单片机的智能节水灌溉系统的设计
目 录
引言 1
（一）研究的背景 1
（二）研究的意义 2
一、系统总体设计 2
二、主要器件介绍 3
（一）单片机 3
（二）模数转换芯片 4
三、硬件设计 6
（一）时钟电路 6
（二）复位电路 6
（三）数据存储器的扩展电路 7
（四）数据采集电路 8
（五）报警电路 10
（六）LED显示电路 10
四、软件设计 12
（一）主程序设计 12
（二）数据处理 13
（三）LED动态显示 15
结束语 16
参考文献 17
附录一 原理图 18
附录二 源程序 19
致谢 24
引言
（一）研究的背景
1.中国水源情况
曾有数据统计显示，中国人均年水资源是两千两百立方米，远低于世界人均水平；中国拥有庞大的人口，对水的需求量也是相当大。中国在农业方面的用水量有四千亿立方米，占总用水量约有百分之八十，仅占世界农业总量百分之十七。农田灌溉用水占农业用水总量百分之九十到百分之九十五之间，虽然比例较大，但农业灌溉仍然缺水。虽然有大量的水资源使用在农田上，但由于技术不到位，并严重浪费水资源，导致其利用率只有百分之四十三，远低于发达国家。
曾有相关领导总结农业用水的浪费现象，主要原因一是灌溉水利用率本来就比较低，而有效利用率约为百分之四十三，远远达不到发达国家的水平，输水渠道损失的水资源占很大比例，还损坏了相关建筑物；二是灌溉技术水平比较低，使用传统灌溉模式使得灌水量是实际需求量的一倍甚至两倍 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
。
从以上的调查报告显示，虽然到处提倡节约用水和科学用水，但我们并没有做到，而水资源的匮乏制约农业发展的脚步。面对此状况，我们必须提高节水灌溉技术以便于农业的更好发展。
2. 国内外节水灌溉的现状
虽然美国真正所使用的有效灌溉面积比较少，但使用喷灌和微灌农田的面积却占了很大的比例。近些年来，世界上微灌面积呈现出高速发展的状态。印度、美国在微灌面积的比例在不断提升，占世界比例的三分之一，而中国的微观面积只有0.005。发达国家并且对输水所使用的低压管道相当重视，很多国家将其作为灌溉使用管道的首要选择。而且有的发达国家使用污水进行地下滴管，大大减少了水的浪费率。地下滴管技术也是很多发达国家的选择。
中国由于人口众多等原因，耕地面积也是比较大的。从上个世纪70年代才开始采用喷灌技术，使得真正得到灌溉面积占耕地面积的一半，经过30年，中国在微灌方面也得到发展，虽然只是很小的一部分，也节约了大量水资源。但是
由于农村经济比较落后，国家政策与设备的落后等原因，喷灌技术并没有得到很好的发展。在最近几十年中，随着灌溉技术的进步，农业节水灌溉面积占很大的比例。虽然微灌技术得到较好发展，但并不是没有缺点的，还是有一些问题，并且与其他国家也有不小的差距。但是技术人员仍在不断创新，不断取得进步，使得中国在节水灌溉方面有很大的潜力可以被激发。
（二）研究的意义
节水灌溉可以大大减少农业的用水量，不造成浪费。大家都知道，农业用水只占人类用水的大部分，而我们生活中和工业所用的水资源只占用一个小部分。但我们农业用水利用率却很低，白白浪费掉很大一部分水资源，通过一些措施引入灌区的水量有一般损失掉了。我们都知道，水是万物之本，是无法替代的。所以节水灌溉是很有必要的。节水灌溉措施可以大大提高单位水量的使用效率，喷灌、微灌、滴管三种技术都大大减少了用水量，真正做到了节水灌溉。因此，在水资源越来越缺乏的情况下，节水灌溉技术的推广和普及是非常有必要的。
一、系统总体设计
图1 系统总体设计框图
此灌溉系统的核心是AT89C51单片机，除此之外由土壤湿度传感器，A/D模数转换器，LED显示电路，报警电路，及以单片机为核心的时钟电路，复位电路，数据采集电路，数据存储器扩展电路组成。
首先土壤的湿度由土壤湿度传感器所取得，并将所得的电流信号变为电压信号，送至A/D转换器，A/D转换器主要是将模拟信号转变为数字信号，此时单片机会处理所接收的信号，送至LED显示电路，进而判断是否需要灌水，如果需要灌溉则会报警，接着电磁阀将会完成灌溉这个动作。
二、主要器件介绍
（一）单片机
AT89C51单片机因为有较高的集成度、较强的功能、运作速度快、本身较小，耗能较低等优点，在工业、农业、通信及日常生活中都具有广泛的应用，同时单片机的重要性也在不断的提升。
AT89C51单片机的40只引脚可分为如下三类：
（1）20脚和40脚为电源引脚，19脚和18脚为时钟引脚。
（2） 、ALE、 、RST四个引脚都为控制引脚。
（3）P0端口、P1端口、P2端口、P3端口四个端口都为I/O口引脚。
下面结合图2介绍各引脚功能。
图2 AT89C51芯片
1.电源及时钟引脚:
（1）电源引脚:VCC（Pin40）：正电源引脚，正常工作电压为+5V;GND：接地(为20引脚，此图被隐藏)。
（2）时钟引脚:XTAL1(19引脚）：片内振荡器反相放大器和时钟发生器电路的输入端，XTAL2（20引脚）为片内振荡器反相放大器的输出端。
2.控制引脚
RST：正常工作RST引脚是复位信号的输入端在单片机的RST端加上高电平持续2个机器周期以上单片机即进入复位工作方式，单片机在正常工作的情况下，RST引脚应为不大于0.5V的低电平。
ALE/ ：ALE为低8位地址锁存许可信号。 为输入端，当编程片内Flash存储器时， 引脚就会被当做是编程脉冲的输入端。
：片外程序存储器的读选通信号。 引脚输出脉冲为下降沿的时候，单片机就可以读取外部程序存储器 。
/VPP： 是允许外部程序存储器访问的控制端。
3.I/O口引脚
P0口：8位，漏级开路的双向输入/输出端口。
P1口：P1口为8位准双向输入/输出端口，而且有内部上拉电阻。P1端口是专门为用户设计使用的准双向输入/输出端口，当P1端口当做普通的I/O输入的时候，应该在P1端口的输出锁存器写1。
P2口：P2口为8位准双向输入/输出端口，也具备内部上拉电阻。当89C51芯片需要扩展外部存储器和输入/输出端口的时候，P2端口可以输出高八位地址。当P2端口当做普通的I/O输入的时候，应该在P2端口的输出锁存器写1。
P3口：准双向输入/输出端口，并且有内部上拉电阻。当P3端口当做普通的输入/输出输入的时候，应该在P3端口的输出锁存器写1。
图12 主流程流程图
引言 1
（一）研究的背景 1
（二）研究的意义 2
一、系统总体设计 2
二、主要器件介绍 3
（一）单片机 3
（二）模数转换芯片 4
三、硬件设计 6
（一）时钟电路 6
（二）复位电路 6
（三）数据存储器的扩展电路 7
（四）数据采集电路 8
（五）报警电路 10
（六）LED显示电路 10
四、软件设计 12
（一）主程序设计 12
（二）数据处理 13
（三）LED动态显示 15
结束语 16
参考文献 17
附录一 原理图 18
附录二 源程序 19
致谢 24
引言
（一）研究的背景
1.中国水源情况
曾有数据统计显示，中国人均年水资源是两千两百立方米，远低于世界人均水平；中国拥有庞大的人口，对水的需求量也是相当大。中国在农业方面的用水量有四千亿立方米，占总用水量约有百分之八十，仅占世界农业总量百分之十七。农田灌溉用水占农业用水总量百分之九十到百分之九十五之间，虽然比例较大，但农业灌溉仍然缺水。虽然有大量的水资源使用在农田上，但由于技术不到位，并严重浪费水资源，导致其利用率只有百分之四十三，远低于发达国家。
曾有相关领导总结农业用水的浪费现象，主要原因一是灌溉水利用率本来就比较低，而有效利用率约为百分之四十三，远远达不到发达国家的水平，输水渠道损失的水资源占很大比例，还损坏了相关建筑物；二是灌溉技术水平比较低，使用传统灌溉模式使得灌水量是实际需求量的一倍甚至两倍 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
。
从以上的调查报告显示，虽然到处提倡节约用水和科学用水，但我们并没有做到，而水资源的匮乏制约农业发展的脚步。面对此状况，我们必须提高节水灌溉技术以便于农业的更好发展。
2. 国内外节水灌溉的现状
虽然美国真正所使用的有效灌溉面积比较少，但使用喷灌和微灌农田的面积却占了很大的比例。近些年来，世界上微灌面积呈现出高速发展的状态。印度、美国在微灌面积的比例在不断提升，占世界比例的三分之一，而中国的微观面积只有0.005。发达国家并且对输水所使用的低压管道相当重视，很多国家将其作为灌溉使用管道的首要选择。而且有的发达国家使用污水进行地下滴管，大大减少了水的浪费率。地下滴管技术也是很多发达国家的选择。
中国由于人口众多等原因，耕地面积也是比较大的。从上个世纪70年代才开始采用喷灌技术，使得真正得到灌溉面积占耕地面积的一半，经过30年，中国在微灌方面也得到发展，虽然只是很小的一部分，也节约了大量水资源。但是
由于农村经济比较落后，国家政策与设备的落后等原因，喷灌技术并没有得到很好的发展。在最近几十年中，随着灌溉技术的进步，农业节水灌溉面积占很大的比例。虽然微灌技术得到较好发展，但并不是没有缺点的，还是有一些问题，并且与其他国家也有不小的差距。但是技术人员仍在不断创新，不断取得进步，使得中国在节水灌溉方面有很大的潜力可以被激发。
（二）研究的意义
节水灌溉可以大大减少农业的用水量，不造成浪费。大家都知道，农业用水只占人类用水的大部分，而我们生活中和工业所用的水资源只占用一个小部分。但我们农业用水利用率却很低，白白浪费掉很大一部分水资源，通过一些措施引入灌区的水量有一般损失掉了。我们都知道，水是万物之本，是无法替代的。所以节水灌溉是很有必要的。节水灌溉措施可以大大提高单位水量的使用效率，喷灌、微灌、滴管三种技术都大大减少了用水量，真正做到了节水灌溉。因此，在水资源越来越缺乏的情况下，节水灌溉技术的推广和普及是非常有必要的。
一、系统总体设计
图1 系统总体设计框图
此灌溉系统的核心是AT89C51单片机，除此之外由土壤湿度传感器，A/D模数转换器，LED显示电路，报警电路，及以单片机为核心的时钟电路，复位电路，数据采集电路，数据存储器扩展电路组成。
首先土壤的湿度由土壤湿度传感器所取得，并将所得的电流信号变为电压信号，送至A/D转换器，A/D转换器主要是将模拟信号转变为数字信号，此时单片机会处理所接收的信号，送至LED显示电路，进而判断是否需要灌水，如果需要灌溉则会报警，接着电磁阀将会完成灌溉这个动作。
二、主要器件介绍
（一）单片机
AT89C51单片机因为有较高的集成度、较强的功能、运作速度快、本身较小，耗能较低等优点，在工业、农业、通信及日常生活中都具有广泛的应用，同时单片机的重要性也在不断的提升。
AT89C51单片机的40只引脚可分为如下三类：
（1）20脚和40脚为电源引脚，19脚和18脚为时钟引脚。
（2） 、ALE、 、RST四个引脚都为控制引脚。
（3）P0端口、P1端口、P2端口、P3端口四个端口都为I/O口引脚。
下面结合图2介绍各引脚功能。
图2 AT89C51芯片
1.电源及时钟引脚:
（1）电源引脚:VCC（Pin40）：正电源引脚，正常工作电压为+5V;GND：接地(为20引脚，此图被隐藏)。
（2）时钟引脚:XTAL1(19引脚）：片内振荡器反相放大器和时钟发生器电路的输入端，XTAL2（20引脚）为片内振荡器反相放大器的输出端。
2.控制引脚
RST：正常工作RST引脚是复位信号的输入端在单片机的RST端加上高电平持续2个机器周期以上单片机即进入复位工作方式，单片机在正常工作的情况下，RST引脚应为不大于0.5V的低电平。
ALE/ ：ALE为低8位地址锁存许可信号。 为输入端，当编程片内Flash存储器时， 引脚就会被当做是编程脉冲的输入端。
：片外程序存储器
/VPP： 是允许外部程序存储器访问的控制端。
3.I/O口引脚
P0口：8位，漏级开路的双向输入/输出端口。
P1口：P1口为8位准双向输入/输出端口，而且有内部上拉电阻。P1端口是专门为用户设计使用的准双向输入/输出端口，当P1端口当做普通的I/O输入的时候，应该在P1端口的输出锁存器写1。
P2口：P2口为8位准双向输入/输出端口，也具备内部上拉电阻。当89C51芯片需要扩展外部存储器和输入/输出端口的时候，P2端口可以输出高八位地址。当P2端口当做普通的I/O输入的时候，应该在P2端口的输出锁存器写1。
P3口：准双向输入/输出端口，并且有内部上拉电阻。当P3端口当做普通的输入/输出输入的时候，应该在P3端口的输出锁存器写1。
图12 主流程流程图
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