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[摘要]：本论文详细地论述了由单片机为处理器的自动微灌溉控制器的硬件、软件设计、系统编程和抗干扰设计等方面的问题。本控制器以ATMEL公司的AT89C51单片机为核心，由傳感器，信号处理电路，键盘、显示电路，输出控制电路，故障报警电路等构成。它能实现多路数据采集、多路控制信号输出，通过传感器自动检测土壤水分实现自动闭环控制和预编定时程序的时间控制等多种自动灌溉控制方式，并具有土壤水分超出设定范围自动报警功能。硬件方面，土壤含水量的测量采用先进的HM1500电容式水分传感器；A/D转换采用了ADC0809芯片；键盘、显示分别采用了独立式按键和LED显示块；输出控制电路由三极管、光电耦合器、继电器、电磁阀等组成。
[关键词]：单片机 微灌 土壤水分 自动控制
中图分类号：TP13 文献标识码：TP 文章编号：1009-914X（2012）35- 0007 -01
1、 微灌系统总体设计
1.1 自动化微灌系统的组成和原理
自动化灌溉系统由中央控制器、自动阀和连接电缆组成。
自动化微灌系统是指利用微机技术对微灌工程的主要设备进行监视、控制以及各种信息处理，及时地对设备运行情况进行全面地分析和准确的判断，确保灌溉工程安全、合理和经济地运行。它包括传感器系统，控制器系统和水源控制系统三大部分组成。
2、 控制器硬件设计
2.1 土壤水分传感器的选择与使用
2.1.1 土壤水分传感器的选择
本课题选定了电容式HM1500水分传感器，它的特点是精度高、量程宽、可测的物料品种多，而且响应速度也较快，可应用于在线监测实现自动化。
2.1.2 HM1500在田间的埋设
①埋设点应选在处理方便，不受田块边界作用影响。
②必须埋在根系活动集中层内，该处为作物大部分吸水发生部位，需给予重点关注。
③对于较长时间的连续观察，探头最好能与垂线呈一定角度安放（一般取 ～ ），
④传感器在洞内放好后，要加入少量细土，压实，灌入少量水，然后再填一些土。
2.2 单片机的选择
单片微型计算机以其体积小，功能强，性能价格比高等优点广泛应用于诸多领域，经过比较分析，根据本课题的特点，我们选用ATMEL公司89系列的标准型单片机AT89C51。
2.3 控制器的电路设计
2.3.1 电路设计的总体方案
电路部分以AT89C51单片机为核心部件，计时采用AT89C51的计数器1作为定时时钟，时间的预制及读取通过人机对话的方式实现；考虑来自供电电源、接口电路、程序飞出到非程序区等的干扰情况，采取了必要的软、硬件抗干扰措施。
2.3.2 数据采集处理电路
本电路主要用于传感器信号的处理，由前面已知土壤水分的测定采用HM1500水分传感器，测量时需给其加+5.0VDC，传感器的白、蓝、黄接线分别为接地线、输入电压线、输出电压线。根据土壤水分含量的不同，直接可输出不同的电压信号，该信号经A/D转换后成为数字信号，再传输至单片机内，本系统可接八路传感器信号。
2.3.3 显示系统的电路设计
本系统选用简单常用的LED显示器，它具有价格低、寿命长、对电压电流的要求低及容易实现多路等优点。
2.3.4 输出控制电路设计
控制系统的输出是根据控制单元的指令向执行器发出控制信号，使输出电路接通或断开，从而驱动执行器产生动作，其特点有：开关量信号输出、大功率驱动，因为目前单片机的输出功率还不能达到控制对象所要求的功率信号；输出通道接近控制对象，输出控制的电磁继电器选用的是JQC-3F型号；电磁阀选用的是ZFJ系列的常闭式电磁阀。
2.3.5 故障报警电路设计
本系统采用了比较简单的单频音鸣音报警，它与音乐声报警相比有音调单一、音量小、不可调整的不足，但是它简单实用，已能满足音响报警的一般需要。
2.3.6 键盘接口电路设计
键盘是人向机器输入数据和对系统进行干预的基本设备，它实质上是一组按键开关的集合，按接口方式通常分为两种：编码式按键和独立式按键。相对于编码式按键来说，独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但在按键数量多时占用较多I/O线。由于本控制器按键数量较少，故采用独立式按键。
3、控制器软件设计
系统程序设计中采用了流行的模块编程方法，每一个功能程序模块都能完成某一明确的任务，实现具体的某个功能，如显示、报警等。软件主程序是系统的监控程序，主要包括以下两方面的内容：一是各智能芯片的初始化以及AT89C51的PD. PI口（控制显示器、传感器选通等）和CPU的工作状态的恢复；二是键值的判别和键功能散转表。
4、控制器抗干扰设计
输入、输出通道是前向接口、后向接口与主机之间进行信息传输的路径，在过程通道中长线传输的干扰是主要因素，主要采取的措施有光电藕合隔离、双绞线传输，阻抗匹配等。电源分配系统首要的就是良好的接地，系统的地线必须能够吸收来自所有电源系统的全部电流。
5、结论
本单片机自动灌溉控制系统以ATMEL公司的AT89C51单片机为核心，整个控制系统由传感器、传感器信号处理电路，CPU及键盘显示电路，输出控制和系统软件等构成。它具有以下特点：
①本控制器可接8通道水分输入，可控制多路电磁阀输出，并易根据需要进行输入、输出的扩展；
②具有先进的土壤水分参数检测方法及信息传递手段；
③功能强，可广泛用于微喷灌、滴灌、渗灌系统等，可根据检测到的土壤水分上、下限和定时范围自动开、停电磁阀，实现自动闭环控制；
④有较高的可靠性，控制精度高，并有湿度超出设定范围报警功能；
经过实验室的连续调试实验证明：其工作可靠，系统抗干扰能力较强，能完成预定的各项功能要求。
[关键词]：单片机 微灌 土壤水分 自动控制
中图分类号：TP13 文献标识码：TP 文章编号：1009-914X（2012）35- 0007 -01
1、 微灌系统总体设计
1.1 自动化微灌系统的组成和原理
自动化灌溉系统由中央控制器、自动阀和连接电缆组成。
自动化微灌系统是指利用微机技术对微灌工程的主要设备进行监视、控制以及各种信息处理，及时地对设备运行情况进行全面地分析和准确的判断，确保灌溉工程安全、合理和经济地运行。它包括传感器系统，控制器系统和水源控制系统三大部分组成。
2、 控制器硬件设计
2.1 土壤水分传感器的选择与使用
2.1.1 土壤水分传感器的选择
本课题选定了电容式HM1500水分传感器，它的特点是精度高、量程宽、可测的物料品种多，而且响应速度也较快，可应用于在线监测实现自动化。
2.1.2 HM1500在田间的埋设
①埋设点应选在处理方便，不受田块边界作用影响。
②必须埋在根系活动集中层内，该处为作物大部分吸水发生部位，需给予重点关注。
③对于较长时间的连续观察，探头最好能与垂线呈一定角度安放（一般取 ～ ），
④传感器在洞内放好后，要加入少量细土，压实，灌入少量水，然后再填一些土。
2.2 单片机的选择
单片微型计算机以其体积小，功能强，性能价格比高等优点广泛应用于诸多领域，经过比较分析，根据本课题的特点，我们选用ATMEL公司89系列的标准型单片机AT89C51。
2.3 控制器的电路设计
2.3.1 电路设计的总体方案
电路部分以AT89C51单片机为核心部件，计时采用AT89C51的计数器1作为定时时钟，时间的预制及读取通过人机对话的方式实现；考虑来自供电电源、接口电路、程序飞出到非程序区等的干扰情况，采取了必要的软、硬件抗干扰措施。
2.3.2 数据采集处理电路
本电路主要用于传感器信号的处理，由前面已知土壤水分的测定采用HM1500水分传感器，测量时需给其加+5.0VDC，传感器的白、蓝、黄接线分别为接地线、输入电压线、输出电压线。根据土壤水分含量的不同，直接可输出不同的电压信号，该信号经A/D转换后成为数字信号，再传输至单片机内，本系统可接八路传感器信号。
2.3.3 显示系统的电路设计
本系统选用简单常用的LED显示器，它具有价格低、寿命长、对电压电流的要求低及容易实现多路等优点。
2.3.4 输出控制电路设计
控制系统的输出是根据控制单元的指令向执行器发出控制信号，使输出电路接通或断开，从而驱动执行器产生动作，其特点有：开关量信号输出、大功率驱动，因为目前单片机的输出功率还不能达到控制对象所要求的功率信号；输出通道接近控制对象，输出控制的电磁继电器选用的是JQC-3F型号；电磁阀选用的是ZFJ系列的常闭式电磁阀。
2.3.5 故障报警电路设计
本系统采用了比较简单的单频音鸣音报警，它与音乐声报警相比有音调单一、音量小、不可调整的不足，但是它简单实用，已能满足音响报警的一般需要。
2.3.6 键盘接口电路设计
键盘是人向机器输入数据和对系统进行干预的基本设备，它实质上是一组按键开关的集合，按接口方式通常分为两种：编码式按键和独立式按键。相对于编码式按键来说，独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但在按键数量多时占用较多I/O线。由于本控制器按键数量较少，故采用独立式按键。
3、控制器软件设计
系统程序设计中采用了流行的模块编程方法，每一个功能程序模块都能完成某一明确的任务，实现具体的某个功能，如显示、报警等。软件主程序是系统的监控程序，主要包括以下两方面的内容：一是各智能芯片的初始化以及AT89C51的PD. PI口（控制显示器、传感器选通等）和CPU的工作状态的恢复；二是键值的判别和键功能散转表。
4、控制器抗干扰设计
输入、输出通道是前向接口、后向接口与主机之间进行信息传输的路径，在过程通道中长线传输的干扰是主要因素，主要采取的措施有光电藕合隔离、双绞线传输，阻抗匹配等。电源分配系统首要的就是良好的接地，系统的地线必须能够吸收来自所有电源系统的全部电流。
5、结论
本单片机自动灌溉控制系统以ATMEL公司的AT89C51单片机为核心，整个控制系统由传感器、传感器信号处理电路，CPU及键盘显示电路，输出控制和系统软件等构成。它具有以下特点：
①本控制器可接8通道水分输入，可控制多路电磁阀输出，并易根据需要进行输入、输出的扩展；
②具有先进的土壤水分参数检测方法及信息传递手段；
③功能强，可广泛用于微喷灌、滴灌、渗灌系统等，可根据检测到的土壤水分上、下限和定时范围自动开、停电磁阀，实现自动闭环控制；
④有较高的可靠性，控制精度高，并有湿度超出设定范围报警功能；
经过实验室的连续调试实验证明：其工作可靠，系统抗干扰能力较强，能完成预定的各项功能要求。