畢業(yè)設計-自動澆水控制器

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 引言..........................................................................................................................1</p><p>　　1.1單片機的概述

2、..........................................................................................................1</p><p>　　1.2單片機的分類及發(fā)展..............................................................................

3、................1</p><p>　　1.3灌溉技術的發(fā)展簡介..............................................................................................2</p><p>　　第二章 設計題目與要求.......................................

4、...............................................................4</p><p>　　2.1 課程設計要求.........................................................................................................4</p><p

5、>　　課程設計目的..........................................................................................................4</p><p>　　第三章 設計的方案選擇與論證................................................................

6、..........................5</p><p>　　3.1 整體設計框架.........................................................................................................5</p><p>　　系統(tǒng)硬件的選擇........................

7、..............................................................................5</p><p>　　3.3最終方案決定及電路設計......................................................................................6</p><p

8、>　　第四章 系統(tǒng)硬件電路的設計..............................................................................................7</p><p>　　4.1 AT89C51的介紹.....................................................................

9、.................................7</p><p>　　4.1.1 內(nèi)部結構......................................................................................................7</p><p>　　4.1.2 引腳說明.................

10、.....................................................................................8</p><p>　　4.2 顯示模塊.......................................................................................................

11、........11</p><p>　　4.2.1 顯示功能及實現(xiàn)........................................................................................12</p><p>　　4.2.2 數(shù)碼管介紹..................................................

12、..............................................12</p><p>　　4.3 時鐘電路及復位電路的設計...............................................................................14</p><p>　　4.3.1 時鐘電路...................

13、.................................................................................14</p><p>　　4.3.2 復位電路....................................................................................................16&l

14、t;/p><p>　　4.4 鍵盤輸入模塊.......................................................................................................16</p><p>　　4.5 澆水模塊設計...................................................

15、....................................................17</p><p>　　4.5.1 ULN2803的介紹........................................................................................17</p><p>　　4.5.2 澆水功能的實現(xiàn).

16、.......................................................................................18</p><p>　　4.6 電源的設計...................................................................................................

17、........19</p><p>　　第五章 系統(tǒng)的程序設計....................................................................................................21</p><p>　　5.1 系統(tǒng)時間顯示.........................................

18、..............................................................21</p><p>　　5.2 鍵盤控制時間設置...............................................................................................22</p><p>　　5

19、.2.1 按鍵校對系統(tǒng)時間....................................................................................22</p><p>　　5.2.2 按鍵設置澆水時間....................................................................................

20、23</p><p>　　5.3 澆水執(zhí)行程序框圖...............................................................................................24</p><p>　　主程序............................................................

21、........................................................25</p><p>　　第六章 仿真........................................................................................................................39</p>

22、<p>　　6.1 仿真說明...............................................................................................................39</p><p>　　仿真電路圖...........................................................

23、.................................................39</p><p>　　第七章 結論........................................................................................................................41</p><p&

24、gt;　　致謝......................................................................................................................................42</p><p>　　參考文獻..................................................

25、............................................................................43</p><p>　　附錄 電路圖 </p><p>　　第一章 引言

26、 </p><p>　　目前，農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生活、軍事等各個方面都向自動化、智能化、數(shù)字化發(fā)展。為了適應時代的發(fā)展電子技術迅猛發(fā)展。數(shù)字化、智能化、自動化的實現(xiàn)方式多種多樣，從而產(chǎn)生了很多的設計工具。單片機就是其中之一，它正朝著多品種和高性能發(fā)展，正在進一步向著COMS化、小體積、低功耗、高性能、大容量和外部電路內(nèi)裝化等多個方向發(fā)展。卓越的性價比受到了設計者們的歡迎。</p>

27、<p>　　隨著農(nóng)業(yè)的規(guī)模化、系統(tǒng)化，傳統(tǒng)的管理方法需要大量的人力而且不能及時。為了滿足更高效更高產(chǎn)，并提高管理水平。本文將介紹一個可以自動定時、多路澆水、定澆水時間的系統(tǒng)，它主要基于51單片機來設計，并將隨著社會生活的進步、人們對效率的要求，將會得到大量的應用和不斷的完善。 </p><p>　　本論文中將會應用單片機等電子技

28、術，實現(xiàn)自動澆水控制。 </p><p>　　1.1 單片機的概述 </p><p>　　為了適應社會發(fā)展的需求，微型計算機不斷地更新?lián)Q代，新產(chǎn)品層出不窮。在微型計算機的大家庭中，幾年來單片微型計算機異軍突起，發(fā)展極為迅速。

29、 </p><p>　　單片微型計算機(Single-Chip Microcomputer)簡稱單片機。它是微型計算機的一個重要分支，也是一種非?；钴S且具生命力的機種。特別適用于控制領域，故又稱微控制器(Microcontroller)。 </p><

30、p>　　通常單片機由單塊集成電路芯片構成，內(nèi)部包含有計算機的基本功能功能部件：中央處理器(Central Processing Unit，CPU)、隨機存儲器(Random Access Memory，RAM)、只讀存儲器(Read Only Memory，ROM)、定時/計數(shù)器及I/O(Input/Output)接口電路等部件。因此單片機只需要與適當?shù)能浖巴獠吭O備相結合，便可成為一個單片機控制系統(tǒng)。

31、 </p><p>　　它的特點是：高性能、高速度、體積小，價格低廉，穩(wěn)定可靠，應用廣泛。</p><p>　　單片機的分類及發(fā)展 </p><

32、p>　　20世紀80年代以來，單片機有了新的長足發(fā)展，各個半導體器件廠商也相繼推出自己的產(chǎn)品。到目前為止，市面上出售的單片機品種已達60多個系列，600多個品種。如果按照CPU對數(shù)據(jù)處理的位數(shù)來分，通常可以把單片機分為4位的單片機、8位的單片機、16位的單片機、32位的單片機四類。它的產(chǎn)生和發(fā)展過程也經(jīng)歷了相應的四個階段。

33、 </p><p>　　第一階段(1970-1974)為4位的單片機的階段。這種單片機的特點為：價格便宜并且控制功能強，片內(nèi)含有多種I/O接口，有的根據(jù)不同用途還配有許多專用接口，豐富的I/O功能大大增強了四位單片機應用于錄音機、攝像機、電冰箱、電視機、洗衣機等產(chǎn)品。

34、 </p><p>　　第二階段(1974-1978)為低中檔的8位單片機的階段。它是八位單片機的早期產(chǎn)品，以Intel公司的MCS-48系列單片機為代表產(chǎn)品，這個系列的單片機在片內(nèi)集成八位CPU、并行I/O口、8位定時/計數(shù)器、RAM和ROM等，中斷處理較簡單，片內(nèi)RAM和ROM容量較小，且尋址范圍不大于4KB。

35、 </p><p>　　第三階段(1978-1983)為高檔的8位單片機階段。這類單片機在低、中檔基礎上發(fā)展起來的，其性能有明顯額提高。還是以Intel公司的MCS-48系列單片機為代表，在片內(nèi)還增加了串行接口，有多級的中斷處理系統(tǒng)，還有16位定時/計數(shù)器，片內(nèi)RAM和ROM容量也增大了，尋址范圍已經(jīng)可達64KB，有的片內(nèi)還加有A/D轉換接口。這類單片機功能強大，應用領域廣闊，是現(xiàn)在

36、各類單片機中應用最多的一種。</p><p>　　第四階段(1983-現(xiàn)在)為8位額單片機鞏固發(fā)展的階段和16位單片機、32位單片機推出的階段。這個階段特點是：一方面不斷的發(fā)展16位的單片機、32位的單片機和一些專用的單片機。近年來，各個計算機廠家已進入了高性能的32位單片機的研制和生產(chǎn)階段，32位單片機除了具有更高的集成度以外，主振頻率已經(jīng)達到20MHz，這使32位的單片機的數(shù)據(jù)處理速度可以16位單片機快得多，

37、性能比8位、16位單片機也更加優(yōu)越。 </p><p>　　而需要說明的是，單片機的發(fā)展雖然經(jīng)歷了4位、8位、16位三階段，但4位、8位、16位單片機仍然各有其應用領域，比如4位單片機

38、在簡單家用電器、高檔玩具中還有應用，而8位單片機在中、小規(guī)模應用的場合仍占主流的地位，16位的單片機在比較復雜的控制系統(tǒng)中才有應用，32位單片機因控制領域對它的要求并不十分迫切所以32位單片機在我國的應用并不多。 </p

39、><p>　　正是由于單片機具有上述顯著的特點，使得單片機應用的范圍也日益擴大。單片機的應用打破了人們傳統(tǒng)的設計思想，原來很多用模擬電路、脈沖數(shù)字電路和邏輯部件來實現(xiàn)的功能，現(xiàn)在均可以使用單片機。使用軟件來實現(xiàn)。使用單片機具有體積小、可靠性高、性價高和容易產(chǎn)品化的優(yōu)點。</p><p>　　灌溉技術的發(fā)展簡介

40、 </p><p>　　生命之起源，水為必然條件。沒有了水，地球上的生命將會枯竭。人文明之數(shù)千年的歷史，為水而奮斗可以說是非常重要的篇章。比如我國古代的靈渠、鄭渠和都江堰，埃及尼羅河兩岸的歷史非常悠久的灌溉工程都是非常好的例證。 </p><p>　　20世紀以前，人類經(jīng)過

41、了數(shù)個世紀的探索，學會了攔河蓄水，筑渠引水和開畦灌溉的技術。但水的利用效率比較低下，限制了灌溉的面積擴大。怎樣生產(chǎn)大量的糧食，來為飛快增長的人口提供糧食，如何提高水的利用率已經(jīng)成了20世紀的一大難題，而且伴隨著勞務成本大的迅速提高，怎樣節(jié)省人力來消減勞務成本也成了亟待解決的問題。 <

42、;/p><p>　　我國從70年代開始引進噴灌、滴灌技術，80年代中期曾一度得到迅速發(fā)展。但因為經(jīng)濟及技術落后，不幾年即紛紛下馬。進入90年代中期以來，我國充分意識到我國水資源的短缺問題，重新積極推廣節(jié)水技術。經(jīng)過數(shù)年努力，已取得長足進步。 </p><p>　　盡管各種節(jié)水技術已經(jīng)發(fā)展的很成熟，但是還不能滿足的是智能化的定時澆水，要兩者結合才能更自動化及智能化。限于本論文的篇幅，這里只設計

43、自動系統(tǒng)，有八路出水，而采用什么節(jié)水設備，可根據(jù)實際應用場合自行選取，只需對接到出口即可。</p><p>　　第二章 設計題目與要求</p><p>　　2.1 課程設計要求</p><p>　　設計一種自動澆水控制器，可以實現(xiàn)設定每周內(nèi)任意幾天需要澆水，每天何時開始澆水，每路每次澆水多長時間，八路依次自動澆水。狀態(tài)顯示在平時模式現(xiàn)實當前時間及星期幾，從左至右，前

44、兩位顯示時，中間兩位顯示分，最后一位顯示星期。時與分之間兩個LED為秒閃指示，每秒閃動一次。制作出適合系統(tǒng)運行的電源。</p><p>　　2.2 課程設計目的</p><p>　　(1) 鞏固、加深和擴大單片機應用的知識面。提高綜合及靈活運用所學知識解決實際控制的能力；

45、 </p><p>　　(2) 培養(yǎng)針對課題需要，選擇和查閱有關手冊、圖標及文獻資料的自學能力，提高組成系統(tǒng)、編程、調(diào)試的動手能力； </p><p>　　(3) 學會對課程設計方案的分析、選擇、比較、熟悉系統(tǒng)開發(fā)、研制的過程，軟硬件設計的方法、內(nèi)容及步驟；

46、 </p><p>　　(4) 掌握計數(shù)器、加法器、LED的使用； </p><p>　　(5) 掌握數(shù)碼管顯示電路的應用與按鍵設置。

47、

48、 </p>

49、<p>　　第三章 設計的方案選擇與論證</p><p>　　3.1 整體設計框架

50、

51、 </p><p>　　圖3-1是本次設計的整體系統(tǒng)框圖，本電路是由AT89C51單片機為控制核心，具有在線編程功能，低功耗，高性能等優(yōu)點；顯示模塊有三個數(shù)碼管，CD4511譯碼器構成，使用動態(tài)掃描的顯示方式對數(shù)字進行顯示；按鍵模塊位五個獨立按鍵構成，分別設定

52、時、分、星期、定時、定天；電源電路是為了給AT89C51提供穩(wěn)定的工作電壓而設計；時鐘電路采用晶振提供時鐘頻率，再結合編程來實現(xiàn)時間的顯示與設定。</p><p>　　圖3-1 系統(tǒng)整體設計框圖</p><p>　　3.2 系統(tǒng)硬件的選擇 </p><p>　

53、　(1)控制系統(tǒng)模塊的方案選擇和論證 </p><p>　　方案一：采用89C2051芯片作為硬件核心，有2KB的存儲空間，雖然加上端口擴展，鍵盤不做獨立式的，也可以滿足電路要求，但是它無法擴展ROM，也不能用C語言編程，因為

54、C的第一條指令是跳轉，會浪費很多空間，因此導致空間不夠，就只能用匯編語音。 并且2051的P3.7在芯片的引腳上沒有，只在內(nèi)部有用，P1.0,P1.1沒有內(nèi)部上拉，要用做輸入輸出，就需要外接上拉。 &l

55、t;/p><p>　　方案二：采用89C51芯片作為硬件核心，采用FlashROM，內(nèi)部具有4KB ROM存儲空間，能于3V的超低壓工作，而且與MCS-51系列單片機完全兼容，有40個引腳，完全滿足電路要求，具有電路進行調(diào)試時，由于程序的錯誤修改或對程序的新增功能需要燒入程序時，不需要對芯片進行多次拔插，所以不會對芯片造成損壞。</p><p>　　結合兩者優(yōu)缺點考慮，在本設計中選擇采用AT8

56、9C51作為主控制系統(tǒng)。</p><p>　　(2)顯示模塊選擇方案和論證

57、 </p><p>　　方案一：采用點陣式數(shù)碼管顯示，點陣式數(shù)碼管是由八行八列的發(fā)光二極管組成，對于顯示文字比較合適，如果用在顯示數(shù)字顯得太浪費，且價格也相對比較高，所以不采用此種作為顯示。

58、 </p><p>　　方案二：采用LED液晶顯示器，液晶顯示器的顯示功能強大，可顯示大量文字，圖形，顯示多樣，清晰可見，但

59、是價格昂貴，需要的接口線多，所以在此設計中也不用這種作為顯示。

60、 </p><p>　　方案三：采用LED數(shù)碼管動態(tài)掃描，LED數(shù)碼管價格適中，對于顯示數(shù)字最合適，而且采用動態(tài)掃描法與單片機連接時，占用的單片機口線少。

61、 </p><p>　　在本設計中選擇采用了LED數(shù)碼管作為顯示。</p><p>　　(3)時鐘電路的選擇方案和論證

62、 </p><p>　　方案一：采用DS12887時鐘芯片實現(xiàn)時鐘，DS12887芯片是一種高性能的時鐘芯片，可自動對秒、分、時、周、月、年以及閏年補償?shù)哪赀M行計數(shù)，雖然精度高，但是成本相對高，本設計不需要如此顯示精度及詳細度。 <

63、;/p><p>　　方案二：采用外部晶振提供時鐘頻率，直接采用單片機定時計數(shù)器提供秒信號，使用程序實現(xiàn)星期、時、分、秒的計數(shù)。采用此種方案可以減少芯片的使用，節(jié)約成本，適用更多的用戶需求。 </p><p>　　在本設計中直接采用方案二的時鐘電路為電路提供時鐘控制模塊。

64、</p><p>　　(4)鍵盤模塊的選擇方案和論證 </p><p>　　方案一：采用獨立式的非編碼鍵盤模式，在此種連接方式中，每個按鍵都是相互獨立的，均需占用CPU的一條I/O輸

65、入數(shù)據(jù)線。 </p><p>　　方案二：采用行列式的非編碼鍵盤，它是一種把所有按鍵排列成行列矩陣的鍵盤，所以，一個M×N的行列式的非編碼鍵盤只需M條行線以及N條列線，共要占用M+N條單片機的端口線，本設計中按鍵只有五個，因此不采用此方案。 </p

66、><p>　　在本設計中采用方案一的鍵盤來對現(xiàn)實電路，和澆水設置進行設定。</p><p>　　3.3 最終方案決定及電路設計 </p><p>　　綜上各方案所述，對此次設計的方案選定：采用AT89C51作為主控制系統(tǒng)；LED數(shù)碼管動態(tài)掃描作為顯示系統(tǒng)；采用單片機自身的定時計數(shù)器作

67、為時鐘電路；系統(tǒng)電路圖見附錄。</p><p>　　第四章 系統(tǒng)硬件電路的設計 </p><p>　　硬件電路是系統(tǒng)的重要部分，在本次設計中主要是以AT89C51為核心控制器。外加一些控制電路來實現(xiàn)本系統(tǒng)的基本功能。下面分別介紹各個控制電路的功能及工作原理。 <

68、;/p><p>　　4.1 AT89C51的介紹 </p><p>　　89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器(FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory)的CMOS8位微處理器，簡稱單片機。它低電壓、高性能。該器件采用ATME

69、L高密度肥肉非易失存儲器制造技術來加工的，并且可以與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。因為將多功能8位CPU和閃爍存儲器結合在一個芯片中，使得ATMEL的89C51成為一種高效的微控制器 89C單片機，為許多嵌入式的控制系統(tǒng)完美的提供了一種不僅靈活性高而且價廉的方案。 </p><p>　　4.1.1 內(nèi)部結構&l

70、t;/p><p>　　AT89C51的內(nèi)部結構框圖如圖4-1所示 </p><p>　　圖4-1 89C51內(nèi)部結構框圖</p><p>　　89C51單片機基本組成包括有：

71、 </p><p>　　一個8位的微處理器 </p><p>　　片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器RAM有128B

72、 </p><p>　　21個特殊功能寄存器SFR </p><p>　　片內(nèi)程序存儲器Flash ROM 有4KB

73、</p><p>　　可尋址片內(nèi)外統(tǒng)一編址的64KB的ROM </p><p>　　可尋址片外64KB的RAM </p><p>　　4個8位并行I/O接口(P0—P3)

74、 </p><p>　　一個全雙工通用異步串行接口UART </p><p>　　兩個16位的定時器/計數(shù)器 </p><p&g

75、t;　　五個中斷源、兩個優(yōu)先級的中斷控制系統(tǒng) </p><p>　　具有位操作功能的布爾處理機及位尋址功能 </p><p>　　片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路

76、 </p><p>　　AT89C51主要部件也可以劃分為CPU、存儲器、I/O端口、定時器/計數(shù)器和終端系統(tǒng)等五部分。CPU包括運算器、控制器；存儲器包括程序存儲器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器、片外數(shù)據(jù)存儲器。 </p><p>　　4.1.2 引腳說明

77、 </p><p>　　AT89C51共含有40個引腳，分為端口線、電源線、控制線三類。如圖4-2所示：</p><p>　　圖4-2 AT89C51封裝和引腳分配</p><p>　　電源引腳(2條)

78、 </p><p>　　Vcc (40腳)：電源端，接+5V電源。

79、 </p><p>　　GND(20腳)：接地端，接地端。

80、 </p><p>　　控制引腳(6條)

81、

82、 </p><p>　　XTAL1和XTAL2：片內(nèi)振蕩電路輸入線。

83、

84、 </p><p>　　XTAL1(19腳)：片內(nèi)振蕩電路反相放大器輸入。 </p><p>　　XTAL2(18腳)：

85、片內(nèi)振蕩電路反相放大器輸出。 </p><p>　　當采用內(nèi)部時鐘時,片外連接石英晶體和微調(diào)電容，產(chǎn)生原始的振蕩脈沖信號。采用外部時鐘時，XTAL1輸入外部時鐘脈沖信號, XTAL2懸空。相應電路如圖4-3所示。</p><p>　　圖4-3 89C51的晶振連接圖

86、

87、 </p><p>　?、赗ST (9腳) : 復位信號輸入端。

88、 </p><p>　　高電平有效，保持兩個機器周期高電平時,完成復位操作。

89、 </p><p>　?、跘LE/PROG (30腳) :地址鎖存允許輸出端/編程脈沖輸入端 。 </p><p>　　正常時,連續(xù)輸出振蕩器頻率的1/6正脈沖

90、信號。訪問片外存儲器時：作為鎖存P0口低8位地址的控制信號。對89C51片內(nèi) ROM編程寫入時：作為編程脈沖輸入端。 </p><p>　

91、?、躊SEN (29腳): 外部程序存儲器讀選通輸出信號 。 </p><p>　　訪問片外ROM時,輸出負脈沖作為讀ROM選通.常連接到片外ROM芯片的輸出允許端(OE)作外部ROM的讀選通信號。

92、 </p><p>　　⑤EA/Vpp (31腳): 外部程序存儲器地址使能輸入/編程電壓輸入端。 </p><p>　　平常,接“1”時，CPU訪問片內(nèi)

93、4KB的ROM，當?shù)刂烦?KB時，自動轉向片外ROM中的程序。當接“0”時，CPU只訪問片外ROM. </p><p>　　第2功能Vpp對89C51編程時，編程電壓輸入端。 </p><p>　　端口線(4×8=

94、32條) </p><p>　　4個8位的并行輸入/輸出端口，共32個引腳。作為通用輸入/輸出端口，P0、P2和P3端口又各自有第2功能。

95、 </p><p>　　(1)通用輸入/輸出端口 </p><p>　　準雙向口：作輸入時要先對鎖存器寫“1”.

96、 </p><p>　　P0端口(P0.0—P0.7，第39—32腳)： </p><p>　　P0口作通用I/O口，是一個準雙向口。地址為

97、80H。輸出漏極開路，可驅動8個74LS類型的TTL門電路。分時復用的地址/數(shù)據(jù)總線：外部擴展時，MOVX或MOVC指令)：P0口首先輸出低8位地址,由地址鎖存器(74LS373)在ALE號作用下鎖存 (A0-A7)。然后P0口就作為雙向的數(shù)據(jù)總線 (D0-D7) 使用。P2口輸出高8位地址(A8-A15).

98、 </p><p>　　P1端口(P1.0—P1.7，第1—8腳)： </p><p>　　8位準雙向口，只作通用輸入/輸出口使用。輸出可以驅動4個74LS類型的TTL門電路。P1口

99、作為一個特殊功能寄存器，和內(nèi)部RAM統(tǒng)一編址，地址為90H。它可進行字節(jié)操作，用直接尋址方式，也可以按位操作，用位尋址方式。 </p><

100、;p>　　P2端口(P2.0—P2.7，第21—28腳)： </p><p>

101、　　P2口作通用I/O口 : 是一個準雙向口。地址為A0H。可驅動4個74LS類型的TTL門電路。P2口作高8位地址總線：外部擴展時，( MOVX 或 MOVC指令): </p><p>　　P0口分時復用作；低位地址(A0-A7) 數(shù)據(jù)總線(D0-D7) 用。P2口輸出高8位地址A8-A15.

102、