自動澆灌控制系統(tǒng)

1、第一章 緒論1.1研究的背景 1.水對我們的生命起著重要的作用 ,它是生命的源泉，是人類賴以生存和發(fā)展的不可缺少的最重要的物質(zhì)資源之一。人的生命一刻也離不開水，水是人生命需要最主要的物質(zhì)。 而對人體而言的生理功能是多方面，而體內(nèi)發(fā)生的一切化學反應都是在介質(zhì)水中進行，沒有水，養(yǎng)料不能被吸收；氧氣不能運到所需部位；養(yǎng)料和激素也不能到達它的作用部位；廢物不能排除，新陳代謝將停止，人將死亡。因此，水對人的生命是最重要的物質(zhì)。 在地球上，哪里有水，哪里就有生命。一切生命活動都是起源于水的。 2.在現(xiàn)代工業(yè)中，沒有一個工業(yè)部門是不用水的。也沒有一項工業(yè)不和水直接或間接發(fā)生關(guān)系。更多的工業(yè)是利用水來冷卻設(shè)備

2、或產(chǎn)品，例如鋼鐵廠等。水還常常用來作為洗滌劑，如漂洗原料或產(chǎn)品，清洗設(shè)備或地面，每個工廠都要利用水的各種作用來維護正常生產(chǎn)，幾乎每一個生產(chǎn)環(huán)節(jié)都有水的參與。 所以,水作為大自然賦予人類的寶貴財富，早就被人們關(guān)注。但是人們經(jīng)常使用“水資源”一詞，卻是近一二十年的事。關(guān)于水資源的定義，有幾十種之多，較普遍的說法是指“可以供人們經(jīng)常取用、逐年可以恢復的水量”。也就是通常所指的淡水資源。這樣，苦咸的的海水就不算在內(nèi)，連千年難化的冰川、不易取用的一部分地下水也排除在外了。水落石出資源是人類調(diào)查了解得最清楚的資源，決不會像煤、鐵、石油等資源那樣有新的大發(fā)現(xiàn)而改變數(shù)量結(jié)構(gòu)和分布。水資源的價值在于，水資源地球

3、生命的需求、為人類服務包括水所具有的發(fā)電、航運、養(yǎng)殖、環(huán)境等方面的能力。 我們都知道,水在自然環(huán)境和社會環(huán)境中，都是極為重要而活躍的因素。山清水秀，鳥語花香，風調(diào)雨順，五谷豐登，是人類追求向往的美境，也是人類勞動創(chuàng)造和精心愛護的碩果。水在不停地運動，在人體里，在農(nóng)田，在工廠，使世界充滿生機和活力，污物被水流帶走，稀釋了，化解了，又被大自然凈化了。當我們徜徉在大自然的懷抱的時候,其實我們所面對的全部是水給我們的力量.我們那山木禾水的生活,水給了我們很大的比例. 地球有“水球”之稱。“三山七水一分田”，這句俗語，比較形象地概括了地球表面的情況。據(jù)權(quán)威人士估計，地球上的儲水量達3.85億立方千米，如

4、果把這些水平鋪在地球的表面，那么地球就會變成一顆平均水深達2700多米的“水球”。 1.2自動澆灌的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢現(xiàn)狀目前國際上園林澆灌技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展已形成系統(tǒng)化，世界上專業(yè)的澆灌制造企業(yè)園林澆灌系統(tǒng)技術(shù)及制造技術(shù)已非常成熟。這包括但不限于泵站技術(shù)、噴滴灌技術(shù)、中心控制系統(tǒng)硬件及軟件技術(shù)、閥門技術(shù)、施肥/施藥技術(shù)等等。我國現(xiàn)代園林澆灌技術(shù)起步較晚，目前尚沒有形成系統(tǒng)化、專業(yè)化的軟件及硬件系統(tǒng)。國內(nèi)許多園林澆灌技術(shù)開發(fā)及生產(chǎn)企業(yè)大都是在學習借鑒國外的先進技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)自己的技術(shù)及產(chǎn)品。隨著世界人口的增長和能源、水資源危機的加劇，園林澆灌設(shè)備正朝著更加環(huán)保、采用新材料、智能化控制、跨行業(yè)開

5、發(fā)、低壓噴灑、降低能耗、綜合利用、多種用途方向穩(wěn)步發(fā)展。隨著塑料模具加工精度越來越高，其加工成本費用也大幅度降低，必將大大促進各種灌水器及其附件的更新?lián)Q代速度。國外園林澆灌現(xiàn)已關(guān)注噴滴灌系統(tǒng)中最令人頭痛的堵塞及利用微堿水和城市處理過的廢水進行澆灌等問題。在國內(nèi)，從北京市水利局和北京市節(jié)水辦獲悉，北京市已啟動替代水源工程，加快雨水和中水的開發(fā)利用，并已經(jīng)列出時間表，2005 年1月起，城市園林綠化、道路沖灑、建筑降塵、水景觀必須使用中水和河水。到2008 年，全市年利用中水和雨水要達到2 億立方米。而在中水的利用方面，國外諸如美國雨鳥公司的中水澆灌產(chǎn)品早已在美國加利佛尼亞、佛羅里達等地區(qū)被廣泛使

6、用。 發(fā)展趨勢 隨著現(xiàn)代高科技的發(fā)展，各種智能家電、數(shù)碼產(chǎn)品走進人們的生活，網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為人們現(xiàn)代生活中人際交往和獲取知識的一個不可或缺的平臺。鑒于現(xiàn)在高科技的發(fā)展，未來自動澆灌控制系統(tǒng)的發(fā)展也有望朝這些方面發(fā)展。1、智能化 隨著傳感技術(shù)、計算機技術(shù)和自動控制技術(shù)的不斷發(fā)展，溫室計算機環(huán)境控制系統(tǒng)的應用將由簡單的以數(shù)據(jù)采集處理和監(jiān)測，逐步轉(zhuǎn)向以知識處理和應用為主。因此軟件系統(tǒng)的研制開發(fā)將不斷深入完善，其中以專家系統(tǒng)為主的智能管理系統(tǒng)已取得了不少研究成果，而且應用前景非常廣闊。2、網(wǎng)絡(luò)化 目前，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)己成為最有活力，發(fā)展最快的高科技領(lǐng)域。網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展促進了信息傳播。設(shè)施的產(chǎn)業(yè)化程度的提高成

7、為可能。3、綜合環(huán)境調(diào)控 所謂綜合環(huán)境調(diào)節(jié)，就是以實現(xiàn)花卉的正常生長為目標，把影響花卉生長的多種環(huán)境參數(shù)(如光照、溫度、濕度等)都保持在適宜花卉生長的狀態(tài)，并盡可能使用最少量的環(huán)境調(diào)節(jié)裝置(采光、遮光、通風、保溫、加溫、施用C02等)。 智能及無人操作將是未來的各種行業(yè)的發(fā)展趨勢，不僅能大量節(jié)省人們的寶貴時間還能更好的控制各種成分的細微比例做到人們自己動手所不能做到的效果。4、 高移植性 稍微修改一些系統(tǒng)的參數(shù)及設(shè)備即可應用于別的環(huán)境下，省時省力，節(jié)省大量資金及研發(fā)成本。 在不久的將來，不僅能實現(xiàn)對辦公室花卉的控制而且可以實現(xiàn)路邊及所有公共場所花草樹木的自動灌溉，而且可以加入遠程控制，可視頻控

8、制，更大限度的節(jié)省人力物力，這將是世界澆灌系統(tǒng)的一個發(fā)展趨勢。1.4本論文的主要研究內(nèi)容基礎(chǔ)研究與設(shè)計開發(fā) 通過研究盆景花卉正常生長的各種參數(shù)，根據(jù)是否需要水和光照而自動澆灌，很好地控制花卉生長的溫度及濕度。考慮干擾的消除措施，有效地避免干擾的產(chǎn)生，如何采用太陽能給電池充電使之環(huán)保又節(jié)省了資本，系統(tǒng)的器件需要采用高性能低價原件，降低開發(fā)成本低，而且能夠滿足大多數(shù)用戶的需求。自動控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計1、本系統(tǒng)將對溫室環(huán)境中土壤濕度、光照強度、溫度因子的調(diào)控進行自動化控制，以期達到最佳的控制效果。2、系統(tǒng)硬件設(shè)計，完成硬件原理圖。硬件將通過調(diào)研對比分析，選用高性價比元件，采用一些成熟電路設(shè)計，達到

9、提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性與精度，降低成本，提高市場竟爭力的目標。3、程序設(shè)計流程與程序清單。軟件設(shè)計將采用C語言設(shè)計，提高系統(tǒng)的修改、調(diào)試與升級（增加控制因子)的能力。4、通過系統(tǒng)仿真，檢驗系統(tǒng)硬件與軟件設(shè)計的合理性，能否達到預期的功能。第2章 系統(tǒng)總體設(shè)計2.1應用場合和工作環(huán)境 該單片片機應用系統(tǒng)主要應用于辦公室、家庭內(nèi)，價格低，操作方便，主要面向喜愛花卉但沒有時間管理者經(jīng)營者。其工作環(huán)境溫度為040°C。2.2 系統(tǒng)的預期功能和技術(shù)指標2.2.1課題研究預期功能 現(xiàn)實生活中很多花卉溫度、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定值將對花卉的生長產(chǎn)生影響。該系統(tǒng)要求

10、用單片機測控來實現(xiàn)花卉生長環(huán)境因子信息數(shù)據(jù)的實時采集、處理，而后輸出控制執(zhí)行機構(gòu)，以實現(xiàn)環(huán)境濕度、溫度和光照強度的測控，達到節(jié)水節(jié)能，省時省工的效果。具體功能如下:1、實現(xiàn)按需灌溉功能。按照花卉的需求開啟和關(guān)閉灌溉系統(tǒng)，實現(xiàn)一般的控制。具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低，操作方便。2、通過傳感器檢測花卉生長的環(huán)境溫度、土壤濕度和光照強度，依據(jù)設(shè)定的植物要求的溫度、濕度和光照強度的上下限值，由單片機來控制開關(guān)窗戶、電磁閥和窗簾，從而調(diào)節(jié)溫度、濕度和光照。當空氣溫度高于上限值時，自動打開窗戶進行自然降溫，達到要求值時則自動關(guān)閉。3、室內(nèi)環(huán)境中土壤濕度是重要因子，要求當土壤含水量過低己不能滿足花卉最低需求時，就打

11、開電磁閥進行灌溉，當濕度滿足要求是關(guān)閉電磁閥。4、光照強度控制因子考慮到生產(chǎn)成本問題，但是本系統(tǒng)不足之處是未考慮人工增光設(shè)備，如果光照強度高于上限值時，關(guān)閉窗簾降低光照，如果光照強度低，打開窗簾網(wǎng)。2.2.2系統(tǒng)技術(shù)指標 系統(tǒng)技術(shù)指標（夏天）要求具體見表3-1所示，其控制范圍亦可據(jù)具體作物的需要來設(shè)定，%RH(Relative Humidity)為相對百分數(shù) ，其中硬件成本由于單個制作跟批量生產(chǎn)有一定的差值。 表2-1系統(tǒng)技術(shù)指標控制參數(shù)土壤濕度%RH溫度°C光照強度LX太陽能電池板硬件總成本控制范圍6080203035萬尺寸112mm*65mm*4mm，開路6V，短路電流150MA

12、50702.3系統(tǒng)設(shè)計總體方案系統(tǒng)測控原理 在控制技術(shù)方面，有諸如開環(huán)、閉環(huán)反饋控制，模糊控制，自適應控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等現(xiàn)代控制技術(shù)。模糊控制技術(shù)當前應用最廣泛，一般用于有上、下位機的單片機控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的閉環(huán)控制技術(shù)，系統(tǒng)控制原理邏輯框圖見圖2-2所示：電磁閥、電動機、步進電機 溫度濕度光照花卉的各種參數(shù)AT89S52 給定值溫度濕度光照傳感器圖2-2閉環(huán)控制邏輯原理框圖系統(tǒng)總體設(shè)計 （1）本文針對實際需要，設(shè)計了一套溫度、濕度和光照檢測與控制系統(tǒng)，保證花卉在生長的各個時期有適宜的生長環(huán)境，整個測控系統(tǒng)由傳感器、控制器和執(zhí)行機構(gòu)三部分構(gòu)成。整個系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2-3所示穩(wěn)壓濾波

13、太陽能電池板電池充電集成電路放大電路濕度傳感器繼電器電磁閥溫度傳感器 單片機 AT89S52光照傳感器 驅(qū)動器窗戶電機窗簾步進電機步進電機驅(qū)動器 圖 2-3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖（2）硬件電路以AT89S52單片機為核心，系統(tǒng)輸入由采集土壤水分傳感器、光照傳感器和溫度傳感器及傳感器信號處理電路組成，輸出控制由繼電器、執(zhí)行器構(gòu)成。（3）軟件用C語言作為編程語言，采用模塊式結(jié)構(gòu)設(shè)計。2.4系統(tǒng)的工作原理 系統(tǒng)的工作中，有太陽能電池給電池充電，電池的輸出經(jīng)過穩(wěn)壓模塊，避免電壓的較大變化，電池為整個系統(tǒng)提供電能。經(jīng)過溫度、濕度及光照檢測的傳感器把被測對象的溫度、濕度光照轉(zhuǎn)換成電壓信號，轉(zhuǎn)換為0-1數(shù)字信號后

14、送入單片機中，與給定的所要控制的溫度、濕度值進行比較，根據(jù)單片機 AT89S52中設(shè)置的參數(shù)，輸出相應溫度、濕度值對應的被控對象電機和電磁閥的值，帶動動力系統(tǒng)作相應的運動，不斷減少與單片機中設(shè)置值的差值，溫度過高時，單片機控制直流電機驅(qū)動器打開窗戶，進行自然散熱，溫度適合時關(guān)閉窗戶。當土壤濕度過低時，單片機通過繼電器控制電磁閥使其打開進行澆水，澆水后濕度適中時關(guān)閉電磁閥。光照檢測電路將光照強度轉(zhuǎn)換成0-1代碼，輸入單片機，當光照過強時關(guān)閉窗簾，光照適合時打開窗簾。溫度濕度不斷地檢測、控制，使之達到一個動態(tài)的平衡。第3章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 3.1單片機控制系統(tǒng)設(shè)計 單片機的選擇 電子技術(shù)飛速發(fā)展，

15、使得計算機不斷更新?lián)Q代。其中單片機更是一枝獨秀，廣泛應用于各個領(lǐng)域，使其自動化程度大提高。 單片機具有體積小，價格低廉，功能強大，穩(wěn)定可靠，運算速度快，功耗低，擴展容易，抗干擾能力強，系列齊全，使用方便靈活等優(yōu)點，廣泛應用于工業(yè)過程控制、自動監(jiān)測、智能儀器儀表、家用電器等領(lǐng)域。單片機成為當今世界上銷售量最大、應用面最廣、價格最便宜的微型計算機產(chǎn)品。 目前世界上最具實力的單片機開發(fā)公司有:美國的Intel，ATMEL，荷蘭的PhilipS，德國的SiemenS等。其中Intel公司一直處于領(lǐng)先地位，主要有MCS-48、MCS-51和MCS-96三大系列，其中MCS-51系列是 1980年推出的高

16、檔8位單片機，代表著單片機的發(fā)展方向，成為單片機領(lǐng)域中的主流產(chǎn)品。ATMEL公司的89系列Flash單片機以 Intel80C51/52作為內(nèi)核，并采用可重復編程FlashROM技術(shù)，是一種源于8051而又優(yōu)于8051的單片機，己成為廣大MCS-51用戶進行電子設(shè)計與開發(fā)的優(yōu)選單片機品種。根據(jù)實際情況與要求，本系統(tǒng)選用ATMEL公司89系列標準型單片機AT89S52，其價格適中功能強大，這應當是比較符合我國國情的選擇。3.1.2 AT89S52簡介AT89S52是一個低功耗，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8K Bytes ISP(In-system programmable)的可反復擦寫1

17、000次的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標準MCS -51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲單元，功能強大的微型計算機的AT89S52可為許多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高性價比的解決方案。.1單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖與基本特征 AT89S52內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示： 1、基本特征· 與MCS-51單片機產(chǎn)品兼容 · 8K字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash存儲器，256字節(jié)RAM· 可反復擦寫>1000次 · 全靜態(tài)操作：0Hz33Hz · 三級加密程序存

18、儲器 · 32個可編程I/O口線 · 三個16位定時器/計數(shù)器 · 八個中斷源 · 全雙工UART串行通道 · 低功耗空閑和掉電模式 · 掉電后中斷可喚醒 · 看門狗定時器 · 雙數(shù)據(jù)指針 · 掉電標識符 圖3-1AT89S52外部引腳.2引腳配置及功能 AT89S52單片機有40個引腳，為CMOS工藝雙列直插封裝(DIP)，其引腳配置見圖3-1所示，各引腳功能簡述如下: 1、主電源引腳VCC:電源端，+5V 。GND:接地 2、4個8位I/O端口P0、P1、P2和P3 P0口：PO口為一個8位漏級開路雙

19、向工/0口，每個引腳可吸收8個TTL門電流。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/0口，P1口緩沖器能接收輸出4個TTL門電流。Pl口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/0口，P2口緩沖器可接收輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被

20、內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址"1"時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/0口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流(ILL)這是由于上拉

21、的緣故。P3口也可作為AT89S52的一些特殊功能口，如下表1所示: 口管腳 備選功能 P3.0 RXD 串行輸入口 P3.1 TXD 并行輸入口 P3.2 /INT0 外部中斷0 P3.3 /INT1 外部中斷1 P3.4 T0 計時器0外部輸入 P3.5 T1 計時器1外部輸入 P3.6 / 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 P3.7 / 外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 表1 P3口的特殊功能3、控制信號引腳 RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE：低電平有效，當訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的低位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編

22、程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFRSEH地址上置0。此時，ALE只有在執(zhí)行MOVX、MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。 PSEN：低電平有效，外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的PSEN信號將不出現(xiàn)。 EA/V即:當EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器(00

23、00H-FFFH)，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，麗將內(nèi)部鎖定為RESET；當EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源(VPP)。 4、時間振蕩電路 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。存儲器的配置 AT89系列單片機的存儲器采用的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開編址的，它們有各自的尋址系統(tǒng)、控制信號和特定功能。程序和數(shù)據(jù)存儲器在物理和邏輯上均分為兩個地址空間:內(nèi)部存儲空間和外部存儲空間。本系統(tǒng)的代碼程序不太大，AT89S521片內(nèi)的8KB ROM閃速存儲器256字節(jié)的RAM即

24、可滿足要求，無需擴展片外ROM跟RAM。時鐘電路與復位電路的設(shè)計1、時鐘電路設(shè)計 AT89S52單片機內(nèi)部有個振蕩器，可以用作CPU的時鐘源。本系統(tǒng)時鐘選用內(nèi)部方式。AT89S52內(nèi)部含有一個高增益的反相放大器，通過XTAL1(輸入端)、XTAL2(輸出端)外接作為反饋元件的片外石英晶體(或陶瓷諧振器)和電容C1，C2組成的并聯(lián)諧振電路后便構(gòu)成片內(nèi)自激振蕩器，從而利用它內(nèi)部的振蕩器產(chǎn)生時鐘。連接方法見圖3-2所示，其中晶體呈感性，其決定著振蕩器的振蕩頻率；電容Cl，C2對頻率有微調(diào)作用。電路中反饋元件選用石英晶體，電容Cl和C2均為22PF，電容與晶體的安裝位置應盡量靠近單片機。圖3-2時鐘電

25、路2、復位電路設(shè)計 89系列單片機在啟動時也需要復位使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初始態(tài)開始工作。按下SW，電源對C充電，使RST端快速到達高電平；松開按鍵，C向芯片內(nèi)阻放電，恢復為低電平，從而使單片機可靠復位，一般R1選470，R2選8.2k，C選22uF。AT89S52的按鍵復位電路見圖3-3，電路簡單可靠。圖3-3 按鍵復位電路3.2太陽能電池板充電電路 充電芯片的選擇CN3068是可以對單節(jié)可充電鋰電池進行恒流/恒壓充電的充電器電路。該器件內(nèi)部包括功率晶體管，應用時不需要外部的電流檢測電阻和阻流二極管。CN3068只需要極少的外圍元器件，熱調(diào)制電路可以在器件的功耗比較大或

26、者環(huán)境溫度比較高的時將芯片溫度控制在安全范圍內(nèi)。內(nèi)部固定的恒壓充電電壓為4.2V，也可以通過一個外部的電阻調(diào)節(jié)。充電電流通過一個外部電阻設(shè)置。當輸入電壓掉電時，CN3068自動進入低功耗的睡眠模式，此時電池的電流消耗小于3微安。其它功能包括輸入電壓過低鎖存，自動再充電，電池溫度監(jiān)控以及充電狀態(tài)/充電結(jié)束狀態(tài)指示等功能。.1詳細描述 CN3068是專門為一節(jié)鋰電池而設(shè)計的線性充電器電路，利用芯片內(nèi)部的功率晶體管對電池進行恒流和恒壓充電。充電電流可以用外部電阻編程設(shè)定，最大持續(xù)充電電流可達500mA，不需要另加阻流二極管和電流檢測電阻。CN3068包含兩個漏極開路輸出的狀態(tài)指示輸出端，充電狀態(tài)指示

27、端STAT2和充電結(jié)束指示輸出端STAT1。芯片內(nèi)部的功率管理電路在芯片的結(jié)溫超過115時自動降低充電電流，這個功能可以使用戶最大限度的利用芯片的功率處理能力，不用擔心芯片過熱而損壞芯片或者外部元器件。這樣，用戶在設(shè)計充電電流時，可以不用考慮最壞情況，而只是根據(jù)典型情況進行設(shè)計就可以了，因為在最壞情況下，CN3068會自動減小充電電流。 當輸入電壓大于電源低電壓檢測閾值和電池端電壓時，CN3068開始對電池充電，STAT2管腳輸出低電平，表示充電正在進行。如果電池電壓Kelvin檢測輸入端(FB)的電壓低于3V，充電器用小電流對電池進行預充電。當電池電壓Kelvin檢測輸入端(FB)的電壓超過

28、3V時，充電器采用恒流模式對電池充電，充電電流由IR管腳和GND之間的電阻RIR.確定。當電池電壓Kelvin檢測輸入端(FB)的電壓接近電池端調(diào)制電壓時，充電電流逐漸減小，CN3068進入恒壓充電模式。當充電電流減小到充電結(jié)束閾值時，充電周期結(jié)束，STAT2端輸出高阻態(tài)，STAT1端輸出低電平，表示充電周期結(jié)束，充電結(jié)束閾值是恒流充電電流的10%。如果要開始新的充電周期，只要將輸入電壓斷電，然后再上電就可以了。當電池電壓Kelvin檢測輸入端(FB)的電壓降到再充電閾值以下時，自動開始新的充電周期。芯片內(nèi)部的高精度的電壓基準源，誤差放大器和電阻分壓網(wǎng)絡(luò)確保電池端調(diào)制電壓的誤差在±1

29、%以內(nèi)，滿足了電池的要求。當輸入電壓掉電或者輸入電壓低于電池電壓時，充電器進入低功耗的睡眠模式，電池端消耗的電流小于3uA，從而增加了待機時間。CN3068的管腳排列如圖3-4所示：CN3068 11FBTEMP IRSTAT2 GNDSTAT1 VCCBAT 圖3-4CN3068的管腳排列 .2 CN3068特點：（1）輸入電壓范圍：4.35V 到 6V （2）不需要外部阻流二極管和電流檢測電阻 （3）恒壓充電電壓 4.2V，也可外接電阻調(diào)整恒壓充電電壓（4）可設(shè)置的持續(xù)恒流充電電流可達 500mA （5）采用恒流/恒壓/恒溫模式充電，既可以使充電電流最大化，又可以防止芯 片過熱 （6）電源

30、電壓掉電時自動進入低功耗的睡眠模式 （7）充電狀態(tài)和充電結(jié)束狀態(tài)雙指示輸出（8）封裝形式SOP8 (9)無鉛產(chǎn)品 穩(wěn)壓電路的選擇 穩(wěn)壓電源電路采用LM7805系列集成穩(wěn)壓器，可以輸出正5V直流電壓。C7、C8分別為輸入端和輸出端采用濾波電容，輸出端接一個齊納二極管進一步穩(wěn)定輸出電壓。 過充保護電路 為了防止把電池充壞，本系統(tǒng)還采用了簡單自己設(shè)計的過沖保護電路，本電路還需以后的實驗驗證。在不發(fā)生過充時，由于二極管D1的阻隔三極管不導電。當充電電壓升到5V左右時，三極管（2N3055）開始導通，它對電池進行分流，以防止過充。Q1應裝在中等尺的散熱板上。Q1選用低電壓的齊納管。 太陽能電池板充電的電

31、路圖如圖3-5所示： 圖3-5太陽能電池板充電的電路圖 電池正極的恒壓充電電壓為： Vbat 4.23.04×10-6×Rx 其中，Vbat的單位是伏特 Rx的單位是歐姆 太陽能電池板采用尺寸112mm*65mm*4mm，開路6V，短路電流150MA。充電池采用四節(jié)鎳鎘電池3.3數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計傳感器的選擇.1傳感器基本概念 傳感器技術(shù)和計算機技術(shù)及通信機技術(shù)構(gòu)成了信息技術(shù)，成為信息時代的三大支柱。后兩者發(fā)展迅速，唯有傳感器技術(shù)發(fā)展滯后。傳感器技術(shù)是衡量一個國家科技發(fā)展水平的重要標志。 依照中華人民共和國國家標準(GB/T7665-1987傳感器通用術(shù)語)的規(guī)定，傳感器的

32、定義為：“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置”，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。其中敏感元件“指傳感器中能直接感受(或響應)被測量的部分”，此處的被測量一般為非電量；轉(zhuǎn)換元件是“指傳感器中能將敏感元件感受(或響應)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部分”。 傳感器在我國的設(shè)施農(nóng)業(yè)中發(fā)揮著重要的作用，主要用于環(huán)境參數(shù)的獲取，根據(jù)檢測對象分為空氣環(huán)境和土壤環(huán)境。前者包括溫度、濕度、二氧化碳、光照度等；后者包括土壤溫度、土壤含水量、土壤PH值。傳感器的原理框圖如圖3-6所示：被測敏感元件接口電路轉(zhuǎn)換元件量電信號輔助電源圖3-6傳感器的原理.2溫度傳感器的選擇 溫度是一個

33、與人類的生活、工作息息相關(guān)的物理量，也是現(xiàn)代科學技術(shù)中最重要的物理量。常用的溫度傳感器有熱敏電阻、熱電偶、成溫度傳感器、熱電阻等。 (1)熱敏電阻:利用半導體的電阻隨溫度變化而顯著變化的特性制成的半導體測溫元件。目前使用的多為陶瓷熱敏電阻。它的優(yōu)點是:靈敏度高，工作溫度范圍寬，穩(wěn)定性好，過載能力強，體積小。但它的不足之處在于非線性和互換性差。 (2)熱電偶:是利用物理學中的金屬熱電效應制成的溫度傳感器。結(jié)構(gòu)簡單，互換性好，是500-800溫區(qū)的首選溫度傳感器。 (3)PN結(jié)溫度傳感器:實質(zhì)是一種半導體集成電路，利用晶體二極管、三極管的PN結(jié)電壓隨溫度變化而變化的原理制成。線性度好，熱慣性小，靈

34、敏度高，但互換性差。 (4)集成溫度傳感器:是把濕敏元件，放大電路、偏置電路及線形化電路集成在同一芯片上的溫度傳感器。相對其它傳感器有較好的線性度和一致性，且體積小，使用方便。據(jù)據(jù)實際情況可知，溫室內(nèi)環(huán)境的變化范圍為0-40，溫度的變化范圍較小;并且溫度的變化速度較慢，因而不需要傳感器的反應速度太高。經(jīng)過對上述幾種溫度傳感器的性能分析比較，認為選用集成溫度傳感器DS18B20合適。由于具有結(jié)構(gòu)簡單不需要外接電路，可用一根 I/0 數(shù)據(jù)線既供電又傳輸數(shù)據(jù)，并且具有體積小，分辨率高，轉(zhuǎn)換快等優(yōu)點，被廣泛用于測量和控制溫度的地方。所測溫度由P2.7口輸入單片機與給定溫度進行比較，當溫度大于給定溫度時

35、控制步進電機正傳一定步數(shù)，打開窗簾；當溫度低于給定溫度時，控制步進電機反轉(zhuǎn)，關(guān)閉窗簾。DS18B20簡介Dallas半導體公司的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器。一線總線獨特而且經(jīng)濟的特點，是用戶可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新的概念，現(xiàn)在，新一代DS18B20體積更小、更經(jīng)濟、更靈活。DS18B20同DS1820一樣，DS18B20也支持“一線總線接口”，測量溫度范圍為-55°C +125°C，在-10°C 85°C范圍內(nèi)精度為±0.5°C?，F(xiàn)場溫度直接以“一線總線”的數(shù)字

36、方式傳輸，提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過程控制。測溫類電子產(chǎn)品等。與前一代產(chǎn)品不同，新產(chǎn)品支持3v5v的電壓范圍，使系統(tǒng)設(shè)計更靈活。方便，而且新一代產(chǎn)品更便宜體積更小。DS18B20的特征·獨特的單線接口僅需一個端口引腳進行通訊·每個器件有唯一的64位的序列號存儲在內(nèi)部存儲器中·簡單的多點分布式測溫應用·無需外部器件·可通過數(shù)據(jù)線供電，供電范圍為3.0V到5.5V·測溫范圍為-55°C +125°C（-67 +257°F）在-10°C 85°

37、C范圍內(nèi)精度為±0.5°C·溫度計分辨率可以被使用者選擇為912位數(shù)字·最多在75ms內(nèi)將溫度轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字·用戶可定義的非易失性溫度報警設(shè)置·報警搜索命令識別并標志超過程序限定溫度（溫度報警條件）的器件·應用包括溫度控制、工業(yè)系統(tǒng)、消費品、溫度計或任何熱感測系統(tǒng)DS18B20與另一款測溫軟件AD590相比，其外圍硬件電路更加簡單，通過一個單線接口發(fā)送或接受信息，與單片機之間僅需一條連接線，無需外部電源，無需AD轉(zhuǎn)換電路，安裝、使用方便，大大的節(jié)省了成本。DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-7所示：存儲器和控制邏輯64位ROM

38、和單線接口高速緩存存儲器溫度靈敏器件內(nèi)部VDD低溫觸發(fā)器TL高溫觸發(fā)器TH電源探測配置寄存器8位CRC生成器圖3-7DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B20的引腳如圖所示：DALLASDS18B20 GNDDQVCC圖 DS18B20外部引腳引腳說明：GND 接地，VCC接電源， DQ 是數(shù)據(jù)IO口。 DS18B20構(gòu)成測溫系統(tǒng)只需外接一個上拉電阻即可實現(xiàn)與單片機之間的通訊線路簡單溫度檢測電路如圖3-8所示 圖3-8溫度檢測電路.3濕度傳感器的選擇 濕度是表示空氣中水蒸氣含量的物理量，常用絕對濕度和相對濕度來表示，影響植物生長的濕度是相對濕度?？焖佟蚀_地測定花卉生長環(huán)境的濕度信息，對于探明植物生

39、長環(huán)境此時是否為最佳狀態(tài)具有重要意義。 針對室內(nèi)的具體環(huán)境，對濕度傳感器要求：可應用在線監(jiān)測易于實現(xiàn)自動化，有良好的靈敏度和精確度、寬量程，測濕范圍為0-100%RH，檢測壽命長，可靠性、穩(wěn)定性高，傳感器為線性輸出濕度檢測模塊。 土壤濕度是最重要和最常用的土壤信息，它是科學地控制調(diào)節(jié)土壤水分狀況，進行節(jié)水灌溉，實現(xiàn)科學用水的基礎(chǔ)。植物一般以土壤水分占土壤持水量的60%80%時生長最好，快速準確地測定土壤水分對于探明植物生長發(fā)育期內(nèi)土壤水分盈虧以便適時作出灌溉施肥決策或排水措施等具有重要的意義。 目前，土壤水分的直接測定主要方法有烘干法即土鉆法(SA)，間接測量可用石膏電阻塊、電容法、張力計和中

40、子儀、時域反射儀 (TDR)等。 考慮到成本及電路的復雜程度本系統(tǒng)采用簡單電路即可實現(xiàn)，使本系統(tǒng)控制土壤的濕度在60%80%之間。 由V 1和V 2及部分外圍元件組成土壤水分檢測電路，石墨電極的體電阻隨濕度而變化，當土壤濕度較大時，其體電阻較大， V1因其基極電位高而截止，造成V2也截止，其集電極輸出低電平。當土壤水分降低到規(guī)定值時，V1因其基極電位降低而導通，于是V2也導通，由V 2 集電極輸出高電平，單片機控制電磁閥打開開始放水；待土壤水分降低至規(guī)定值時，檢測電路中的V2管就輸出高電平，經(jīng)反向器U6反向后輸出低電平給單片機的P2.5端，控制電磁閥關(guān)閉。通過調(diào)節(jié)RES的阻值，可以控制土壤濕度

41、的范圍在%60-%80之間，具體阻值由后期實驗測定。土壤濕度傳感器電路組成如圖3-9所示：圖3-9濕度傳感器電路組成.4光照檢測電路的選擇 光照是作物生長的必要條件，是植物制造營養(yǎng)物質(zhì)的能源，沒有光的存在光合作用就不能進行，作物的生長發(fā)育就要受到影響?？焖贉蚀_地測定作物生長環(huán)境的光照強度，對于探明作物生長環(huán)境狀態(tài)是否為最佳，是否適宜作物生長，以便及時做出調(diào)控等具有重要的意義。 光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器，它是把光信號(紅外、可見及紫外光輻射)轉(zhuǎn)變成為電信號的器件?？捎糜跈z測直接引起光量變化的非電量，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成分分析

42、等;也可用來檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量。光電式傳感器具有非接觸、響應快、性能可靠等特點。 本系統(tǒng)的光照檢測電路采用LM324作比較器，光電三極管作感光元件，當有光照并且達到一定的強度的時候，光電三極管導通，LM324輸出低電平，單片機接受低電平信號控制步進電機做出相應的動作（拉開窗簾）。光照檢測電路如圖3-10所示圖3-10光照檢測電路輸出控制電路的設(shè)計 自動控制系統(tǒng)通過傳感器對受控對象的有關(guān)參數(shù)信息數(shù)據(jù)的實時采集，經(jīng)過數(shù)字化變換進入單片機CPU進行必要的處理，而后輸出以驅(qū)動執(zhí)行器件或機構(gòu)產(chǎn)生相應的動作，直接推動被控對象來調(diào)整被測參量，最終目的以使受控參量始終處于要求值或范圍內(nèi)。 在單片

43、機完成控制處理后總是以數(shù)字信號通過I/O口線或數(shù)據(jù)總線輸出至受控對象的。對受控設(shè)備的驅(qū)動常采用模擬量或數(shù)字量輸出驅(qū)動兩種方式。而在實際的單片機測控系統(tǒng)中，數(shù)字量輸出控制已越來越廣泛地被應用，尤其是其中的開關(guān)量輸出驅(qū)動和控制。目前單片機I/0口線的驅(qū)動能力和與CPU直接接口的一般TTL電路或CMOS電路的驅(qū)動能力很有限的，不足以驅(qū)動那些功率開關(guān)(如繼電器、電機、電磁開關(guān)等)和強電設(shè)備、大功率負載，且由于工作現(xiàn)場環(huán)境惡劣、輸出通道接近控制對象及周圍的電磁等干擾嚴重，所以輸出控制電路設(shè)計主要是解決輸出隔離即干擾防治和功率驅(qū)動問題。其邏輯框圖見圖3-11所示:光耦單片機輸出驅(qū)動開關(guān)量執(zhí)行器件繼電器圖3

44、-11輸出通道控制示意圖 本系統(tǒng)的執(zhí)行器件和機構(gòu)只有開啟和停閉兩種狀態(tài)，采用開關(guān)量形態(tài)輸出控制，經(jīng)I/0口到受控對象，據(jù)輸出控制具體情況附加功率放大驅(qū)動電路后驅(qū)動執(zhí)行器件直接推動受控對象。 單片機與功率放大電路間易產(chǎn)生電磁干擾，因此采用光電耦合器隔離等抗干擾措施。開關(guān)量輸出電路中最主要的干擾是在控制動力設(shè)備啟停時的沖擊干擾。開關(guān)量輸出隔離的目的在于隔斷單片機與執(zhí)行機構(gòu)之間的直接電氣聯(lián)系，以防地電位差、外界電磁場等干擾因素造成執(zhí)行機構(gòu)地誤動作，甚至導致智能儀器本身的損壞。 目前常用的開關(guān)量輸出驅(qū)動隔離器件主要有：功率晶體管、光電耦合器件和繼電器等。功率晶體管適合于負載所需電流不太大的場合，常用來

45、驅(qū)動微型繼電器、LED顯示等。光電耦合器件具有輸出信號與輸入信號在電氣上完全隔離，抗干擾能力強，隔離電壓可達千伏以上;無觸點，壽命長，可靠性高;響應速度快，易與TTL電路配合使用，兼有隔離驅(qū)動功能。繼電器是利用改變金屬觸點位置使動觸點和定觸點閉合或分開，所以繼電器具有接觸電阻小，流過電流大和耐壓高等優(yōu)點;并且繼電器觸點的負載能力遠遠大于光電耦合的負載能力，它能直接控制強電動力回路，且外電路安排靈活，且還有很大的電流放大作用是一種很好的開關(guān)量輸出隔離及驅(qū)動器件。 本系統(tǒng)中被控對象都要用到功率驅(qū)動器件，其中電磁閥約5V/個、天窗電機約10W/臺。電磁閥選用的是直流電磁閥，具有使用方便，高靈敏度，高

46、效節(jié)能，壽命長，高可靠性的特點。產(chǎn)品適用于小型自動供水。窗戶電機選用日本/THINK系列/直流馬達/DC24V/小齒輪減速電機。對輸出控制的前置隔離功放驅(qū)動電路均采用功率晶體管、具有隔離驅(qū)動功能的光電禍合器件和繼電器，其中隔離控制繼電器選用電磁式繼電器，繼電器兩端加接泄流二極管回路，用來保護驅(qū)動器。.1硬件的抗干擾設(shè)計 在自動澆灌控制系統(tǒng)中，系統(tǒng)可靠性的保證是非常重要的，單片機硬件系統(tǒng)的可靠性決定了整個系統(tǒng)的可靠性。硬件抗干擾技術(shù)主要體現(xiàn)在過程通道抗干擾設(shè)計、供電系統(tǒng)抗干擾設(shè)計和印刷電路板抗干擾設(shè)計三個方面。單片機硬件系統(tǒng)的抗干擾能力與元器件質(zhì)量、裝配質(zhì)量等因素都有關(guān)系，但主要取決于設(shè)計的可制

47、造性(DEM)，本系統(tǒng)采取如下相應的抗干擾措施。1.采用抗干擾穩(wěn)壓電源 采用具有抗干擾能力的穩(wěn)壓電源，絕大部分干擾都可以克服。提高穩(wěn)壓電源抗干擾能力，通 常采用的措施:采用電源濾波和退禍;通過低通濾波器接入電網(wǎng)2.采用良好的接地系統(tǒng)。3.抑制電路內(nèi)部產(chǎn)生的干擾。沿著單片機主板邊緣，安置上一圈地線和電源線，并將0.luF的電容置于電源和地線間，以確保電源穩(wěn)定。4.采用光電耦合器隔離數(shù)字信號，強電與弱電之間采用繼電器隔離。5.印刷線路板大小要適中，且要合理分區(qū)按照單點接電源、單點接地的原則送電。在進行印刷電路板抗干擾設(shè)計時除了遵循抗干擾設(shè)計原則外，在印刷電路板的重要元器件電源處均配置了退禍電容以有

48、效地去除高頻成分的干擾。6、模擬電路與數(shù)字電路地線分開。模擬電路與數(shù)字電路地線分開有利于防止模擬電路與數(shù)據(jù)電路的干擾導致傳感器數(shù)據(jù)采集誤差，從而保證模擬信號的可靠采集。.2步進電機驅(qū)動電路 由ULN2003作步進電機驅(qū)動電路，單片機P1.0，P1.1，P1.2，P1.3輸出至ULN2003 的IN1-IN4，電阻R是大功率電阻，增大驅(qū)動電流。電路并聯(lián)一個電容，吸收步進電機線圈電感產(chǎn)生的反向電動勢，以保護ULN2003驅(qū)動芯片。此設(shè)計中假設(shè)步進電機轉(zhuǎn)64圈可以正好將窗簾拉開或者關(guān)閉。步進電機的驅(qū)動電路如圖3-11：圖3-11步進電機驅(qū)動電路.2電磁閥控制電路 電磁閥控制電路主要由NPN共集-共射

49、復合管及繼電器組成，當單片機P2.4給出高電平,復合管導通，繼電器接通，將開關(guān)吸合，電磁閥接通開始放水。電磁閥控制電路如圖3-12所示圖3-12電磁閥控制電路.3窗戶控制電路 窗戶控制電路主要由總線緩沖門74LS125和反向驅(qū)動器74LS06控制4個光電隔離器和4個大功率場效應開關(guān)管IRF 640（圖中用Q1-Q4表示）。 當單片機P2.2=1,P2.3=0時，由于74LS125中三態(tài)門2#是打開的所以光電隔離器U9導通并發(fā)光，光敏三極管輸出為高電平，因而使大功率場效應管Q4導通。同理，74LS125 4#三態(tài)門輸出為“0”，使得3#門的控制端也為“0”電平，因此3#三態(tài)門打開，使光電隔離器U

50、6發(fā)光并導通，因而使Q1導通。同理可分析此時Q2和Q3是關(guān)斷的。因此電流從左至右流過直流電機，使電機正轉(zhuǎn)，使得窗戶打開。當P2.2=0,P2.3=1時，則鎖存器74LS125中的2# 3#三態(tài)門打開，使得Q2和Q3接通，Q1和Q4關(guān)斷，電流由右向左流過電機，電機反轉(zhuǎn)，使得窗戶關(guān)閉。當單片機P2.2=0,P2.3=0時，四個74LS06均輸出高電平，光電隔離器U6,U7,U8,U9均截止，電動機停止轉(zhuǎn)動。窗戶電機采用日本/THINK系列/直流馬達/DC24V/小齒輪減速電機，窗戶控制的電路如圖3-13所示： 圖3-13窗戶控制電路第4章 軟件系統(tǒng)的設(shè)計4.總體設(shè)計思想 目前支持單片機應用系統(tǒng)開發(fā)的語言一般有機器語言、匯編語言和高級語言(如C51)。本系統(tǒng)選用適時性強與透明度高的C語言作為編程