摘要水是人類最重要的根本要素，地球上的生物所需要的水，絕大局部來自河流、湖泊、冰川和海洋等。我國是世界上13個貧水國之一，我國水資源總量為2.8萬億立方米，人均水資源占有量卻只有世界人均水平的l/4。尤其是近幾年，經常發(fā)生洪澇災害和資源短缺，同時，由于資源的過度開發(fā)，環(huán)境污染，生態(tài)的破壞，我國的水資源已經進入了一個非常緊張的狀態(tài)。其中農業(yè)灌溉用水占全國年總用水量的67％左右，是節(jié)水潛力最大的領域。因此改良農業(yè)灌溉方式是節(jié)約農業(yè)用水的主要途徑。滴灌，在農業(yè)灌溉方式中屬于最有效，最節(jié)約的一種灌溉方式。我所設計的系統(tǒng)主要包括兩個局部，一是硬件電路，二是軟件設計。主要由土壤濕度傳感器,信號處理電路,顯示電路,輸出控制電路,故障報警電路等組成,軟件選用匯編語言編程。其中單片機選用的是AT89C51型；數據存儲電路選用的是外部靜態(tài)數據存儲器6264；數據采集電路選用的是A/D轉換器AD574；系統(tǒng)的采用6位LED作為顯示器，其中74LS138實現其位選，CD4543實現其段選。另外，軟件局部主要包括對主程序、數據采樣子程序、數據處理子程序、顯示子程序以及各自的程序框圖的簡單設計。本系統(tǒng)可實現單因子、雙路數據采集處理功能,如稍加改變,便可實現對多因子和多輸入數據的采集處理功能。該系統(tǒng)靈活性強,易于操作,可靠性高,將會有更廣闊的開發(fā)前景。關鍵詞：農業(yè)灌溉；單片機；傳感器；A/D轉換；LED顯示AbstractWateristhemostimportantbasicelements,thecreaturesontheearthneedswater,mostofthatcomesfromrivers,lakes,glaciersandsea,etc.Isoneoftheworld's13PinShuiGuoinourcountry,thetotalwaterresourcesinourcountryis2.8trillioncubicmeters,percapitawaterresourcesisonlyl/4oftheworld'saverage.Especiallyinrecentyears,frequentfloodsandshortageofresources,atthesametime,duetotheexcessivedevelopmentofresources,environmentalpollutionandecologicaldestruction,waterresourcesinourcountryhasenteredaverytightstate.Agriculturalirrigationwateraccountsfortheyeartoabout67%ofthetotalwaterconsumption,isoneofthelargestfieldwater-savingpotential.Sotoimprovethewayofagriculturalirrigationisthemainchannelofagriculturalwatersaving.Indripirrigation,agriculturalirrigationmethodsareamongthemosteffective,oneofthemostsavingirrigationmethods.

Idesignsystemmainlyincludestwoparts,oneisthehardwarecircuitandsoftwaredesign.Mainlybythesoilmoisturesensor,signalprocessingcircuit,displaycircuit,theoutputcontrolcircuit,faultalarmcircuitandsoon,softwareuseassemblylanguageprogramming.

OneofMCUselectionisAT89C51type;Datastoragecircuitchooseexternalstaticdatastorage6264;DataacquisitioncircuitselectsA/DconverterAD574;SystemusingsixLEDasadisplay,ofwhich74ls138achieveitschosen,CD4543achieveitssegment.Inaddition,thesoftwarepartmainlyincludesthemainprogram,likedatamining,dataprocessingsubroutineanddisplaysubroutineandtherespectiveprogramblockdiagramofthesimpledesign.

Thissystemcanrealizesinglefactor,thedualdataacquisitionprocessingfunctions,suchasalittlechange,canrealizethemultiplefactorsandmultipleinputdatacollectionandprocessingfunctions.Thesystemflexibilityisstrong,easytooperate,highreliability,therewillbemorebroadprospectsfordevelopment.Keywords:agriculturalirrigation;singlechip;detector;A/Dconverter;LEDmonitor目錄TOC\o"1-3"\f\u摘要 IAbstract II第1章引言 11.1農業(yè)自動灌溉的背景 11.2國內、外灌溉現狀及開展趨勢 21.3課題研究目的及主要內容 4第2章農業(yè)節(jié)水灌溉系統(tǒng) 62.1滴灌原理概述 62.2土壤濕度傳感器 72.3模糊控制 92.3.1模糊控制的定義 92.3.2模糊控制的特點

92.3.3模糊控制的根本原理

9第3章基于MCS-51單片機的農業(yè)灌溉系統(tǒng)的硬件電路設計 113.1單片機選型及分析 113.1.1單片機的開展概況 113.1.2單片機的分類 123.2時鐘電路 163.3復位電路 173.4A/D轉換電路 173.5數據存儲電路 203.6LED顯示電路 223.7串行通信電路 263.8報警電路 29第4章基于MCS-51單片機的農業(yè)灌溉系統(tǒng)軟件設計314.1系統(tǒng)主程序設計 324.2數據采集子程序 334.3數據處理子程序 344.4數據顯示子程序 354.5數據通信子程序 37第5章結論38參考文獻 39致謝 40附錄 41附錄A：程序清單41附錄B：基于單片機的農業(yè)灌溉系統(tǒng)的電路原理圖45第1章引言1.1農業(yè)自動灌溉的背景水是一切生命過程中不可替代的根本要素，但是現在國家的根本國情很嚴峻，特別是北方地區(qū)嚴重缺水，我國是世界上13個貧水國之一，我國現在的水資源總量為2.8萬億m3，人均水資源量只占全國人均水平的1/4，畝均水資源那么僅約世界水平的1/2，目前，全國正常年份缺水量近400億m3，其中農業(yè)缺水約300億m3.不但水量嚴重缺乏，而且水污染情況也日趨嚴重，2005年初據監(jiān)測顯示，七大長江受到污染的河段已經到達53.3%，這其中劣V類水占到28.5%，尤其是北方黃、淮、海三大流域既是左右我國重要的糧食基地，但是水資源這么匱乏，顯然情況非常嚴峻?；谵r業(yè)灌溉是用水大戶，其用水量約占全國總用水量的70%左右，在西北地區(qū)那么占到90%，其中90%用于種植農業(yè)灌溉。因此，為了應對日趨嚴重的缺水形式，建立節(jié)水型社會，開展農業(yè)灌溉是刻不容緩的一件事。因而，解決農業(yè)灌溉用水的問題，對于緩解水資源的緊缺是非常重要的。我國農業(yè)灌溉用水占全國年總用水量的67％左右，是節(jié)水潛力中最大的領域，節(jié)約灌溉用水對我國實施可持續(xù)開展戰(zhàn)略具有重要意義。因為：首先、農田灌溉消耗水最多，差不多占全國總消耗水量的2/3，其中北方地區(qū)更是到達80%左右，假設實行節(jié)約灌溉系統(tǒng)那么可有效緩解對水的供不應求；其次、目前我國農田灌溉消耗很多無效水資源，開展節(jié)水灌溉系統(tǒng)不但可以減少無效耗水，同時還可以減少土地鹽漬化危害和面源污染，改善生態(tài)問題，一舉多得[1]。在灌溉領域合理地推廣自動化控制，不僅可以提高資源利用率，緩解水資源日趨緊張的矛盾，還可以增加農作物的產量，降低農產品的本錢。灌溉系統(tǒng)的自動化水平較低，這也是制約我國高效農業(yè)開展的主要原因。經過多年的研究，國外灌溉控制器已經趨于成熟化，但價格昂貴，國內雖然引進一些，但大多數都是農業(yè)示范區(qū)，單位。國內的一些高爾夫球場等大面積場地灌溉控制，一般引用國外現成的成套灌溉控制產品，但是對于多數農村，根據我國根本國情和各地經濟以及技術的開展狀況來看，采用簡單可行的節(jié)水灌溉控制措施及相應的排灌機械和設備，大力開展可靠實用及操作簡單的節(jié)水灌溉控制器，這樣不僅能夠擴大市場經濟，而且有巨大的社會和經濟效益。節(jié)水農業(yè)灌溉即由傳統(tǒng)的充分灌溉向非充分灌溉開展，對灌溉區(qū)域用水情況進實時行監(jiān)測預報，實行動態(tài)的管理。同時采用傳感器來監(jiān)測土壤的濕度情況以及農作物的生長情況，從而實現水管理的自動化。高效農業(yè)和精細農業(yè)要求我們必須提高水資源的利用率。要真正實現水資源的高效，僅憑單向節(jié)水灌溉是不可能實現的。必須將水源開發(fā)、輸配水、灌水技術和降雨、蒸發(fā)、土壤情況和農作物需水規(guī)律等方面統(tǒng)一考慮。做到降水、灌溉水、土壤水和地下水聯合調用，實現按期、按需、按量自動供水。節(jié)水自動灌溉技術現在在興旺國家，尤其是大面積種植或缺水地區(qū)極其適用。按灌溉方式分為噴灌、地面灌、微灌等。微灌又分為滴灌、微噴灌、涌泉灌、地下滲灌。節(jié)水自動灌溉將充分發(fā)揮現有的節(jié)水設備的作用，即優(yōu)化調度，提高效益；通過自動控制節(jié)水技術的應用，更加節(jié)水節(jié)能，降低灌溉本錢，提高灌溉質量；使灌溉更加科學、方便，提高管理水平；研制和推廣節(jié)水灌溉控制新技術是實現農業(yè)現代化的需要[2]。1.2國內、外灌溉現狀及開展趨勢地面灌溉技術研究方面，水平畦灌、階式水平畦灌的研究不斷深入，傳統(tǒng)的畦灌、溝灌也由過去單純研究灌水技術要素對灌水均勻性、水分深層滲漏的影響，轉向綜合研究灌水技術要素對土壤水肥運移、對水肥淋失的影響；同時，開發(fā)了膜上灌等新型灌水技術，并得到較大面積推廣。水平畦灌是田面非常平整條件下的畦灌，要求供水流量大、土地平整精度高，必須在進行大地測量后，采用激光平地技術。該技術在美國等興旺國家被稱為是地面灌溉最重要的進展之一。波涌灌溉利用了致密層在開展中不斷減小田面糙率與土壤入滲特性這一客觀規(guī)律，逐次為以后各周期的灌溉水流創(chuàng)造了一個加速水流推進與提高減滲效果的新接口。渾水波涌灌溉那么是利用含沙量較高的水進行波涌灌溉，能夠起到更加明顯的效果。在噴、技術研究方面，國外一直非常重視噴灌水肥需求規(guī)律及水肥耦合高效利用方面的研究，施肥灌溉應用十分普遍。在微灌水肥高效利用方面，以色列、美國、荷蘭等國家對不同作物的施肥灌溉制度和微灌施肥灌溉專用液體肥料進行了20～30年的研究，取得了豐富的成果，已經研制出了針對多種經濟作物水肥高效利用的專家管理系統(tǒng)。我國從20世紀70年代起，就針對微灌開始了研究和試驗示范工作，開展了微灌條件下的土壤水分與溶質運移規(guī)律、日光溫室和大田經濟作物的灌溉制度、水肥耦合模式、滴灌施肥技術等研究工作。在噴微灌設備方面，對注肥設備的研制取得了可喜的進展，但對滴灌施肥灌溉條件下養(yǎng)分的運移以及施肥灌溉系統(tǒng)運行參數幾乎沒有涉及。施肥灌溉自動控制環(huán)節(jié)薄弱，施肥灌溉軟件方面研究嚴重滯后是造成這一局面的主要原因。國外現有滴灌施肥灌溉自動控制軟件也只能在給定施肥量的情況下控制肥液濃度與施肥歷時，而未能將作物施肥灌溉制度、土壤特性、氮素運移模式相結合，形成決策、管理一體化的軟件。國外由于長期的技術積累，一些著名公司不斷有新產品推出。在節(jié)水灌溉產品快速開發(fā)平臺技術中，提出的高精度快速成型專用設備是快速成型領域研究的熱點，但是目前沒有見到開發(fā)成功的報道。特別是微涂層的實現是技術難點，由于受到材料性能的限制，依靠自然流平無法到達很小的層厚，并且受到外表浸潤性能的影響，必須采取相應措施才能實現，目前正從材料、涂層方法方面力爭有所突破。近幾年，根據中國國情，我國已研發(fā)出大射程旋轉式微噴頭、長流道新型薄壁微灌帶、帶離心清洗裝置的自動反沖過濾器、帶穩(wěn)壓機構的連續(xù)精量水動式施肥泵、低壓壓力調節(jié)器、節(jié)能異形噴嘴、可調霧化程度及射程的多功能噴頭、新型短流道噴頭、輕小型噴灌機組、新型中遠射程噴頭、國產激光控制精細平地鏟運設備等節(jié)水灌溉設備和系統(tǒng)。一批節(jié)水產品初步表現出較強的市場前景和進一步開發(fā)的潛力。如蜂窩管滲流集蓄新產品，長流道新型薄壁微灌帶，帶離心清洗裝置的自動反沖過濾器，帶穩(wěn)壓機構的連續(xù)精量水動式施肥泵，作物根區(qū)局部控水灌溉裝置，國產激光控制精細平地鏟運設備，控制性分根交替灌溉孔口灌灌水器和交替閥等將會取得較大突破[3]。在工程節(jié)水技術方面,國內外的研究主要集中在渠系建筑物建設技術方面。相對來說，技術正在趨于成熟，主要是探索新型建筑結構形式。而新材料配方及其應用技術的研究卻相對要活潑得多。國內外都正在較普遍的將高分子材料應用在渠道防滲中，尤其是在高分子膜料的應用上已取得了不少實用的研究成果。但薄膜易刺破和凍脹地區(qū)凍融破壞的問題還沒有很好的解決。因此，各國都正在不斷研究開發(fā)技術可靠、經濟合理的高分子合成新材料。我國目前采用的渠道防滲防凍技術主要是保溫整體剛性防滲防凍脹措施，適應性較差、易損壞或本錢高。剛柔結構具有適應凍融變形、脹而不裂和防滲、減輕凍脹的特性，能同時有效解決滲漏和凍脹的問題，應用高分子材料研制技術可靠、結構簡單、經濟合理的剛柔混合結構或純柔性結構作為渠道的護砌結構是我國科技人員正在努力研究的方向。在灌區(qū)灌溉用水管理中，綜合各種預測技術、優(yōu)化技術的灌溉用水計算機管理系統(tǒng)已開始在我國灌區(qū)大面積應用，使灌區(qū)的灌溉用水實現了由靜態(tài)用水向動態(tài)用水的轉變，為提高灌區(qū)水資源的利用率提供了技術保障。為實現渠系優(yōu)化配水的要求，應用計算機技術的渠道水量、流量實時調控的研究也在國內外逐步興起。灌區(qū)用水管理系統(tǒng)方面，已逐步轉向研究將數據庫、模型庫、知識庫和地理信息系統(tǒng)有機結合的灌區(qū)節(jié)水灌溉綜合決策支持系統(tǒng)。特別是近年來興旺國家已開展了基于田間水肥等生產要素的巨大差異性，利用GPS和G1S、RS和計算機控制系統(tǒng)，精細準確調整灌水施肥的精準灌溉技術研究，為最大限度地優(yōu)化各項農業(yè)投入，充分挖掘田間水肥差異性所隱含的增產潛力創(chuàng)造了條件。實現灌區(qū)現代化管理，首先要有灌溉工程控制設備的自動化，其次有先進的系統(tǒng)運行軟件對系統(tǒng)控制問題進行決策，從而建立灌區(qū)現代化管理決策支持系統(tǒng)，指導灌溉用水過程。1.3課題研究目的及主要內容節(jié)水灌溉技術及其配套設備，在我國經過近30多年的快速開展，在總結相關成果的根底上，初步形成了其技術體系，在某些方面已到達或接近國際先進水平。但由于我國經濟開展水平及科研體制的限制，我國的節(jié)水灌溉技術與興旺國家還有很大的差距。隨著我國水資源供需矛盾日益鋒利，農業(yè)用水分配額減少的問題勢必日益突出，同時為了緩解我國進入WTO外國農產品對我國農業(yè)開展的壓力，如何快速開展我國的節(jié)水灌溉技術及其配套設備，從而緩解我國農業(yè)用水壓力及開展高品質農產品以加大同國外產品的競爭已經是一個不容無視的嚴峻問題。我國目前95%以上的灌溉面積采用地面灌溉方法。改良地面灌溉技術，提高地面灌溉的灌水效果對緩解我國水資源短缺、保持灌溉農業(yè)的可持續(xù)開展具有重要意義。本課題任務是設計一個通過單片機控制的節(jié)能農業(yè)灌溉系統(tǒng)。要實現與傳統(tǒng)的農業(yè)灌溉系統(tǒng)相比具有結構簡單、平安可靠、實時性好、靈敏度高；功耗低，操作簡便等優(yōu)點。測量數據能夠在LED上顯示出來，結果直觀。和傳統(tǒng)的農業(yè)灌溉設備相比本錢大大降低，而且抗干擾性好、安裝維護方便、測量精度高，具有較高的性能和價格比。該系統(tǒng)可對不同土壤的適度進行監(jiān)控，并進行適時、適量的灌溉。第2章農業(yè)節(jié)水灌溉系統(tǒng)2.1滴灌原理概述滴灌〔dripirrigation〕是利用塑料管道將水通過直徑約10mm毛管上的孔口或滴頭送到作物根部進行局部灌溉。它是目前干旱缺水地區(qū)最有效的一種節(jié)水灌溉方式，水的利用率可達95％。國內現有的節(jié)水灌溉設備、配套器材制造廠多為一些轉產的小企業(yè)，生產技術裝備落后、專業(yè)化生產程度低，生產與科研脫節(jié)，這是國產節(jié)水灌溉設備本錢高，性能不穩(wěn)定、質量差、不耐用的根本原因。國產設備價高，質量差不僅影響了技術的推廣應用，還給農民造成不應有的經濟損失，甚至挫傷農民節(jié)水灌溉的積極性。因此，抓好噴灌、滴灌、微噴灌的設備生產，以質優(yōu)、價廉的國產設備來支持高效節(jié)水灌溉技術的加速開展是必要的。在事實上，加速開展高效節(jié)水灌溉技術與節(jié)水灌溉設備和配套器材制造業(yè)的開展壯大，也是存在互動關系，相互依存，相互促進開展，也是可以取得“雙贏〞的效果。(1)微灌具有以下優(yōu)點：

①省水。比正常的地面灌溉省了1/3-1/2，比噴灌省水15%-25%。

②節(jié)能微灌比噴灌的工作壓力低、耗能少。③增產。有利于實現高產和穩(wěn)產,增產微灌能為作物提供了良好的生長環(huán)境，，提高產品質量。

④保持土壤結構。⑤節(jié)省勞動力和耕地面積。

⑥利用咸水、污水咸水、污水經過處理后，當水質到達要求時可進行微灌灌溉[4]。(2)微灌具有以下缺點：①本錢比擬高。②灌水器易堵塞。③容易引起淺層土壤鹽分積累。④其他潛在風險。(3)滴灌技術的開展①以色列滴管技術的開展(a)1962年以色列農民發(fā)現滴灌有很好的灌溉效果。(b)1964年耐特菲姆公司誕生。(c)以色列滴灌系統(tǒng)目前已是第六代。(d)以色列國土面積為2.1萬km2，耕地面積660萬畝，農業(yè)灌溉用水僅為13億m3,還成為歐洲的“廚房〞。一個農業(yè)可養(yǎng)活90-100人。②我國滴灌的開展(a)我國于1976年開始研制滴灌設備。(b)從1998年開始國家建設300個節(jié)水重點縣。(c)2006年我國滴灌技術累計推廣面積已達1000萬畝[5]。本系統(tǒng)是一種高效率、低本錢的灌溉優(yōu)化控制系統(tǒng)。系統(tǒng)布線簡單易行，系統(tǒng)結構圖如圖2-1所示土土壤濕度傳感器A/D轉換器AT89C51單片機RS232LED顯示報警放大驅動PC機數據顯示電磁閥圖2-1單片機控制系統(tǒng)結構圖2.2土壤濕度傳感器隨著全球水資源的緊缺，特別是我國淡水資源的缺乏，加上我國又是農業(yè)上的大國，于對于雨水的要求十分的高，現在很多科學家致力于濕度傳感器以求到達節(jié)約農業(yè)用水的效果。濕度傳感器主要用來測量土壤容積含水量，做土壤墑情監(jiān)測及農業(yè)灌溉和林業(yè)防護。

根本設計原理

該傳感器的設計原理是通過測量電極之間的電阻值來表征土壤濕度的大小。由于土壤中含有礦物質離子，而這些離子又溶解在土壤中。假設將兩個電極插在土壤中，兩電極之間就會有離子通過，因此通過測量兩電極之間的電阻值就可以表征土壤濕度的含量。由于兩級間的電阻與電壓成正比，所以通過計算兩級的電壓來表征土壤濕度。在測量電壓之前，需將傳感器得到的模擬電壓信號經過A/D轉換成數字信號以便單片機處理[6]。傳感器中信息輸入的窗口是檢測系統(tǒng)中與被測對象直接發(fā)生聯系的局部，它為檢測系統(tǒng)提供必要的原始信息。檢測系統(tǒng)獲取信息的質量也往往是由傳感器的性能一次性確定。為了能使其輸出在精度要求范圍之內反映被測量，傳感器必須具備一定的根本特性，因為只有這樣，傳感器的輸出才能作為其輸出的量度。傳感器的根本特性一般分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性兩類。一系列靜態(tài)參數來描述和表征傳感器的靜態(tài)特性，即當被測量不隨時間變化或變化很慢時可用。當被測量隨時間變化很快，可用一系列動態(tài)參數來描述和表征傳感器的動態(tài)特性[7]。本設計采用的是美國生產的AQUA-TEL-TDR便攜式土壤水分儀。AQUA-TEL-TDR便攜式土壤水分儀適用于測量任何土壤的含水量，采用先進的TDR原理，可以直接輸出電信號，也可配專用的手持讀數表，直接顯示土壤的含水量，因其價格低廉，廣泛應用到節(jié)水灌溉、農業(yè)生產、科學研究等領域[8]。其技術參數如下：(1)測量土壤水分范圍:0-100%vol(2)重復性誤差:<1(3)溫度范圍:-600℃to850℃；精度:+2℃(4)電源:12VDC士20%40mA(5)輸出:0～1mA可選4～20mA或0～5V其特點如下：(1)可長期埋設；(2)長度增加，提高測量的準確性；(3)容易攜帶，使用簡單；(4)能耗極低；(5)最經濟的TDR原理水分探頭。2.3模糊控制2.3.1模糊控制的定義定義：從廣義上，可將模糊控制定義為：“以模糊集合理論、模糊語言變量及模糊推理為根底的一類控制方法〞，或定義為：“采用模糊集合理論和模糊邏輯，并同傳統(tǒng)的控制理論相結合，模擬人的思維方式，對難以建立數學模型的對象實施所謂一種控制方法〞。

模糊理論(FuzzyTheory)能解決真實世界普遍存在的一些模糊的現象，并且以模糊集合理論來處理不易量化的問題，以便于能適當而可靠的處理人們主觀評估問題的方法。1974年,英國的E.H.Mamdani首次用模糊邏輯和模糊推理實現了世界上第一個實驗性的蒸汽機控制,并取得了比傳統(tǒng)的直接數字控制算法更好的效果,從而宣告模糊控制的誕生。2.3.2模糊控制的特點(1)模糊控制不需要被控對象的數學模型。模糊控制是以人對被控對象的控制經驗為依據而設計的控制器，故無須知道被控對象的數學模型。

(2)模糊控制是反映人類智慧的智能控制方法。模糊控制采用人類思維中的模糊量，如“高〞，“中〞、“低〞、“大〞、“小〞等，空置量由模糊推理導出。這些模糊量是人類智能活動的表達。

(3)模糊控制已被人們接受。模糊控制的核心是控制規(guī)那么，模糊規(guī)那么是用語言來表示的。

(4)構造容易。模糊控制規(guī)那么易于軟件實現。

(5)魯棒性和適應性好[9]。

2.3.3模糊控制的根本原理模糊控制的原理：模糊控制是一種建立在模糊數學理論根底之上的基于規(guī)那么的智能控制方法，以模糊集理論、模糊語言變量和模糊邏輯推理為根底的一種智能控制方法，它是從行為上模仿人的模糊推理和決策過程的一種智能控制方法。作為一種較新的智能控制方式，模糊控制也要遵循一定的規(guī)律和法那么，該方法首先將操作人員或專家經驗編成模糊規(guī)那么[10]，然后將來自傳感器的實時信號模糊化，將模糊化后的信號作為模糊規(guī)那么的輸入，完成模糊推理，將推理后得到的輸出量加到執(zhí)行器上。模糊控制的核心在于模糊控制器。意思就是模糊控制是通過模糊控制器實現的。模糊控制器有一定的語句，含有人類對被控對象即模糊檢測的模糊命令。目前人們所研究的模糊控制是由計算機去執(zhí)行的。模糊控制器個局部功能如表2-1所示：表2-1模糊控制器各局部功能名稱功能模糊接口完成被控對象有關狀態(tài)的精確量向相應模糊量的轉換存儲知識庫計算機把用于模糊控制的知識庫儲存內部，以備知識推理使用決策功能模糊控制的核心功能，模擬人類的決策能力進行模糊決策反模糊接口把模糊控制器執(zhí)行決策后產生的模糊控制量轉換成適宜的模糊控制規(guī)那么，并向模糊化接口提供模糊量的隸屬函數形態(tài)。模糊控制的優(yōu)點：(1)它是一種非線性控制方法，工作范圍寬，使用范圍廣，特別適合非線性系統(tǒng)的控制。(2)它不依賴于對象的數學模型，對無法建?；蚝茈y建模的的復雜對象，也能利用人的經驗知識來設計模糊控制器完成控制任務；而傳統(tǒng)的控制方法都要被控對象的數學模型，才能設計控制器。(3)它具有內在的并行處理機制，對被控對象的特性變化不敏感，模糊控制器的設計參數容易選擇調整。不需很多理論知識，容易普及推廣。

第3章基于MCS-51單片機的農業(yè)灌溉系統(tǒng)的硬件電路設計3.1單片機選型及分析3.1.1單片機的開展概況從1946年世界公認的第一臺電子數字計算機ENIAC在美國賓西法尼亞大學誕生起，在計算機的開展過程中，它主要是朝著大型和快速開展。計算機功能的大致演變過程為：從數值計算的人力替代到近代計算機的海量數值計算，再到過程的模擬仿真、分析和決算。在此期間。隨著大規(guī)模集成電路技術的不斷開展和人們需求的多樣化，微型計算機異軍突起，從而導致計算機向兩個方向開展，一個是向高速度、高性能的通用計算機方向開展；另一個是向穩(wěn)定可靠、小而廉價的嵌入式計算機或專用計算機方向開展。計算機專業(yè)領域集中精力開展通用計算機系統(tǒng)的軟硬件技術，不必兼顧嵌入式應用要求，通用微處理器迅速從286、386、486、586開展到奔騰系列，操作系統(tǒng)那么迅速升級到高速海量的數據文件處理單片機是最典型的嵌入系統(tǒng)，起源于微型計算機時代。單片機的出現實現了最底層的嵌入式系統(tǒng)應用，帶有明顯的電子系統(tǒng)設計模式的特點，此時大多數單片機應用開發(fā)的人員都是對象系統(tǒng)領域中的電子工程師。他們將單片機以智能化器件的身份用于電子系統(tǒng)，脫離了計算機專業(yè)領域，沒有帶入“嵌入式系統(tǒng)〞概念，但從學科的角度應該把統(tǒng)一為“嵌入式系統(tǒng)〞單片機的產生與應用將開展計算機技術人為擴展到系統(tǒng)領域，使計算機成為人類社會全面智能化的有力工具。單片機的開展大致經歷了4個階段第一階段〔1970~1973〕為4位單片機階段第二階段〔1974~1977〕為低中檔8位單片機階段第三階段〔1978~1982〕位高檔8位單片機階段第四階段〔1983年至今〕為8位單片機階段及16位，32位單片機推出階段3.1.2單片機的分類(1)4位單片機4位單片機的控制功能較弱，CPU一次只能處理4位二進制數，這類單片機常用于計算器各種形態(tài)的智能單元以及作為家用電器重的控制器。(2)8位單片機8位單片機的控制功能較強，品種最為齊全，和4位單片機相比，它不僅具有較大的存儲容量和尋址范圍，而且中斷源，并行I/O接口和定時器/計算器個數都有了不同程度的增加。并集成有全雙工串行通信接口。在指令系統(tǒng)方面，普遍增設了乘除指令和比擬指令。特別是8位機中的高性能增強型單片機，除片內增加了A/D和D/A轉換器以外，還集成有定時器捕捉比擬存放器，監(jiān)視定時器?？偩€控制部件和晶體振蕩電路等。這類單片機由于其片內資源豐富且功能強大。主要在工業(yè)控制，智能儀表，家用電器和辦公自動化系統(tǒng)中應用。代表產品有INTEL公司的MCS-51系列機。Philips公司的80C51系列機〔同MCS-51兼容〕Motorola公司的M6805系列機，Microchip公司的PIC系列機和Atmel公司的AT89系列機〔同MCS-5兼容〕等。(3)16單片機16位單片機是再1983年以后開展起來的、這類單片機的特點是：CPU是16位的，運算速度普遍高于8位機，有的單片機尋址能力高達1MB。片內含有A/D和D/A轉換電路。支持高級語言。這類單片機主要用于過程監(jiān)控，智能儀表，家用電器以及計算機外部設備的控制器，典型產品和INTEL公司的MCS96/98系列機，Motorola公司的M68NC16系列機，NS公司的HPCXXXX系列機等。(4)32單片機32位單片機的字長32位，是單片機的頂級產品，具有極高的運算速度。今年來，隨著家用電子系統(tǒng)的新開展，32位單片機的市場前景看好。這類單片機的代表有Motorola公司的M68300系列機，Inmos公司的IM-ST414和日立公司的SH系列機等[11]。3.1.3本系統(tǒng)所選擇的單片機在本系統(tǒng)中，考慮到系統(tǒng)的功能需求和市場上單片機的應用情況，以及學習8051單片機的兼容情況，選定MCS-51系統(tǒng)的AT89C51。AT89C51是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器〔FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory〕的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機?，F流行的單片機有很多種，8位單片機的控制功能較強，品種最為齊全。其中MCS-51系列擁有較高的性價比，從而博得很多用戶的青睞。所以，本系統(tǒng)采用美國Intel公司生產的AT89C51型單片機，由于其具有集成度高、處理功能強、可靠性高、系統(tǒng)結構簡單、價格低廉等優(yōu)點并具有4K字節(jié)的程序存儲器，使得它應用起來更加方便。引腳圖如3-1所示。(1)AT89C51功能特性如下所述：①片內時鐘振蕩器；②內含4KBytes的程序存儲器；③內含256KBytes的數據存儲器；④程序存儲器可外部擴展至64Kbytes；⑤數據存儲器可外部擴展至64Kbytes；⑥兩個雙全工串行通信口；；⑦2個16位可編程計時/計數器；⑧五個具有可編程為2層中斷優(yōu)先權的中斷源；⑨具有邏輯運算能力；⑩32條雙向且可被獨立尋址的I/O；圖3-1AT89C51引腳圖(2)主要引腳功能如下：①VCC：供電電壓；②GND：接地；③P0口：P0口有三個功能(a)外部擴展存儲器時，當做數據總線〔D0~D7為數據總線接口〕(b)外部擴展存儲器時，當作地址總線〔A0~A7為地址總線接口〕(c)不擴展時，可做一般的I/O使用，但內部無上拉電阻④P1口：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。⑤P2口：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1〞時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1〞時，它利用內部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能存放器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。⑥P3口：P3口管腳是8個帶內部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1〞后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流〔ILL〕這是由于上拉的緣故。P3口的輸入輸出及P3口鎖存器、中斷、定時/計數器、串行口和特殊功能存放器有關，P3口的第一功能和P1口一樣可作為輸入輸出端口，同樣具有字節(jié)操作和位操作兩種方式，在位操作模式下，每一位均可定義為輸入或輸出。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如表3-1所示：表3-1P3口管腳功能表端口引腳特殊功能P3.0RXD〔串行輸入口〕P3.1TXD〔串行輸出口〕P3.2〔外部中斷0〕P3.3〔外部中斷1〕P3.4T0〔定時/計時器0外部輸入〕P3.5T1〔定時/計數器1外部輸入〕P3.6〔外部數據存儲器寫選通〕P3.7〔外部數據存儲器讀選通〕P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。(7)RESET：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RESET腳兩個機器周期的高電平時，就可以完成復位工作，該引腳的第二功能是備用電源的輸入端。當電源VCC發(fā)生故障，降低到低電平規(guī)定時，將+5V電源自動接到該引腳，為RAM提供備用電源，以保證儲存在RAM中的信息不喪失，從而使復位之后能繼續(xù)正常工作。復位時各存放器的狀態(tài)如表3-2所示。表3-2復位時各存放器的狀態(tài)存放器復位狀態(tài)存放器復位狀態(tài)PC0000HTMOD00HA00HTCON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL100HP0-P3FFHSCON00HIP(8051)XXX00000BSBUFXXXXXXXXIE(8051)0XX00000BPCON(CHMOS)0XXX0000B(8)ALE/：當CPU訪問外部存儲器時，ALE輸出信號控制鎖存P0口輸出的低8位地址，從而實現P0口數據與地位地址的分時復用。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。當單片機上電正常工作后，自動在ALE短輸出頻率為fosc/6的脈沖序列。(9)：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的信號將不出現。(10)/VPP：當=0時，那么在此期間外部程序存儲器〔0000H-FFFFH〕，允許使用片外ROM，不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，將內部鎖定為RESET；當端=1時，此間為內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源〔VPP〕。(11)XTAL1：在片內它是振蕩電路反相放大器的的輸入端。(12)XTAL2：它是振蕩電路放大器的輸出端，要檢查8051的振蕩電路是否正常工作，可用示波器查看XTAL2端是否有脈沖信號輸出[12]。3.2時鐘電路單片機的時鐘電路信號用來為芯片內部各種微操作提供時間基準。AT89C51的時鐘產生方式有內部震蕩和外部時鐘兩種MCS-51雖然有內部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外接元件，圖3-2是MCS-51的外部時鐘電路。外接晶體以及C2和C3構成并聯諧振電路，接在放大器的反應回路中。電容的大小會影響振蕩器頻率的上下、振蕩器的穩(wěn)定性、起振的快速性和溫度的穩(wěn)定性。該設計選用12MHz晶振，與之相適應的電容的典型值是30pF左右。圖3-2時鐘電路原理圖3.3復位電路MCS-51復位是由外部的復位電路來實現的。單片機在開機時都需要復位，以便中央處理器CPU以及其它功能部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。復位電路通常采用上電復位和按鈕復位兩種方式。該電路兼有上電復位和按鈕復位。上電復位電路是通過外部復位電路的電容充電來實現的，只要電源VCC的上升時間不超過1ms，就可以實現自動上電復位，即接通電源就完成了系統(tǒng)的復位初始化。復位電路如圖3-3所示。工作原理為：按鈕按下后，RC電路充電，RESET引腳端出現正脈沖，只要RESET端保持10ms以上的高電平，就能用單片機有效的復位。該設計時鐘頻率為12MHz，C取22μF，R取1K歐姆。復位電路如圖3-3所示。圖3-3復位電路原理圖3.4A/D轉換電路A/D轉換接口是系統(tǒng)數據采集前向通道的一個重要環(huán)節(jié)。A/D轉換接口用于將傳感器檢測到的模擬量轉化成計算機可以處理的數字量，從而實現對模擬量的測量和控制。因此,完成數據采集應具備下述根本部件:模擬多路轉換開關和信號調節(jié)電路,采樣/保持放大器,模擬/數字(A/D)轉換器,通道控制電路。前向通道中,被測物理量經傳感器轉換成電信號,而每一種傳感器都有與之配套的接口電路,接口電路再將這一信號轉換成電壓信號。多路轉換開關用來完成多路模擬信號的切換,信號調節(jié)那么是將微弱的模擬信號轉換成能滿足A/D轉換器需要的電平信號。為了減少動態(tài)數據采集的孔徑誤差,需要參加采樣/保持電路。因此,數據采集電路的設計不僅僅限于是單純A/D轉換芯片的接口設計,還必須綜合考慮傳感器到CPU的全過程[13]。AD574是美國模擬器件公司〔AnalogDevices〕生產的12位逐次逼近型快速A/D轉換器，其轉換速度為35s，轉換誤差±0.05％，是目前我國廣泛應用、價格適中的A/D轉換器，其內部有三態(tài)輸出緩沖電路，可直接與各種微處理器連接，且無須加邏輯接口電路，便能與CMOS及TTL電平兼容。內部配置高精度參考電壓源和時鐘電路，使它不需任何外部電路和時鐘信號，就能完成A/D轉換，應用非常方便。AD574由兩局部組成，一局部是模擬芯片，另一局部數字芯片，其中模擬局部由高性能的12位D/A轉換器AD565和參考電壓組成。數字局部由控制邏輯電路，逐次逼近型存放器的三態(tài)緩沖器組成?？刂七壿嬀植?，用來發(fā)出啟動/停止始終信號及復位信號，并控制轉換過程，此局部信號包括5個外部信號以及內部轉換結束信號。整個轉換過程結束后，輸出一個標志狀態(tài)STS〔低電平說明轉換結束〕。另外，當START信號出現高電平時，標志狀態(tài)STS開始變?yōu)楦唠娖?，直到轉換過程結束才變?yōu)榈仉娖?。在AD574芯片上有兩組控制引腳，即通過控制引腳〔CE，和〕，以及內部存放器控制輸入引腳〔和A〕。通用控制引腳的功能與大多數A/D轉換器相似，主要決定裝置定時、尋址、啟動脈沖和讀使能等功能。內部存放器控制輸入引腳是大多數A/D轉換器所沒有的，它們用來選擇輸出數據的形式和轉換脈沖長度。主要引腳功能：(1)CE是轉換器的啟動和數據讀出端。和R/引腳來控制的。當CE=1時，=0，且R/=0時，轉換過程開始；而CE=1，=0，而R/=1時，數據可以被讀出。(2)為數據格式選擇端。當=1時，雙字節(jié)輸出，即12位數據線同時生效輸出，可用于12位或16位微型計算機系統(tǒng)。=0時，為單字節(jié)輸出，可與8位CPU接口連接，AD574采用左對齊的數據格式，與A配合，使數據分兩次輸出。A=0時，高8位數有效。A=1時，那么輸出低4位數據加4位附加0。請注意，引腳不能有TTL電平控制，必須直接接至+5V〔引腳1〕或數字地〔引腳15〕。(3)A為字節(jié)選擇端。A引腳有兩個作用，一是選擇字節(jié)長度；二是與8位微處理器兼容時，用來選擇讀出字節(jié)。在轉換之前，設A=1，AD574按8位A/D轉換，轉換時間為10。設A=0，12位A/D轉換，轉換時間為25，這與的狀態(tài)無關。再讀周期中，A=0時，高8位數據有效；A=1時，那么低4位數據有效。注意，如果=1，A的狀態(tài)不起作用。AD574的引腳如圖3-4所示。圖3-4AD574引腳圖數據線DB0到DB11，高8位接于P00到P07，低4位接于P04到P07。數據格式控制端接地，可與8位單片機兼容，12位數據分兩次傳送。WR,RD與非門后，接于CE，無論讀或寫，CE=1時AD574均工作。通過74LS373接于P01,只要P01=0那么啟動轉換器；P01=1那么讀取轉換結果。A0通過74LS373接于P00，即接于P00的狀態(tài)可控制轉換位數和讀取字節(jié)的方式。綜上所述，可寫出AD574控制信號組合表，如表3-3所示。表3-3AD574控制信號組合表CER/12/A操作0xxxx禁止x1xxx禁止100x0啟動12位轉換v00x1啟動8位轉換101接1腳〔+5V〕x輸出數據格式為并行12位101接地0輸出數據格式為并行8位101接地1低4位加上尾隨4個零圖3-5AD574與單片機接口電路圖3.5數據存儲電路AT89C51單片機片內部數據存儲器256Byte，地址為00H-FFH;外部數據存儲器最大尋址空間64KB，地址為0000H-FFFFH。內部數據存儲器共256字節(jié)，分為低128字節(jié)和高128字節(jié)。低128字節(jié)為用戶數據存儲器，地址為00H-7FH高128字節(jié)為特殊功能存放器，地址為80H-FFH由于本系統(tǒng)應用中會用到更多的RAM，所以只能在片外進行擴展，擴展RAM芯片一般采用靜態(tài)RAM。用得較多的是Intel公司的6116容量為2KB和6264容量為8KB。其性能見表3-4所示。表3-46116和6264性能性能型號容量讀寫時間額定功耗封裝61162K×8200160DIP2462648K×8200200DIP28本系統(tǒng)選用的是6264芯片，管腳圖如3-6所示，芯片的主要引腳為：圖3-66264引腳圖6264芯片引腳功能如下：(1)電源：VCC端接+5v工作電壓。GND端接地。(2)數據線：D7-D0共8根數據線。(3)地址線：A12-A0共13根地址線，可尋址的存儲單元數為1213=8K個。(4)控制線：：片選信號1，輸入低電平有效。CE2：片選信號2，輸入高電平有效。只有當和CE2同時有效，才能選中該芯片。：寫選通信號，輸入低電平有效。：讀選通信號，輸入低電平有效。AT89C51單片機外接數據RAM時，P2口輸出存儲器的高8位，P0口分時輸出地址的低8位和傳送指令字節(jié)或數據。P0口先輸出低8位地址信號，在ALE有效時將它鎖存到外部地址鎖存器中，然后P0口作為數據總線使用，此處地址鎖存器選用74LS373，實際電路連接如圖3-7所示。圖3-76264與AT89C51硬件連接原理圖3.6LED顯示電路進入二十一世紀以來，顯示器行業(yè)以開展為一個空間巨大，前景廣闊的新型行業(yè)。在大型商場、車站、碼頭、地鐵站以及各類辦事窗口等越來越多的場所需要用LED點陣顯示圖形和漢字。顯然，LED顯示已成為城市亮化、現代化和信息化社會的一個重要標志。顯示器是常用的輸出設備之一，常見的顯示器有LED顯示器、LCD液晶顯示器和CRT顯示器。由于LED和LCD顯示器可以顯示數字、字符和系統(tǒng)狀態(tài)，且具有體積小。功耗低，與單片機連接方便等特點，所以廣泛使用在單片機應用系統(tǒng)中。這兩種器件都具有本錢低廉、配置靈活、與單片機接口方便的特點。隨著電子技術的飛速開展。近年來，也開始出現有配置簡易形式的CRT顯示器，以方便圖形顯示。LED顯示塊是由8個發(fā)光二極管做成的，也叫數碼管。這種顯示塊有共陰極和共陽極兩種。共陽極鏈接法，它是把各個發(fā)光二極管的陽極連接在一起作為公共端，工作時，公共端接高電平〔一般接電源〕，當某個發(fā)光二極管的陰極接低電平時，它對應的尾段點亮發(fā)光。另一種是共陰極連接法；它是把各個發(fā)光二極管的陰極連接在一起作為公共端，工作時，公共端接低電平〔一般接地〕，當某個發(fā)光二極管的陰極接高電平時，它對應的尾段點亮發(fā)光。在單片機應用系統(tǒng)中通常使用的是七段LED顯示塊中有8的發(fā)光二極管，也叫8段顯示器。本設計選用的顯示塊是共陰極的LED[14]。根本原理是：將AT89C51單片機的8個I/O口數據線與顯示模塊的發(fā)光二極管的引出端〔a～dp〕相連，當低電平有效時，8位并行輸出口輸出不同的數據就點亮相應的發(fā)光二極管，獲得不同的數字或字符。8位共陰極和共陽極LED數碼顯示器的字模如表3-6。顯示字符共陽極共陰極顯示字體共陽極共陰極0C0H3FHb83H7CH1F9H06HcC6H39H2A4H5BHdA1H5EH3B0H4FHE86H79H499H66HF8EH71H592H6DHP8CH73H682H7DHUC1H3EH7F8H07HY91H31H880H7FHH89H6EH990H6FHLC7H76Ha88H7FH“滅〞FFH00H表3-6LED數碼宣示器的字模單片機控制控制LED顯示器工作時,要提供段選碼和位選碼，減輕軟件負擔，選碼通常用硬件譯碼芯片獲得。這些芯片常用的有：(1)CD-7段譯碼驅動器。其功能是輸入BCD碼，輸出7段顯示器的字行碼。如MC14558等。(2)D-7段譯碼驅動器。其功能是輸入BCD碼，輸出7段顯示器的字型碼，且內帶段輸出驅動器。如：MC14547、74LS47等。上述兩類接口芯片無輸入鎖存能力。(3)BCD-7段鎖存/譯碼/驅動器。其功能是輸入BCD碼，經鎖存、譯碼后輸出7段顯示器的字型碼，并帶段輸出驅動器，如MC14513、MC14495。本設計顯示局部選用LED顯示器，其由發(fā)光二極管組成，采用動態(tài)顯示方法；74LS138實現位選，CD4534段選。74LS138是一個3-8譯碼器，共有54/74S138和54/74LS138兩種線路結構形式，其工作原理為：當一個選通端〔G1〕為高電平，另兩個選通端為低電平時，可將地址端〔A、B、C〕的二進制編碼在一個對應的輸出端以低電平譯出。利用G1、/(G2A)和〔G2B〕可級聯擴展成24線譯碼器；假設外接一個反相器還可級聯擴展成32線譯碼器。假設將選通端中的一個作為數據輸入端時，74LS138還可以作為數據分配器。共16個引腳，其引腳說明如下：表3-774LS138的16個引腳的功能引腳名稱功能簡述A、B、CE1、E2、E3Y0～Y7VccGND選擇端即信號輸入端使能端，其中E1、E2低電平有效，E3高電平有效譯碼輸出信號，始終只有一個為低電平電源端，＋5V線路地兩者的引腳圖如3-8、3-9所示：圖3-874LS138引腳圖圖3-9CD4543引腳圖CD4543是BCD鎖存/七段譯碼/驅動器，有燈測試功能；有消隱輸入端；以異或門作輸出級，可方便地驅動。顯示電路設計如圖3-10。圖3-10顯示電路原理圖3.7串行通信電路在計算機系統(tǒng)中，CPU和外部通信有兩種通信方式：并行通信和串行通信。本設計將兩種通信方式的含義及特點表示如下表3-8：表3-8兩種通信方式的含義及特點通信名稱含義特點串行通信并行通信將數據字節(jié)以一位一位的形式在一條傳輸線上逐個的傳送，數據發(fā)送設備先將數據代碼由并行形式轉換成串行形式，然后一位一位地放在傳輸線上進行傳送。將數據字節(jié)的各位用多條數據線同時進行傳送，數據發(fā)送方在發(fā)送數據前，要詢問數據接收方是否“準備就緒〞。數據接收方收到數據后，要向數據發(fā)送方回送數據已經接收到的“應答〞信號。傳輸線少，本錢低，速度慢，但數據的傳送控制比并行通信復雜，已于遠距離傳送。傳送速度快，效率高，控制簡單，但遠距離傳送本錢高。通常所提到的計算機通信都是指計算機與外界間通信，即串行通信。按照串行通信的收發(fā)雙方的時鐘配置情況，串行通信可分為同步通信和異步通信兩類。異步通信〔AsynchronousCommunication〕，是指通信的發(fā)送與接收設備使用各自的時鐘控制數據的發(fā)送和接受過程，但要求發(fā)送和接收設備的時鐘盡可能一致，使雙方收發(fā)協(xié)調。數據通常是以字符為單位組成字符幀傳送的。即一個一個字符地傳送。異步通信的優(yōu)點是不需要傳送同步時鐘，字符幀長度不受限制，故設備簡單。缺點是字符幀中因包含起始位和停止位而降低了有效數據的傳輸速率。同步通信〔SynchronousCommunication〕是一種連續(xù)串行傳送數據的通信方式，一次通信只傳輸一幀信息。這里的信息幀和異步通信的字符幀不同，通常有假設干個數據字符。它們均由同步字符、數據字符和校驗字符CRC三局部組成。在同步通信中，同步字符可以采用統(tǒng)一的標準格式，也可以由用戶約定。同步通信的數據傳輸速率較高，通常可達56000bit/s或更高，其缺點是要求發(fā)送時鐘和接收時鐘必須保持嚴格同步。數據通信在單片機應用系統(tǒng)中是主要采用的通信。在設計通信接口時，必須根據需要選擇標準接口，并考慮傳輸介質、電平轉換等問題。采用標準接口后，能夠方便地把單片機和外設、測量儀器等有機地連接起來，從而構成一個測控系統(tǒng)。異步串行通信接口主要有三類：RS-232C接口、RS-449、RS-422和RS-485接口以及20mA電流環(huán)。常用的為RS-232C[15]。RS-232C是使用最早、應用最多的一種異步串行通信總線標準。它是美國電子工業(yè)協(xié)會〔EIA〕1962年公布、1969年最后修定而成的。其中RS表示RecommendedStandard，232是該標準的標識號，C表示最后一次修定。RS-232C主要用來定義計算機系統(tǒng)的一些數據終端設備〔DTE〕和數據電路終接設備〔DCE〕之間的電氣性能。例如CRT、打印機與CPU的通信大都采用RS-232C接口，MCS-51單片機與PC機的通信也是采用該種類型的接口。由于MCS-51系列單片機本身有一個全雙工的串行接口，因此該系列單片機用RS-232C串行接口總線非常方便。RS-232C串行接口總線適用于設備之間的通信距離不大于15米，傳輸速率最大為20kB/s。RS-232C規(guī)定了自己的電氣標準，由于它是在TTL電路之前研制的，所以它的電平不是+5V和地，而是采用負邏輯，即：邏輯“0〞：+5V～+15V邏輯“1〞：-5V～-15V因此，RS-232C不能和TTL電平直接相連，使用時必須進行電平轉換，否那么將使TTL電路燒壞，實際應用時必須注意。常用的電平轉換電路是MAX232。圖3-11為MAX232的引腳圖。圖3-11MAX232引腳圖MAX232芯片是美信公司專門為電腦的RS-232C標準串口設計的接口電路,使用+5v單電源供電。MAX232引腳功能：第一局部是供電：(1)VCC〔引腳16〕：+5V。(2)GND〔引腳15〕：接地。第二局部是電荷泵電路：(3)C1+、C1-、C2+、C2-、V+、V-〔引腳1～6〕：和4個電容構成電荷泵電路。功能是產生+12v和-12v兩個電源，提供應RS-232C串口電平的需要第三局部是數據轉換通道：(4)其中T1IN、R1OUT、R1IN、T1OUT〔引腳11～14〕：第一數據通道。(5)T2IN、R2OUT、R2IN、T2OUT〔引腳7～10〕：為第二數據通道。TTL/CMOS數據從T1IN、T2IN輸入轉換成RS-232C數據從T1OUT、T2OUT送到電腦DB9插頭；DB9插頭的RS-232C數據從R1IN、R2IN輸入轉換成TTL/CMOS數據后從R1OUT、R2OUT輸出。圖3-12串行通信硬件電路圖3.8報警電路為了在某種緊急狀態(tài)下或反常狀態(tài)下，本系統(tǒng)需要一定的報警電路。本系統(tǒng)采用的是光電報警電路系統(tǒng)。報警設備選用壓電式蜂鳴器，接口電路如圖3-13所示。MCS-51的接線P11連接報警電路的輸入端,當P11口輸出低電平時,發(fā)光二極管兩端電壓差接近5V,發(fā)光報警.壓電蜂鳴器兩條引線加上近5V的直流電壓，由壓電效應而發(fā)出蜂鳴音報警。圖3-13聲光報警電路接口電路第4章基于MCS-51單片機的農業(yè)灌溉系統(tǒng)軟件設計本課題的軟件程序設計采用匯編語言。程序設計語言分為三類

(1)機器語言機器語言就是用二進制代碼來表示指令和數據，也稱為機器代碼、指令代碼。機器語言是計算機唯一能識別執(zhí)行的語言，用其編寫的程序執(zhí)行效率最高，速度最快，但由于指令代碼很難記憶，給程序的編寫、閱讀帶來一定困難，所以幾乎沒人直接使用機器語言來編寫程序。(2)匯編語言計算機所能執(zhí)行的每一條指令都對應一組二進制代碼。為了容易理解和記憶計算機的指令，人們用英文助記符來表示指令，用助記符表示的指令就是符號語言或匯編語言。將匯編語言程序轉換成二進制代碼表示的機器語言程序成為匯編程序。經匯編程序“匯編〞得到的機器語言程序成為目標程序，原來的匯編語言成為源程序。匯編語言的特點:①面向機器的低級語言，程序員須對MCS-51的硬件有相當深入的了解；②用匯編語言編寫的程序效率高，占用的儲存空間小，運行速度快，因此能編寫出最優(yōu)化的程序；③可有效地訪問、控制計算機的各種硬件設備，如磁盤、存儲器、CPU、I/O端口等；④匯編語言與機器語言都脫離不開具體的機器硬件，均是面向“機器〞的語言，缺乏通用性。(3)高級語言高級語言是以中國面向算法、過程和對象的程序設計語言，它采用更接近人們自然語言和習慣的數學表達式及直接命令的方法來描述算法、過程和對象。高級語言的語句直觀、易學、通用強，便于推廣、交流，但高級語言編寫的程序經編譯后所產生的目標程序大，占用內存多，運行速度較慢。匯編語言的應用:①70%以上的系統(tǒng)軟件是用匯編語言編寫的；②某些快速處理、位處理、訪問硬件設備等高效程序是用匯編語言編寫；③某些高級繪圖程序、視頻游戲程序是用匯編語言編寫的。匯編語言是我們理解整個計算機系統(tǒng)的最正確起點和最有效途徑。人們經常認為匯編語言的應用范圍很小，而無視它的重要性。其實匯編語言對每一個希望學習計算機科學與技術的人來說都是非常重要的，是不能不學習的語言。所有可編程計算機都向人們提供機器指令，通過機器指令人們能夠使用機器的邏輯功能。所有程序，不管用何種語言編制，都必須轉成機器指令，運用機器的邏輯功能，其功能才能得以實現。機器的邏輯功能，軟件系統(tǒng)功能構筑其上，硬件系統(tǒng)功能運行于下。匯編語言直接描述機器指令，比機器指令容易記憶和理解。4.1系統(tǒng)主程序設計主系統(tǒng)流程圖如圖4-1所示。主程序完成的功能是：首先設定土壤濕度的上下限值，再對各存放器的狀態(tài)初始化之后，開始啟動土壤濕度傳感器進行濕度檢測，并將檢測后的結果與設定值進行模糊化計算，結果顯示在顯示器上，假設測量值大于設定值，那么返回重新進行進行測量；假設測量值小于設定值，那么進行報警，報警后灌溉系統(tǒng)啟動，對缺水的土壤地域進行灌溉。開始開始設定土壤濕度值的上下限各存放器初始化采集土壤濕度值模糊化計算將測量值與設定值相比擬，是否大于設定值？顯示報警灌溉NY圖4-1系統(tǒng)主程序流程圖4.2數據采集子程序數據采集的主要任務是不斷地采集土壤的濕度參數，并存儲在外部制定的RAM單元。采樣程序如圖4-2所示。初始化初始化啟動A/D轉換讀出A/D轉換后的數據返回NY是否大于設定值？圖4-2數據采集子程序流程圖4.3數據處理子程序由于數據在進行采集時，單片機采集進來的信號總會被一些因素干擾，比方來自被測信號源、傳感器、外界的干擾等，因此導致A/D轉換器送入單片機的數據中存在誤差。但是這些誤差是隨機并且不可防止的，這就要求我們要對這些數據進行處理，以便獲得更為精確的數據。數據處理流程圖如圖4-3所示。開始開始清空交換標志位00H取采樣值前值送后值單元，后值送前值單元置交換標志位00H取兩個值，前值是否小于后值？〔R5〕－1=0？標志位00H=1？取值結束NNYNYY圖4-3數據處理子程序流程圖4.4數據顯示子程序顯示子程序采用動態(tài)顯示的方法，不斷將土壤濕度值通過位選和段選用LED顯示出來，流程圖如圖4-4所示。進入動態(tài)顯示子程序后，首先尋找顯示緩沖區(qū)首地址R0，并把數據指針指向要顯示最左邊數碼管的譯碼器地址，然后取出要顯示的數據，并把數據通過轉換，變成顯示碼，然后通過把段選碼送入CD4543，用于數碼管顯示當前數值，位選碼送入74LS138，用于確定六個數碼管中的哪一個進行顯示，當上述過程結束，需延時1ms，是人眼能夠識別數碼管顯示數字的變化，然后判斷六個數碼管是否都已顯示，如果沒有，那么修改顯示緩沖區(qū)的地址，尋找下一個數碼管的譯碼器地址，然后取數據通過前面的過程進行顯示，重復循環(huán)判斷，直到六個數碼管都顯示數據，那么該子程序輸出返回值。顯示緩沖區(qū)首址R0顯示緩沖區(qū)首址R0指向最左邊一位取出要顯示的數據求待顯示數據的顯示碼送位選碼到74LS138送段選碼到CD4543DPTRCD4543地址動態(tài)顯示子程序延時1ms6位數顯示完了嗎？返回求下一位位選碼YN修改顯示緩沖區(qū)地址修改顯示緩沖區(qū)地址圖4-4數據顯示子程序流程圖4.5數據通信子程序在單片機系統(tǒng)中，串口〔UART，通用異步收發(fā)接口〕是一個非常重要的組成局部。通常使用單片機串口通過RS232/RS485電平轉換芯片與上位機連接，以進行上位機與下位機的數據交換、參數設置、組成網絡以及各種外部設備的連接等。AT89C51是采用MCS-51系列的匯編語言編程，它有一個標準的串行接口，有4種工作方式，其中方式1是標準的10位異步通信方式，10位數據和PC機的標準串行接口相對應，由串行接口控制器SCON(字節(jié)地址為98H)設置狀態(tài)。下列圖為數據通信中斷效勞子程序的流程圖。采樣存儲數據采樣存儲數據置完成標志處理數據是否大于土壤濕度設定值？YN開始中斷返回圖4-5中斷效勞子程序流程圖第5章結論本文介紹了基于AT89C51單片機的節(jié)水灌溉智能控制系統(tǒng)的軟硬件的設計與研究過程，重點介紹了控制系統(tǒng)軟硬件的設計和實現以及灌溉量計算模型的設計和實現。預期到達的目標是對土壤濕度參數進行檢測，將土壤濕度傳感器檢測的結果送入A/D轉換電路，進行處理后，輸入單片機，將監(jiān)測到的濕度值進行顯示，數據處理過程中采用模糊控制算法，輸出控制信號對現場土壤濕度進行實時控制，能在土壤濕度異常情況實現報警等功能。在元器件選擇上盡量做到使硬件電路簡單,力求整個系統(tǒng)相關器件性能匹配。系統(tǒng)以AT89C51單片機系統(tǒng)完成對土壤濕度信號的采集、處理、顯示以及對執(zhí)行機構的控制等功能；用Protel軟件繪制電路原理圖；利用MCS-51匯編語言編制運行程序。該系統(tǒng)的主要特點是適用性強，可對作物進行適時、適量灌水，系統(tǒng)本錢低廉，操作非常簡單，可擴展性強，只要稍加改變，即可增加其他使用功能。參考文獻[1]王友貞，湯廣民.節(jié)水灌溉與農業(yè)可持續(xù)開展［J].節(jié)水灌溉,2005,2:33-34.[2]馬公為，洪亮，劉文青等.智能化控制耕層滴灌技術［J］.節(jié)水灌溉,2004,5:56.[3]段愛旺、白曉君.美國灌溉現狀分析[J],灌溉排水，1999,(1).[4]王德民.微灌技術[J].中國農村科技,1999,4:8-9.[5]張志新.滴灌[J].新疆科技衛(wèi)生出版社,1992.[6]王之芳.傳感器應用技術［M].西安交通大學出版社,1995.[7]劉金琨.智能控制[M],北京高等精品教材,2023(7).[8]程武山.智能控制理論與應用[M],上海交通大學出版社,2006[9]王立新，王迎新.模糊系統(tǒng)與模糊控制教程［M].清華大學出版社,2003-06.[10]馮冬青，謝宋和等.模糊智能控制［M］.北學工業(yè)出版社,2000-03.[11]李英順.單片機原理及應用［M].中國水利水電出版社,2023.[12]張迎新.單片微型計算機原理應用及接口技術［M].國防工業(yè)出版社,2000.[13]胡漢才.單片機原理及其接口技術［M］.清華大學出版社,2007.[14]康華光.電子技術根底[M].高等教育出版社,2005.[15]李錫雄.微型計算機控制技術[M].北京科學出版社,1999-08.致謝經過半年的學習和實踐，終于完成了這次的畢業(yè)設計。在論文的寫作過程中遇到了無數的困難和障礙，都在同學和老師的幫助下度過了。尤其要強烈感謝我的論文指導老師—李芝蘭老師，她對我進行了無私的指導和幫助，不厭其煩的幫助進行論文的修改。在此，謹向導師表示崇高的敬意和衷心的感謝！然后我還要感謝大學里的各位老師在四年的時間里的培養(yǎng)，使我對專業(yè)產生了濃厚的興趣，能系統(tǒng)的學習專業(yè)知識，了解本專業(yè)先進知識的動向，并最終使自己成為一個對社會有用的人。四年的讀書生活在這個季節(jié)即將劃上一個句號，而于我的人生卻只是一個逗號，我將面對