基于单片机的智能浇灌系统设计解读

1、 滨江学院 毕业论文(设计) 题 目 基于单片机的自动浇花系统设计 院 系 滨江学院 专 业 电子信息工程 学生姓名 XXXX 学 号 20102300291 指导教师 XXXXX 职 称 X教授 二XX 年 五 月 十 日 1 目 录 1 引言 . 3 2 系统设计 . 3 2.1 方案论证 . 3 2.1.1总体方案设计 . 3 2.1.2 芯片的选择 . 4 2.1.3 系统结构 . 4 2.2 系统硬件设置 . 5 2.2.1 AT89S51主要性能参数 . 5 2.2.2 时钟电路 . 6 2.2.3 AT89C51的复位电路 . 7 2.2.4 YL-69土壤湿度传感器 . 8 2

2、.2.5 ADC0832功能特点及引脚 . 9 2.2.6 ADC0832 的控制原理 . 10 2.2.7继电器 . 11 2.2.8 蜂鸣器及按键 . 11 2.3 系统软件设计 . 12 2.3.1 系统流程图 . 12 2.3.2 LCD1602显示程序 . 13 2.3.3按键程序 . 14 2.3.4 ADC0832芯片接口程序 . 15 3 仿真设计与硬件调试 . 15 3.1 仿真设计 . 15 3.2 硬件测试与调试 . 16 4 结论 . 16 参考文献 . 18 致谢 . 19 附录 . 19 2 基于单片机的自动浇花系统设计 XXXXX 210044 南京信息工程大学滨

3、江学院电子信息专业，南京 YL-69单片机作为控制中心，使用摘要：本次盆栽植物自动浇灌系统，系统是用AT89C51作为显示数据的模块，蜂鸣器作为通知模块，按键是用来LCD1602作为土壤湿度传感模块，进行信息处AT89C51湿度传感器进行土壤湿度的采集，单片机通过设定报警的数值。YL-69理，输出控制信号，控制信号通过控制继电器控制水泵电源是否通断，从而完成自动浇水，浇水的同时蜂鸣器会发出声音提示。 LCD1602 水泵；单片机;关键词：YL-69；湿度；AT89C51 1 引言随着生活水平的提高，人们已经不再满足于仅仅追求普通温饱的生活方式，而是希望自己的居住生活的环境变的更加好，有清洁的空

4、气，所以很多人在休闲时间自家的阳台上种植植物。植物是离不开水的，花盆存储水分容量是有限的，需要定期浇水，很多都市白领因工作可能会忘记给植物浇水，这样会导致植物由于缺乏水分枯萎而死。 因为不同的花和植物需要水的不同特点，所以合理地浇水会使植物生长良好，也能达到节约用水的目的，因此，高效的灌溉系统是能够根据人们的意愿进行适量、适时的方向发展。所以，本设计主要包括两个方面，一是测量，获取土壤水分信息，并根据土壤水分、湿度和植物需水特性的多少来确定浇水的水量。这将摆脱过去，只有浇水的经验，给植物浇水要在科学基础上的决策。二是控制，根据对土壤研究及植物需水特性进行合理的浇水决策，即将传统的只是凭经验由人

5、工手控制洒水器的方式，变化为自动进行适量的、适时的、按需的灌溉控制。系统根据由测量土壤湿度和植物合理的生活环境，通过抽水装置控制给水量的多少，从而使得水资源能够得到高效的使用，同时也节省了人力，达到智能灌溉的目的。 2 系统设计 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，其中大部分都是使用虹吸原理进行灌溉的，即是使用渗透的方法灌溉，这种灌溉的方法是连续地、不间断的。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的良好环境，并且浪费水资源。 本设计提供了一种智能浇灌的系统，这个系统可以在没有人的环境下在对植物进行浇灌，在浇水的过程中,根

6、据植物需要水分的不同，对植物进行浇水控制。这个系统是根据单 3 片机原理，运用土壤湿度传感器进行数据的收集，然后通过按键调整上下限，在通过单片机对收集数据的分析及处理，进而判断外界土壤湿度值，假如土壤湿度低于设置的下限，单片机控制水泵浇水同时蜂鸣器发出通知，当土壤湿度达到上限就停止浇水，从而达到自动浇花的目的。本实验重要完成以下的几个功能：1.用YL-69检测土壤湿度；2.使用LCD1602显示测量的数据3.通过分析植物生存的最佳环境设置浇灌的上下限；4.使用单片机对采集到的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的，硬件划分为单片机主控、显示、土壤湿

7、度的检测、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的分析及处理；YL-69作为湿度检测模块；湿度的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的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的。软件结构与硬件配置相适应，同样是使用模块化，它主要包含主程序、湿度采集子程序、显示数据子程序、按键输入子程序、执行子程序及系统定时中断服务程序等组成。这个系统很灵活，有较强的交互性，可以随时设置湿度的上下限；在系统的开发设计中，应当将软件和硬件相互结合起来，并且个个部件都使用模块化的设计思路。实验检验说明，该系统测量数据误差小、运行稳

8、定，有着很可靠的使用效果，所以可以被广泛的推广使用。 2.1.2 芯片的选择 ? 芯片的选择：AT89C51是由Atmel生产的低电压、高性能CMOS8位单片机，同时AT89C51有着便宜的价格，而且它和 MCS-51系列有这很好的兼容性。因此在这个系统中采用AT89C51作为控制芯片。 ? A/D转换：ADC0832是具有双通道和8位分辨率的A/D转换芯片。由于其性价比高、体积较小、兼容性很强的特点，因此深受广企业欢迎及单片机爱好者喜爱，目前的普及率已经很高。 ? 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的工作。由于工作电压在只需要5V左右，并且成本相对而言比较低。所以在这个

9、系统中选择了型号为松乐SRS-05VDC-SL型号的继电器。其工作电压在 5V，其触电容值为3A/250VAC/30VDC,而且在市场上的价格为1.5元左右。 ? 显示器的选择：在系统的设计过程需要一个显示土壤湿度值的显示器。LCD1602是一种专门可以显示英文字母、阿拉伯数字及符号的点阵型液晶，其能够同时显示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。系统原理图如图1所示。 4 LCD160显电源电AT89C51单 蜂鸣器土壤检测 片 机 水泵电路按键 1 系统原

10、理图图 2.2 系统硬件设置 主要性能参数2.2.1 AT89S51 系列彻底兼容；MCS51? 与 闪速存储器；4K字节可重复擦写Flash? 次擦写周期； 1000? 的工作电压范围；5.5V? 4.0 24HZ； 全静态工作模式：0HZ? 三级程序加密锁；? 接口；I/O 32个可以编程的? 低功率空闲和掉电模式；? 个中断源；有6 ? 128*8；RAM? 内部字节为 位定时计数器；个 216? 通道；全双工串行UART? ）及双数据指针；看门狗（? WDT 掉电标识和快速编程特性；? 5 2 AT89C51引脚图图 2.2.2 时钟电路引脚为放和XTAL2里面包括了一个高增益方向的发

11、达器，其中XTAL1在单片机AT89C51XTAL2与大器的输入端与输出端，为了构成一个稳定的自激式的振荡电路，需要在XTAL1单该振荡器电路的输出可直接送入内部时序电路。引脚上接上晶体振荡器或是陶瓷振荡器， 产生时钟的方式有两种，即为内部时钟和外部时钟。片机AT89C51 的时钟电路AT89C51图3 单片机内部时钟模式即是由单片机里面的高增益方相放大器以及外部跨接 内部时钟方式：1) 所示为装置的工作原理。的晶体、微调电容结构时钟电路产生的方式，如图3能够轻微的调整频率，陶、C1C2；或通常使用、在内部时钟方式里，C1C230pF40pF之间。为了能够保护振荡器的可靠性、1.2MHZ12M

12、HZ瓷谐振器或者晶振的频率的选择应在 6 稳定性、减少寄生电容产生，在安装的时候应该将电容及振荡器安装在离单片机引脚XTAL1和XTAL2更近的地方。单片机系统中大多数使用外部电路连接简单的内部时钟方式。在现实中常常使用FSOC来表示内部时钟方式产生的时钟信号的频率（晶振固有频率）。如果fsoc6 的晶振。，那么应该选择12MHZ为12*10HZ其直接连接到外部时钟方式的产生是在发生单片机之外的电路中， 外部时钟方式：2) 所示：引脚端口相连，电路图如图3单片机的XTAL1引脚端口，不与XTAL2 的复位电路2.2.3 AT89C51端口，在单片机上有电通过的时候，时钟电路就会进行运单片机的复

13、位端AT89C51RST那么单片机将会进行RST端口，作，如果在运作过程中有大于2个周期的高电平存在并通过复位后的单还有一种方式能够使单片机进行复位操作的，那就定时器计数溢出。复位操作。开始取值执行单片机的外部复位电路有上电自从程序存储器的0000H片机，PC=0000H，CPU 动复位和按键手动复位两种。其是由电阻和电容所示，这是一个最简单的上电复位电路，上电复位电路。如图41) 由于电容的固有特性使得其两端的电压不能够瞬间发生改串联形成的。在通电的那一瞬间，引脚的电压会RSTVCC，在电容重点的时候，变，所以单片机的RST引脚电压端VR的电压为RST，跟着由时间的增加电容会充完点，端电压降

14、到3.6V所示的到图5t1时刻，RST下降，引脚的电压变化。要使得单片机进行成功的复RST5所示为端口的电压将会接近0V。如图和机械周期的时间之和，在单片机中，机器周期是由晶振的时间不应该小于2t1位操作，可以通过电阻中的C3；图4不能够很小，最典型值位频率决定的，图4中，电阻R 8.2k 算出R和其频率f。 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的数值大多是较小的，仅仅为几十欧姆，在按下复位按钮之后，电容C3快速通过电阻R2进行放电，放电完成后VR=（R1*Vcc）/（R1+R2），由于 7

15、R2远远小于R1，电压VR与VCC基本相同，使得RST引脚的电压为高电平，将复位键松开后，过程与上电复位相同。 3) 实际应用中的复位电路。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。在单片机的系统中，位了能够使复位键稳定的工作，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，这样是为了能够使系统的干扰性大大提高。如果在系统中需要多个复位芯片时，而这些复位芯片的要求和单片机的复位系统相同时，可以将芯片的复位端连接到单片机的复位端。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) 微处理器复位、

16、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，实际应用系统的复位电路也常采用微处理器复位、监控集成电路，如MAX706等。这种专用集成电路除了提供可靠的、足够宽的高低电平的复位信号外，同时具备电源监控、看门狗定时器功能，有的芯片内部还集成了一定数量的串行 EEPROM或RAM，功能强大，接线简单。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，单片机将从程序存储器的0000H开始重新执行程序。因此，单片机运行出错或进入死循环时，可通过复位使

17、其重新运行。 7 74HCl4为施密特反相器图 2.2.4 YL-69土壤湿度传感器是一个简单的土壤湿度传感器，其原理为湿敏电容，当环境的湿度发YL-69导致湿敏电容中的电会使得湿敏电容存在的环境中的介质发生改变，生改变时，容数值产生变化，电容的数值正比于湿度值。由于湿敏电容有这很高的灵敏度、在系统中，滞后量小的特点，所以湿敏电容很容易小型化和集成化。响应速度快、位，8JP2完成的。其在系统中电路原理图如图土壤湿度数据的采集是有YL-69 探头。YL-69 8 转化电路与AD图8 YL-69 功能特点及引脚 ADC08322.2.5）的（National Semiconductor位A/D转换

18、器，它是由一家名为NSADC0832是串行接口8与单片机通过三根线连接，其有着性价比高、耗能低的特点，适合使公司生产的。ADC0832级，一位分辨率的，所以其分辨率最高级能够达到256用在小型的智能设备中。ADC0832是8的数据校对是通过双数据输出来完成的，这是为了达到减般的模拟量都不成问题。ADC0832为了减少数据的误差，其校对少误差的目的，转换的速度快并且有很强的稳定性。ADC0832能够独立输入，因此处理数据是使用具双数据的，有较快转换速度并且稳定性强。ADC0832端进行数据输入，可以让通道功能的选择变的简单。器能够更方便的控制多个器件。使用DI 其主要特点如下： ；8位分辨率，基

19、准电压为5V? 。 功耗低仅仅为15mW? 的电源供电； 5V? 兼容；及TTL? 输入和输出电平与CMOS 5V之间；0? 输入模拟信号的电压范围在到 有两种可以供给选择的模拟输入通道；? 32us；在时钟频率为250KHZ时，转换时间是? 所示。各引脚说明如下：引脚排列如图9的DIP和SOIC两类，DIPADC0832ADC0832有 CS 片选端，低电平有效。? CH1两路模拟信号的输入端。? CH0， 数据信号输入，选择通道控制。? DI DO数据信号输出，转换数据输出。 ? 串行时钟输入端。? CLK 电源的输入和参考电压输入。 ?Vcc/REF 9 ? GND电源地。 图9 ADC

20、0832引脚图 2.2.6 ADC0832 的控制原理 ADC0832在通常的情况下有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的在通信并不是会同时使用DO端口和DI端口，并且DO和DI端口与单片机的接口是双向的，所以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没有运行时，它的端口CS为高电平，这个时候芯片将会禁止，DO/DI和CLK可以为任意电平。如果需要进行A/D转换，那么CS端口必须为低电平并且需要保持到A/D转换完成为止。在芯片开始工作的时候，处理器将会向ADC0832的时钟输入端CLK提供时钟脉冲，DI端口将会进行数据信

21、号的选择 ，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启动。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能，其功能项如表1所示。 表1 ADC0832的配置位 输入形式 配置位 选择通道 CHO CH1 CH0 CH1 + 0 - 差分输入 0 + 1 - 0 + 1 0 单端输入 + 1 1 如表1所看到的，在配置位CH0与CH1的数字为1、0时，仅仅可以对CH0进行单通道转换。在配置位CH0与CH1数字为1、1时，仅仅可以对CH1进行单通道转换。在配置位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

22、两者进行输入。在配置位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。 在第三个脉冲来到以后，DI端口就失去了输入电平的功能，在这以后DI/DO端就会开始通过DO数据输出端进行转换数据的读取。从第四个时钟脉冲起，转换数据的最高位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的输出。与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的。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转换即完成了一次。在将CS设置为高电平，使得芯片不能够使用，最后对转换的数据进行预订的处理就可以了。

23、10 2.2.7继电器 继电器作为一种电控制的器件，是当输入量（激励量）的变化抵达器件规定的要求时，在电气输出的电量里会被控制发生预定阶跃变化的一种电器。继电器的控制系统（输入回路）与被控制系统（输出回路）之间是相互有着联系的。继电器常常被应用其控制自动化的电路中，其实际上可以看做是用小电流去控制较大的电流工作的一类“自动开关”。因此继电器在电路中起着保护电路、自动开关的作用。 继电器种类很多，本系统采用的是电磁继电器，电磁继电器大多数是由线圈、铁芯、衔铁及触点簧片等构成的。只要有一定的电流在线圈的两端流过，继电器内部就会产生电磁效应产生磁力，在磁力吸引的作用下，衔铁快克服了弹簧拉力的作用，将

24、会吸附在常开触点上，使得电机M开始工作。在线圈没有通上电的时候，电磁效应也会同时消失，衔铁快会在弹簧拉力的作用下回到其原有的位置即断开触点，通过控制线圈的通电与断电，从而达到衔铁快与两触点之间的选择连接，使得达到电路断开及导通的目的。 图10 继电器控制水泵 图10中Q2PNP型三级管的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，D2的LED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的报警系统部分，其电路图结构如图11所示。当PNP三极管导通时，蜂鸣器响起。 11 蜂鸣器报警图11 湿度值调整位设置湿度值的按键、S3所示

25、。12S1位复位键、S2按键：按键设计如图 湿度值调整减键。S4加键、 按键电路图12 2.3 系统软件设计 系统流程图2.3.1 设置湿度上对采集到的数据进行处理的程序、系统软件设计包括对土壤湿度检测程序、 所示。下限的程序、显示程序、蜂鸣器程序等。主程序流程如图3 12 开动界设置湿度上下检测土壤湿数据处判断是否浇花启动报开启水判断浇花是否结束关闭水泵 程序流程图图13 显示程序2.3.2 LCD1602使用电压能够控制显LCD1602的显示是通过液晶的物理特性原理来实现的，液晶显示器能够在大规模电路下直接示区域，当有电的时候，液晶就能够显示图像。液晶显示器很薄，移动通信智能相机、被驱动运

26、行，很容易实现彩色显示，当前已经被广泛使用在平板电脑、 液晶显示器的写指令以及写数据程序如下所示：工具等方面，LCD1602 void write_com(uchar com)/写指令 rs=0; rd=0; lcden=0; P0=com; delay(5); 13 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; 按键程序2.3.3这个但按键闭合式，按键是有机械特性。并不能马上保存良好的

27、接触，二十来回弹跳。时间很短，我们的手根部感觉不出来。但是对于每秒能够执行上百万次指令的单片机来说，单片机会读到很多次的高低电平。这个时间相对来说还是很长的。在这段上下抖动的时间里，我们是手一直按那么系统会认为按键被按了多次。而事实上，如果不对其进行适当的处理，根据一系统就需要避开这段时间。这并么有重复多次。若是要想正确的判断按键是否按下， 般按键的机械特征，这段时间一般在10ms30ms之间。按键流程图如图14所示。 键还按下？ 开始 读取键值 键按下？30ms 延时 等待释放 按键流程图图14 unsigned char v_readkey_f(void);/延时程序 unsigned c

28、har key; 14 if(P17=0) delay(30); /延时30ms if(P17=0) key=1; while(!P17)/等待释放 else key=0 2.3.4 ADC0832芯片接口程序 为了能够让信息的流通变得快速有效，系统需要使用C语言进行接口程序的编写。模数转换装置ADC0832的转换时间只有32us，因此A/D转换的频率会非常快，这也保证了A/D转换数据在一些特定场合的要求。数据在程序中是以子程序的方式形成的，这样可以方便程序的移植。ADC0832读取数据流程图如图15所示。 开始 字节数据读取2 字节数据矫正能使芯片 将值送入指定寄存器产生时钟信号 结束 输入

29、通道控制字 读取数据流程图15 ADC0832图 仿真设计与硬件调试3 仿真设计3.1 再通LCD显示相应的数值。本次仿真实现了通过对右边可变电阻模拟湿度传感器，使得单片机控制蜂鸣器进当湿度低于一定数值时，过对中间按键模块输入相应的温湿度上下限，行通知处理。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 所示。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 15 14 图仿真图 3.2 硬件调试单片机中。接通电源，改变土根据电路原理图，焊接出实物，在将程序烧录到AT89C51反之需要进观察实物是否正常运行。若正常运行则不需要进行硬件的调试工作，壤湿度值， 行硬件

30、的调试。调试步骤如下： 检查电路板电路焊接是否正确及各部件是否松动和安装正确；、1 用万用表检查是否有虚焊、引脚短路现象；2、 测试元件是否毁坏；、 3 、联机仿真调试；4 测试结果及结论 本系统经过一段时间的运行检测，工作正常，说明本系统稳定性良好；1、 系统可以在不同的土壤湿度条件下进行正常的工作，与理论相符，说明程序正确；2、 系统可以快速准确的测量出土壤的湿度，因此认为系统在响应时间上能满足要求。、3 结论4 采用现代这系统是根据电子类自动浇水装置工作原理为基准，这次植物自动浇灌系统，使其浇灌再通过单片机控制系统对各个部分进行控制，传感技术采集土壤水数据进行采集，模块是否进行运作。这个

31、植物自动浇灌系统分为两个部分，一个是通过检测土壤数据并在 16 LCD1602上进行显示，二是通过系统分析对浇灌系统进行控制。YL-69作为土壤湿度检测的传感器模块，在把土壤检测到的数据传输到单片机系统中，并通过单片机是I/O输出到LCD上进行显示。在LCD上显示的数值即是土壤湿度值，这也是判断是否进行浇灌的数值。自动浇花部分和检测到土壤湿度并显示部分构成了系统的控制部分和数据检测部分。它设计为智能性，自动浇花部分是通过单片机分析有YL-69土壤湿度检测装置检测到的土壤数据，当系统检测到土壤湿度值低于设定的下限值时，那么系统通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，系统通过土壤

32、湿度检测装置检测都土壤湿度数值高于设定的上限值时，系统再次控制继电器控制浇灌系统停止浇水。 17 参考文献 1 张兆明.基于AT89C52的家庭智能浇花器的设计J.电子设计工程,2011.03 2 程捷、何晨.基于单片机的温湿度检查系统设计与实现J.仪表技术,2011.06 3 赵丽、张春林.基于单片机的智能浇花系统设计与实现J.长春大学学报,2012.09 4 袁腾、王帅、梅明、姜天华.基于单片机原里的可定时自动浇花器J.高科技产品研发，2012.07 5 刘明真、陈鸿.基于单片机智能节水灌溉系统的设计J.学术问题研究，2011.01 6 甘龙辉.基于单片机自动灌溉系统的设计J 7 郭天祥.

33、51单片机C语言教程M 8 AT89S51 单片机的硬件结构/view/ccf0900879563c1ec 5da7148.html 2012.11.24 9 Nilesh R. Patel Rahul B. Lanjewar Microcontroller Based Drip Irrigation System Using Smart Sensor J,2013.8.13 18 致谢 在我学年论文即将完成之际，标志我的大学生活还有半年就将结束。回想起这三年半的大学生涯，我的心情久久不能平静，我的求学生涯在家人、师长、同学朋友的大力支持和帮助下，走的艰辛却也收获丰盛。尽管我崇尚伟人、名人，可是今天的我需要将我的敬意和赞美献给一位平凡的人，我的导师XXX副教授。您治学严谨，学识渊博，思想深邃，视野雄阔，为我营造了一种良好的精神氛围。授