基于AT89C51单片机的节水灌溉自动控制系统的设计
博主主页：单片机辅导设计
博主简介：专注单片机技术领域和毕业设计项目。
主要内容：毕业设计、简历模板、学习资料、技术咨询。
主要介绍
水是农业资源中的一种不可替代的资源，按总用水量算我国是世界第一用水大户，按人均水资源统计我国属世界上13个贫水国家之一。自动控制节水灌溉技术可以有效地节约水资源，同时也可加快我国高效农业的发展。
本文给出了一款基于单片机的节水灌溉设计方案。其中选用TR-Ⅱ作为土壤水分传感器。流量传感器对流量等环境因素进行监控，并按照作物的需求进行适时、适量的灌水。其中主控芯片是AT89C51，以DS12C887作为外部时钟电路。在数据采集模块中采用的是逐次逼近式的模/数转换器ADC0809,输出模块采用82C55A作为主要器件。
关键词：节水灌溉 控制模型 AT89C51
一、系统总体设计方案
2.1研究内容
主要研究单片机控制的节水灌溉系统，分别对作物生长与灌水量之间的关系、灌溉控制技术及系统的软、硬件各个部分进行了深入的研究。主要内容如下：
(1)根据喷灌技术的特点，进行节水灌溉控制系统的整体研究与设计。
(2)研究作物需水规律。主要有以下工作内容：研究作物的蒸发蒸腾量与环境参数的变化关系；找出其需水规律：确定作物当前需水状况和合理的灌溉量.
(3)设计以单片机为核心的智能控制器。控制器以 ATMEL公司生产的AT89C51为核心，采用计算机分布式管理；能够实现自动灌溉，具备警示、实时时钟、历史数据查询、数据上传以及双向通信等功能。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，相比较工控机等其它控制方式来说，更易形成产品，便于推广应用，是我国农业自动控制技术的一种新尝试。
(4)分布式控制系统的构成与实现.采用RS-485总线技术，将智能控制器连接到分布式控制系统，作为一个前端机与上位机和其它智能控制器一起构成集散控制系统，这是该系统扩展通讯接口的意义所在。
2.2灌溉系统概述
该系统主要是通过上下位机对喷灌工程的主要设备进行监测、控制以及对各种信息进行处理。
控制系统采用上下位机形式，上位机与下位机之间通过RS-485总线相连，一个下位机负责一片区域，系统可以根据实际需要增减下位机的数目。水源为河水时，含泥沙及其它各种杂质，故灌溉水进入灌溉系统之前先需沉淀，为此设置一个蓄水池。当需要进行灌溉时，水泵从蓄水池灌溉干管注入水形成灌溉液。此时，为了防止水中未沉淀杂质进入灌溉系统，需在灌溉主管上设置过滤器。为便于观察系统是否正常工作，还需在管路上接压力表和流量计。另外由于过滤器用久之后，会发生堵塞，造成管网压力下降，也需对其工作状况进行观察。可将两只压力表分别接于过滤器的两端，当两者读数相差较大时，即说明过滤器堵塞严重，需要清洗。为尽量实现均匀灌水，灌溉系统的管路采用对称布置。分流点在管路长度方向上呈对称布置。
整块大田分若干个区，每区一个或若干个喷头，负责这个区域的灌溉各区轮流灌溉，灌溉干管进入大田后，在每一灌溉区与支管相连，连接处设置分电磁阀，由控制系统决定其通断。系统的执行机构主要有三相异步电机以及相应的电压控制器、电磁阀等，电机用于驱动离心泵将灌溉用水注入管道。电磁阀控制相应区域灌溉与否。系统的总体结构根据项目的设计目标，在学习已有的自动化节水灌溉系统的基础上，设计出一种实用的具有RS-485通讯方式的节水灌溉自动控制系统，如下图所示：
图2-1节水灌溉自动控制系统的的总图
这种节水灌溉自动控制系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。软件系统是整个系统的核心，负责协调各部分之间的关系，保证整个系统的正常运行：硬件系统负责数据的采集处理和电磁阀的控制。为确保系统通信的正常运行，提高系统的扩展性，硬件控制系统采用如上图所示的具有三级结构的集散型控制系统。
基于RS-485的硬件控制系统由电磁阀、各类传感器、下位机，数据采集网络及中心监控计算机组成，分为主控上位机端和现场控制下位机端两部分。主控上位机端主要由中心监控计算机组成，中心监控计算机为一台装载了自行开发的软件的计算机。根据需要，它可以连接一个或多个下位机。下位机主要由自行研制的单片机智能控制器组成。它具有规范性接口，适合不同传感器。改变系统不需要修改下位机软件。
每个下位机分别连接多个传感器和电磁阀。.计算机与下位机之间的连接使用RS-485总线结构。这种结构的特点是网络不封闭，很容易添加新的节点，节点之间通过总线直接通信，速度较快；当某个节点出现故障时不会影响其他节点的工作，不会导致整个系统瘫痪。但总线式结构对硬件的实现要求相对较高，因为总线式网络的各个节点都是挂在一条总线上的，所以总线的负载很重。在设计时考虑到本系统传输的数据量相对较小，以及系统结构的扩容性，故采用了总线式结构。下位机与电磁阀之间使用普通的电源线连接即可，与传感器之间使用的则是屏蔽双绞线。
2.2.1 上位机功能说明
主控上位机端负责对系统全网的状况和报警进行观察和监视。对于整个网络的状况和网络中各个节点既可以进行总体的浏览，也可以以一个节点为单位进行查询，对于各个节点报警可提供明显的标识和管理。
主控上位机端主要实现如下功能：
用RS-232串行口经过转换后通过RS-485与下位机 (基于RS-485结构)进行通讯，将计算机的控制信息转换成下位机能够理解的形式，从而完成控制信息在整个网络中的传输。它是基于串口协议的通信。数据传输层实现数据同步，数据纠错和数据重发，数据多比特滑窗协议，数据包打包和拆分，数据对段自动建立连接和通断侦测，数据发送的拥塞处理等功能。实现连接、发送、接收、关闭等个原语和消息，并提供相应的调试和观测界面，从而提供数据在线路上进行无差错的传送的功能。主控上位机端对所采集的数据进行分析和存储，在实施灌溉的同时并监控灌溉的执行情况。
2.2.2 下位机功能说明
每个下位机直接通过RS-485数据总线与其他所有下位机相串联起来，每个下位机通过RS-485数据总线或者电线分别与传感器或者控制电磁阀连接。这样，下位机就可以将传感器采集上来的信息传递给中心监控计算机进行处理，也可以根据存储在单片机中的程序对各个电磁阀进行开闭控制。下位机一般包括以下关键部件：
(1)基于单片机的智能控制器，通过配备各种传感器，控制器可对土壤温度、土壤湿度、大气温度、大气湿度、风速、风向、净辐射、压力，管道流量等进行监测，并通过输出开关信号实现控制输出的功能。.同时具有 RS-232和.RS-485两种通讯接口，适用于各种现场监测、控制及自动化。
(2)接口转换器，接口转换器是用于将RS-485总线转换为RS-232总线的设备。
(3)控制对象，主要包括各种传感器和电磁阀，负责采集各种信号和开关控制，将在后面详细介绍。
二、 系统硬件设计
3.1 系统的硬件组成
系统硬件主要由中心监控计算机和下位机两大部分组成，中心监控计算机一般用一台PC机就可以担任了，下位机则以单片机为核心，下面分别对其进行介绍。
本智能控制器以单片机为控制核心，加上一些外围扩展电路共同组成，具备一般控制和监控功能，可以实现灌溉自动控制系统的独立控制，并且扩展有通信接口，可以连接到分布式控制系统中，实现与上位机之间的数据交换。根据节水灌溉自动控制系统需求，该智能控制器应具有如下功能：按照生产需要实现各区域灌溉用水的自动供给；具有小型键盘和显示人界面，工作人员可以根据实际需要进行灌溉参数的显示、设定和修改；和看门狗定时、复位功能；具有与外界进行数据通讯的接口。根据以上这些要求，智能控制器的主体结构图设计如下图所示。
图3-1 硬件结构框图
从上图我们可以看见：智能控制器按照要求被分成了6大模块，分别是：
(1) 主模块
(2) 数据采集功能模块
(3) 输出模块
(4) 数据通信模块
(5) 人机接口功能模块
(6) 供电模块
三、系统实现
电路图
总结
本文首先给出一个总体的设计方案，然后确定并给出了系统硬软件的设计方案。硬件设计主要介绍了以AT89C51单片机为核心的智能控制器的设计，包括主电路模块，数据采集功能模块，人机接口模块，通信功能模块，输出模块，系统供电模块总共6大模块的设计。特别针对系统功能的要求，强调了芯片选择的依据和芯片的功能。然后介绍了本自动控制系统使用的各种传感器及它们的功能和使用方法。最后介绍了本系统采用的硬件抗干扰措施。在软件开发过程中，我们介绍了包括CPU节电工作模式、灌溉主程序、环境参数滤波程序、键盘中断显示程序、以及按键处理程序、串口中断程序、通信程序等在内的软件模块，重点介绍了主程序和通信程序的设计，最后介绍了本系统所采用的软件抗干扰措施。
为了使节水灌溉远程控制系统功能更加完善，灵活性更强，笔者对系统的进一步改进做出了以下设想
1、灌区各种信息的视频采集随着无线传输网络的发展，时代的迈进，大数据量的信息传输成为可能，因此可以考虑在灌区现场采集相关信息的视频信号。
2、与GPS技术相结合，将灌区现场各种仪表设备地理位置信息电子化，使其可以直观的显示在操控界面上，取代了本系统中概念化的动画示意图，方便操作员使用。
目录
目 录
摘 要 I
Abstract II
1 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.1.1 水资源的重要性 1
1.1.2 农业高效节水的必要性 1
1.1.3 节水农业概述 1
1.2 国内外节水农业研究状况和发展趋势 2
1.2.1 国内节水农业研究状况和发展趋势 2
1.2.2 国外节水农业研究状况和发展趋势 3
1.3 课题研究的目的和意义 4
1.4 研究内容 5
2 系统概述 6
2.1 灌溉系统概述 6
2.2.1 上位机功能说明 8
2.2.2 下位机功能说明 8
2.3 通信协议 8
2.3.1 物理连接 9
2.3.2 数据格式 10
2.4 小结 11
3 系统硬件的设计与研究 12
3.1 系统的硬件组成与设计 12
3.2 单片机的选择 13
3.2.1 AT89C51简介 13
3.2.2 “看门狗”电路 14
3.3 外部时钟电路 15
3. 4 传感器与固态继电器的选用与性能 16
3.5 数据采集功能模块设计 18
3.6 输出模块设计 19
3.7 数据通信模块设计 20
3.8 系统供电模块设计 21
3.9 硬件可靠性设计 22
3.10 本章小结 23
4 灌溉系统控制软件设计 25
4.1 节电工作模式设计 25
4.2 灌溉主程序设计 26
4.3 数据滤波程序设计 28
4.4 键盘显示程序设计 30
4.4.1 键盘中断子程序 30
4.4.2 按键处理子程序设计 30
4.5 标度变换 31
4.6.1 下位机通信程序设计 33
4.6.2 上位机通信程序设计 34
4.7 软件可靠性设计 35
4.8 本章小结 36
5 总结与展望 37
致谢 38
参考文献 39
附录 1
相关知识
基于单片机的智能浇花(灌溉)系统设计
基于单片机的自动灌溉系统的设计.docx
基于单片机智能花卉灌溉浇花浇水检测系统设计
基于单片机的阳台花卉自动养护系统.doc
基于单片机自动智能浇花浇水控制系统设计
基于Arduino的智能花卉灌溉系统设计
基于STM32单片机的鲜花售卖机系统设计
基于模糊控制技术的智能节水灌溉系统设计
单片机控制花草自动浇水控制系统.doc
单片机控制的定时浇水电路的设计（61页）
网址: 基于AT89C51单片机的节水灌溉自动控制系统的设计 https://m.huajiangbk.com/newsview155434.html
| 上一篇: 中国首家花卉企业获准向美直接出口 |
下一篇: 花卉整形的方法是什么？花卉整形的 |
