智能微喷灌控制系统设计Word下载.docx
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摘要
随着科学技术的日益发展,特别是智能技术的发展,智能化的微灌溉技术应用范围越来越广泛。
智能化的微灌系统可以实现大面积的作物田间灌溉,在很大的程度上节约人力、物力,实现作物生长大面积的管理,实时掌握作物的生长环境。
开发简单、快速、实用的微灌智能设计具有重要的意义。
此次设计的是通过选择SHT11温湿度传感器对土壤的温度以及湿度等重要物理量进行采集,将采集到的信号交给51单片机系统进行处理,通过用c语言的编程实现在需要时驱动相关外部设备,对目标区域进行自动精确地智能灌溉。
关键词:
51单片机温湿度传感器c语言
Abstract
Withtheincreasingdevelopmentofscienceandtechnology,especiallythedevelopmentofIntelligentTechnology,theapplicationrangeofintelligentmicro-irrigationtechnologymorewidely.Theintelligentmicro-irrigationsystemscanachievealargeareaofcropfieldirrigation,andsavetoalargeextentonthemanpower,resources,managementofthecroparea,real-timecontrolenvironmentforthegrowthofcrops.Developmentofsimple,rapid,practicalmicro-irrigationintelligentdesignisofgreatsignificance.
ThedesignisbySHT11temperatureandhumiditysensorsonthesoiltemperatureandhumidity,andotherimportantphysicalcollection,thecollectedsignaltothe51single-chipsystemforprocessing,relatedtoanexternaldevicedriverwhenneededbyusingclanguageprogrammingachieveautomaticprecisionsmartirrigation,thetargetarea.
Keywords:
51MCUtemperatureandhumiditysensorsclanguage
引言
在全球淡水水资源越来越缺乏和农业现代化的当今世界,农业高度集约化种植模式(耕作、种植、灌溉、施肥、收获等)和“工厂化”特征日趋显著。
在精确化农业的生产过程中,如今发达国家发展现代农业的主要的手段是运用高科学技术和高新技术的装备。
在灌溉的技术上对农作物的生长过程智能化的控制要求正在提高。
大多数发达国家农业的灌溉系统几乎全部采用计算机的控制方式,基本上实现了系统智能化。
微灌技术和设备在我国还处于研究和待开发阶段,系统的成套性还较差,主要部件品种少,质量不稳定。
因此,加速开发成套、适用、可靠、先进的灌溉系统是我国今后节水灌溉设备发展的主要方向。
自动控制灌溉系统,基本上还是手动阀门来操作。
自动控制器等方面还有待于进一步开发和应用。
微机和单片机等自动控制检测系统装置,已经在某些微灌工程中应用和实验,初步显示出微灌采用自动化的管理系统优越性和先进性。
1概论
1.1国内外现状及发展趋势
微灌技术的研究在中国的起步还不算太晚,自1974年引进墨西哥的滴灌设备我国的微灌技术试验研究正式开始。
该过程经历了1974到1980年之间的引进消化和吸收,设备的研制与应用实验及试点阶段;
1981到1986年之间经历了设备产品的改进和应用试验的研究以及扩大试点的推广三个阶段;
从1987年到现在直接引用了国外先进的科学技术,进入了从高起点上对研发微灌设备的产品开发阶段。
基于引入、吸收发达国家先进科学技术的基础上,结合了我国国情,从经济上的实用,便于安装和利于推广的主要几点出发,在个地相关关部门的合作与努力的情况下,开发微灌技术、生产研制设备和科学实验等多方面都取得重要的成果,我国的微灌技术日趋步入成熟。
但是由于我国正处于初级阶段的微灌技术研究,近些年来自己研制、开发与生产微灌设备的产品不管是在质量方面和性能方面与发达国家相比较,差距存在还是比较大的;
同发达的国家相比较更大的差距存在于微灌工程设备的组装配套和自动控制方面。
例如灌溉设备系统成套性比较差,配套的水平偏低;
主要的几个部件的品种规格太少,质量相对来说不稳定,没有很好的系列化;
关键的设备稳定性和耐久性都比较差;
自动化和综合功能技术程度不是很高,基本上还处于手动的操作方式,以至于整体的综合效果和收益都不高。
随着现代化高科技不断的发展,各种智能化家电、数码产品走入进人们的日常生活,网络作为人们现代生活中人际的交往和获取知识的一个必不可少的平台。
考虑到现代化高科技的发展,未来的智能浇灌系统也有希望朝一下这些方面发展。
智能化
随着传感器的技术、计算机处理技术和自动智能控制技术的持续发展,温室中的计算机环境的控制系统应用将会由以数据采集处理和监测的简单方式,渐渐转向以数据处理和应用为主。
所以软件系统的研制和开发将会得到不断完善,其中专家系统为主的智能化管理控制系统已经取得了不少的研发成果,并且其应用的前景是非常广阔的。
网络化
目前,网络已经成为最具有活力,发展速度最快的高科技领域。
网络的通信技术发展促进了信息的传播。
设施的产业化程度的提高成为可能。
综合环境的调控
所谓综合环境调控,就是以实现目标植物的正常生长为目标,把影响目标植物生长的多种环境参数(如光照、温度、湿度等)都保持在适宜目标植物生长的状态,并尽可能的使用最少的环境调节装置(采光、遮光、通风、保温、加湿等)。
智能和无人操作将会是未来的各种行业的发展趋势,不仅能大量节省人们的宝贵时间还能更好的控制各种成分的细微比例做到人们自己动手所不能做到的效果。
高移植性
稍微修改一些系统的参数及设备即可应用于别的环境下,省时省力,节省大量资金及研发成本。
在不久的将来,不仅能实现对办公室花卉的控制而且可以实现路边及所有公共场所花草树木的自动灌溉,而且可以加入远程控制,可视频控制,更大限度的节省人力物力,这将是世界浇灌系统的一个发展趋势。
1.2设计的背景及意义
水是生命之源,同样它也是国家经济发展的主要因素,人类生存必不可少的因素,水的重要性在国际上已经得到了共识,水资源开发和保护已经被各国家所重视。
而需要如何高效率利用有限的淡水资源,尽最大能力发挥水资源的效益己经成为看一个全球性极其有待解决的重要课题。
诸多的缺水国家当中,作为水资源极其短缺国家之一的中国。
水资源的利用率和利用效率低下使水资源在节流方面呈现巨大的挖掘潜力,因此节水成为历史发展的必然。
伴随着人们快节奏的生活、工作、学习,人们已没有很多时间去精心照顾自己种的花卉植物等,因此市场上急需一种可以代替人类劳动的产品。
由于现在市场上很多的喷灌设备主要是是针对温室、露天农作物、森林等大面积植物喷灌,而对于家庭小面积喷灌系统设备几乎没有,也没有达到自动化的水平。
现代生活中,随着人们生活水平的提高,人们对花卉、树木等绿色植物的喜爱和种植越来越多,然而以前对花木的浇灌、施肥等工作都需要靠人工来实现,由于现代生活节奏的加快,人们往往忙于工作而忘记定期、及时地为花卉补充水分及养料,或者由于放假回家而将花放在办公室没有人管理导致花木枯死。
已有的浇水器需要有人控制或者定时的浇灌,不能根据植物正常生长所需要的光照、水分、温度来实时调节植物生长环境的参数,不利于花木的成长,而且现在的名贵花如果因为以上原因而死亡得不偿失,鉴于以上情况,市场上急需提供一种能够根据光照、温度、湿度及光照的变化自动将水分和及光补充给花木,达到定期、及时浇灌花木的花木自动浇灌器。
1.3本设计所做的工作和内容
此次设计采用AT89S51开发板作为单片机最小系统,基于Keil仿真软件来完成软件开发,用protues仿真工具软件设计电路图以及做模拟仿真。
开发板包括AT89S51芯片(8位微控制器)及其外围的基本模块,外围模块包括:
晶振电路(OSC)、复位电路(RESET)、键盘(包括复位和扩展按键)、DS1302时钟电路等。
所以,本次设计需要做好以下工作:
(1)学习单片机原理等资料。
(2)学习Keil、Protues等工具软件的使用方法。
(3)用Protues仿真工具软件来设计本系统的电路图。
(4)用Keil开发软件来编写程序并调试成功。
(5)结合系统的电路仿真图用Protues仿真软件进行仿真调试。
(6)用51单片机实验板进行实物调试争取达到预期的结果。
(7)撰写项目论文
2系统总体设计与分析
2.1总体方案
根据设计功能要求,系统可分如下部分:
温度监控:
对环境温度进行测量,并通过单片机处理显示环境温度。
湿度监控:
对环境湿度进行测量,并通过单片机处理显示相对的环境湿度。
灌溉处理:
当相对湿度越限时,继电器工作导通外部的灌溉电路。
显示:
LCD实时显示温度、相对湿度及时钟日期。
键盘控制:
当前温度与相对湿度值显示的转换、时钟的调节及年月日与时分秒的显示转换。
2.2系统方案论证
当将单片机用作测控系统的时侯,系统必须有被测的信号通过指定输入通道,再由单片机来收集需要的输入信息。
相对于测量的系统来说,它的核心任务是如何准确获得被测信号;
但是对于测控系统来说,除了被测试控对象状态的信号,还应该把测试的数据和控制的条件对比并在需要的时候控制相应执行设备。
传感器作为实现测量和控制的第一环节,是测量控制系统关键的部件,假如没有传感器对被测信号进行可靠的捕捉和数据的转换,所有的测量和控制都将会没有办法去实现。
在本次系统设计中,我们选择SHT11来作为本设计的温湿度传感器。
SHT11传感器是一种包含已校准的数字信号输出的温度与湿度复合的传感器。
该传感器包含了一个电容聚合体的测湿功能元件与一个能隙的测温功能元件,并且和一个14位数模转换器和串行接口电路在相同的芯片上完成了无缝的连接。
所以,该芯片有品质好、抗干扰的能力强、响应快、性价比高等一系列的优点。
所有的SHT11传感器都是在湿度校验室中进行特别精确的校对调准。
校准好的系数以程序代码的形式存储于Otp的内存当中,在信号处理过程中传感器内部要调用已经校准好的系数。
两线制接口和内部的基准电压,使系统的集成简单快捷化。
体积小、功耗低的特点使得该传感器成为各类应用场合的最好选则。
3系统硬件设计
本系统硬件包括:
温湿度采集转换模块、单片机及附属电路、键盘控制、LCD显示、时钟模块、继电器电路等部分的设计。
系统整体电路框图如图3.1所示。
图3.1系统整体电路框图
3.1温湿度采集转换模块硬件设计
3.1.1SHT11介绍
SHT11是瑞士Sensirion公司研发出的基于CMOSensTM技术的较为新型检测温度与湿度的传感器。
该种传感器把CMOS芯片技术和传感技术相结合起来,从而体现了这两种技术优势互补的强大功能。
SHT11检测温度与湿度传感器的主要特征:
1、用COMSensTM技术将信号的放大调理、温湿度传感、A/D转换、I2C总线接口这些模块集成到一个芯片中;
可以给出校准后相对的湿度和温度值的输出;
稳定性卓越;
14位的湿度值的输出分辨率以及12位的温度值的输出分辨率,并且可以对应的编程为12位以及8位。
2、SHT11温湿度传感器采用SMD(LCC)表面式贴片封装,管脚的排列如图3.2所示,它的引脚说明如下:
(1)GND:
接地端;
(2)DATA:
双向串行数据线;
(3)SCK:
串行的时钟输入;
SCK用在微处理器和SHT11它们之间的通讯同步上。
由于其接口含有完全的静态逻辑,所以没有最小的SCK频率。
(4)VDD电源端:
0.4~5.5V电源端;
SHT11的供电电压为2.4~5.5V。
该传感器给出工作电压后,要等待11ms用来越过“休眠”状态。
在这个时间段不需要发送给它任何指令。
电源引脚(VDD,GND)之间可增加一个100nF的电容,用以去藕滤波。
(5)NC:
空管脚。
3.1.2工作原理
SHT11运用电容式结构来对温度与湿度进行检测,并且传感器芯片的电容的组成运用了聚合物的覆盖层与具有不同保护的微型结构的检测电极系统的组合,除了保持了电容式的湿敏器件原有的特征外,还可以自行抵御一些来自外界的干扰。
出于其由温度传感和湿度传感两个部分相结合成单一个体的原因,所以测量的精度高而且可以精确得到露点值,而且不会同时产生因为温度传感和湿度传感两部分之间随着温度梯度值的变化而引起误差。
CMOSensTM技术不单是将温度与湿度传感器互相结合,并且还把信号的放大、校准数据的存储、模/数的转换、标准的I2C总线等这些电路集成于单个芯片中。
SHT11传感器内部的结构框图如下:
SHT11的每个传感器的校准都是在特别精确的湿度室里进行的。
该传感器校准系数首先存放于OTP内存中。
校准后的相对湿度传感与温度传感模块和一个A/D转换模块(14位)相互连接,可以把已经转换的数字温度值和湿度值传给二线的I2C总线模块,从而完成数字信号与符合I2C总线协议串行的数字信号的转换过程。
出于传感器和电路的部分是结合于一起的,所以与其它类型的湿度传感器相比SHT11传感器具有更加优越的性能。
首先增加了传感器信号强度,增强了该传感器的抗干扰能力,从而保证了该传感器长期的稳定性;
数模转换同一时间的完成从而大幅度的降低了该传感器对外界干扰敏感的程度。
3.1.3输出特性
(1)湿度值输出
SHT11可通过I2C总线直接将数字湿度值输出,它的相对数字湿度值输出的特性曲线如下图3.4所示。
由图3.4可看出,SHT11输出的特性曲线呈现出非线性,可按照如下所示的公式修正湿度值用来补偿该湿度传感模块的非线性:
Rhlinear=C1+C2SORH+C3SORH2
式中,SORH是该传感器的相对湿度的测量值,系数的取值如下:
12位:
SORH:
C1=-4,C2=.0405,C3=-2.8×
10-6
8位:
C1=-4,C2=0.648,C3=-7.2×
10-4
(2)温度值输出
由于SHT11的温度传感模块的线性很好,所以可以用如下的公式把温度的数字输出直接转换成为实际的温度值:
T=d1+d2SOT
当供电电源的电压是5V而且温度传感模块分辨率是14位时,d1=-40,d2=0.01,当SHT11的温度传感模块的分辨率是12位的时候,d1=-40,d2=0.04。
3.1.4寄存器配置
该传感器是通过状态寄存器来实现其中一部分的高级功能,寄存器各位的类型及说明如表1所示。
下面是对寄存器的相关位进行功能说明:
(1)加热
芯片的加热开关导通后,该传感器的温度约增加5℃,从而使功耗增加至8mA*5v。
加热的用途如下所示:
a经过对启动加热的温、湿度前后进行对比,能够对传感器功能进行一个正确区别;
b传感器假如指定环境相对湿度比偏高的情况下可以通过加热以防止冷凝现象的发生。
(2)电源低电压的检测
SHT11在工作的时侯可以自行的检测Vdd的电压是否小于2.45伏,。
(3)校准系数的下载
为了提高速度,OTP在每次的测量前都会重新下载标准的校准系数,可以使测量每一次都节省8.2ms的时间。
(4)分辨率的设定
把测量的分辨率从14位(温度)和12位(湿度)分别减到12位和8位可以应用在高速度或者是低功耗的场合。
表1SHT11状态寄存器类型及说明
位
类型
说明
默认值
7
保留
6
读
工检限(低电压检查)
X
5
4
3
只用于试验,不可以使用
2
读/写
加热
关
1
不从OTP重下载
重下载
'
1'
=8位相对湿度,12位温度分辨率。
0'
=12位相对湿度,14位湿度分辨率
12位相对湿度,
14位湿度
3.1.5接口电路
AT89C51与SHT11的接口电路如图3.5所示。
图中,SHT11的DATA端口通过一个10K的外部上拉电阻与单片机连接。
由于P2口内部已有上拉电阻,所以本次设计DATA端口连接单片机的P2.7口时不需要上拉电阻。
图3.5AT89C51与SHT11的接口电路
3.2单片机系统硬件设计
本系统中,我们采用美国ATMEL(爱特梅尔)公司生产的AT89C51单片机作为主控芯片。
AT89C51单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有4K在系统可编程Flash存储器。
使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业8051产品指令和引脚完全兼容。
AT89C51单片机具有以下的标准功能:
4k字节Flash,128字节RAM,32位I/O口线,两个16位定时器/计数器,可编程串行通道,5个中断源,低功耗的闲置和掉电模式,片内晶振及时钟电路。
图3.6所示为AT89C51单片机最小系统原理图。
图3.6单片机最小系统
3.3LCD显示硬件设计
由于本次设计要求实时显示时钟、温度和相对湿度,所以传统的LED数码管远远不能满足要求,在这里我们采用1602工业字符型液晶,能够同时显示16X02即32个字符。
(16列2行)如图3.7所示:
图3.7LCD硬件显示模块
1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD,多出来的2条线是背光电源线VCC(15脚)和地线GND(16脚),其控制原理与14脚的LCD完全一样,如表2(引脚说明)表3(寄存器的选择控制)所示:
表21602引脚说明
引脚
符号
功能说明
VSS
一般接地
VDD
接电源(+5V)
V0
对比度的调整端,连接正电源的对比度最为微弱,连接地端电源的对比度最强,使用时可以通过用10K电位器来进行对比度的调整。
RS
寄存器的选择,高电平1时会选择数据的寄存器、低电平0时会选择指令的寄存器。
R/W
读与写信号线,高电平
(1)时进行读的操作,低电平(0)时进行写的操作。
E
E(或EN)端为使能(enable)端,下降沿使能。
DB0
低4位三态、双向数据总线0位(最低位)
8-10
DB1-3
低4位三态、双向数据总线1-3位
11-13
DB4-6
高4位三态、双向数据总线4-6位
14
DB7
高4位三态、双向数据总线7位(最高位)(也是busyflag)
15
BLA
背光电源正极
16
BLK
背光电源负极
表3寄存器选择控制
操作说明
写入指令寄存器(清除屏等)
读busyflag(DB7),以及读取位址计数器(DB0~DB6)值
写入数据寄存器(显示各字型等)
从数据寄存器读取数据
注:
关于E=H脉冲——开始时初始化E为0,然后置E为1,再清0.
busyflag(DB7):
在此位为被清除为0时,LCD将无法再处理其他的指令要求。
3.4键盘控制模块硬件设计
在单片机系统中,按接口形式把键盘分为两大类:
编码式键盘与非编码式键盘。
由硬件逻辑电路来编码式键盘完成键识别的工作和可靠措施。
每一按键,键盘会自动的提供出该按键读数,于此同时用产生的选通脉冲来通知给微处理器。
这种键盘比较容易使用,但是硬件结构复杂,主机任务会相对繁重。
而非编码式键盘主要包括有独立按键结构的键盘与有矩阵按键结构的键盘两种。
矩阵结构键盘适合用在按键数量偏多的场合,由行线与列线来组成,按键在行列交叉点的位置上,节省I/O口。
独立按键结构就是各按键相互独立,每个按键单独占用一根I/O口线,每根I/O口线按键的工作状态是不会影响其他I/O口线按键的工作状态。
因此,用输入电平状态的检测可以很容易确定是哪个按键按下。
此键盘是用于按键较少或操作速度较高的场合。
由于本次设计只用到6个键,所以采用独立式键盘,在程序设计中采用查询的方式来识别按键。
本次设计共6个键,分别为时钟调整键(Set(S4)、Up(S5)、Down(S6)、Enter(S7)、sd(S3))和温度相对湿度转换键kk(P2^3)。
如图3.8所示。
图3.8键盘控制模块
3.5继电器(指示灯接口)模块硬件设计
在智能微喷灌控制系统中,采集到的参数在进行进行数据处理、数字滤波,标度变换之后,与给出的标准参数上下限给定值进行比较,如果高于上限值(或低于下限值)则驱动相应的外部灌溉电路,对目标区域进行微喷灌。
本设计采用了继电器电路来驱动相应的外部灌溉电路用来实施对植物的灌溉。
考虑到继电器仿真效果不明显,设计采用指示灯电路代替该效果。
通过AT89C51给出处理信号。
当相对湿度值高于上限值(或低于下限值)时,由指示灯指示电路模拟外部灌溉电路的导通与断开。
相应的继电器模块和替代的指示灯接口模块如图3.9所示:
图3.9继电器模块与指示灯接口模块
3.6时钟模块硬件设计
本次设计的时钟模块选用由Dallas公司(美国)
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