塞浦路斯和以色列较缺水所以微灌技术使用最多，其中以色列的微灌土地到达浇灌土地的40，近104万HM2，剩下的都是喷灌26。西班牙、法国、意大利、希腊、埃及等地中海周边国家和南非、澳大利亚、墨西哥、日本等国使用土地也很多。而这一时间我国微灌设备与技术发展很慢，全国微灌土地还在237万HM2左右。90年以来，我国对节水自动灌溉越来越重视，据各地资料汇总，到1999年底，全国微灌面积己达到20万HM2，每一年都以2000027000HM2土地快速增长，一年增长的土地等于昔日二十年的所有28。20世纪80年代初，很多科研学者舍弃了充足浇灌的研讨，朝着节水型劣态或亚劣态钻研，成果说明与充足浇灌对比，节水灌溉情况下的作物产量下降不多。而后，减少亏损灌溉技术发展迅猛4。喷、微灌科技是目前全球上节水成果最显著的科技，是目前很多现代化灌溉技术中最节约的。普遍的灌溉模式还有非常多。如喷灌水量分布均匀性评价指标的实验研究15；漫灌与喷灌情况下土壤养分运动特点的初始研讨，钻研了漫灌、喷灌渗入条件下，土壤营养移动的特点16；喷灌条件下小气候变化规律的研究，钻研了最大温差和最大相对湿度与喷灌时间、喷灌工作压力、风力、风向和光照强度的关联17；喷灌情况时冬小麦生长特点及生存环境特点的实验调查18。喷灌的硬件条件方向的研究有低压管式喷灌及其节水高产的研究5；稻田间喷管相结合灌溉技术的研究6；GPS节水灌溉系统的研究20。当前我国节水灌溉自动化还处于起步时期，自动化水平较低，研究设计的自动化灌溉控制系统仍处在试用时期。当前研究设计的产物中具有代表性的如中国农机化研究院等多家联合研制的2000型温室自动灌溉施肥控制系统，具有人工控制、程控和自控等多样灌溉系统方式，可按要求灵活使用，在大连，北京等多地投入使用，效果黑龙江工程学院本科生毕业设计3很好，但是其成本高，只适合温室产物。由中国排灌技术研制的集中、分散方式自动微灌监控系统，依据灌溉需求自动的对微灌工程进行监控，和事故处理，其核心的控制器件是8098单片机。北京农业工程大学研究设计的以8031单片机为核心的节水灌溉控制系统，能够进行多通道的土壤水分检测，对多路通道完成灌溉自动化控制的功能。但这两种控制系统选用的芯片功能较少，使电路的扩展系统复杂化，造成系统的运行不稳定。水利建设技术研究设计的自动节水灌溉控制系统，应用计算机通信技术、传感器技术、自控技术以及生态农业技术进行集成化和优化，可以对大田使用三种灌溉方式，即定时、恒湿及人工方式。北京奥特思达科技有限公司研究设计的WT02型按时微喷灌自动控制器，是一种供农业、园艺、温室等正常场合供水的电子浇灌自动化控制系统。但他们只对作物实现定时定量定期灌溉，不及时，充足的灌溉根据作物水分。自动灌溉控制器直接向PC控制，不仅增加了成本，但不易使用严酷的环境中，所以它是非常低的水平9101123。节水农业在国外的成长已有几十年了，在西方发达国家，随着地区和产业化程度非常高。目前，大约有80个国家和地区，在微灌技术中的应用4。喷灌土地占据灌溉土地40的有苏联和美国，英国、德国、奥地利、丹麦、瑞典、日本等国的旱地灌溉土地中90以上选用喷灌。少许发达国家的喷灌体系中广泛利用多功能压力流量装备，如法国和日本均研制并利用集供水拴、压力监控、流量显示、水量监控等功能于一体的多功能压力流量控制给水拴21。节能的成效优秀的恒压喷灌科技也得到了普遍的使用中，如日本在大部分干旱土地灌溉系统的加压泵站中使用调压罐监控。灌溉面积，以色列和美国的水平是非常高的。他们对灌溉的新理解是把含有养料的水一滴滴的输入作物根系层的泥土中，使土壤中的水、肥、气、热等均匀和谐干系，到达作物高产的目标7。尤其是以色列，在水资源非常贫乏的情况下，经过节水农业和节水灌溉工程科技的成长，建立起了高度发达的外向型农业。全球出名的耐特费姆NETFIM浇灌装备和滴灌系统公司出产的微灌系统根本由计算机自动控制运转，可根据作物的成长及水、肥的状态进行注水和施肥，节省了大量的人力和实时经管，作物的产量和质量都有很大的提高22。除大力推广微灌与喷灌科技外，发达国家高效农业成长是另一个重要途径，是自动化灌溉管理8。发达国家如法国，英国，日本，美国，以色列，采用先进的自动灌溉控制系统。他们采用先进的自动节水灌溉，从传统方式灌溉发展非充分灌溉，灌溉区水质监测，实时管理的实施，利用遥感技术，对土壤水分和作物生长监测，和广泛应用的设计制造，数字自动灌溉控制器功能强大。以以色列为例，以色列是全球上微灌控制技术发展最具代表性的国度和地区，当前全国农业用地绝大部分完成了自动化黑龙江工程学院本科生毕业设计4灌溉经管方式，而且普遍的推广自动控制灌溉系统，及时，适当的水，肥直接进入作物根系，水分利用效率和粮食单产效率很高。北美、澳大利亚、韩国等国家和地区都有成型而且构成一系列的灌溉自动控制器产物，微灌方法广泛利用计算机控制，埋在地下的土壤湿度传感器可以传送回土壤的水分消信，还有一些传感器系统可以经过检测植物茎、果实径直粗细来决定对植物的浇灌时间1314。计算机化操纵运转轻易精细、可靠性高、节约人力物力，对灌溉进程的自动控制可达到很高的精度，以色列国家，已经出现在家利用电脑对灌溉控制过程进行全部控制无线、有线的农场主8。总之，在国内虽然有多样自动灌溉控制器，但是规模大多较小，而且开发设计出来的产品价格高昂，多数农民承受不起，无法得到普遍应用。外国自动灌溉控制器正在逐步成熟化、体系化，而且朝着大型的分布式控制系统和小区域的单机自动控制这两个方面成长，其普遍的都能与计算机进行通信，并由计算机对其实施控制。13课题研究的目的和意义农业不仅仅是最古老的行业，也是各行各业发展的基础，同时也是人类赖以生存的重要行业。从长远的发展来看农业的发展是重中之重，第一是水资源的问题，第二是科技发展的问题。农业发展的根源在科技的发展。由古老方形式的农业向现代化方式的农业改变，由粗放经营形式向集约经营形式的改变，要求咱们的农业科技务必更快的朝前迅速发展，来一次革新式的重大的技术革命。与工业、交通等行业相比较农业的发展仍是最落后的，农业的灌溉技术落后更甚。节水自动灌溉控制系统的自动化成度较低是严重限制我国高效农业成长的重要因素。传统的灌溉方式自动化程度极度低下，属于粗放式人工劳作，即使对于已经确定的供水量，仍旧没有办法在操纵当中进行有力的掌管，为了提高农业的灌溉功效，缩短工作时间、节约用水，大力发展节水灌溉的自动控制技术。自动灌溉系统的现场管理的有效途径及工具，是现代智能控制器，它不仅可以提高操作精度，自动灌溉过程也具有科学的管理，同时降低对使用者素质的要求。这样能较大程度的缩减工作量，而且更能准确、适时、适量、高效地给农作物自动给水，来提高产量和质量，同时节水和节能。现代自动灌溉控制器的研究在农业，林业，渔业，并使用较少，同一些发达国家相比较，有很大的差距，都基本停留在人工劳作上。即使一些地区使用一些自动灌溉工程的自动化控制系统，也是靠从前的经验知道灌溉次数和灌溉量。如果给定数量的灌溉和作物水分利用的比较少，不能有效地促进作物的生长；当给定的灌溉量太大时，土壤肥水流失严重，就会造成大量资源浪费。同时传统的灌溉方式还不断的需要有关专家的同步观察指导，生产效率较低，不能实现现代化高效农业的发展要。黑龙江工程学院本科生毕业设计5当时我国前后引进了少许以色列、美国、德国等国度出产的较高端的节水自动灌溉控制设备，可是因价值高昂，维修保养艰难，主要用于农业示范区，科学研究机构和高等院校，也不符合土壤条件。当前我国的当代节水灌溉自动控制器的研究和利用仍在初始时期。所以作为一个农业生产大国，中国的研究开发和设计他们自己的先进成本低，维修方便，使用强大的和易于扩展国内数字自动节水灌溉控制器修复系统是一个严肃的和有意义的工作。随着计算机通讯技术和传感器应用技术的不断迅猛发展，高性能计算机和传感器的价格日益低廉，运行可靠性不断提升，现在使用信息传感技术改造农业不仅仅成为了可能而是必须做到。高新技术改造农业上的应用，实现了节水灌溉的自动化将成为一个优先的战略，为我国农业产业的可持续发展乃至国民经济本文设计一个对农作物进行适时、适量的灌水，并且对作物成长发育过程时时自动监控的系统，起到高效灌溉、节水、节能的作用。14设计内容本设计主要设计以AT89S52为核心构成的节水自动灌溉控制系统，查找作物成长发育与供水量之间的干系、灌溉监控科技，对各部分硬件，控制系统的软件进行了详细设计。主要内容如下1根据喷灌技术的要求，对节水灌溉自动控制系统的总体设计。2根据环境参数（空气温度，土壤含水量）的关系；查出其在夏天结果期的需水曲线肯定作物目前需水状态和合理的浇灌量。3设计以AT89S52为核心构成的智能控制器。控制器以ATMEL公司生产的AT89S52为核心，采用计算机分布式管理；可以达成自动浇灌，具有报警、实时时钟、数据上传和双向通信等功能。该控制器具有成本低、体积小、安装方便、抗干扰性强、运行可靠等优点4分布式控制系统的构成与实现。采用RS232总线技术，将智能控制器衔接到分布式控制系统，使其成为上位机和别的智能控制器一快儿组成集散控制系统，这是该系统扩展通讯接口的意义所在。黑龙江工程学院本科生毕业设计6第2章系统总体设计自动节水浇灌控制系统是针对大型农田进行灌溉水分供应的智能控制系统。整个系统的设计主要包括硬件电路设计，传感器的选择和自动灌溉控制系统的软件编程的应用等。21灌溉系统概述该系统重要是经过过上、下位机对喷灌的电机、电磁阀进行监控以及对各种信息进行的处理。控制系统采用的形式是上、下位机，上位机与下位机之间通过RS232总线连接，一片单片机控制一片地区，系统可以根据实际的情况增减单片机的数量。当使用得是江河水时，其中含有泥沙和其它各种颗粒，所以在浇灌水引进自动灌溉控制系统以前必须积淀。在需要进行用水灌溉时，水泵从蓄水池抽水进行灌溉。为了避免水中未积淀杂质引进自动浇灌控制系统，必须在浇灌输水管上设立过滤装置。为便于观察系统是否正常工作，还可以在输水管上接压力表和流量计。此外由于过滤器使用时间过长之后，可能会发生堵塞，造成输水能力下降，也可以对其工作状况进行观察。整个区域被划分为多个区域，一个或多个喷嘴在每个区，负责本区灌溉面积。交替灌溉区，灌溉进入农田，各灌区和分支管，电磁阀安装在连接点，控制系统确定开关。系统的执行机构主要有三相异步电机以及相应的光耦隔离、电磁阀等构成，电机主要用于启动离心泵将浇灌用水注入输水管道。电磁阀控制相应的各区域灌溉与否。22方案选择方案一在自动节水灌溉控制系统时可以有键盘设置要求控制湿度标准，再由湿度传感器收集模拟信号经过A/D转换电路获得数字信号，而后输入到单片机主控系统中，通过单片机进行比较后判断是否供水，土壤水分指标是否超标，并将采集到的指标通过LED显示模块显示出来，如果需要供水则输出信号放大驱动打开电磁阀进行供水，如果超过标准采用指数蜂鸣器发出警报声，如果指标的采集符合标准转到下一个传感器。这类自动节水灌溉控制系统由硬件和软件两部分所构成。软件控制系统是全部控制系统的中心，担当调节各部分之间的相关的纽带，同时保障整个控制系统的正常运行。硬件负责信息的收集处理。可以在任何时间修改PC操作系统参数，使系统在不黑龙江工程学院本科生毕业设计7同的环境中完成的工作。节水灌溉自动控制器系统设计方案一如图21所示单片机土壤水分检测模块电源模块存储模块定时模块键盘模块显示模块驱动模块电机图21节水灌溉自动控制器系统设计方案一该系统灵活性较强、操作简单、可靠性高，发展前景广泛。系统结构复杂，成本低，效率高，系统的稳定性高，整体价格高。方案二该系统以可编程控制器作为控制核心，PID功能指令和它的扩展功能模块使用它自己的实现对作物系统的自动喷灌控制。首先，设计了系统的硬件结构，详细的分析了PID的控制原理，提出了整体的设计方案、目标以及功能要求；其次，实时监控PLC和计算机的通讯，而且把农作物的生命曲线存入计算机中，并按其各个阶段所需求的水分和养分修正PID的设定参数。节水灌溉自动控制器系统设计方案二如图22所示主机PLC湿度传感器启动按钮电磁阀声音报警器太阳能辅助加热电源RS232控制计算机黑龙江工程学院本科生毕业设计8图22节水灌溉自动控制器系统设计方案二该系统是由上位机和下位机所构成，并且能经过对泥土的含水量、降水量、天气温度变化和土壤成份完成对作物喷灌时间、灌溉量的自动化控制。该智能控制器利用起来运转可靠，操纵容易，即能节省水资源，同时还适合作物成长发育用水规律的目标，提升产量。两个方案相互比较，方案一具有灵活性高，成本低，效率高的优点，有广阔的发展前景，整体性价比高。结构复杂的缺点，软件编程更加困难。方案二具有稳定性高的优点，结构相对简单，成本高，灵活性低的缺点。所以此次设计选择方案一。23本章小结在本章节中，我最初对浇灌控制系统做了个简短的概括，而后讲述了以AT89S52为核心的葡萄节水自动浇灌控制系统及其框图，在然后讲述了以可编程控制器为核心的节水浇灌控制系统及其框图，并且进行了比较，最后确定方案。黑龙江工程学院本科生毕业设计9第3章系统硬件的设计该系统硬件主要由两部分组成的控制计算机与下位机，其上有一个电脑控制计算机，该机是以单片机为核心的。31主模块设计单片机便是在一个硅芯片上用微处理器，存储器和各类I/O接口组成的，拥有一台计算机的性能，于是单片微型计算机，也叫单片机。单片机自1970的到来，单片机的以其体积小，重量轻，抗干扰性强，适应性强，成本低，运行可靠，使用容易，开发简单为优点，具有极高的性价比备受关注，所以应用广泛，发展很快。如今在各个领域得到了广泛的应用和发展，目前已渗透到人们工作和生活的各个空间，几乎无处不在。单片机最早是以嵌入式微型控制器的面貌出现的。在嵌入式系统中，单片机是应用最多的核心元器件。在当今的计算机LED工业生产而且进入家庭生活，从家用电器，工业控制，医疗设备到军事领域，到处都是它的存在。当前全球有不少的单片机生产厂家，如英特尔，摩托罗拉公司，美国的ZILOG；德国SIENES公司；荷兰的PHILIP公司等。他们相继推出了各种各样类型的单片机，英特尔公司推出的一款高性能的8位单片机MCS51系列单片机优越的性能，成熟的技术和更高的性价比迅速占领了工业控制和自动化工程的主要市场领域，已成为供应链管理领域的主流产品。除英特尔公司之外，飞利浦，ATMEL，ADM，SIEMES等公司也一个个的生产出与MCS51系列兼容的单片机，他们当中的ATMEL公司的89系列的单片机也称FLASH的单片机由8031为核心组成的，它和英特尔公司生产的MCS51系列单片机兼容度很高，这种单片机不但继承了MCS51系列原有的所有功能，同时又扩展了它的一些功能。对于现在的使用者来讲，89单片机有如下明显的优点1包含快闪存储器；2有静态的时钟方式3编程可擦写，错误编程没有废品产生；4可用于系统测试的重复。使用十分方便，是使该公司的89系列单片机被广泛使用的一个重要因素。OTP产品一般，一旦做错了编程已经成为一种浪费，但是89系列单片机因为用于闪速存储器的内部使用的机器，这样的错误后，程序仍然可以再继续写的程序，直到程序正确截止。其次利用89系列的单片机设计的自控系统，能够重复的实行系统实验，每一次的试验都能够编入不一样的程序，如此不仅能够保障使用者系统的设计最优，并且还可以随着用户的需求和发展不断进行修改，可以使系统能不断追随用户的最新的需求。黑龙江工程学院本科生毕业设计10综上所述的优点，通过,剖析对比，按照本课题的特征，采用ATMEL公司89系列的标准型单片机AT89S52。集成在AT89S52的256字节的程序的操作空间，8K字节的闪存，支持64K的外部存储器的扩展。按照有差别的运转速度和损耗的需求，时钟频率能够在033M之间。单片机内含有4组I/O端口、3个定时器、8个中断、软件设立低损耗形式、看门狗和断电保护。能够在4V55V宽电压范围内正常工作。持续发展的半导体工艺也让该单片机的功耗不断下降。同时，该片支持计算机并口下载，简易的数字芯片就能够制成下载线，只是几元钱的价钱让该型号单片机热销10年不衰。按照场所差别的需要，这中单片机供应了多种拼装，本次设计按照最小系统有更换单片机必要的具体情况；利用双列直插DIP40的封装。单片机最小系统电路如图31所示0PFC1A2MUPOLSKRESGNDTEX5OI67A/VL9WU图31单片机最小系统32外部时钟电路思考到控制系统需求较长期间无人看管运转，必须进行时间判别，假如选用单片机计时，期中一是需要使用计数器，使用其更多硬件资源，二是又必须设立中断、查找等功用，一样也消耗硬件资源，因此外部增添时钟DSL2C887芯片可以更好更容易的处理单片机的资源不够的情况。DSL2C887的连接图如图32所示黑龙江工程学院本科生毕业设计11GND01UFC9KR25P7ITWALE4MO368SQVCU图32DSL2C887外部时钟电路主要的特点是直接取代了PC机的时钟/日历芯片；和DSL287的芯片管脚兼容；在掉电方式的情况下能持续工作十年以上甚至更久；其自身携带晶体振荡器，内部包含锂电池和辅助的电路系统，可计量秒、分、小时、星期、日期、月、年七中日历信息并带闰年。补偿用二进制或BCD码表示时间，日历和闹钟信息；有两种方式12或24小时，12小时，上午和下午；可选用夏令时方式；可以使用摩托罗拉和英特尔两个总线；多路复用地址/数据总线；它具有128字节的随机存储器，14字节用于时间和CR0CR3，114字节能够提供给持有户利用也能用作单片机数据存储器扩张；也能编程方波输出；总线兼容的/IRQ；可分别通过软件编程三种可编程中断1、时间性中断，可产生闹钟、每秒或每一分钟，每一小时，每一天一次中断；2、可以产生122MS500MS中断周期；3、时钟更新周期结束中断；具有存储世纪数据的寄存器。在DSL2C887存储器，该00H09H存储日期和时间和闹钟设定时间；四组寄存器是0AH0CH，用于设置DSL2C887工作状态；存储世纪数据用的是32H；剩余的其他的寄存器可以提供给用户自由使用。用单片机实现DSL2C887如图32显示接口电路，在那里接P00P07是数据总线的单片机，ALE地址锁存管脚，RD、WR分别接单片机的读写容许管脚，INT0接单片机的外部中断引脚。该DSL2C887芯片编程主要读写寄存器，设置时间和阅读，用户RAM和用户RAM扩展相同。33模数转换芯片的选取A/D转换接收到的模拟信号转化成等量的数字信号，数据采集系统的核心电路就是A/D转换电路。在数据采集系统和控制系统，A/D转换芯片的集成芯片的使用，低速和中速。当前A/D转换电路的方式比较多，然而投放到市场的大量单片集成A/D转换芯片按转换原理可以分为逐次逼近式、双斜率积分式、量化反馈式和并行式A/D转换器。并行转换速度快，价格太高；双斜率积分式转变精度很高，抗干扰能力也很强强、黑龙江工程学院本科生毕业设计12价钱低，但其转换速率较慢；而逐次逼近式A/D转换器，转换精度较高、转换速率较快，转换时间比较稳定，容易受干扰。总体相比逐次逼近式的性价比最高，应用广泛，在中国使用芯片ADC0808/0809等。本系统中的信号变化频率较低，在模/数转换器转换的时间里可以保持恒定值，这对于采样的精度的影响非常低，其中的干扰占据较大的是工作频率的干扰，它可以在编写程序中采用数字滤波技术去掉。所以选则中速、便宜的逐次逼近式ADC0809芯片。模数转换电路如图33所示D215REF607489ALC3BINSTOKVCGUQPP图33A/D模数转换电路其重要技术指标为1分辨率表现为输出的数字量变化一个相邻的数码所需输入的AV的转变量，通常用二进制位数或BCD码传送到单片机。2量化误差有限分辨率的A/D转换器引起的。3转换精度理想条件下的转换值与实际的差。4转换速率表示不断的反复的进行数据转换的速率，即每一秒转换的次数。34输出功能模块341扩展模块本控制系统所利用的AT89S52系列具备4个并行I/O口，其中P0口用来传递低8位地址和复用数据总线，P2口用来传递高8位的地址总线，P3口则是多功能端口，常用第二功能。自动控制系统中，各类外围电路使用了AT89S52大部分的资源，控制的输出同样也使用了AT89S52的端口，所以务必对单片机的增添I/O扩展。我采用了82C55A进行扩展。黑龙江工程学院本科生毕业设计13它包含3个8位并行I/O输出端口的端口，PA，PB口，PC端口三个，他们可以通过软件编程来控制I/O端口的作用。82C55A包含工作的三种基本方式0输入和输出；1通输入和输出模式；2向传送。他们是从CPU输出控制字选择。在方式0工作下，三种端口的任意一个都能够由编写的程序来选则作为输入还是输出，这种工作方式适合无条件地传送数据的设备。基本功能包括1三种端口，八位俩，四位一个；2每个端口都可以用来输入和输出；3输出锁存的；输入不锁存的；40方法运行时，每个端口的进出达到16种有差别的配合。方法0时，由于无条件传输，是以它不用状况端口，均可成为作数据传递端口，当然这种工作摸式也能够用来查问式的输入和输出电路，这时候PA和PB每一个成为一个数据端口，PC的某些位成为这PA和PB的控制，状态信息。8255A的接线图如图34所示GNDVCOE1L24Q7569USAPBRWT图348255A扩展电路通常所使用的外围并行接口芯片有可芯片INTEL8L55、8255A等，本自动控制系统选用8155A型I/O芯片。342驱动电路的设计AT89S52单片机是一个弱电芯片，在普遍的状态下都是接5V电压可能更小，驱动电路的电流小于毫安级别。然而要把其用作一些大功率的工作场合，例如本设计中的驱动电机、电磁阀，显然是不行的，所以就必须要一个环节来进行衔接，而这个环节就是“驱动功率”。因此，继电器驱动器是一个典型的，简单的驱动链接。电机驱动电路如图35所示黑龙江工程学院本科生毕业设计141KR9472DQNPGUBOPTOISLAR3MVC065A图35驱动电机电路本设计使用的是直流继电器进行控制，然而也可以使用可控硅进行控制等。从AT89S52单片机输出的电信号通过继电器驱动放大后，连接电磁阀的控制回路，然后通过控制I/O口的高低电平来控制电磁阀的通断。当输入的电信号是高电平时，继电器K线圈得电继电器K的常开触头闭合，电磁阀接通或电机接通；当输入电信号是低电平时，继电器K线圈失电继电器K的常开触头断开，电磁阀断开或电机停止。电磁阀驱动电路如图36所示8L电磁阀图36驱动电磁阀电路343继电器电磁继电器一般由铁芯，线圈，衔铁，弹片和其他部件。当线圈两头施加足够的电压，流经一定的电流的线圈发生电磁效应，铁芯产生磁力吸合玄铁衔，使得动触点与静触点吸合。失去两头电压后，磁力消失，衔铁本来簧片弹力下回到原点，两触点断开。通过拉动和断开，从而控制电路中的电机转停目的。继电器一般有抵压高压两种电路，一个是控制电路和一个是工作电路。344电机选型异步电机是一种交流电机，其负载时的转速与所接电网的频率之比不是恒定关系。同时随着负载的变化的大小。负载转矩大，转速低。异步电机包括感应电机、双馈异黑龙江工程学院本科生毕业设计15步电机和交流换向器电机。感应电机使用中最广，在不致引发误会或混乱的状态下，普遍都叫感应电机为异步电机。异步电动机具备构造单一，生产、利用和维修容易，运转靠得住和质量很小，造价较低等益处。异步电动机使用广泛，重要用于工业生产的车床启动、农业用水给水排水、城市生活车库排风机等同步电动机重要用于大型设施，如鼓风机、水泵、球磨机、压缩机等，还用于小型、微型仪器设备，也可用于控制元件。其中三相同步电动机是其主体。与此同时，能够充当调相机应用，也用于朝电网传输电感性、电容性无功补偿。经过查找比较等各个方面因素的考虑，本设计控制系统采用异步电动机SKK中型A型。表31电机参数型号功率（KW）马力（HP）电流（A）转速（R/MIN）效率堵转电流额定电流A堵转转矩额定转矩重量（KG）功率因数SKKA1110154144085702296085水泵参数根据如下条件确定A、供水电机频繁启停，根据电气要求，电机功率不大于5KW，否则会影响电机使用寿命；B、水泵与用水点在同一平面，电机功率5KW左右的水泵扬程在2030M之间，流量不超过60M3/H；如果供水流量需要较多时，可以延长供水时间。同时本设计还可以增加水泵。综上所述，水泵的参数值为表32水泵参数流量扬程电机功率汽蚀余量进/出口管径50M3/H20M55KW2M100/65MM35数据通信模块设计该智能自动控制电路扩展有通信接口，是要接分布式控制系统，来实现与上位机的数据通信。在实际工作中，常常需要至少一个信号线的使用来完成，从而使控制装置是简单和方便，降低成本。RS232是ELECTRONICINDUSTRYASSOCIATION制订的串行通信的接口标准，原始编号全称是EIARS232（简称232，RS232）。RS232准则中，一序列的比特串代表字符黑龙江工程学院本科生毕业设计16来一个接一个的串行形式传递，益处是数据传递向少，装配线简单，传送位置能够较远。机械特性RS232标准采用的接口是9芯或25芯的D型插头，常用的一般是9针插头。本设计采用的是9针插头。RS232的电气特性在数据发送和接收逻辑1（标记）3V15V逻辑0空间315V在RTS、CTS、DSR、DTR和DCD控制线信号有效（连接，信号状态，正电压）315V信号无效（断开，OFF状态，负电压）3V15V以上原则阐述了RS323C准则对逻辑电平的定性。关于数据逻辑“1”（传号）的电平小于3V，逻辑“0”（空号）的电平告语3V；对于控制信号；ON情况即信号有用的电平大于3V，OFF情况即信号失效的电平小于3V，传输电平的绝对值不小于3V情况下，能够快速地检测出来，33V电压毫无用处，在15V15V以外的电压也毫无用处，所以，实际工作电压保证315V之间。MAX232是TI生产的一个RS232兼容芯片。因为计算机串口RS232电平是10V、10V，而普遍的单片机控制系统的信号电压是TTL电平05V，MAX232便是用来进行电平转变的,它包括2个驱动器、2个接收器和一个电压发生器供给TIA/EIA232F电平。主要特点1、单5V电源工作2、LINBICMOSTM工艺技术3、两个驱动器及两个接收器4、30V输入电平5、低电源电流典型值是8MAMAX232原理MAX232芯片是特意为电脑的RS232准则串口设计的接口电路，利用5V单电源供电。内部结构基本可分三个部分其接口电路如图37所示黑龙江工程学院本科生毕业设RSGNDCVETOUI0MAXPUFAP图37通信接口电路1第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4个电容组成。功用是发出12V和12V两种电源，供给RS232串口电平的需求。2第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚组成两个数据通道。它们当中后四个是第一数据通道，前四个是第二数据通道。3第三部分是供电。15脚DNG、16脚VCC（5V）。此时使用串口通讯，由于电脑的数据逻辑需要12V，所以要将5V和10V转换为所需的12V。电脑电平从R1OUT输入从T1IN输出，电平从10V转变为5V；单片机的电平从T1IN输入从R1OUT输出转成12V电平。接入四个电容是为了提升电压，是电荷泵电路。36人机接口电路设计人机接口是操作人员和控制器的交互的窗口。本控制器的人机接口单独设计成一块电路并与主电路连接，它的核心芯片使用的是HD7279A芯片。串行接口芯片，可以驱动8位共阴式数码管（或64个独立的LED智能显示驱动芯片）。该芯片本身包含的内部解码器，直接以BCD码或16进制代码，有2种解码方法，还拥有左移、右移、闪烁和其他控制功能。因为HD7279A芯片具有片选信号，所以可以实现8位的显示或64位的以及键盘接口。HD7279A具有28个引脚。HD7279A键盘显示电路如图38所示黑龙江工程学院本科生毕业设计18A1F2G3E4D56C8DP7B9A0SPYRCVKSFGNLTEYBIOUH图38HD7279A键盘显示电路HD7279A最明显的长处是与微处理器的接线容易，至多用5条电气连接线，有复位端RESET，片选输入端CS，同步时钟输入端CLK，数据输入和输出端DATA和按键有效输出端KEY。一般的控制系统，复位是直接连接供电，当有一块HD7279A芯片的控制系统中，CS可以直接与地连接，连接到I/O口线的只需要使用3个单片机端口，如果你不使用键盘来控制系统，仅显示功能，或使用键盘，而单片机软件简单的任务，KEY悬空。利用固定的时间间隔读取键盘键码，单片机用两个I/O口连接就行。HD7279A与单片机连接利用SPI串行连接，有16个命令格式3种类型，即没有数据的纯指令，数据指令，读键盘键键码。37系统供电模块设计电源电路就是给用电装置提供电压的电源部份的电路设计，电路的形式和特点。电源可分为交流电源和直流电源。当今单片机控制系统越来越精细越来越集成化，所以对电源电路的要求非常严格，要求电源电路提供稳定、可靠的电源。本系统需要电源电路提供直流5V和直流12V、12V三种电源。其中5V是单片机及各控制芯片的供电电源，12V电源则用于放大器和驱动继电器。电源电路由变压器，整流器，滤波器和第四部分的稳压器组成，220V交流电通过变压器的输出交流低压电，随后经过整流元件整流将送过来交流低压电变成一个单向脉冲电压，经过滤波电容，最后又三端稳压器输出直流稳定电压。供电模块的稳压集成电路是采用三端稳压管7805、7812和7912。系统供电电路如图39所示黑龙江工程学院本科生毕业设计19T1RANSCUPLVD4IN0PO23OUGM785A（A）69DE（B）图39电源电路（A）（B）38传感器选择381土壤湿度传感器的选取土壤湿度传感器的重要作用是用来泥土含有的水分的监测，用以土壤墒情的监测、农业节水灌溉。目前最常用到的土壤湿度传感器有FDR型和TDR型两种。当前比较流行的是FDR型。（频域反射）时域反射仪是用于测量土壤水分的仪器，FDR的工作原理是基于电磁脉冲原理，是按照电磁波传播原理，测量出使用土地的介电常数，来获得单位土地的含水量V。FDR具备使用安全简单，测量迅速无误，连续不断测量想测量的点、测量宽量程，运行自动化和少标定等益处。土壤水分的盈缺对农作物的生长起着最重要的影响，它在适宜的湿度环境下，作物的成长非常良好，所以土壤湿度传感器的选用就必须满足可以控制土壤的湿度在一定的有效范围内，能快速地、准确地测量出农田土壤中所含水分，保证适时适当的做出合理灌溉等。本控制系统的输入信号是传感器所测量的土壤水分信息，所以传感器的选取非常重要，如果选取的测量元件测量精度太高，就不可避免的增加了成本；如果测量精度太低，就难以保证的控制土壤湿度在需要的有效范围内。所以经过各种土壤水分传感器综合考比较，选用国产的高性价比的SWR2型土壤湿度传感器。它不但可以长期埋设在地下，而且携带方便，操作简单，能耗极低。SWR2型土壤水分黑龙江工程学院本科生毕业设计20传感器能够监测运动的水分点源信息，能够在泥土里对水分实时检测。除了TSC系列土壤水分测定仪或收集设施的使用，也可与各种不同的数据采集输入卡，远程数据采集模块，通用设备。它具备可靠稳定的运行，检测精度较高，适用于许多不同的土地，土地中肥料和金属离子对它的影响非常小等特点，输出电压信号，配合本系统自带的数据采集模块便可直接使用，它是对土壤水分含量的自动获取可靠的工具。其性能指标为1特点测量精度高，响应速度快；土质影响较小，应用地区广泛；密封性能好，长埋在土壤中，且不受腐蚀；价格低廉，适用于农田，水，道路，铁路路基水分测量。主要性能指标测量参数土壤体积含水量（立方米/立方米）；测量范围0100M3/M3；测量精度050M3/M3范围内为2M3/M3；输出信号025V测量区域90的影响在围绕中央探针的直经为3CM，长为6CM的圆柱体内响应时间小于1秒工作电流60MA80MA，典型值70MA电缆长度标准长度5M，最长20M探针材料不锈钢，强度大，不易折断密封材料ABS工程塑料外形尺寸50115MM工作温度5050工作电压4555VDC，典型值50VDC；土壤湿度检测电路如图310所示24PSWROUTINV5678EGD图310土壤湿度检测电路382空气温度传感器的选用与性能我使用的是集成温度传感器DSL8B20全数字控制系统的温度传感器，该温度采集黑龙江工程学院本科生毕业设计21的数字温度计DALEAS公司一线生产，一条总线连接，是当代有一新的适合MCU的集成智能的数字温度传感器。它集成了温度检测，信号变化，A/D转换，自动加热功能，使用T092进行装封，接口非常简单。引脚功能DQ为DSL8B20的输入/输出端；GND为接地端；VDD与供电模块连接。DSL8B20具备体积小，线条优美，功能稳定等长处。它能够对空气温度进行检测，而且以增添的二进制补码方式输出温度值，用00625/LSB方式表述，S是符号位。例125的数字输出为07DOH。与曾经的热敏电阻比拟，它不仅可以直接显示检测的温度而且可按照工作需求，