基于单片机的智能浇花系统的设计与实现

基于单片机的智能浇花系统的设计与实现 摘摘 要要 随着社会的发展，人民越来越注重环境质量。养殖花卉成了首要选择，在 家养殖可以陶怡情操，丰富生活。同时花卉可以通过光合作用吸收二氧化碳释 放氧气同时还可以净化空气，而且花卉还可以吸收有毒物质例如刚装修的房屋 里的苯、甲醛等。因此越来越多的人喜欢养殖花卉。本文设计了一种智能湿度 感应浇花系统。系统以单片机 AT89S52 为控制芯片，启动浇花之前先有蜂鸣器 报警，按时按量的供水是完成每天在限定的时间自动启动水泵浇花，按照各种 花卉所需水量的差别，使用一个按钮装置来控制给水的时间，也就是电磁阀开 启和闭合的时间，其余时间水泵不转，不会有水流通供给补水；按照温度、湿 度来严格控制给水主要用到的是 SLHT5-1 土壤温度、湿度传感器，如果传感器 检测温度、湿度都达不到规定的要求，就开始浇花，达到了规定的温度、湿度 就停止浇花。该系统既能按时、按 量的给花卉浇水，还可以为节约水资源，从 而让花卉更好的生长。 关键词：单片机；智能浇花系统；传感器； Abstract With the development of society, people pay more and more attention to environmental quality. Flower cultivation has become the first choice, in farming can Tao Yi sentiment, enrich life. At the same time, flowers can absorb carbon dioxide through photosynthesis release oxygen also can purify the air, and the flower also can absorb toxic substances such as just decoration house of benzene and formaldehyde. So more and more people like to breed flowers. This paper designs a kind of intelligent humidity sensing watering system. The systemwith AT89S52 single chip computer as control chip, first started watering the flowers before thebuzzer alarm, timing quantitative watering is to pump water the flowers every day to open automatically at a specified time, according to the different flowers need different quantity of water, with a button to set the watering time length, i.e., the solenoid valve open time, the rest of the time the pump does not turn water can not flow through, according to water the flowers;humidity control is to use a SLHT5-1 soil moisture sensor, when the detected humidity did not reach the setting humidity, began to water the flowers, to the setting humidity stop watering.This system can not only on time, according to the amount of give flower watering, can alsosave water resources, so as to make flowers grow better. Keyword: MCU ; intelligent watering system ; sensor 目 录 1 1、绪论、绪论1 1.1 选题目的及意义.1 1.2 国内市场发展现状.1 1.3 研究方法和手段.2 2 2、基于单片机的智能浇花系统、基于单片机的智能浇花系统.4 2.1 系统组成部分 .4 2.2 系统工作原理 .4 3 3、系统硬件设计、系统硬件设计5 3.1 AT89S52 型单片机 .5 3.2 土壤湿度检测电路.5 3.3 键盘及液晶显示电路.5 3.4 水泵调节电路.6 3.5 报警电路.7 3.6 单片机最小系统.7 3.6.1 晶振电路设计7 3.6.2 复位电路8 3.6.3 按键消抖方法8 4 4、系统软件设计、系统软件设计.10 总总 结结12 参考文献参考文献13 致致 谢谢14 1 1、绪论绪论 国内外均有自动浇花系统的实际使用，大部分自动供水灌溉系统都是采用 虹吸的方式，也就是运用渗透的原理来实现补水浇，该模式的补水过程是持续 的、不中断的，根据该种模式只可以确保不会出现干旱现象，而不是根据花的 实际需要来实施补给供水。另外部分自动浇水系统，能够在规定的时间内向花 卉进行补水，这两种方式基本一致，都不是按照花的需求来进行补水灌溉。同 时还有部分自动浇水系统，主要运用单片机控制的原理，根据温度、湿度传感 器获取温、湿度的具体数据，再根据设定值来实现自动补水浇灌，只不过这种 方式要求外界提供水龙头的前提下才能使用。通常家庭花草种植普遍都放置于 阳台上，而阳台上常常不会用到水龙头，于是使用起来相对较为棘手。本文设 计的基于单片机智能浇花系统能够实现在阳台上的应用，可以做到定时、定量 地浇花。 1.11.1 选题目的及意义选题目的及意义 随着生活水平的提高，许多城乡居民为了美化环境，净化空气，喜欢在家 中阳台上种植一些花草。但现代人的生活节奏越来越快，事情越来越多。植物 是离不开水的，需经常浇灌。很多人有时忘了定时、适量给花卉 浇水。而人们 出差或有事不在家时，植物的供水就会中断，植物面临干枯。花草生长的问题 80%以上由花儿浇灌问题引起，好不容易养的花卉浇水，因为浇水问题而长势不 好或更严重的出现枯萎甚至凋亡。 有些植物对湿度的要求很高，人为的过度浇 水，植物的根茎容易腐烂，从而影响到植物的正常生长。 虽然市面上也有卖浇花的装备但昂贵的价格和其性价比让人望而却步。那 种浇花装 置大部分只能是指定时浇水时间，很难做到给花卉适时、适量浇水。 还有花卉缺水报 警器但其只能报警并不能适时、适量的浇水。其效果可想而知。 为了解决按时、适量浇 水问题，所以我设计自动浇花体统，通过传感器感知土 壤湿度、光照强度、温度并传达 单片机，由单片机判断花卉是否缺水并最终传 达给电磁水阀，从而达到适时自动浇水。 1.21.2 国内市场发展现状国内市场发展现状 微喷、微灌是近些年应用国内外的自动浇水设施。微喷主要由微喷带组成 1 1。其工作原理是利用水压力后交付和微喷嘴带领域,通过排水洞微喷,在重力 和空气阻力的影响,形成一个细雨的喷涂效果。微喷带的出水孔多半采用空气组 方式，按照一定距离和一定规律布置，如：斜三通、斜五孔、左右孔、横三孔 和无空等，出水孔一般采用机械钻孔、启动打孔和激光打孔，孔径为 0.1- 0.2mm，空形呈圆形。其用途：蔬菜、蘑菇、 苗圃果园、花卉、大棚等。微灌 是利用微灌设备组成微灌系统，用压力将水分配到田间，通过灌水去以微小的 流量湿润作物根部附近土壤的一种局部灌水技术。微灌技术可以很容易地将水 分配到每一株植物的土壤，,经常保持低水压力可以满足作物生长的需要2。但 微灌系统的投资通常远高于地面灌溉;出口很小,容易堵塞,过滤系统的要求。 许多年前,国外已经开始普及,国内使用的电子自动浇花大部分从国外进口, 价格是 昂贵的,但是质量是可靠的，但不太适合国内使用。国内外流行的玻璃 自动浇花。这种类型的灌溉设备大多数在中国山西和浙江地区的加工生产,价格 很便宜,实际没有电子自动浇花是好的。种花简单浇花难，很多商家看到了这块 市场。目前这种小家居用品制 造商主要集中在广东、上海、浙江地区3。现在 市场上的自动浇花,主要有以下几类： 玻璃、陶瓷类自动浇花器玻璃、陶瓷类自动浇花器又叫自动渗水装置， 它由本身材质的物理结构构成，根据器具的物理渗水原理完成自动浇灌，当自 动浇水器内部存水，自身形成一定的压力，当遇到干燥的土壤，水就会自上而 下的流出，当土壤湿润以后，会形成一个堵塞压力，从而导致水流速度变慢或 者停止4。器具工艺不同，效果也不一样，当然也因土壤的疏松情 况决定器具 内水流的速度。当前传感器技术与单片机技术发展迅速，其应用逐步由工业、 军事等领域向其他领域渗透，已经和我们的日常生活息息相关。而且智能家居 概念也越来越受人们的推崇， 因此，微电脑控制的电子类自动浇花系统有很好 的发展前景。 电子类自动浇花器（时控临喷装置)该系统主要构成为：主机（或者控 制器）、主管、分水接头、副管喷淋管。时控临喷浇花装置根据电源的不同分 为交流电自动浇花器和电池自动浇花器两种。控制器的一般性能有：电磁阀控 制；智能时控电路微电脑芯片控制；适用电 AC220V/50HZ；最适宜水压 0.3- 0.6Mpa；待机功率（4VA，浇水时12VA）；可控制连续作业时间是 1 分钟至 168 个小时；可每天自动完成十次以上浇水作业，可每天、隔天、隔多天自动 循 环进行浇水，手动自动两用；每天计时误差小于正负 3 秒；电器适应环境 温度为-10 50；相对湿度90%RH5。 1.31.3 研究方法和手段研究方法和手段 本毕业设计是设计单片机控制的自动浇花系统。所有节点按照在网络中的 功能不同分为协调器节点、传感器节点和控制器节点。单个网络中只有一个协 调器节点,它作为整个网络的中心,存放所有的控制策略,它能接收传感器节点向 其发送的数据,通过智能判断后,再把灌溉命令发送给控制器节点;传感器节点分 布于灌区的各个地方,配有各种 传感器,如测量温度、空气湿度、光照度等的传 感器,负责采集灌区的环境参数, 主要研究土壤湿度与浇水量之间的关系、浇灌 控制技术及设备系统的硬件、软件编程各个部分。并按一定的时间间隔发送给 协调器节点;每个控制器节点负责一个分灌区的灌溉作业, 它直接与灌溉的执行 器(如阀门、水泵等)相连,当接收到协调器节点发送的灌溉命令后, 则执行相应 的操作7。土壤温湿度传感器可将检测到的土壤温湿度模拟量放大转换成数字 量通过单片机内程序控制精确的将温度与湿度分别显示在 LCD 显示屏上，同时 通过单片机内的中断服务程序判断是否要给花浇水,若需浇水则单片机系统发出 浇水信号并经放大驱动设备开启电磁阀进行浇水若不需浇水则进行下一次循环 检测。 3 2 2、基于单片机的智能浇花系统、基于单片机的智能浇花系统 2.12.1 系统组成部分系统组成部分 该系统主要由土壤湿度检测电路、键盘、LCD 液晶显示电路、报警电路、 水泵控制电路等组成。具体结构如图 1 所示。通过土壤湿度传感器测量出土壤 湿度信号，单片机采集土壤湿度信号并进行分析和处理，输出控制信号，控制 水泵工作与否，从而达到按需浇花的目的。 图 1 智能浇花系统组成框图 2.22.2 系统工作原理系统工作原理 由于不同的花卉有不同的需水特性，浇花时应适时适量，按需浇花。为此， 系统采用模糊控制的方式达到精确浇花的目的。一方面，单片机采集土壤湿度 信号，并通过计算判断是否应该浇花; 另一方面，单片机采用查表的方法来实 现浇水量的模糊控制。在软件设计时，根据不同花卉的需水量，将其土壤湿度 值允许区间存入表格中，即模糊控制响应表，这些数据均是人们长期积累的经 验值，并将表格事先置入 ROM 存储区的某一位置中供查表使用。例如: 对君子 兰进行自动浇水，单片机将采集到的湿度信号与表格中的君子兰最小湿度值进 行比较，当采集到的湿度值小于表格中的最小湿度值时，开始浇花；当采集到 的湿度值大于表格中君子兰的最大湿度值时，停止浇花，从而控制浇水的时机 及浇水量的多少8。 在单片机控制系统中可以通过键盘输入数据或命令。键盘是由一组常开的 按键组成，每个按键都被赋予一个代码，称为键码。键码分为编码键盘和非编 码键盘。编码键盘是 通过一个编码电路识别闭合键的键码，非编码键盘是通过 软件来识别键码。由于非编码键盘的硬件电路简单，用户可以方便的改变键的 数量，因此在单片机系统中应用广泛。 3 3、系统硬件设计、系统硬件设计 3.13.1 AT89S52AT89S52 型单片机型单片机 AT89S52 是一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编 程 Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程， 亦适于常规编程器9。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 AT89S52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方 案。AT89S52 在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。AT89S52 具有以下标 准功能： 8k 字节 Flash，256 字节 RAM，32 位 I/O 口线，看门狗定时器，2 个 数据指针，三个 16 位 定时器/计数器，一个 6 向量 2 级中断结构，全双工串 行口， 片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支 持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/ 计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被 冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 3.23.2 土壤湿度检测电路土壤湿度检测电路 本设计采用土壤温湿度传感器 SLHT5-1。该传感器采用全量程标定，两线数 字输出，可直接与单片机连接实现，具有相当高的统一性，湿度测量限度为 0100%RH。能够把探头直接插入土壤中，并且可以在草地、花园、农业温室大 棚、苗圃等土壤中进行温、湿度的检测运用。具体检测电路见图 2 。 图 2 SLHT5-1 土壤湿度传感器检测电路 5 3.33.3 键盘及液晶显示电路键盘及液晶显示电路 该设计选取了 LCD12232F 液晶显示模块，其具有内置的字节库，不具存储 功能，采用并行连接的模式，使用起来相对便捷。用于显示系统的操作状态、 花卉种类、土壤温、湿度信息。键盘选取独立式的按钮，其中主要有复位按钮、 选取花卉类别按钮、开启按钮。开机时出现: “欢迎您的到来”，其次出现 “请选取花卉类别”。依靠对选取花卉类别按钮的设置，根据液晶屏出现的内 容，确明确花卉的种类。该系统主要有香雪兰、仙人球、银杏、牡丹、芦荟、 芍药、君子兰，总共七个品种的花卉，同时内置有七个不同的温、湿度范围。 在明确完花卉类别之后，将出现花卉的具体名称，到此为止设置完成。 3.43.4 水泵调节电路水泵调节电路 图 3 为水泵调节电路图，其中三极管发射极 E 连接继电器线圈的端点，线 圈的另一端接到+ 5V 电源 VCC 上，三极管 Q1 的基极 B 连接单片机 P3.6 上; 而继电器线圈两端并联二极管 IN4148，以实现继电器线圈停电时引发的反向电 动势的消除，避免反向电势击坏三极管、扰乱其余电路; R2 同红色发光二极管 构成一个继电器状态指示电路，如果继电器通电吸合，LED 将会变亮，由此就 可以实现对继电器操作状态的检测。 图 3 水泵调节电路图 其中系统水泵选取 220V 供电潜水泵，最大流量 1640L /H，浇花喷头选取 花洒喷头，达到均匀喷水目的，避免局部土壤湿度过高，检测不稳定。如果 AT89S52 单片机中 P3.6 引脚导入高电平，那么三极管饱和电流通过，+5V 电源 接入继电器线圈接口，使得继电器闭合，并且发光二极管工作状态也将变亮， 而继电器的常开触点关闭，也就是水泵通电，于是水泵进行浇水。另外，如 P3.6 引脚导入低电平，那么三极管将不会导电，继电器线圈两端由于无法产生电位 差，使得继电器衔铁断开，并且发光二极管的工作状态也将变熄灭，同时继电 器的常开触点断开，也就是水泵断点，于是水泵停止进行浇水。 3.53.5 报警电路报警电路 因为该系统主要应用在室内环境中，为防止水泵的开启影响到他人，该系 统内置了一个报警电路。通常水泵开启以前就会出现“嘟嘟嘟”的几秒警报声， 然后水泵才实现补水。该报警电路图见图 4。主要是单片机中 P3.0 引脚来决定 三极管开启与闭合，实现控制蜂鸣器的通断。 图 4 报警电路 3.63.6 单片机最小系统单片机最小系统 3.6.1 晶振电路设计 7 AT89S52 单片机芯片内部设有一个反相放大器形成的振荡器，XTAL2 与 XTAL1 各自是振荡电路中的输出端与输入端。同时在 XTAL1 与 XTAL2 引脚上连 接定时器件，其内部振荡电路于是能够实现自激振荡。定时器件一般是由石英 晶体与电容构成的并联谐振回路。系统选择 12MHz 的晶振片，两 30pF 的电容 C7 和 C8。 3.6.2 复位电路 本设计采用的按键复位电路，当要系统自动复位时，只需要按住 S 按键， 此时电源 Vcc 经过电阻 R1、R2 分压，并且在 RST 端产生一个复位的高电平。 同样，只要保证 RST 端保持高电压的时间大于两个机器周期时，系统自动能实 现正常复位。复位电路如图 5 所示： 图 5 AT89C52 单片机的复位电路 3.6.3 按键消抖方法 非编码键盘可以分为独立式键盘和行列式键盘两种结构形式。行列式键盘 是将 I/O 线的一部分作为行线，另一部分作为列线，按键设置在行线和列线的 交叉点上，这种结构形式的键盘适用于键数较多的场合，但硬件电路结构较复 杂。独立式非编码键盘中每一按键都独立地占用一条数据线，当一按键闭合时， 相应的 I/O 线变为低电平。对于处于常开状态的独立式键盘，当按键闭合时 I/O 线为低电平，当按键为常态时 I/O 线为高电平10。由于机械触点的弹性作 用，触点在闭合和弹开瞬间的电接触情况不稳定， 造成电压信号的抖动，。键 的抖动时间一般为 510ms。为了避免一次闭合引起的 CPU 多次处理，就要采 用措施消除抖动。去抖动的方法有硬件去抖和软件去抖两种方法。硬件去抖一 般采用双稳态去抖电路。软件消抖方法是在 CPU 检测到有键按下是，延时 1020ms，再次检测该键电平是否仍保持闭合状态，如果保持闭合状态，则确 认有键按下，否则从头检测。在本次设计中用到的键数较少，为了简化硬件电 路，选用独立式非编码键盘，并采用软件消抖的方法来消除按键抖动。 9 4 4、系统软件设计、系统软件设计 系统软件设计包括初始化、显示子程序、选择花卉种类子程序、土壤湿度 检测子程序、数据处理子程序、报警子程序等，主程序流程图如图 6 所示。 图 6 主程序流程图 本设计采用 AT89S52 单片机当做控制芯片，构造出一款智能浇花系统。本 系统根据花盆中土壤湿度来调节水泵的运行和中断。选取模糊控制形式来调节 浇水的量，同时对土壤湿度采取实时检测，并且与设定好模糊控制响应表的湿 度值做出对比，判定浇水量有没有满足标准，全面完成定时定量智能化浇花。 系统按照各种花卉的实际需求状况设定了对应的浇水量，只要开机后设定花卉 的类别，系统就可以自动早出需调节的温、湿度区域11。该系统置于家中阳台 上较为实用，通过实验验证效果明显。同时该系统能够实现在草场、花卉、温 室大棚、苗圃等场合应用，即方便又节约水源。 11 总总 结结 本次设计的系统以单片机为控制中心，用温度、湿度传感器来检测环境的 温度、湿度，依靠对温度、湿度传感器检测的温度与系统预设温度、湿度值的 对比。在实验过程中，检测到花卉缺水时，水泵于是开启进行供水，当水量达 到一定额度时，水泵自动停止供水。液晶显示器稳定的显示环境温度、湿度和 设置的温度、湿度。智能浇水系统是通过单机片程序设定浇水的上下限度，并 且还同温度、湿度采集电路送入单机片的土壤湿度值相比较，当传感器检测到 的湿度值低于设定的下限值时，单片机输入一个信号，开始浇水，高于设定的 上限值时，再由单片机输出一个信号，中断水泵并停止浇水。 通过本次毕业设计，使得我更深入的认识了单机片智能控制系统的结构和 原理，也使我实际上接触到了检测控制系统的设计，尽管该系统属于一个人