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单片机开发

灌溉节水控制系统


基于单片机的远程灌溉节水控制系统设计

我国是一个典型的农业大国,对于农作物的灌溉大部分采用地面灌溉的方式。此种方式效率较低,并且根据人工经验来判断时长和灌溉的程度。传统的底面灌溉浪费了大量人力和物力,并且灌溉的水资源不能被农作物及时的吸收。除此之外,我国的水资源比较紧缺,因此节水的灌溉技术更合适发展的需要。

节水的灌溉技术在国外已经成熟,这主要是由于他们起步早,并且运用比较先进的电子和计算机技术。如果全部引进国外的灌溉系统,不仅技术受到国外的控制,而且成本的费用也较高。另外,我国的自然气候土地状况也不尽相同。基于此本文设计了以单片机STC89C52核心的控制系统,阐述了控制系统的硬件电路,主要包括电源电路、显示电路、数据采集电路和驱动电路等,并利用开发软件Keil设计程序,主要包括监控程序、时钟程序等。经过最终的调试,该控制系统能很好的实现预期要求,达到农作物合理灌溉的目的,且易于推广。

一、远程灌溉节水控制系统工作原理和结构

远程灌溉系统是以单片机为核心的,同时对其它设备进行控制、处理以及监控等,总体结构图如图1所示。整体的灌溉系统主要包括单片机的控制系统、管道运水系统、湿度传感器和电源电路等。根据图1中的介绍,其工作原理如下所示。

图 1 灌溉系统总体结构

(1)灌溉的装置主要是由水泵、压力表、流量计等组成,一定的压强下可以将水和肥料相互融合,此时先将杂质过滤出来,然后形成的有用的液体进入管道内部。

(2)运水的管道系统主要是主干管道、支路管道、毛管等组成。一般情况下,主管和直管的直径大约为37.5~100mm,毛管的直径在10mm左右。为了更好的实现水在管道内部的顺利流通,各个不同的管道之间用二通或者三通的阀连接。

(3)滴头的功能主要是将水流的形状转变为微小的水滴,进而充分的浸湿土壤。

(4)湿度传感器主要是测量土壤内部的湿度,能够收集控制系统的大量数据,进而对灌溉的程度和需求进行及时的评价。

(5)单片机是灌溉系统的关键部分,主要是由中央处理器、存储器、定时器等组成。灌溉系统中的上位机和单片机是以串行通信RS232连接,湿度传感器根据A/D接口实现数据的传送和转换,控制系统对接收到的信号进行处理,并运用驱动电路实现对电磁阀系统的控制,进一步完成农作物的灌溉。

二、远程灌溉节水控制系统硬件电路设计

整个系统的硬件电路由单片机控制电路、时钟及复位电路、人机对话电路、数据采集电路、电磁阀驱动电路和电源模块等组成。

2.1单片机电路设计

单片机STC89C52是由ATMEL公司生产的低电压、高性能8位控制机,含有8K的只读存储器和256K的数据存储器。它有40引脚、32个双向输入端口、2个中断接口、3个16位计数器和2个串行通信接口等,并且兼容MCS-51指令系统。时钟频率为0~24MHz,电源的接入端为-5~+5V。

2.2时钟及复位电路设计

该单片机采用内部振荡器组成,为高增益反向增大器。XTAL1和XTAL2分别为输入端和输出端。当系统工作的时候,如果遇到故障或者复杂状态的时候,需要对系统进行复位。此单片机的自动复位功能互主要是通过电容充放电实现的。手动按键复位主要是通过电阻与电源相接通。

2.3人机接口电路设计

人机接口电路主要实现人与计算机进行信息、数据的交换。目前最常用的输出和输入设备包括显示器和键盘,下显示接口面对LED的显示接口电路和键盘电路进行设计。为了实现系统的简化,该控制系统采用的是四位一体的数码管。它是由8位的共阳极管路组成,并且是动态显示的。

为了更好地实现系统的控制,采用4位独立的键盘,按键的数量较少并且操作速度较快。整体的结构简单、成本低。

2.4数据采集电路设计

要想精确的实现农作物的灌溉,必须选用精确的传感器。目前土壤的湿度传感器是FDR型。此类型的传感器简单、安全、自动测量。根据实际的情况,选用SWR-2传感器。

当传感器采集后,需要进行数模转换,据此选择TLC549转换器。它是8位逐渐逼近式串行A/D芯片。

当转换成数据后,就需要对数据进行存储。由于测量的数据比较多,根据要求就选择AT24C16存储器。它具有2048个8位字节,有16K串行存储器,通过总线进行操作。

2.5输出驱动电路设计

继电器是输出电路的重要组成部分,其作用主要是对电磁阀的驱动和控制,进而完成喷头的动作。另外,为了提高整个系统的抗干扰性能,采用光耦隔离作用在继电器和单片机之间。此供电系统为双电源供电。

三、远程灌溉节水控制系统软件程序设计

模块化结构设计是灌溉系统的软件程序设计所主要采用的方式之一,其结构都有相应的模块程序完成,主要包括不同信号采集模块、信号的初始化模块、系统控制模块、限定时间显示模块等。上述各部分模块,相互配合,能够在限定时间内完成农作物的灌溉。控制系统具有通用性强、安全性高、调试方便等优点。

当单片机STC89C52上电后,首先进行的是系统程序的初始化,初始化的主要内容包括所需芯片接口的初始化以及不同标志位以及变量的初始化。完成这些后,整个系统程序就会进入主程序,单片机根据采集的土壤湿度信息,通过数模转换器进行变换,后与程序中设定的数值进行比较,经过一定的对比,LED显器就会显示实况下土壤的湿度情况。如果得到的数值比标准值大,软件程序就会不停的采集程序和数值的显示,反之程序就会按照步骤进行,启动设计好的子程序,进一步对电磁阀控制和喷头时间的限定,直到土壤的湿度值和设定的值相差不大。整个系统也是有时间限定,若超过时间定值,则会重新初始化,并重新开始农作物的灌溉。

软件系统的时钟程序主要完成的是对单片机STC89C52的定时和计时。单片机的接口T0可以通过编程调整整个系统时间显示情况以及对象的确定。

软件的键盘扫描程序主要针对系统运行中软件的抖动和按键状态的测试。整个扫描程序是每隔50ms进行一次扫描。为了更好的防止键在操作的过程中发生冲突,系统只执行一次按键。

LED显示程序的设计主要是根据所采用的共阳极数码管情况进行。当整个二极管的阳极为高电平时,此时数码管就会点亮。因此,并列的共阳极数码管就能清晰的显示时间的变化。在进行动态系现实的时候,数码管内的数字以一定的格式保存在ROM中,通过翻译过来的不同数码,调用存储的内容,进一步显示时间的变化。

在进行数模转换的时候,TLC549转换器根据模式输入、A/D变换、数据输出。数据的存储主要是AT24C16,此时采用的数据总线为I2C。根据其芯片的不同情况的寻址和应答内容,及时的写入不同的字节。总线的传送并不影响时钟线电平的变化,在满足空闲的情况,数据传送的信号就会启动。

四、远程灌溉节水控制系统调试

控制系统的软件程序设计是基于KeilC51开发的。其仿真调试也可以由Keil软件完成。最终生成的目标代码通过编程器JDT-2008烧入所需的STC89C52单片机中。

经过验证,传感器检测数的数值与实际的数值相差不大,基本上满足要求。

总结

随着时代的发展,我国的水资源日益紧缺,因此对农作物的灌溉方式选择就显得格外重要。根据实际需求,本文设计了基于单片机STC89C52的远程节水灌溉系统。

首先介绍了国内外灌溉系统的研究现状,并在此基础上,阐述了灌溉系统的组成结构和工作原理。然后,对系统的硬件进行设计,主要包括单片机电路设计、时钟及复位电路设计、驱动电路设计、人机接口电路设计和数据采集电路设计等。完成硬件设计,就需要对软件进行程序编写,软件程序的设计主要包括主监控程序的设计、系统时钟程序设计、按键识别和处理程序设计和动态显示程序设计等。最后,对设计的灌溉系统进行调试和验证。经过测试发现,整个系统满足设计的要求,设计成本低、运行可靠、安全性高、操作比较简单。它不仅克服了设计传输的困难,而且为同类系统的设计提供参考。

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