【灌溉系統(tǒng)】-節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)設計

文檔名文檔名摘要水是生命的源泉，水是維系社會進步、生態(tài)環(huán)境和人類文明的基礎因素，而我國水資源嚴重匱乏，農(nóng)業(yè)節(jié)約水灌溉技術仍未得到很好的普及利用。我們必須進一步提高認識，抓緊完善節(jié)水灌溉的規(guī)劃設計，大力推進節(jié)水灌溉技術的研究、生產(chǎn)和應用，以更好地服務“三農(nóng)推進社會的現(xiàn)代化進程。本文就此問題研究了單片機控制的節(jié)水灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對不同土壤的濕度進行監(jiān)控，并按照作物對土壤濕度的要求進行適時、適量的節(jié)水灌溉。本文在設計中采用了微灌的節(jié)水灌溉工作模式。系統(tǒng)可以根據(jù)土壤濕度要求自動控制電磁閥開關，進行灌溉，還可以根據(jù)上位機指令進行灌溉。系統(tǒng)設計上選用AT89S52單片機為控制器，選用FDS-100濕度傳感器檢測土壤水分濕度。土壤濕度傳感器檢測出的土壤濕度信號經(jīng)信號調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為電流信號傳送到單片機將土壤濕度信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，根據(jù)用戶設定的土壤濕度要求驅(qū)動電磁閥進行灌溉。本系統(tǒng)可以檢測 10路土壤濕度信息，可以控制10路水閥的開關。土壤濕度信息由8位LED顯示器就地顯示。系統(tǒng)設有CAN總線接口電路可以與上位機通信。本系統(tǒng)功能較為全面，使用方便，能夠滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的基本要求，對于提高農(nóng)作物產(chǎn)量、節(jié)約勞動力成本有重要的作用，對我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動化有積極地意義。關鍵字：節(jié)水灌溉；濕度傳感器；土壤濕度；電磁閥IPAGE\*ROMANPAGE\*ROMANIVAbstractWateristhesourceoflife,anditisthebasicfactorstomaintainthesocialprogress,theecologicalenvironmentandhumancivilization,butshortageofwaterresourceofchinaandagriculturalwatersavingirrigationtechnologyhasn’tbeenwidelyusedwell.Wemustpromotetheunderstandingfurther,andhurrytoimprovetheplanninganddesignofwatersavingirrigation,workhardonpromotingthestudyofwatersavingirrigationtechnologyanditsproductionandapplicationtobetterservethethreeruraladvancingtheprocessofmodernizationofsociety.Thisarticlestudiesthe problem of water saving irrigation system controlled by single chipmicrocomputer,thesystemcanbeofdifferentsoilmoisturemonitoring,andinaccordancewiththerequirementsofthecropsonsoilmoistureofwatersavingirrigationtimely,appropriate.Thisarticleadoptsthewatersavingirrigationsprinklerirrigationindesignmode.Thesystemcanautomaticallycontroltheelectromagneticvalveswitch,accordingtothesoilmoisturerequirementsforirrigation,alsocanbeusedinirrigationaccordingtocomputerinstruction.ThedesignofsystemusingAT89S52MCUascontrollerandusingFDS-100humiditysensorto detectsoilmoistureandhumidity.SoilmoisturesoilmoisturesensorsignaldetectedbysignalconditioningcircuitconvertsthecurrentsignalistransmittedtotheAT89S52,thesoilhumiditysignalisconvertedintodigitalquantity,irrigationbasedonsoilmoisturesetbytheuserrequirementdrivingsolenoidvalve.Thissystemcandetect10ofsoilmoistureinformation,switchcancontrol10roadwatervalve.Thesoilmoistureinformationfrom8LEDdisplaydisplay.SystemwithCANbusinterfacecircuitcancommunicatewiththePC.Thefunctionofsystemismorecomprehensive,easytouseanditcanmeetsthebasicrequirementsofagriculturalproduction,toincreasetheyieldofcrops,savinglaborcostshaveanimportantroleandithaspositivesignificanceforagriculturalproductionautomationinchina.Key words: Water-saving irrigation; Humidity sensor; Soil moisture;electromagneticvalve目錄第1章 緒論 1研究背景 1節(jié)水農(nóng)業(yè)概述 1農(nóng)業(yè)高效節(jié)水的必要性 1節(jié)水灌溉技術發(fā)展概況 2國外節(jié)水灌溉自動化發(fā)展狀況 3國內(nèi)節(jié)水灌溉自動化發(fā)展狀況 4課題研究目的和意義 5課題研究內(nèi)容 6第2章 系統(tǒng)總體設計方案 8灌溉系統(tǒng)概述 8微灌技術 8系統(tǒng)總體方案 9數(shù)字PID算法 10數(shù)字PID控制器及其算法 10PID調(diào)節(jié)器在濕度控制系統(tǒng)中的應用 11主要器件選取 11控制器選取 11土壤濕度傳感器選取 12模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選取 13顯示方案 14定時時鐘芯片選取 14第3章 硬件電路設計 16單片機最小系統(tǒng)設計 16數(shù)據(jù)存儲電路設計 17實時時鐘電路 18A/D轉(zhuǎn)換電路 19CH451驅(qū)動鍵盤顯示電路 21I/O擴展電路 23信號調(diào)理電路 24輸出控制電路 25電源電路 26通信電路設計 27第4章 軟件設計 30程序語言 30主程序流程圖 30數(shù)據(jù)濾波程序設計 32顯示模塊軟件設計 34數(shù)據(jù)處理模塊 35矩陣鍵盤掃描流程圖 36DS1302工作流程圖 37第5章 結(jié)論 39參考文獻 40致謝 41附錄Ⅰ 42附錄Ⅱ 50附錄Ⅲ 52PAGEPAGE12第1章 緒論研究背景2030167億噸左右，為保證糧食與6000萬噸左右，否則指標難從實現(xiàn)。然30年4000m3水平上，唯一的0.45左右提0.65。節(jié)水農(nóng)業(yè)概述節(jié)水農(nóng)業(yè)是提高用水有效性的農(nóng)業(yè)，也就是充分利用降水和可利用的地表、地下水資源，采用水利和農(nóng)業(yè)措施，提高水分利用率和水的利用效率的農(nóng)業(yè)。農(nóng)業(yè)節(jié)水措施主要包括以下幾方面的內(nèi)容：（1）運用分子生物技術進行節(jié)水。利用基因轉(zhuǎn)化、基因重組、植物再生技術和細胞工程技術進行農(nóng)作物品種的定向改良，提高其耐旱和抗旱能力。（2）精細農(nóng)業(yè)節(jié)水技術。噴、微灌技術是當今世界上節(jié)水效果最明顯的技術，利用智能型的田問檢測設備及田間噴、微灌設備，根據(jù)作物生長環(huán)境和收獲產(chǎn)量實際分布的空間差異機理和環(huán)境脅迫作用與產(chǎn)量形成的定量關系，對作物灌區(qū)進行精確灌溉，達到節(jié)水的目的。（3）信息節(jié)水技術?！?s”技術與信息高速公路相結(jié)合，在灌溉中采用智能決策系統(tǒng)，采用適時適量的灌溉預報技術，加強作物灌溉的管理技術，增強宏觀節(jié)水。（4）化學節(jié)水技術。研制土壤保水劑、制蒸騰劑和土壤改良利等。（5）高分子材料在大型管道及大型渠道上的應用。研制新型防滲抗老化材料及相應的施工工藝及技術，減少水分在傳輸途中的滲透損失。農(nóng)業(yè)高效節(jié)水的必要性在我國，由于獨特的地理環(huán)境及氣候，降雨時空分布不均，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對水的依賴性很強，有水才能做到穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。目前，我國灌溉用水量的比例在經(jīng)歷明顯的下降過程后，呈穩(wěn)定態(tài)勢，但從長遠看，隨著工業(yè)，城市，生活，生態(tài)用水的不斷增加，由于新增加水資源的開發(fā)潛力越來越小，開發(fā)代價越來越大，因此乃將有一部分灌溉用水轉(zhuǎn)為其他行業(yè)用水。目前，農(nóng)業(yè)用水占全國總有用水量的70％，由于受工程配套狀況和管理水平所限，灌溉用水效率僅有水資源短缺的主要對策之一。如何通過各種節(jié)水措施，有效地提高灌溉水資源的使用效率是發(fā)展農(nóng)業(yè)節(jié)水的根本任務。近年來，隨著人口增加，經(jīng)濟發(fā)展和城市化水平的提高，水資源供需矛盾日益尖銳，農(nóng)業(yè)干旱缺水與水資源短缺已成為我國經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要制約因素，而且加劇了生態(tài)環(huán)境的惡化。按現(xiàn)狀用水量統(tǒng)計，全國中等干早缺水358m3，300m3。2090年代以來，我國農(nóng)業(yè)年均2000h600多個城市中有一半以上發(fā)生水危機，北方河流斷流的問題日益突出，缺水已從北方蔓延到南方的許多地區(qū)。由于地表8.2k㎡。目前，我國農(nóng)業(yè)用水比重已從1980年的88％下降到目前的70％左右，今后還會繼續(xù)下降，農(nóng)業(yè)干旱缺水的局面不可逆轉(zhuǎn)。我國農(nóng)業(yè)灌溉用水量大，灌溉效率底下和用水浪費的問題普遍存在。目前全國灌溉水利用率約為43％，單方水糧食生產(chǎn)率只有 1.0kg左右，大大低于發(fā)達國家灌溉水利用率 70％～80％，單方水浪費生產(chǎn)率2.0kg以上的水平。通過采用現(xiàn)代節(jié)水灌溉技術改造傳統(tǒng)灌溉農(nóng)業(yè)，實現(xiàn)適時量的“精細灌溉，真有重要的現(xiàn)實意義和深遠的歷史意義。節(jié)水灌溉技術發(fā)展概況節(jié)水灌溉技術是比傳統(tǒng)的灌溉技術明顯節(jié)約用水和高效用水的灌水方法，措施和制度等的總稱。灌溉用水從水源到田間，到被作物吸收、形成產(chǎn)量，主要包括水資源調(diào)配、輸配水、田間灌水和作物吸收等四個環(huán)節(jié)。在各個環(huán)節(jié)采取相應的節(jié)水措施，組成一個完整的節(jié)水灌溉技術體系，包括水資源優(yōu)化調(diào)配技術、節(jié)水灌溉工程技術、農(nóng)藝及生物節(jié)水技術和節(jié)水管理技術。節(jié)水灌溉技術體系主要包括以下幾個方面：（1）灌溉水資源優(yōu)化調(diào)配技術。主要包括地表水與地下水聯(lián)合調(diào)度技術、灌溉回歸水利用技術、多水源綜合利用技術、雨洪利用技術（2）節(jié)水灌溉工程技術 。主要包括渠道防滲技術、管道輸水技術、噴灌技術、微灌技術、改進地面灌溉技術、水稻節(jié)水灌溉技術及抗旱點澆技術。直接目的是減少輸配水過程的跑漏損失和田間灌水過程的深層滲漏損失，提高灌溉效率（3）農(nóng)藝及生物節(jié)水技術。包括耕作保墑技術、覆蓋保墑技術、優(yōu)選抗旱品種、土壤保水劑及作物蒸騰調(diào)控技術。（4）節(jié)水灌溉管理技術。包括灌溉用水管理自動信息系統(tǒng)、輸配水自動量測及監(jiān)控技術，土壤墑情自動監(jiān)測技術、節(jié)水灌溉制度等。國外節(jié)水灌溉自動化發(fā)展狀況發(fā)達國家節(jié)水灌溉技術的基本特點是高技術、高投入和管理現(xiàn)代化，高效益則是維系節(jié)水灌溉能否持續(xù)發(fā)展的基礎。自20世紀60年代“紅火”以來，噴灌技術一直被作為機械化大面積解決灌溉問題的最主要技術。隨著這項技術在生產(chǎn)中的廣泛應用和各類噴灌機在技術、經(jīng)濟、適應性等多方面的考核，目前世界上已趨于將軟管卷盤式自動噴灌機、平移式自動噴灌機及人工移管式噴灌機作為受歡迎的三大類機型大面積推廣。近年來噴灌技術又在噴灑農(nóng)藥、降低能耗、施水方式等多用途利用方面取得了很大突破。如美國林賽公司在平移式噴灌機上對噴頭裝置和噴灑方式進行了改進，水量損失大大減少，水的利用率可提高到 0.9以上。法國等國在提高軟管卷盤式的能量利用率上作了不少工作，使驅(qū)動旋轉(zhuǎn)和過流損失減少了很多，很大程度上改善了這種機型耗能較多的“先天不足”弊病。在綜合利用機型上，英國、美國等國將平移式噴灌機作為田間的綜合作業(yè)機械，將所有的作物種植環(huán)節(jié)以此一機包辦，其不僅可完成作物的所有老觀念種植環(huán)節(jié)的耕、耙、播、收等，還可以完成其它許多新作業(yè)項目。208010余年來有了很大的進步，隨著設施農(nóng)業(yè)的發(fā)展，微灌技術和設備更是如虎添翼，已趨于完善的地步。微灌技術的發(fā)展最有典型性的應首推以色列，除了大田作物很少應用外，他們幾乎將微灌技術應用到有作物的各處，包括林園、陽臺、花園，甚至于室內(nèi)裝飾植80年代僅灌水器(滴頭、微噴頭等)100余種，現(xiàn)在逐步淘汰，形式變少，品種系列化。滴灌多采用滴灌帶。微噴頭多采用旋轉(zhuǎn)與折射相結(jié)合的形式，使出水孔口相對變大不易堵塞；射程相對增加使噴灌強度變小，均勻度提高；水滴直徑絕大多數(shù)為細小水滴而不是霧狀使能耗大大減少。世界各國如美國、日本、印度、前蘇聯(lián)、巴基斯坦、伊朗、加拿大等，由于渠道滲漏損失的水量很大，均非常重視并積極開展渠道防滲工程研究和建設工作。這些國家渠道防滲工程建設發(fā)展快、技術水平高、節(jié)水效果顯著。如美國把渠道防滲作為水利工程挖潛措施之一，早在1946年就開始研究，到1990年美國共建防滲渠道9656km。目前已形成統(tǒng)一的設計和施工技術標準，施工機械化程度高，工程質(zhì)量好。防滲材料多采用混凝土，約 1/3采用壓實土防滲，塑膜等新型材料目前正在發(fā)展推廣中。日本也十分重視渠道防滲，現(xiàn)有干、支渠道已經(jīng)全部防滲，田間渠道也基本防滲，它們大量使用工廠化生產(chǎn)的鋼筋混凝土預制構件，現(xiàn)場施工以機械施工為主，渠道防滲工程標準高、質(zhì)量好。近10余年來，世界上興起了研究新型地下灌溉熱潮，地下灌溉不僅在機理上、技術上、經(jīng)濟上而且在生態(tài)環(huán)境保護上、水資源保護上都被認為是最有發(fā)展前途的節(jié)水灌溉技術。這種技術主要用在草地、果園、棉田、小麥、玉米、蔬菜、花卉等作物上。地下灌溉在意大利、美國、德國、法國、日本、俄羅斯及我國等研究較多，發(fā)展較快，面積在穩(wěn)定增加。國內(nèi)節(jié)水灌溉自動化發(fā)展狀況2005年底，全國灌溉面積達到9.28億畝，有效灌溉面積8.48億0.803.20億畝，其中耕地上2.950.25億畝，主要為林果草節(jié)水灌溉。在耕地上節(jié)水灌溉工程面積中，渠道防滲144549933萬4184932萬畝。目前，全國有效灌溉面積上節(jié)水灌溉工程34.8%45%。根據(jù)水利部最近編制的《全1.5億畝、牧草節(jié)水灌溉面積350萬畝、林果節(jié)水灌溉面積550萬畝、節(jié)水措施面積2億20204.7130017001.5億畝。近幾年來圍繞大中型灌區(qū)節(jié)水改造項目、農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)水利骨干項目、國家級節(jié)水示范市、國家和省級節(jié)水增效重點縣、國家節(jié)水增效示范項目建設等，建成了400多個不同規(guī)模的以節(jié)水灌溉技術為支撐的農(nóng)業(yè)科技示范園，這些科技示范園初步形成了從輸水到灌水、從工程到管理、從微觀到宏觀的立體化、多樣化、系統(tǒng)化農(nóng)業(yè)節(jié)水格局。目前我國推廣的節(jié)水灌溉技術有渠道防滲、管道輸水、噴灌、滴灌、膜上灌、膜下灌等多種形式，不同的地區(qū)宜采用的節(jié)水灌溉技術也不同，大、中型灌區(qū)適宜推廣渠道防滲技術，井灌區(qū)和小型灌區(qū)宜推廣低壓管道灌溉技術，經(jīng)濟條件好的地方提倡采用噴灌技術，在果園、菜園及其他經(jīng)濟作物種植區(qū)適合發(fā)展微、滴灌，西北干旱地區(qū)應推廣雨水集流、水窖滴灌技術，南方水稻產(chǎn)區(qū)則應推廣水稻節(jié)水灌溉技術，各地要根據(jù)其經(jīng)濟發(fā)展水平，合理確定技術方案。結(jié)合水利產(chǎn)權制度的改革，對建立適合市場經(jīng)濟要求和農(nóng)村特點的“多元化”運行管理機制作了嘗試。其中節(jié)水灌溉工程產(chǎn)權制度改革和對灌區(qū)建設自主管理灌排區(qū)的探索都取得了成功經(jīng)驗。在井灌區(qū)推廣應用射頻卡控制灌溉，有力地促進了管理水平的提高。目前國外灌溉控制器已逐步趨于成熟、系列化，并朝著大型分布式控制系統(tǒng)和小面積單機控制兩個方向發(fā)展，產(chǎn)品一般都能與微機進行通信，并由微機對其施行控制。而在我國，雖然有多家研制灌溉控制器．但多數(shù)是小規(guī)模、實驗和理論的探討，面且開發(fā)出來的產(chǎn)品價格昂貴，農(nóng)民盡管知道能節(jié)能、節(jié)水、增產(chǎn)，但由于一次性投資太大，多數(shù)農(nóng)民承受不起，所以根本無法普及應用。課題研究目的和意義現(xiàn)代灌溉控制器是進行灌慨系統(tǒng)田間管理的有效手段和工具。發(fā)達國家已開發(fā)和制造了多種用途廣泛、功能很強的灌概控制器，廣泛應用于農(nóng)業(yè)、林業(yè)、園藝以及體育場、高爾夫球場和庭院等。它不僅能大大減少勞動量，更重要的是能定時、定量、高效地自動給作物補充水分，達到提高產(chǎn)量、質(zhì)量，節(jié)水、節(jié)能的目的。在我國，噴灌、微灌等新型灌概技術在田間和果園的推廣應用中己取得良好的經(jīng)濟效益和社會效益，但現(xiàn)代灌溉控制器的研制使用尚屬空白，因此研制一種符合我國國惰的國產(chǎn)化微電腦全自動灌溉控制器具有十分重要的意義。水不光是農(nóng)業(yè)命脈，也是整個國民經(jīng)濟開展和公民生計的命脈。合理運用水資源、節(jié)省水資源已經(jīng)成為可繼續(xù)開展的必定選擇。隨著人口密度的添加、人為地表植被的損壞和氣候的影響，我縣境內(nèi)地表水呈現(xiàn)嚴峻缺少，小河流域80年代以來，因為工業(yè)迅速開展，農(nóng)業(yè)灌溉程度進步，人口數(shù)量添加和日子用水量進步，致使對地下水的挖掘量逐年添加，低下水位大幅度下降。久而久之會形成灌溉用水缺少、日子用水缺少、工業(yè)用水缺少等疑問，制約可繼續(xù)開展進程。實施節(jié)水灌溉，有利于節(jié)省水資源，然后減輕地下水的挖掘壓力。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉首要選用漫灌的方法，浪費了很多水資源，且農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中很多運用化肥，形成了污染，將對土質(zhì)和農(nóng)作物發(fā)生晦氣的影響。選用節(jié)水灌溉方法，將大大削減化肥在土壤中的殘留，將水和廢料直接送往植物根部，不光減輕污染，也有利于作物成長。糧食的增產(chǎn)往往是通過灌溉面積的增加來實現(xiàn)1.3hm30.5h㎡，不足40%，而生產(chǎn)的糧食卻占全國糧食總產(chǎn)量的80%。我國能以占世界7%的耕地養(yǎng)22%的人口，正是因為我們擁有占世界22%20400億~500kg糧食的生產(chǎn)能力，即是以大幅度增加灌溉面積作為惟一選擇。然而，灌溉面積的增加已受到水資源總量和用水結(jié)構變化的雙重制約。從總量上講，中國是水資源短缺的國家，人均占有水資源量僅相當于世界人均1/4，而且南多北少、東多西少，占國土面積60%以上的北方地區(qū)水資源擁有量不足全國總量的 20%。國際上一般公認的人均水資源最低需求量標準為1000m3，10（市、區(qū)）低于這個標準。專家估計，目前我國缺水總400億—600m3，0.2億—0.3h75億—100kg。用水結(jié)構的調(diào)整和農(nóng)業(yè)用水下降，已對糧食生產(chǎn)構成了直接威脅。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，工業(yè)、城鎮(zhèn)、農(nóng)業(yè)用水矛盾日益尖銳。在這一矛盾斗爭中，農(nóng)業(yè)用水逐漸被工業(yè)和城鎮(zhèn)用水擠占。全國80%的水庫，近十年來都不同程度地調(diào)整了供水的范圍，不斷地轉(zhuǎn)向工業(yè)和城市！據(jù)專家統(tǒng)計，我國農(nóng)業(yè)用803912m3，19933850m3，62m3。而同期工業(yè)用卻從每年523m3，1400m3，1.785%72%，今后還將繼續(xù)下降，農(nóng)業(yè)用水總量不但不可能增加，還可能減少。因此發(fā)展農(nóng)業(yè)的根本出路在于節(jié)水。節(jié)水灌溉已不僅僅是技術問題，而是直接關系到農(nóng)業(yè)發(fā)展的根本是實現(xiàn)水資源的可持續(xù)利用戰(zhàn)略和實現(xiàn)從粗放到集約經(jīng)營戰(zhàn)略的具體體現(xiàn)。課題研究內(nèi)容本設計需研究的內(nèi)容為：節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)的發(fā)展狀況；節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)的結(jié)構及組成，即選擇系統(tǒng)設計的基本方案與硬件及軟件等方面的設計。在硬件方面，需研究整體硬件框圖以及各種器件的選型及連接方法；在軟件方面，要明確主程序及各個主要部分的流程以及相應的程序控制清單。2種工作方式的現(xiàn)代灌溉控制器，利用一臺控制器即可完成數(shù)十公頃土地的耀概管理。以單片機為核心的節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以按照預定的時間進行定時灌溉控制，也可以根據(jù)檢測到的土壤水分進行閉環(huán)控制。能夠控制多路灌溉系統(tǒng)進行多種方式灌溉，適應于不同季節(jié)、不同作物，以滿足不同的控制要求。具有以下功能：1010路電磁閥輸出，并易根據(jù)需要擴展輸入、輸出通道。能實現(xiàn)由土壤水分信息決定灌溉的閉環(huán)控制。具有實時時鐘，能預編多套多回路定時灌概程序，實現(xiàn)開環(huán)控制。可靈活選擇定時周期，置入各通道的定時灌慨時間，設置按土壤水分決定灌溉的指標?？娠@示土壤濕度值，在灌溉期間以倒計時的方式顯示灌水剩余時間?？纱鎯Χ嗵坠喔瘸绦?。技術指標為：土壤濕度范圍：0～100%；檢測精度：±3%第2章 系統(tǒng)總體設計方案灌溉系統(tǒng)概述節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)是一種針對大田灌溉水分供給的智能控制系統(tǒng)。整套系統(tǒng)的研制工作主要包括灌溉回路的設計和安裝、傳感器的選擇和應用、智能控制器設計執(zhí)行機構的選擇和安裝、灌溉控制系統(tǒng)的軟件編程、灌溉量控制模型的實現(xiàn)等。該系統(tǒng)主要是通過上下位機對噴灌工程的主要設備進行監(jiān)測、控制以及對各種信息進行處理?？刂葡到y(tǒng)采用上下位機形式，上位機與下位機之間通過CAN總線相連，一個下位機負責一片區(qū)域，系統(tǒng)可以根據(jù)實際需要增減下位機的數(shù)目。水源為河水時，含泥沙及其它各種雜質(zhì)，故灌溉水進入灌溉系統(tǒng)之前先需沉淀，為此設置一個蓄水池。當需要進行灌溉時，水泵從蓄水池灌溉干管注入水形成灌溉液。此時，為了防止水中未沉淀雜質(zhì)進入灌溉系統(tǒng)，需在灌溉主管上設置過濾器。為便于觀察系統(tǒng)是否正常工作，還需在管路上接壓力表和流量計。另外由于過濾器用久之后，會發(fā)生堵塞，造成管網(wǎng)壓力下降，也需對其工作狀況進行觀察?？蓪芍粔毫Ρ矸謩e接于過濾器的兩端，當兩者讀數(shù)相差較大時，即說明過濾器堵塞嚴重，需要清洗。為盡量實現(xiàn)均勻灌水，灌溉系統(tǒng)的管路采用對稱布置。分流點在管路長度方向上呈對稱布置。整塊大田分若干個區(qū)，每區(qū)一個或若干個噴頭，負責這個區(qū)域的灌溉。各區(qū)輪流灌溉，灌溉干管進入大田后，在每一灌溉區(qū)與支管相連，連接處設置分電磁閥，由控制系統(tǒng)決定其通斷。系統(tǒng)的執(zhí)行機構主要有三相異步電機以及相應的電壓控制器、電磁閥等，電機用于驅(qū)動離心泵將灌溉用水注入管道。電磁閥控制相應區(qū)域灌溉與否。微灌技術微灌是按照作物需求，通過管道系統(tǒng)與安裝在末級管道上的灌水器，將水和作物生長所需的養(yǎng)分以較小的流量，均勻、準確地直接輸送到作物根部附近土壤的一種灌水方法。與傳統(tǒng)的全面積濕潤的地面灌和噴灌相比，微灌只以較小的流量濕潤作物根區(qū)附近的部分土壤，因此，又稱為局部灌溉技術。微灌可以非常方便的將水施灌到每一株植物附近的土壤，經(jīng)常維持較低的水應力滿足作物生長要求。微灌還具有以下諸多優(yōu)點：1、省水：微灌按作物需水要求適時適量地灌水，僅濕潤根區(qū)附近的土壤，因而顯著減少了灌溉水損失。2、省工：微灌是管網(wǎng)供水，操作方便，勞動效率高，而且便于自動控制，因而可明顯節(jié)省勞力；同時微灌是局部灌溉，大部分地表保持干燥，減少了雜草的生長，也就減少了用于除草的勞力和除草劑費用；肥料和藥劑可通過微灌系統(tǒng)與灌溉水一起直接施到根系附近的土壤中，不需人工作業(yè)。3、節(jié)能：微灌灌水器的工作壓力一般為50～150kPa,比噴灌低得多,又因微灌比地面灌省水,對提水灌溉來說意味著減少了能耗。4、灌水均勻：微灌系統(tǒng)能夠做到有效地控制每個灌水器的出水流量 ,因而灌水均勻度高,一般可達85%以上。5、增產(chǎn)：微灌能適時適量地向作物根區(qū)供水供肥,為作物根系活動層土壤創(chuàng)造良好的水、熱、氣、養(yǎng)分環(huán)境，因而可實現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。6、對土壤和地形的適應性強：微灌采用壓力管道將水輸送到每棵作物的根部附近，可以在任何復雜的地形條件下有效工作，但是微灌系統(tǒng)投資一般要遠高于地面灌；灌水器出口很小，易被水中的礦物質(zhì)或有機物質(zhì)堵塞，如果使用維護不當，會使整個系統(tǒng)無法正常工作，甚至報廢。系統(tǒng)總體方案根據(jù)實際情況及系統(tǒng)技術要求，擬采用AT89S52微控器作為控制與數(shù)據(jù)處理的核心以構成節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要完成對土壤水分的采集以及控制，并進行節(jié)水灌溉。不同的時間，不同的農(nóng)作物對土壤的濕度要求是不同的，建立土壤濕度與時間的關系曲線，將該設定值曲線存入單片機。通過濕度傳感器從 10個土壤內(nèi)采集模擬信號，經(jīng)A/D信號處理電路后將數(shù)字信號傳入單片機，并與設定值比較，當濕度不符合條件時，單片機將輸出0~5V的模擬電壓，以高低電平來驅(qū)動10個電磁閥的正反轉(zhuǎn)，對應模擬信號的大小進而控制電磁閥的開啟的時間，最終實現(xiàn)對農(nóng)作物進行節(jié)水灌溉。人機接口部分，采用十二個按鍵，執(zhí)行設定灌溉時間、查看該灌溉時間倒LED液晶作為顯示部分。灌溉時間的設定采用具DS130224C16，與單片機連接，存儲濕度檢測量和設定值并通過CAN總線進行數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)靈活性強，成本低，可2.1土壤濕度檢測電路土壤濕度檢測電路A/D功率放大1單電源電路片機功率放大.10存儲電路LED鍵盤電路CAN圖2.1 單片機控制系統(tǒng)結(jié)構圖PIDPID在整個控制系統(tǒng)中，控制規(guī)律及算法是一個關鍵問題，它直接影響到系統(tǒng)的性能指標，控制效果。控制算法決定著控制規(guī)律，而控制規(guī)律是反映計算機控制系統(tǒng)性能的核心。本文針對實驗室環(huán)境的濕度自動控制的需求，研究并設計一種帶死區(qū)的增量式PID控制算法。在模擬控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是PID控制。PID控制器是一種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實際輸出值c(t)構成控制偏差：e0=r(c)-c(c) (2-1)將偏差的比例(P)、積分(I)和微D)通過線性組合構成控制量，對被控對象進行控制，故稱PID控制器。其控制規(guī)律為：u(t)Kp[e(t)1

te(t)dtTD

de(t)]T 0 dt

(2-2)式中Kp——比例系數(shù)；T1——積分時間常數(shù)；TD——微分時間常數(shù)；PID控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：比例環(huán)節(jié)：及時成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏10PAGEPAGE15差。積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無差度。積分作用的強弱取決于積分時間常數(shù)，越大，積分作用越弱，反之則越強。微分環(huán)節(jié)：能反映偏差信號的變化趨勢f變化速率1，并能在該偏差信號的值變得太大之前，在系統(tǒng)中引入一個有效的早期修正信號，從而加快系統(tǒng)的動作速度，減小調(diào)節(jié)時間。在計算機控制系統(tǒng)中，使用的是數(shù)字PID控制器，數(shù)字PID控制算法通常又分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。PID本系統(tǒng)采用增量式PID控制算法控制濕度，為了消除電磁閥控制動作的過于頻繁而引起的系統(tǒng)振蕩，使控制過程更加平穩(wěn)，人為的設置了一個死區(qū)，即帶死區(qū)的PID控制。只有濕度實際值不在死區(qū)范圍內(nèi)時，才按PID算式計算濕度控制量。{e'(k)

0 (|e(k)|≤|e0|) （2-3）E(k) (|e(k)|≤|e0|)死區(qū)e0是個可調(diào)參數(shù)，其具體數(shù)值可根據(jù)現(xiàn)場實驗得到。若e0過小，則輸出過于頻繁，達不到穩(wěn)定被控對象的目的；若 e0過大，系統(tǒng)將產(chǎn)生較大的滯后。該控制器實際上是一個非線性系統(tǒng)，即當|e（k）|≤|e0|時，控制器無輸出；當|e（k）|＞|e0|時，控制器有輸出。在傳統(tǒng)控制中，通常采用模擬量來控制被控對象，這樣硬件較復雜且成本較高。而采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)方法取代模擬量控制，采用雙向晶閘管構成輸出控制電路即可實現(xiàn)系統(tǒng)控制。數(shù)字脈寬調(diào)節(jié)常用的方法是脈沖周期不變，脈沖寬度可調(diào)，通過改變脈沖的寬度，就能達到改變占空比的目的，從而實現(xiàn)功率控制。主要器件選取控制器選取自單片機出現(xiàn)至今，單片機技術已走過了近20年的發(fā)展路程。縱觀20年來單片機發(fā)展歷程可以看出，單片機技術的發(fā)展以微處理器(MPU)技術及超大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展為先導，以廣泛的應用領域拉動，表現(xiàn)出較微處理器更具個性的發(fā)展趨勢。單片機長壽命 這里所說的長壽命，一方面指用單片機開發(fā)的產(chǎn)品可以穩(wěn)定可靠地工作十年、二十年，另一方面是指與微處理器相比的長壽命。隨著半導體技術的飛速發(fā)展，MPU更新?lián)Q代的速度越來越快，以386、486、586為代表的MPU，很短的時間內(nèi)就被淘汰出局，而傳統(tǒng)的單片機如68HC05、8051等年齡已有15歲，產(chǎn)量仍是上升的。這一方面是由于其對相應應用領域的適應性，另一方面是由于以該類CPU為核心，集成以更多I/O功能模塊的新單片機系列層出不窮?？梢灶A見，一些成功上市的相對年輕的 CPU核心，也會隨著I/O功能模塊的不斷豐富，有著相當長的生存周期。新的CPU類型的加盟，使單片機隊伍不斷壯大，給用戶帶來了更多的選擇余地。8位、16位、32位單片機共同發(fā)展 這是當前單片機技術發(fā)展的另一動向。長期以來，單片機技術的發(fā)展是以8位機為主的。隨著移動通訊、網(wǎng)絡技32位單片機應用得到了長足發(fā)展。以Motorola68KCPU32978千萬枚。過去認為由于8位單片機功能越來越強，3216位單片機生存空間有限，16位單片機的發(fā)展無論從品種和產(chǎn)量方面，近年來都有較大幅度的增長。單片機具有集成度高，功能強，可靠性高，體積小，功耗低，使用方便，價格低廉等特點，在各個領域得到了廣泛的應用和發(fā)展，目前已滲透到人們工的面貌出現(xiàn)的。在嵌入式系統(tǒng)中，它是應用最多的核心器件。在計算機主導工業(yè)生產(chǎn)并且日益走進家庭生活的今天，從家用電器、工業(yè)控制、醫(yī)療儀器到軍事應用，到處都有單片機的存在。根據(jù)本設計的技術要求來判斷是否需要對此微控器進行片外程序存儲器及AT89S52微控器進行片外存儲器擴展，以構成控制系統(tǒng)的最基本部分。若不需要，則單片機及其時鐘電路與復位電路等構AT89S52AT89S528KBFLASH，不32I/OISP在線編程，提高了土壤濕度傳感器選取(亦稱烘干法)，即鉆取一定量的土，用烘箱烘干后再稱其純干土的重量，即可計算出土壤含水量。間接測量土壤含水量可以用石膏電阻塊法、負壓法和中子儀法等。土壤濕度傳感器廣泛應用于節(jié)水農(nóng)業(yè)灌溉、溫室大棚、花卉蔬菜、草地牧場、土壤速測、植物培養(yǎng)、科學試驗等場領域。土壤水分的缺乏對作物生長有著最直接的影響，在適宜的濕度環(huán)境下，作物長勢良好，所以土壤濕度傳感器的選用就要滿足可以使?jié)穸瓤刂圃谝欢ǖ姆秶鷥?nèi)，并能夠快速、準確地測定農(nóng)田土壤水分，以便適時作出灌溉、施肥決策和排水措施等。FDS-100濕度傳感器，其特點有：體積小巧化設計，攜帶方便，安裝、操作及維護簡單；結(jié)構設計合理，不繡鋼探針保證使用壽命；外部以環(huán)氧樹脂純膠體封裝，密封性好，可直接埋入土壤中使用，且不受腐蝕；土質(zhì)影響較小，應用地區(qū)廣泛；測量精度高，性能可靠，確保正常工作；響應速度快，數(shù)據(jù)傳輸效率高。在滿足技術要求的同時，盡量降低成本，因此選用型號為FDS-100濕度傳感器。技術參數(shù)：1、測量參數(shù)：土壤容積含水率2、單 位：%(m3/m3)3、量 程：0～100%4、探針長度：5.3cm5、探針直徑：3mm6、測量精度：±3%7、工作溫度范圍：-40℃～85℃8、工作電壓：5～12V9、輸出信號：0～1.875V DC10、響應時間：＜1秒11、測量區(qū)域：以中央探針為中心，圍繞中央探針的直徑為7cm、高為7cm的圓柱體模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選取10ADC080910A/D轉(zhuǎn)TLC2543TI12位串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，使用開關電容逐次逼近A/D51I/O資源，且價格適中，分辨率較高，因此在儀器儀表中有較為廣泛的應用。故選用TLC2543作A/D轉(zhuǎn)換。TLC2543的特點：（1）12位分辯率A/D轉(zhuǎn)換器；（2）在工作溫度范圍內(nèi)10μs轉(zhuǎn)換時間；（3）11個模擬輸入通道；（4）3路內(nèi)置自測試方式；（5）采樣率為66kbps；（6）線性誤差±1LSBmax；（7）有轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出EOC；（8）具有單、雙極性輸出；（9）可編程的MSB或LSB前導；（10）可編程輸出數(shù)據(jù)長度。CSCLK端，在時鐘脈沖作用下，TLC2543一方面從DOUT端口輸出上次轉(zhuǎn)換結(jié)果，同時從DIN12位轉(zhuǎn)換結(jié)果的工作404位為通道號。顯示方案LCD液晶顯示屏進行顯示液晶顯示具有線路簡單，耗電少，壽命長等優(yōu)點，但其先天缺點太明顯，如：可視角度小，響應時間慢，亮度低，成本亦高。方案二：采用LED數(shù)碼管進行顯示LED顯示屏（LEDpanel：LEDlightemittingdiode，發(fā)光二極管的LED。它是一種通過控制半導體發(fā)光二極管的顯示方式，其大概的樣子就是由很多個通常是紅色的小燈組成，靠燈的亮滅來顯示字符。用來顯示文字、圖形、圖像、動畫、行情、視頻、錄像信號等各種信息的顯示屏幕。LED顯示屏可以顯示變化的數(shù)字、文字、圖形圖像；不僅可以用于室內(nèi)環(huán)境還可以用于室外環(huán)境，具有投影儀、電視墻、液晶顯示屏無法比擬的優(yōu)點。LED之所以受到廣泛重視而得到迅速發(fā)展，是與它本身所具有的優(yōu)點分不開的。這些優(yōu)點概括起來是：亮度高、工作電壓低、功耗小、小型化、壽命長、耐沖擊和性能穩(wěn)定。LED的發(fā)展前景極為廣闊，目前正朝著更高亮度、更高耐氣候性、更高的發(fā)光密度、更高的發(fā)光均勻性，可靠性、全色化方向發(fā)展。綜上所述，此次設計選用8位LED顯示器就地顯示。其中4位LED顯示器就地顯示土壤濕度的濕度值顯示，另外4位通過程序控制，交替顯示灌水剩余時間與灌溉模式的選擇。定時時鐘芯片選取單片機的時鐘信號用來提供單片機片內(nèi)各種微操作的時間基準，時鐘信號通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩和外部振蕩。單片機內(nèi)部有一個用于構成振蕩器的高增益反向放大器，引腳XTALl和XTAL2分別是此放大電器的輸入端和輸出端，由于采用內(nèi)部方式時，電路簡單，所得的時鐘信號比較穩(wěn)定，實際使用中常采用這種方式。DS1302是美國DALLAS公司推出的一種高性能、低功耗、帶RAM的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年補償功能，工作電壓為2.5V～5.5V。采用三線接口與CPU進行同步通信，并可采用突發(fā)方式一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或 RAM數(shù)據(jù)。DS1302內(nèi)部有一個31×8的用于臨時性存放數(shù)據(jù)的RAM寄存器。DS1302是DS1202的升級產(chǎn)品，與DS1202兼容，但增加了主電源/后背電源雙電源引腳，同時提供了對后背電源進行涓細電流充電的能力。DS1302可以用于數(shù)據(jù)記錄，特別是對某些具有特殊意義的數(shù)據(jù)點的記錄，能實現(xiàn)數(shù)據(jù)與出現(xiàn)該數(shù)據(jù)的時間同時記錄。這種記錄對長時間的連續(xù)測控系統(tǒng)結(jié)果的分析及對異常數(shù)據(jù)出現(xiàn)的原因的查找具有重要意義。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄方式是隔時采樣或定時采樣，沒有具體的時間記錄，因此，只能記錄數(shù)據(jù)而無法準確記錄其出現(xiàn)的時間；若采用單片機計時，一方面需要采用計數(shù)器，占用硬件資源，另一方面需要設置中斷、查詢等，同樣耗費單片機的資源，而且，某些測控系統(tǒng)可能不允許。但時鐘芯片DS1302，則能很好地解決這個問題。PAGEPAGE17第3章 硬件電路設計單片機最小系統(tǒng)設計單片機最小系統(tǒng)，或者稱為最小應用系統(tǒng)，是指用最少的元件組成的單片機可以工作的系統(tǒng)。對51系列單片機來說，最小系統(tǒng)一般應該包括：單片機、晶振電路、復位電路。單片機復位是使CPU和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。無論是在單片機剛開始接上電源時，還是斷電后或者發(fā)生故障后都要復位。該電路在最簡單的復位電路下增加了手動復位按鍵。增加手動復位按鍵是為了避免死機時無法可靠復位。最小系統(tǒng)電路圖，如圖3.1所示。P00P01P02P03P04P05P06P07

AT89S5239 P0038 P0137 P0236 P0335 P0434 P0533 P0632 P07

P10 1P11 2P12 3P13 4P14 5P15 6P16 7P17 8

P10P11P12P13P14P15P16P17

VCCRESET

VCC

22uFP20 21P21 22P22 23P23 24P24 25P25 26P26 2728VCC VSS RXD 10TXD 11ALE 30PSEN 29

P20P21P22P23P24P25P26P27VSSRXDTXDALE/PPSEN

INT1INT0T1T0X1X2RDWR

13 INT112 INT015 T114 T031 EA19 X218 X19 RESET17 RD16 WR

VSSX2

1K12MHz

22pF22pFX1圖3.1單片機最小系統(tǒng)電路圖復位電路由電容串聯(lián)電阻構成，由圖并結(jié)合“電容電壓不能突變”的性RST腳將會出現(xiàn)高電平，并且，這個高電平持RC52RST腳的高電平持續(xù)兩個機器周期以上就將復位，所以，適當組合RC的取值就可以保證可靠的復位。3 4C22uF，R1KRC組合可RST2RST腳兩個機器周期的高電平時間。

TitleSizeBDate:File:5AT89S52引腳XTAL1和XTAL2與晶體振蕩器及電容。按圖3.1方式連接。晶振、電容及片內(nèi)與非門（作為反饋、放大元件）構成了電容三點式振蕩器，振蕩信號頻率與晶振頻率及電容的容量有關。根據(jù)實際情況，本設計中采12MHZ22pF。EA/Vpp接高電平時，單片機在復位后從內(nèi)部ROM的0000H開始執(zhí)行;當接低電平時，復位后直接從外部ROM的0000H開始執(zhí)行。數(shù)據(jù)存儲電路設計24C1616CMOSE2PROM2K8CMOS技術實質(zhì)上減少了器件的功耗，24C16有一個1624C16總線協(xié)議規(guī)定，任何將數(shù)據(jù)傳送到總線的器件作為發(fā)送器任何從總線接收數(shù)據(jù)的器件為接收器數(shù)據(jù)傳送是由產(chǎn)生串行時鐘和所有起始停止信號的主器件控制的主器件和從器件都可以作為發(fā)送A0、A1A2824C0124C02424C04器件，224C08124C1624C16特性：(1)與400KHzI2C總線兼容1.86.0V工作電壓范圍CMOS技術WP為高電平時進入寫保護狀態(tài)頁寫緩沖器自定時擦寫周期(7)1,000,000編程/擦除周期100年8DIPSOICTSSOP封裝(9)溫度范圍商業(yè)級工業(yè)級和汽車級SCL：串行時鐘。24C16串行時鐘輸入管腳用于產(chǎn)生器件所有數(shù)據(jù)發(fā)送或接收的時鐘這是一個輸入管腳。SDA：串行數(shù)據(jù)/地址。24C16雙向串行數(shù)據(jù)/地址管腳用于器件所有數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收SDA是一個開漏輸出管腳可與其它開漏輸出或集電極開路輸出進行線或wire-OR。WPWP管腳連接到VccWP管腳連接到Vss或懸，空允許器件進行正常的讀/寫操作。A0、A1、A2：器件地址輸入端。這些輸入腳用于多個器件級聯(lián)時設置器件地址，當這些腳懸空時默認值為0。當使用24C16時最多只可連接1個器件所有地址管腳A0、A1、A2都未用管腳可以連接到Vss或懸空。起始信號：時鐘線保持高電平期間數(shù)據(jù)線電平從高到低的跳變作為I2C總線的起始信號；停止信號：時鐘線保持高電平期間數(shù)據(jù)線電平從低到高的跳變作為總線的停止信號。1 23根據(jù)設計所需選擇24C16芯片進行數(shù)據(jù)的存儲，記錄灌溉時間土壤濕度值3.2所示。1 2324C16A0D A1A2VSS

VCCWPSCLSDA

P1.0P1.1

VCC圖3.2 數(shù)據(jù)存儲器擴展電路實時時鐘電路現(xiàn)在流行的串行時鐘電路很多，如DS1302DS1307、PCF8485等。這些C電路的接口簡單、價格低廉、使用方便，被廣泛地采用。本文介紹的實時時鐘電路DS1302是DALLAS公司的一種具有涓細電流充電能力的電路，主要特點是采用串行數(shù)據(jù)傳輸，可為掉電保護電源提供可編程的充電功能，并且可以關閉充電功能。采用普通32.768kHz晶振。DS1302DALLASRAM的實時時鐘電路，它可以對年、月、日、周日、時、分、秒進行計時，具有閏年補2.5V～5.5VCPU進行同步通信，并可采RAM數(shù)據(jù)。DS130231×8RAM寄存器。DS1302DS1202的升級產(chǎn)品，與DS1202兼容，但增加了主電源/后備電源雙電源引腳，同時提供了對后備電源進行涓細電流充電的能力。DS1302的引腳排列，其中Vcc1為后備電源，VCC2為主電源。在主電源關閉的情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運行。DS1302Vcc1Vcc2兩者中的較18AVcc2Vcc1+0.2V時，Vcc2DS1302Vcc2小于Vcc1時，DS1302Vcc1供電。X1X232.768kHz晶振。DS1302CEDS13021字節(jié)的命令碼，隨后才能寫入數(shù)據(jù)字節(jié)或讀取數(shù)據(jù)字節(jié)。每個字節(jié)從低位到高8SCLK的上升沿，DS1302I/O段口讀入1位數(shù)據(jù)，81SCLK的下降沿，DS1302I/O1位數(shù)據(jù)，81字節(jié)CE置低電平。1 實際電路連接如圖.3所示。 3 4VCCD

X2CEI/O

X1DS1302

Vcc2P20

SCLK

Vcc1圖3.3實時時鐘電路A/DCTLC254316個時鐘周期，且在每次傳送周期之間CSTLC2543CS變低時開始轉(zhuǎn)換和傳送過程，I/OCLOCK88個輸入數(shù)據(jù)位鍵入輸入數(shù)據(jù)寄存器，同時它將前一次轉(zhuǎn)換11DATAOUTI/O，CLOCK下降沿時數(shù)據(jù)變化。CSI/OCLOCKDATA被禁止，DATA為高阻態(tài)。TLC2543與外圍電路的連線簡單，三個控制輸入端為CS(片選)、輸入/輸出B時鐘(I/OCLOCK)以及串行數(shù)據(jù)輸入端(DATA14通道多路器可113個內(nèi)部自測試電壓中的一個，采樣保持是自動的，轉(zhuǎn)換結(jié)束，EOC輸出變高?；鶞孰娫床捎肨L431芯片構成。這是一款有良好熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)基V0=2.50（1+R1/R2R1R2值，可以得到2.5~36VR1=R2V0=5V。需要注意的TL4311mAA/D轉(zhuǎn)換芯A片已經(jīng)將基準電源集成到芯片之中，這將進一步簡化電路設計。TLC2543工作時必須將片選端CS置低電平，然后用軟件產(chǎn)生時鐘脈沖并191 2 3 419加到CLK端，在時鐘脈沖作用下，TLC2543一方面從DOUT端口輸出上次轉(zhuǎn)換的結(jié)果，同時從DIN端口輸入下一次的操作指令。當選擇從高到低的順序輸出12位轉(zhuǎn)換結(jié)果的工作模式時，操作指令的低4位為零，高4位位通道號。TLC2543的主要特性如下：（1）12位分辯率A/D轉(zhuǎn)換器；（2）在工作溫度范圍內(nèi)10μs轉(zhuǎn)換時間；（3）11個模擬輸入通道；（4）3路內(nèi)置自測試方式；（5）采樣率為66kbps；（6）線性誤差±1LSBmax；（7）有轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出EOC；1 2 3（8）具有單、雙極性輸出；（9）可編程的MSB或LSB前導；D（10）可編程輸出數(shù)據(jù)長度。3.4。DUs1Us2Us3Us4Us5Us6Us7CUs8Us9Us10Us11

TLC2543AIN0AIN1AIN2AIN3AIN4AIN5AIN6AIN7AIN8AIN9AIN10

5VVCC

EOCCLKDINDOUTCSREF+

12V2KP1.4P1.5P1.6P1.72KTL4312KREF-GND圖3.4 A/D轉(zhuǎn)換電路B20CH4512 3CH451μPRC864LED，BCDft64CH451通過可以級聯(lián)的串行接口與單片機等交換數(shù)據(jù)；并且提供上電復位和看門狗等監(jiān)控功能。2 3CH451通過串行接口與單片機相連接。U2向單片機U1提供復位信號RESET和系統(tǒng)時鐘信號SCLK，如果要求定時精確單片機也可以用晶振獲得系統(tǒng)時鐘信號CH451的段驅(qū)動引腳串接了電阻R1（200），用以限制和均衡段驅(qū)動電流，在5V電壓電源下，對應的段電流13mA。電容C2和C3布置于U2的電源引腳附近，用于電源退耦，減少驅(qū)動大電流產(chǎn)生的干擾。當不需要鍵盤功能時，還可以省去KEY信號線，只使用DCLK、DIN、LOAD三個信號線；當使用鍵盤功能時，CH451的DOUT引腳的KEY信號線可以連接到單片機的中斷輸入引腳，如果連接到普通I/O引腳，那么應該使用查詢方式確定 CH451是否檢測到有效按鍵。由于標準單片機的I/O引腳是弱上拉的準雙向口，所以在與CH451進行遠距離連接的電路中，建議對DIN、DCLK、LOAD加上拉電阻以減少干擾，上拉電阻的阻值可以是 500到10K。近距離無需上拉電阻，距離越遠則阻值應該越小。鍵盤顯示驅(qū)動芯片CH451如圖3.5所示。VCC CH451-28VCC

SEG0

R1200*8

SEG0SEG10.1u

*

0.1uRESETX1PC0

SEG1GND SEG2SEG3SEG5RSTSEG6CLKSEG7DCLK

SEG2SEG3SEG4SEG5SEG6SEG7PC1PC2INT0

DINLOADDOUTADJ

DIG0DIG1DIG2DIG3DIG4DIG5DIG6DIG7

DIG0DIG1DIG2DIG3DIG4DIG5DIG6DIG7圖3.5CH451驅(qū)動電路21CH451對數(shù)碼管和發(fā)光管采用動態(tài)掃描驅(qū)動，順序為DIG0~DIG7，當其中一個引腳吸入電流時，其它引腳則不吸入電流。 CH451內(nèi)部具有大電流驅(qū)動級，可以驅(qū)動0.5~2英寸的共陰數(shù)碼管，段驅(qū)動引腳SEG6~SEG0分別對應數(shù)碼管的段G~段A，段驅(qū)動引腳SEG7對應數(shù)碼管的小數(shù)點，字驅(qū)動引腳DIG0~DIG7分別連接8個數(shù)碼管的陰極；CH451也可以連接8×8矩陣的發(fā)光二極管LED陣列或者64個獨立發(fā)光管；CH451還可以通過外接反相驅(qū)動器支持共陽數(shù)碼管，或者外接打功率管支持大尺寸的數(shù)碼管。還可以所有數(shù)碼管的相同段引腳（段A~段G以及小數(shù)點）并聯(lián)后通過串接的限流電阻R1連接CH451的段驅(qū)動引腳SEG0~SEG7，個數(shù)碼管的陰極分別由CH451的DIG0~DIG7引腳進行驅(qū)動。串接限流電阻R1的阻值越大則段驅(qū)動電流越小，數(shù)碼管的顯示亮度越低，R1的阻值一般在60Ω至1KΩ之間，在其他條件相同的情況下，應該優(yōu)先選擇較大的阻值。在數(shù)碼管的面板布局上，建議數(shù)碼管從左到右的順序是N1靠左邊，N8靠右3 4 5邊，以便匹配字左右移動命令和字左右循環(huán)移動命令。驅(qū)動數(shù)碼管電路圖，如圖3.6所示。R1200*8

DS1abc fd

DPYag b

SEG0 1SEG1 2SEG2 3SEG3 4

DS2abc fd

DPYag b

SEG0 1SEG1 2SEG2 3SEG3 4

DS3abc fd

DPYag b

SEG0 1SEG1 2SEG2 3SEG3 4

DS4abc fd

DPYag bSEG0SEG0SEG0SEG01SEG12SEG1SEG23SEG34SEG2SEG45SEG56SEG3SEG67SEG4SEG78SEG5SEG6SEG7SEG01SEG12DIG0SEG23SEG34DIG1SEG45SEG56DIG2SEG67DIG3SEG78DIG4DIG5DIG6DIG7ddpdpp

SEG4 5SEG5 6SEG6 7SEG7 8

e cddpdpp

SEG4 5SEG5 6SEG6 7SEG7 8

e cddpdpp

SEG4 5SEG5 6SEG6 7SEG7 8

e cddpdppDIG7 DIG6 DIG5 DIG4DS5abc fd

DPYag b

SEG0 1SEG1 2SEG2 3SEG3 4

DS6abc fd

DPYag b

SEG0 1SEG1 2SEG2 3SEG3 4

DS7abc fd

DPYag b

SEG0 1SEG1 2SEG2 3SEG3 4

DS8abc fd

DPYag be cddpdpp

SEG4 5SEG5 6SEG6 7SEG7 8

e cddpdpp

SEG4 5SEG5 6SEG6 7SEG7 8

e cddpdpp

SEG4 5SEG5 6SEG6 7SEG7 8

e cddpdppDIG3 DIG2 DIG1 DIG0SEG0

K0 K1

K3.驅(qū)動數(shù)碼K3電路

K4 K5SEG1

CK451的鍵盤K7描功能支K8 8×8矩9 64鍵鍵10在鍵盤掃K1期間，SEG2

DIG7~DIG0引腳用于列掃描輸出，SEG7~SEG0引腳都帶有內(nèi)部下i拉電阻，用K12 K13 K14 K15 K16 K17于行掃描輸入；當啟用鍵盤掃描功能后，DOUT引腳的功能由串行接口的數(shù)據(jù)18鍵盤中斷20

K21 K22 K23SEG3 CH451具有64鍵的鍵盤掃描功能，如果應用中只需要很少的案件，則可以DIG0DIG1DIG2DIG3DIG4DIG5

R22*×8矩陣中任意取掉不用的按鍵。為了防止鍵被按下后在SEG信號線與DIG信號線之間形成短路，影響顯示，一般應該在CH451的DIG0~DIG7引腳與鍵盤22K0K1K2K6K7K8K12K13K14K18R22K*6K19K20矩陣之間串接限流電阻R2矩陣之間串接限流電阻R2，其阻值可以從1KΩ至10KΩ。鍵盤掃描電路如圖3.7所示。SEG0SEG1SEG2SEG3DIG0DIG1DIG2I/O8255IntelI/O38I/O33種工作方式的可編程并行接口芯片（40引腳8255可作為單片機與多種外設連接時的中間接口電路。8255作為主機與外設的連接芯片，必須提供與主機相連的3個總線接口，即數(shù)據(jù)線、地址線、控制線接口。同時必須具有與外設連接的接口A、B、C口。由于8255可編程，所以必須具有邏輯控制部分，因而8255內(nèi)部結(jié)構分為3個部分：與CPU連接部分、與外設連接部分、控制部分。1）與CPU連接部分根據(jù)定義，825588D0～D7。由82553A、、CA、、C口及A0～A1CPU8255進行讀、寫與片選操作，所以控制線為片選、復位、讀、寫信號。各信號的引腳編號如下：（1）數(shù)據(jù)總線DB：編號為D0～D7，用于8255與CPU傳送8位數(shù)據(jù)。（2）地址總線AB：編號為A0～A1，用于選擇A、B、C口與控制寄存器。（3）CBRSTCPU825582558255芯片，然后23PA4PA5VCC VCCPB1

DI4DI5DI6DI7CS

RFBIOUT1IOUT2

OT07

7.5K baWRuF8255ERWR

或?qū)憯?shù)據(jù)的操作。

0~-5V

VOUTSE與外設接口部分

WR1WR2

DGND根據(jù)定1K，82553A、、C8根線與接，所以8255可以用24825524C16 VCC24路開關。各通道的引腳A0號如

VCC（1）A22F

號為PA～PA，1 825向外設輸入輸出8位并

據(jù)。X1A2 SCL

P2.3

PC3 CE2V （2）12HPB0～PBSS

82DP2.P4

302

Vcc2I/O22p2K （3）CPC～PC78255PCI/O22p

Vcc1X18255I/O方式時，C口用于應答信號的通信。I/O3.8

SCLK

GNDP00P01P022K P03P04P05P06P072K P21P22P23P24P25P26VCCVSSRXDTXDALEPSEN

AT89S5239 P0038 P0137 P0236 P0335 P0434 P0533 P0632 P0721 P2022 P2123 P2224 P2325 P2426 P2527 P2628 P2740VCC20VSSTXD30 ALE/P29 PSEN

P10P11P12P13P14P15P16P17INT1T1T0EA/VPX1X2

74L3731P1021P102P113P124P135P14P006P15P017P16P028P17P031312INT1INT0P04P05P06P0715T114T031EA19X218X19RESET17RD16WRD1 Q1D2 Q2D3 Q3D4 Q4D5 Q5D6 Q6D7 Q7G OEALE .

P00P01P02P03A0 P04A1 P05P06P07WRA0A1P2.0

8255D0D1D2D3D4D5D6D7WRA0A1

PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC7

PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC7圖3.8單片機I/O擴展電路-28

R1200*8

DS1

DS2

DS3

DS4SEG0

SEG0

SEG01

a

SEG01

a

SEG01

a

SEG013.7 SE1

SE23電路

SEG23

SEG23

SEG23SEG1

SEG2SEG3

SEG12SEG34SEG45SEG56SEG67SEG78

afgbde cddp

SEG12SEG34SEG45SEG56SEG67SEG78

af bge cddp

SEG12SEG34SEG45SEG56SEG67SEG78

af bge cddpdpdp

SEG12SEG34SEG45SEG56SEG67SEG78

af bge cddpdpdpSEG4

G4p放大電路。dp

p

個集成運

p

器組成，

中pN1、SEG5

SEG5

DIG7 DIG6 DIG5 DIG4SEG6

N2為兩性能一致（主要指輸入阻抗，共模抑制比和增益）的同相輸入通用集SEG7

SEG7 DS5

DS6

DS7

DS8K 成運算放大器SEG1aPY

對稱SG01

a PY并聯(lián)SG01

a PY大輸SG01

a3Y 成雙DIG0

DIG0

SEG12SEG23

af b

SEG12SEG23

af b

SEG12SEG23

af b

SEG12SEG23

af b端輸入單端輸4dg

G34

d g制NSG3

42d共模信SEG4d應接地D DIG1

DIG1

SEG45 ee c

SEG45 ee c

SEG45 ee c

SEG45 ee cSEG56 df

SEG56 f d

SEG56 df

SEG56 f dT DIG2

G2

。SEG67 g dp

SEG67 g dp

SEG67 g dp

SEG67 g dpDIG3

DIG3

SEG78 dpp

SEG78 dpp

SEG78 dpp

SEG78 dppDIG4

DIG3.9為信號DIG3DI2

FDS-100

IG1IG0為標準DIG5DIG6DIG7

的0~1.875V輸出，經(jīng)過放大電路將電壓統(tǒng)一輸出信號可采取4～20mA/0～5VDIG5DIG6轉(zhuǎn)換電DG7將所有0～20mAK1換成02V電壓3。在土K4中檢測5 值距離DIG5DIG6單片機0

遠，所以應該先將所有信號轉(zhuǎn)換成電流信號傳輸，再由電流信號轉(zhuǎn)K6 K7 K8 K9 K10 K11換成電壓信號進入單片機。SEG1SEG2

K12 K13 K14 K15 K16 K1724K18 K19 K20 K21 K22 K23SEG3DIG0DIG1

R22K*6PAGEPAGE252 3 4Ui1 20K 60KFDS-1005V

100K 5K3 1R0 4 2

U0OT07

100K20K

5K60KUi2VCCU01

100K

OT07

10K

10K 。 15.3K200 100uFQ2

Up 1KUsUnU02

100K Q1

18K20K

5.1K20K

125RL 。

VSUfPP 43K 10K 7.14K3.9K 15V圖3.9信號轉(zhuǎn)換電路I/V計算原理為：由節(jié)點方程可知 u=u =isR （3-1）n pu u0 n

un

unuf

（3-2）R R Rf 1 5R R R故有 u0

=(1 R

f)isR fuR R f

（3-3）1 5 5調(diào)整電位器Rp，使u =7.53V，則當is=4～20mA時，可求得u=0～5V。f 03.8 輸出控制電路H型雙極模式PWM控制提高轉(zhuǎn)臺伺服系統(tǒng)低速特性的作用十分顯著，而且簡單易行。H型雙極模式PWM控制能夠提高伺服系統(tǒng)的低速特性，是因為H型雙極模式PWM控制的電動機電樞回路中始終流過一個交變的電流，這個電流可以使電動機發(fā)生高頻顫動，有利于減小靜摩擦，從而改善伺服系統(tǒng)的低H型雙極模式PWM控制只適用于中、小功率的HPWM控PAGEPAGE26制的功率轉(zhuǎn)換電路，使得H型雙極模式PWM控制應用在大功率伺服系統(tǒng)中。3 4 5 62HPWM4個大功率可控開關管(T1-4)4個續(xù)流二極管(VD1-4)H橋式電路。42組，D1D3為一組，D2D4為一組。同一組的兩個大功率可控開關管同時導通，同時關閉，兩組交替輪流導通和關閉，即驅(qū)動信號u1=u4，u2=u3=-u1，電樞電流的方向在11、2、3、4變化。由于允許電流反向，所HPWM控制工作時電樞電流始終是連續(xù)的。電樞電流始終連續(xù)產(chǎn)生電動機的附加功耗、大功率可控開關管高頻開通關閉產(chǎn)生的導通功耗和開HPWM控制功率損耗的主要來源。決定電3 4 5 62動機附加功耗大小的因素主要是PWM的開關頻率，開關頻率越大附加功耗就D越小。決定大功率可控開關管的動態(tài)功耗大小的因素主要是大功率可控開關管的開通關閉時間和 PWM的開關頻率，開通關閉時間越長動態(tài)功耗就越大，PWM開關頻率越大動態(tài)功耗就越大。本設計通過電機正反轉(zhuǎn)來控制電磁閥開度：PWMT1導通→T2導通；C=1→T3截上→T4截上；于是電流i1流經(jīng)由機M的路徑為：Ucc→T1→M→T2→地，電機正轉(zhuǎn)。 CPWM控制電路的為低電平時：→T1截上→T2截上；C=0→T3導通→T4導通；于是電流i2的流徑電機M的路徑為：Ucc→T3→M→T4→地，電3.10HPWM驅(qū)動電路。VCC1KVCC

VDD 1K T1 D1

MG1

D2 T2B+ -1K AVout T4NOT T3 D3 D4A圖3.10輸出控制電路 Title電源電路2 3

SizeBDate:File:4 5

Nuber Revision7-May-2013 SheetofC:\DocuentsandSettings\istrato\anyProtel99SE\1.DDB6電源是非常重要的一部分，在設計中，電源應該盡可能滿足系統(tǒng)的需要，3 1R0 10K4 2

OT07 U0100K 5K07片使用的5V電源。Ui2

要兩種直流穩(wěn)壓電源，一種是單片機和大多芯20K 60K直流穩(wěn)壓電源是一種將220V工頻交流電轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓輸出的直流電壓的裝置，它需要變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓四個環(huán)節(jié)才能完成，如圖3.11所示。VCCT 10K 。 15.3K整 濾 穩(wěn)

Up OT07負

1K Us0K OT070K

10K

流Q2Q1

200 100uF壓

Un 載18K20K

工頻交流

脈動直流圖3.11電源原理圖VS125

直流5.1KUf20K

PP 43K 10K 7.14K（1）電源變壓器：是降壓變壓器，它將電網(wǎng)220V交流電壓變換成符合需RL 。要的交流電壓，并送給整流電路，變壓器的變比由變壓器的3.95V定。（2）整流電路：利用單向?qū)щ娫?，?0Hz的正弦交流電變換成脈動的直流電。（3）濾波電路：可以將整流電路輸出電壓中的交流成分大部分加以濾除，從而得到比較平滑的直流電壓。其電路圖如圖3.12。T1AC220V

1D0~D3

LM78051 Vin DNG

3 +5V24 21000uF3

0.01uF

0.01uF

1000uF通信電路設計

圖3.12電源電路CANBOSCH80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它D1一種多主線，D2 T2VDD 1K T1VCC

通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。通信速率可達 1MGS。CAN1KCAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)+ -1、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判A等項工Vout T3 D3 D4 T4PAGEPAGE28作。CAN協(xié)議的一個最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼。采用這種方法的優(yōu)點可使網(wǎng)絡內(nèi)的節(jié)點個數(shù)在理論上不受限制，數(shù)據(jù)塊的標識碼可由11位或29位二進制數(shù)組成，因此可以定義211或229個不同的數(shù)據(jù)塊，這種按數(shù)據(jù)塊編碼的方式，還可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)，這一點在分布式控制系統(tǒng)中非常有用。數(shù)據(jù)段長度最多為 8個字節(jié)，可滿足通常工業(yè)領域中控制命令、工作狀態(tài)及測試數(shù)據(jù)的一般要求。同時，8CAN協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。CAN卓越的特性、極高的可靠性和獨特的設計，特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設備的互連，因此，越來越受到工業(yè)界的重視，并已公認為最有前途的現(xiàn)場總線之一。CAN具有較高的效率是因為總線僅僅被那些請求總線懸而未決的站利用，這些請求是根據(jù)報文在整個系統(tǒng)中的重要性按順序處理的。這種方法在網(wǎng)絡負載較重時有很多優(yōu)點，因為總線