基于太陽能的滴灌控制系統設計畢業設計論文-資料下載頁

【導讀】溫室是設施農業的重要組成部分，是現代農業發展的重點之一。溫室種植的實踐經。針對這一問題，本文設計了一種成本較低、集環境監控和自動滴灌于一體的檢測與。統主要由能量轉換模塊、參數測量模塊、實時控制模塊等幾部分組成。整個系統由太陽能電池板將太陽能轉換為電能提供能源，從而驅動整個系統裝置。同時單片機對實時數據進行處理判斷，根據對環境參數影響最大的濕度。此外，當實時監測到的環境參數超過設定限值時，電動機停止工作，并且。蜂鳴器進行報警，以便于工作人員實施緊急措施。

　　

【正文】 8bit 模數轉換和 8bit 數模轉換。 PCF8591 的最大轉化速率由 I2C 總線的最大速率決定。 PCF8591 引腳圖如下。 圖 214 PCF8591 引腳圖 PCF8591 的特性如下： 單獨供電； PCF8591 的操作電壓范圍 ； 低待機電流； 通過 I2C 總線串行輸入 /輸出； PCF8591 通過 3 個硬件地址 引腳 尋址； PCF8591 的采樣率由 I2C 總線速率決定； 4 個模擬輸入可編程為單端型或差分輸入； 基于太陽能的滴灌控制系統總體硬件設計 22 自動增量頻道選擇； PCF8591 的模擬電壓范圍從 VSS 到 VDD； PCF8591 內置跟蹤保持電路； 1 8bit 逐次逼近 A/D 轉換器 ； 1通過 1 路模擬輸出實現 DAC 增益。 PCF8591 是比較常見的一種逐次逼近式 A/D 轉換電路，轉換的時間為微秒級。其工作基本原理是從高位到低位逐位試探比較，好像用天平稱物體，從重到輕逐級增減砝碼進行試探。逐次逼近法轉換過程是：初始化時將逐次逼近寄存器各位清零；轉換開始時，先將逐次逼近寄存器最高位置 1，送入 D/A 轉換器，經 D/A 轉換后生成的 模擬量 送入比較器，稱為 Vo ，與送入比較器的待轉換的模擬量 Vi 進行比較，若 VoVi，該位 1 被保留，否則被清除。然后再置逐次逼近寄存器次高位為 1， 將寄存器中新的 數字量 送 D/A轉換器，輸出的 Vo 再與 Vi 比較，若 VoVi， 該位 1 被保留，否則被清除。重復此過程，直至逼近寄存器最低位。轉換結束后，將逐次逼近寄存器中的 數字量 送入緩沖寄存器，得到數字量的輸出。逐次逼近的操作過程是在一個控制電路的控制下進行的。 圖 215 PCF8591 工作原理圖 顯示模塊選擇 led 數碼管（ LED Segment Displays）由多個 發光二極管 封裝在一起組成“ 8”字型四川理工學院畢業論文 23 的器件，引線已在內部連接完成，只需引出它們的各個 筆劃，公共 電極 。 數碼管 實際上是由七個發光管組成 8 字形構成的，加上小數點就是 8 個。這些段分別由字母a,b,c,d,e,f,g,dp 來表 示。 當數碼管特定的段加上 電壓 后，這些特定的段就會發亮，以形成我們眼睛看到的字樣了。如：顯示一個“ 2”字，那么應當是 a 亮 b 亮 g 亮 e 亮 d 亮 f 不亮 c 不亮 dp 不亮。LED 數碼管有一般亮和超亮等不同之分，也有 寸、 1 寸等不同的尺寸。小尺寸數碼管的顯示筆畫常用一個發光二極管組成，而大尺寸的數碼管由二個或多個發光二極管組成，一般情 況下，單個發光二極管的管壓降為 左右，電流不超過 30mA。發光二極管的陽極連接到一起連接到電源正極的稱為共陽數碼管，發光二極管的陰極連接到一起連接到電源負極的稱為共陰數碼管。常用 LED 數碼管顯示的數字和字符是 0、 A、 B、 C、 D、 E、 F。 由于 LED 基本上屬于電流敏感元件，其正向壓降的分散性很大，并且還與溫度有關，為了保證數碼管具有良好的亮度均勻度，就需要使其具有恒定的工作電流，且不能受溫度及其它因素的影響。另外，當溫度變化時驅動晶片還要能夠自動調節輸出電流的大小以 實現色差平衡溫度補償。 該設計中顯示模塊采用兩片四位共陰極 LED 數碼管，分別顯示實時監測的土壤濕度與溫度數據。四位共陰極數碼管內部結構如下圖。 圖 216 四位共陰極數碼管內部結構圖 LED 數碼管顯示需要經過 74573 位段選以及 74LS138 譯碼，因此，連接電路如下： 基于太陽能的滴灌控制系統總體硬件設計 24 圖 217 顯示模塊電路連接圖 74LS138 為 3 線－ 8 線 譯碼器 ，其工作原理為： ①當一個選通端（ E1）為高電平，另兩個選通端（ (/E2))和 (/E3)）為低電平時，可將地址端（ A0、 A A2）的 二進制編碼 在 Y0 至 Y7 對應的輸出端以低電平譯出。 比如 ： A A A0=110 時，則 Y6 輸出端輸出低 電平信號 。 ②利用 E E2 和 E3 可級聯擴展成 24 線 譯碼器 ；若外接一個 反相器 還可級聯擴展成 32 線 譯碼器 。 ③若將選通端 中的一個作為數據輸入端時， 74LS138 還可作 數據分配器 。 ④可用在 8086 的 譯碼 電路中， 擴展內存 。 圖 218 74LS138 譯碼器引腳圖 74LS138 四川理工學院畢業論文 25 報警模塊選擇 為了防止意外情況，在環境參數異常，超出設定值時，能夠報警通知工作人員進行緊急搶救措施，在設計中增加蜂鳴器聲音報警模塊。 蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，采用 直流電壓 供電，廣泛應用于 計算機 、打印機、復印機、報警器、 電子玩具 、汽車 電子設備、電話機、 定時器 等電子產品中作發聲 器件 。 蜂鳴器 主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。蜂鳴器在 電路 中用字母“ H”或“ HA”（舊標準用“ FM”、“ ZZG”、“ LB”、“ JD”等）表示。 蜂鳴器由有源蜂鳴器與無緣蜂鳴器之分，這里的“源”不是指電源，而是指震 蕩源。有源蜂鳴器直接接上額定電源 (新的蜂鳴器在標簽上都有注明 )就可連續發聲 。而無源蜂鳴器則和電磁 揚聲器 一樣，需要接在音頻輸出電路中才能發聲。也就是說，有源蜂鳴器內部帶震蕩源，所以只要一通電就會叫；而無源內部不帶震蕩源，所以如果用直流信號無法令其鳴叫。必須用 2K5K 的方波去驅動它有源蜂鳴器往往比無源的貴，就是因為里面多個震 蕩電路。 無源蜂鳴器的優點是： 便宜； 聲音頻率可控，可以做出“多來米發索拉西”的效果； 在一些特例中，可以和 LED 復用一個控制口； 有源蜂鳴器的優點是：程序控制方便。 單片機驅動他激蜂鳴器的方式有兩種：一種是 PWM 輸出口直接驅動，另一種是利用I/O 定時翻轉電平產生驅動波形對蜂鳴器進行驅動。 PWM 輸出口直接驅動是利用 PWM 輸出口本身可以輸出一定的方波來直接驅動蜂鳴器。在單片機的 軟件 設置中有幾個系統寄存器是用來設置 PWM 口的輸出的，可以設置占空比、周期等等，通過設置這些寄存器產生符合蜂鳴器要求的 頻率 的波形之后，只要打開 PWM 輸出， PWM 輸出口就能輸出該頻率的方波，這個時候利用這個波形就可以驅動蜂鳴器了。比如頻率為 2020Hz 的蜂鳴器的驅動，可以知道周期為 500μs，這樣只需要把 PWM 的周期設置為 500μs，占空比電平設置為 250μs，就能產生一個頻率為 2020Hz 的方波，通過這個方波再利用三極管就可以去驅動這個蜂鳴器了。 而利用 I/O 定時翻轉電平來產生驅動波形的方式會比較麻煩一點，必須利用 定時器來做定時，通過定時翻轉電平產生符合蜂鳴 器要求的頻率的波形，這個波形就可以用來驅動蜂鳴器了。比如為 2500Hz 的蜂鳴器的驅動，可以知道周期為 400μs，這樣只需要驅動蜂鳴器的 I/O 口每 200μs 翻轉一次電平就可以產生一個頻率為 2500Hz，占空比為基于太陽能的滴灌控制系統總體硬件設計 26 1/2duty 的方波，再通過三極管放大就可以驅動這個蜂鳴器了。 這里采用 I/O 口定時翻轉電平的控制方式。由于蜂鳴器的工作電流一般比較大，以致于單片機的 I/O 口是無法直接驅動的，所以要利用 放大電路 來驅動，一般使用三極管來放大電流就可以了。 蜂鳴器驅動電路一般都包含以下幾個部分：一個三極管、一個蜂鳴器、一個續流二極管和一個電源濾波電容。 蜂鳴器 發聲元件，在其兩端施加方波（無源蜂鳴器）就可以發聲，其主要參數是外形尺寸、發聲方向、工作電壓、工作頻率、工作電流、驅動方式（直流 /方波）等。這些都可以根據需要來選擇。 續流二極管 蜂鳴器本質上是一個感性元件，其電流不能瞬變，因此必須有一個續流二極管提供續流。否則，在蜂 鳴器兩端會產生幾十伏的尖峰電壓，可能損壞驅動三極管，并干擾整個電路系統的其它部分。 濾波電容 濾波電容 C1 的作用是濾波，濾除蜂鳴器電流對其它部分的影響，也可改善電源的交流阻抗，如果可能，最好是再并聯一個 220uF 的電解電容。 三極管 三極管 Q1 起開關作用，其基極的高電平使三極管飽和導通，使蜂鳴器發聲；而基極低電平則使三極管關閉，蜂鳴器停止發聲。 無源蜂鳴器工作電路如下圖。 圖 219 無緣蜂鳴器工作電路圖 四川理工學院畢業論文 27 執行模塊選擇 整個過程最后的執行采用驅動電動機帶動水泵工作，由于水泵僅用于抽取水 源供水，故只需要單方向轉動即可，便采用直流電動機。 直流電動機是將直流電能轉換為機械能的電動機。因其良好的調速性能而在電力拖動中得到廣泛應用。直流電動機按 勵磁 方式分為永磁、他勵和自勵 3 類，其中自勵又分為并勵、串勵和復勵 3 種。 直流無刷電機的控制結構， 直流無刷電機 是 同步電機 的一種，也就是說 電機轉子 的轉速受電機定子 旋轉磁場 的速度及轉子極數 (P)影響， N=120． f / P。在轉子極數固定情況下，改變定子旋轉磁場的頻率就可以改變轉子的轉速。直流無刷電機即是將同步電機加上 電子式 控制 (驅動器 )， 控制定子旋轉磁場的 頻率 并將電機轉子的轉速回授至控制中心反復校正，以期達到接近直流電機特性的方式。也就是說直流無刷電機能夠在額定負載范圍內當負載變化時仍可以控制電機轉子維持一定的轉速。 晶振模塊設計 晶體振蕩器是指從 一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片（簡稱為晶片）， 石英晶體諧振器 ，簡稱為石英晶體或晶體、晶振；而在封裝內部添加 IC 組成振蕩電路的晶體元件 稱為晶體振蕩器。其產品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。 若在石英晶體的兩個電極上加一電場，晶片就會產生機械變形。反之，若在晶片的兩側施加機械壓力，則在晶片相應的方向上將產生電場，這種物理現象稱為壓電效應。如果在晶片的兩極上加交變電壓，晶片就會產生機械振動，同時晶片的機械振動又會產生交變電場。在一般情況下，晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小，但當外加交變電壓的頻率為某一特定值時，振幅明顯加大，比其他頻率下的振幅大得多，這種現象稱為壓電諧振，它與 LC 回路的諧振現象十分相似。 晶 振在應用具體起到的作用，微控制器的時鐘源可以分為兩類：基于機械諧振器件的時鐘源，如晶振、 陶瓷 諧振槽路； RC（電阻、 電容 ）振蕩器。一種是 皮爾斯 振蕩器配置，適用于晶振和陶瓷諧振槽路。另一種為簡單的分立 RC 振蕩器。基于晶振與陶瓷諧振槽路的振蕩器通常能提供非常高的初始精度和較低的溫度系數。 RC 振蕩器能夠 快速啟動 ，成本也比較低，但通常在整個溫度和工作電源電壓范圍內精度較差，會在標稱輸出頻率的 5%至 50%范圍內變化。但其性能受環境條件和電路元件選擇的影響。需認真對待振蕩器電路的元件選擇和 線路板 布局。在使用時，陶瓷諧振槽路和相應的負載電容必須根據特定的邏輯系列進行優化。具有高 Q 值的晶振對放大器的選擇并 不敏感，但在基于太陽能的滴灌控制系統總體硬件設計 28 過驅動時很容易產生頻率 漂移 （甚至可能損壞）。在本次設計中，晶振模塊便是作為單片機的時鐘源，且采用 12M 的晶振模塊。 晶振模塊電路圖如下。 圖 219 晶振模塊電路圖 四川理工學院畢業論文 29 第三章 基于太陽能的滴灌控制系統軟件設計 硬件部分為系統工作提供了基礎和實體，但要使它有效地工作，還必須有軟件的配合。分析系統對軟件的要求，然 后進行了軟件的總體設計，包括程序總體結構設計和對程序進行模塊化設計。將系統整體功能劃分成多個不同的模塊，單獨設計、編程、調試，然后將各個模塊進行裝配聯調，組成完整的系統軟件。根據系統軟件的功能需求，系統應用軟件分為主程序、數據采集、數據處理（ A/D 轉換）、報警及顯示等幾大主要程序模塊。 編程環境介紹 C 語言是一種通用的計算機程序設計語言，在國際上十分流行。為了提高編制單片機應用程序的效率，改善程序的可讀性和可移植性，采用高級語言無疑是一種最好的選擇。 C 語言既具有一般高級語言的特點，又能直接對計算機的 硬件進行操作，表達和運算能力也比較強，許多以前只能采用匯編語言來解決的問題現在都可以改用 C 語言來解決。德國 Keil Software 公司開發的 Keil C51 是一種轉為 8051 單片機設計的高效率 C 語言編譯器，符合 ANSI 標準，生成的程序代碼運算速度極高，所需用的存儲器空間極小，完全可以和匯編語言相媲美。 基于太陽能的滴灌控制系統軟件設計 30 圖 31 單片機編譯環境 與匯編相比， C 語言在功能上、結構性、可讀性、可維護性上有明顯的優勢，因而易學易用。 Keil 提供了包括 C 編譯器、 宏匯 編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器等在內的完整開發方案，通過一個集成開發環境（ uVision）將這些部分組合在一起。 Keil μVision調試器 準確地模擬 8051 設備的片上外圍設備（ IC、 CAN、 UART、 SPI、中斷、 I/O 端口、