《基于传感器的土壤干湿度监测系统的设计》7300字（论文）

基于传感器的土壤干湿度监测系统的设计TOC\o"1-3"\h\u8258摘要 II摘要湿度是影响环境的重要因素之一。水分含量涉及微量元素挥发和土壤中昆虫数量，是有效耕作的必要条件，不同阶段对水分需求有区别，所以要时刻监测。随着现代农业向自动化、智能化方向发展，需要更多符合我国国情的农业节水灌溉技术和设备。本文提出了一种能实现土壤干湿度监测和自动灌溉设置的解决技术，该技术使用土壤湿度传感器对土壤含水量进行测量，收集数据，用STC89C52RC单片机对收集数据进行处理控制，自动进行灌溉。本文详细说明了系统硬件电路设计和软件程序设计，实现了土壤湿度的实时自动监测的功能，通过蓝牙APP实现远程控制。该系统适用于节水农业灌溉、温室大棚、草地牧场、土壤速测、植物培养、科学试验等领域。关键词：STC89C52;土壤湿度传感器;蓝牙;A/D转换器;1.绪论1.1研究背景及意义近几年来，中国大力发展高效特色农业，“节水农业”已成为农业生产效益好，可持续稳定发展的增长点REF_Ref10357\w\h[1]。土壤水分影响农田气候，土壤含水量和持水量具有一定的灌溉参考价值。土壤水分监测对作物播种，产量预测和节约用水灌溉具有重要意义，是灌溉生产不可缺少的基础。旱涝灾害问题是现今对农业生产生活是最大的威胁之一，亟待解决。制定相应的干旱应对措施是减少频繁，突发的旱涝灾害对农业生产的威胁以及对农作物生长的破坏。确保国家粮食安全是促进农业发展方式转变和农业可持续发展重要因素。因此，迫切需要对土壤墒情进行监测和预报。土壤水分信息采集和预测，是推进高效节水灌溉、科学用水和优化控制的基础支撑和重要环节。也是防旱抗旱重要保障。因此，设计一套节水，自动控制的灌溉系统，促进绿色环保十分必要。1.2研究现状与发展农业节约用水离不开合理的灌溉安排，准确获取土壤含水量信息是前提。准确，实时地监测土壤含水量是现代农村面临的重要课题。它对土壤水分的准确性，均匀性和波动性要求很高，并进行客观监测，还具有快速，简单方便，规范的条件。因此，土壤水分仪应运而生。土壤水分测量经历了一个漫长的发展过程：第一阶段：传统人工测量，不但耗费大量的人力物力，而且有效期性差。第二阶段：各种机械式湿度纪录仪或检查仪，体积大，精度低，响应时间长。第三阶段：采用聚合物湿敏电容器或湿敏电阻器作为湿度感应器，虽然测量精度提高，但测定电路复杂，这给计算机和通讯技术的应用带来了诸多不便。随着科技的发展，现代电子计算机和通讯科技的应用，对新型水分检测原理的探究和新型土壤水分感应器设计，取得了巨大进步，各种高性能的土壤水分检测设备应运而生。新阶段的土壤湿度检测仪可分为两种类型:

固定式土壤湿度监测系统和手持式土壤湿度测量仪。固定式土壤墒情监测系统具有准确度高，功能齐全，检测范围广等优点，但其主要缺点是不能准确反映耕地的正常利用情况。手持式土壤水分仪克服了这一缺点，性价比高，便于农技和科学研究人员使用和推广，具有广阔的市场需求和广阔的应用前景。除此之外，还有一种是利用NB-IoT技术。NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，它支持广域网低功耗设备（也称为低功耗广域网（LPWAN））的蜂窝数据连。NB-IoT支持设备的高效连接，待机时间长，网连要求高。据了解，NB-IoT设备电池寿命可以提高至少10年，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。REF_Ref20429\w\h[4]1.3设计任务与要求1.3.1设计任务STC89C52单片机（Microcontroller,MC）是本系统的主要控制装置，设置合适农作物湿度参数范围。土壤湿度传感器将湿度信号发到ADC0832，经过模数转换后，将数字信号送入单片机进行数据处理，最后将结果送入液晶显示器显示。根据显示器的信息，单片机发出不同的控制信号，控制水泵的启动和暂停，从而控制水泵抽水灌溉。1.3.2设计的基本要求电路工作原理和过程的分析。按键控制准确稳定；设计按键指示灯；显示器件显示要设置上下限，以及现在的湿度信息；蓝牙无线通信的运用，可以通过发送控制代码对手自动、湿度上下限进行设置。2.系统总体方案设计2.1器件选择2.1.1单片机宏晶科技生产的STC89C52RC是CMOS8位微控制器，具有低功耗，高性能的特点，还有8K字节系统的可编程功能。STC89C52RC使用的是做了许多改进的经典的MCS-51内核。STC89C52RC单片机的cpu是智能8位的，FLASH可以在系统内部编程，这使STC89C52RC为许多内嵌入式控制应用系统提供了高度灵活和超高效的解决方案。STC89C52RC以Flash程序存储器、SRAM、UART、SPI、PWM等模块构成一个真正的最小单片机应用系统。减少系统的体积，提升系统的可靠性，降低系统的成本。只要程序长度小于4K，就会向用户提供所有四个I/O端口。可以用5V的电压进行编程，其清除时间仅为10ms，仅占8751和87C51清除时间的1％。与8751/87C51相比，该设备不容易损坏，不使用两个电源，并且在重写时不能拉动芯片。适用于各种集成控制领域。宽工作电压（2.7V至6V），完全静态工作，工作频率在0Hz至24MHz之间。比8751/87C51等51系列的6MHz到12MHz更灵活。系统可以快也可以慢。STC89C52RC芯片提供三级程序存储加密，提供了方便、灵活、可靠的硬加密手段，完全可以保证程序或系统不会被复制。P0端口是可以直接用于对外部存储器的读/写操作。它是一个三态双向端口，俗称数据总线端口。2.1.2YL-69土壤湿度传感器测定土壤湿度方法有很多种。其原理大都是根据土壤吸收水分引起的物理或化学性质的变化，间接得到物质的水分。高分子材料吸湿后的介电常量，电阻率和体积的变化是湿度测量依据。当土壤湿度发生改变时，传感器的电阻值发生改变，通过转化电路输出电压发生改变，电压力信号由单片机送到数学建模转化器进行识别和计算。模块输出一个高电平，反映土壤缺水。输出低电平，表示土壤湿度正常。工作电压一般为3.3V-5V。更主要的是，它具有双输出模式的优点。使数字量输出简便，模拟量输出更准确。如图2-1所示。图2-1YL-69土壤湿度传感器2.1.3LCD1602液晶显示屏1602液晶又称1602字符型液晶。它是一种点阵液晶模块，专门用于显示字母，数字，符号等，由若干个点阵字符位组成，如5x7或5x11。每一点阵字符位显示一字符。因为每行每列都有一点阵间距，所以，它不行很好地显示图形。1602LCD意味着提示内容是16x2，也就是说，它能出现两行，每行有16个字符。液晶模块的显示符号是基于HD44780的液晶芯片，和以前市面上字符液晶控制原理是完全相同的。因此，很容易地应用到市面上的大部分字符液晶上。如图2-2所示。图2-2LCD1602液晶显示屏2.1.4BT05蓝牙模块蓝牙模块主要实现上位机与下位机之间的数据传输。本设计是确保通过蓝牙无线连接到上层计算机和下层计算机之间的端口链底部能力的原始设计。实质上是单模通信。该通信的特点是顺序传输。这允许以低成本以及较慢的传输速度执行。在本设计中，蓝牙模块是BT05。BT05是一个高性能的蓝牙串口模块，可与智能终端配对，如各种电脑，蓝牙主机，手机等。BT05蓝牙模块支持多种波特率：1200~115200，模块兼容5V或3.3V单片机系统，运用非常灵活方便。如图2-3所示。图2-3BT052.1.5A/D转换模块美国半导体公司生产的ADC0832，具有双通道A/D转换器芯片,以及8位分辨率。其特点是容积小，兼容性强，性价比高，普及率广。ADC0832能满足模拟量转化的一般要求，最高分辨率可达256级。芯片转换时间仅为32μS。具有双数据输出，可作为数据校验用，减少数据误差，转化速度快，稳定性强等优点。独立芯片使便于多设备连和处理器控制，输入更方便。如图2-4所示。图2-4ADC08322.1.6灌溉电机模块继电器（Relay），又称电驿，是一种电控装置。它有控制系统（也称为输入回路）和受控系统（也称为输出回路）。它通常用于自控线路中。但其实，它是一种用小电流控制大电流的自动开关。因此，它的功效主要是起着自动调节，安全保护和转化电路。继电器触点的表示有直接画在矩形框的一侧，这种表示更直观。本设计选用的是HK4100F-DC型号，具有一组转换、一组常开以及一组闭开，印制板是引出端。封装方式有密封型和半密封型两种。最主要是价格低廉，体积小等优点。如图2-5所示。图2-5HK4100F-DC2.2系统总体结构本设计主要由六个模块组成，控制模块的主控核心是STC89C52RC单片机，主要负责控制系统智能化运行；收集模块主要负责土壤湿度采集，土壤湿度的采集靠湿敏电阻组成的外界土壤湿度检测电路实现；显示模块主要负责显示当前湿度以及工作模式，有自动和手动模式两种，自动模式下设置土壤湿度参数的上下限；转换模块主要负责系将采集到模拟量信息转换成让单片机识别的数字量；灌溉电机模块主要根据所设定的上下限对土壤的灌溉。系统框图如图2-6所示。图2-6系统框图3.系统硬件设计基于传感器的土壤干湿度监测系统的设计主要包括单片机主控制电路，数据采集电路传感器，液晶显示电路，模数转换电路，灌溉电机电路，以及蓝牙电路组成。其中，通过YL-69采集到的模拟量信息经过ADC0832芯片进行处理，YL-69将数据输送至单片机。LCD1602显示当前土壤湿度信息。系统整体电路如图3-1所示。图3-1系统整体电路3.1单片机主控制电路本设计使用STC89C52RC芯片作为主控制单元，包括单片机电路，复位电路以及晶振电路。该芯片中自带上拉电阻和三极管，其中上拉电阻主要负责提高P0口驱动电流，三极管主要负责放大蜂鸣器所需的驱动电流REF_Ref11086\w\h[13]。最小系统电路图如图3-2所示。该芯片共有32个通用的I/O端口，MAX810复位电路和内置电可擦编程只读存储器（EEPROM）。本设计单片机端口分配情况如表3-1所示。表3-1单片机端口分配表单片机I/O口引脚外围电路引脚说明P0.0~P0.7DB0~DB7显示屏上的数据P1.0~P1.2/CS，CLK，D0，DI模数转换P1.3D2LED红灯P1.4D3LED绿灯P1.7R5蜂鸣器P2.0R6继电器P2.5RSLCD数据/命令选择端P2.6RWLCD读写信号线P2.7ELCD使能端P3.2K1设置键P3.3K2加P3.4K3减X1，X2晶振电路RESET复位电路TXD，RXD蓝牙电路图3-2最小系统电路图3.2数据采集电路数据采集电路是本设计重要电路之一，选用的YL-69土壤湿度传感器，它的表面采用镀镍处理，接触土壤不易生锈，使用寿命较长。其原理是：电阻值随着传感器采集到的湿度大小不同发生变化，电路的输出电压随着电阻值的变化而变化。REF_Ref11171\w\h[8]数据采集电路图如图3-3所示。图3-3数据采集电路图3.3液晶显示电路本设计选用LCD1602点阵型液晶显示屏。它可以显示2行16个字符，其主要功能为显示单片机处理后数据。本设计利用单片机P0口的8位数据，将P2.5、P2.6、P2.7分别与RS、RW、E相连。其中1脚GND表示为电源地、2脚表示接5V电源正极、3脚VO为液晶显示偏压信号、7~14脚表示D0~D7端为8位双向数据传输端。LCD1602电路图如图3-4所示。图3-4LCD1602电路图3.4模数转换电路本设计主要采用的是ADC0832的8位逐次逼近式A/D转换器。在正常情况下，ADC0832和单片机之间的接口应该是四条数据线，即CS，CLK，DO和DI。但由于DO端和DI端不行一起进行有效的通讯，而且与单片机的接口是双向的，因此在电路设计中能在一条数据线上并行使用DO和DI。当ADC0832不工作时，CS的输入终端应该是高电平。此时，芯片被禁用，CLK和DO，DI的电平能任意。进行A/D转换时，CS使能终端必须设置在低电平，并保持在低电平，直到转换完成。此时，芯片开始转换，处理器向芯片的时钟输入端CLK输入时钟脉冲，而DO，DI终端使用DI终端的输入通道功能选择的数据信号。在第一个时钟脉冲下沉之前，DI端必须是高电平，表示开始信号。在第二和第三个脉冲下沉之前，DI终端应输入2位数据以选择信道功能。模数转换电路如图3-5所示。图3-5模数转换电路图3.5灌溉电机电路本设计有PNP型三极管和HK4100F-DC型的继电器以及水泵组成的，单片机P2.0口控制三极管基极。当系统选择手动灌溉模式或自动模式下湿度低于下限湿度时，P2.0输出口为0，则PNP型三极管导通，继电器得电，常开触点吸合，电动机回路接通，执行灌溉工作。当自动模式下湿度高于上限湿度时，P2.0输出为1，则PNP型三极管导通，继电器失电，常开触点复位，电动机回路断开，结束灌溉工作。REF_Ref11285\w\h[9]灌溉电机电路图如图3-6所示。图3-6灌溉电机电路图3.6蓝牙模块电路为了能实时监测土壤湿度，本设计采用的是BT05蓝牙串口通讯模块进行监测。该模块第2和3引脚与单片机的P3.0口和P3.1口串行通讯；第4引脚与地相连；第5引脚与3.3V电源相接。蓝牙模块电路如图3-7所示。图3-7蓝牙模块电路4.系统软件设计4.1系统主程序设计基于传感器的土壤干湿度监测系统的主程序流程图如图4-1所示。图4-1主程序流程图本系统主要内容如下：由传感器采集到的土壤湿度模拟量信息经A/D转换后得到数字信息，这些根据设定好的土壤湿度上下限进行比较，当土壤湿度小于最小值时，单片机控制继电器驱动水泵，达到最大值时水泵停止工作，LCD实时显示信息。4.2系统子程序设计4.2.1土壤湿度采集模块本设计土壤采集模块采用YL-69传感器的两个探针采集土壤湿度，当土壤湿度高于上限时，水泵处于关闭状态；当土壤湿度低于下限时，水泵处于工作状态。土壤湿度采集流程图如4-2所示。图4-2土壤湿度采集图4.2.2LCD1显示模块本设计需在液晶屏上显示当前湿度以及工作模式。首先对LCD1602初始化，再进行清屏指令，再继续功能设置。部分代码如下：voidLCD1602_cls()//LCD1602初始化{ LCD1602_write(0,0x01);//清屏指令 delay(1500); LCD1602_write(0,0x38);//功能设置 delay(1500); LCD1602_write(0,0x0c); LCD1602_write(0,0x06); LCD1602_write(0,0xd0); delay(1500);}在设置完一些基本函数，开始进行主界面显示的编程。需要显示土壤湿度和工作模式，state表示模式，在state不为1时，进入工作模式中；zt表示工作状态，当zt=1时为自动模式，否则为手动模式。显示模块流程图如图4-3所示。图4-3显示模块流程图4.2.3模数转换模块模数转换模块是本设计重要模块之一，单片机通过它对模拟量转换成数据量做出下一步指令。程序AD转换结果先设置起始控制位，当CS=0，CLK=0，DIO=1为第一个脉冲下降沿，此时的DIO必须是高电平；在第三个脉冲下沉之后，输入端DIO失去作用；在第四个脉冲时，将存储的低位数据向右移，并且数据运算存储在dat最低位。部分程序如下：unsignedintA_D(){ unsignedchari; unsignedchardat; ADC0832_CS=1; ADC0832_CLK=0; ADC0832_CS=0; ADC0832_DIO=1; ADC0832_CLK=1; ADC0832_CLK=0; ADC0832_DIO=1; ADC0832_CLK=1; ADC0832_CLK=0; ADC0832_DIO=0; ADC0832_CLK=1; ADC0832_CLK=0; ADC0832_DIO=1; ADC0832_CLK=1; for(i=0;i<8;i++) { ADC0832_CLK=1; ADC0832_CLK=0; dat<<=1; dat|=(unsignedchar)ADC0832_DIO; } ADC0832_CS=1; returndat; }4.2.4按键模块本设计的按键首先查看按键是否按下执行命令，敏感型按键会因为误触造成短时间闭合等问题，会使得单片机接受信号不良，所以按键设置都需要延时去抖这一过程。state==1和state==2都为设置界面，state==1是设置湿度上限加或者减；state==2模块是设置湿度下限加或者减。按键流程图如图4-4所示。图4-4按键模块流程图4.2.5蓝牙模块本设计选用的BT05蓝牙模块，在手动模式下可以通过客户端上的蓝牙进行对单片机的操作，指令主要是通过RX指令进行发送。通过判断RX[0]是否为A，来确定是否进入工作模式，反之土壤湿度设置模式界面；RX[1]=0是自动模式和手动模式的指令；RX[1]=1是土壤湿度上下限的指令；RX[2]=N是开关水泵指令。蓝牙模块流程图如图4-5所示。图4-5蓝牙模块流程图5.系统功能测试5.1系统测试内容为了检测土壤干湿度系统的整体性能，对其进行了功能性测试。在测试之前，首先要对电路是否正常，各接口是否正常，电源是否稳定。其次，测试水泵运转情况，蓝牙芯片的安装。最后，硬件器件测试无误后，开始对功能进行测试。主要测试内容如下：LCD液晶屏显示;手动模式下，水泵灌溉情况；自动模式下，水泵灌溉情况远程蓝牙操控下，水泵灌溉情况。整体实物如图5-1所示。图5-1整体实物图5.2功能测试5.2.1LCD液晶显示屏测试LCD液晶显示屏测试内容如下：显示土壤当前湿度和工作模式；开机后，YL-69开始采集当前土壤信息，信息显示在LCD液晶显示屏上。在湿度信息下方，是当前工作模式。如图5-1所示。（2）通过按键设置土壤湿度上下限；本设计总共有四个按键，第一个按键设置和保存按键，在选择当前土壤湿度信息时，按下第一个按键，进入了设置土壤湿度上下限的界面。第二个按键增加按键，连续多次按下，增加数值。第三个按键减少按键，连续按下，可减少数值。设置土壤湿度上下限如图5-2所示。图5-2土壤湿度上下限（3）通过按键设置工作模式。在选择工作模式时按下第二个按键，可直接转换工作模式由手动转换为自动。工作模式如图5-3所示。图5-3工作模式5.2.2灌溉测试本设计有两种工作模式，分别为手动工作模式和自动工作模式。在手动模式下，土壤湿度低于设定好的下限时，按下第四个按键，水泵开始灌溉。手动模式如图5-4所示。图5-4手动模式按下第二个按键，工作模切换为自动模式。如图5-5所示。图5-5自动模式5.2.3蓝牙测试远程蓝牙操控可在手机蓝牙APP上设定土壤湿度上下限，手动灌溉的开关以及自动灌溉。设定土壤上下限。如图5-6，5-7所示。图5-6上限设置图5-7下限设置蓝牙手动开关水泵，如图5-8所示。图5-8蓝牙手动开关水泵6.总结本设计是一个基于传感器的土壤干湿度监测系统，是用于监测土壤湿度。详细的描述了系统总体设计，硬件电路以及软件程序，并且制作开发出相应的实物装置，实现类对土壤干湿度自动监测的，同时还实现了自动灌溉功能。本设计的主控核心是STC89C52RC单片机，利用YL-69湿度传感器采集土壤湿度，经ADC0832转换后控制水泵，也可以通过蓝牙实现智能控制。通过这次毕业设计，我对单片机智能控制系统的构造和原理有了较为深入的了解，并实际接触到监控系统的设计。这设计增强了我的实践能力，让我把理论和