畢業(yè)設(shè)計(jì)---自動(dòng)灌溉控制器的硬件、軟件設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　本論文詳細(xì)論述了由單片機(jī)為處理器的自動(dòng)灌溉控制器的硬件、軟件設(shè)計(jì)。本控制器以AT89C51單片機(jī)為核心，由傳感器、信號(hào)處理電路、鍵盤、顯示電路、輸出控制電路、故障報(bào)警電路等構(gòu)成。它能實(shí)現(xiàn)多路數(shù)據(jù)采集、多路控制信號(hào)輸出功能。通過(guò)傳感器自動(dòng)檢測(cè)土壤水分，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)閉環(huán)控制和定時(shí)程序的時(shí)間控制等多種自動(dòng)灌溉控制方式，并具有土壤水分超出設(shè)

2、定范圍自動(dòng)報(bào)警功能。土壤含水量的測(cè)量采用先進(jìn)的LW-02型水分傳感器；A/D轉(zhuǎn)換采用了ADC0809芯片；鍵盤、顯示分別采用了獨(dú)立式按鍵和LED顯示塊；故障報(bào)警選用了壓電式蜂鳴器；輸出控制電路由三極管、光電耦合器、繼電器、電磁閥等組成。軟件設(shè)計(jì)采取了模塊化編程方法，軟件程序的開(kāi)發(fā)全部采用了C51高級(jí)語(yǔ)言。主要包含的程序有:主程序、鍵盤掃描子程序、A/D采樣子程序、定時(shí)設(shè)定子程序等。同時(shí)，在軟硬件設(shè)計(jì)時(shí)均采取了有效的抗干擾措施。</

3、p><p>　　關(guān)鍵字：?jiǎn)纹瑱C(jī)；灌溉；土壤水分傳感器；自動(dòng)控制</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The hardware layout and software development for single chip microprocessor automatic micro-irrigation con

4、troller and system programming are presented in detail in this paper. Based on the AT89C51 single chip microprocessor, the whole system consists of soil moisture sensors, signal transfer circuit, keyboard and monitor dis

5、play circuit, out port control circuit, malfunction alarm circuit as well as system software. This controller can control mufti-input and mufti-output. It can work in several</p><p>　　Keywords: Single chip m

6、icroprocessor Micro-irrigation Soil moisture sensor Automatic control</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p&g

7、t;<b>　　目錄III</b></p><p><b>　　第一章 前言5</b></p><p><b>　　1.1研究背景5</b></p><p>　　1.2研究目的和意義6</p><p>　　1.3任務(wù)和要求6</p><p>　

8、　第二章 智能灌溉系統(tǒng)的組成8</p><p>　　2.1灌溉總系統(tǒng)的組成8</p><p>　　2.2灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總框圖9</p><p>　　2.3單片機(jī)灌溉量的確定9</p><p>　　2.3.1灌水量的確定9</p><p>　　2.3.2灌水時(shí)間間隔的確定9</p><p&g

9、t;　　2.3.3 一次灌水延續(xù)時(shí)間的確定9</p><p>　　2.3.4灌水次數(shù)與灌水總量的確定10</p><p>　　2.3.5開(kāi)啟和關(guān)閉供水系統(tǒng)的土壤含水量臨界點(diǎn)的確定10</p><p>　　第三章 GTM900C無(wú)線模塊12</p><p>　　3.1 GTM900C模塊介紹12</p><p>

10、;　　3.1.1 GTM900C模塊產(chǎn)品定位13</p><p>　　3.1.2 GTM900C模塊產(chǎn)品特性13</p><p>　　3.1.3 GTM900C模塊產(chǎn)品的應(yīng)用14</p><p>　　3.1.4 GTM900C無(wú)線模塊的業(yè)務(wù)演示框圖14</p><p>　　3.2 GTM900C無(wú)線模塊AT命令1</p>

11、<p>　　3.2.1 AT命令類型1</p><p>　　3.2.2 消息發(fā)送和寫入命令2</p><p>　　3.3 GTM900C 信號(hào)連接器和天線接口5</p><p>　　3.3.1信號(hào)連接器6</p><p>　　3.3.2天線接口6</p><p>　　3.3.3接口信號(hào)7<

12、;/p><p>　　3.4接口的使用10</p><p>　　3.4.1 UART 接口的功能特性10</p><p>　　3.4.2 UART 接口信號(hào)定義10</p><p>　　3.4.3 UART接口DCE-DTE 配線11</p><p>　　第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)12</p><p

13、>　　4.1土壤水分傳感器的選擇與使用12</p><p>　　4.1.1土壤水分傳感器的選擇12</p><p>　　4.1.2土壤水分傳感器的測(cè)量原理及其實(shí)現(xiàn)方法12</p><p>　　4.1.3傳感器在田間的埋設(shè)15</p><p>　　4.2單片機(jī)的選擇16</p><p>　　4.2.1單片

14、機(jī)的發(fā)展概況及其選擇16</p><p>　　4.2.289C51單片機(jī)性能與應(yīng)用16</p><p>　　4.2.3 引腳功能17</p><p>　　4.3 振蕩器電路及復(fù)位電路設(shè)計(jì)19</p><p>　　4.4存儲(chǔ)器的配置20</p><p>　　4.5 數(shù)據(jù)采集處理電路21</p>

15、<p>　　4.5.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選擇21</p><p>　　4.5.2 ADC0809引腳及接口電路設(shè)計(jì)22</p><p>　　4.6顯示系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)24</p><p>　　4.7輸出控制電路設(shè)計(jì)25</p><p>　　4.8故障報(bào)警電路及鍵盤接口電路設(shè)計(jì)26</p><p>　　

16、第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)29</p><p>　　5.1主程序設(shè)計(jì)29</p><p>　　5.2鍵盤掃描子程序設(shè)計(jì)31</p><p>　　5.3實(shí)時(shí)時(shí)鐘中斷與控制功能的完成32</p><p>　　5.4時(shí)間灌溉控制功能的實(shí)現(xiàn)33</p><p>　　5.5其它控制功能的實(shí)現(xiàn)33</p>&l

17、t;p>　　5.5.1定時(shí)設(shè)定功能的實(shí)現(xiàn)34</p><p>　　5.5.2濕度范圍設(shè)定功能的實(shí)現(xiàn)34</p><p>　　第六章 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析36</p><p><b>　　第七章 結(jié)論37</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)38</b></p><

18、p><b>　　致謝39</b></p><p><b>　　第一章 前言</b></p><p><b>　　1.1研究背景</b></p><p>　　隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人口的增多，對(duì)水資源的利用正在迅速增長(zhǎng)，占世界人口總量40%的80個(gè)國(guó)家缺水，其中26個(gè)國(guó)家嚴(yán)重缺水。我國(guó)水資源總量為

19、2.8萬(wàn)億mm3，居世界第6位，我國(guó)人均占水僅2200m3，排在世界第109位。我國(guó)的水資源在時(shí)空上分布很不均勻，南多北少，東多西少；夏秋多，冬春少;占國(guó)土面積50%以上的華、西北、東北地區(qū)的水資源僅占全國(guó)總量的20%左右，農(nóng)業(yè)的季節(jié)性、區(qū)域性干旱缺水問(wèn)題十分突出。</p><p>　　農(nóng)業(yè)節(jié)水不僅是可能的，而且潛力很大，對(duì)占消費(fèi)水80%左右的農(nóng)業(yè)用水的合理使用和發(fā)揮最大效益應(yīng)該說(shuō)具有非常重要的意義。我國(guó)旱地農(nóng)業(yè)

20、面積約0.5億m2，占耕地面積一半以上，平均每年受早面積約達(dá)0.26億m2，成災(zāi)減產(chǎn)的約0.07億m2左右，這些干旱地區(qū)水資源灌溉的開(kāi)發(fā)余地幾乎枯竭。然而我國(guó)灌溉用水利用率卻很低，約有60-70%的水資源因灌溉方法不當(dāng)白白浪費(fèi)。從作物需要來(lái)講，我國(guó)水分有效利用率僅0.3-0.4，個(gè)別省份只有0.2，與先進(jìn)國(guó)家的0.7-0.8相比，浪費(fèi)驚人。21世紀(jì)的節(jié)水農(nóng)業(yè)技術(shù)將是農(nóng)業(yè)科技革命的重要組成部分，節(jié)水灌溉具有廣闊的前景[1]。</p&

21、gt;<p>　　單片機(jī)灌溉技術(shù)是當(dāng)前世界上諸多節(jié)水灌溉技術(shù)中省水率最高的一種先進(jìn)節(jié)水灌溉技術(shù)，單片機(jī)灌溉屬局部灌溉、精細(xì)灌溉，灌節(jié)水50%~60%，增產(chǎn)20%~30%，一般只用于溫室中水果、蔬菜、花卉等產(chǎn)值高、收益高的經(jīng)濟(jì)作 。到90年代中期，全世界單片機(jī)灌溉面積達(dá)到291. 3萬(wàn)畝，約占全世界灌溉面積的1. 1%，其中美國(guó)約150萬(wàn)m2。我國(guó)單片機(jī)灌溉面積只徘徊在2~3. 7萬(wàn)m2。</p><p&

22、gt;　　世界上單片機(jī)灌溉技術(shù)的發(fā)展最有代表性的國(guó)家應(yīng)首推以色列，其溫室種植全部采用單片機(jī)灌溉。以色列溫室滴灌的最高水利用率為95%，以色列著名的公司有NETAFIM， AAMLAD、PLAASTRO等。單片機(jī)灌溉方式普遍采用計(jì)算機(jī)控制，埋在地下的濕度傳感器可以傳回有關(guān)土壤水分的信息。計(jì)算機(jī)化操作運(yùn)行精密、可靠、節(jié)省人力，對(duì)灌溉過(guò)程的控制可達(dá)到相當(dāng)?shù)木?。在以色列，已?jīng)出現(xiàn)了在家里利用電腦對(duì)灌溉過(guò)程進(jìn)行全部控制(無(wú)線、有線)的農(nóng)場(chǎng)主。&

23、lt;/p><p>　　但是我國(guó)單片機(jī)灌溉技術(shù)還處于初級(jí)發(fā)展階段，系統(tǒng)的成套性還較差，主要部件品種少，質(zhì)量不穩(wěn)定，自動(dòng)化程度低，大部分單片機(jī)灌溉技術(shù)還停留在人工操作上，即使有些地方搞了一些灌溉工程自控系統(tǒng)，也只是從國(guó)外引進(jìn)或者是小規(guī)模的局部控制，國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的自動(dòng)灌溉控制器目前還處于研制、試用階段。 </p><p>　　總之，目前西方發(fā)達(dá)國(guó)家的自動(dòng)灌溉控制器已基本發(fā)展成熟并朝著大型分布式控

24、制系統(tǒng)和小面積單機(jī)控制兩個(gè)方向發(fā)展，產(chǎn)品一般都能與微機(jī)通訊，并由微機(jī)對(duì)其施行編程操作[2]。</p><p>　　1.2研究目的和意義 </p><p>　　灌溉管理自動(dòng)化是世界先進(jìn)國(guó)家發(fā)展高效農(nóng)業(yè)的重要手段，而我國(guó)目前仍局限于灌溉單項(xiàng)技術(shù)的推廣和應(yīng)用，技術(shù)的集成和自動(dòng)化水平較低，這也是制約我國(guó)高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要原因。以色列、日、英、美等國(guó)家己采用先進(jìn)的節(jié)水灌溉制度，由傳統(tǒng)的充分灌溉向非充

25、分灌溉發(fā)展，對(duì)灌區(qū)用水進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，實(shí)行動(dòng)態(tài)管理，采用遙感技術(shù)，監(jiān)土壤墑情和作物生長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)和制造了一系列用途廣泛、功能強(qiáng)大的數(shù)字式灌溉控制器，得到廣泛應(yīng)用[2]。</p><p><b>　　1.3任務(wù)和要求</b></p><p>　　本課題采用AT89C51單片機(jī)為灌溉控制器的核心，通過(guò)傳感器自動(dòng)檢測(cè)土壤水分，按照設(shè)置的程序根據(jù)土壤含水量要求的上、下限確定供水時(shí)間

26、、供水量，采用預(yù)編定時(shí)程序的時(shí)間控制和根據(jù)水分信息決定灌溉指標(biāo)的閉環(huán)控制兩種工作方式，并能實(shí)現(xiàn)故障報(bào)警功能。使單片機(jī)灌溉向適時(shí)、適量、按需灌溉發(fā)展，達(dá)到節(jié)約用水、省工省時(shí)、增產(chǎn)增收的目的。</p><p>　　本自動(dòng)灌溉控制器的總體研制方案如下：</p><p>　?、僮詣?dòng)控制器采用ATMEL公司的AT89C51系列單片機(jī)；</p><p>　?、谕寥浪譁y(cè)量時(shí)采用

27、先進(jìn)的TW-02型水分傳感器，可同時(shí)接八路傳器；</p><p>　?、巯到y(tǒng)控制多路輸出；</p><p>　?、芟到y(tǒng)可完成:傳感器自動(dòng)閉環(huán)控制，時(shí)間控制等多種灌溉控制方式；</p><p>　?、菥哂泄喔人殖鲈O(shè)定范圍自動(dòng)報(bào)警功能；</p><p>　?、薷鶕?jù)以上性能要求本控制器采用4位LED顯示和4個(gè)按鍵來(lái)完成多種功能操作。總體功能確定

28、后，開(kāi)始著手整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件編制工作[3]。</p><p>　　第二章 智能灌溉系統(tǒng)的組成</p><p>　　2.1灌溉總系統(tǒng)的組成</p><p>　　自動(dòng)化單片機(jī)灌溉系統(tǒng)是指利用微機(jī)技術(shù)對(duì)單片機(jī)灌溉工程的主要設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視、控制以及各種信息處理，及時(shí)地對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行全面地分析和準(zhǔn)確的判斷，確保灌溉工程安全、合理和經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。它包括傳感器系統(tǒng)，控制器

29、系統(tǒng)和水源控制系統(tǒng)三大部分組成。</p><p>　　圖2.1自動(dòng)灌溉系統(tǒng)圖</p><p>　　2.2灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總框圖</p><p>　　圖2.2 灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總框圖</p><p>　　2.3單片機(jī)灌溉量的確定</p><p>　　2.3.1灌水量的確定</p><p>　　灌水量可由式

30、m = (b1-b0)hpr （2-1）</p><p>　　計(jì)算，式中:m為灌水定額；b1，b0分別為土壤田間持水量和灌前土壤含水率；r為土壤干容(t/m3)；h為土壤計(jì)劃濕潤(rùn)層深度；P為單片機(jī)土壤濕潤(rùn)比。</p><p>　　2.3.2灌水時(shí)間間隔的確定</p><p>　　兩次灌水之間的時(shí)間間隔又稱灌水

31、周期T=m/E， T為灌水周期(h)；E為作物需水量；m為灌水定額(mm)。</p><p>　　2.3.3 一次灌水延續(xù)時(shí)間的確定</p><p>　　t=(m·Se·Sr)/ηq. （2-2）</p><p>　　式中:t為次灌水延續(xù)時(shí)間(h)；Se為灌水器間距(m)

32、；Sr為毛管間距(Cm)；q為灌水器流量((L/h)；η為單片機(jī)灌溉水利用系數(shù)，一般為0.9~0. 950。</p><p>　　2.3.4灌水次數(shù)與灌水總量的確定</p><p>　　采用單片機(jī)灌溉，作物全生育期的灌水次數(shù)比傳統(tǒng)地面灌多，并隨作物種類、地區(qū)水源條件等而不同?？偣嗨縈=∑mi；M為灌溉定額即總灌水量〔m3〕；mi為各次單片機(jī)灌溉灌水量，即灌水定額(m3)。</p&g

33、t;<p>　　2.3.5開(kāi)啟和關(guān)閉供水系統(tǒng)的土壤含水量臨界點(diǎn)的確定</p><p>　　這兩個(gè)臨界點(diǎn)的選擇要依據(jù)土壤的水分特性、作物的需水特性及灌溉管理的要求確定，相當(dāng)于確定農(nóng)田灌溉管理用的土壤含水量上限(關(guān)閉值)和下限(開(kāi)啟值)。田間持水量是指土壤中毛管懸著水達(dá)到最大量時(shí)的土壤含水量，當(dāng)灌溉水量超過(guò)田間持水量時(shí)，只能加深土壤的濕潤(rùn)深度，而不可能再增加土層中含水量的百分?jǐn)?shù)，它是土壤中對(duì)作物有效水的

34、上限，可用作灌溉的上限和計(jì)算灌溉量的依據(jù)。灌水定額=(田間持水量一灌水前土壤含水量)。毛管斷裂含水量，是指土壤中毛管懸著水發(fā)生斷裂時(shí)的土壤含水量，土壤這時(shí)的水分已不能滿足作物的需求，一般只是田間持水量的65%左右，可用此作物灌水的限。用灌溉控制器閉環(huán)控制灌溉農(nóng)田的土壤含水量動(dòng)態(tài)變化可用圖2.3</p><p>　　圖2.3自動(dòng)灌溉系統(tǒng)農(nóng)田水分動(dòng)態(tài)變化示意圖</p><p>　　假定灌溉從A

35、處開(kāi)始，隨著農(nóng)田水分的消耗土壤含水量由點(diǎn)A逐步下降，當(dāng)降至點(diǎn)B時(shí)，達(dá)到設(shè)定的土壤含水量的控制下限，灌水設(shè)備起動(dòng)，開(kāi)始灌水，土壤含水量也快速上升。當(dāng)土壤含水量抵達(dá)C點(diǎn)時(shí)，達(dá)到設(shè)定的土壤含水量控制上限，供水設(shè)備關(guān)閉，停止供水。但由于土壤含水量測(cè)定上的滯后，土壤含水量會(huì)有一個(gè)輕微的繼續(xù)上升的過(guò)程，最后達(dá)到D點(diǎn)。之后由于作物的吸收及土壤蒸發(fā)，含水量又開(kāi)始逐步的下降，直至抵達(dá)E點(diǎn)，開(kāi)始下一次灌水過(guò)程。由于灌水時(shí)土壤含水量的變化比正常作物消耗情況下

36、的變化要快得多，因而在灌水過(guò)程中土壤含水量的監(jiān)測(cè)頻率應(yīng)比作物耗水過(guò)程的監(jiān)測(cè)頻率高的多[5]。</p><p>　　第三章 GTM900C無(wú)線模塊</p><p>　　3.1 GTM900C模塊介紹</p><p>　　華為GTM900-C無(wú)線模塊是一款兩頻段GSM/GPRS無(wú)線模塊。它支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令及增強(qiáng)AT命令，提供豐富的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等功能，是高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)?/p>

37、各種應(yīng)用的理想解決方案。內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議模塊，使用簡(jiǎn)單，易于集成,GTM900C軟件、硬件兼容GTM900B、TC35i、MC39i，使用TC35i或MC39i的用戶不用作任何更改就可以使用。</p><p>　　華為GTM900C是一款雙頻900/1800MHZ高度集成的GSM/GPRS模塊，是GTM900B的升級(jí)模塊。內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議模塊，使用簡(jiǎn)單，易于集成，使用它您可以在較短的時(shí)間內(nèi)花費(fèi)較少的成本開(kāi)

38、發(fā)出新穎的產(chǎn)品。在遠(yuǎn)程監(jiān)控和無(wú)線公話以及無(wú)線POS終端等領(lǐng)域您都能看到GTM900C無(wú)線模塊在發(fā)揮作用，GTM900C軟件、硬件兼容GTM900B、TC35i、MC39i，使用TC35i或MC39i的用戶不用作任何更改就可以使用，以降低產(chǎn)品成本。 </p><p><b>　　主要功能: </b></p><p>　　GSM/GPRS Phase 2/2+ ；GSM

39、03.40短信業(yè)務(wù)；GPRS CLASS 10數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；支持Group3，Class2傳真業(yè)務(wù)；電路交換業(yè)務(wù)(9.6kbps，14.4kbps)；分組交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(85.6kbps) ；FR/HR/EFR/AMR 語(yǔ)音編碼；呼叫轉(zhuǎn)移、等待、保持、呼叫前轉(zhuǎn)；多方通話、來(lái)電顯示、可選鈴聲 </p><p><b>　　接口特性： </b></p><p>　　40pin

40、zip連接器；紅外串口接口；SIM 3.0V和1.8V接口；2路模擬音頻輸入輸出接口；電源輸入接口和充電管理；ADC輸入；全雙工串行接口，TTL電平；支持GSM07.05，GSM07.07；TCP/IP擴(kuò)展AT指令集。</p><p>　　3.1.1 GTM900C模塊產(chǎn)品定位</p><p>　　華為GTM900-C 無(wú)線模塊是一款兩頻段GSM/GPRS 無(wú)線模塊。它支持標(biāo)準(zhǔn)的AT 命令

41、及增強(qiáng)AT 命令，提供豐富的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等功能，是高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)雀鞣N應(yīng)用的理想解決方案。</p><p>　　3.1.2 GTM900C模塊產(chǎn)品特性</p><p>　　表3-1 GTM900-C 的產(chǎn)品特性表</p><p>　　3.1.3 GTM900C模塊產(chǎn)品的應(yīng)用</p><p>　　GTM900-C 在Terminal 型固定臺(tái)

42、、Phone 型固定臺(tái)、車載臺(tái)、公用電話、電力無(wú)線抄表業(yè)務(wù)、遠(yuǎn)程信息服務(wù)臺(tái)等方面被廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　3.1.4 GTM900C無(wú)線模塊的業(yè)務(wù)演示框圖</p><p>　　圖3-1 GTM900C業(yè)務(wù)演示框圖</p><p>　　3.2 GTM900C無(wú)線模塊AT命令</p><p>　　本課題中的GSM模塊包括移動(dòng)設(shè)備ME（

43、Mobile Equipment）、移動(dòng)臺(tái)MS（Mobile Station）、終端適配器TA（Terminal Adapter）、數(shù)據(jù)通信設(shè)備DCE（Data Communication Equipment）和傳真DCE（包括傳真Modem和傳真板）。</p><p>　　通過(guò)串口發(fā)送AT命令，即可使用GSM模塊。串行線對(duì)端的應(yīng)用設(shè)備包括終端設(shè)備TE (Terminal Equitment）、數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE

44、（Data Terminal Equipment）或其他應(yīng)用設(shè)備。這些終端或應(yīng)用設(shè)備可能運(yùn)行在嵌入式系統(tǒng)里。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3-2：</p><p>　　圖3-2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　3.2.1 AT命令類型</p><p>　　本手冊(cè)中的所有命令行必須以“AT”或“at”為前綴，以<CR>結(jié)尾 一般來(lái)講，AT命令包括四種類型，如表3-2所示

45、：</p><p>　　表3-2 AT命令類型</p><p>　　3.2.2 消息發(fā)送和寫入命令 </p><p>　　發(fā)送消息：AT+CMGS</p><p>　　使用設(shè)置命令，可將SMS（SMS-SUBMIT）從TE發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)側(cè)。發(fā)送成功后，消息參考值<mr>將返回給TE。在接收到非請(qǐng)求發(fā)送狀態(tài)報(bào)告結(jié)果碼時(shí)，使用該取值可

46、進(jìn)行消息識(shí)別。</p><p>　　表3-3 AT+CMGS操作命令語(yǔ)法</p><p>　　表3-4 參數(shù)的詳細(xì)說(shuō)明</p><p><b>　　舉例：發(fā)送文本方</b></p><p>　　AT+CMGF=1 NOTE：設(shè)置以文本方式發(fā)送短信 式的短信 </p><p><b

47、>　　OK</b></p><p>　　AT+CMGS="15840343232" NOTE：輸入對(duì)方號(hào)碼 </p><p>　　> SMS NOTE：輸入短信內(nèi)容，以ctrl-Z發(fā)送；</p><p><b>　　ESC取消 </b></p><p><b&

48、gt;　　OK </b></p><p>　　舉例：發(fā)送和接收PDU方式的短信</p><p><b>　　AT+CMGF=0</b></p><p><b>　　OK</b></p><p>　　AT+CMGS=16> 0891683108200105F011000D916831

49、18087981F60004000168 </p><p><b>　　OK</b></p><p><b>　　PDU編碼解析：</b></p><p>　　發(fā)送數(shù)據(jù)：0891683108200105F011000D91683118087981F60004000168 </p><p>　　表3-

50、5 PDU編碼解析</p><p><b>　　接收數(shù)據(jù):</b></p><p>　　0891683108200105F0040D91683184821969F2000470404271726423026869</p><p>　　表3-6 接收數(shù)據(jù)</p><p>　　3.3 GTM900C 信號(hào)連接器和天線接

51、口</p><p>　　GTM900-C 的信號(hào)連接器和天線接口，包括： 信號(hào)連接器接口； 天線接口。</p><p>　　3.3.1信號(hào)連接器</p><p>　　GTM900-C的信號(hào)連接器是一個(gè)40 Pin 的ZIF 連接器，引腳間距為0.5mm，線距0.5mm，結(jié)構(gòu)為單排彎式表貼型，帶電纜鎖緊機(jī)構(gòu)，型號(hào)是Hirose 的FH12-40S-0.5SH。連接器外

52、形如圖3-3 所示。</p><p>　　圖3-3 連接器外形</p><p><b>　　3.3.2天線接口</b></p><p>　　GTM900-C 提供的天線接口為GSC 射頻連接器，外接天線通過(guò)電纜連接到該連接器上。該連接器是由HRS 公司提供的，器件編碼是U.FL-R-SMT-1(10)，具體的圖形和尺寸如圖3-4 所示。<

53、;/p><p>　　圖3-4 天線接口連接器尺寸圖（單位：mm）</p><p><b>　　3.3.3接口信號(hào)</b></p><p>　　表3-7 信號(hào)連接器接口功能表</p><p><b>　　3.4接口的使用</b></p><p>　　GTM900-C 各接口的使

54、用，包括：UART 接口；USB接口；SIM卡接口；RTC Backup接口；Audio接口；LPG接口。</p><p>　　3.4.1 UART 接口的功能特性</p><p>　　UART 接口與外界進(jìn)行串行通信，支持3.00V 電平輸入和輸出。UART 接口的信號(hào)除了RXD0、TXD0 是高電平有效之外，其余所有信號(hào)均為低電平有效。UART 接口有512 byte 的發(fā)送FIFO（

55、First In First Out）和接收FIFO，支持可編程的數(shù)據(jù)寬度、可編程的數(shù)據(jù)停止位、可編程的奇/偶校驗(yàn)或者沒(méi)有校驗(yàn)。UART 接口工作的最大速率為115.2kbit/s，默認(rèn)支持9600bit/s 的速率，支持波特率掉電保存。</p><p>　　3.4.2 UART 接口信號(hào)定義</p><p>　　UART 接口信號(hào)定義如表3-8所示.</p><p&g

56、t;　　表3-8 UART 接口信號(hào)定義</p><p>　　3.4.3 UART接口DCE-DTE 配線</p><p>　　DCE-DTE 的連接關(guān)系如圖3-4 所示。</p><p>　　圖3-4 DCE-DTE 的連接關(guān)系</p><p>　　第四章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1土壤水分傳感器

57、的選擇與使用</p><p>　　4.1.1土壤水分傳感器的選擇</p><p>　　快速、準(zhǔn)確地測(cè)定農(nóng)田土壤水分，對(duì)于探明作物生長(zhǎng)發(fā)育期內(nèi)土壤水分的盈虧，以便適時(shí)做出灌溉、施肥決策和排水措施等具有重要意義。</p><p>　　由于土壤水分含量測(cè)定的特殊要求以及影響因子的復(fù)雜性，有關(guān)的測(cè)定方法都表現(xiàn)出這樣或那樣的不足，比如破壞性、不穩(wěn)定性、測(cè)定適用范圍的局限性、對(duì)

58、測(cè)定人員具有危害性及需要經(jīng)常標(biāo)定、價(jià)格昂貴等等，均對(duì)這些方法的適應(yīng)性、測(cè)定結(jié)果的可靠性及由于價(jià)格原因的推廣性有極大的影響。經(jīng)過(guò)綜合比較，本課題最終選定了電容式水分傳感器，對(duì)一定幾何結(jié)構(gòu)的電容式水分傳感器，其電容量與兩電極間被測(cè)物料的介電常數(shù)有正比關(guān)系。由于水的介電常數(shù)比一般物料的介電常數(shù)要大得多，所以當(dāng)土壤中的水分增加時(shí)，其介電常數(shù)相應(yīng)增大，測(cè)量時(shí)水分傳感器給出的電容值也隨之上升，根據(jù)傳感器的電容量與土壤水分之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系可測(cè)出土壤的水

59、分。電容式水分傳感器的特點(diǎn)是精度高、量程寬、可測(cè)的物料品種多，而且響應(yīng)速度也較快，可應(yīng)用于在線監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。但靈敏度稍低，設(shè)備較復(fù)雜，價(jià)格稍貴。</p><p>　　根據(jù)被測(cè)物料不同，傳感器應(yīng)有不同的結(jié)構(gòu)，這里選用了Lw-02型水分傳感器。它已通過(guò)HUMREL的品質(zhì)認(rèn)證，可以很好工作于較惡劣的環(huán)境。它有小且易安裝的接頭，由于它是線性的電壓輸出濕度檢測(cè)模塊，因此能直接與微控制器相接，價(jià)格相對(duì)便宜，具有較高的性價(jià)比

60、。它適用范圍廣，可用于環(huán)境測(cè)控、溫室大棚、糧食倉(cāng)儲(chǔ)等[6]。</p><p>　　4.1.2土壤水分傳感器的測(cè)量原理及其實(shí)現(xiàn)方法</p><p>　　眾所周知，空氣的介電常數(shù)為1，土壤的介電常數(shù)介于3-7，而自由介電常數(shù)達(dá)80. 36（20℃），這種巨大差異表明可以通過(guò)測(cè)量土壤介電特性來(lái)測(cè)定土壤含水量。 </p><p><b>　　電磁閥公式：<

61、/b></p><p>　　C=ξrC0=(1+X)C0 （4-1）</p><p>　　其中C0表示無(wú)介質(zhì)(即在空氣中)時(shí)的電容</p><p>　　C一充入均勻介質(zhì)后的電容</p><p>　　ξr一所充介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)(也稱電容率)</p><p>&

62、lt;b>　　X一介質(zhì)的極化率</b></p><p>　　由上式可見(jiàn)，充入介質(zhì)后，原空氣中的電容將增至ξr倍，介質(zhì)不同則r不同，C也不同，通過(guò)C間接反映土壤含水量。</p><p>　　通過(guò)振蕩電路，很容易把C轉(zhuǎn)換成振頻頻率不同的電信號(hào)，把該信號(hào)通過(guò)單片機(jī)與其它電路轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)輸出。土壤水分傳感器的原理框圖如圖4. 1所示。</p><p>　

63、　圖4.1土壤水分傳感器原理框圖</p><p>　　探頭的設(shè)計(jì)，這里以一根較粗的絕緣探針作為電容的正極，以八根連接在一起的絕緣探針作為電容的負(fù)極，這樣隨著夾在兩極板之間的介質(zhì)的濕度不同，電容值也就不同，而土壤濕度不同，其介質(zhì)系數(shù)也是不同的，從而實(shí)現(xiàn)了土壤濕度的數(shù)字化。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，采用兩極板的方式受土壤松緊度的影響較大，且不夠穩(wěn)定，影響了傳感器的穩(wěn)定性和可靠性，因此，采用了絕緣探針的方式，因?yàn)樘结樰^尖，插入土壤

64、比較容易，且對(duì)土壤松緊度的影響較小，封閉性較好，能夠構(gòu)成完整的閉合電容，系統(tǒng)比較穩(wěn)定。探頭的探針必須是絕緣的，這里采取了搪瓷的方法，因?yàn)榇稍谕寥乐胁粫?huì)被腐蝕，絕緣性好，且質(zhì)地堅(jiān)硬，耐-磨性較好，可以達(dá)到理想的效果。</p><p>　　通過(guò)一個(gè)555振蕩電路產(chǎn)生一個(gè)近似方波信號(hào)。由頻率計(jì)算公式f=1. 43/( RA+RB) C可知，在RA和C一定的情況下，只要改變RB的值，就可以改變輸出頻率f的值。這樣，整個(gè)電

65、路的調(diào)節(jié)就集中到電阻RB上了，只要調(diào)節(jié)電阻RB，就可以來(lái)調(diào)節(jié)電路的輸出；同時(shí)，振蕩器輸出波形的占空比為q=RA/ (RA+Ra )，只要RA與RB的比值越大，輸出的波形就越接近方波，得到的值就越接近理想值。取RA為100K，取RB為3K，這樣輸出的波形就近似為方波(RB為可調(diào)電阻)。在其他參數(shù)一定的情況下，電容值不同，輸出的波形周期也不同，從而實(shí)現(xiàn)了電容與周期的一一對(duì)應(yīng)。</p><p>　　輸出的方波信號(hào)的頻率

66、是比較高的，因此需要通過(guò)一個(gè)CC4060芯片對(duì)其進(jìn)行分頻，以便單片機(jī)能進(jìn)行處理。我們經(jīng)常需要把高頻信號(hào)加以分頻得到較低頻率的信號(hào)，CC4060有10個(gè)輸出端最小可得到16分頻，最大可得到16348分頻，這樣大的分頻范圍給了一個(gè)自由選擇的空間。 </p><p>　　經(jīng)過(guò)16分頻的方波信號(hào)輸入AT89C51單片機(jī)，由軟件對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)分段擬合，以降低誤差，同時(shí)進(jìn)行查表計(jì)算，獲得相應(yīng)的濕度值。利用看

67、門狗來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控，還需要進(jìn)行通訊編程并借助智能數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸與命令傳輸。 </p><p>　　采用X25045對(duì)電路進(jìn)行保護(hù)，在故障情況下對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存?？撮T狗電路在現(xiàn)在的電路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用是非常普遍的，X25045把三種常用的功能:看門狗定時(shí)器，電壓監(jiān)控和E2PROM組合在單個(gè)封裝之內(nèi)，這種組合降低了系統(tǒng)

68、成本并減少了對(duì)電路板空間的要求。看門狗定時(shí)器對(duì)微控制器提供了獨(dú)立的保護(hù)系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)，在可選的超時(shí)周期之后，看門狗將以RESET信號(hào)作出響應(yīng)。用戶可從三個(gè)預(yù)置的值中選擇此周期。一旦選定，即使在電源周期變化之后，此周期也不改變。利用X25045低Vcc檢測(cè)電路，可以保護(hù)系統(tǒng)使之免受低電壓的影響。當(dāng)Vcc降到最小轉(zhuǎn)換點(diǎn)以下時(shí)，系統(tǒng)復(fù)位。復(fù)位一直確保到Vcc返回且穩(wěn)定為止。</p><p>　　單片機(jī)輸出的是RS2

69、32信號(hào)，其傳輸距離比較短，最大為15米，極大地限制了信號(hào)的傳輸：與之相比，RS485信號(hào)的傳輸距離可達(dá)到1200米左右，再加上兩級(jí)中繼后，能達(dá)到3000米以上。通過(guò)SN75LBC184對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這樣，只要在上位機(jī)的端口加上一個(gè)D485轉(zhuǎn)換頭，就可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)的傳輸了。同時(shí)，SN75LBC184的片內(nèi)A，B引腳接有高能量瞬變干擾保護(hù)裝置，這種結(jié)構(gòu)能承受400W的過(guò)壓瞬變，從而顯著地提高了器件抗過(guò)壓瞬變的可靠性。普通的RS

70、485收發(fā)器很容易被過(guò)壓瞬變損壞，如果要有效加以保護(hù)，一般需外加包括隔離變壓器在內(nèi)的保護(hù)器件。若使用LBC184，可直接與傳輸線相接而不需要任何外加保護(hù)元件，這提供了一種可靠、低價(jià)和簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方案。該器件還具有合適于電噪聲環(huán)境中的合用數(shù)據(jù)總線應(yīng)用的許多特點(diǎn)[5]。</p><p>　　LW-O2土壤濕度傳感器的整體電路圖如圖4.2所示。</p><p>　　圖4.2 土濕傳感器的整體電路圖

71、</p><p>　　4.1.3傳感器在田間的埋設(shè)</p><p>　　選擇合適的埋設(shè)位置和正確埋入傳感器是精確、可靠地進(jìn)行土壤含水量測(cè)定所必須在進(jìn)行埋設(shè)工作時(shí)要遵循下列一些原則：</p><p>　　埋設(shè)點(diǎn)應(yīng)選在處理方便，不受田塊邊界作用影響，土壤、氣候、作物生長(zhǎng)及灌溉系統(tǒng)都具有代表性的地段，此處不應(yīng)干燥得太快，也不應(yīng)處于低洼地或較其它部分位置積水時(shí)間長(zhǎng)或更潮濕的

72、地塊。</p><p>　　必須埋在根系活動(dòng)集中層內(nèi)，該處為作物大部分吸水發(fā)生部位，需給予重點(diǎn)關(guān)注。最好能在各點(diǎn)或不同深度分層埋設(shè)若千傳感器。對(duì)于淺層根系作物，如大多數(shù)蔬菜作物，可在10~15cm， 25~40cm深度之間各埋一個(gè)。對(duì)于扎根較深的作物，如玉米、果樹等，可考慮在15cm， 40cm， 80cm處各埋一個(gè)，這時(shí)只有在三個(gè)傳感器的測(cè)量結(jié)果都顯示缺水時(shí)才開(kāi)始灌溉。分層埋設(shè)時(shí)，應(yīng)將各傳感器的導(dǎo)線頭引到埋設(shè)處

73、的地表，在導(dǎo)線頭上做好不同埋深的標(biāo)記，以便和傳感器信號(hào)處理電路連接。 </p><p>　　對(duì)于較長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)觀察，探頭最好能與垂線呈一定角度安放(一般取100~450)，這樣可以減小土壤的非均質(zhì)性，作物根系的垂直生長(zhǎng)特性以及垂直干裂</p><p>　　隙、蛆叫洞等的影響，并可克服垂直安放探頭易引發(fā)干裂縫及孔洞，從而造成降雨或灌水時(shí)水分沿探頭下滲的弊端。</p>&l

74、t;p>　　傳感器在洞內(nèi)放好后，要加入少量細(xì)土，壓實(shí)，灌入少量水，然后再填一些土。同時(shí)應(yīng)注意用細(xì)砂布裹在傳感器外，以避免砂粒進(jìn)入探頭內(nèi)影響測(cè)量效果。</p><p>　　總之，在傳感器埋設(shè)時(shí)，應(yīng)請(qǐng)教有關(guān)專家，了解作物的有效根系活動(dòng)范圍和土壤土質(zhì)況，以便選擇好埋設(shè)傳感器的位置、深度和數(shù)量，保證測(cè)量結(jié)果的可信性 [8]。</p><p><b>　　4.2單片機(jī)的選擇</

75、b></p><p>　　4.2.1單片機(jī)的發(fā)展概況及其選擇</p><p>　　隨著電子技術(shù)、微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，微型計(jì)算機(jī)發(fā)展很快，單片機(jī)作為計(jì)算機(jī)的一個(gè)獨(dú)特的分支，它是在一塊芯片上集成了多種功能部件所構(gòu)成的一臺(tái)完整的、具有一定功能的單片微型計(jì)算機(jī)。</p><p>　　根據(jù)本課題的特點(diǎn)，這里選ATMEL公司89系列的標(biāo)準(zhǔn)型單片機(jī)AT89C51[18]&

76、lt;/p><p>　　89C51單片機(jī)性能與應(yīng)用</p><p>　　AT89C51是一種低功耗、高性能的8位單片機(jī)，片內(nèi)帶有一個(gè)4K字節(jié)的Flash可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器(EPROM)，它采用了CMOS工藝和ATMEL公司的高密度非易失性存儲(chǔ)器(NURAM)技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MCS-51兼容。片內(nèi)的Flash存儲(chǔ)器允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲(chǔ)器編程器來(lái)編程。因

77、此AT89C51是一種功能強(qiáng)、靈活性高且價(jià)格合理的單片機(jī)，它可方便地應(yīng)用在各種控制領(lǐng)域。[19]</p><p>　　AT89C51的主要性能有[20]:</p><p>　　與MCS-51微控制器產(chǎn)品兼容； </p><p>　　4KB可改編程序Flash存儲(chǔ)器；(可經(jīng)受1， 000次的寫入/擦除周期)&

78、lt;/p><p>　　全靜態(tài)工作：0HZ-24MHZ； </p><p>　　三級(jí)存儲(chǔ)器保密； </p><p>　　128X8字節(jié)內(nèi)部RAM；</p><p>　　32條可編程I/0線； </

79、p><p>　　2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；</p><p><b>　　6個(gè)中斷源；</b></p><p><b>　　可編程串行通道；</b></p><p><b>　　片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器； </b></p><p>　　空閑狀態(tài)維持低功耗和掉電狀態(tài)保存片

80、內(nèi)以RAM中的內(nèi)容。</p><p>　　4.2.3 引腳功能</p><p>　　圖4.3是AT89C51的引腳結(jié)構(gòu)圖，這個(gè)是40線雙列直插封裝(DIP)方式，下面分別敘述這些引腳的功能。</p><p>　　圖4.3 AT89C51單片機(jī)引腳圖</p><p>　?、僦麟娫匆_Vcc電源端，GND接地端；</p><p

81、>　?、谕饨泳w引腳XTAL 1和XTAL2引腳功能</p><p>　　XTALI連接外部晶體的一個(gè)引腳，在單片機(jī)內(nèi)部，它是構(gòu)成片內(nèi)振蕩器的反相放大器的輸入。當(dāng)用外部振蕩器時(shí)該引腳接收振蕩器的信號(hào)，即把此信號(hào)直接接到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。</p><p>　　XTAL2接外部晶體的另一個(gè)引腳，在單片機(jī)內(nèi)部它是振蕩器的反相放大器的輸出，采用外部振蕩器時(shí)，引腳懸掛不連接。</p

82、><p>　?、劭刂苹蚺c其它電源復(fù)用引腳RST， /ALE/ PROG ， PSEN和EA /VPP RST復(fù)位輸入端，當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在該引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。</p><p>　　ALE/ PROG訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，ALE(地址鎖存允許)的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)，正常工作時(shí)ALE以振蕩頻率1/6的固定速率輸出，并可為外部電路提供時(shí)序與時(shí)鐘信號(hào)，但在每次訪問(wèn)外

83、部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。在對(duì)Flash存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖(FROG)。</p><p>　　PSEN程序存貯允許( PSEN)輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89C51由外部程序存貯器取指令時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效(即輸出2個(gè)脈沖)，但在此期間內(nèi)，每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，兩次PSEN有效信號(hào)都不輸出。 </p><p>　　EA/

84、VPP外部訪問(wèn)允許端，要使CPU訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器(地址為0000H~FFFFH)，則右端必須保持低電平(接GND端)。當(dāng)EA端保持高電平時(shí)(接Vcc端)時(shí)CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的程序，在Flash存儲(chǔ)器編程期間，此引腳用于施加12V的編程允許</p><p><b>　　電源VPP。</b></p><p>　?、茌斎?輸出引腳P0.0~P0.7， P1.0~

85、Pl.7， P2. 0~P2.7， P3.0~P3.7 </p><p>　　P0端口(P0.0~P0. 7}是一個(gè)8位漏極開(kāi)路型雙向I/O端口，它的地址是80H至87作為輸出口用時(shí)，每位能以吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL輸入，對(duì)端口寫1時(shí)，可作為高阻抗輸入端用，在編程時(shí)P0端口接收指令字節(jié)。驗(yàn)證程序時(shí)則輸出指令字節(jié)，此時(shí)要求外接上拉電阻。</p><p>　　P1端口(P1.0~P1.

86、7)是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/0端口，它的位地址是90H與97H. PI的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL輸入，對(duì)端口寫1時(shí)可用作輸入口，此時(shí)那些被外部信號(hào)拉低的引腳會(huì)輸出一個(gè)電流。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器和16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)P2送出高8位地址，在訪問(wèn)8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2引腳上的內(nèi)容是專用寄存器(SPR)區(qū)中P2寄存器的內(nèi)容，整個(gè)訪問(wèn)期間不會(huì)改變。在對(duì)Flash編程和程序驗(yàn)證期間，P2也接收高位地址和一些控制信號(hào)。

87、</p><p>　　P3端口(P3. 0~P3.7)是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/0端口，除了一些與P1， P2部分相同的功能外，還有一些專門功能。如表1所示[6]：</p><p>　　表1 P3各端口引腳與兼用功能</p><p>　　4.3 振蕩器電路及復(fù)位電路設(shè)計(jì)</p><p>　　T89C51內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成片內(nèi)蕩振器的高

88、增益反相放大器，引腳XTAL 1和XTAL2分別是此放大器的輸入端和輸出端，這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起可構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器，振蕩電路的連接方法如圖3.4所示：</p><p><b>　　圖4.4 振蕩電路</b></p><p>　　圖中外接石英晶體(或陶瓷諧振器)以及電容C1或C2構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，接在放大器的反饋回路中。雖然對(duì)電容的大

89、小沒(méi)有嚴(yán)格的要求，但多少會(huì)影響振蕩器頻率的高低、振蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度穩(wěn)定性。外接石英晶體時(shí)，Cl和C2一般取(30pF士10pF)，外接陶瓷諧振器時(shí)，C1和C2一般取(40pF土10pF)，在此選用的是石英晶體，C1， C2均為30pF。</p><p>　　AT89系列與其它微處理器一樣，在啟動(dòng)時(shí)都需要復(fù)位，使CPU及系統(tǒng)各部件處于確定的初始狀態(tài)，并從初態(tài)開(kāi)始工作。AT89C51的上電復(fù)位電路如圖

90、4.5所示。</p><p><b>　　圖4.5 復(fù)位電路</b></p><p>　　在RST復(fù)位輸入引腳上接一電容至Vcc端，下接一個(gè)電阻到地。上電復(fù)位的過(guò)程是在加電時(shí)，復(fù)位電路通過(guò)電容加給RST端一個(gè)短暫的高電平信號(hào)，此高電平信號(hào)隨著Vcc對(duì)電容的充電過(guò)程而逐漸回落。為保證能可靠地復(fù)位，RST端的高電平信號(hào)必須維持足夠長(zhǎng)的時(shí)間。在復(fù)位期間端口引腳處于隨機(jī)狀態(tài)，

91、復(fù)位后系統(tǒng)將端口置為全”1”態(tài)，除了端口寄存器的復(fù)位值為FFH，堆棧指針SP為07H， SBUF內(nèi)為不定值外，其余的寄存器全部清0。內(nèi)部RAM的狀態(tài)不受復(fù)位的影響，在系統(tǒng)上電時(shí)RAM的內(nèi)容是不定的。若系統(tǒng)在上電時(shí)得不到有效的復(fù)位，則在程序計(jì)數(shù)器PC中將得不到一個(gè)合適的初值，CPU可能會(huì)從一個(gè)未被定義的位置開(kāi)始執(zhí)行程序[9]。</p><p><b>　　4.4存儲(chǔ)器的配置</b></p

92、><p>　　AT89C51單片機(jī)將程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分為不同的存儲(chǔ)空間，程序存儲(chǔ)器只可讀不可寫，用于存放編好的程序和表格常數(shù)。AT89系列單片機(jī)可尋址的外部程序總空間為64KB，引腳接高電平時(shí)，執(zhí)行內(nèi)部ROM中的命令，EA引腳接低電平時(shí)，單片機(jī)就從外部程序存儲(chǔ)器中取指令。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器在物理上和邏輯上分為兩個(gè)地址空間，一個(gè)為內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間，一個(gè)為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間，外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的尋址空間可達(dá)64KB。<

93、/p><p>　　只有對(duì)于片內(nèi)部無(wú)ROM的單片機(jī)或者程序較長(zhǎng)，內(nèi)部ROM不夠用時(shí)，才需擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器芯片；當(dāng)數(shù)據(jù)量大內(nèi)部RAM不夠用時(shí)，需擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器芯片。而本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)量不太大，程序也不太長(zhǎng)，選用的AT89C51單片機(jī)內(nèi)部含有4KB的Flash閃速存儲(chǔ)器，128KB的RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，即可滿足要求，因此不需擴(kuò)展存儲(chǔ)器電路。 </p><p>　　AT89C51的4KB片內(nèi)Fla

94、sh的地址為0000H~0FFFH，當(dāng)把EA引腳連到Vcc，當(dāng)?shù)刂窞?000H ~0FFFH時(shí)，即訪問(wèn)內(nèi)部Flash存儲(chǔ)器；當(dāng)?shù)刂窞?000H~FFFFH時(shí)，訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器。AT89C51程序存儲(chǔ)器中，0000H~0002H單元用于初始化程序，單片機(jī)復(fù)位后，CPU總是從0000H單元開(kāi)始執(zhí)行程序。另外，每個(gè)中斷在程序存儲(chǔ)器中都分配有一個(gè)固定的入口地址，中斷響應(yīng)后CPU便跳到該單元，在這里開(kāi)始執(zhí)行中斷服務(wù)子程序。每個(gè)中斷入口地址的間隔

95、為8個(gè)單元，外部中斷的入口地址為0003H，定時(shí)器0的入口地址為000BH，外部中斷1的入口地址為0013H，定時(shí)器1的入口地址為001BH，依此類推。如果一個(gè)中斷服務(wù)子程序足夠短的話，則可全部存放在這8個(gè)單元中。對(duì)較長(zhǎng)的服務(wù)子程序，則利用一條跳轉(zhuǎn)指令跳過(guò)后續(xù)的中斷入口地址。 </p><p>　　內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的地址是8位的，低128KB的分配是：最低32個(gè)單(00H~1FH)是四個(gè)通用工作寄存器組，每個(gè)寄

96、存器組含有8個(gè)8位寄存器，編號(hào)為R0~R7。專用寄存器PSW(程序狀態(tài)字)中有2位(RS0, RS1)用來(lái)確定采用哪一個(gè)工作寄存器組，低128字節(jié)區(qū)中所有單元都既可通過(guò)直接尋址方式訪問(wèn)，又可通過(guò)間接尋址方式訪問(wèn)。雖然高128字節(jié)區(qū)與專用寄存器(SFR)區(qū)的地址是重合的(80H~FFH)，但實(shí)際上它們是分開(kāi)的，究竟訪問(wèn)哪一區(qū)是通過(guò)不同的尋址方式加以區(qū)分的。訪問(wèn)SFR用直接尋址方式，訪問(wèn)高128字節(jié)區(qū)時(shí)，采用間接尋址方式，并且僅在帶有256

97、KB RAM的單片機(jī)才有高128字節(jié)區(qū)。</p><p>　　4.5 數(shù)據(jù)采集處理電路</p><p>　　本電路主要用于傳感器信號(hào)的處理，由前面己知土壤水分的測(cè)定采用LW-02型水分傳感器，測(cè)量時(shí)需給其加+5.0VDC，傳感器的白、藍(lán)、黃接線分別為接地線、輸入電壓線、輸出電壓線。根據(jù)土壤水分含量的不同，直接可輸出不同的電壓信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后成為數(shù)字信號(hào)，再傳輸至單片機(jī)內(nèi)，本系統(tǒng)可

98、接八路傳感器信號(hào)。</p><p>　　4.5.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的選擇</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換電路是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心電路，它對(duì)采樣獲得的連續(xù)電壓(被測(cè)量信號(hào)從時(shí)間上離散化)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量(數(shù)值上離散化)。任何A/D轉(zhuǎn)換器的最基本的特性都是轉(zhuǎn)換位數(shù)和轉(zhuǎn)換時(shí)間，轉(zhuǎn)換時(shí)間是指完成一次完整的A/D轉(zhuǎn)換所占有時(shí)間。在同樣模擬輸入電壓下，A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)越高，標(biāo)志著它的量化精度越高，但這會(huì)帶來(lái)

99、轉(zhuǎn)換速度減慢和轉(zhuǎn)換器價(jià)格上升的問(wèn)題。 </p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換器芯片種類繁多，但大量投放市場(chǎng)的單片集成或模塊A/D按其變換原理主要分為逐次比較式、雙積分式、量化反饋式和并行式A/D轉(zhuǎn)換器。雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換精度高，抗干擾能力強(qiáng)、價(jià)格低，但轉(zhuǎn)換速度較慢；并行式轉(zhuǎn)換器速度快，但價(jià)格高；逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換精度較高、速度快，大約在幾微秒到幾百微秒之間，但抗干擾能力弱。但總的來(lái)講逐次逼近式A/D

100、轉(zhuǎn)換器性能價(jià)格比最優(yōu)，應(yīng)用最廣泛，國(guó)內(nèi)使用較多的芯片有ADC0808/0809,ADC0801，ADC0805及ADC0816/0817和AD574等。經(jīng)過(guò)分析比較，這里選擇常用的中速、低廉的逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809芯片。</p><p>　　4.5.2 ADC0809引腳及接口電路設(shè)計(jì)</p><p>　　ADC0809是一種逐次逼近式8路模擬輸入，8位數(shù)字量輸出的A/D轉(zhuǎn)

101、換器。為了實(shí)現(xiàn)8路模擬信號(hào)的分時(shí)采集，片內(nèi)設(shè)置了8路模擬選通開(kāi)關(guān)以及相應(yīng)的通道地址鎖存及譯碼電路，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送入三態(tài)輸出數(shù)據(jù)鎖存器，其轉(zhuǎn)換時(shí)間約為100ms。</p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程主要包括：采樣量化及編碼，采樣是使模擬信號(hào)在時(shí)間上離散化，量化及編碼是把采樣后的值按比例變換成相應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)碼。如8位A/D轉(zhuǎn)換器采集到OV電壓則變成00H數(shù)字信號(hào)，采集到5V電壓則變換成FFH數(shù)字信號(hào)，其他在0~5V之

102、間的模擬量都可轉(zhuǎn)換成00H~FFH之間的數(shù)字量。通過(guò)數(shù)字量運(yùn)算比較的結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬量的測(cè)量及控制。ADC0809的引腳及模擬通道的地址碼如圖4.6所示： </p><p>　　圖4.6 ADC0809引腳圖</p><p>　?、買NO~IN7是8路模擬信號(hào)輸入端； </p><p>　　②D0~D

103、7是8位數(shù)字量輸出端； </p><p>　　③A B C和ALE控制8路模擬通道的切換，A, B, C分別與三根數(shù)據(jù)線相連，三者編碼對(duì)應(yīng)8個(gè)通道地址口。CBA =000~111分別對(duì)應(yīng)INO~IN7通道地址； </p><p>　?、躉E START CLK為控制信號(hào)端。OE為輸出允許端，START為啟動(dòng)信號(hào)輸入端，CLK為時(shí)鐘信號(hào)輸入端。</p><p

104、>　　⑤Vr(+)和Vr(-)，為參考電壓輸入端。</p><p>　　電源電壓Vcc由Vcc和GND引入，參考電壓Vr，由外部參考電壓源提供(典型值為5V)。</p><p>　?、轊OC是A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束的標(biāo)志信號(hào)，可作為微機(jī)處理機(jī)中斷或查詢信號(hào)，EOC端出現(xiàn)高電平時(shí)表示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。</p><p>　　OE為數(shù)據(jù)輸出允許控制端，當(dāng)給OE端輸入高電平時(shí)，

105、控制三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器向外部輸出轉(zhuǎn)換結(jié)果數(shù)據(jù)。 </p><p>　　電路連接主要涉及兩個(gè)問(wèn)題，一是8路模擬信號(hào)通道選擇，二是A/D轉(zhuǎn)換完成后轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的傳送。圖中ADC0809的數(shù)據(jù)線D0~D7接于AT89C51的數(shù)據(jù)總線P0.0~ P0.7端，A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)信號(hào)由P0口送入CPU。地址編碼端A, B, C直接與AT89C51的地址總線P2. 1, P2. 2, P2. 3相接，這三位的狀態(tài)決定選擇的通

106、道。8路模擬通道共用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，8路模擬信號(hào)分時(shí)轉(zhuǎn)換，每個(gè)瞬間只能轉(zhuǎn)換1路，各路之間的切換由軟件變換通道地址實(shí)現(xiàn)。 </p><p>　　AT89C51的/WR、/RD與P2. 0通過(guò)兩個(gè)邏輯門控制ADC0809的啟動(dòng)、鎖存和輸出。當(dāng)P2. 0= 0 ,/WR=0時(shí)，啟動(dòng)0809； 當(dāng)P2. 0=0,/RD=0時(shí)，讀轉(zhuǎn)換的結(jié)果，這些信號(hào)狀態(tài)由指令時(shí)序形成。從圖中可以看出把ADC0809的ALE信號(hào)與S

107、TART信號(hào)連接在了一起，這樣連接使得在信號(hào)的前沿寫入地址信號(hào)，緊接著在其后沿就啟動(dòng)轉(zhuǎn)換。 </p><p>　　A/D轉(zhuǎn)換后得到的是數(shù)字量的模擬量，這些數(shù)據(jù)只有確認(rèn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成后，才能進(jìn)行傳送。有三種傳送方式：定時(shí)傳送方式、查詢方式、中斷方式，這里選用了定時(shí)傳送方式。即對(duì)于一種A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)換時(shí)間是已知的和固定的，ADC0809的轉(zhuǎn)換時(shí)間為128us，可根據(jù)此設(shè)計(jì)一個(gè)延時(shí)子程序。A/D轉(zhuǎn)換啟動(dòng)后，就

108、調(diào)用這個(gè)延時(shí)子程序，延遲時(shí)間一到，轉(zhuǎn)換肯定已經(jīng)完成，接下來(lái)就可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。傳送時(shí)首先送出口地址并以而作選通信號(hào)，當(dāng)/RD信號(hào)有效時(shí)，/OE信號(hào)即有效，把轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)送上數(shù)據(jù)總線，供單片機(jī)接收。ADC0809與AT89C51單片機(jī)接口電路圖如圖4.7所示[10]：</p><p>　　圖4.7 AT89C51與ADC0809接口電路</p><p>　　4.6顯示系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)</p&

109、gt;<p>　　單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中使用的顯示器主要有LED(發(fā)光二極管顯示器)和LCD(液晶顯示器)，這兩種顯示器成本低、配置靈活、與單片機(jī)接口方便，本系統(tǒng)選用簡(jiǎn)單常用的LED顯示器，它具有價(jià)格低、壽命長(zhǎng)、對(duì)電壓電流的要求低及容易實(shí)現(xiàn)多路等優(yōu)點(diǎn)。 </p><p>　　本系統(tǒng)中使用LED顯示塊構(gòu)成4位LED顯示器，4位LED顯示器有4根位選線和8X4根段選線，段選線控制字符選擇，位選線控制顯示

110、位的亮、暗。根據(jù)顯示方式不同，位選線與段選線的連接方法不同，LED顯示器有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種方式。靜態(tài)顯示方式下，每位段選線((a~dp)與一個(gè)8位并行口相連，每位可獨(dú)立顯示。只要在該位的段選碼上保持段選碼電平，該位就能保持相應(yīng)的顯示字符，同一時(shí)間里每一位顯示的字符可以各不相同。但N位靜態(tài)顯示器要求有NX8根I/O接口線，占用I/O接口資源較多。所以在此選用動(dòng)態(tài)顯示方法，即將所有位的段選線并聯(lián)在一起，由一個(gè)8位I/O控制，而共陰極點(diǎn)

111、或共陽(yáng)極點(diǎn)分別由相應(yīng)的I/0口線控制，這樣簡(jiǎn)化了電路，降低了成本。</p><p>　　LED動(dòng)態(tài)顯示電路與單片機(jī)的接口電路見(jiàn)圖4.8所示[13]。</p><p>　　圖4.8 顯示接口電路</p><p>　　4位LED動(dòng)態(tài)顯示需要一個(gè)8位I/O口和另外4位I/O口，其中一個(gè)控制段選碼，另外一個(gè)控制位選碼。由于所有位的段選碼皆由一個(gè)I/0控制，因此每個(gè)瞬間，只能