基于单片机的智能浇灌系统标准设计.docx

第十一届“博创杯”全国大学生嵌入式设计大赛作品设计汇报室内自动浇花系统Auto-watering System in our House设计报告队伍编号：参赛学校： 西北民族大学 作 者： 沙苗 宋开强 周乾斌指导老师： 邓克岩 贺艳萍组 别：硕士组 本科组 高职组 摘 要在这个信息技术高速发展社会中，智能控制为大家生产生活带来了很多便利。在家庭中，很多花草养殖爱好者因为工作、出差等原因对花草缺乏照料而因为产生很多烦恼。怎样利用智能控制对此产生便利便是我们要加以研究一个问题。本系统是基于AT89C51单片机家庭智能浇花系统, 使用YL-69作为土壤湿度传感模块，LCD1602作为显示数据模块，蜂鸣器作为通知模块，按键是用来设定报警数值。经过YL-69湿度传感器进行土壤湿度采集，单片机AT89C51进行信息处理，输出控制信号，控制信号经过控制继电器控制水泵电源是否通断，从而完成自动浇水，浇水同时蜂鸣器会发出声音提醒。关键词： AT89C51、YL-69、LCD1602、水泵AbstractIn the society,with the developmentKey words: AT89C51、YL-69、LCD1602、水泵目 录1 引言32 系统设计32.1 方案论证32.1.1总体方案设计32.1.2 芯片选择42.1.3 系统结构42.2 系统硬件设置52.2.1 AT89C51关键性能参数52.2.2 时钟电路62.2.3 AT89C51复位电路72.2.4 YL-69土壤湿度传感器82.2.5 ADC0832功效特点及引脚92.2.6 ADC0832 控制原理102.2.7继电器112.2.8 蜂鸣器及按键112.3 系统软件设计122.3.1 系统步骤图122.3.2 LCD1602显示程序132.3.3按键程序142.3.4 ADC0832芯片接口程序153 仿真设计和硬件调试153.1 163.2 仿真设计153.3 硬件测试和调试164 结论16参考文件18致谢19附录19第1章 绪论伴随大家生活水平提升，花卉逐步收到大家青睐，陶冶情操，净化空气。利用单片机设计了一款家庭智能浇花器实现自动浇花，节省人力，方便大家出差时候，不至于影响花卉生长，假如在家也能够关断浇花器，手动浇花。浇花器设置为依据土壤湿度浇花。采取这种方法定量浇花时，数码管显示时间和流水时间。因为不一样花和植物需要水不一样特点，所以合理地浇水会使植物生长良好，也能达成节省用水目标，所以，高效浇灌系统是能够依据大家意愿进行适量、适时方向发展。所以，本设计关键包含两个方面，一是测量，获取土壤水分信息，并依据土壤水分、湿度和植物需水特征多少来确定浇水水量。这将摆脱过去，只有浇水经验，给植物浇水要在科学基础上决议。二是控制，依据对土壤研究及植物需水特征进行合理浇水决议，立即传统只是凭经验由人工手控制洒水器方法，改变为自动进行适量、适时、按需浇灌控制。系统依据由测量土壤湿度和植物合理生活环境，经过抽水装置控制给水量多少，从而使得水资源能够得到高效使用，同时也节省了人力，达成智能浇灌目标。第2章 系统方案2.1 方案论证2.1.1总体方案设计在中国外全部是用自动浇灌装置，其中大部分全部是使用虹吸原理进行浇灌，即是使用渗透方法浇灌，这种浇灌方法是连续地、不间断。采取这种浇花系统仅仅只能确保花卉不应缺水而干枯死，不过对于植物来讲并不是其生长良好环境，而且浪费水资源。本设计提供了一个智能浇灌系统，这个系统能够在没有些人环境下在对植物进行浇灌，在浇水过程中,依据植物需要水分不一样，对植物进行浇水控制。这个系统是依据单片机原理，利用土壤湿度传感器进行数据搜集，然后经过按键调整上下限，在经过单片机对搜集数据分析及处理，进而判定外界土壤湿度值，假如土壤湿度低于设置下限，单片机控制水泵浇水同时蜂鸣器发出通知，当土壤湿度达成上限就停止浇水，从而达成自动浇花目标。本试验关键完成以下多个功效：1.用YL-69检测土壤湿度；2.使用LCD1602显示测量数据3.经过分析植物生存最好环境设置浇灌上下限；4.使用单片机对采集到数据进行分析和处理，在控制水泵是否需要进行浇灌。这个系统是由硬件部分及软件部分组成，硬件划分为单片机主控、显示、土壤湿度检测、按键输入、水泵浇灌、蜂鸣器发出通知六大模块。主控模块位AT89C51单片机是负责对数据分析及处理；YL-69作为湿度检测模块；湿度上下限是经过按键模块输入；显示模块是显示土壤湿度检测器检测出来湿度数值及其上限数值；水泵和蜂鸣器是用来实施系统命令。软件结构和硬件配置相适应，一样是使用模块化，它关键包含主程序、湿度采集子程序、显示数据子程序、按键输入子程序、实施子程序及系统定时中止服务程序等组成。这个系统很灵活，有较强交互性，能够随时设置湿度上下限；在系统开发设计中，应该将软件和硬件相互结合起来，而且个个部件全部使用模块化设计思绪。试验检验说明，该系统测量数据误差小、运行稳定，有着很可靠使用效果，所以能够被广泛推广使用。2.1.2 芯片选择l 芯片选择：AT89C51是由Atmel生产低电压、高性能CMOS8位单片机，同时AT89C51有着廉价价格，而且它和 MCS-51系列有这很好兼容性。所以在这个系统中采取AT89C51作为控制芯片。l A/D转换：ADC0832是含有双通道和8位分辨率A/D转换芯片。因为其性价比高、体积较小、兼容性很强特点，所以深受广企业欢迎及单片机爱好者喜爱，现在普及率已经很高。l 继电器选择：设备在设计过程中是需要一个继电器来控制电磁阀工作。因为工作电压在只需要5V左右，而且成本相对而言比较低。所以在这个系统中选择了型号为松乐SRS-05VDC-SL型号继电器。其工作电压在 5V，其触电容值为3A/250VAC/30VDC,而且在市场上价格为1.5元左右。l 显示器选择：在系统设计过程需要一个显示土壤湿度值显示器。LCD1602是一个专门能够显示英文字母、阿拉伯数字及符号点阵型液晶，其能够同时显示16*02即32个字符。市场价格大约为8元左右。2.1.3 系统结构本系统有电源接口电路、显示电路、土壤检测电路、继电器控制潜水泵电路、蜂鸣器电路、按键设置六大部分组成。系统原理图图1所表示。AT89C51单片机电源电路土壤检测LCD1602显示蜂鸣器水泵电路按键图1 系统原理图2.2 系统硬件设置2.2.1 AT89S51关键性能参数l 和MCS51系列根本兼容；l 4K字节可反复擦写Flash闪速存放器；l 1000次擦写周期；l 4.05.5V工作电压范围；l 全静态工作模式：0HZ24HZ；l 三级程序加密锁；l 32个能够编程I/O接口；l 低功率空闲和掉电模式；l 有6个中止源；l 内部RAM字节为128*8；l 2个16位定时计数器；l 全双工串行UART通道；l 看门狗（WDT）及双数据指针；l 掉电标识和快速编程特征；图2 AT89C51引脚图2.2.2 时钟电路在单片机AT89C51里面包含了一个高增益方向发达器，其中XTAL1和XTAL2引脚为放大器输入端和输出端，为了组成一个稳定自激式振荡电路，需要在XTAL1和XTAL2引脚上接上晶体振荡器或是陶瓷振荡器，该振荡器电路输出可直接送入内部时序电路。单片机AT89C51产生时钟方法有两种，即为内部时钟和外部时钟。图3 单片机AT89C51时钟电路1) 内部时钟方法：内部时钟模式即是由单片机里面高增益方相放大器和外部跨接晶体、微调电容结构时钟电路产生方法，图3所表示为装置工作原理。在内部时钟方法里，C1、C2通常使用30pF或40pF；C1、C2能够轻微调整频率，陶瓷谐振器或晶振频率选择应在1.2MHZ12MHZ之间。为了能够保护振荡器可靠性、稳定性、降低寄生电容产生，在安装时候应该将电容及振荡器安装在离单片机引脚XTAL1和XTAL2更近地方。单片机系统中大多数使用外部电路连接简单内部时钟方法。在现实中常常使用FSOC来表示内部时钟方法产生时钟信号频率（晶振固有频率）。假如fsoc为12*106HZ，那么应该选择12MHZ晶振。2) 外部时钟方法：外部时钟方法产生是在发生单片机之外电路中，其直接连接到单片机XTAL1引脚端口，不和XTAL2引脚端口相连，电路图图3所表示：2.2.3 AT89C51复位电路AT89C51单片机复位端RST端口，在单片机上有电经过时候，时钟电路就会进行运作，假如在运作过程中有大于2个周期高电平存在并经过RST端口，那么单片机将会进行复位操作。还有一个方法能够使单片机进行复位操作，那就定时器计数溢出。复位后单片机，PC=0000H，CPU从程序存放器0000H开始取值实施单片机外部复位电路有上电自动复位和按键手动复位两种。1) 上电复位电路。图4所表示，这是一个最简单上电复位电路，其是由电阻和电容串联形成。在通电那一瞬间，因为电容固有特征使得其两端电压不能够瞬间发生改变，所以单片机RST引脚电压端VR电压为VCC，在电容关键时候，RST引脚电压会下降，到图5所表示t1时刻，RST端电压降到3.6V，跟着由时间增加电容会充完点，RST端口电压将会靠近0V。图5所表示为RST引脚电压改变。要使得单片机进行成功复位操作，t1时间不应该小于2和机械周期时间之和，在单片机中，机器周期是由晶振频率决定，图4中，电阻R不能够很小，最经典值位 8.2k；图4中C3能够经过电阻R和其频率f算出。图4 RC上电复位电路 图5 RST引脚电压-时间关系 图6 组合复位电路2) 上电复位和按键复位组合电路在图6组合复位电路，电阻R2数值大多是较小，仅仅为几十欧姆，在按下复位按钮以后，电容C3快速经过电阻R2进行放电，放电完成后VR=（R1*Vcc）/（R1+R2），因为R2远远小于R1，电压VR和VCC基础相同，使得RST引脚电压为高电平，将复位键松开后，过程和上电复位相同。3) 实际应用中复位电路。实际应用中常采取两种复位电路，即同时复位电路和采取微处理器复位、监控专用集成电路。4) 施密特触发器复位电路。在单片机系统中，位了能够使复位键稳定工作，需要将RC电力连接施密特电路以后，再和单片机复位键相连接，这么是为了能够使系统干扰性大大提升。假如在系统中需要多个复位芯片时，而这些复位芯片要求和单片机复位系统相同时，能够将芯片复位端连接到单片机复位端。施密特触发器复位电路图 5所表示，图774HCl4为施密特反相器。 5) 微处理器复位、监控专用集成电路。为了确保单片机应用系统更可靠地工作，实际应用系统复位电路也常采取微处理器复位、监控集成电路，如MAX706等。这种专用集成电路除了提供可靠、足够宽高低电平复位信号外，同时含有电源监控、看门狗定时器功效，有芯片内部还集成了一定数量串行 EEPROM或RAM，功效强大，接线简单。在单片机应用系统中常常使用。单片机复位后，ALE和为输入状态；片内 RAM 不受复位影响；P0 P3口输出高电平，且这些双向口皆处于输入状态，堆栈指针SP被置成07H，PC被置成0000H，接着，单片机将从程序存放器0000H开始重新实施程序。所以，单片机运行犯错或进入死循环时，可经过复位使其重新运行。 图7 74HCl4为施密特反相器2.2.4 YL-69土壤湿度传感器YL-69是一个简单土壤湿度传感器，其原理为湿敏电容，当环境湿度发生改变时，会使得湿敏电容存在环境中介质发生改变，造成湿敏电容中电容数值产生改变，电容数值正比于湿度值。因为湿敏电容有这很高灵敏度、响应速度快、滞后量小特点，所以湿敏电容很轻易小型化和集成化。在系统中，土壤湿度数据采集是有YL-69完成。其在系统中电路原理图图8，JP2位YL-69探头。图8 YL-69和AD转化电路2.2.5 ADC0832功效特点及引脚ADC0832是串行接口8位A/D转换器，它是由一家名为NS（National Semiconductor）企业生产。ADC0832和单片机经过三根线连接，其有着性价比高、耗能低特点，适合使用在小型智能设备中。ADC0832是8位分辨率，所以其分辨率最高级能够达成256级，通常模拟量全部不成问题。ADC0832数据校对是经过双数据输出来完成，这是为了达成降低误差目标，转换速度快而且有很强稳定性。ADC0832为了降低数据误差，其校对数据是使用具双数据，有较快转换速度而且稳定性强。ADC0832能够独立输入，所以处理器能够更方便控制多个器件。使用DI端进行数据输入，能够让通道功效选择变简单。其关键特点以下：l 8位分辨率，基准电压为5V；l 功耗低仅仅为15mW。l 5V电源供电；l 输入和输出电平和CMOS及TTL兼容；l 输入模拟信号电压范围在0到5V之间；l 有两种能够供给选择模拟输入通道；l 在时钟频率为250KHZ时，转换时间是32us；ADC0832有DIP和SOIC两类，DIPADC0832引脚排列图9所表示。各引脚说明以下：l CS片选端，低电平有效。l CH0，CH1两路模拟信号输入端。l DI数据信号输入，选择通道控制。l DO数据信号输出，转换数据输出。l CLK串行时钟输入端。l Vcc/REF电源输入和参考电压输入。l GND电源地。图9 ADC0832引脚图2.2.6 ADC0832 控制原理ADC0832在通常情况下有4个引脚和单片机相连，这4个引脚分别为CLK、DI、CS、DO。因为ADC0832在通信并不是会同时使用DO端口和DI端口，而且DO和DI端口和单片机接口是双向，所以在设计电路中能够用一根线将DO端和DI端连接到一起。在ADC0832没有运行时，它端口CS为高电平，这个时候芯片将会严禁，DO/DI和CLK能够为任意电平。假如需要进行A/D转换，那么CS端口必需为低电平而且需要保持到A/D转换完成为止。在芯片开始工作时候，处理器将会向ADC0832时钟输入端CLK提供时钟脉冲，DI端口将会进行数据信号选择 ，在第1个时钟脉冲信号来到前，DI端口一定要是高电平，这就表示ADC0832开启。在第2、3个时钟脉冲到来以前，DI端口应该输入2位数据用于选择通道功效，其功效项如表1所表示。表1 ADC0832配置位输入形式 配置位选择通道CH0CH1CHOCH1差分输入00+-01-+单端输入10+11+如表1所看到，在配置位CH0和CH1数字为1、0时，仅仅能够对CH0进行单通道转换。在配置位CH0和CH1数字为1、1时，仅仅能够对CH1进行单通道转换。在配置位CH0和CH1数字为0、0时，正输入端IN+为CH0和负输入端IN-为CH1，将其二者进行输入。在配置位CH0和CH1数字为0、1时，负输入端IN-位CH0，正输入端IN+位CH1，将其二者进行输入。在第三个脉冲来到以后，DI端口就失去了输入电平功效，在这以后DI/DO端就会开始经过DO数据输出端进行转换数据读取。从第四个时钟脉冲起，转换数据最高位D7将由DO端口输出。直到最低位数据从第11个脉冲发出时，这就完成了一个字节数据输出。和此同时相反字节数据也将输出，这是从第11个时钟脉冲开始输出。从第11个到第19个输出8个时钟脉冲，到19个时钟脉冲输出以后，A/D转换即完成了一次。在将CS设置为高电平，使得芯片不能够使用，最终对转换数据进行预订处理就能够了。2.2.7继电器继电器作为一个电控制器件，是当输入量（激励量）改变抵达器件要求要求时，在电气输出电量里会被控制发生预定阶跃改变一个电器。继电器控制系统（输入回路）和被控制系统（输出回路）之间是相互有着联络。继电器常常被应用其控制自动化电路中，其实际上能够看做是用小电流去控制较大电流工作一类“自动开关”。所以继电器在电路中起着保护电路、自动开关作用。继电器种类很多，本系统采取是电磁继电器，电磁继电器大多数是由线圈、铁芯、衔铁及触点簧片等组成。只要有一定电流在线圈两端流过，继电器内部就会产生电磁效应产生磁力，在磁力吸引作用下，衔铁快克服了弹簧拉力作用，将会吸附在常开触点上，使得电机M开始工作。在线圈没有通上电时候，电磁效应也会同时消失，衔铁快会在弹簧拉力作用下回到其原有位置即断开触点，经过控制线圈通电和断电，从而达成衔铁快和两触点之间选择连接，使得达成电路断开及导通目标。图10 继电器控制水泵图10中Q2PNP型三级管b基级低电位时，三极管导通，继电器控制K1单刀双掷开关向右边偏离，电机M水泵通电，D2LED灯亮起，水泵开始工作。2.2.8 蜂鸣器及按键蜂鸣器：蜂鸣器位本系统中包含报警系统部分，其电路图结构图11所表示。当PNP三极管导通时，蜂鸣器响起。图11 蜂鸣器报警按键：按键设计图12所表示。S1位复位键、S2位设置湿度值按键、S3湿度值调整加键、S4湿度值调整减键。图12 按键电路2.3 系统软件设计2.3.1 系统步骤图系统软件设计包含对土壤湿度检测程序、对采集到数据进行处理程序、设置湿度上下限程序、显示程序、蜂鸣器程序等。主程序步骤图3所表示。开始初始化及显示开启界面设置湿度上下限检测土壤湿度数据处理开启报警开启水泵判定浇花是否结束？关闭水泵是否是否判定是否浇花？图13 程序步骤图2.3.2 LCD1602显示程序液晶显示器LCD1602显示是经过液晶物理特征原理来实现，使用电压能够控制显示区域，当有电时候，液晶就能够显示图像。液晶显示器很薄，能够在大规模电路下直接被驱动运行，很轻易实现彩色显示，目前已经被广泛使用在平板电脑、智能相机、移动通信工具等方面，LCD1602液晶显示器写指令和写数据程序以下所表示：void write_com(uchar com)/写指令rs=0;rd=0;lcden=0;P0=com;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;void write_date(uchar date)/写数据rs=1;rd=0;lcden=0;P0=date;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;2.3.3按键程序按键是有机械特征。但按键闭合式，并不能立即保留良好接触，二十往返弹跳。这个时间很短，我们手根部感觉不出来。不过对于每秒能够实施上百万次指令单片机来说，这个时间相对来说还是很长。在这段上下抖动时间里，单片机会读到很数次高低电平。假如不对其进行合适处理，那么系统会认为按键被按了数次。而实际上，我们是手一直按这并么有反复数次。若是要想正确判定按键是否按下，系统就需要避开这段时间。依据通常按键机械特征，这段时间通常在10ms30ms之间。按键步骤图图14所表示。开始键按下？延时30ms键还按下？读取键值等候释放图14 按键步骤图unsigned char v_readkey_f(void);/延时程序unsigned char key;if(P17=0)delay(30); /延时30msif(P17=0) key=1; while(!P17)/等候释放 elsekey=02.3.4 ADC0832芯片接口程序为了能够让信息流通变得快速有效，系统需要使用C语言进行接口程序编写。模数转换装置ADC0832转换时间只有32us，所以A/D转换频率会很快，这也确保了A/D转换数据在部分特定场所要求。数据在程序中是以子程序方法形成，这么能够方便程序移植。ADC0832读取数据步骤图图15所表示。开始产生时钟信号能使芯片输入通道控制字读取2字节数据字节数据矫正将值送入指定寄存器结束图15 ADC0832读取数据步骤图第3 章 仿真设计和硬件调试3.1 仿真设计此次仿真实现了经过对右边可变电阻模拟湿度传感器，使得LCD显示对应数值。再经过对中间按键模块输入对应温湿度上下限，当湿度低于一定数值时，单片机控制蜂鸣器进行通知处理。提醒湿度已经低于一定数值，需要进行浇水，单片机控制电磁阀进行浇水。当湿度达成一定值时，单片机控制电磁阀关闭浇水。仿真图14所表示。图14 仿真图3.2 硬件调试依据电路原理图，焊接出实物，在将程序烧录到AT89C51单片机中。接通电源，改变土壤湿度值，观察实物是否正常运行。若正常运行则不需要进行硬件调试工作，反之需要进行硬件调试。调试步骤以下：1、 检验电路板电路焊接是否正确及各部件是否松动和安装正确；2、 用万用表检验是否有虚焊、引脚短路现象；3、 测试元件是否毁坏；4、 联机仿真调试；测试结果及结论1、 本系统经过一段时间运行检测，工作正常，说明本系统稳定性良好；2、 系统能够在不一样土壤湿度条件下进行正常工作，和理论相符，说明程序正确；3、 系统能够快速正确测量出土壤湿度，所以认为系统在响应时间上能满足要求。第4章 结论这次植物自动浇灌系统，这系统是依据电子类自动浇水装置工作原理为基准，采取现代传感技术采集土壤水数据进行采集，再经过单片机控制系统对各个部分进行控制，使其浇灌模块是否进行运作。这个植物自动浇灌系统分为两个部分，一个是经过检测土壤数据并在LCD1602上进行显示，二是经过系统分析对浇灌系统进行控制。YL-69作为土壤湿度检测传感器模块，在把土壤检测到数据传输到单片机系统中，并经过单片机是I/O输出到LCD上进行显示。在LCD上显示数值即是土壤湿度值，这也是判定是否进行浇灌数值。自动浇花部分和检测到土壤湿度并显示部分组成了系统控制部分和数据检测部分。它设计为智能性，自动浇花部分是经过单片机分析有YL-69土壤湿度检测装置检测到土壤数据，当系统检测到土壤湿度值低于设定下限值时，那么系统经过控制继电器控制浇灌装置进行浇灌，当开始浇水一段时间后，系统经过土壤湿度检测装置检测全部土壤湿度数值高于设定上限值时，系统再次控制继电器控制浇灌系统停止浇水。参考文件1 张兆明.基于AT89C52家庭智能浇花器设计J.电子设计工程,.032 程捷、何晨.基于单片机温湿度检验系统设计和实现J.仪表技术,.06 3 赵丽、张春林.基于单片机智能浇花系统设计和实现J.长春大学学报,.094 袁腾、王帅、梅明、姜天华.基于单片机原里可定时自动浇花器J.高科技产品研发，.075 刘明真、陈鸿.基于单片机智能节水浇灌系统设计J.学术问题研究，.016 甘龙辉.基于单片机自动浇灌系统设计J7 郭天祥.51单片机C语言教程M8 AT89S51 单片机硬件结构 .11.24 9 Nilesh R. Patel Rahul B. Lanjewar Microcontroller Based Drip Irrigation System Using Smart Sensor J,.8.13致谢在我年论文立即完成之际，标志我大学生活还有六个月就将结束。回想起这三年半大学生涯，我心情久久不能平静，我求学生涯在家人、师长、同学好友大力支持和帮助下，走艰辛却也收获丰盛。尽管我崇尚伟人、名人，可是今天我需要将我敬意和赞美献给一位平凡人，我导师XXX副教授。您治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一个良好精神气氛。授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不仅接收了全新思想观念，树立了宏伟学术目标，领会了基础思索方法。从论文选题至论文写作到最终修改，您全部给我中肯提议和悉心指导。感谢我父亲母亲，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康愉快是我最大心愿。在论文立即完成之际，我心情无法平静，从开始进入课题到论文顺利完成，有多少可敬师长、同学、好友给了我无言帮助，在这里请接收我真挚谢意！最终再一次感谢全部在我写论文中曾经帮助过我良师益友和同学，和在设计中被我引用或参考论著作者。Monolithic integrated circuits smart to watering flowers system designYu ShianBinjiang College，NUIST，Nanjing 210044，ChinaAbstract: The design of automatic watering potted system. AT89C51 microcontroller for the control system is based on the chip, the use of YL-69 chip as temperature and humidity sensor module, LCD1602 display module as the buzzer as the alarm module, the keyboard is used to set the alarm value, by YL-69 temperature and humidity sensor soil moisture collection, SCM AT89C51 information processing, the output control signal. Relay control signal to control the pump power off to complete the action automatically watering flowers, watering before the buzzer alarm.Key words：YL-69; AT89C51 microcontroller; humidity; pumps; LCD1602附录1、实物图2、电路原理图附图1电路原理图