《基于AT89C51單片機(jī)的農(nóng)田節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)9600字（論文）》

基于AT89C51單片機(jī)的農(nóng)田節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要現(xiàn)如今，中國(guó)作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)依舊是經(jīng)濟(jì)發(fā)展中不可忽視的一部分，農(nóng)田環(huán)境的節(jié)水灌溉也在農(nóng)業(yè)中尤為重要。傳統(tǒng)的農(nóng)田灌溉系統(tǒng)通常采用兩種方式進(jìn)行灌溉，一個(gè)是農(nóng)田面積較小時(shí)，采用人力的方式進(jìn)行澆水；另一個(gè)是農(nóng)田面積較大，通過(guò)大范圍的機(jī)械式灌溉進(jìn)行無(wú)差別的澆水，這樣做不僅會(huì)影響到土壤濕潤(rùn)的地區(qū)，也會(huì)浪費(fèi)有限的水資源，因此本文設(shè)計(jì)一款節(jié)水灌溉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的農(nóng)田節(jié)水灌溉。本設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)為核心，由DHT11溫度和濕度感應(yīng)裝置、LCD1602液晶顯示器及繼電器操控水閥構(gòu)成系統(tǒng)整體方案，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田節(jié)水的功能設(shè)計(jì)。DHT11溫度、濕度感應(yīng)裝置所需傳輸耗能低，通過(guò)多個(gè)溫度、濕度感應(yīng)裝置的覆蓋，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)溫濕度的監(jiān)測(cè)，即節(jié)省了成本，同時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也更加穩(wěn)定。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要分為硬件部分與軟件部分，其中硬件部分主要包括溫度和濕度檢測(cè)模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、蜂鳴器警報(bào)模塊、按鍵操控模塊、水量控制模塊等，并針對(duì)硬件版塊進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。在完成硬件與軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了仿真，能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)水灌溉的功能。本系統(tǒng)具有成本低、功耗低、電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的節(jié)水灌溉具有重要意義。關(guān)鍵詞：AT89C51；溫度、濕度感應(yīng)裝置；節(jié)能灌溉；ADC0832目錄TOC\o"1-3"\h\u13558一、緒論 113021.1課題背景與意義 1263141.2國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀 1271051.3主要研究?jī)?nèi)容與章節(jié)安排 219641二、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 4291332.1節(jié)水灌溉系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu) 491952.1.1節(jié)水灌溉系統(tǒng)功能 4191882.1.2節(jié)水灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 4310692.2微處理器模塊選擇 4124152.3本章小結(jié) 532052三、系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì) 6218133.1微處理器模塊 655043.1.1時(shí)鐘電路模塊 6132243.1.2復(fù)位電路模塊 7215753.2液晶顯示模塊 7308703.3A/D轉(zhuǎn)換模塊 9212073.4溫濕度傳感模塊 985653.5繼電器模塊 11175803.6蜂鳴器警報(bào)模塊 11307903.7按鍵操控模塊 12262163.8本章小結(jié) 137974四、系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì) 14209134.1軟件工具介紹 14125934.2主程序流程設(shè)計(jì) 14176574.3顯示模塊流程設(shè)計(jì) 15275744.4溫度傳感模塊流程設(shè)計(jì) 1698444.5本章小結(jié) 1710698五、系統(tǒng)仿真與結(jié)果分析 189685.1仿真軟件 1835185.2仿真系統(tǒng)調(diào)試 187230結(jié)論 2120232參考文獻(xiàn) 22一、緒論1.1課題背景與意義節(jié)水灌溉是指盡可能少的灌溉水量來(lái)滿足農(nóng)作物對(duì)水的需求量，為了獲取農(nóng)田種植的最大收益，使用現(xiàn)代最有效率的灌溉科技進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉，使用少量的灌溉用水量以期望創(chuàng)造最大的收益，產(chǎn)生充足的產(chǎn)量。這種灌溉技術(shù)與以往灌溉方法相比具有更多的優(yōu)點(diǎn)，可以結(jié)合當(dāng)前科技成果和研究結(jié)果，依據(jù)各地區(qū)的特征、國(guó)民生產(chǎn)水平，實(shí)現(xiàn)多種適宜、可供選擇的節(jié)水灌溉方法[1]?，F(xiàn)代節(jié)水灌溉技術(shù)為攻克國(guó)內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品種植方面水源緊缺的難題提供了支持，在增加農(nóng)產(chǎn)品種植使用水資源效率、農(nóng)產(chǎn)品增加產(chǎn)量以及農(nóng)產(chǎn)品生長(zhǎng)環(huán)境的改善等領(lǐng)域體現(xiàn)出主要的影響，灌溉方式大致分為三類，具體為滴水灌溉、噴水灌溉、地面灌溉[2]。農(nóng)田進(jìn)行灌溉期間，需要人工進(jìn)行判斷農(nóng)田環(huán)境的溫度與濕度，有線傳輸?shù)姆绞讲粌H所需空間大，還需耗費(fèi)較多的人力物力。農(nóng)田灌溉所需要的數(shù)據(jù)是多個(gè)節(jié)點(diǎn)的，這就造成了數(shù)據(jù)傳輸線路的布局復(fù)雜程度大大增加。同時(shí)，農(nóng)田這類小生態(tài)系統(tǒng)當(dāng)中，電纜的連接特別容易遭到損壞或者斷線，會(huì)極大的影響數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性[3]。目前，針對(duì)農(nóng)田環(huán)境溫濕度檢測(cè)與控制系統(tǒng)兩方面之間存在的不足，擬采用感應(yīng)裝置操控水閥來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集與判斷。本系統(tǒng)基于AT89C51單片機(jī)為核心，采用環(huán)境的溫度、濕度檢測(cè)的DHT11傳感器，大量減少了布線的難度，使數(shù)據(jù)采集傳輸更加準(zhǔn)確方便，采用繼電器來(lái)模擬水閥的開關(guān)，采用軟測(cè)量方法實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的檢測(cè)，提高了系統(tǒng)的靈活性。本文通過(guò)對(duì)感應(yīng)裝置版塊的討論，重點(diǎn)研究了感應(yīng)裝置節(jié)點(diǎn)設(shè)備在農(nóng)田環(huán)境溫濕度檢測(cè)以及自動(dòng)節(jié)水灌溉操控系統(tǒng)的研究。1.2國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀現(xiàn)階段，我國(guó)節(jié)水灌溉方面的應(yīng)用比發(fā)達(dá)國(guó)家還差很多，仍是傳統(tǒng)的人工灌溉技術(shù)，甚至智能農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)或智能控制系統(tǒng)都是處于小規(guī)模的。我國(guó)大部分農(nóng)業(yè)都接近水源，對(duì)于不接近水源的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，節(jié)水灌溉成為了一個(gè)重要的步驟，然而國(guó)內(nèi)真正大規(guī)模的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)水灌溉系統(tǒng)卻寥寥無(wú)幾。但我國(guó)對(duì)節(jié)水灌溉也進(jìn)行了相應(yīng)的研究，在高效節(jié)水灌溉工程勘測(cè)設(shè)計(jì)中講述了通過(guò)網(wǎng)絡(luò)端的監(jiān)測(cè)，充分利用了GPS測(cè)量和GIS技術(shù)[4]?；赪ebGIS的天津灌區(qū)水管理信息系統(tǒng)、PLC的水田灌溉自動(dòng)操控系統(tǒng)和單片機(jī)的蔬菜溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，這些在溫室里運(yùn)用自動(dòng)操控技術(shù)進(jìn)行施肥與灌溉的系統(tǒng)已經(jīng)有了很好的開端，是一些國(guó)內(nèi)專門研究相關(guān)機(jī)械的機(jī)構(gòu)和企業(yè)共同合作開發(fā)的[5]。結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際使用情況和溫室溫濕度等特點(diǎn)，已經(jīng)成功研發(fā)出可變的環(huán)境變量。這些系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)中英文動(dòng)態(tài)監(jiān)控的顯示、裝肥料的板以及灌溉的板是可以互相混合與調(diào)節(jié)的，同時(shí)還具備電閥可調(diào)節(jié)性、計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)閉環(huán)操控等功能。還可以根據(jù)不同地區(qū)的灌溉系統(tǒng)，有選擇地進(jìn)行手動(dòng)協(xié)助操控、代碼協(xié)助操控和自主協(xié)助操控及增加約束性[6]。截止今天為止，此項(xiàng)目已投入我國(guó)家大多數(shù)農(nóng)業(yè)區(qū)，在大連、北京等農(nóng)業(yè)種植地區(qū)產(chǎn)生了顯著的效果。天津水利科學(xué)研究院與農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所均自主開發(fā)了溫室滴灌施肥智能操控系統(tǒng)[7]。一般來(lái)說(shuō)，我國(guó)精密灌溉技術(shù)的知識(shí)只達(dá)到先進(jìn)國(guó)家的基礎(chǔ)知識(shí)水準(zhǔn)。智能農(nóng)產(chǎn)品和高科技農(nóng)產(chǎn)品的種植經(jīng)驗(yàn)太少，模擬技術(shù)不先進(jìn)，探索程度不夠全面。另一方面，美國(guó)，加拿大和以色列等發(fā)達(dá)國(guó)家可以對(duì)精密灌溉進(jìn)行機(jī)械控制、早期手動(dòng)控制和后期液壓控制的混合調(diào)整，包括機(jī)械控制、電子控制和計(jì)算機(jī)控制[8]。隨著相同算法和精確灌溉技術(shù)的集成，在精確灌溉決策系統(tǒng)中越來(lái)越多地使用人工智能網(wǎng)絡(luò)算法，模擬算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，它可以實(shí)現(xiàn)不斷提高的智能性、可靠性和穩(wěn)定性，用戶界面使用更加友好[8]。20世紀(jì)90年代，數(shù)字農(nóng)業(yè)開始在北美流行。直到現(xiàn)在，數(shù)字農(nóng)業(yè)已經(jīng)覆蓋幾乎所有的中大型農(nóng)業(yè)管理中，并且在應(yīng)用中不斷的發(fā)展完善在美國(guó)，部分水管理系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到了管理水平較高的智能灌區(qū)。1.3主要研究?jī)?nèi)容與章節(jié)安排主要的研究?jī)?nèi)容是：研究系統(tǒng)主要功能，確定系統(tǒng)的構(gòu)成，設(shè)計(jì)農(nóng)田節(jié)水灌溉系統(tǒng)整體方案；研究AT89C51單片機(jī)的工作原理，了解其基本性能和使用方法；設(shè)計(jì)操控器和各項(xiàng)測(cè)量電路及信號(hào)電路，基于AT89C51單片機(jī)系統(tǒng)為中心來(lái)設(shè)計(jì)；研究各模塊的運(yùn)行原理，確定其設(shè)計(jì)方案；根據(jù)實(shí)際需求，選擇所需的軟件進(jìn)行編寫和仿真。本文全部章節(jié)安排如下：第一章為緒論，簡(jiǎn)要說(shuō)明了目前的研究背景、本課題的意義以及國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，明確本設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)。第二章為系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)的相應(yīng)功能和結(jié)構(gòu)加以詳細(xì)描述。第三章為系統(tǒng)硬件部分電路設(shè)計(jì)，對(duì)AT89C51單片機(jī)的選擇，說(shuō)明其特點(diǎn)，基本使用原理，設(shè)計(jì)合理的電路圖，已初步達(dá)到節(jié)水的目的。第四章為系統(tǒng)的軟件部分設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)原理以及工作模式進(jìn)行介紹，并對(duì)系統(tǒng)的相應(yīng)設(shè)計(jì)加以說(shuō)明。第五章為系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析。克服系統(tǒng)重點(diǎn)與難點(diǎn)技術(shù)后，把各模塊組合成一個(gè)系統(tǒng)，并對(duì)其進(jìn)行仿真測(cè)試，根據(jù)顯示結(jié)果查看本系統(tǒng)是否能夠達(dá)到各項(xiàng)指標(biāo)要求，實(shí)現(xiàn)節(jié)約用水，滿足課題所期望的目標(biāo)。總結(jié)整體系統(tǒng)的核心操控技術(shù)，分析并描述了軟件部分實(shí)現(xiàn)的流程，最終說(shuō)出系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中困難的地方。

二、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1節(jié)水灌溉系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)2.1.1節(jié)水灌溉系統(tǒng)功能基于AT89C51單片機(jī)為核心的節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的農(nóng)田灌溉，使用感應(yīng)裝置實(shí)時(shí)判斷農(nóng)田環(huán)境的溫度和濕度，操控繼電器實(shí)現(xiàn)水泵的開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)水的目的。利用單片機(jī)系統(tǒng)完成對(duì)農(nóng)田各項(xiàng)信息的采集、處理等功能，編寫各版塊的程序，完成程序仿真測(cè)試，最后測(cè)試結(jié)果表明通過(guò)環(huán)境溫濕度感應(yīng)等的檢測(cè)，可以操控農(nóng)田水閥的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)節(jié)水的目的。2.1.2節(jié)水灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)此系統(tǒng)是以AT89C51單片機(jī)對(duì)環(huán)境溫度、濕度監(jiān)測(cè)和農(nóng)產(chǎn)品節(jié)水自主灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為主要基礎(chǔ)，在系統(tǒng)的構(gòu)成方面主要包括單片機(jī)的主控模塊、溫濕度傳感器、繼電器模塊和LCD液晶顯示模塊等，該系統(tǒng)的電路組成框圖如圖2.1所示。圖2.1節(jié)水灌溉系統(tǒng)框圖2.2微處理器模塊選擇本設(shè)計(jì)需要采用單片機(jī)進(jìn)行操控并仿真，就像現(xiàn)在大部分仿真電路上比較多的是51單片機(jī)、STM32單片機(jī)。其中，STM32單片機(jī)擁有快速計(jì)算、大空間存儲(chǔ)等的優(yōu)點(diǎn)，但是，它的功能引腳相對(duì)更加的復(fù)雜，在功能更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)碾娐分蟹浅Ｆ毡?，但該系統(tǒng)仿真的功能相較而言簡(jiǎn)單一點(diǎn)，這種型號(hào)的單片機(jī)也就不常采用了，所以更符合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求的是51單片機(jī)[9]。AT89C51單片機(jī)在所有單片機(jī)系列中是已經(jīng)升級(jí)過(guò)的型號(hào)，具有8KB閃存程序存儲(chǔ)器和256BRAM，其中8KB為Flash程序的存儲(chǔ)器。同時(shí)還添加了許多功能，包括功能強(qiáng)大且已經(jīng)廣泛應(yīng)用的16位計(jì)時(shí)器/計(jì)數(shù)器[10]。選擇AT89C51通用的普通單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是已經(jīng)與當(dāng)前市面上主流的型號(hào)進(jìn)行降了全方位的對(duì)比。AT89C51單片機(jī)的功能中已經(jīng)與MCS51做到了兼容，它在工作時(shí)的工作電壓跨度為4.0V至5.5V，完全靜態(tài)時(shí)時(shí)鐘的工作頻率為0Hz至33MHz，32個(gè)I/O口，定時(shí)計(jì)數(shù)器和通信端口。32KB數(shù)據(jù)存儲(chǔ)也已得到了擴(kuò)展，所以足夠滿足系統(tǒng)要求[11]。其引腳如圖2.2所示。圖2.2AT89C51引腳圖2.3本章小結(jié)本節(jié)首先介紹了節(jié)水灌溉系統(tǒng)預(yù)期實(shí)現(xiàn)的功能，還有系統(tǒng)的硬件電路構(gòu)造在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上選用了模塊化設(shè)計(jì)，其中包含單片機(jī)主控模塊、溫濕度傳感器、繼電器模塊、LCD液晶顯示模塊等，隨后根據(jù)系統(tǒng)的功能需求進(jìn)行微處理器版塊型號(hào)的選擇。

三、系統(tǒng)硬件部分設(shè)計(jì)3.1微處理器模塊隨著單片機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，8051系列的單片機(jī)的體積逐步減小，功能性越來(lái)越高，功耗越來(lái)越少，處理速度逐步提升。因此，在此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，可依據(jù)以下方面進(jìn)行控制系統(tǒng)芯片的選擇。首先是穩(wěn)定系統(tǒng)的工作狀態(tài)。系統(tǒng)可以穩(wěn)定運(yùn)行是重中之重。某些微型CPU的核心抗干擾性能很弱，所以不適合在本系統(tǒng)使用。而AT89C51芯片是抗干擾性能技術(shù)中最先進(jìn)的芯片之一。其次是CPU處理能力的高低。要選取適合的芯片，需要考慮CPU的處理速率。一旦其處理速率過(guò)慢，就無(wú)法達(dá)到本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。出于這幾個(gè)方面的考慮，最終選擇AT89C51，如圖3.1所示。圖3.1單片機(jī)最小系統(tǒng)3.1.1時(shí)鐘電路模塊時(shí)鐘電路模塊同樣也是重要的部分。一個(gè)系統(tǒng)如果缺少時(shí)鐘電路模塊，就不能正常運(yùn)行。AT89C51芯片所需的晶振為12MHZ，所以晶振所組成的電容至少選擇30pf才能最大限度地提高系統(tǒng)性能[11]。微型處理裝置需要利用晶振才能運(yùn)轉(zhuǎn)。換句話說(shuō)，晶振提供一定周期的工作頻率。其電路如圖3.2所示：X11819U130pF30pFC1C2X11819U130pF30pFC1C2圖3.2時(shí)鐘電路模塊3.1.2復(fù)位電路模塊復(fù)位電路的功能是在微處理器接通電源時(shí)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)易的動(dòng)作讓處理器復(fù)位。簡(jiǎn)而言之，如果處理器運(yùn)行時(shí)發(fā)生意外或者故障，只需按復(fù)位按鈕即可重新運(yùn)行工作。需要重新啟動(dòng)已有回路時(shí)，回路不會(huì)自動(dòng)復(fù)位，必須人工操控。即工作程序運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)故障，可以使用復(fù)位的方法重啟處理器以解決問(wèn)題。如圖3.3所示，在復(fù)位電路模塊中，RST接口的電壓為高電平系統(tǒng)，為電容器充電。在操作人員按下復(fù)位按鈕時(shí)，電容按鈕和1K的電阻會(huì)形成電路，此時(shí)電容放電，將復(fù)位接口變?yōu)榈碗娖?，?shí)現(xiàn)復(fù)位操作[12]。圖3.3復(fù)位電路模塊3.2液晶顯示模塊液晶顯示模塊主要顯示環(huán)境中的溫濕度，本系統(tǒng)運(yùn)用LCD1602液晶顯示屏進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示，由單片機(jī)操控并且能夠顯示兩行字符，LCD1602的運(yùn)行原理是操控字符顯示區(qū)域的電壓大小，然后經(jīng)過(guò)單片機(jī)的處理就能夠?qū)崿F(xiàn)顯示功能。以下為引腳接口說(shuō)明表：表3.1引腳接口說(shuō)明表LCD1602通過(guò)電壓操控顯示部分，接通電源會(huì)顯示出圖像。因?yàn)橐壕э@示模塊的厚度比較薄，適合直接應(yīng)用于大范圍集成電路，同時(shí)還具有全彩色顯示的功能，所以現(xiàn)在廣泛使用于筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)、PDA移動(dòng)通訊裝置等多個(gè)方面[13]。LCD1602的引腳VL用于操控顯示器亮度，通過(guò)改變電阻阻值大小來(lái)控制電源電壓，實(shí)現(xiàn)控制顯示器亮度的功能，RS、RW、EN是控制顯示器的接口，D0-D7是LCD顯示器的信息引腳，可以將信息引腳直接接至單片機(jī)，經(jīng)過(guò)單片機(jī)的顯示區(qū)域信息來(lái)實(shí)現(xiàn)字符的展示，如圖3.4所示[14]。圖3.4LCD1602顯示電路3.3A/D轉(zhuǎn)換模塊A/D轉(zhuǎn)換模塊的原理是使用A/D轉(zhuǎn)換芯片將模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)變。首先利用光照度傳感器獲取到模擬量，接著把模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，才能被單片機(jī)識(shí)別并作出相應(yīng)動(dòng)作，而A/D的作用就在在于此。在本文的設(shè)計(jì)中，具體使用的是ADC0832芯片，其當(dāng)做A/D轉(zhuǎn)換裝置。ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置是8位依次遞進(jìn)的，以其為核心的單片機(jī)具有很少數(shù)量的接口，這能夠加快檢測(cè)信號(hào)的速度，其電路原理比較簡(jiǎn)單，成本也較低，總的來(lái)說(shuō)性價(jià)比處于較高的水平[15]。具有8條可進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換的引腳，能夠進(jìn)行自主轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間短，響應(yīng)速度快，需要進(jìn)行5V電源的供給，能夠適宜人們?nèi)粘Ｉ钪械囊磺袦囟?，并且具有較低的功耗。如圖3.5所示。首先向ADC0832芯片的內(nèi)部發(fā)送3條地址指令，進(jìn)行對(duì)電源電路回路的保護(hù)，然后再把接收到的地址指令轉(zhuǎn)存到內(nèi)部。然后START引腳的電平跳變?yōu)楦唠娖?，從而進(jìn)行從模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，在此過(guò)程之后EOC引腳變成低電平[16]。圖3.5模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊3.4溫濕度傳感模塊單片機(jī)的溫濕度采集系統(tǒng)中，用于檢測(cè)溫度和濕度的模塊是DHT11傳感器，能夠?qū)χ車h(huán)境因子的溫度以及濕度進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)內(nèi)部電路將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換為可用的電信號(hào)，發(fā)送給主電路，DHT11的性能十分穩(wěn)定，并且耐久度高。溫濕度傳感器的電路中包含了一個(gè)溫度和濕度測(cè)量組件，能夠連接到8位單片機(jī)，并迅速轉(zhuǎn)化所接收到的信息。在DHT11傳感器制作過(guò)程中，所有的DHT11傳感器都會(huì)進(jìn)行校準(zhǔn)，并將提前設(shè)定好的系統(tǒng)參數(shù)存儲(chǔ)在DHT11的內(nèi)存里，在DHT11進(jìn)行溫度和濕度檢測(cè)的時(shí)候，會(huì)通過(guò)內(nèi)部程序進(jìn)行電信號(hào)強(qiáng)弱的操控。DHT11占用的空間很小，并且內(nèi)部功率的消耗很低，是本次設(shè)計(jì)的最佳選擇[17]。當(dāng)用戶端的微操控單元進(jìn)行一次信號(hào)傳輸之后，DHT11會(huì)進(jìn)行速度很快的環(huán)境因子采集，當(dāng)傳輸信號(hào)的工作任務(wù)結(jié)束之后，DHT11會(huì)對(duì)用戶端的微操控單元發(fā)送一個(gè)反饋信號(hào)，并且進(jìn)行一次數(shù)據(jù)因子的處理，通過(guò)藍(lán)牙傳輸版塊發(fā)送給用戶，DHT11收到微操控單元的信號(hào)就會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，反之，則不采集，并在一段時(shí)間后自動(dòng)進(jìn)入低功耗模式[18]。1bit開始50us26us-28us表示’0’1bit開始50us26us-28us表示’0’下一bit開始VCCGND單總線70us表示70us表示‘1’單總線下一bit開始GND1Bit開始50usVCC單總線下一bit開始GND1Bit開始50usVCC圖3.7數(shù)字1信號(hào)電平變化圖如果DHT11顯示的字符是0，單個(gè)芯片讀取的信號(hào)處于50us的低電平，然后處于26us-28us的高電平。如果DHT11所顯示的字符為1，則單個(gè)芯片讀取的信號(hào)處于50us的低電平，然后處于70us的高電平[19]。數(shù)字0信號(hào)與數(shù)字1信號(hào)的電平變化圖如上：圖3.6和圖3.7所示。DHT11傳感器的第一個(gè)引腳是電源，用于將電源連接到電路板。第二個(gè)引腳是連接到單片機(jī)的I/O端口P1.2，并將信息輸送到單片機(jī)的數(shù)據(jù)端。第三個(gè)引腳是連接電路板底部的接地端。如圖3.8所示。圖3.8DHT11引腳圖3.5繼電器模塊設(shè)備在設(shè)計(jì)過(guò)程中需要繼電器來(lái)操控LED燈以及水泵和加熱系統(tǒng)的開關(guān)工作，繼電裝置是當(dāng)導(dǎo)入量(沖擊量)的變化到達(dá)一定條件時(shí)，在輸出電路中被控量引起設(shè)定階段發(fā)生變化的電氣操控裝置。實(shí)際上是用低電流控制高電流操作的自動(dòng)開關(guān)。所需的穩(wěn)定電壓為5V左右，運(yùn)行電壓在4V-5V之間，繼電器模塊電路如圖3.9所示。圖3.9繼電器原理圖3.6蜂鳴器警報(bào)模塊由電路板上的三極管供電的蜂鳴器產(chǎn)生簡(jiǎn)單的聲音，從微操控器接收引腳作為電源，系統(tǒng)設(shè)定閾值，當(dāng)感應(yīng)裝置檢測(cè)環(huán)境參數(shù)在閾值外，導(dǎo)通高電平，則出發(fā)驅(qū)動(dòng)報(bào)警器蜂鳴。通過(guò)PNP9012實(shí)現(xiàn)電流的放大，當(dāng)符合時(shí)輸出低電平后，蜂鳴器無(wú)聲[20]。圖3.10是蜂鳴器警報(bào)模塊：P00Q69012BELLVCCBEEPP00Q69012BELLVCCBEEP圖3.10蜂鳴器警報(bào)模塊3.7按鍵操控模塊PA12GNDPA11PB1PB0K1PA12GNDPA11PB1PB0K1圖3.11按鍵控制模塊原理圖裝置的操控按鍵電路由三個(gè)開關(guān)組合構(gòu)成，首先按鈕的一邊與I/O端呈雙向連接的狀態(tài)，并且其他方向接地處理，開關(guān)處于閉合的狀態(tài)時(shí)，它的引腳與地分離，這時(shí)引腳的電壓很高。按下按鈕后，引腳接地，這時(shí)電壓變低，返回低電壓信號(hào)[21]。原理就是對(duì)于電壓的檢測(cè)，由于按鍵時(shí)間較短，所以會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，在編寫相關(guān)參數(shù)時(shí)，要寫一個(gè)相應(yīng)的函數(shù)來(lái)減小其誤差[21]。圖3.11為按鍵控制模塊原理圖。3.8本章小結(jié)本章節(jié)主要對(duì)農(nóng)田節(jié)水灌溉系統(tǒng)的硬件電路部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，核心硬件電路部分為微處理器模塊設(shè)計(jì)，并附有最小系統(tǒng)當(dāng)中的時(shí)鐘電路和復(fù)位電路模塊的設(shè)計(jì)原理圖及概念，隨后介紹了系統(tǒng)中其余模塊電路的設(shè)計(jì)原理以及相應(yīng)的電路原理圖。

系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)4.1軟件工具介紹Keil編程軟件是一款起源于美國(guó)的Keil軟件公司具有代碼編寫功能的軟件，該軟件所使用的語(yǔ)言十分類似C語(yǔ)言，全面性非常優(yōu)秀，能夠?qū)崿F(xiàn)更加全能的功能，其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)慕Y(jié)構(gòu)邏輯，使其在后期的調(diào)試和維護(hù)上更具有優(yōu)勢(shì)，更加適用于嵌入式技術(shù)的開發(fā)。該設(shè)計(jì)所使用的的Keil4版本，更加適合于應(yīng)用在C51系列單片機(jī)當(dāng)中，保障了C語(yǔ)言開發(fā)平臺(tái)的全能性，并維持了結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膬?yōu)勢(shì)，并且在51系列單片機(jī)不斷發(fā)展的大背景下，陸續(xù)更新出來(lái)全新的編譯版塊，能夠?qū)崿F(xiàn)全新的集成性編譯。4.2主程序流程設(shè)計(jì)結(jié)束繼電器啟動(dòng)是否超過(guò)閾值液晶顯示溫濕度版塊檢測(cè)系統(tǒng)初始化開始結(jié)束繼電器啟動(dòng)是否超過(guò)閾值液晶顯示溫濕度版塊檢測(cè)系統(tǒng)初始化開始圖4.1主程序流程圖此系統(tǒng)可以經(jīng)過(guò)查看全部數(shù)據(jù)的運(yùn)行方式，知曉數(shù)據(jù)的編碼升級(jí)速度。系統(tǒng)復(fù)原到初始狀態(tài)后，能夠傳播數(shù)據(jù)信息，在切斷電源的同時(shí)AT89C51主板記錄當(dāng)前配置，然后重新接通電源。一旦系統(tǒng)有中斷現(xiàn)象，中斷情況下的子程序就可以相應(yīng)地處理導(dǎo)致中斷的狀況，并能夠進(jìn)行相應(yīng)識(shí)別的空閑形式。假設(shè)系統(tǒng)通過(guò)相應(yīng)的識(shí)別實(shí)現(xiàn)了各個(gè)系統(tǒng)的處理，說(shuō)明中斷已從這里結(jié)束。主程序流程如圖4.1所示。4.3顯示模塊流程設(shè)計(jì)LCD1602的輸出類型屬于緩慢顯示器件，該器件在收到命令時(shí)會(huì)對(duì)模塊的電平情況進(jìn)行確定，假設(shè)版塊電平情況為低電平，則為不忙，那么該所條接收到指令就會(huì)失效，當(dāng)LCD1602進(jìn)行字符串顯示的時(shí)候需要先進(jìn)行字符地址的確認(rèn)，隨后顯示版塊才能夠進(jìn)行字符的顯示，并顯示模塊僅需要連接最小系統(tǒng)的串口接口，不需要連接增設(shè)模塊。返回寫顯示行列地址寫LED指令讀數(shù)據(jù)并顯示返回寫顯示行列地址寫LED指令讀數(shù)據(jù)并顯示圖4.2顯示模塊程序流程圖首先初始化系統(tǒng)，在LCD1602初始化結(jié)束后，啟動(dòng)延時(shí)代碼，當(dāng)感應(yīng)層完成對(duì)數(shù)據(jù)的采集后，通過(guò)單片機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，隨后將地址和指令發(fā)送給LCD1602，當(dāng)顯示版塊接收到指令時(shí)，首先進(jìn)行對(duì)指令和地址的判斷。然后單片機(jī)會(huì)再向顯示版塊發(fā)送一個(gè)“寫”的指令，隨后LCD1602才會(huì)進(jìn)行指令的顯示，最終返回初始化[22]。軟件流程圖如圖4.2所示。4.4溫度傳感模塊流程設(shè)計(jì)圖4.3DHT11傳感器模塊的軟件流程圖按照系統(tǒng)感應(yīng)層的通信協(xié)議，當(dāng)接收到最小系統(tǒng)I/O口發(fā)出來(lái)的執(zhí)行信號(hào)，隨后由感應(yīng)層感應(yīng)裝置進(jìn)行對(duì)連接串口的操控，燒錄程序中的while語(yǔ)句將會(huì)執(zhí)行，其主要作用是時(shí)刻檢測(cè)連接該感應(yīng)裝置的I/O串口的高低電平，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍環(huán)境因子的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，最終單片機(jī)得到最為精準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)。DHT11傳感器的主要功能是進(jìn)行溫度和濕度的檢測(cè)，系統(tǒng)最初進(jìn)行初始化，并由最小系統(tǒng)的I/O口啟動(dòng)感應(yīng)版塊，隨后通過(guò)讀取引腳的電平是高或者低，來(lái)判斷環(huán)境因子，啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行首次判斷，檢測(cè)到P3.2引腳為低電平，經(jīng)過(guò)代碼操控，在18ms延遲后，引腳的輸出檢測(cè)結(jié)果為高電平，在40ms延遲后，引腳檢測(cè)結(jié)果是否為低電平，若引腳檢測(cè)結(jié)果為高電平，仍需讀取電平，若引腳檢測(cè)結(jié)果為低電平，則對(duì)接收端口的電平進(jìn)行讀取。如果80μs的高電平仍然存在，那么單片機(jī)就會(huì)停止接收數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)按照十進(jìn)制存儲(chǔ)至數(shù)組里面，并繼續(xù)監(jiān)測(cè)下一組信息[23]。DHT11感應(yīng)裝置版塊的軟件流程圖如圖4.3所示。4.5本章小結(jié)本章節(jié)為農(nóng)田節(jié)水灌溉系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)，以介紹軟件部分的工作時(shí)序和流程圖繪制為主，首先介紹軟件工具，并描述系統(tǒng)的主程序和子程序時(shí)序流程，最后通過(guò)流程圖的方式進(jìn)行體現(xiàn)。

五、系統(tǒng)仿真與結(jié)果分析5.1仿真軟件Protues仿真軟件是英國(guó)一家公司所開發(fā)的軟件，Protues電路仿真包含豐富的EDA工具，以及基礎(chǔ)系列的單片機(jī)以及單片機(jī)最小系統(tǒng)的增設(shè)電路。該軟件能夠高效且優(yōu)秀的實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)的電路模擬仿真，即使我國(guó)在該方面仍舊與大部分發(fā)達(dá)國(guó)家存在差距，可Protues依然在國(guó)內(nèi)大幅度流行，尤其是科研工作者、工科教師和電子發(fā)燒友們的使用。在英國(guó)Protues是一款十分出眾的EDA工具，能夠進(jìn)行軟件庫(kù)的導(dǎo)入，系統(tǒng)的封裝，PCB的繪制，還有源代碼的燒錄，程序檢測(cè)，BUS總線的繪制，做到了從無(wú)到有的整體流程設(shè)計(jì)。并且也是唯一一款集電路仿真、PCB繪制和建模仿真為一體的成熟軟件平臺(tái)，能夠?qū)^大部分的基礎(chǔ)版塊進(jìn)行仿真，包含8051、MC96、AX1101、ADE、ADuC、ADCore、AVR以及ARM等大部分的處理器版塊，并在后期仍舊在更新全新的處理模塊，能夠識(shí)別并導(dǎo)入IAR、Keil和MATLAB等多種編譯器的程序。5.2仿真系統(tǒng)調(diào)試在最小系統(tǒng)可以正常運(yùn)行的情況下，查看復(fù)位電路模塊是否可以進(jìn)行正常復(fù)位，首先檢查其電路連接順序是否正確，然后在檢測(cè)其電路中電阻與電容的大小，若電阻與電容過(guò)大或者過(guò)小時(shí)，均不能使復(fù)位電路進(jìn)行正常復(fù)位，同時(shí)采取按鍵復(fù)位操作，若程序可以重新開始運(yùn)行，則說(shuō)明復(fù)位電路可以正常運(yùn)行，若不能，則異常[24]。電源電路是所有系統(tǒng)中不可缺少的存在，如果電源電路發(fā)生故障或其他問(wèn)題，系統(tǒng)都將無(wú)法正常工作，所以擁有穩(wěn)定的電源電路是系統(tǒng)成功運(yùn)行的關(guān)鍵，當(dāng)電源的電壓過(guò)高時(shí)，電源內(nèi)部芯片將會(huì)燒壞，而電源太低時(shí)，會(huì)干擾系統(tǒng)的運(yùn)行效果?？墒褂萌f(wàn)用表與示波器來(lái)檢測(cè)電源電路的正極和負(fù)極引腳，查看其電壓是否穩(wěn)定在5V左右，如果示波器檢測(cè)出紋波的產(chǎn)生，表示電源不夠穩(wěn)定?？赏ㄟ^(guò)添加穩(wěn)壓芯片以及電容的方式，對(duì)電源的紋波進(jìn)行過(guò)濾，讓電源的電壓更穩(wěn)定，系統(tǒng)才能穩(wěn)定運(yùn)行。最后需要再測(cè)試每個(gè)模塊的電源電路[25]。當(dāng)模擬開關(guān)閉合時(shí)，LED燈會(huì)亮起，隨后操控繼電器執(zhí)行相應(yīng)操作。通過(guò)Keil進(jìn)行對(duì)系統(tǒng)程序的編譯，并錄進(jìn)芯片中進(jìn)行仿真運(yùn)行，溫度上限提醒是38度，溫度下限提醒是30度，濕度在41%至50%之間為正常；繼電器1和2分別代表加熱關(guān)閉和打開，繼電器3和4分別代表水泵關(guān)閉和打開。情況一：溫度過(guò)高，濕度過(guò)高，液晶顯示版塊提示“熱和潮濕”，同時(shí)啟用繼電器1和3，效果如圖5.1所示。圖5.1仿真結(jié)果一情況二：溫度過(guò)高，濕度過(guò)低，液晶顯示版塊提示“熱和干燥”，同時(shí)啟用繼電器1和4，效果如圖5.2所示。圖5.2仿真結(jié)果二情況三：溫度過(guò)低，濕度過(guò)高，液晶顯示版塊提示“冷和潮濕”，同時(shí)啟用繼電器2和3，效果如圖5.3所示。圖5.3仿真結(jié)果三情況四：溫度過(guò)低，濕度過(guò)低，液晶顯示版塊提示“冷和干燥”，同時(shí)啟用繼電器2和4，效果如圖5.4所示。圖5.4仿真結(jié)果四結(jié)論科技正在不斷的發(fā)展，自動(dòng)化行業(yè)儼然成為非常流行的產(chǎn)業(yè)，基于AT89C51模塊的農(nóng)田節(jié)水灌溉技術(shù)也有了很大的進(jìn)步。目前，這些科技的自動(dòng)化裝置性價(jià)比逐漸增高，在市面上的權(quán)重也越來(lái)越大。自動(dòng)化方式的節(jié)水灌溉系統(tǒng)已是研究人員致力于探究的重要領(lǐng)域，同時(shí)也是本篇文章的核心所在。本次系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中，對(duì)于信號(hào)的采集和數(shù)據(jù)的處理的不斷完善，對(duì)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉系統(tǒng)進(jìn)行了全面的設(shè)計(jì)，無(wú)論是硬件方面還是軟件方面都進(jìn)行了詳細(xì)的介紹和應(yīng)用。本設(shè)計(jì)根據(jù)C語(yǔ)言已有的基礎(chǔ)內(nèi)容進(jìn)行編程，在Keil軟件的編碼環(huán)境下編寫代碼并調(diào)試，同時(shí)在Keil軟件中生成能夠傳輸?shù)椒抡嫦到y(tǒng)的.hex文件，把其導(dǎo)入到仿真的單片機(jī)中，最終成功實(shí)現(xiàn)仿真。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，通過(guò)查找相關(guān)資料文獻(xiàn)和部件的使用手冊(cè)完成了初步的學(xué)習(xí)，被很多難題阻撓，從電路核心芯片的確定，到部分電路的功能完善，幾乎每個(gè)模塊都有不同的難題擺在眼前，最終實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田節(jié)水灌溉系統(tǒng)的仿真，成功實(shí)現(xiàn)了節(jié)水灌溉的目的，但仍有不足的地方，進(jìn)一步將灌溉系統(tǒng)智能化，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控等更多的功能。在不斷進(jìn)行資料查閱以及詢問(wèn)導(dǎo)師的過(guò)程中，一步一步的解決了問(wèn)題，不斷的打開全新的思路，答疑解惑的過(guò)程中做到了真正的學(xué)有所用，不僅增長(zhǎng)了知識(shí)，也強(qiáng)化了解決問(wèn)題的能力，通過(guò)該次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使本人對(duì)待學(xué)習(xí)更加的嚴(yán)謹(jǐn)，追求真理。

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