智能节水灌溉系统的设计【毕业论文+文献综述+开题报告】

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（2011届）毕业设计题目：智能节水灌溉系统的设计姓名：专业：电子信息工程班级：学号：指导教师：导师职称：年月日 智能节水灌溉系统的设计摘要水是植物主要的组成成分，对于任何一种植物来说都必不可少。合理的灌溉不仅能提供植物生长必须，而且符合我国提倡节水灌溉的国情。作物的灌溉一方面要求保证供水的连续性和可靠性，另一方面要求供水质量的精确性、灌水均匀度要高。在实际生活中要实现这两点，单靠手工操作是不可能的，因此灌溉系统的智能控制应运而生。本文给出了实现智能节水灌溉的ZigBee无线传感网络设计方案，将ZigBee无线传感网络、现代移动通信、以太网三网相结合，利用ZigBee无线传感网络实现对农田土壤湿度进行实时监测，利用移动通信网及光纤以太网来实现系统与远程监控人员的信息交互。主要讨论了ZigBee无线网络的拓补结构设计、定向扩散路由协议的改进以及底层数据融合算法的实现。并经实验验证了设计的可行性。关键词：智能，节水灌溉，ZigBeeI Designofintelligentwater-savingirrigationsystemAbstractAsthemaincompositionofplantswateris,itisessentialforanykindofsoilplantingcrops.Reasonableirrigationnotonlyprovidesplantgrowthmust,butalsoinlinewiththepromotionofwatersavingirrigationinChina'snationalcondition.Cropirrigationwaterqualityontheonehandforgreateraccuracy,higherirrigationuniformity;Ontheotherhandrequiredtoensurewatersupplyreliabilityandcontinuity.Inpractice,tworequirementstoachievethisalonecannotmeetthemanual,sotheintelligentcontrolofirrigationsystemscameintobeing.Inthispaper,theintelligentwater-savingirrigationoftheZigBeewirelesssensornetworkisdesigned.theZigBeewirelesssensornetworks,modernmobilecommunications,Ethernet,threenetworkscombinedbytheZigBeewirelesssensornetworksinrealtimeonsoilmoisturemonitoring,theuseofmobilecommunicationnetworksandopticalEthernetsystemsandremotemonitoringtoachievetheinformationofthestaffinteraction.ThemainfocusesoftheZigBeewirelessnetworktopologydesign,directeddiffusionroutingprotocoltoimproveandtheunderlyingdatafusionalgorithm.Keywords:Smart,Water-savingirrigation,ZigBeeII 目录摘要............................................................................................................................IAbstract..........................................................................................................................II1绪论............................................................................................................................11.1智能节水灌溉的来源......................................................................................11.2智能节水灌溉的意义......................................................................................11.3智能灌溉的国内外发展现状..........................................................................21.3.1国外的发展现状....................................................................................21.3.2国内的发展现状....................................................................................21.4课题研究的主要内容.......................................................................................32设备方案设计与总体设计.........................................................................................42.1设备的方案设计...............................................................................................42.2设备的总体设计...............................................................................................53硬件设计电路.............................................................................................................73.1设计电路图......................................................................................................73.2控制芯片介绍.................................................................................................83.3湿度检测电路.................................................................................................93.3.1湿度传感器HS1101简介....................................................................103.3.2HS1101优点.........................................................................................103.3.3HS1101与单片机接口设计.................................................................103.4温度检测电路................................................................................................113.4.1温度传感器DS18B20简介................................................................113.4.2DS18B20与单片机的典型接口设计..................................................123.4.3DS18B20使用中应注意事项..............................................................133.5报警电路.......................................................................................................143.6电源电路.......................................................................................................153.7电平转换电路................................................................................................164软件设计电路...........................................................................................................184.1软件开发环境................................................................................................184.2系统程序........................................................................................................194.2.1通信模块...............................................................................................194.2.2温度采集模块.......................................................................................214.2.3湿度计算模块.......................................................................................23结论..............................................................................................................................24参考文献......................................................................................................................25III 致谢..............................................................................................错误！未定义书签。附录Ⅰ系统电路图......................................................................错误！未定义书签。附录Ⅱ系统源程序......................................................................................................26IV 智能节水灌溉系统的设计1绪论1.1智能节水灌溉的来源在人类文明日益发达的今天,人们逐渐的意识到,水资源是所有自然资源中最重要的,必须合理的开发和利用。联合国环境与发展大会通过的《21世纪议程》中强调:“水是一种有限资源,它不仅是维持地球上一切生命所必需,而且对一切社会经济部门都有生死攸关的重要意义。”我国一方面水资源十分紧缺，虽然水资源总量居世界第六位，但人均占有3量却是有世界人均量的1/4，约为2500m。属于全球贫水国家之一。另一方面，农业用水浪费极为严重，我国农业水资源的利用率仅为45%，而水资源利用率高的国家已达到70%—80%。由于农业灌溉用水的利用率低下，提高农业灌溉水[2-3]资源的利用率，对于解决我国农业灌溉用水，缓解水资源紧缺非常重要。信息化当今经济和社会发展的大趋势，广泛利用信息化，全面提升水资源[4]利用效率具有重大意义。本系统研究的就是应用基于ZigBee无线传感网络技术，实现了节水灌溉自动化控制管理的信息系统。1.2智能节水灌溉的意义节水农业的目标就是以最少的用水量，采取各种措施，实现最大灌溉面积，总体目的就是节约用水量。这一工程不仅能在计划用水、定额分配、“两水”并用、统一管理等方面提供方便，同时将会大大节约用水成本，为减轻农民负担，提高农民收入等，产生良好的经济效益和社会效益。根据大农业的发展趋势，全面实施节水措施是我国农业发展的必由之路[1]。水是一切生命的基本要素，也是社会发展和维系国民经济的重要基础资源。节约用水，既是关系资源、人口、环境可持续发展的长远战略，也是当前社会和经济发展的一项紧迫任务。国家总书记江浙民同志曾明确指出：“水是人类生存的生命线，也是农业和整个经济建设的生命线。我们必须高度重视水的问题。人无远虑，必有近忧”；要“坚持不懈地搞好节约用水和防治水资源污染的工作，努力开创我国治水事业新局面”；要“大力发展节水灌溉，提高水资源的利用率”。中央和国务院其他领导同志也都反复强调了节水灌溉的重要性。党的十五届三中全会要求把推广节水灌溉和发展节水农业作为一项革命性的措施来抓，这是由我国农业严重干旱缺水和水资源短缺的基本国情所决定的。农业灌溉在用水方面是大户，其用水量约为全国总用水量的70%，由于，输水渠道大部分是土渠，而且灌溉方式又落后，再加上配套不全和工程年久失修，农业灌溉水的利用率仅仅只有40%，仅为发达国家的一半左右；单方水的粮食生1 毕业设计产能力只有0.85kg左右，远低于世界发达国家水平2kg以上，浪费水资源十分严重。在全国范围内推广节水灌溉，发展节水农业是解决水资源短缺问题的出路。节水灌溉，就是要改变千百年来人们传统的浇地习惯，把浇地变为浇作物，按作物的最佳需水要求进行灌溉，用最少的灌溉用水获得最高的产出。因此，我们要从实施可持续发展和科教兴农两大战略，实现经济体制和经济增长方式两个根本性转变，从人口、资源、环境可持续发展的战略高度来认识推广节水灌溉技术和发展节水农业的重要性、紧迫性和必要性，认真贯彻落实党中央、国务院指示精神，加大力度，开创节水灌溉工作的新局面。1.3智能灌溉的国内外发展现状1.3.1国外的发展现状世界上一些科技先进的国家，早在本世纪早期就已经开始研究并且使用喷灌这一先进技术。西方国家最早采用喷灌技术是来源庭园花卉和草坪灌溉的需要[7]。30～40年代，随着冶炼、机械工业、轧制技术的迅速发展，一些欧洲发达国家用缝隙或折射喷头浇灌作物代替地埋固定管[6]。摇臂式喷头和大型自走式喷灌技术在二战后得到快速发展,特别是大型自走式喷灌机，使喷灌技术大大前进，由于其灌溉水量均匀，而且还能节省大量劳动力，所以在美国西部的干旱区域得到广泛的使用。与此同时，在欧洲，薄壁金属移动管道喷灌系统和卷管式喷灌机因其简便耐用，投资少，效益高，也不断地发展。50年代后，塑料工业发展极为迅速，逐渐的取代了金属管业。为满足干旱灌溉的需要，以塑料为原材料的滴灌和微喷灌系统逐渐发展起来。到70年代中期，以色列、新西兰、澳大利亚、南非、墨西哥和美国等国家开始实施滴灌。滴灌面积迅速从当时的5.66万m2发展到1991年的160万m2。微喷灌和滴灌系统由于要克服灌水器经常堵塞的难题，故发展比较缓慢，不比喷灌快。然而近一、二十年来，以色列在微喷灌和滴灌系统生产上取得了非凡的成绩。目前全世界大部分的灌溉面积仍是地面灌溉，为了提高地面灌溉用水效率，节约灌溉用水，国际上采用了“波涌”灌溉，有效的提高了灌溉效率[8]。1.3.2国内的发展现状随着我国城市化建设和经济发展的加快，节水灌溉技术在农业、林业、畜牧业、运动场地、园林绿化以及环境保护等行业和领域得到日益广泛的应用。并取得了显著的效果。目前，在我国灌区内，渠道防渗和低压管道灌溉是被应用最为广泛的灌溉技术。我国大中型灌区的骨干渠道一般采用混凝土衬砌和塑料防渗，田间渠道采用混凝土“u”型槽或低压管道防渗[11]。2 智能节水灌溉系统的设计我国农业节水灌溉已有近千年的历史，是古老的灌溉大国，早在《周礼》中记载有“潴”蓄水、“防”堵水、“沟”输水、“道”配水、“列”灌水“、泛”排水。西汉时代，新疆吐鲁番盆地开始修建“坎儿井”，通过地下渠道引天山融雪潜流灌溉，减少风沙淤塞和输水蒸发。唐代对郑国渠等大型灌区设闸分水轮灌。清光绪六年，石城子渠在新疆哈密县修建时，采用毛毡压石头的方法引水灌溉以较少水耗。从50年代新中国成立后，就开始研究节水灌溉技术。70年代，大力实施小畦短沟灌溉、推广渠道衬砌防渗等技术，同时开始了喷微灌设备研制和技术推广。80年代后，低压管道输水技术得到的广泛应用。90年代，主要对各种节水灌溉技术总结、归纳，形成了具有中国特色的综合节水农业体系。虽然我国在节水灌溉方面有悠久的历史，但节水灌溉事业也是在新中国成立后才蓬勃发展起来的。由于我国技术相对西方发达国家较为落后，因此我国在节水灌溉发展过程中，一方面引进国外先进的科学技术设备，并加以渗透、学习；另一方面，针对农业生产中急需解决的问题进行重点研究和联合攻关，使我国在节水灌溉工程技术中取得累累硕果[5]。1.4课题研究的主要内容主要研究ZigBee技术，CC2430芯片的应用，农田温度，土壤湿度的数据采集，网状连接的无线网络的建立。采取的研究方法:理论分析，计算分析，实验验证等方法。所采用的技术路线：（1）线路板的设计，液晶显示控制，无线数据通信与控制，数据采集，网状连接的建立，五部分软、硬件的设计调试同时进行，以缩短开发周期。（2）为保证高性能、低成本、低功耗：设计芯片采用CC2430；带中文字库图形点阵液晶显示模块LCM128642ZK；用ZigBee协议组建无线网络；利用IAREmbeddedWorkbench编写控制软件。（3）为了使系统具有高维护性和信息传输的可靠性，系统兼进行模块化结构设计，并提供手提试通信检修设备。3 毕业设计2设备方案设计与总体设计2.1设备的方案设计图1无线智能灌溉网络示意图无线智能灌溉系统的网络结构，如图1所示。所有节点按照在网络中的功能不同分为控制器节点、传感器节和点协调器节点。单个网络中存放所有的控制策略协调器节点的只有一个，作为整个网络的中心，它能接收传感器节点向其发送的数据，然后通过一系列智能判断后，再把灌溉命令发送给控制器节点；传感器节点分布于灌区的各个地方，配置有各种传感器，如空气湿度、测量温度等传感器，负责收集各个灌区的环境数据，并按一定的时间规律发送给协调器节点；每个控制器节点分别负责一个分灌区的灌溉，它直接与灌溉的执行器相连，当接收到协调器节点发送的灌溉命令后，则执行相应的操作。4 智能节水灌溉系统的设计2.2设备的总体设计温湿度传感器节点a温湿度传感器节点n...灌溉设备控制阀门a灌溉设备控制阀门n控监监控制测测制命数数命令据据令无线路由节点AZigBee无线通信无线网关（基站）监测数据GPRS网络控制命令监控中心图2系统组成框图该系统以单片机作为控制核心，由监控中心、无线网关(FFD)、无线路由节点(FFD)、无线传感节点(RFD)四大部分组成，经过ZigBee自组网，监控中心和无线网关利用GPRS进行控制信息的传递。通过温湿度传感器，每个传感节点自动采集信息，并根据预设的温湿度上下限进行分析，来判断是否开启灌溉以及什么时候停止。各个节点都通过太阳能电池供电，电池电压被实时监控，一旦电压过低，节点就会发出低电压的警报，发送成功后，节点进入睡眠状态直到电量充足。其中无线网关将ZigBee无线网络与GPRS网络相连接，是基于无线传5 毕业设计感器网络的节水灌溉控制系统的核心部分，负责无线传感器节点的管理。路由节点与传感器节点自主形成一个多跳网络。温湿度传感器分布于灌溉区域内，并向就近的路由节点发送收集到的数据，路由节点选择最佳路由，建立相对应的路由列表，其中列表中包括邻居网关和自身的信息的信息。通过网关传送数据给远程监控中心，便于用户远程监控和管理。6 智能节水灌溉系统的设计3硬件设计电路DCB3.1设计电路图VC4CC410UFGNVCV0RSRWEDBDBDBDBDBDBDBDBBGBGLCDC01234567VCGND1123456789101112131415C16D605VoRSRWENutLMGN78VCCVCCViD05VRn1R310kD11N40907BT9V8176541033kmoC2RSRWENVC1CR1VCC393837363534333221222324252627283117163029P0P0P0P0P0P0P0P0P2P2P2P2P2P2P2P2PS.0.1.2.3.4.5.6.7.0.1.2.3.4.5.6.7EARDWEN/VPP/P3.R/P3ALE/7.6PROGVCCP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6P1.7P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5X1X2RESEATR210k12345678/RXD/TXD1/INT01/INT1/T0/T19T89C1011231415191851RXTXC71014321K1K2Y1XTALC610242I/OVDGNDDJPDS?18VCB20CC3104C5104C210C81044R551k12345678R41kC1V+C1C2C2V-2C2CR657+-+-ouin3766kt4VCCGND1Cou1Cin15lo15lin25lin25loM55QDIHEAtututAX285CCVSDNTHGRDER116151413121110932VCCVCRXTXCRTRCVIGlo1425t162738495R7909kC1DBVC9C1110HS1101图3系统电路图DCB7 毕业设计3.2控制芯片介绍本次设计采用AT89C51芯片作为主控制芯片，下面介绍一下该芯片。AT89C51是一种低功耗、高性能的片内含有4KB/8KB/20KB闪烁可编程/擦除只读存储器（FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的8位CMOS单片机，并且与MCS-51引脚和指令系统完全兼容。AT89C51的主要性能指标包括（1）与MCS-51微控系列产品兼容。（2）片内有可在线重复编程的4KB闪烁存储器（FlashMemory）。（3）存储器可循环数据写入/擦除1万次。（4）存储器数据保存时间为10年。（5）工作电压范围宽：Vcc可为+2.7~+6V。（6）全静态工作：可从0Hz~16Hz。（7）程序存储器具有3级加密保护。（8）空闲状态维持低功耗和掉电状态保存存储器内容。AT89C51芯片有40条引脚，采用双列直插式封装，下面说明各引脚功能：图4AT89C51管脚（1）XTAL1：接外部晶体的一个引脚。该引脚内部是一个反向放大器的输入端。这个反向放大器构成了片内振荡器。如果采用外接晶体振荡器时，此引脚接地。（2）XTAL2：接外部晶体的另一端，在该引脚内部接至内部反相放大器的输出端。若采用外部时钟振荡器时，该引脚接收时钟振荡器的信号，即把此信号直接接到内部时钟发生器的输入端。8 智能节水灌溉系统的设计（3）RST：复位输入。当单片机运行时，在此引脚加上持续时间大于2个机器周期（24个时钟振荡周期）的高电平时，就可以完成复位操作。在单片机正常工作时此引脚应为≤0.5V低电平。——（4）EA/Vpp：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H—FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。————（5）ALE/PROG：ALE引脚输出为地址锁存允许信号，当单片机上电正常工作后，ALE引脚不断输出正脉冲信号。当单片机访问外部存储器时，ALE输出信号的负跳沿用于单片机单片机发出的低8位地址经外部锁存器锁存控制信号。即使不访问外部锁存器，ALE端仍有正脉冲信号输出，此频率为时钟振荡信号的1/6。如果想判断单片机芯片的好坏，可用示波器查看ALE端是否有正脉冲信号[18]。（6）P0口：双向8位三态I/O口，此口为地址总线（低8位）及数据总线分12时复用口，可驱动8个LS型TTL负载。（7）P1口：8位准双向I/O口，可驱动4个LS型TTL负载。（8）P2口：8位准双向I/O口，与地址总线（高8位）复用，驱动4个LS型TTL负载。3.3湿度检测电路DVCC8555R443VCCRQ1V1k01C12C7R5STRIGDIS51kHC1R656CVlotGTHRND576kR7HS1101909k1C图5湿度测量电路9BA12 毕业设计3.3.1湿度传感器HS1101简介湿度检测采用HS1101型湿度传感器，HS1101是HUMIREL公司生产的变容式相对湿度传感器，采用独特的工艺设计。全互换性，在标准环境下不需校正，长时间饱和下快速脱湿，可以自动化焊接，包括波峰焊，高可靠性与长时间稳定性，专利的固态聚合物结构，可用于线性电压或频率输出回路，快速反应时间快。3.3.2HS1101优点（1）独特工艺设计的电容元件，专利的固态聚合物结构。（2）高精度：±2%RH，线形输出极好。（3）量程宽：范围为1~99%RH，工作温度宽：范围为–40~100℃(HS1101)。（4）湿度输出不容易受温度影响，常温时使用不用温度补偿。（5）响应时间5秒，抗结露，浸水或结露能在10秒内迅速恢复。（6）抗静电，防灰尘，能抗各种腐蚀性气体物质。（7）长期稳定性及可靠性，年漂移量0.5%RH/年。（8）互换性好。3.3.3HS1101与单片机接口设计HS1101测量湿度采用将HS1101置于555振荡电路中，将电容值的变化转换成电压频率信号，可以被微处理器直接采集。设计的电路如图4所示。555芯片外接电阻R5，R6与HS1101，构成对HS1101的充电回路。HS1101的放电回路通过7端与芯片内部的晶体管对地短路实现，并将引脚2，6相连引入到片内比较器来构成一个多谐波振荡器，其中，R57相对于R58必须非常的小，但不能低于某个最小值。R4是保护电阻，防止电路短路。其工作循环中的充电时间为Th=0.7(R5+R6)C1；放电时间为T1=0.7R6*C1；输出脉冲占空比为q＝(R5+R6)/(R5+2R6),为了使输出脉冲占空比接近50％,R5应远远小于R6。当外界湿度变化时,HS1101两端电容值发生改变,从而改变定时电路的输出频率。由此可以看出，空气相对湿度与555芯片输出频率存在一定线性关系。表1给出了典型频率湿度关系（参考点：25℃，相对湿度：55%，输出频率：6.208kHz）。可以通过微处理器采集555芯片的频率，然后查表即可得出相对湿度值。10 智能节水灌溉系统的设计表1：12RH0102030405060708090100Frequency685267346618650363886271615260295901576656233.4温度检测电路D3VDDVCC2R2I/O110kGNDDS18B20图6温度检测电路3.4.1温度传感器DS18B20简介温度检测采用DS18B20温度传感器，该芯片耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，在控制领域和数字测温方面有较广泛的应用。其特点如下：1、电压适应范围更宽，电压范围：3.0～5.5V。2、独特的单线接口方式，DS18B20只需要与微处理器连接的一条口线就能够实现与微处理器的双向通讯。C3、DS18B20支持多点组网，几个DS18B20可以在唯一的三线上并联，实现多点组网测温。4、DS18B20使用时不需要其他外围元件，所有转换电路及传感元件在类似一只三极管的集成电路内集成。5、测温范围－55℃～+125℃，在-10～+85℃范围内精度为±0.5℃。6、可编程的分辨率为9～12位，可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现测温精度非常高。11BA12 毕业设计7、在9位分辨率时最多在93.75ms内就能够把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内就能把温度值转换为数字，速度更快。8、测量结果直接以数字温度信号输出，以"一线总线"串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。9、负压特性：电源极性反接时，芯片不会因短路而烧毁，但无法正常工作[17]。3.4.2DS18B20与单片机的典型接口设计采用VDD和GND端均接地的寄生电源供电方式。由于是单线制，仅有一根线，所依发送接收口一定要是三态的。主机控制DS18B20要完成温度转换需要经过3个步骤：初始化、ROM操作指令、存储器操作指令。根据DS18B20的通讯协议，主机（单片机）控制DS18B20必须经过三个步骤才能完成温度转换：每次读写之前都必须对DS18B20进行复位操作，成功复位后发送一条ROM指令，然后再发送RAM指令，如此才能进行对DS18B20的预定操作。复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，当DS18B20收到信号，在等待16～60微秒后，发出60～240微秒的低脉冲，主CPU若收到此信号则代表复位成功。表2：ROM指令表指令约定代码功能读ROM33H读DS1820温度传感器ROM中的编码发出该命令后，接下来发出64位ROM编码，访问单总符合ROM55H线上与该编码相对应的DS1820，使之作出响应，为对该DS1820的下一步读写作准备。用来确定接在同一条总线上DS1820的数量和识别64搜索ROM0FOH位ROM地址。忽略64位ROM地址，直接向DS1820发送温度变换命跳过ROM0CCH令。在单片工作较适用。执行后只有温度超过预设的上下限值的片子才会做出响告警搜索命令0ECH应。12 智能节水灌溉系统的设计表3：RAM指令表指令约定代码功能启动DS1820进行温度转换，12位转换时最长为750ms（9温度变换44H位为93.75ms）。读暂存器0BEH读取内部RAM中9字节内的内容发出在内部RAM的3、4字节上写上、下限温度的数据命写暂存器4EH令，紧跟该命令之后，是传送两字节的数据。复制暂存器48H将RAM中第3、4字节的内容复制到EEPROM中。重调EEPROM0B8H将EEPROM中内容恢复到RAM中的第3、4字节。读DS1820的供电模式。寄生供电时DS1820发送“0”，读供电方式0B4H外接电源供电DS1820发送“1”。3.4.3DS18B20使用中应注意事项DS1820虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用口线少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：1、较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS1820与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS1820进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时，对DS1820操作部分最好采用汇编语言实现。2、在有关DS1820的资料中均未提及所挂在单总线上DS1820数量的问题，容易使人误一位能够挂任意多个DS1820，但在实际应用中并非如此。当单总线上所挂DS1820超过8个时，微处理器的总线驱动问题就需要解决，在多点测温系统设计时要注意这一点。3、连接DS1820的总线电缆的长度是有限制的。实际操作中，当采用普通信号传输电缆长度大于50m时，读取到的测温数据就会发生错误。当将总线电缆改成使用带屏蔽电缆的双绞线时，通讯正常的距离可达到150m，如果采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离将会进一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号波形产生畸变造成的。因此，在用DS1820进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分13 毕业设计布电容和阻抗匹配问题。4、在DS1820测温程序设计中，向DS1820发出温度转换命令后，程序总要等待DS1820的返回信号，一旦某个DS1820断线或接触不好，当程序读该DS1820时，将没有信号返回，程序就会进入死循环。这一点在进123行软件设计和DS1820硬件连接时也要加以重视。测温电缆线最好采4用屏蔽4芯双绞线，其中一组接VCC和地线，另一对线接地线与信号线，屏蔽层接地在源端单点。3.5报警电路D1GNDR32VCCVCC10k3V0RS4RSRW5RWEN6E7DB08DB19DB210DB311DB412DB513DB614DB715VCCBGVCC16BGGNDLCD1605C图7报警电路C2各个管脚功能介绍：VCCVCC104第1脚：GND为电源地。1161C3VCCC1+第2脚：VCC接电源5V正极。615210411214GNDV+3第3脚：V0为液晶显示器的调整对比度端，对比度在接正电源时最弱，接1CoutC1-7134地电源时最高。1CinC2+103RX125C515loutC2-第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择8TX11610441015linV-7C8指令寄存器。25lin2Cout99810425lout2Cin145MAX232DB9BTitleASizeNumberRevisionA4Date:30-May-2011SheetofFile:C:DocumentsandSettingsAdministrator桌面实Dr物aw复nB件y:整体电路.DDB1234 智能节水灌溉系统的设计第5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。第6脚：E(或EN)端为使能(enable)端。第7～14脚：D0～D7为8位双向数据端。第15～16脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。温湿度传感器通过AT89C51芯片从D0~D7传输数据给报警电路，跟预设的温湿度上下限对比，如果超出或者低于上下限，就开启警报，开始灌溉。程序如下：#include#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint//报警接口sbitALARM=P2^0;//用来计算、保存湿度uintFCY=0,FCount=0,TCount=0;//用来保存温度inttemperature;//温度上下限intTemh=50,Teml=10;//湿度上下限uintFcyh=99,Fcyl=80;当温度高于50℃或者湿度小于80%时，系统就开启灌溉。3.6电源电路图8lm7805典型应用电路图电源电路采用三端稳压集成电路lm7805。电子产品中，常见的三端稳压集成电路有负电压输出的lm79××和正电压输出的lm78××系列系列。三端IC是15 毕业设计指这种稳压用的集成电路，仅三条输出引脚，分别是输入端、输出端和接地端。D样子与普通的三极管类似，TO-220的标准封装。用lm79/lm78系列三端稳压IC组成的稳压电源需要的外围元件非常少，电路内部还有调整管、过热、过流的保护电路，使用起来方便、可靠，价格也十分便宜。该系列集成稳压IC型号中的lm79或lm78后面的数字表示这个稳压电路输出的电压，如lm7805代表输出电压为正5V，lm7908代表输出电压为负8V。因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。这是一个输出正5V直流电压的稳压电源电路。IC采集成稳压器lm7805，C4为输出端滤波电容，D1为输入反向保护。3.7电平转换电路CC2VCCVCC1041161C3VCCC1+6152104GNDV+1121431CoutC1-71341CinC2+103RX125C515loutC2-8TX11610415linV-4107C825lin2Cout99810425lout2Cin5MAX232DB9B图9电平转换电路电平转换采用的是MAX232芯片，MAX232是一种双组驱动器/接收器，片内含有一个电容性电压发生器以便在单5V电源供电时提供EIA/TIA-232-E电平。也就是说，如果想用单片机和PC机通过串口进行通信，尽管单片机有串行通信的功能，但单片机提供的信号电平和RS232的标准不一样，因此要通过max232这种类似的芯片进行电平转换。MAX232芯片分为3个部分工作：第一部分是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生-12v和+12v两个电源，供给RS-232串口所需要的电平。16A12 智能节水灌溉系统的设计第二部分是转换数据通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为数据第一通道。8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为数据第二通道。TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS数据后从R1OUT、R2OUT输出。第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。17 毕业设计4软件设计电路4.1软件开发环境图101将ZigBee模块分别与单片机和电脑连接。·1.1、其中一块ZigBee的两根电源线已经与单片机焊接在一起，把ZigBee模块的串口插到单片机板的串口。电池旁边有一个黄色的按键帽，将它插到下一排。这时ZigBee模块的指示灯亮。·1.2、另一个ZigBee模块的串口与电脑串口连接，再接上电池。此时ZigBee模块的指示灯亮。2电脑通过ZigBee无线传输读取单片机板的温度、湿度。3打开串口调试助手发送A7B603FA。4电脑通过ZigBee无线传输设置单片机板的温度、湿度的上下限值。18 智能节水灌溉系统的设计图11打开串口调试助手发送A7B61000000000000000FA，将上下限值全部设为0。这时候温度、湿度超限，单片机板发光二极管闪烁报警，开启灌溉。4.2系统程序4.2.1通信模块串口初始化：设置工作方式寄存器TMOD默认首地址为0x20,计数器的高八位，低八位设置初始值为0xfa,给计数运行控制位TR1高电平，复位键设置高电平，程序如下：voidUartInit(void){TMOD|=0x20;TH1=0xfa;TL1=0xfa;TR1=1;SM0=0;SM1=1;REN=1;ES=1;PCON=0x80;}19 毕业设计串口发送数据：初始数据dat赋给SBUF，设置一个死循环，条件为TI为低电平时，程序如下：voidUartSend(uchardat){SBUF=dat;while(!TI);TI=0;}串口中断接收数据：通过PC的RS232口接收由外部设备采集来的数据，由于接收数据只是该系统的一个模块，为了系统效率该模块只能做成中断方式接收，程序如下：voidserial()interrupt4{staticucharRxLen=0,temp;staticucharRxbuf[10];temp=SBUF;if(RxLen==0){if(temp==0xA7){RxLen++;}else{RxLen=0;}}elseif(RxLen==1){if(temp==0xb6){RxLen++;}else{RxLen=0;}}else{if(temp==0xFA)//结束符{if(Rxbuf[2]==0x03)//读数据20 智能节水灌溉系统的设计{UartSend(0XA7);UartSend(0xb6);UartSend(temperature/256);UartSend(temperature%256);UartSend(FCY/256);UartSend(FCY%256);UartSend(0xFA);}elseif(Rxbuf[2]==0x10)//写数据{Temh=(Rxbuf[3]<<8)|(Rxbuf[4]);Teml=(Rxbuf[5]<<8)|(Rxbuf[6]);Fcyh=(Rxbuf[7]<<8)|(Rxbuf[8]);Fcyl=(Rxbuf[9]<<8)|(Rxbuf[10]);UartSend(0XA7);UartSend(0xb6);UartSend(0x10);UartSend(0xFA);}RxLen=0;}else{Rxbuf[RxLen]=temp;RxLen++;}}P1=SBUF;RI=0;}4.2.2温度采集模块精确延时函数:定义一个整形s,利用FOR循环，实现延时，程序如下：voiddelay1(intus){ints;for(s=0;s>=1;DQ=1;if(DQ)u|=0x8000;delay1(4);}return(u);}DS18B20写数据:当DQ为低电平时，编写一FOR循环，将数据逐个写入，调用延时，当DQ为高电平时，ku赋值为1,程序如下：voidwrite(unsignedcharku){inti=0;for(i=0;i<8;i++){DQ=0;DQ=ku&0x01;delay1(3);DQ=1;ku>>=1;}}22 智能节水灌溉系统的设计DS18B20读温度：调用函数write，通过公式lsb=(unsignedint)(tp*6.25),tem=lsb/100,通过tem输出，返回tem,程序如下：intreadtem(void){inttem;unsignedinttp;unsignedintlsb;rst();write(0xCC);write(0x44);rst();write(0xCC);write(0xBE);tp=read();lsb=(unsignedint)(tp*6.25);tem=lsb/100;returntem;}4.2.3湿度计算模块模块作用:INT0中断函数，接收到数据有效信号，开始接收数据,程序如下：voidReceiveData(void)interrupt0{if(FCount==0){TR0=1;//检测到有频率输入，启动定时器}FCount++;//频率计数加1}23 毕业设计结论本文所设计的是基于ZigBee技术的无线智能灌溉系统，符合设施农业朝智能化、网络化发展的趋势，具有一定的推广价值和应用前景。该系统应用低功耗、低成本的ZigBee无线通信技术，避免了布线时的不方便，加强了节水灌溉系统的可控制性。系统所用温湿度传感器精度非常高，根据作物用水规律和土壤墒情实施精准灌溉，不仅能快速且有效的解决农业灌溉低用水率的问题，缓解日趋紧张的矛盾水资源问题，而且还提供给作物更好的生长环境，最大化体现现有节水设备的作用，提高效益，优化调度。使灌溉系统变得科学、方便。本系统操还支持远程控制和对有关参数的修改，适用于大多数作物，不但能增加作物产量，降低农产品灌溉的成本，而且提高灌溉质量，具有十分大的推广价值。除此之外，配置不同的传感器，该系统可以构成不同功能的监控网络。24 智能节水灌溉系统的设计参考文献[1]吴玉芹,史群.我国发展节水灌溉的重要意义[J].节水灌溉,1998(4).[2]郭秀瑞,郑联合,于回安,邹红梅.大力发展节水灌溉促进农业经济可持续发展[J].节水灌溉,1998(3).[3]水利部南京水文水资源研究院.21世纪中国水供求[M].北京:中国水利水电出版社,1999年6月.[4]孙景生.康绍中中国水资源利用现状与节水灌溉发展对策[期刊论文]-农业工程学报2000(02).[5]万斌.师延武.景天虎节水灌溉工程技术的历史、现状及展望[期刊论文]-西北水资源与水工程2001(03).[6]王骥.周文静.沈玉利基于无线传感器网络的节水灌溉系统设计[期刊论文]-中山大学学报(自然科学版)2008(z1).[7]金永奎.方部玲.夏春花自动控制技术在节水灌溉中的应用[期刊论文]-计算机与农业2003(06).[8]匡秋明.赵燕东.自陈祥节水灌溉自动控制系统研究[期刊论文]-农业工程学报2007(06).[9]薛志成.国内外田间节水灌溉新法[J].节水灌溉,1998(6).[10]农村改革成就巨大举世瞩目[N].光明日报,1998.12.13.[11]郭元裕.世纪之交对我国农田水利事业发展的回顾与展望[J].中国农村水利水电,1997增刊,28～29.[12]李英能.我国节水灌溉的现状与发展[R].1997年3月.[13]庞鸿宾,齐学斌.20年农田灌溉科技发展回顾[J].灌溉排水,1999,18(1)[14]夏春华,方部玲,金永奎.节水灌溉系统自动控制的研究应用[J].农业网络信息,2004(12):18-20.[15]杨荣,杨涛.基于ZigBee的无线传感器网络及其在智能大厦中的应用[J].中国农机化,2005(2):76-79.[16]孙利民,李健中,陈渝.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2003.[17]段开勇.仓库安全监控系统中的控制总线及其通讯体系研究[J].武汉理工大学.2008.[18]张毅刚，彭喜元，黄继成.单片机原理及应用，高等教育出版社2009重印.25 毕业设计附录I实物图图12ZigBee无线传输模块图26 智能节水灌溉系统的设计27 毕业设计附录II系统源程序#include#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedint//报警接口sbitALARM=P2^0;//用来计算、保存湿度uintFCY=0,FCount=0,TCount=0;//用来保存温度inttemperature;//温度上下限intTemh=50,Teml=10;//湿度上下限uintFcyh=99,Fcyl=80;/********************DS18B20**********************///精确延时函数voiddelay1(intus){ints;for(s=0;s>=1;DQ=1;if(DQ)u|=0x8000;delay1(4);}return(u);}//DS18B20写数据voidwrite(unsignedcharku){inti=0;for(i=0;i<8;i++){DQ=0;DQ=ku&0x01;delay1(3);DQ=1;ku>>=1;}}//DS18B20读温度intreadtem(void){inttem;unsignedinttp;unsignedintlsb;rst();write(0xCC);write(0x44);rst();write(0xCC);write(0xBE);tp=read();lsb=(unsignedint)(tp*6.25);tem=lsb/100;29 毕业设计returntem;}/*******************endifDS18B20**************///串口初始化voidUartInit(void){TMOD|=0x20;TH1=0xfa;TL1=0xfa;TR1=1;SM0=0;SM1=1;REN=1;ES=1;PCON=0x80;}//串口发送数据voidUartSend(uchardat){SBUF=dat;while(!TI);TI=0;}//串口中断接收数据voidserial()interrupt4{staticucharRxLen=0,temp;staticucharRxbuf[10];temp=SBUF;if(RxLen==0){if(temp==0xA7){RxLen++;}else{RxLen=0;}}30 智能节水灌溉系统的设计elseif(RxLen==1){if(temp==0xb6){RxLen++;}else{RxLen=0;}}else{if(temp==0xFA)//结束符{if(Rxbuf[2]==0x03)//读数据{UartSend(0XA7);UartSend(0xb6);UartSend(temperature/256);UartSend(temperature%256);UartSend(FCY/256);UartSend(FCY%256);UartSend(0xFA);}elseif(Rxbuf[2]==0x10)//写数据{Temh=(Rxbuf[3]<<8)|(Rxbuf[4]);Teml=(Rxbuf[5]<<8)|(Rxbuf[6]);Fcyh=(Rxbuf[7]<<8)|(Rxbuf[8]);Fcyl=(Rxbuf[9]<<8)|(Rxbuf[10]);UartSend(0XA7);UartSend(0xb6);UartSend(0x10);UartSend(0xFA);}RxLen=0;}else{31 毕业设计Rxbuf[RxLen]=temp;RxLen++;}}P1=SBUF;RI=0;}//INT0中断函数，接收到数据有效信号，开始接收数据voidReceiveData(void)interrupt0{if(FCount==0){TR0=1;//检测到有频率输入，启动定时器}FCount++;//频率计数加1}//定时器0服务中断函数voidTime0_Int()interrupt1{uintf=0;uchartemp0=0,temp1=0;TCount++;if(TCount==200)//采样定时时间2秒到，保存采样频率并计算{TR0=0;//关闭定时器EX0=0;TCount=0;//定时计数重置f=FCount/2;//保存频率，频率=计数值/定时时间if((5623<=f)&&(f<=6852))//相对湿度在有效范围内（0％－－100%）{if((6734Fcyh)||(FCYTemh)||(temperature