基于单片机的智能浇灌专业系统设计.doc

第十一届“博创杯”全国大学生嵌入式设计大赛作品设计报告室内自动浇花系统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 周乾斌指引教师： 邓克岩 贺艳萍组 别：研究生组 本科组 高职组 摘 要在这个信息技术高速发展社会中，智能控制为人们生产生活带来了诸多便利。在家庭中，诸多花草养殖兴趣者由于工作、出差等因素对花草缺少照顾而由于产生许多烦恼。如何运用智能控制对此产生便利便是咱们要加以研究一种问题。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，蜂鸣器作为告知模块，按键是用来设定报警数值。通过YL-69湿度传感器进行土壤湿度采集，单片机AT89C51进行信息解决，输出控制信号，控制信号通过控制继电器控制水泵电源与否通断，从而完毕自动浇水，浇水同步蜂鸣器会发出声音提示。核心词： 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 芯片选取42.1.3 系统构造42.2 系统硬件设立52.2.1 AT89C51重要性能参数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功能特点及引脚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 系统流程图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 仿真设计与硬件调试153.1 163.2 仿真设计153.3 硬件测试与调试164 结论16参照文献18道谢19附录19第1章 绪论随着人们生活水平提高，花卉逐渐收到人们青睐，陶冶情操，净化空气。运用单片机设计了一款家庭智能浇花器实现自动浇花，节约人力，以便人们出差时候，不至于影响花卉生长，如果在家也可以关断浇花器，手动浇花。浇花器设立为依照土壤湿度浇花。采用这种方式定量浇花时，数码管显示时间和流水时间。由于不同花和植物需要水不同特点，因此合理地浇水会使植物生长良好，也能达到节约用水目，因而，高效灌溉系统是可以依照人们意愿进行适量、适时方向发展。因此，本设计重要涉及两个方面，一是测量，获取土壤水分信息，并依照土壤水分、湿度和植物需水特性多少来拟定浇水水量。这将挣脱过去，只有浇水经验，给植物浇水要在科学基本上决策。二是控制，依照对土壤研究及植物需水特性进行合理浇水决策，即将老式只是凭经验由人工手控制洒水器方式，变化为自动进行适量、适时、按需灌溉控制。系统依照由测量土壤湿度和植物合理生活环境，通过抽水装置控制给水量多少，从而使得水资源可以得到高效使用，同步也节约了人力，达到智能灌溉目。第2章 系统方案2.1 方案论证2.1.1总体方案设计在国内外都是用自动灌溉装置，其中大某些都是使用虹吸原理进行灌溉，即是使用渗入办法灌溉，这种灌溉办法是持续地、不间断。采用这种浇花系统仅仅只能保证花卉不应缺水而干枯死，但是对于植物来讲并不是其生长良好环境，并且挥霍水资源。本设计提供了一种智能灌溉系统，这个系统可以在没有人环境下在对植物进行灌溉，在浇水过程中,依照植物需要水分不同，对植物进行浇水控制。这个系统是依照单片机原理，运用土壤湿度传感器进行数据收集，然后通过按键调节上下限，在通过单片机对收集数据分析及解决，进而判断外界土壤湿度值，如果土壤湿度低于设立下限，单片机控制水泵浇水同步蜂鸣器发出告知，当土壤湿度达到上限就停止浇水，从而达到自动浇花目。本实验重要完毕如下几种功能：1.用YL-69检测土壤湿度；2.使用LCD1602显示测量数据3.通过度析植物生存最佳环境设立灌溉上下限；4.使用单片机对采集到数据进行分析和解决，在控制水泵与否需要进行灌溉。这个系统是由硬件某些及软件某些构成，硬件划分为单片机主控、显示、土壤湿度检测、按键输入、水泵灌溉、蜂鸣器发出告知六大模块。主控模块位AT89C51单片机是负责对数据分析及解决；YL-69作为湿度检测模块；湿度上下限是通过按键模块输入；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执行系统命令。软件构造与硬件配备相适应，同样是使用模块化，它重要包括主程序、湿度采集子程序、显示数据子程序、按键输入子程序、执行子程序及系统定期中断服务程序等构成。这个系统很灵活，有较强交互性，可以随时设立湿度上下限；在系统开发设计中，应当将软件和硬件互相结合起来，并且个个部件都使用模块化设计思路。实验检查阐明，该系统测量数据误差小、运营稳定，有着很可靠使用效果，因此可以被广泛推广使用。2.1.2 芯片选取l 芯片选取：AT89C51是由Atmel生产低电压、高性能CMOS8位单片机，同步AT89C51有着便宜价格，并且它和 MCS-51系列有这较好兼容性。因而在这个系统中采用AT89C51作为控制芯片。l A/D转换：ADC0832是具备双通道和8位辨别率A/D转换芯片。由于其性价比高、体积较小、兼容性很强特点，因而深受广公司欢迎及单片机兴趣者爱慕，当前普及率已经很高。l 继电器选取：设备在设计过程中是需要一种继电器来控制电磁阀工作。由于工作电压在只需要5V左右，并且成本相对而言比较低。因此在这个系统中选取了型号为松乐SRS-05VDC-SL型号继电器。其工作电压在 5V，其触电容值为3A/250VAC/30VDC,并且在市场上价格为1.5元左右。l 显示屏选取：在系统设计过程需要一种显示土壤湿度值显示屏。LCD1602是一种专门可以显示英文字母、阿拉伯数字及符号点阵型液晶，其可以同步显示16*02即32个字符。市场价格大概为8元左右。2.1.3 系统构造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、按键设立六大某些构成。系统原理图如图1所示。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 系统硬件设立2.2.1 AT89S51重要性能参数l 与MCS51系列彻底兼容；l 4K字节可重复擦写Flash闪速存储器；l 1000次擦写周期；l 4.05.5V工作电压范畴；l 全静态工作模式：0HZ24HZ；l 三级程序加密锁；l 32个可以编程I/O接口；l 低功率空闲和掉电模式；l 有6个中断源；l 内部RAM字节为128*8；l 2个16位定期计数器；l 全双工串行UART通道；l 看门狗（WDT）及双数据指针；l 掉电标记和迅速编程特性；图2 AT89C51引脚图2.2.2 时钟电路在单片机AT89C51里面涉及了一种高增益方向发达器，其中XTAL1和XTAL2引脚为放大器输入端与输出端，为了构成一种稳定自激式振荡电路，需要在XTAL1与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产生时钟方式有两种，即为内部时钟和外部时钟。图3 单片机AT89C51时钟电路1) 内部时钟方式：内部时钟模式即是由单片机里面高增益方相放大器以及外部跨接晶体、微调电容构造时钟电路产生方式，如图3所示为装置工作原理。在内部时钟方式里，C1、C2普通使用30pF或40pF；C1、C2可以轻微调节频率，陶瓷谐振器或者晶振频率选取应在1.2MHZ12MHZ之间。为了可以保护振荡器可靠性、稳定性、减少寄生电容产生，在安装时候应当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朴内部时钟方式。在现实中经常使用FSOC来表达内部时钟方式产生时钟信号频率（晶振固有频率）。如果fsoc为12*106HZ，那么应当选取12MHZ晶振。2) 外部时钟方式：外部时钟方式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，不与XTAL2引脚端口相连，电路图如图3所示：2.2.3 AT89C51复位电路AT89C51单片机复位端RST端口，在单片机上有电通过时候，时钟电路就会进行运作，如果在运作过程中有不不大于2个周期高电平存在并通过RST端口，那么单片机将会进行复位操作。尚有一种方式可以使单片机进行复位操作，那就定期器计数溢出。复位后单片机，PC=0000H，CPU从程序存储器0000H开始取值执行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。如图4所示，这是一种最简朴上电复位电路，其是由电阻和电容串联形成。在通电那一瞬间，由于电容固有特性使得其两端电压不可以瞬间发生变化，因此单片机RST引脚电压端VR电压为VCC，在电容重点时候，RST引脚电压会下降，到图5所示t1时刻，RST端电压降到3.6V，跟着由时间增长电容会充完点，RST端口电压将会接近0V。如图5所示为RST引脚电压变化。要使得单片机进行成功复位操作，t1时间不应当不大于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不可以很小，最典型值位 8.2k；图4中C3可以通过电阻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，在按下复位按钮之后，电容C3迅速通过电阻R2进行放电，放电完毕后VR=（R1*Vcc）/（R1+R2），由于R2远远不大于R1，电压VR与VCC基本相似，使得RST引脚电压为高电平，将复位键松开后，过程与上电复位相似。3) 实际应用中复位电路。实际应用中常采用两种复位电路，即同步复位电路和采用微解决器复位、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，位了可以使复位键稳定工作，需要将RC电力连接施密特电路后来，再和单片机复位键相连接，这样是为了可以使系统干扰性大大提高。如果在系统中需要各种复位芯片时，而这些复位芯片规定和单片机复位系统相似时，可以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如图 5所示，图774HCl4为施密特反相器。 5) 微解决器复位、监控专用集成电路。为了保证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用微解决器复位、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，同步具备电源监控、看门狗定期器功能，有芯片内部还集成了一定数量串行 EEPROM或RAM，功能强大，接线简朴。在单片机应用系统中经常使用。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，且这些双向口皆处在输入状态，堆栈指针SP被置成07H，PC被置成0000H，接着，单片机将从程序存储器0000H开始重新执行程序。因而，单片机运营出错或进入死循环时，可通过复位使其重新运营。 图7 74HCl4为施密特反相器2.2.4 YL-69土壤湿度传感器YL-69是一种简朴土壤湿度传感器，其原理为湿敏电容，当环境湿度发生变化时，会使得湿敏电容存在环境中介质发生变化，导致湿敏电容中电容数值产生变化，电容数值正比于湿度值。由于湿敏电容有这很高敏捷度、响应速度快、滞后量小特点，因此湿敏电容很容易小型化和集成化。在系统中，土壤湿度数据采集是有YL-69完毕。其在系统中电路原理图如图8，JP2位YL-69探头。图8 YL-69与AD转化电路2.2.5 ADC0832功能特点及引脚ADC0832是串行接口8位A/D转换器，它是由一家名为NS（National Semiconductor）公司生产。ADC0832与单片机通过三根线连接，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位辨别率，因此其辨别率最高档可以达到256级，普通模仿量都不成问题。ADC0832数据校对是通过双数据输出来完毕，这是为了达到减少误差目，转换速度快并且有很强稳定性。ADC0832为了减少数据误差，其校对数据是使用品双数据，有较快转换速度并且稳定性强。ADC0832可以独立输入，因而解决器可以更以便控制各种器件。使用DI端进行数据输入，可以让通道功能选取变简朴。其重要特点如下：l 8位辨别率，基准电压为5V；l 功耗低仅仅为15mW。l 5V电源供电；l 输入和输出电平与CMOS及TTL兼容；l 输入模仿信号电压范畴在0到5V之间；l 有两种可以供应选取模仿输入通道；l 在时钟频率为250KHZ时，转换时间是32us；ADC0832有DIP和SOIC两类，DIPADC0832引脚排列如图9所示。各引脚阐明如下：l CS片选端，低电平有效。l CH0，CH1两路模仿信号输入端。l DI数据信号输入，选取通道控制。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电源输入和参照电压输入。l GND电源地。图9 ADC0832引脚图2.2.6 ADC0832 控制原理ADC0832在普通状况下有4个引脚与单片机相连，这4个引脚分别为CLK、DI、CS、DO。由于ADC0832在通信并不是会同步使用DO端口和DI端口，并且DO和DI端口与单片机接口是双向，因此在设计电路中可以用一根线将DO端和DI端连接到一起。在ADC0832没有运营时，它端口CS为高电平，这个时候芯片将会禁止，DO/DI和CLK可觉得任意电平。如果需要进行A/D转换，那么CS端口必要为低电平并且需要保持到A/D转换完毕为止。在芯片开始工作时候，解决器将会向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取 ，在第1个时钟脉冲信号来到前，DI端口一定要是高电平，这就表达ADC0832启动。在第2、3个时钟脉冲到来此前，DI端口应当输入2位数据用于选取通道功能，其功能项如表1所示。表1 ADC0832配备位输入形式 配备位选取通道CH0CH1CHOCH1差分输入00+-01-+单端输入10+11+如表1所看到，在配备位CH0与CH1数字为1、0时，仅仅可以对CH0进行单通道转换。在配备位CH0与CH1数字为1、1时，仅仅可以对CH1进行单通道转换。在配备位CH0与CH1数字为0、0时，正输入端IN+为CH0和负输入端IN-为CH1，将其两者进行输入。在配备位CH0与CH1数字为0、1时，负输入端IN-位CH0，正输入端IN+位CH1，将其两者进行输入。在第三个脉冲来到后来，DI端口就失去了输入电平功能，在这后来DI/DO端就会开始通过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，这就完毕了一种字节数据输出。与此同步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个时钟脉冲输出之后，A/D转换即完毕了一次。在将CS设立为高电平，使得芯片不可以使用，最后对转换数据进行预订解决就可以了。2.2.7继电器继电器作为一种电控制器件，是当输入量（勉励量）变化到达器件规定规定期，在电气输出电量里会被控制发生预定阶跃变化一种电器。继电器控制系统（输入回路）与被控制系统（输出回路）之间是互相有着联系。继电器经常被应用其控制自动化电路中，其事实上可以看做是用小电流去控制较大电流工作一类“自动开关”。因而继电器在电路中起着保护电路、自动开关作用。继电器种类诸多，本系统采用是电磁继电器，电磁继电器大多数是由线圈、铁芯、衔铁及触点簧片等构成。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，电磁效应也会同步消失，衔铁快会在弹簧拉力作用下回到其原有位置即断开触点，通过控制线圈通电与断电，从而达到衔铁快与两触点之间选取连接，使得达到电路断开及导通目。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：蜂鸣器位本系统中涉及报警系统某些，其电路图构造如图11所示。当PNP三极管导通时，蜂鸣器响起。图11 蜂鸣器报警按键：按键设计如图12所示。S1位复位键、S2位设立湿度值按键、S3湿度值调节加键、S4湿度值调节减键。图12 按键电路2.3 系统软件设计2.3.1 系统流程图系统软件设计涉及对土壤湿度检测程序、对采集到数据进行解决程序、设立湿度上下限程序、显示程序、蜂鸣器程序等。主程序流程如图3所示。开始初始化及显示启动界面设立湿度上下限检测土壤湿度数据解决启动报警启动水泵判断浇花与否结束？关闭水泵是否是否判断与否浇花？图13 程序流程图2.3.2 LCD1602显示程序液晶显示屏LCD1602显示是通过液晶物理特性原理来实现，使用电压可以控制显示区域，当有电时候，液晶就可以显示图像。液晶显示屏很薄，可以在大规模电路下直接被驱动运营，很容易实现彩色显示，当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液晶显示屏写指令以及写数据程序如下所示：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性。但按键闭合式，并不能立即保存良好接触，二十来回弹跳。这个时间很短，咱们手根部感觉不出来。但是对于每秒可以执行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，单片机会读到诸多次高低电平。如果不对其进行恰当解决，那么系统会以为按键被按了多次。而事实上，咱们是手始终按这并么有重复多次。若是要想对的判断按键与否按下，系统就需要避开这段时间。依照普通按键机械特性，这段时间普通在10ms30ms之间。按键流程图如图14所示。开始键按下？延时30ms键还按下？读取键值等待释放图14 按键流程图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)/等待释放 elsekey=02.3.4 ADC0832芯片接口程序为了可以让信息流通变得迅速有效，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，因而A/D转换频率会非常快，这也保证了A/D转换数据在某些特定场合规定。数据在程序中是以子程序方式形成，这样可以以便程序移植。ADC0832读取数据流程图如图15所示。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读取数据流程图第3 章 仿真设计与硬件调试3.1 仿真设计本次仿真实现了通过对右边可变电阻模仿湿度传感器，使得LCD显示相应数值。再通过对中间按键模块输入相应温湿度上下限，当湿度低于一定数值时，单片机控制蜂鸣器进行告知解决。提示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。当湿度达到一定值时，单片机控制电磁阀关闭浇水。仿真如图14所示。图14 仿真图3.2 硬件调试依照电路原理图，焊接出实物，在将程序烧录到AT89C51单片机中。接通电源，变化土壤湿度值，观测实物与否正常运营。若正常运营则不需要进行硬件调试工作，反之需要进行硬件调试。调试环节如下：1、 检查电路板电路焊接与否对的及各部件与否松动和安装对的；2、 用万用表检查与否有虚焊、引脚短路现象；3、 测试元件与否毁坏；4、 联机仿真调试；测试成果及结论1、 本系统通过一段时间运营检测，工作正常，阐明本系统稳定性良好；2、 系统可以在不同土壤湿度条件下进行正常工作，与理论相符，阐明程序对的；3、 系统可以迅速精确测量出土壤湿度，因而以为系统在响应时间上能满足规定。第4章 结论这次植物自动灌溉系统，这系统是依照电子类自动浇水装置工作原理为基准，采用当代传感技术采集土壤水数据进行采集，再通过单片机控制系统对各个某些进行控制，使其灌溉模块与否进行运作。这个植物自动灌溉系统分为两个某些，一种是通过检测土壤数据并在LCD1602上进行显示，二是通过系统分析对灌溉系统进行控制。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播到单片机系统中，并通过单片机是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，这也是判断与否进行灌溉数值。自动浇花某些和检测到土壤湿度并显示某些构成了系统控制某些和数据检测某些。它设计为智能性，自动浇花某些是通过单片机分析有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，那么系统通过控制继电器控制灌溉装置进行灌溉，当开始浇水一段时间后，系统通过土壤湿度检测装置检测都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灌溉系统停止浇水。参照文献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查系统设计与实现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与实现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期自动浇花器J.高科技产品研发，.075 刘明真、陈鸿.基于单片机智能节水灌溉系统设计J.学术问题研究，.016 甘龙辉.基于单片机自动灌溉系统设计J7 郭天祥.51单片机C语言教程M8 AT89S51 单片机硬件构造 .11.24 9 Nilesh R. Patel Rahul B. Lanjewar Microcontroller Based Drip Irrigation System Using Smart Sensor J,.8.13道谢在我年论文即将完毕之际，标志我大学生活尚有半年就将结束。回忆起这三年半大学生涯，我心情久久不能安静，我求学生涯在家人、师长、同窗朋友大力支持和协助下，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副专家。您治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种良好精神氛围。授人以鱼不如授人以渔，置身其间，耳濡目染，潜移默化，使我不但接受了全新思想观念，树立了宏伟学术目的，领略了基本思考方式。从论文选题至论文写作到最后修改，您都予以我中肯建议和悉心指引。感谢我爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康高兴是我最大心愿。在论文即将完毕之际，我心情无法安静，从开始进入课题到论文顺利完毕，有多少可敬师长、同窗、朋友给了我无言协助，在这里请接受我诚挚谢意！最后再一次感谢所有在我写论文中曾经协助过我良师益友和同窗，以及在设计中被我引用或参照论著作者。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