1、毕业设计开题报告 电子信息工程 基于单片机的自动灌溉系统设计 一、 前言 单片机诞生于 20 世纪 70 年代末，经历了 SCM、 MCU、 SoC 三大阶段。目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能 IC 卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械 。 单片机应 用的主要领域有： 1）智能化家用电器：各种家用电器普遍采用
2、单片机智能化控制代替传统的电子线路控制，升级换代，提高档次。如洗衣机、空调、电视机、录像机、微波炉、电冰箱、电饭煲以及各种视听设备等。 2）办公自动化设备：现代办公室使用的大量通信和办公设备多数嵌入了单片机。如打印机、复印机、传真机、绘图机、考勤机、电话以及通用计算机中的键盘译码、磁盘驱动等。 3）商业营销设备：在商业营销系统中已广泛使用的电子称、收款机、条形码阅读器、 IC 卡刷卡机、出租车计价器以及仓储安全监测系统、商场保安系统、空气调节系统、冷冻保 险系统等都采用了单片机控制。 4）工业自动化控制：工业自动化控制是最早采用单片机控制的领域之一。如各种测控系统、过程控制、机电一体化、 PL
3、C 等。在化工、建筑、冶金等各种工业领域都要用到单片机控制。 5）智能化仪表：采用单片机的智能化仪表大大提升了仪表的档次，强化了功能。如数据处理和存储、故障诊断、联网集控等。 6）智能化通信产品：最突出的是手机，当然手机内的芯片属专用型单片机。 7）汽车电子产品：现代汽车的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驶系统、通信系统和运行监视器（黑匣子）等都离不开单片机。 8）航 空航天系统和国防军事、尖端武器等领域：单片机的应用更是不言而喻 . 单片机的功能是靠程序驱动实现的，通过编程将程序烧写到单片机内部，控制芯片各个引脚在不同时间不同的电平输出，进而控制与这些引脚连接的外围电路电气状态。 随着
4、人们生活水平的不断提高 ,数字化控制无疑是人们追求的目标之一 ,它所给人带来的方便也是不可否定的 ,但人们对它的要求也越来越高 ,要为现代人工作、科研，生活、提供更好的，更方便的设施就需要从数字电子技术入手，一切向数字化，智能化方向发展 . 基于单片机的 自动灌溉 系统，是以数字化控制为基础， 配合传感器技 术设计的。湿 度传感器 实时监测土壤湿度并 得到一个模拟的电压值，通过的 A/D 转换，我们可以得到电压值的数字信号，然后我们可以把该数字信号输入单片机，在单片机中进行相关的数字处理，得到一系列的控制信号输出，来控制外围设备 的运行 ， 如报警声、数码管的数值显示、阀门的开关从而 得到对
5、灌溉 的控制。 另外 可以通过修改软件的方法， 来修改灌溉的水量和时间 。 1-6 二、 主题 2.1 研究背景及意义 单片机又称单片微控制器 ,它不是完成某一个逻辑功能的芯片 ,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积 小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择 ，也是今后学习更高级芯片如： DSP ARM 的基础。 单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如 CPU，内存，并行总线，还有和硬 盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一
6、般不超过 10 元即可 .用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD 等等的家电里面都可以看到它的身影！ .它主要是作为控制部 分的核心部件。 它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用 PC）的主要区别。 单片机是靠程序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国 50 年代开发的74 系列，或者 60 年代的 CD4000 系列这些纯
7、硬件来搞定的话，电路一定是一块大 PCB 板！但是如果要是用美国 70 年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！ 由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级 汇编语言，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢？很多高级的语言已经达到了可视化编程的水平为什么不用呢？原因很简单，就是单片机没有家用计算机那样的 CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。一个可视化高级语言编写 的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十 K 的尺寸！对于家用 PC 的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来
8、讲是不能接受的。 单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用。一样的道理，如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用 PC 上来运行，家用 PC 的也是承受不了的。 可以说，二十世纪跨越了三个 “电 ”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称 PC 机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋 予各种机械的单片机（亦称微控制器）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。 使用单片机 实现自动灌溉 有一下优点： （ 1）能明显地
9、降低控制器硬件成本。速度更快、功能更新的新一代微处理机不断涌现，硬件费用会变得很便宜。体积小、重量轻、耗能少是它们的共同优点。 （ 2）可显著改善控制的可靠性。集成电路和大规模集成电路的平均无故障时（ MTBF）大大长于分立元件电子电路。 （ 3）数字电路 处理信号稳定性好 ，也不存在参数的影响 。 （ 4）硬件电路易标准化。在电路集成过程中采用了一些屏蔽措 施，可以避免电力电子电路中过大的瞬态电流、电压引起的电磁干扰问题，因此可靠性比较高。 （ 5）采用微处理机的数字控制，使信息的双向传递能力大大增强，容易和上位系统机联接，可随时改变控制参数。 （ 6）可以设计适合于众多电力电子系统的统一硬
10、件电路，其中软件可以模块化设计，拼装构成适用于各种应用对象的控制算法；以满足不同的用途。软件模块可以方便地增加、更改、删减，或者当实际系统变化时彻底更新。 （ 7）提高了信息存贮、监控、诊断以及分级控制的能力 ,使伺服系统更趋于智能化。 （ 8）随着微机芯片运算速度和存贮器容 量的不断提高，性能优异但算法复杂的控制策略有了实现的基础 . 2.2 国内外研究现状 目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能 IC 卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录
11、象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械了。单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设 备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴： 1.在智能仪器仪表上的应用 单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。例如精密的测
12、量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。 2.在工业控制中的应用 用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系 统。例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。 3.在家用电器中的应用 可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。 4.在计算机网络和通信领域中的应用 现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型
13、程控交换机、楼宇自动通信 呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。 5.单片机在医用设备领域中的应用 单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。 6.在各种大型电器中的模块化应用 某些专用单片机设计用于实现特定功能，从而在各种电路中进行模块化应用，而不要求使用人员了解其内部结构。如音乐集成单片机，看似简单的功能，微缩在纯电子芯片中（有别于磁带机的原理），就需要复杂的类似于计算机的原理。如：音乐信号以数字的形式存于存储器中（类 似于 ROM），由微控制器读出，转化为模拟音乐电信号（类似于
14、声卡）在大型电路中，这种模块化应用极大地缩小了体积，简化了电路，降低了损坏、错误率，也方便于更换。 单片机的另外一个名称就是嵌入式微控制器，原因在于它可以嵌入到任何微型或小型仪器或设备中。目前，把单片机嵌入式系统和 Internet 连接已是一种趋势。但是， Internet 一向是一种采用肥服务器，瘦用户机的技术。这种技术在互联上存储及访问大量数据是合适的，但对于控制嵌入式器件就成了 “杀鸡用牛刀 “了。要实现嵌入式设备和 Internet 连接，就需要把传统的 Internet 理论和嵌入式设备的实践都颠倒过来。为了使复杂的或简单的嵌入式设备，例如单片机控制的机床、单片机控制的门锁，能切实
15、可行地和 Internet 连接，就要求专门为嵌入式微控制器设备设计网络服务器，使嵌入式设备可以和 Internet 相连，并通过标准网络浏览器进行过程控制。 目前，为了把单片机为核心的嵌入式系统和 Internet 相连，已有多家公司在进行这方面的较多研究。这方面较为典型的有 emWare 公司和 TASKING 公司。 EmWare 公司提出嵌入式系统入网的方案 -EMIT 技术。这个技术包括三个主要 部分：即 emMicro， emGateway 和网络浏览器。其中， emMicro 是嵌入设备中的一个只占内存容量 1K 字节的极小的网络服务器； emGateway 作为一个功能较强的用
16、户或服务器，它用于实现对多个嵌入式设备的管理，还有标准的Internet 通信接入以及网络浏览器的支持。网络浏览器使用 emObjicts 进行显示和嵌入式设备之间的数据传输。 如果嵌入式设备的资源足够，则 emMicro 和 emGateway 可以同时装入嵌入式设备中，实现 Inter net 的直接接入。否则，将要求 emGateway 和网络浏览 器相互配合。 EmWare 的 EMIT 软件技术使用标准的 Internet 协议对 8 位和 16 位嵌入式设备进行管理，但比传统上的开销小得多。 目前，单片机应用中提出了一个新的问题：这就是如何使 8 位、 16 位单片机控制的产品，也
17、即嵌入式产品或设备能实现和互联网互连？ TASKING 公司目前正在为解决这个问题提供了途径。该公司已把 emWare 的EMIT 软件包和有关的软件配套集成，形成一个集成开发环境，向用户提供开发方便。嵌入互联网联盟 ETI（ embed the Internet Consortium）正在紧密合作，共同 开发嵌入式 Internet 的解决方案。在不久将会有成果公布。 7-16 三、 总结 湿度传感器非常敏感，将采集的环境参数通过 A/D 转换器交单片机分析、处理，进而控制门闩式电磁阀的开关。通过此系统能够保持土壤湿度在一个合理的范围，从而确保植物的健康生长。对不同的植物，我们都可以通过编写
18、不同程序来调整其土壤湿度的最低值和最高值从而实现不同植物对水分不同的需求。此系统采用蓄电池供电，充电便捷，功耗小，体积小，噪音低，性能稳定。灌溉系统的精确化！自动化是农业灌溉的趋势。 数控电源目前的发展，主要朝着更高的数控精度和分辨 率及更好的动态特性 ;更好的环保性能 ;智能化与高可靠性 ;更广泛的应用等方向发展。 四、 参考文献 1 张毅刚 .单片机原理及应用 M.北京：高等教育出版社 ,2003 2 杜洋 爱上单片机 M ，人民邮电出版社 ,2010.1 3 J. Hennessy ,N. Jouppi. Computer technology and architecture: an
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