基于单片机的自动灌溉系统【开题报告】.doc

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 一、 选题的背景、意义 单片机是一种集成在电 路 芯片，采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU 随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器 /计时器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、 A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。 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 片机功能的实现是靠程序驱动的，并且可以修改。通过不同的程

2、序实现不同的功能，随着现在单片机的外围设备越来越多，功能越来越多样化，基于单片机的低端智能化产品设计有着广泛的前途。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。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！ 因此对于培养电子方面研发设计的人才，单片机的学习设计非常重要 通过此次的毕业设计： （ 1） 巩固、加深和扩大 51 系列单片机应用的知识面，提高综合及灵活运用所学知识解决工业控制 的能力，并为学习 ARM、 DSP 等更高性能的芯片打下基础 （ 2） 学会查阅书籍，并且要能够熟练编写程序仿真、绘图流程图、原理图及

3、PCB 图 （ 3） 对课程设计方案分析、比较、选择、熟悉用 51 单片机做系统开发、研制的过程，软硬件的方法、内容及步骤 水是生命的基础，植物正常的生命活动就是建立在不断地吸水、传导与运输、利用和散失的过程之上。在我国水资源却严重不足，使我国成为世界上 13 个淡水资源最贫乏的国家之一。人均占有淡水资源仅为世界人均占有量的四分之一。水资源的匮乏给我国农业发展带来了极大的障碍和困难。农作物生长 的土壤需要保持一定的湿度，人们通常根据种植的经验对农作物进行灌溉，不能及时或不能精确地控制浇水的多少，在很大程度上白白地浪费掉一大部分水资源。如何利用有限的水资源，走 “节水农业 ”已经成为农业生产获得

4、最佳的效益和持续稳定发展的增长点。因此使用自来水发电的智能灌溉系统，控制喷灌和微灌系统，能有效地减少田间灌水过程中的渗漏和蒸发损失。 基于单片机的自动灌溉系统，以数字化控制和传感技术为基础。 主要原理： 湿 度传感器 实时监测土壤湿度由土壤的不同湿度，湿度传感器的阻值也不同，所以湿敏传感器的输出电压也就不同，因此就将湿 度参数转换成电压参数， 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 灌溉 的

5、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。 使用单片机来控制灌溉有一下优点： （ 1） 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。 （ 2） 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。 （ 3） 可以设计适合于众多电力电子系统的统一硬件电路，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。 （ 4） 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

6、趋于智能化。 （ 5） 系统稳定性好。电路主要由模拟电路构成，要求精度不高，稳定性好，监控范围和延时时间都可调节。 （ 6） 成本低。该装置无需外接电源，无噪音、造价低、体积 小、适用范围广泛，很容易推广使用。 （ 7） 可与园林开发商合作，可为种植业节省大量的人力、物力，该节能设备将成为种植业的受益点。 （ 8） 可用于偏远山村，电力不发达的地方，使当地的经济作物生长的更好。 1-8 二、相关研究的最新成果及动态 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

7、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、医疗器械了。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的科学家、工程师。 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： 2.1 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

8、、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。例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。 2.2 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。 2.3 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。 2.4 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

9、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。 2.5 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。 2.6 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

10、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（类似于声卡）。 在大型电路中，单片机的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。 此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。 综 观单片机几十年的发展历程，单片机今后将向多功能、高性能、高速度、低电压、低功耗、低价格、外围电路内装化以及内存储器容量增加和 Flash 存储器化的方向发展。但其位数不一定会继续增加，尽管现在已经有了 32 位的单片机，但使用的并不多。可以预言，今后

11、的单片机将是功能更强、集成度和可靠性更高而且功耗更低，以及使用更方便。 此外，专用化也是单片机的一个发展方向，正对单一用途的专用单片机将会越来越多，越来越丰富。 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

12、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

13、节的极小的网络服务器； emGateway 作为一个功能较强的用户或服务器，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

14、个新的问题：这就是如何使 8 位、 16 位单片机控制的产品，也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。 9-16 三、课题的研究内容及拟采取的研究方法（技术路线）、研究难点及预期达到的目标 3.1 研究内容和设计目标 设计并制作一个基于单片机的自动灌溉系统，能检测到土

15、壤湿度，并根据湿度来自行调节灌溉的 水量，保持植物处于一个合理的生存环境中，即要处理好土壤湿度和灌水量之间的关系。如果灌溉水量不足或其他一些突发现象，系统能发出警报声。 该控制系统具有如下的基本功能： LED 数码管显示土壤湿度值，在灌水期间以倒计时的方式显示灌溉剩余时间。 当土壤湿度低于设置的湿度最低值或最高值时，系统可以自动报警。 可以通过编程来修改湿度的上下限值，从而满足不同植物对水分的不同需求 3.2 研究方法 系统主要由智能传感系统和单片机控制系统以及外围设备系统组成，总体的设计流程如下： 明确任务、要求 划分软硬件 硬件的设计与制作 软件的设计 与制作 软硬件调试 程序烧写 设计完

16、成 项目实现需要掌握和熟悉单片机，湿度传感器， A/D 转换器， LED 显示，报警电路，继电器、电磁阀和相关芯片的工作原理和实现方法。 （一）系统硬件电路设计 （ 1）单片机最小系统做为控制系统包括： 51 系列芯片、复位电路、晶振电路、电源电路。 （ 2）湿度传感器： 能感受气体中 或土壤中水分 含量，并转换成可用 电信号表示的 传感器 。熟悉湿度传感器的硬件结构，和一些相关的接口电路、配套芯片。最常用的是 湿敏元件湿度传感器 （ 3） A/D 转换器：能够将模拟信号转换成数字信号的装置。 模数转换过程包括量化和编码。量化是将模拟信号量程分成许多离散量级，并确定输入信号所属的量级。编码是对

17、每一量级分配唯一的数字码，并确定与输入信号相对应的代码。 因此本次设计中药将湿度值进行量化，编码。 熟悉常见的串行的 AD/DA 芯片如 ADC0804， DAC0832 选择及应用 （ 4） LED 显示和相 关芯片：数码管就是由八段 LED 组成的，原理与 LED 显示灯一样，分为共阳极和共阴极两种。熟悉用单片机来操作 LED 显示的方法，和相关的编程。以及接口电路。 （ 5） 超限报警电路：如果土壤中的湿度超出了合理的范围，即大于设置湿度的最高值或低于最低值时，由喇叭发出报警声 （ 6） 电磁阀开关电路： 电磁阀是用电磁控制的工业设备，用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的

18、参数。电磁阀是用电磁的效应进行控制，主要的控制方式由继电器控制。 通过继电器的吸合和断开来控制电子阀的开关状态从而控制灌溉。 （二）系统软件设计 系统软件程序主要包括：主程序设计、采样子程序、滤波子程序、显示子程序、串口通信子程序，本次设计中采用 C 语言编程，因为 C 语言编程不需要对单片机内部结构十分清楚，且可读性强，逻辑性强 （三）系统设计控制原理框图： 四、论文详细工作进度和安排 A/D转换器 速度传感器 C51 单片机应用系统 LED 显示电路 继电器 喇叭报警电路 土壤湿度 电磁阀 2011年 2月 27日 2011年 3月 1日 收索有关参考文献，初步拟定系统设计方案，明确设计任

19、务和相关指标 2011年 3月 1日 2011年 3月 15日 设计系统的外围电路，和 51单片机的连接确定所需元件 2011年 3月 15日 2009年 4月 1日 外围电路的优化，用 protel画出原理图 2009年 4月 1日 2009年 4月 15日 系统开发与代码设计阶段，实验室里不断调试电路和程序 2011年 4月 15日 2011年 5月 1日 系统功能基本实现，在板子上制作出来，进行功能调试 2011年 5月 1日 2011年 5月 20日 完成及提交毕业论文初稿。进一步修改，完成二稿、三稿 五、主要参考文献 1 张毅刚 .单片机原理及应用 M.北京：高等教育出版社 ,200

20、3 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 evolving interaction J. IEEE Computer Magazine, 2007, 24(1):30-35. 4 何立民 .单片机应用系统设计 M， 北京航空航天大学 ， 1993 5 何希才 ,薛永毅编著 . 传感器及其应用实例 M,机械工业出版社， 2004 6 沙占友主编 智能传感器系统设计与应用 M,电子工业出版社， 2004 7 薛永毅 ,姜余祥编著 . 传感器技术

21、及应用 M,北京航空航天大学出版社， 2005 8 程佩青 .数字信号处理教程 M，清华大学出版社， 2007.2 9 陈舒维、刘江 .基于 FPGA 的非接触式测量 J北京 :北京科技大学机械工程学院 ,2005,25(4):87-90. 10 景东升 .单片机自动灌溉控制系统研究、设计及应用 D，北京农业工程大学 .1994 11 吴普特 ,牛文全 ,郝宏科 . 现代高效节水灌溉设施 M，化学工业出版社 .2002 12 马忠梅 单片机的 C 语言应用程序设计 (第 3 版 )M， 北京航空航天大学出版社 . 2007 13 罗伟 .单片机应用 M，人民邮电出版社 .2010.4 14 郭天祥 .51 单片机 C 语言教程 入门、提高、开发 M，电子工业出版社 .2008 15 张洪润 .单片机应用设计 200 例 M，北京航空航天大学出版社 .2006 16 Kedar Godbole. Converting Analog Controllers to Smart Controllers with the TMS320C2000DSPs M. Application Note (spra995) Texas Instruments, 2004.