安徽农业科学, Journal of Anhui Agri. Sci. 2007, 35( 29) : 9228- 9230 责任编辑 姜 丽 责任校对 王 淼 基于单片机的节水灌溉自动控制器的设计 孙 威, 毛罕平, 左志宇, 伍德林 ( 江苏大学, 江苏镇江 212013) 摘要 以单片机为核心, 研制了一种节水灌溉自动控制器; 介绍了系统总体结构、单片机系统主机电路、数据采集处理电路、I/O 口的 扩展电路、通信接口等以及软件的设计。 关键词 单片机; 节水灌溉; 自动控制 中图分类号 S22 文献标识码 A 文章编号 0517- 6611( 2007) 29- 09228- 03 (Jiangsu University, Zhenjiang, Jiangsu 212013) Design and Research of Automatic Controller of Water- Saving Irrigation Controlled by Single- chip Controller SUN Wei et al Abstract A set of automatic water !saving system which was controlled by single !chip controller was developed in this paper. The overall structure of the system, the main circuit of the MCU system, data!collecting circuit, I/O expanding circuit communication interface and software of the system were all designed. In order to monitor large!scale irrigation system, distributional control model was used to enhance stability of the system and reduce the cost. The system could realize functions such as automatic irrigation, warning, real time clock, historical data inquiry, data! up transmission and two!way communication. Key words SCM; Water!saving irrigation; Automatic control 1 控制器设计思路 总体研制方案: ①系统核心采用与 51 系列单片机完全 兼容的 AT89C55 单片机; ②PC 机与单片机采用主从分布式 管理, 以单片机现场控制为主, PC 机监视和历史数据存储 为辅; ③系统可以同时控制 多 路 输 出; ④具 备 记 录、存 储 和 显示工作情况的功能, 故障检测和实时报警功能, 掉电保护 功能, 时钟显示功能和密码设置等功能。系统首先把传感器 采集到的环境参数信息送入智能控制器中, 由存储在其中 的程序决定是否灌溉, 如为“是”则再算出所需要的灌溉量、 时间; 启动电机, 开启水泵, 再通过固态继电器 SSR 打 开 电 磁阀进行灌溉, 时间到则关闭。 灌溉系统总体结构框架见图 1。 压 力 表 水 泵 电 磁 阀 制 系 统 单 片 机 控 水 源 流 量 计 干 管 支 管 喷头 传感器 图 1 灌溉系统总体结构框架 2 控制器主要硬件电路设计 以单片 机 为 核 心 的 智 能 控制 器 为 该 系 统 的 核 心 部件, 其硬件组成框图见图 2。现将各个主要电路进行详细介绍。 2.1 单片机系统主机电路 采用美国 ATMEL 公司生产的 AT89C55 单片机为系统核心。该系统需要能够较长时间无 人值守, 需要判断时间。采用单片机计时, 一方面需要采用 计数器, 占用硬件资源, 另一方面又需要设置中断、查询等, 会耗费硬件资源, 而外部扩展时钟芯 片 DS12C887 可 以 很 好地解决单片机资源有限的问题。与单片机的接口电路见 图 3。其中, D0~D7 为单片机的数据总线, ALE 为单片机地 作者简介 孙威( 1982- ) , 男, 湖北咸宁人, 硕士研究生, 研究方向: 节水 灌溉。 收稿日期 2007! 05!07 上位机 R5485 通讯接口 照度计 温度计 湿度计 模 拟 数 字 转 换 单 片 机 开 关 量 输 出 光 电 隔 离 功 率 放 大 电 路 电磁阀 电磁阀 电磁阀 电磁阀 电磁阀 电磁阀 看门狗电路 键盘显示电路 图 2 灌溉系统控制器系统组成框架 图 3 DS12C887 芯片与单片机的连接 址 锁 存 允 许 引 脚 , RD、WR 分 别 为 单 片 机 读 写 允 许 引 脚 , INT0 为单片机外部中断输入引脚。对 DS12C887 的编程主 要是通过对其各个寄存器的读写进行时间的设定和读取。 2.2 数 据 采 集 处 理 电 路 由 于 系 统 中 存 在 多 路 传 感 器 信 号的传输, 而接收端只有 一个, 这 就 产 生 了 冲 突, 解 决的 方 案是采用应答式控制, 通 过 控 制 进 行 选 择 。该 系统 采 用 的 A/D 转换器为 ADC0809 芯片。这是一种 8 位逐次逼近式 A/ D 转换器, 内部具有锁存控制的 8 位模拟开关, 外接 8 路模 拟输入 端, 可 以 同 时 对 8 路 0~5 V 的 模 拟 输 入 电 压 信 号 分 时进行采集转换。其具体电路见图 4。 2.3 键盘显示与驱动电路 作为独立式控制系统使用时, 

35 卷 29 期 孙 威等 基于单片机的节水灌溉自动控制器的设计 9229 求用最少的信号线完成通信任务, 这样可以使得设备连接 简单并降低成本。基于通用、可靠的原则, 采用 RS485 总线。 该总线用于多站互连十分方便, 用一对双绞线便可实现多 站分时通信。而且通信距离远, 当传送数据速率不超过 100 kbit/s 时, 通信距离可达 1 200 m。 通信 接 口 芯 片 选 用 MAX1480B。MAX1480B 是 一 种完 全 电 隔 离 的 半 双 工 RS485/RS422 通 信 接 口 芯 片 。采 用 5V 供 电, 隔离 电 压 达 到 1 500 V, 无 需 外 加 隔 离 电 路 ; 另 外 , 数 据传输速度 2 500 bps, 很好地满足了该智能控制器的通信 要求。其接口电路见图 7。 图 4 ADC0809 与单片机的接口电路 该智能控制器应该具有 人机 信 息 交 换 接 口, 便 于 工作 人 员 了解现场情况, 并对一些参数进行设定和修改, 这便需要扩 展键盘和显示器电路。笔者采用广州周立功单片机公司生 产的 ZLG7289A 芯片。该芯片是一具有串行接口的可同时 驱动 8 位共阴式数码管或 64 只独立 LED 的智能显示驱动 芯片, 同时 还 可 连 接 多 达 64 键 的 键盘 矩 阵 。单 片 可 完 成 LED 显示、键盘接口的全部功能, 连接也很简单。主要有以 下优点: ①串行接口, 无 需 外 围元 件 可 直 接 驱 动 LED; ②显 示各位译码/小译码及消隐和闪烁属性独立控制; ③具有循 环 左 移/循 环 右 移 指令; ④具 有 段 寻 址 指 令 , 可 方 便 地 实 现 LED 独立控制。其与单片机的连接电路图见图 5。 图 5 键盘显示与驱动电路 2.4 I/O 口的扩展电路 采用了 8255 可编程并行 I/O 扩展 接口电路, 每个 8255 有 8 个引脚, 最多可接 8 路输出。考虑 到将来扩展的需要, 使用了 4 块 8255 芯片, 最多可接 32 路 输出。其部分接口电路见图 6。 图 6 8255 芯片与单片机的部分连接电路 2.5 与监控 PC 间的通信设计 在实际的应用中, 通常要 图 7 MAX1480B 芯片与单片机的连接 2.6 看门狗电路 由于系统工作环境比较恶劣, 很容易受 到干扰侵害, 造成指针 PC 值发生改变, 程序运行失常, 从而 导致程序飞出和数据区及工作寄存器中数据破坏等恶劣后 果。因此必须采取一定的措施来防止这些情况的发生。 该 控 制 器 中 使 用 X25045 芯 片 来 组 成 看 门 狗 电 路 。 X25045 是一种可编程看门狗监控 EEPROM, 它将看门狗定 时器、电压监控和 EEROM 组合在单个封装内。看门狗定时 器 对 微 控 制 器 提 供 了 独 立 的 保 护 系 统 。 当 系 统 故 障 时 , X25045 看门狗定时器工作且 CS 保持高电平的时间长于看 门狗超时周期, 则 RESET 信号将做出响应, 变为高电平, 系 统复位; 在该循环控制程序正常运行过程中, 执行一次定时 器常数的刷新操作, 定时器就不会出现定时中断。看门狗超 时周期选择见表 1。设置状态寄存器的 WD1 和 WD0 位, 即 可选定超时周期。 表 1 看门狗定时周期 状态寄存器位 看门狗超时周期( 典型 WD1 0 0 1 1 WD0 0 1 0 1 值) ∥ms 1 400 600 200 禁止 一旦选定超时周期, 即使电源周期发生变化, 该周期也 不改变。在系统正常工作时, 应在其超时周期内, 对看门狗 进行软件复位操作, 程序如下: RST_DOG: CLR P1.4 ; 使 CS 变低 SETB P1.4 ; 把 CS 拉高 RET 系统接口电路连接图见图 8。在系统出现故障时, 也可 以使用图 8 所示的接口电路中的按钮强制系统复位。 2.7 其他功能电路设计 主电路板上还有光电耦合电路, 放大与整流滤波电路, 电压 电 流 转 换 电 路, 电 源 连 接电 路, 

9230 安徽农业科学 2007 年 开始 堆栈: 保护现场 调延时子程序 发送读键指令 接收键值 键值为 #OFFH? N Y 按键处理子程序 无效键 出栈 结束 图 10 键盘中断子程序 及数据采集与滤波程序、通信程序等。主程序流程见图 9。 为 了 节 省 CPU 的 工 作 时 间 , 避 免 无 意 义 的 查 询 , 同 时 也为了提高工作效率, 该系统采用中断方式响应按键要求, 键盘中断子程序见图 10。 4 结语 该系统实现了节水灌溉的自动控制, 研制成本低, 运行 可靠, 操作简单, 控制精度高, 响应速度快, 完全可以满足大 田或设施农业的灌溉需求, 设计采用了主从分布式管理系 统, 微机和多个单片机子系统之间采用全双工的 RS485 通 信方式, 可以用微机实现对多个单片机子系统的监控和管 理, 提出了更加开放的分布式管理方向研究的思路, 便于更 大规模灌溉工程监控系统的扩展。 参考文献 [1] 程月华, 毛罕平.基于单片机的设施农业营养液 供给 控制 系统[D].镇 江: 江苏大学, 2002. [2] 张兵.智 能化 节水 灌 溉 控 制 系 统 的 设 计 与 研 究[D].镇 江 : 江 苏 大 学 , 2003. [3] 吴普特, 牛文 全.节 水灌溉 与自 动控 制技 术[M].北 京 : 化 学 工 业 出 版 社, 2001. [4] 求 是 科 技.单 片 机 应 用 系 统 开 发 实 例 导 航[M].北 京 : 人 民 邮 电 出 版 社, 2003. [5] 柯立民.单片机应用技术选编[M].北京: 航空航天大学出版社, 2000. [6] 景东升.单片机自动控制灌溉系统的研究设计与应 用[D].北 京: 北 京 农业工程大学, 1994. 图 8 看门狗与单片机电路连接 报警电路等。 3 控制器软件设计 软件是控制系统的灵魂, 要求和硬件配合, 解决何时灌 和灌多少的问题; 还要兼顾工作人员进行各参数的查询和 修改, 防止非工作人员对系统的误操作。 根据上面的要求来设计控制系统的程序。整个系统的 控制程序采用 C 语言编写, 包括主程序和键盘中断程序以 开始 初始化系统 设置预定控制参数 顺序选通各个通道 调采样子程序 不灌溉 数 据 处 理( 结 合 存 储 在单片机中的程序 调用灌溉子程序 显示、计算机接口输出 移动到下一通道 图 9 主程序流程 !!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!! ( 上接第 9227 页) [5] 徐 凌 云 , 林 学 钰, 于 莉.地 下 水 数 据 信 息 管 理 系 统 研 究[J].长 春 科 技 系统开发与研制[J].吉林大学学报, 2004, 34: 68- 73. [2] 诸云强, 宫辉 力, 赵 文吉, 等.地下 水空 间分 析系统 的设 计 与 实 现[J]. 地学前缘, 2003, 10( 3) : 276- 276. [3] 于 军.长 江 三 角 洲 环 境 地 质 调 查 评 价 GIS 管 理 系 统 建 设 初 探[J].工 程地质学报, 2002, 10( 1) : 103- 107. [4] 翟 长 江 , 张 秋 文.基 于 控 件 Map Objects 开 发 GIS 应 用 系 统[J].微 计 算机信息, 2003, 19( 5) : 82- 83. 大学学报, 2000, 30( 1) : 50- 53. [6] 郝 勇.地 表 水 水 质 监 测 管 理 信 息 系 统 的 数 据 库 设 计[J].上 海 工 程 技 术大学学报, 2003, 17( 3) : 211- 216. [7] 钟佐.地下水防污性能评价方法探讨[J].地学前缘, 2005( 12) : 3- 11.. [8] 张 立 杰 , 巩 中 友, 孙 香 太.地 下 水 环 境 脆 弱 性 的 模 糊 综 合 评 判[J].哈 尔滨师范大学学报: 自然科学版, 2001, 17( 2) : 109- 112. [9] 陈佩佩, 孙亚 军, 武 强.GIS 支持 下岩 溶地 下水 资源信 息系 统的 开 发 与应用[J].中国岩溶, 2000, 19( 1) : 28- 34. 科技论文写作规范———缩略语 # """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""# " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " #"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""# 采用国际上惯用的 缩 略 语。如 名 词 术 语 DNA( 脱 氧 核 糖 核酸) 、RNA( 核 糖 核 酸) 、ATP( 三 磷 酸 腺 苷) 、 ABA( 脱落酸) 、ADP( 二磷酸腺苷) 、CK( 对照) 、CV( 变异系数) 、CMS( 细胞质雄性不育性) 、IAA( 吲哚乙酸) 、 LD( 致死剂量) 、NAR( 净同化率) 、PMC( 花粉母细胞) 、LAI( 叶面积指数) 、LSD( 最小显著差) 、RGR( 相对生长 率) , 单位名缩略语 IRRI( 国际水稻研究所) 、FAO( 联合国粮农组织) 等。对于文中有些需要临时写成缩写的 词( 如表及图中由于篇幅关系以及文中经常出现的词而写起来又很长时) , 则可取各主要词首字母写成缩 写, 但需在第一次出现处写出全称, 表及图中则用注解形式在下方注明, 以便读者理解。