【基于单片机的绿植自动浇水系统设计与实现9000字（论文）】

I基于单片机的绿植自动浇水系统设计与实现摘要现如今社会发展迅速，生活节奏加快，我国社会上班族的工作时长逐渐增加，因社会的发展虽然生活质量极大提升，但对于养绿植爱好者来说往往会因为出差或工作繁忙等问题导致家中的绿植无法及时得到照顾，如何更加合理、适时适量的给绿植浇水，实现无人看护也是困扰他们许久的问题。当今社会现代化发展迅速，更多的先进的科学技术运用到农业、种植业中，自动化技术已成为生活中的重要技术手段，将单片机运用到绿植浇水系统中也越来越受到养花者的青睐的一种自动浇水系统，利用系统中的主要传感器土壤湿度传感器实现对绿植的所处土壤环境的实时监测，将数据及时反馈至单片机中并加以数据处理判断分析，从而控制系统实现对绿植的自动浇水。关键词:自动浇水系统；STC89C52单片机；光敏电阻；土壤湿度传感器目录TOC\o"1-2"\h\u72631绪论 1145941.1课题背景 1140791.2课题意义 1302171.3课题研究内容 2122502系统总体设计方案 5306612.1整体设计架构 5290212.2实现方案 5154222.3方案论证 6290682.4方案选定 764003硬件设计 7289213.1主控模块设计 8206703.2检测模块设计 9169723.3显示模块设计 1190233.4执行模块设计 13263703.5按键模块设计 1344934软件设计 14295374.1主程序流程设计 1583784.2检测模块流程设计 16313954.3液晶显示流程设计 17306514.4执行流程设计 1835625整体调试 18228235.1系统初始值设定 19275245.2实时检测调试 2016348结论 2224019参考文献 241绪论1.1课题背景随着社会生活的进步，许多城乡居民为了美化环境、净化空气，喜欢在家中阳台种植一些花草REF_Ref23618\r\h[1]。家中养护绿植不仅可以装饰家庭环境，也让人们心情愉悦。除此之外绿植养护也对人们的身心健康有很大的益处。因此，养绿植成为了一种趋势。养护绿植的关键问题就在于浇水是否能够做到及时并且适量，这往往是养护的成败所在。但随着生活节奏变快，人们有时会忘记对绿植的浇灌。当因工作出差或者不在家，往往会忘记给绿植及时浇水，导致枯萎死亡。如果购买现如今通用的能够实现自动浇水的装置往往花费很高的价钱，令人望而却步，浇水的水量也无法精准控制，其他的设备也只能做到提醒人们及时浇水而不会自动处理。因此，通过设计一款能够同时检测土壤湿度、光照、温度的绿植自动浇水系统，真正做到无人参与时绿植也可以得到及时的照顾。1.2课题意义本课题的设计是基于单片机的绿植自动浇水系统，当系统内各种传感元器件进行检测后会经过单片机处理，控制系统启动执行单元对绿植所处环境进行适当调节。工作机理是与设定好的阈值进行比较，判断是否需要浇水或者补温降温和补光。本次设计的意义在于更好的解决了家庭养护绿植所存在的不可忽视的问题，如适时适量浇水、控制环境温度、补光，实现真正的无人培植。通过本次设计的研究和分析，对单片机强大的功能加以更好的运用，既解决了日常绿植养护问题，还为农业、种植业提供合理方案，为改善一部分农业问题提供实践理论与结果，经调查，目前农田灌溉方面还是以漫灌为主，造成了有限的水资源的浪费，加剧了灌溉用水的供需矛盾；同时，漫灌作业还存在灌溉不均匀、作业效率低、浪费人工工时等缺点REF_Ref27321\r\h[9]。在这种情况的驱使下，使得将单片机技术更加普及的运用到日常与农业，从而改善农产品的质量与产量。1.3课题研究内容本设计主要研究基于单片机的绿植自动浇水系统，设计的目的在于通过系统能够实现对绿植所处自然环境的土壤湿度、温度以及光照强度的实时检测和调节。利用各种传感器来检测环境参数，其中土壤湿度传感器对土壤湿度实时检测，并可以控制执行模块来对绿植自动浇水。利用光照检测传感器进行补光和利用温度传感器测量环境温度进行适合的增温和降温，达到对绿植的湿度、温度和光照的检测调节效果。1.3.1国内外研究状况近些年，国内外广泛使用微喷系统，该系统是一种新型灌溉设施，水流经过特殊处理喷出，变成细小的水珠，形成水雾，这样能让花草绿植以及地面土壤更好的保持水分。与以往灌溉比较，该系统的优点在于覆盖率广泛密集，而且用水量会减少许多，对花草绿植的冲击力也会降低。在此基础上研究出的自动浇水器可以成为养花爱好者新需求的懒人园艺工具。其实国外很早就已经开始普及微喷技术的自动浇水系统，因为国内需求量不大而且进口价格昂贵让人望而却步，俗话说：种花容易养花难，有研究表明，绿植长期处无暇顾及的时候会导致绿植出现生长问题，而这些问题大部分是浇水过量或者长期缺水造成的REF_Ref598\r\h，因此设计一个家用自动浇灌装置十分必要REF_Ref598\r\h[10]，国内外许多商家也已经看到了这种潜在的需求量。因此设计一个能够具有自动浇水、控温和补光的绿植自动浇水系统成为园艺用品研究的重点，同时研究开发一款低成本、使用维护便捷且拓展容易的绿植自动浇水系统是一项具有前瞻性的工作。1.3.2自动浇水系统的主要应用绿植自动浇水技术应用前景十分广泛，既可以用于家庭绿植养护中，还可以将其扩展至园艺栽培和农业种植业中。我们日常使用广泛的绿植自动浇水技术就是滴灌技术。滴灌技术现在大力推广，遍及领域也广阔起来，我们可以将该技术运用于家庭绿植养护中，为自动浇水技术提供合理构思，为市场提供有利的切入点。随着科技的进步，绿植自动浇水技术使用会更加广泛。目前，自动浇水系统已经成为先进国家进行高效节水的重要手段。若在较为干旱的或水源贫乏的地区进行绿植浇灌时，这种技术可以更好的利用水资源、减少水资源的浪费，因此绿植的种植成本可以有效的降低。农业、种植业问题中关键就是如何合理的运用水资源，需要从水资源的开发、水利输送、各地土壤情况以及不同农作物对水量的需求等多方面考虑，因此，自动浇水技术研究的同时也要考虑水资源的最大程度利用，这是现代园艺养植和农业、种植业迫切需要的。1.3.3绿植自动浇水系统的发展前景目前世界上自动化设备使用率逐渐普及，大到工厂，小至家中，都体现着智能与便捷。而绿植自动浇水系统也是具有很大的前景，人们往往因为工作会忘记及时的给家中的绿植浇水，导致绿植因为缺水而干旱枯萎，研制出自动浇水系统可以很好的解决这一问题。因为可以设定湿度阈值，可以根据不同绿植来设定不同的湿度，保证了绿植不会干旱枯萎或浇水过多涝死。拥有这一理念，可以拓展至农业种植业中，就如文献[11]所言，在某些发达国家中，他们在花草种植和培养上以及农业、种植业中，将自动化技术运用其中，让整个种植工艺更为先进和智能化。因此，种植作物的产量和质量会极大的提高，远超于国内水平。目前国内的自动化技术还处于初级阶段，技术的先进性与前瞻性远不如国外水准，在这种情况下，单片机的应用情况会比较匮乏，发展会受到很大的限制。所以，将单片机技术更好的应用于生活生产之中将是关键问题。1.3.4章节分布第一章对现有的自动浇水系统进行了详细的介绍，指出了目前所存在的一些待解决的问题，介绍自动浇水系统的发展前景，明确阐述了本设计的选题背景和目标。第二章介绍自动浇水系统的方案设计，分析基于PLC控制设计的自动浇水系统和基于单片机设计的自动浇水系统二者之间的优缺点，对比确定合适的方案并设计。第三章介绍一套完整的基于单片机的绿植自动浇水系统结构框架，按照设计方案将系统分为多个模块，详细阐述了各个模块的设计并对各个模块的功能进行详细的说明，对设计中可能遇到的问题提出合理的解决方案。第四章进行系统的软件流程设计，介绍主体流程并详细讲解各个模块的流程。第五章进行实物仿真测试，通过实物的测试图片与测试结果来说明本次设计的实用性和合理性。2系统总体设计方案2.1整体设计架构本系统选择STC89C52单片机、LCD1602液晶显示、光敏电阻、土壤湿度传感器、DS18B20温度检测传感器等元器件共同构成。

（1）光敏检测传感器可以检测环境光照强度，实时显示在液晶屏上，可以通过按键设定阈值。实现的功能是当环境光照强度低于阈值，则打开高强度LED补光灯。（2）利用温度检测传感器可以检测环境实时温度，同样将实时数据显示出来，按键控制设定的温度阈值。能够控制相应的执行元件启动，如风扇或者补温灯。（3）利用土壤湿度传感器检测绿植所处土壤环境的相对湿度，可通过液晶屏观察实时数据，按键控制设定的土壤相对湿度。能够控制继电器使外界水泵启动实现浇水功能。使用单片机来控制浇水有以下特点：1）系统能够实时检测绿植所处环境。2）提升系统的稳定性，模拟电路是系统的主要电路构成，特点就是稳定性好，并且系统的监控范围可调节。3）成本低也是该系统的主要特点，体积小造价低，适用范围广泛。4）该系统也有利于农林种植业发展，节省大量的人力物力，可深入推广至农业种植业中。2.2实现方案本文设计方案是基于单片机的绿植自动浇水系统，利用系统中的各种传感器如土壤湿度传感器、光照传感器和温度检测传感器采集环境参数，将采集到的模拟信号传入A/D转换模块中，输出数字信号到单片机中，并且LCD1602显示屏能及时显示实时数据。温度、光照检测电路可以判断对绿植是否进行补光和控温处理。如图1.1所示的使本系统的框架，当绿植无人照顾时，在程序设定下进行自动浇水，当土壤湿度低于设阈值，可及时浇灌。当温度过高可打开风扇，温度过低可打开补温灯。若环境光照强度检测结果不符合阈值范围，高强度LED补光灯开启，用光来照射绿植。图1.1结构框架图2.3方案论证本次设计的基于单片机的绿植自动浇水系统，是需要能够及时精准的对绿植所处环境的所需数据进行检测和反馈并将检测数据准确无误的显示到LCD1602液晶显示屏中，与提前设置好的阈值进行比较，若不符合，启动相应的执行模块对环境进行温湿度调节以及光照调节，直到数值符合设定阈值范围内。根据目前国内家庭养护绿植的需求，进行两种方案的比较，通过比较其各自的优缺点，来确定哪一种方案更加合理可实行。2.3.1方案举例（1）基于PLC的自动浇水系统优点是PLC的功能十分丰富，内部可以存储大量控制指令可以同时进行各种运算。但它的缺点是成本太高，对于普通养花爱好者来说未免大材小用，价格难以负担，所以不予采用。（2）选用STC89C52单片机来设计自动浇水系统的话操作便捷。系统反应快、成本低，利用C语言程序便可控制各个模块电路工作，与PLC相比较性价比很高，所以使用单片机来设计系统是十分合理的。2.4方案选定以上分析的两种方案虽然都可以实现，但PLC大部分运用在工业控制领域，抗干扰性性强，能够实现复杂的功能。本次设计仅应用于家庭养花或者拓展到种植业中，不需要很复杂的控制功能，价格方面考虑，单片机则具有更高的性价比，而且功能也完全够用，对于养花爱好者可谓是首选。所以依据以上分析，本次设计将采用STC89C52单片机来设计绿植自动浇水系统是尤为合适的。3硬件设计本章具体介绍了绿植自动浇水系统的硬件，对各个模块进行详细的介绍说明，包括单片机的介绍，传感器的使用说明，执行模块的介绍和分析，还有液晶显示模块的使用注意事项。3.1主控模块设计本设计将选择STC89C52单片机作为整个系统的核心，其性能稳定、可操作性强。将其与时钟电路，复位电路，连接一起组成单片机的最小系统电路，如图2.1所示。图2.1单片机最小系统时钟电路是必不可少的一部分，在系统运行时提供必须的时钟信号以确保整个系统的稳定运行。将单片机的18、19引脚直接与时钟电路连结，借助11.0592M晶振来为系统起振，图中两个30pF的电容目的是为了保证电路运行时的稳定性。复位电路主要起到当系统出现运行错误时可以及时的强制系统归零重启，从图中所示电路看出，复位电路与单片机的9引脚相接，与电容和电阻相串联。系统上电时，RST变为高电平，系统复位。电容具有充放电功能，使电路稳定保证复位的成功。复位电路存在的意义就是让发生错误的系统及时恢复正常。3.2检测模块设计3.2.1土壤湿度传感器本次设计的传感元件选择的是土壤湿度传感器，选择该传感器的原因是其体积小，方便操作，成本低。并且可将传感器直接插入土壤中，检测模拟量，并将模拟量可直接传输到A/D转换检测电路转换为数字信号，显示屏实时显示当前环境的土壤相对湿度。该传感器的工作机理是依靠于传感器前端的两个探头，通过探头直接插入土壤中实时检测土壤的相对湿度，并且该传感器的材质是耐腐蚀的，因此耐用性也较高。通过水可以导电来实现检测，土壤湿度高，传感器阻值明显降低检测值升高，反之，阻值提高检测值减小。

土壤湿度传感器输出端DO可以直接与单片机相接，直接检测土壤湿度；模拟端AO可以直接与A/D模块相接，将检测到的模拟量转为数字量传输至主控芯片单片机中。图3.1土壤湿度传感器实物图3.2土壤湿度传感器电路3.2.2光照检测模块和温度检测模块光照检测模块在本次设计中较为简单，只需简单的对光照强度的测量，因此选取了光敏电阻。光敏电阻是一款简单半导体光敏器件，具有较高的灵敏度，能够快速响应，其特点是光强则弱，光弱则强。利用这个特点，将其与A/D转换检测电路直接连接，检测数据会实时显示在LCD1602液晶显示屏中，通过单片机判断与提前设定好的阈值进行比较，如果低于阈值时单片机控制打开高强度LED补光灯，若环境光强高于设定阈值，则无须打开补光灯。图3.3光照检测电路本次设计在温度检测传感器方面选择的是型号为DS18b20元件，因为该传感器输出的信号为数字信号，所以优点是可直接与单片机相连接。该传感器具有小巧便捷，成本价格低，具有抗干扰能力强、测量数据精准度高的特点。因此，将该传感器作为本次设计的元器件是十分合适的。图3.4温度检测电路3.3显示模块设计型号为LCD1602的液晶显示屏作为本次设计的显示模块。该显示屏特点就是显示数值清晰，并且响应及时，便于实时观察环境数值。表3.1LCD1602控制命令表序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清屏00000000012光标复位000000001*3输入模式00000001I/DS4显示开关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L**6功能设置00001DLNF**7置字符发生存储器地址0001字符发生存贮器地址8数据存储器地址设置001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址01BF计数器地址10写入数据10要写的数据内容11读取数据11读出的数据内容LCD1602液晶显示屏中第一行为实时环境测量值，分别是光照强度、土壤湿度以及环境温度，第二行则为提前设定好的各个环境阈值。LCD1602液晶显示屏可以在电路中与单片机直接相接，通过查阅资料，该显示屏存在一个对比调整端也就是图中显示的引脚3位置，起到的作用是当电路输入高电平时显示屏的对比度会降低，当电路输入低电平时，显示屏的对比度会提高。本次设计采用的是低电平所以导致显示屏的对比度较高，会导致数字显示模糊或者闪屏的现象出现，所以接入10K电位器的目的就是消除该现象，让屏幕中显示数据清晰，如图3.5所示。按照说明书使用手册将显示屏与单片机连结，这样就可实现对使用的显示屏进行控制。显示屏的字符控制主要是通过LCD1602显示屏的7~14引脚与单片机的P0口相连接，使数据显示在屏幕中，除此之外，利用编写好的程序也可以对LCD1602液晶显示屏的各个引脚控制实现其功能。图3.5显示模块电路3.4执行模块设计在电路中加入继电器来控制外接的水泵等设备。当液晶屏显示的环境参数不在设定阈值范围内，单片机控制启动继电器接通水泵浇水增加湿度或者直接打开补温灯、补光灯进行调节。图3.6执行模块电路3.5按键模块设计我们熟知单片机的I/O口能实两种用途，一是输出，二是输入。输入功能是设计按键模块所需要的。按键电路接地同时与单片机相连。接通电路后，单片机会对各个接口进行判断，若无误则可以进行各种操作和执行命令。如图3.7中所示，按键电路设置了三个按键，分别控制各个环境参数的阈值设置，S2、S3、S4分别为设置、加、减。图3.7按键电路4软件设计上一章介绍了硬件部分的主要模块设计，软件设计对单片机开发也是同样重要的。如今智能化时代的到来，软件与硬件相辅相成，无论个人使用的手机、智能手表，还是国家高精尖科技项目，都离不开软件编程的参与，以软件开发的基础上进行设计。本章主要介绍该设计中的软件部分并说明系统在工作时如何运行，对程序的运行逻辑进行说明。4.1主程序流程设计图4.1主程序流程图通过主程序流程图可以看出当系统接通电源后，单片机和各个模块以及LCD1602液晶显示屏初始化，然后人为操作提前设置好阈值，接着各个传感器开始检测环境参数并反馈给单片机，接受到数据后单片机进行分析比较判断测量值是否符合设置要求。液晶屏将数据保存在寄存区，显示在屏幕上方便人们读取数据，若测得数据不符合设定阈值，单片机控制执行模块启动，并对环境进行调节如浇水、补光等，然后再将新的数值显示至显示屏中。4.2检测模块流程设计检测模块主要是指系统内的传感器接收当前环境数据传送至主控芯片，利用提前编入的程序让主控芯片对各传感器控制，测量结果实时反馈至液晶显示屏中，与存储设定好的阈值进行对比。若环境土壤湿度低于设定阈值的话，单片机控制继电器启动外接水泵，进行自动浇水。温度和光照控制也是如此，该模块的目的就是将检测数据实时传输至单片机，与设定值比较，来判断是否进行调节控制。图4.2检测模块流程图4.3液晶显示流程设计在系统开始运行时，首先LCD1602液晶显示屏进行初始化，各个传感器元件检测完环境参数后得到的实时数据会及时传送至STC89C52单片机中，实时数据显示在第一行中，提前设置好的阈值会显示在第二行中其液晶显示流程如图4.3所示。图4.3液晶显示流程图4.4执行流程设计图4.4执行流程图如图4.4所示，系统上电后各传感器元件开始检测环境参数，传输至单片机后会判断各个数据是否符合阈值范围，若符合则执行模块不会启动，若不符合设定阈值，执行模块启动，进行系列操作如浇水、补光、补温以及降温等，直到环境参数回到阈值范围内，执行模块停止工作。5整体调试硬件设计和软件设计的结束意味着要开始对各个模块和程序进行调试，进行调试关键在于保证将来系统正常运行时，各个环节能否准确无误的进行，环境数据能否及时精确的采集，执行机构能否在检测值不符合设定范围时正常启动，从而达到设计目的。系统的整体结构也要合理安排，若出现问题，及时的分析问题原因所在，并提供合理方案解决问题同时继续调试。一旦调试结果与预期效果相一致，则可以将系统的软硬件部分构成完整的系统。5.1系统初始值设定在给系统接入电源前，需要完成的关键工作就是仔细检查电路的连接，是否存在传感元器件接反，三极管PN极接错的现象，若存在则可能出现接通电源后元器件烧毁或者电路烧毁的情况发生，所以检查的过程不容忽视。系统调试的要求需要单片机能够正常稳定的运行，各个传感器元件能够正常工作及时传输环境信号并显示在LCD1602液晶显示屏中，按键模块需要做到能够随时改变设定的检测阈值范围，执行模块能够及时启动并在调节环境参数至设定阈值范围内停止工作。设计实物如图所示。图5.1系统实物图5.2实时检测调试给整个系统连接电源后，各个传感器元件及时进行数据采集并且实时将数据反馈显示在液晶显示屏中，从图5.2中看到，当前环境的光照强度为79lx，环境温度为31℃，湿度为0%，此刻显示数值基本符合当前环境参数，所以检测模块运行无误，可以完成设计目标。图5.2系统实时检测图系统接通电源并且各个传感器将检测的环境数据传输至单片机后，系统会对数据进行判断，启动各执行模块，经检测各模块可以实现功能。在光照检测方面，本设计选用了高强度LED灯进行补光调节，当光照设定为77Lx，此时环境光照强度为72Lx，低于设定阈值，此时高强度LED补光灯打开调节光照强度。温度方面，当前环境温度为31℃，设定温度为35℃，低于设定阈值此时补温灯打开。当检测的环境温度比设定的温度高时，单片机控制风扇打开，对环境温度实现降温处理。图5.3系统环境控制调试图结论本设计通过使用51单片机来设计绿植自动浇水系统，经过大量查阅资料分析国内外家庭绿植养护技术，了解国外先进的自动浇水技术，并且阅读大量文献，在此基础上设计出一款可以实现绿植自动浇水的系统。设计初期规划好本次设计需要做什么准备工作，为中后期的任务设计进行铺垫，同时此次设计也离不开老师的悉心指导，最终确定了设计的整体框架，自己动手设计完成整个实物的设计，最终真正实现了绿植的自动浇水功能。本次设计中利用51单片机的可编入程序功能，实现绿植养护环境参数的检测及调节，通过设定阈值和各个传感元器件及时检测数据，将数据传输至单片机中来判断开启执行模块对环境参数进行调节。基本元件的选取也是听从导师的建议，选择成本低性价比高，测量数据精确快速为主的元器件，采用STC89C52单片机作为设计的核心元件，传感器方面选择土壤湿度传感器，DS18b20温度传感器，光敏电阻，并且通过LCD1602液晶显示屏显示实时数据。本设计最终实现了绿植自动浇水，并且可以实现控温补光等功能。伴随着科技的进步和发展，绿植自动浇水技术将更加智能化、更加稳定，真正实现无人照顾。甚至该技术可以用于农业和种植业中，实现作物的高产高质量，为解决农业问题提供方案与建议。相信未来，该技术会更加成熟，准确性与稳定性会由巨大提升。经过这次设计，我受益匪浅，首先，通过对实物的前期准备工作，明白了工欲善其事必先利其器，有充足的准备，对各个元器件充分了解，才能为接下来的设计打下基础。然后，借助扎实的动手能力和硬实的理论基础来设计整个系统。最后，经过每一次的调试，不懈的努力克服困难才能实现预期的目标。参考文献赵丽,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,2012,22(06):650-651+664.朱鑫乐,侯文静,惠金娣.基于单片机的智能花盆设计[J].信息技术与信息化,2020(02):172-173.陈亚丽,杨伟兵.基于AT89C52单片机的自动浇花系统的设计[J].漯河职业技术学院学报,2020,19(01):23-25.陶曾杰,宋春雨,黄攀,曹斌芳.基于STM32的智能浇水系统[J].西华大学学报(自然科学版),2019,38(05):84-88.丁维丽,王雪妍,王天龙,陈秀艳.基于单片机和传感器的智能浇花器设计[J].无线互联科技,2018,15(23):50-51.曾滢.植物自动浇水系统设计[J].电子测试,2018(15):31+42.刘仁志.基于STC89C52单片机的智能浇花系统设计[J].信息技术与信息化,2018(04):39-41.孟凡姿,谢凯,杨宇超,邢仁杰.基于单片机的智能湿度浇花系统的设计[J].通讯世界,2018(04):294-295.杜瑞娟,米娜瓦尔·吾买尔,霍大勇.基于AT89S51单片机的智能型自动浇水系统[J].农机化研究,2018,40(07):206-210.张博,刘景艳,霍倩.基于STC89C52的家用自动浇灌装置[J].河北农机,2017(08):65-66+68.朱兆旭.基于单片机的浇水