基于AT89C51单片机阳台绿色植物自动喷灌系统设计

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概要

  本文阐述了以单片机为处理器的温室自动控制系统的硬件、软件及可靠性设计等问题。该系统以ATMEL公司的AT89C51单片机为核心，由传感检测电路、信号处理电路、外设显示器配置接口电路、输出控制电路等构成。它能够实现多路采集输入和多路输出控制功能，通过传感器实现自动控制模式，并具有手动控制模式(分时段以时间控制)功能。
  硬件设计方面，土壤湿度的检测采用国内最新研发的SWR2小型土壤湿度传感器; A/D转换采用了ADC0809芯片;键盘、显示器分别采用了合成式按键和LED数码管;输出控制电路由三极管、光电耦合器、继电器等组成。
  软件设计采用了目前流行的模块化编程方法，软件的开发全部采用了实时性和移植性很强的C语言。主要程序模块包括:系统监控程序;时钟模块控制程序;键盘输入识别分析程序;A/D转换程序;系统显示模块程序等。
关键词：单片机；土壤湿度；自动喷灌系统。

一、研究的主要内容

  以家庭小面积植物为主，从盆景的生长温度和湿度两方面来调节其用水需求，利用温度传感器和湿度传感器来采集温度和湿度数据，将数据传送给单片机，再利用单片机进行数据处理和分析，从而控制继电器来控制喷水量，使盆景在比较良好的状态下生长的一种利用分时段进行不同喷灌时间设定的控制系统。尽快设计并推广产品，占有市场，以求产生较高的经济效益与社会效益。家用盆景自动喷灌系统设计主要是针对家庭用户的，实现及时的灌溉，使盆景生长在最佳的状态，解除人们的后顾之忧。

  利用单片机设计控制系统，要求能够根据不同植物的需要，控制浇水、喷洒的周期、用水量。
（1）本系统将对土壤湿度因子的调控进行自动化控制，以期达到最佳的控制效果。
（2）系统硬件设计，完成硬件原理图。硬件将通过调研对比分析，选用国产化元件，采用成熟电路设计，达到提高系统的稳定性、可靠性与精度，降低成本。
（3）程序设计流程与程序清单。软件设计将采用C语言设计，提高系统的修改、调试的能力。
（4）通过系统仿真，检验系统硬件与软件设计的合理性，能否达到预期的功能。

系统总体设计方案

  整个控制系统由控制器和执行机构二部分构成。系统总体结构图如图2-2所示。

图2-2系统总体结构图

  硬件电路以AT89C51单片机为核心，计时采用AT89C51计数器作时钟，人机对话接口有键盘电路与显示电路，人机对话功能主要通过6位LED显示、4位按键构成。输出控制由光电耦合器、继电器、执行器件构成。软件用C语言作为编程语言，采用模块式结构设计。本系统采用传统的闭环控制技术，系统控制原理逻辑框图见图2-3所示。

图2-3闭环控制逻辑原理框图

预期功能

  该系统要求用单片机测控来实现作物土壤湿度因子信息数据的实时采集、处理，而后输出控制执行机构，以实现环境湿度测控，达到节水节能，省工省时，使灌溉逐步向适时、适量、按需灌溉方向发展。具体功能如下:
（1）实现定时灌溉功能。按照预编定时程序定时开启和关闭机泵和灌溉系统，实现一般的控制。
（2）通过传感器检测作物生长的土壤湿度，依据设定的作物要求的土壤湿度的上下限值，由单片机来控制继电器从而调节湿度。当湿度低于下限值时，自动开启继电器进行喷水增强湿度，高于上限值时，停止喷洒。

系统总体设计

  整个测控系统由传感器、控制器和执行机构三部分构成。系统总体结构图如图2-4所示。

图2-4系统硬件总体结构框图

(2)硬件电路以AT89C51单片机为核心，计时采用AT89C51计数器作为定时时钟，人机对话接口主要由键盘显示电路构成;信息数据的采集土壤水分传感器和传感器信号处理转换(A/D)电路构成;输出控制由光电耦合器、继电器、执行器件构成。人机对话功能主要通过6位LED显示、4位按键来实现。
(3)软件用C语言作为编程语言采用模块式结构设计。

二、系统硬件设计

3.1单片机控制系统设计

3.1.1单片机的选择

  单片机，广泛应用于各个领域，使其自动化程度大提高，具有价格低廉，功能强大，稳定可靠，抗干扰能力强，体积小，功耗低，扩展容易，使用方便灵活等优点。Intel公司一直处于领先地位，其中MCS-51系列成为单片机领域中的主流产品。ATMEL公司的89系列Flash单片机以Intel80C51/52作为内核，并采用可重复编程的Flash ROM技术，是一种源于8051而又优于8051的单片机，己成为广大MCS-51用户进行电子设计与开发的优选单片机品种。根据实际情况与要求，本系统选用ATMEL公司89系列标准型单片机AT89C51，这就能满足本课题的需要[7]。
  AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

3.1.2存储器的配置

  AT89C51单片机的存储器采用的程序存储器和数据存储器分开编址的，它们有各自的寻址系统、控制信号和特定功能。程序和数据存储器在物理和逻辑上均分为两个地址空间:内部存储空间和外部存储空间。本系统的代码程序不太大，AT89C51片内的4KB程序ROM闪速存储器即可满足要求，无需扩展片外ROM，CPU只需访问内部ROM。硬件电路设计上将EA和PS拉低，AT89C51内部存储器地址空间分配为:片内4KB程序Flash存储空间(0000H一0FFFH);片内128字节的数据存储空间(00H一7FH);特殊功能寄存器空间(80H一FFH);位寻址空间(20H一2FH) [8]。
  系统中存在湿度强度阀值参数、定时开关机的时间参数等数据的存贮和修改，为使用和修改方便，采用外部EEPROM AT24C01进行数据存储。AT24C01拥有1024位的数据存储能力，在该系统中，少量的数据存储可以利用该EEPROM进行，从而达到方便修改等目的。具体外部电路如图3-1所示。

图3-1 AT24C01储存电路

3.1.3系统I/O口的扩展

  本系统因外围配置和应用电路的要求，现有并行I/O口己不能满足，因此需要对I/O口线进行扩展。选用Intel公司的通用型可编程I/O接口扩展芯片8155(3×8位)来扩展I/O口线最为简捷可靠。扩展方法选用广泛采用的总线扩展方法，扩展的并行口I/O芯片的数据输入线取自AT89C51的P0口。
  8155A是Intel公司生产的可编程输入输出接口扩展芯片，具有3个8位的并行I/O口，具有三种工作方式，可通过程序改变功能，因而使用灵活方便，通用可作为单片机与多种外围设备连接时的中间接口电路[9]。

3.1.4. 8155A芯片与AT89C51接口电路设计

  8155A与AT89C51的接口电路如图3-2所示。

图 3-2 8155A与 AT89C51的接口电路
  74LS373作为地址锁存器与AT89C51的连接，1D_{8D接89C51的P0.0}P0.7，/OC(/OE)接地，C(G)接AT89C51的ALE端，OUT1(Ql)~OUT8(Q8)接地址线低8位， 74LS373与8155A和ADC0809共用。
图中8155A各端口地址如下:
A口地址:FEFCH B口地址:FEFDH
C口地址:FEFEH 控制口地址:FE7FH
8155A初始化程序：

#define  PA8155  XBYTE[0XFEFC]
#define  PB8155  XBYTE[0XFEFD」
#define  PC8155  XBYTE[0XFEFE]
#define  CON8155  XBYTE[0XFE7F]
Void   initi_8155(void)
{
CON8155=0X82; //选工作方式0，A口、C口输出，B口输入
}

3.1.5时钟电路与复位电路设计

  AT89C51单片机内部有个振荡器，可以用作CPU的时钟源。本系统时钟选用内部方式。AT89C51内部含有一个高增益的反相放大器，通过XTAL1(输入端)、XTAL2(输出端)外接作为反馈元件的片外石英晶体(或陶瓷谐振器)和电容C1，C2组成的并联谐振电路后便构成片内自激振荡器，从而利用它内部的振荡器产生时钟[10]。连接方法如图3-3所示，其中晶体呈感性，其决定着振荡器的振荡频率;电容Cl，C2对频率有微调作用。电路中反馈元件选用石英晶体，电容Cl和C2均为22PF，电容与晶体的安装位置应尽量靠近单片机。

图3-3时钟电路

  89系列单片机在启动时也需要复位使CPU及系统各部件处于确定的初始，并从初始态开始工作。AT89C51的上电复位电路通过一个上拉电阻接+5v电源，一个下接电容接地，从而使系统完成上电复位，电路简单可靠。

三、结论

  在本系统设计期间，我进行了两个方案的设计，一是开发近期实用性强、性价比高与操作简单的自动定时喷灌控制系统。二是研究具备多环境因子综合的自动喷灌控制系统，针对自动喷灌技术的发展而设计的。
自动定时喷灌控制系统根据不同作物的生物特性，一天分为几个不同的时段，设定不同的时间间隔与不同的喷灌时间，可使作物很好生长，具有很强实用性。硬件电路简单，不需要传感器与A/D转换，系统也不需扩展，成本也低，具有很高的性价比。这一基于土壤湿度因子的自动喷灌控制系统，由以AT89C51为核心的控制电路、传感器电路和执行器件及机构组成。硬件电路的元件选用成本较低的国产器件，电路稳定，扩干扰力强，性价比较高。软件开发用C语言，采用模块式结构，系统功能易于扩展。因本人水平、时间与试验条件有限，本文中还存在很多的不足，今后还应进行如下研究:
自动定时喷灌控制系统的改进:要解决所用继电器的寿命问题;要完善产品的结构与外壳的设计。
自动喷灌控制系统在如下方面有待作进一步的研究：
(1)具体控制内容还有不完善之处，有待与农业专家加强合作加以完善。
(2) 要达到温棚环境自动控制，必须尽可能全面考虑具体的环境调节和具体的作物生理的特点、不同作物对环境因子的不同要求、同一作物在不同生理阶段对于环境因子的要求以及环境因子的相互影响。
(3)灌溉问题是个复杂的问题，要在考虑环境因子的基础上，同时考虑肥料状况、病虫害等对灌溉的影响，今后在研究中要逐步加入这些问题，以便更实用。

四、 电路图

五、 文章目录

目 录
摘要 Ⅰ
abstract Ⅱ
1绪论 1
1.1课题的研究背景 1
1.2研究现状与发展趋势 1
1.3研究内容 3
1.4研究的现实意义 3
2阳台绿色植物自动喷灌系统的研究与设计 4
2.1市场调研与可行性分析 4
2.2系统总体设计方案 5
2.3系统技术指标和预期功能 5
2.4系统设计原则和系统总体设计 6
3系统硬件设计 8
3.1单片机控制系统设计 8
3.2数据采集电路的设计 11
3.3人机对话接口电路的设计 13
3.4输出控制电路设计 16
3.5硬件的抗干扰设计 17
4采集数据的处理 18
4.1标度变换 18
4.2数字滤波算法 19
5软件系统的设计 21
5.1系统监控程序设计 22
5.2时钟模块 23
5.3显示模块 27
5.4控制功能模块的设计 29
5.5软件系统的抗干扰措施 30
6结论 32
参考文献 33
致谢 34
附录1：系统主电路图 35
附录2：系统主程序 36