自动浇水控制器-学位论文.doc

目 录
第一章 引言..........................................................................................................................1
1.1单片机的概述..........................................................................................................1
1.2单片机的分类及发展.....................1
1.3灌溉技术的发展简介..............................................................................................2
第二章 设计题目与要求....................................................................................................4
2.1 课程设计要求.........................................................................................................4
2.2 课程设计目的..........................................................................................................4
第三章 设计的方案选择与论证............................................5
3.1 整体设计框架.........................................................................................................5
3.2 系统硬件的选择......................................................................................................5
3.3最终方案决定及电路设计...6
第四章 系统硬件电路的设计..............................................................................................7
4.1 AT89C51的介绍..........................................................................................7
4.1.1 内部结构......................................................................................................7
4.1.2 引脚说明......................................................................................................8
4.2 显示模块.......................................11
4.2.1 显示功能及实现........................................................................................12
4.2.2 数码管介绍................................................................................................12
4.3 时钟电路及复位电路的设计...............................................................................14
4.3.1 时钟电路....................................................................................................14
4.3.2 复位电路.....................................................................16
4.4 键盘输入模块.......................................................................................................16
4.5 浇水模块设计.......................................................................................................17
4.5.1 ULN2803的介绍...........17
4.5.2 浇水功能的实现........................................................................................18
4.6 电源的设计.....................................................................................................19
第五章 系统的程序设计....................................................................................................21
5.1 系统时间显示.......................................................................................................21
5.2 键盘控制时间设置..............................................22
5.2.1 按键校对系统时间....................................................................................22
5.2.2 按键设置浇水时间....................................................................................23
5.3 浇水执行程序框图.......................24
5.4 主程序....................................................................................................................25
第六章 仿真...........................................................................................39
6.1 仿真说明...............................................................................................................39
6.2 仿真电路图............................................................................................................39
第七章 结论.................41
致谢......................................................................................................................................42
参考文献.................................................43
附录 电路图

烟台大学毕业论文（设计）
第一章 引言
目前，农业、工业、生活、军事等各个方面都向自动化、智能化、数字化发展。为了适应时代的发展电子技术迅猛发展。数字化、智能化、自动化的实现方式多种多样，从而产生了很多的设计工具。单片机就是其中之一，它正朝着多品种和高性能发展，正在进一步向着COMS化、小体积、低功耗、高性能、大容量和外部电路内装化等多个方向发展。卓越的性价比受到了设计者们的欢迎。
随着农业的规模化、系统化，传统的管理方法需要大量的人力而且不能及时。为了满足更高效更高产，并提高管理水平。本文将介绍一个可以自动定时、多路浇水、定浇水时间的系统，它主要基于51单片机来设计，并将随着社会生活的进步、人们对效率的要求，将会得到大量的应用和不断的完善。
本论文中将会应用单片机等电子技术，实现自动浇水控制。
1.1 单片机的概述
为了适应社会发展的需求，微型计算机不断地更新换代，新产品层出不穷。在微型计算机的大家庭中，几年来单片微型计算机异军突起，发展极为迅速。
单片微型计算机(Single-Chip Microcomputer)简称单片机。它是微型计算机的一个重要分支，也是一种非常活跃且具生命力的机种。特别适用于控制领域，故又称微控制器(Microcontroller)。
通常单片机由单块集成电路芯片构成，内部包含有计算机的基本功能功能部件：中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、随机存储器(Random Access Memory，RAM)、只读存储器(Read Only Memory，ROM)、定时/计数器及I/O(Input/Output)接口电路等部件。因此单片机只需要与适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。
它的特点是：高性能、高速度、体积小，价格低廉，稳定可靠，应用广泛。
1.2 单片机的分类及发展
20世纪80年代以来，单片机有了新的长足发展，各个半导体器件厂商也相继推出自己的产品。到目前为止，市面上出售的单片机品种已达60多个系列，600多个品种。如果按照CPU对数据处理的位数来分，通常可以把单片机分为4位的单片机、8位的单片机、16位的单片机、32位的单片机四类。它的产生和发展过程也经历了相应的四个阶段。
第一阶段(1970-1974)为4位的单片机的阶段。这种单片机的特点为：价格便宜并且控制功能强，片内含有多种I/O接口，有的根据不同用途还配有许多专用接口，丰富的I/O功能大大增强了四位单片机应用于录音机、摄像机、电冰箱、电视机、洗衣机等产品。
第二阶段(1974-1978)为低中档的8位单片机的阶段。它是八位单片机的早期产品，以Intel公司的MCS-48系列单片机为代表产品，这个系列的单片机在片内集成八位CPU、并行I/O口、8位定时/计数器、RAM和ROM等，中断处理较简单，片内RAM和ROM容量较小，且寻址范围不大于4KB。
第三阶段(1978-1983)为高档的8位单片机阶段。这类单片机在低、中档基础上发展起来的，其性能有明显额提高。还是以Intel公司的MCS-48系列单片机为代表，在片内还增加了串行接口，有多级的中断处理系统，还有16位定时/计数器，片内RAM和ROM容量也增大了，寻址范围已经可达64KB，有的片内还加有A/D转换接口。这类单片机功能强大，应用领域广阔，是现在各类单片机中应用最多的一种。
第四阶段(1983-现在)为8位额单片机巩固发展的阶段和16位单片机、32位单片机推出的阶段。这个阶段特点是：一方面不断的发展16位的单片机、32位的单片机和一些专用的单片机。近年来，各个计算机厂家已进入了高性能的32位单片机的研制和生产阶段，32位单片机除了具有更高的集成度以外，主振频率已经达到20MHz，这使32位的单片机的数据处理速度可以16位单片机快得多，性能比8位、16位单片机也更加优越。
而需要说明的是，单片机的发展虽然经历了4位、8位、16位三阶段，但4位、8位、16位单片机仍然各有其应用领域，比如4位单片机在简单家用电器、高档玩具中还有应用，而8位单片机在中、小规模应用的场合仍占主流的地位，16位的单片机在比较复杂的控制系统中才有应用，32位单片机因控制领域对它的要求并不十分迫切所以32位单片机在我国的应用并不多。
正是由于单片机具有上述显著的特点，使得单片机应用的范围也日益扩大。单片机的应用打破了人们传统的设计思想，原来很多用模拟电路、脉冲数字电路和逻辑部件来实现的功能，现在均可以使用单片机。使用软件来实现。使用单片机具有体积小、可靠性高、性价高和容易产品化的优点。
1.3 灌溉技术的发展简介
生命之起源，水为必然条件。没有了水，地球上的生命将会枯竭。人文明之数千年的历史，为水而奋斗可以说是非常重要的篇章。比如我国古代的灵渠、郑渠和都江堰，埃及尼罗河两岸的历史非常悠久的灌溉工程都是非常好的例证。
20世纪以前，人类经过了数个世纪的探索，学会了拦河蓄水，筑渠引水和开畦灌溉的技术。但水的利用效率比较低下，限制了灌溉的面积扩大。怎样生产大量的粮食，来为飞快增长的人口提供粮食，如何提高水的利用率已经成了20世纪的一大难题，而且伴随着劳务成本大的迅速提高，怎样节省人力来消减劳务成本也成了亟待解决的问题。
我国从70年代开始引进喷灌、滴灌技术，80年代中期曾一度得到迅速发展。但因为经济及技术落后，不几年即纷纷下马。进入90年代中期以来，我国充分意识到我国水资源的短缺问题，重新积极推广节水技术。经过数年努力，已取得长足进步。
尽管各种节水技术已经发展的很成熟，但是还不能满足的是智能化的定时浇水，要两者结合才能更自动化及智能化。限于本论文的篇幅，这里只设计自动系统，有八路出水，而采用什么节水设备，可根据实际应用场合自行选取，只需对接到出口即可。

第二章 设计题目与要求
2.1 课程设计要求
设计一种自动浇水控制器，可以实现设定每周内任意几天需要浇水，每天何时开始浇水，每路每次浇水多长时间，八路依次自动浇水。状态显示在平时模式现实当前时间及星期几，从左至右，前两位显示时，中间两位显示分，最后一位显示星期。时与分之间两个LED为秒闪指示，每秒闪动一次。制作出适合系统运行的电源。
2.2 课程设计目的
(1) 巩固、加深和扩大单片机应用的知识面。提高综合及灵活运用所学知识解决实际控制的能力；
(2) 培养针对课题需要，选择和查阅有关手册、图标及文献资料的自学能力，提高组成系统、编程、调试的动手能力；
(3) 学会对课程设计方案的分析、选择、比较、熟悉系统开发、研制的过程，软硬件设计的方法、内容及步骤；
(4) 掌握计数器、加法器、LED的使用；
(5) 掌握数码管显示电路的应用与按键设置。

第三章 设计的方案选择与论证
3.1 整体设计框架
图3-1是本次设计的整体系统框图，本电路是由AT89C51单片机为控制核心，具有在线编程功能，低功耗，高性能等优点；显示模块有三个数码管，CD4511译码器构成，使用动态扫描的显示方式对数字进行显示；按键模块位五个独立按键构成，分别设定时、分、星期、定时、定天；电源电路是为了给AT89C51提供稳定的工作电压而设计；时钟电路采用晶振提供时钟频率，再结合编程来实现时间的显示与设定。

显示模块

键盘模块

浇水输出模块
时钟电路

复位电路

电源模块

AT89C51

图3-1 系统整体设计框图
3.2 系统硬件的选择
(1)控制系统模块的方案选择和论证
方案一：采用89C2051芯片作为硬件核心，有2KB的存储空间，虽然加上端口扩展，键盘不做独立式的，也可以满足电路要求，但是它无法扩展ROM，也不能用C语言编程，因为C的第一条指令是跳转，会浪费很多空间，因此导致空间不够，就只能用汇编语音。 并且2051的P3.7在芯片的引脚上没有，只在内部有用，P1.0,P1.1没有内部上拉，要用做输入输出，就需要外接上拉。
方案二：采用89C51芯片作为硬件核心，采用FlashROM，内部具有4KB ROM存储空间，能于3V的超低压工作，而且与MCS-51系列单片机完全兼容，有40个引脚，完全满足电路要求，具有电路进行调试时，由于程序的错误修改或对程序的新增功能需要烧入程序时，不需要对芯片进行多次拔插，所以不会对芯片造成损坏。
结合两者优缺点考虑，在本设计中选择采用AT89C51作为主控制系统。
(2)显示模块选择方案和论证
方案一：采用点阵式数码管显示，点阵式数码管是由八行八列的发光二极管组成，对于显示文字比较合适，如果用在显示数字显得太浪费，且价格也相对比较高，所以不采用此种作为显示。
方案二：采用LED液晶显示器，液晶显示器的显示功能强大，可显示大量文字，图形，显示多样，清晰可见，但是价格昂贵，需要的接口线多，所以在此设计中也不用这种作为显示。
方案三：采用LED数码管动态扫描，LED数码管价格适中，对于显示数字最合适，而且采用动态扫描法与单片机连接时，占用的单片机口线少。
在本设计中选择采用了LED数码管作为显示。
(3)时钟电路的选择方案和论证
方案一：采用DS12887时钟芯片实现时钟，DS12887芯片是一种高性能的时钟芯片，可自动对秒、分、时、周、月、年以及闰年补偿的年进行计数，虽然精度高，但是成本相对高，本设计不需要如此显示精度及详细度。
方案二：采用外部晶振提供时钟频率，直接采用单片机定时计数器提供秒信号，使用程序实现星期、时、分、秒的计数。采用此种方案可以减少芯片的使用，节约成本，适用更多的用户需求。
在本设计中直接采用方案二的时钟电路为电路提供时钟控制模块。
(4)键盘模块的选择方案和论证
方案一：采用独立式的非编码键盘模式，在此种连接方式中，每个按键都是相互独立的，均需占用CPU的一条I/O输入数据线。
方案二：采用行列式的非编码键盘，它是一种把所有按键排列成行列矩阵的键盘，所以，一个M×N的行列式的非编码键盘只需M条行线以及N条列线，共要占用M+N条单片机的端口线，本设计中按键只有五个，因此不采用此方案。
在本设计中采用方案一的键盘来对现实电路，和浇水设置进行设定。
3.3 最终方案决定及电路设计
综上各方案所述，对此次设计的方案选定：采用AT89C51作为主控制系统；LED数码管动态扫描作为显示系统；采用单片机自身的定时计数器作为时钟电路；系统电路图见附录。

第四章 系统硬件电路的设计
硬件电路是系统的重要部分，在本次设计中主要是以AT89C51为核心控制器。外加一些控制电路来实现本系统的基本功能。下面分别介绍各个控制电路的功能及工作原理。
4.1 AT89C51的介绍
89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器(FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory)的CMOS8位微处理器，简称单片机。它低电压、高性能。该器件采用ATMEL高密度肥肉非易失存储器制造技术来加工的，并且可以与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。因为将多功能8位CPU和闪烁存储器结合在一个芯片中，使得ATMEL的89C51成为一种高效的微控制器 89C单片机，为许多嵌入式的控制系统完美的提供了一种不仅灵活性高而且价廉的方案。
4.1.1 内部结构
AT89C51的内部结构框图如图4-1所示
图4-1 89C51内部结构框图
89C51单片机基本组成包括有：
² 一个8位的微处理器
² 片内数据存储器RAM有128B
² 21个特殊功能寄存器SFR
² 片内程序存储器Flash ROM 有4KB
² 可寻址片内外统一编址的64KB的ROM
² 可寻址片外64KB的RAM
² 4个8位并行I/O接口(P0—P3)
² 一个全双工通用异步串行接口UART
² 两个16位的定时器/计数器
² 五个中断源、两个优先级的中断控制系统
² 具有位操作功能的布尔处理机及位寻址功能