太阳能庭院自动浇花系统_戴晓康

1、毕业设计题目： 太阳能庭院自动浇灌系统设计 学院（部）： 电气工程学院 专业班级： 电气13-2 姓 名： 戴晓康 学 号： 201325072 指导教师： 万军 2016年 5月 21日浙江水利水电学院毕业论文（设计）摘要 本设计主要的内容是土壤湿度检测电路控制自动浇花系统的设计与制作。此次设计采用STC89C52 单片机外接湿度传感器、显示模块、电机驱动模块、按键模块，组成太阳能庭院自动浇花系统。在控制器的控制下，探测器检测土壤温湿度，将检测值传送回来。 经控制器判断该值是否在正常温湿度范围内，若低于温湿度的最小值，发出浇水指令，让水泵自动出水；若高于最大值，发出终止浇

2、水指令，让水泵停止浇水。本次设计的意义就是实现了庭院植物能够在不一样的环境中也能够保持正常生长的状态，因为植物生长是离不开一个湿度适宜的土壤环境的，自动浇水系统能够很精准的检测出来土壤的水分含量，能够智能化的在恶劣环境或者无人管理的情况下帮助植物正常生长。关键词单片机；自动浇花；湿度检测；湿度传感器。目录摘要1关键词1目录2第一章 绪论41.1 选题的目的和意义41.2 自动浇水器的诞生背景及国内外发展现状41.3 设计任务5第二章 系统设计62.1 整体方案设计思想62.2 结构图72.3 主要器件选择与说明82.3.1 输水灌水设备82.3.2 电磁阀的选择8第三章 数据计算93.1 负载

3、计算93.1.1 灌溉地概况93.1.2 需水量93.1.3 平均每天日照93.1.4 负载的日均最少消耗量Ql93-2 蓄电池容量计算选取103.2.1 计算103.2.2 蓄电池容量选取10第四章 控制电路114.1 主电路114.2 模块说明124.2.1 最小系统124.2.2 输出电路144.2.3 电源电路154.2.4 显示电路164.2.5 键盘电路194.2.6 湿度检测模块20第五章 控制流程图21第六章 总结22第七章 致谢23第八章 参考文献24附录25附录A 原理图25第一章 绪论1.1 选题的目的和意义随着社会的进步，人们的生活质量越来越高。在庭院养殖可以陶冶情操，

4、丰富生活。同时盆花可以通过光合作用吸收二氧化碳，净化室内空气，在有花木的地方空气中阴离子聚集较多，所以空气也特别清新，而且许多花木还可以吸收空气中的有害气体，因此，养殖如今被许多人喜爱。浇水量是否能做到适时适量，是养殖成败的关键。花草生长问题大部分是由花儿浇灌问题引起的；好不容易种植几个月的花草，因为浇水不及时，长势不好，用来美化环境的花草几乎成了无用功，不种植吧，庭院没有绿色衬托，感觉没有生机；保留吧，花草长得不够旺盛，还影响庭院装饰效果。虽然市场上有卖小型庭院自动浇水器，但价格十分昂贵，并且大多只能设定一个定时浇水的时间，很难做到给植物自动适时适量浇水。夜有较经济的植物缺水报警器，可以提醒

5、人们及时的给植物浇水。可是这种报警器只能报警，浇水还需要人们亲自动手。当家里无人时，即使报警也无人浇水，就起不到应有的作用了。因此，我想设计一种集庭院土壤湿度检测，自动浇水以及蓄水箱自动供水于一体的庭院自动浇水系统。让人们无暇顾及时也能得到及时的浇灌。1.2 自动浇水器的诞生背景及国内外发展现状微喷系统是近几年利用国内外先进技术组装的新型灌溉设施，主要是利用水流通过管道系统以一定速度从特制的喷头喷出，在空气中分散成细小的水滴着落在花草植物。作物及周围的地面上，从而达到及时补充水分的目的。该系统具有用水量少、冲击力小的灌溉特性，适用于栽培密度大、植被柔软细嫩的植物。自动浇水器的诞生时随着人们生活

6、水平的提高和生活节奏的加快而诞生的一种懒人园艺用品。它把微喷的概念应有庭院浇灌中，通过相应地改进，达到合理给庭院自动浇水的目的。 1.3 设计任务本次毕业设计任务是设计一种单片机控制的自动浇水系统，实现太阳能庭院浇水的自动化系统。该系统可对土壤的湿度进行监控，并对作物进行适时适量的浇水。其核心是单片机和温湿度采集和显示电路以及浇水驱动电路构成的检测控制部分。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。检测部分，单片机选用STC89C52单片机，软件选用C51语言编程。土壤温湿度采集于显示电路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

7、精确的将温度与湿度分别显示在LCD显示屏上，同时把程序发给另外一块单片机，通过单片机内的中断服务程序判断是否要给盆花浇水，若需浇水，则单片机系统发出浇水信号，开始浇水，若不需要浇水，则进行下一次循环检测。在浇水系统中也同时设计一个定时浇水部分，通过按键开关设置不同的浇水时间段，在时间段以内时，单片机驱动浇水系统，开始浇水，如不在时间段内，则不浇水。第二章 系统设计2.1 整体方案设计思想 本次毕业设计是设计一种单片机控制的自动浇水系统，实现庭院浇水的自动化系统。该系统可对土壤的湿度进行监控，并对作物进行适时适量的浇水。其核心是单片机和温湿度采集和显示电路以及浇水驱动电路构成的检测控制

8、部分。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。检测部分，单片机选用STC89C52单片机，软件选用C51语言编程。土壤温湿度采集于显示电路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，同时把程序发给另外一块单片机，通过单片机内的中断服务程序判断是否要给植物浇水，若需浇水，则单片机系统发出浇水信号，开始浇水，若不需要浇水，则进行下一次循环检测。在浇水系统中也同时设计一个定时浇水部分，通过按键开关设置不同的浇水时间段，在时间段以内时，单片机驱动浇水系统，开始浇水，如不在时间段内，则不浇水。2.

9、2 结构图供电系统图2-1自动浇花系统是由电源部分、检测系统、控制系统以及浇水运输部分组成的。电源部分是直接使用蓄电池；控制部分通过检测土壤湿度传单器将信号传到计算机，然后启动抽水机以及水路灌溉部分的多路分水阀门，电磁阀门控制的喷头就开始工作。图2-1 水路灌溉系统示意图2.3 主要器件选择与说明 2.3.1 输水灌水设备 （1）给水管道的选择以及说明:选用给水用PE管材是传统的钢铁管材、聚氯乙烯饮用水管的换代产品。给水管必须承受一定的压力，通常要选用分子量大、机械性能较好的PE树脂，如HDPE树脂。LDPE树脂的拉伸强度低，耐压差，刚性差，成型加工时尺寸稳定性差，并且连接困难，不适宜作为给水

10、压力管的材料。但由于其卫生指标较高，PE特别是HDPE树脂已成为生产饮用水管的常用材料。HDPE 树脂的熔融粘度小，流动性好，易加工，因而对其熔体指数的选择范围也较宽，通常MI在0.3-3g/10min之间。（2） 喷头的选择以及说明:1. 大射程地埋式旋转喷头：全圆以及扇形可调融为一体，适用于大面积草坪。2. 中等射程地埋式旋转喷头：全圆以及扇形可调融为一体，适用于中等面积草坪。3. 摇臂喷头：具有全圆和角度可调特性，适用于坡地以及大面积草坪或者非草坪地带。4. 散射喷头：适用于小面积草坪和灌木区域，有多种型号和弹出高度可供选择。5. 涌泉喷头：具有植被、灌木和树木灌水，具有可调和压力补偿功

11、能。2.3.2 电磁阀的选择喷水的出于安全考虑线圈电压用12V，24V，36V的。水用有ZCST型的，根据流量匹配通径，线圈电压用12V，24V，36V的。我选用双稳态电磁阀，双稳态电磁阀主要应用于水、液体或可燃性所在液体管路中的自动控制系统或IC卡水表使用。双稳态电磁阀采用先进的脉冲和永磁技术，只需通过控制器切换脉冲的电极触点来改变阀的开、关状态，当控制器发出电脉冲时，驱动磁芯带动阀瓣克服永磁力产生上下位移、阀瓣到位后永磁作用下处于自保持状态。他的好处就是响应迅速、使用简便、高效节能等优点。第三章 数据计算 3.1 负载计算 3.1.1 灌溉地概况我们实验选取的是杭州临安某养殖场由乔木、灌木

12、、花卉、等多种植物组成的区域，水源由室内自来水提供灌溉，所需的灌溉的面积为1亩，若每个生长季每亩用水80平方米。3.1.2 需水量具体分析 所需用水量：m³/年3.1.3 平均每天日照根据省内的气象公报，取得杭州本地的日照时长T=1800h/年，若取60%即1080h为标准辐射时，则平均每天在日照时数为：T(每天)=1080/365=2.96h/天，即平均每天 的标准辐射日照最少2.96h。则流量：（1000L=m³）3.1.4 负载的日均最少消耗量Ql 每台电磁阀DC20W，共需要3台，共60瓦。 3.2 蓄电池容量计算选取3.2.1 计算 计算蓄电池容量 Q 考虑前面算

13、出的负载日平均最少耗电量及最长连续阴雨天数可求出所需的蓄电池容量。 Å ： 安全系数:一般取 1.1-1.4Q ：负载的日平均耗电量 ；Nl：最长连续阴雨天数；T0：温度修正系数 ;一般0以上取 1 ，10。C 以上取 1 .1 ，-10以下取 1 2 . C 蓄电池放电深度 ；铅酸蓄电池取 0. 75 ，碱性镍镉蓄电池取 0 85 . 若现在选择固定式铅酸蓄电池 ，Cc为 0 7.5 , Nl为 3 天 ( 考虑到雨天没有灌溉的问题 ，这里主要是阴天的影响 所以取值相对较小) ，T0取1.1. 3.2.2 蓄电池容量选取全密封铅酸蓄电池选用 上海鸿贝电源系统有限公司B B 12V

14、33A H 。 12V , 33Ah 两节串联使用 ，电压 24V , 容量66Ah。满足上诉就算结果的要求。蓄电池组并联于负载电路，保证不中断负载供电。第四章 控制电路4.1 主电路图 4 -1 主电路图 整个花园自动浇花系统控制电路由最小系统、输出电路、电源电路、显示电路、键盘电路、湿度检测模块6个部分组成，4.2 模块说明4.2.1 最小系统图 4 -2 最小系统该图为最小系统，采用 8052作为控制微机 ，最小系统主要可以分为时钟电路和复位电路。时钟电路有个晶振和两个小电容组成 提高了单片机的工作时间的精度。 复位电路由电容和电阻组成，是使得系统正常的初始化，当由于程序运行出错或操作错

15、误使系统处于死锁状态时也可按复位键以重新启动 。（1） STC89C52的简介STC89C52是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集合输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ALMEL的STC89C52是一种高效微控制器，STC89C52单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且廉价的方案。（2）振荡电路和时钟在STC89C52芯片内部，有一个振荡电路和时钟发生器，引脚XTAL1和X

16、TAL2之间接入晶体振荡器和电容后构成内部时钟方式。也可以使用外部振荡器，由外部振荡器产生的信号直接加载到振荡器的输入端，作为CPU的时钟源，称为外部时钟方式。采用外部时钟方式时，外部振荡器的输出信号接至XTAL1，XTAL2悬空。 在STC89C52单片机内部，引脚XTAL2和引脚XTAL1连接着一个高增益反相放大器，XTAL1引脚是反相放大器的输入端，XTAL2引脚是反相放大器的输出端。（3）STC89C52的中断系统为了提高系统的工作效率，STC89C52单片机设置了中断系统，采用中断方式与外设进行数据传送。所谓“中断”，是指单片机在执行某一段程序的过程中，由于某种原因（如异常情况或特殊

17、请求），单片机暂时中止正在执行的程序，而去执行相应的处理程序，待处理结束后，再返回到被打断的程序除，继续执行原程序的过程。4.2.2 输出电路图 4- 3 输出电路该输出电路中电磁阀驱动电路接在单片机p1.6口上，1.6引脚输出低电平，三极管导通，电磁阀是由自来水管口接出控制喷头，电路中三极管的作用是低电平导通。4.2.3 电源电路图4-4电源电路该电路是提供整个系统的电源，p2是DC（5V直流电源接口），DC接自锁开关，2，3脚接地，给整个电路供电。4.2.4 显示电路图4-5显示电路该显示电路有八个 74八LS06 集电极高压输出的六反相缓冲器 ，8个电阻起限流作用 ，共阳极显示器接着四个

18、与非门， 分别来控制显示的数字。LCD1602显示1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如图16所示。 图16 LM016L结构图LCD1602主要技术参数： 容量:16×2个字符芯片工作电压:4.55.5V工作电流:2.0mA(5.0V)模块最佳工作电压:5.0V字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm引脚功能说明：1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表1所示：表7引脚接口说明表编号符号引脚说明编号符号引脚说明

19、1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极第1脚：VSS为地电源。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：VL为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度。第4脚：RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第5脚：R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当RS和R/W共同为低电平时

20、可以写入指令或者显示地址，当RS为低电平R/W为高电平时可以读忙信号，当RS为高电平R/W为低电平时可以写入数据。第6脚：E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚：D0D7为8位双向数据线。第15脚：背光源正极。第16脚：背光源负极。 4.2.5 键盘电路图4-6键盘电路该电路有三个按键 ，分别是 S2 递增按键 、 S3移位按键 、 S4切换 ( 确认 ) 按键。 通过 S2 递增按键设定时间值, S3移位按键是三个按键的转换设定, 最后按 S4切换键即确认就可以设定所需的时间 。 天根据天气的情况设定不同的值就能更合理的浇灌植物 。4.2.6 湿度检测接口图

21、4-7湿度检测模块土壤温湿度采集与显示系统以单片机STC89C52为控制核心，通过软件设置达到具体动作实现。土壤的温湿度是由ADC0832和两个点位器进行模拟并送入单片机，通过单片机的I/O口把检测到的土壤温湿度值用LCD显示出来。同时，如果系统在智能浇水设置情况下，则该值与设定的浇水上下限值相比较，若低于下限值，则单片机发出一个控制信号，开始浇水。若高于上限值时，单片机再发出一个控制信号控制，停止浇水。如果系统设置在手动浇水情况下，则按照设定好的定时浇水时间进行浇水，温湿度检测电路把检测到的土壤温湿度值显示在LCD上，以达到对土壤温湿度实时监测的目的。第五章 控制流程图设置土壤湿度初始值最低

22、值，最高值，土壤湿度检测装置检测湿度，将信号模数转化经过数据处理在显示屏上显示当前湿度，与设定初始值进行对比，当湿度小于初始值最低值时，则单片机发出一个控制信号，开始浇水。若高于上限值时，单片机再发出一个控制信号控制，停止浇水。第六章 总结本次设计的庭院自动浇水系统以电子类的自动浇花器的工作原理为参考，运用温湿度采集电路及单片机控制技术构成一个土壤温湿度采集与控制系统。再用数字电路控制自动给水系统及时的浇水系统供水。整个庭院自动浇水系统包括土壤温湿度的采集和显示、计数器的设置与显示两个个部分。土壤温湿度的采集和显示以ADC0832配合两个电位器为感应电路，将检测到的土壤温湿度值送入STC89C

23、52单片机，再由单片机的I/O口输出到LCD液晶显示屏进行显。同时此湿度值也是是否给盆花浇水的参考值。它设计为智能和手动两个部分：智能浇水系统是通过单片机程序设定浇水的上下限值并与温湿度采集电路送入单片机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，单片机输出一个信号，开始浇水，高于设定的上限值时再由单片机输出一个信号，停止浇水；手动部分是由单片机从数码管读入月份与每天的实时时刻，通过软件程序设定定时浇水的时间。通过按键开关对当前时间以及定时浇水时间进行设置，共阴数码管显示，当时间处在所设置的浇水时间内时，单片机发出控制信号，开始浇水。否则，停止浇水。过本次毕业设计，让我进一步熟悉了一些元器件的功能和属性。也使我真正接触到了控制系统的设计，虽然是一个人们日常生活的小系统，但也让我明白了很多设计上应该注意的问题。比如实用性。经济性以及安装条件等。第七章 致谢本毕业论文是在我的导师万军副院长老师的亲切关怀和悉心指导下完成的。他严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。从课题的选择到项目的最终完成，万军老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。在课题的整个研究工作期间，我曾遇到