电子信息工程专业毕业论文盆花智能自动浇水系统的设计.docx

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电子信息工程专业毕业论文盆花智能自动浇水系统的设计

摘要

设计了一款智能浇水系统，以实现花卉的自动浇水。

本次设计的盆花自动浇水系统分为两大模块：

空气温湿度的检测与控制和实时时间的显示与定时控制。

其中空气温湿度的检测与控制部分又分为空气温湿度的检测和显示、自动浇水系统。

空气温湿度的检测和显示以温湿度传感器DHT11为感应部件，将检测到的空气温湿度值送入STC89C51单片机，再将其数值输出到LCD液晶显示屏上显示。

并通过单片机程序设定浇水的上下限值与DHT11送入单片机的空气湿度值相比较，当低于下限值时，单片机输出一个信号控制电磁阀打开，开始浇水，高于上限值时由单片机输出一个信号控制电磁阀关闭，停止浇水。

实时时间的显示与定时控制是由单片机从时钟芯片DS1302读入时间与每天的实时时间，通过程序设定的定时浇水的时间与浇水的量进行浇水。

关键词：

STC89C51单片机；DHT11温湿度传感器；LCD；DS1302时钟芯

Abstract:

Thedesignofanintelligentwateringsystem,torealizetheautomaticwateringflower.Pottedplantautomaticwateringsystemofthisdesignisdividedintotwomodules:

theairtemperatureandhumiditydetectionandcontrolandreal-timedisplayandtimingcontrol.Thedetectionandcontrolofairtemperatureandhumidityisdividedagainfordetectionofairtemperatureandhumidityanddisplay,automaticwateringsystem.DetectionofairtemperatureandhumidityanddisplayoftemperatureandhumiditysensorDHT11asthesensingcomponent,airtemperatureandhumiditywilldetectthevalueintotheSTC89C51microcontroller,andthendisplaythenumericaloutputtoLCDLCDscreen.AndthroughtheMCUprogramsettheupperandlowerlimitsofwatercomparedtoairhumidityandDHT11intothesinglevalue,whenlessthanthelowerlimit,theSCMoutputasignaltocontroltheelectromagneticvalveisopened,thebeginningofwatering,higherthanthelimitvaluebySCMoutputsasignaltocontroltheelectromagneticvalveisclosed,stopwatering.TherealtimedisplayandtimingcontrolbytheSCMfromthereal-timeclockchipDS1302readandtimeofday,timeandwateringwateringthemthroughtheprogramsettingtheamountofwatering.

Keywords:

STC89C51;DHT11temperatureandhumiditysensor;LCD;DS1302clockcore

目录

1.绪论

1.1选题的目的与意义

随着社会生活的进步，人们对生活品质追求越来越高。

在家里养盆花不但可以陶冶高尚情操、增添生活情趣，激发对生活的情感。

还可以装点空间，舒缓人们紧张的情绪。

绿色植物不但可以吸收二氧化碳释放氧气，许多植物还可以吸收空气中的有害气体，使人健康生活改善人们居住的生活环境。

因此，养盆花被许多的人所青睐。

盆花浇水量是否能做到适时适量，是养花成败的关键。

但是，在生活中人们总是会有无暇顾及的时候，比如工作太忙或者出差、旅游等。

大多数的花草生长问题是由花儿浇灌问题引起，因此，我想通过设计一种采集空气湿度检测智能浇水和实时时间显示手动浇水于一体的盆花自动浇水系统。

让盆花在人们无暇照顾时也能得到及时的浇灌。

1.2自动浇花器目前的发展现状

随着人们生活水平的提高以及生活节奏的加快诞生了自动浇花器这一种园艺用品。

早在多年前自动浇花器在国外就普及了，但从国外进口的电子类自动浇花器昂贵的价格决定了了它不适用于国内。

目前国内陶瓷制作的自动浇花器由于价格低廉而受到人们的喜爱，但从实用性来看远不如电子类的自动浇花器实用。

目前在市面上出售的自动浇花器主要有电子类自动浇花器与玻璃、陶瓷类自动浇花器。

电子类自动浇花器又称时控淋装置，根据电源不同分为交流电自动浇花器和电池自动浇水器两种。

电子类自动浇花器可控制连续作业1分钟到168个小时；每天可以完成十次以上的花作业，手动自动两用，是比较先进的系统。

而玻璃、陶瓷类自动浇水系统又称自动渗水装置，它是根据物理渗水原理而制成的，当土壤干燥时水就会自动流出，这类自动浇花器的制作工艺不同，其效果也有所差距。

目前传感器技术与单片机技术发展迅速，其应用逐步从工业、军事扩展到各个领域，与人们的日常生活息息相关。

并且目前智能家居概念也越来受人们的推崇，由此可见，微电脑控制的电子类自动浇花系统有着很好的发展前景。

1.3设计方案

设计了一款基于单片机STC89C51的自动浇花系统，用以实现无人照看花卉时智能浇花。

本设计是通过检测空气的湿温度，对花卉进行适时适量的浇水。

主要核心由单片机和湿温度传感器以及控制电路构成。

其中控制部分选用STC89C51单片机，空气湿温度采集选用DHT11温湿度传感器，定时选用DS1302时钟芯片，显示选用LCD1602液晶显示。

本设计分为智能浇水和手动浇水两个部分：

智能浇水部分是通过单片机程序设定浇水的上下限值与DHT11送入单片机的空气湿度值相比较，当低于下限值时，单片机输出一个信号控制电磁阀打开，开始浇水，高于上限值时再由单片机输出一个信号控制电磁阀关闭，停止浇水；手动部分是由单片机从时钟芯片DS1302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与浇水的量。

2.系统的总体设计

2.1应用场所

该设计主要应用于家庭或办公室，主要针对种植了盆栽但没时间管理的人群。

其价格低廉，易于操作。

2.2系统预期功能

每种植物对其周围环境的湿度、温度要求多有一定的范围，一旦高于或低于这个范围其生长就会受到影响。

本设计有两种浇水模式进行选择。

若是选择智能模式浇花，则是通过对植物周围空气的湿温度进行检测，来进行判定是否浇水。

当周围空气过于干热燥时可以进行喷水对环境进行降温加湿。

若是选择手动模式浇花，则是定时定量的浇水，就在规定的时间按照浇水时间的长短对植物进行定量浇水。

2.3系统总体设计方案

2.3.1主题分类

本设计主要分为两种浇花方式：

智能浇花和手动浇花。

1、智能浇花：

包括了空气湿温度的监测和显示、智能浇水系统。

空气湿温度的检测和显示以湿温度传感器DHT11为感应部件，将检测的空气湿温度值送入STC89C51单片机，再由其输入到LCD屏上进行显示。

并通过单片机程序设定浇水的上下线值与DHT11送入单片机的空气湿温度值相比较，当低于下线值时，单片机输出一个信号控制电磁阀打开，开始浇水，高于上限时与上线值时再由单片机输出一个信号控制电磁阀关闭，停止浇水。

2、手动浇花：

是由单片机从时钟芯片DS1302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与浇水的量，已达到定时定量浇水。

2.3.2.流程图

本设计的主题流程图如图2-1所示：

图2-1主题流程图

3.系统的核心器件

3.1STC89C51单片机

STC89C51是由美国设计、深圳宏晶科技在国内最新推出的一种新型51内核单片机。

其片内含有Flash程序存储器、SRAM、UART、SPI、A/D、PWM等模块。

该器件基本功能与普通的51单片机完全兼容。

3.1.1STC89C51的内部结构

STC89C51单片机的基本结构如图3-1所示。

图3-1STC89C51单片机的基本结构

由图可知，是STC89C51单片机有以下几部分组成。

1.CPU系统

（1）8位CPU，能够进行布尔处理。

（2）内部时钟电路。

（3）总线控制逻辑。

2.内部存储器系统

（1）4KB程序存储器（ROM/EPROM/Flash），可外扩至64KB。

（2）128B的数据存储器（RAM，可外扩至64KB）。

（3）21个特殊功能寄存器（SFR）。

3.I/O接口及中断、定时部件

（1）4个8位并行I/O接口。

（2）5个中断源的系统，2个优先级。

（3）2个16位定时器/计数器。

（4）1个全双工的串行I/O口。

3.1.2STC89C51单片机引脚功能

STC89C51器引脚排列和逻辑符号如图3-2所示。

图3-2STC89C51的引脚图

其引脚功能如下。

1.电源及时钟引脚

（1）Vcc：

接5V电源。

（2）GND：

接地。

（3）XTAL1：

外接晶振输入端（采用外部时钟时，此引脚接地）。

（4）XTAL2：

外接晶振输入端（采用外部时钟时，此引脚作为外部时钟信号输入端）。

2.并行I/O接口引脚（32个，分成4个8位并行口）

（1）P0.0～P0.7：

通用I/O口引脚或数据/低8位地址总线复用引脚。

（2）P1.0～P1.7：

通用I/O口引脚。

（3）P2.0～P2.7：

通用I/O口引脚或高8位地址总线引脚。

（4）P3.0～P3.7：

一般I/O口引脚或第二功能引脚。

3.控制信号引脚

（1）RST/VPD：

复位信号引脚/备用电源输入引脚。

（2）ALE/

：

地址锁存信号引脚/编程脉冲输入引脚。

（3）

/VPP：

内外程序存储器选择信号引脚/编程电压输入引脚。

（4）

：

外部程序存储器选通信号输出引脚。

3.1.3单片机存储器结构

STC89C51单片机存储器分为两种类型，一种是程序存储器（ROM），一种是数据存储器（RAM）。

ROM用来存放程序或常数，RAM用来存放暂时性的输入，输出数据和运算中间结果。

1、程序存储器ROM

程序存储器是只读存储器，用于存放程序代码和表格常数。

AT89C51片内的程序存储器为FlashMemory，地址为0000H～0FFFH。

AT89C51单片机有16位地址线，寻址空间为64KB，地址范围为0000H～FFFFH。

当

接地时，仅使用外部程序存储器；当

接VCC时，CPU从片内0000H开始取指令。

当PC值超过0FFFH时，自动转到片外存储器1000H～FFFFH空间执行程序。

2、数据存储器RAM

数据存储器用于暂存数据和运算结果等。

它分为片内RAM和片外RAM两种，两者物理空间相互独立，各自有不同的访问指令。

片外RAM用16位地址指针DPTR寻址，最大地址空间是64KB，地址范围为0000H～FFFFH,用MOVX指令访问。

片内RAM的地址范围是00H～FFH，用MOV指令访问。

片内RAM可划分为两部分：

00H～7FH为低128字节地址；80H～FFH为高128字节地址。

3.2DHT11数字温湿度传感器

DHT11传感器是一款含有以校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它的数字模块采集技术以及温湿度传感技术确保了DHT11传感器的可靠性与稳定性。

其内部含有一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并且与一个高性能的8位单片机相连。

因而DHT11具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高的优点。

3.2.1DHT11的性能指标和特性

DHT11低功耗，5V电源电压下，工作平均最大电流0.5mA。

其性能指标和特性如下：

Ø工作电压范围：

3～5.5V

Ø工作电流：

平均0.5mV

Ø湿度测量范围：

20～90%RH

Ø温度测量范围：

0～50℃

Ø湿度分辨率：

1%RH8位

Ø温度分辨率：

1℃8位

Ø采样周期：

1S

Ø单总线结构

Ø与TTL兼容（5V）

3.2.2DHT11的引脚说明

DHT11为四针单排引脚。

1.引脚1：

（VDD）电源引脚。

2.引脚2：

（DATA）串行数据，单总线。

3.引脚3：

（NC）空脚，悬浮。

4.引脚4：

（GND）接地。

3.3DS1320时钟芯片

DS1302是一款美国DALLAS公司推出的涓流充电式的时钟芯片，其片内含有一个实时时钟/日历和31字节静态数据存储器，可通过简单的串行接口与单片机进行通信。

3.3.1DS1302的性能指标和特性

DS1302是一款高性能，低功耗的时钟芯片，其主要性能有如下几点：

Ø工作电压范围：

2～5.5V。

Ø工作电流2V时，小于300nA。

Ø可对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，并且具有闰年补偿等功能。

Ø读/写时钟或RAM数据时，有两种传送方式：

单字节传送和多字节传送（字符组方式）

Ø与TTL兼容（5V）

3.3.2DS1302的引脚说明

DS1302含有8针双排引脚。

1.引脚1：

（VCC1）主电源。

2.引脚2、3：

（X1、X2）震荡源，外接32768Hz晶振。

3.引脚4：

（GND）地线。

4.引脚5：

（

）复位/片选端。

5.引脚6：

（I/O）串行数据输入/输出（双向）。

6.引脚7：

（SCLK）串行数据输入端。

7.引脚8：

（VCC2）后备电源。

3.3.2DS1302的控制字节

DS1302控制字节的高有效位（位7）必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入DS1302中，位6如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据；位5至位1指示操作单元的地址；最低有效位（位0）如果为0表示要进行写操作，为1表示进行读操作，控制字节总是从最低位开始输出。

3.4LCD1602液晶显示屏

3.4.1LCD液晶显示器简介

LCD1602液晶显示器是目前广泛使用的一种字符型液晶显示模块。

它是由字符型液晶显示屏（LCD），控制驱动主电路HD44780及其扩展驱动电路HD44100，以及少量电阻，电容原件和结构件等装配在PCB板上而组成。

不同厂家生产的LCD1602芯片可能有所不同，但使用方法都是一样的。

为了降低成本，现在绝大多数制造商都直接将裸片做到板子上。

它是一种字符型液晶显示器，目前国际上已经对字符型液晶显示模块进行了规范，使得无论显示屏规格如何变化，其电特性和接口形式都是统一的。

因此，只要设计出一种型号的接口电路，并在指令设置上稍加改动即可使用各种规格的字符型液晶显示模块。

3.4.2液晶显示的主要技术参数

1、液晶显示屏是由若干5×8或5×11点阵块组成的显示字符群。

每个点阵块为一个字符位，字符间距和行间距都为一个点的宽度。

2、控制驱动电路为HD44780（HITACHI公司）及与其他公司全兼容的电路，如SED1278（SEIKO公司，EPSON公司），KS0066（SAMSUNG公司）和NJU6408（NERJAPANRADIO公司）。

3、具有字符发生器ROM，可显示192种字符（160个5×7点阵字符和32个5×10点阵字符）。

4、具有64字节的自定义字符RAM，可定义8个5×8点阵字符或4个5×11点阵字符。

5、具有80字节的RAM。

6、标准的接口特性。

7、模块结构紧凑，轻巧，装配容易。

8、单＋5v电源供电。

9、低功耗长，寿命高，可靠性。

3.4.3LCD1602的引脚说明

LCD1602的引脚按功能可分为三类：

数据类，电源类和编程控制类。

如表3-1所示为LCD1602液晶显示器的引脚功能。

表3-1LCD1602液晶显示器的引脚功能表

引脚号

符号

状态

功能

1

VSS

电源地

2

Vdd

＋5V逻辑电源

3

VO

液晶驱动电源

4

RS

输入

寄存器选择，1：

数据；0：

指令

5

R/W

输入

读，写操作选择，1：

读；0：

写

6

E

输入

使能信号

7

DB0

三态

数据总线（LSB）

8

DB1

三态

数据总线

9

DB2

三态

数据总线

10

DB3

三态

数据总线

11

DB4

三态

数据总线

12

DB5

三态

数据总线

13

DB6

三态

数据总线

14

DB7

三态

数据总线（MSB）

15

LEDA

输入

背光＋5V

16

LEDK

输入

背光低

1.数据类引脚

引脚7～14为数据线，选择直接控制方式时8根线全用。

四线制时只用DB7～DB4四根高位线

2.电源类引脚

电源类引脚包括：

（1）引脚1、2为负、正电源线。

（2）引脚3VO为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最低，接（3）电源地时对比度最高，对比度过高是会产生“鬼影”，这是可使用

的电位器来调整。

（4）引脚15、16为背光电源，接5V电源时应串入适当的限流电阻。

3.编程控制类引脚

编程控制类引脚包括：

（1）E端为使能端，当E端由高电平跳变为低电平时，液晶模块执行命令。

（2）RW为读写信号，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。

（3）RS为寄存器选择端，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。

4.系统的硬件电路设计

该系统包括空气湿温度的采集与显示系统和定时器的设置与显示系统两个系统。

4.1空气式温度的采集于显示

空气式是温度采集于显示系统是以STC89C51单片机为核心控制，通过软件设置已完成动作。

DHT11湿温度传感器将检测的空气湿温度数据通过单片机的I/O接口传送到LCD上显示出来。

同时，当系统处于智能浇水状态下，传感器所检测到的值将于设定的湿温度上下线值进行比较，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，则停止浇水。

具体系统设计框图如图4-1所示。

图4-1智能浇水框图

4.2定时器部分

定时器部分是以STC89C51单片机为控制核心通过软件设置达到目的要求。

通过按键开关对当前时间以及浇水时间进行设置，单片机从时钟芯片DS1302读入时间与每天的实时时间，当时间处在所设置的浇水时间内时，单片机发出一个控制信号，开始浇水。

否则停止浇水。

4.3系统原理图

本设计系统原理图如图4-2所示：

图4-2系统原理图

5.软件部分设计

本设计的浇花模式有两种选择：

智能浇花与手动浇花。

系统软件所实现的功能是，通过设置按键次数来选择浇花的方式，若按键次数是奇数则系统选择智能浇花，否则为手动浇花。

智能浇花是由DHT11湿温度传感器将感应到的空气湿温度信号传送给单片机，并通过单片机将空气湿度在LCD液晶屏显示出来，同时与设定的湿度值所比较，若低于所给值则进行浇花，当湿度高于所给值停止浇花。

手动浇花是由STC89C51单片机向时钟芯片DS1302读取实时时间，若与设定的定时浇水的时间相同，则进行浇花，当达到设定的浇花时长后停止浇花，已达到定时定量浇花。

其中实时时间也可以进行手动调整。

如图5-1所示为程序框图。

图5-1程序框图

6.总结

本设计参考电子类自动浇花器工作原理，运用单片机控制技术并配合传感器技术已达到集空气湿度采集控制与定时控制于一体的自动浇水系统。

在用数字电路控制自动给水系统及时的给浇水系统供水。

整个设计包括空气湿度的检测与控制和实时时间的显示与定时控制。

空气湿度的检测和显示以SHT11温湿度传感器为感应部件，将检测到的空气湿度值送给STC89C51单片机，再由单片机的I/O口输出到LCD液晶屏中进行显示。

当传感器检测到的湿度低于所设定的湿度值时，单片机输出一个信号进行浇水，高于设定的给定值时停止浇水。

实时时间的显示与定时控制是由单片机从时钟芯片DS1302读入年月日与每天的实时时刻，通过软件程序设定定时浇水的时间与浇水时长，来进行定时定量的浇水。

通过本次设计，让我进一步了解了微电脑控制的智能系统。

也使我真正接触到了检测控制系统的设计，这虽然是一个日常生活的小系统，但也让我明白了在设计中应该注意的问题，比如实用性、经济性以及安装条件等。

参考文献

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