自动浇花系统的设计.docx

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自动浇花系统的设计

题目自动浇花系统的设计

学生姓名薛婵娟学号**********

所在学院物理与电信工程学院

专业班级通信工程1201班

指导教师刘亚锋

完成地点物理与电信工程学院实验室

2016年6月5日

陕西理工学院本科毕业设计任务书

院（系）物理与电信工程学院专业班级通信工程（通信1201）学生姓名薛婵娟

一、毕业设计题目自动浇花系统的设计

二、毕业设计工作自2015年12月9日起至2016年6月18日止

三、毕业设计进行地点:

物理与电信工程学院实验室

四、毕业设计应完成内容及相关要求：

现代生活的节奏越来越快，很多人喜欢在工作地点、生活区间、公共场所等地方用绿色植物来点缀，既美化环境又能改善空气质量。

但对绿色植物的维护、保养是需要花不少时间去完成的，当由于种种原因忘记定时对花卉及时浇水时，或浇水的量过多或过少，反而会给人们带来很多麻烦和损失，因此设计一个家用自动浇花系统就十分必要。

本系统采用单片机为核心芯片，利用湿度传感器来采集土壤的湿度。

经过信息采集、信息比较、通过继电器控制信息，驱动水泵控制电路工作，实现自动浇花。

五、毕业设计应收集资料及参考文献：

1、应收集与课题相关文献12篇（其中包括一篇英文文献），文献的发表年限应为2010年至2016年；

2、除了文献之外，所参考的书目不能超过3篇；

3、所有的参考资料要留存电子版，在交论文时一并打包交予指导教师。

六、毕业设计的进度安排：

1、必须查阅大量资料（包括一定数量的外文资料），了解课题的研究背景、意义，熟悉设计中要用到的相关电路知识；完成开题报告；并完成一篇外文文献的全文翻译工作；

（1月1日－3月18日）

2、进行系统的概要设计；（3月19日－4月10日）

3、熟悉设计软件，并提交中期报告；（4月10日－4月20日）

4、系统的设计与实现；准备作品的验收；完成论文第一稿；（4月21日－5月10日）

5、根据要求对对论文及作品进行完善，完成论文第二稿；（5月11日－5月20日）

6、制作答辩PPT，准备答辩材料，准备答辩，并完成后续工作；（5月21日－6月10日）

7、必须定期与指导老师见面，汇报进展情况，按时完成论文的撰写工作。

指导教师签名刘亚锋专业负责人签名王战备

学院领导签名熊晓军批准日期2016-01-10

自动浇花系统的设计

薛婵娟

（陕西理工学院物理与电信工程学院通信工程专业1201级，陕西汉中723000）

指导教师：

刘亚锋

[摘要]利用单片机技术设计了一个自动浇花系统。

该系统由土壤湿度检测显示和控制水泵浇灌两部分组成。

土壤湿度检测显示部分是由YL-69土壤湿度传感器、ADC0832模数转换器、STC89C52单片机和LCD1602组成。

控制水泵灌溉部分分为智能和手动两部分：

其智能部分是通过单片机程序设计浇水的上、下限值与感应电路送入单片机的土壤湿度值相比较，当低于下限值时，单片机输出一个信号控制电磁阀打开驱动水泵浇水，高于上限值时再由单片机输出一个信号使电磁阀关闭停止水泵浇水;手动部分是由通过关闭单片机电源，由外围电路供电进行浇灌。

此系统具有体积小、灵活性强、易于操作、简单实用和价格低廉等特点。

[关键词]浇花系统；STC89C52；YL-69；LCD1602

TheDesignofAutomaticWateringSystem

XueChanjuan

（Grade2012,Class01,MajorinCommunicationEngineering,SchoolofPhysicsandTelecommunicationEngineeringofShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723000,Shaanxi）

Tutor:

LiuYafeng

Abstract:

Theautomaticwateringsystemisdesignedbyusingsinglechiptechnology.Thesystemiscomposedoftwoparts,whicharethesoilmoisturedetectiondisplayandthecontrolofthewaterpump.SoilmoisturedetectiondisplayiscomposedofYL-69soilmoisturesensor,ADC0832analogdigitalconverter,STC89C52microcontrollerandLCD1602.Controlpumpirrigationpartisdividedintotwopartsofintelligentandmanual:

theintelligentpartisbySCMprogrammingwatering,thelowerlimitvalueandinductioncircuitintoSCMsoilmoisturevaluescompared,whenthelowerlimitvalue,theoutputofthesinglechipasignalcontrolsthesolenoidvalveopensdrivenpumpwatering,abovetheupperlimitagainbytheMCUoutputasignalsothatthesolenoidvalveclosedtostopwateringpump;andthemanualpartismadebyturningofftheMCUpowersupply,bytheexternalcircuitpowersupplyforirrigation.Thissystemhasthecharacteristicsofsmallsize,highflexibility,easytooperate,simpleandpractical,andcheapprice.

Keywords:

Wateringsystem;STC89C52;YL-69;LCD1602;ADC0832

引言

进入21世纪以来，人们的生活和工作环境发生着巨大的变化。

生活快节奏，工作重压力，无一不占用我们的时间和精力。

随着社会快速发展，生活水平的提高，许多人越来越向往那种悠然自得的生活方式，越来越多人喜欢花卉等盆栽植物的种植，不仅可以美化环境，而且还可以愉悦我们的心情[1]。

但目前困扰人们的巨大问题是没有多余的时间与精力或者由于长时间出行，无法定时打理照顾这些花卉植物，从而导致这些花卉植物枯萎死亡。

对于人类来说，最重要的水资源，对所有生命物体都一样重要[2]。

所以，为了应对人们们现今生活和工作状态，而又种植着花卉等盆栽植物的人们来说，设计出一种无人管理的情况下自动控制浇花系统尤为重要，这样不论在什么时候什么地方，都不会造成花卉枯萎死亡的情况发生。

该自动浇花器具有系统体积小、抗干扰能力强、操作简单灵活和价格低廉等特点，使用此自动浇花器可以节省人力物力财力，方便人们出行出差的时候，不会影响到花卉盆栽的生长，如果在家也可以关闭自动模式手动浇花，用户可以自由设定各种基准值来实现自动浇花的功能，从而使盆栽植物健康的生长，也减轻了养花者的工作，使人们种养盆栽更轻松，能更好地欣赏我们所种植的盆栽植物[3]。

1）相关领域研究现状、国内外发展趋势

20世纪的70年代，微电子技术正处于快速发展的阶段，随着人们生活水平的提高和生活节奏的加快，自动浇花系统也随之诞生，成为一种新型的懒人园艺用品。

多年前，国外就已经开始使用，但是其价格却特别昂贵，而在国内使用的电子类自动浇花器多数是从国外进口的，价格更加昂贵，但质量比较可靠。

不过这并不适用于国内，大多适用于花园、农场等广阔的地方。

随着经济与电子科技的快速发展，人们在注重生活质量的同时，也更加注重休闲养生。

种养盆栽将成为人们越来越喜欢的休闲项目。

因此，需要将灌溉用的自动浇花器改良为桌面盆栽用的小型自动浇花器，这也将会成为种养盆栽者的首选之物。

目前这些浇花器的市场也越来越大，市场上的自动浇花器的功能也在不断发展，在国内外比较流行的是玻璃和陶瓷制作而成的自动浇花器。

这种类型的自动浇花器大多数是在我国山西和浙江等地区加工生产的，价格比较便宜，但其实用性没有电子类自动浇花器好。

研究表明，养花最重要的问题就是浇水问题。

有调查显示80%以上的花草死亡是由于浇水不及时引起的。

因此，国内商家已经看到了这种市场需求潜力。

目前电子类自动浇花器这类的小居家用品的厂家主要集中在广东、上海和浙江等地区。

现在市场上所出售的自动浇花器，主要有以下几类:

（1）电子类自动浇花器。

电子类自动浇花器又叫时空喷淋装置。

系统构成为主机、主管、分水接头、副管和喷淋管[4]。

电子类自动浇花器根据电源的不同可以分为交流电自动浇花器和电池自动浇花器两种。

（2）玻璃、陶瓷类自动浇花器。

玻璃、陶瓷类自动浇花器又叫自动渗水装置。

它有本身材质的物理结构构成，根据器皿的物理渗水原理完成自动浇灌。

当自动浇水器内部存水，自身会形成一定的压力，遇到干燥的土壤，水就会自上而下地流出，土壤湿润以后会形成一个堵塞压力，从而导致水流速度变慢，或者停止。

器具工艺不同效果也不一样。

当然也因土壤的疏松情况决定器具内水流速度。

当前传感器技术与单片机技术发展迅速，其应用逐步由工业军事领域向其他领域渗透,已经和我们的日常生活息息相关,而且智能家居[5]概念也越来越受人们的推崇。

因此，微电脑控制的电子类自动浇花系统，有着很好的发展前景。

随着科学技术的快速发展，自动化设备越来越普遍，当然花卉自动浇水系统的应用也很广泛。

花卉自动浇水系统可以根据需要调节土壤湿度范围，这也是根据不同植物的不同需水习性设计的。

在今后的生活中，将不再局限于花卉方面的应用，还可以用于农田以及公路绿化中等等。

在生活中常见的滴灌技术其实也是自动浇花系统的变相用法。

近10年来，滴灌技术[6]在我国发展速度已居世界前列，目前主要应用在大田（棉花、玉米、葡萄、辣椒等）、温室大棚、果园及绿化带等。

在最近几年，滴灌技术的应用领域出现新的变化趋势，由温室大棚小单元滴灌向室外露地的大单元滴灌扩展；由平地大面积滴灌向山区崎岖地势滴灌发展；由蔬菜单一植物滴灌向多种经济作物滴灌延伸；由农场集中大面积向农村小面积分散发展；由原来的高附加植作物向一般经济作物普及。

此外，公路铁路沿线和荒漠风沙治理绿化也开始陆续采用滴灌技术，而且还进一步应用在城市绿地、林木、屋顶花园等非农领域，尽管用量较少，但却为滴灌技术的今后推广提供了更为广阔的市场，相信伴随着社会主义新农村建设的推进和建设节约型社会的发展要求，滴灌技术的应用范围会越来越广阔。

自动化滴灌技术是世界许多发达国家发展高效农业节水的重要举措。

在以色列、美国、和印度等一些国家都已经采用先进的自动化灌溉技术。

由传统充分灌溉向非充分灌溉方向发展，通过采用遥感、传感器来监测土壤墒情和作物生长，对灌溉区用水进行实时监测预报，实现用水管理的全自动遥控，对灌溉区实行动态管理，实现农业灌溉用水管理的自动化。

在农业灌溉区域合理地推广自动化控制系统，尤其在干旱和半干旱地区，不仅可以提高水资源利用率以及缓解水资源日趋紧张的矛盾，还可以使农作物的产量增加，使农产品的成本降低。

高效农业和精细农业要求我们必须提高水资源的利用率，要将水源开发、输配水、灌溉技术、水资源合理利用和降雨、蒸发、土壤墒情和农作物需水规律等方面综合统一考虑，根据多种因素合理调配水资源。

因此，研制和推广农业节水灌溉控制新技术是实现农业现代化的发展需要。

2）设计所采用的研究方法和手段

本次设计是一个采用STC89C52单片机为核心的微控制浇水系统，系统主要实现自动浇水和能够根据实际情况设定完成手动控制这两种功能。

电路主要可以分成土壤湿度检测显示和控制水泵浇灌两个模块，以液晶显示器和A/D模数转换器组作为显示电路，浇水电路利用电磁阀驱动水泵工作来完成。

本次设计包括STC89C52单片机及基本外围电路模块、显示电路模块、按键电路模块、继电器电路模块、电源电路模块等部分组成。

本系统的设计将以上述内容为思路、以单片机为控制核心，设计出一个持续地、有效地为花木浇水的系统，为我们解决无人管理情况下花木枯萎死亡的尴尬情况。

自动浇花系统，主要就是检测土壤湿度。

通过土壤湿度传感器检测土壤湿度含量，把检测到的值传送到A/D模数转换器中，结束转换后数值反馈给单片机，单片机读取数据，经过软件程序处理后传送到LCD1602显示信息。

控制水泵灌溉部分分为智能和手动两部分：

其智能部分是通过单片机程序设计浇水的上、下限值与电路送入单片机的土壤湿度值相比较，当低于下限值时，单片机输出一个信号控制电磁阀打开驱动水泵浇水，高于上限值时再由单片机输出一个信号使电磁阀关闭停止水泵浇水;手动部分是通过关闭单片机电源，由外围电路供电进行浇灌。

该设计主要包括：

1）硬件部分：

包括传感器的选择、显示模块的选择、A/D模数转换器的选择、继电器的选择和土壤湿度信号转换电路的设计。

2）软件部分：

包括微处理器控制程序的编写、原理图的绘制和电路仿真。

3）系统的综合调试与分析：

在软硬件完成以后，要对系统进行综合的测试与实验，分析系统的可靠性与实用性，调整系统的不足之处。

系统的组成结构如图1.1所示。

图1.1系统组成结构

1方案论证

1.1设计方案的提出

方案一：

此方案的设计是以核心控制软件AT89C52单片机，LCD12864液晶显示器，ADC0809模数转换器，FC-28土壤湿度传感器，SRD-05VDC-SL-C继电器主要元件构成，电路其他元器件的选择没有太大区别。

方案二：

此方案的设计是以STCC8951为核心控制软件，LCD12864液晶显示器，ADC0832模数转换器，FC-28土壤传感器，SRD-05VDC-SL-C继电器等主要元器件构成。

方案三：

此方案的设计是以STC89C52为核心控制软件，LCD1602液晶显示器，ADC0832模数转换器，YL-69土壤湿度传感器，SRD-05VDC-SL-C继电器等主要元件构成。

1.2设计方案的比较

方案一：

其中AT系列的单片机的程序下载方式不太方便，且LCD12864液晶显示器虽说不影响电路功能，但是根据设计简单实用可操作性强的思想不能物尽其用。

ADC0809速度比较快，但是其外围电路复杂，市场价格比较高。

方案二：

其中STC系列单片机下载程序方式较之AT系列单片机比较简单，但是SCT89C51单片机的空间较小，可能没有足够的空间去操作，ADC0832虽然速度比不上ADC0809，但是其外围电路简单，性价比高。

方案三：

其中STC89C52比STC89C51单片机的空间大了一倍，且程序下载方式简单易操作，LCD1602的功能能够满足本次设计的需求，且物尽其用，市场价格不贵，YL-69和FC-28两者相比功能没有太大差别，且价格相差不大。

1.3设计方案的选择

根据上述三种方案的优缺点，还有自身掌握的专业知识，从各个方面综合考虑，决定选择第三种方案来实现本次设计所要达到的目的。

具体实现过程为：

以STC89C52单片机为核心，YL-69土壤湿度传感器所采集到的数据传送到ADC0832中，当STC89C52单片机需要数据时，就会给A/D模数转换器发送一条工作指令，当转换结束后，单片机读取数据后，通过软件程序处理之后传送到LCD1602液晶显示器上显示信息。

自动浇水部分功能的实现为，单片机读取数据后，经过软件程序的对比处理后，发送信号到SRD-05VDC-SL-C继电器来驱使水泵工作或者关闭。

当土壤湿度检测值低于设定值时，水泵工作；当土壤湿度检测值等于或者高于设定值时，水泵停止工作。

而自动浇水功能的实现则为关掉单片机电源电路，由外围电路供电来实现浇水。

2系统硬件电路设计

2.1总体设计

自动浇花系统利用单片机为核心来实现。

自动浇花系统的湿度检测电路是利用土壤湿度传感器土进行信息采集，再经过A/D转换器处理，输送到单片机内处理之后转变为数字信号，发送到LCD显示屏去显示，通过这种方式我们便可以对土壤湿度变化进行检测和控制，也可以对湿度范围重新设置，手动灌溉系统用单片机接受到的数据处理之后发送指令到继电器以控制水泵浇灌。

自动浇花系统的硬件电路由单片机系统电路、电源的电路、湿度传感器电路、LCD显示电路、控制按键的电路等电路共同构成的；自动灌溉系统的软件程序选用C语言编程。

自动浇花系统灵活可靠，操作简单，制作成本比较低，在灌溉中的应用范围很广泛。

系统总框图如图2.1所示。

图2.1系统总框图

2.2STC89C52单片机

STC89C52单片机是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超强抗干扰的低电压、高性能CMOS8位微控制器[7]，具有8K系统可编程可擦除Flash只读存储器，STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了大量的改善使得芯片具有许多传统51单片机不具备的功能，指令代码完全兼容传统51单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期随意选择。

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指令集和输出管脚相兼容。

由于将灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash存储器组合在一个芯片上，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。

2.2.1STC89C52单片机的组成

STC89C52由一个8位微处理器、128KB片内数据存储器RAM、1个特殊功能寄存器SFR、3KB片内程序存储器FlashROM、64KB可寻址片内外一编址的ROM、64KB可寻址片外的RAM、4个8位并行I/O接口（P0-P3）、一个全双工通用异步串行接口UART、两个16位的定时器及计数器、具有位操作功能的布尔处理机及位寻址功能的五个中断源、两个优先级的中断控制系统以及片内振荡器和时钟产生电路[8]。

其基本组成框图如图2.2所示。

图2.2STC89C52单片机的组成

2.2.2STC89C52的主要性能[9]

∙增强型51单片机，完全兼容传统51单片机指令代码，6时钟/机器周期和12时钟/机器周期任意选择

∙工作电压：

5.5V～3.3V（5V单片机）/3.8V～2.0V（3V单片机）

∙工作频率范围：

0～40MHz，相当于普通51的0～80MHz，实际工作频率可达48MHz

∙8K用户应用程序空间

∙片上集成512字节RAM

∙通用I/O口（32个），复位后为：

P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉，P0口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。

∙ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），不需要专用的编程器和仿真器，用户可通过串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下载程序，省时省力

∙具有EEPROM功能

∙具有看门狗功能

∙共3个16位定时器/计数器（T0、T1、T2）

∙外部中断4路，下降沿中断或低电平触发电路，PowerDown模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒

∙通用异步串行口（UART），可用定时器软件实现多个UART

∙工作温度范围：

-40～+85℃（工业级）/0～75℃（商业级）

∙PDIP（塑料双列直插式）封装

2.2.3STC89C52的管脚说明

STC89C52的引脚图如图2.3所示。

图2.3STC89C52单片机引脚

各引脚功能：

1）电源

VCC（40引脚）:

电源,接+5V

VSS（20引脚）:

接地

2）I/O口线

P0口（P0.0-P0.7,39-32引脚）：

P0口是一个8位漏极开路双向I/O口，也称为数据总线口。

对端口P0写入“1”时，作为高阻输入；作为输出时，每个引脚可驱动8个负载。

用于外部程序数据存储器时，内部为上拉电阻状态，可以作为数据和地址低8位复用总线。

FIASH编程时，P0口作为原码输入口；当FIASH进行校验时，外部必须接上拉电阻，此时P0口输出原码。

P1口（P1.0-P1.7，1-8引脚）：

P1口是一个内部带有上拉电阻的8位双向I/O口，专门供用户使用。

P1口的输出缓冲器能接收4TTL（生存时间）门电流。

当P1口管脚写入“1”后，内部上拉电阻把端口拉到高电位，可用作输入；由于内部上拉电阻的存在，P1口被外部信号下拉为低电平时，将作为输出口。

P2口（P2.0-P2.7，21-28引脚）：

P2口是一个内部带有上拉电阻的8位双向I/O口，也可作为用户使用的I/O口接线。

P2口的输出缓冲器可接收4个TTL门电流。

当P2口被写入“1”时，内部上拉电阻把端口拉到高电位拉高作为输入。

同时由于内部上拉电阻的存在，被外部信号拉低的P2端口将输出电流。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。

当对外部8位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容且在整个访问期间不会变。

P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口（P3.0-P3.7，10-17引脚）：

P3口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口的输出缓冲器可接收4个TTL门电流。

当P3口被写入“1”后，P3端口被内部上拉电阻上拉为高电平，并用作输入。

STC89C52单片机的P1口个别管脚和P3口还有一些特殊功能。

其中P1.0可以作为定时器/计数器2的外部计数输入，P1.1可以作为定时器/计数器2的触发输入。

具体如表2.1所示。

表2.1P1.0和P1.1引脚复用功能

引脚

复用功能

P1.0

T2（定时器/计数器2外部计数输入，时钟输出）

P1.1

T2EX（定时器/计数器2捕获/重装触发和方向控制）

P3口也可作为STC89C52的一些特殊功能口，具体如表2.2所示。

表2.2P3引脚复用功能

引脚

复用功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

/INT0（外部中断0）

P3.3

/INT1（外部中断1）

P3.4

T0（记时器0外部输入）

P3.5

T1（记时器1外部输入）

P3.6

/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

/RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为Flash编程和编程校验接收一些控制信号。

3）控制线

RST（9引脚）：

复位信号的输入端。

需保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG（30引脚）：

地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲。

访问外部存储器时，用于锁存地址的低8位。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

/PSEN（29引脚）：

外部ROM读选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期出现两次/PSEN信号有效。

但在访问外部数据存储器时，/PSEN信号将不出现。

/EA/VPP（31引脚）：

访问外部程序存储器的控制信号。

当/EA保持低电平时即接地，不管是否有内部程序存储器，在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH）都能读取指令。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，执行内部程序存储器。

4）时钟

XTAL1（19引脚）：

振荡器电路的输入端。

XTAL2（18引脚）：

振荡器电路的输出