自动浇花系统的设计毕业论文.docx

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自动浇花系统的设计毕业论文

题目

自动浇花系统的设计

系别

电子信息科学与技术

班级

xxx

姓名

xxx

学号1246332xx

答辩时间2016年5月

xxxx大学计算机与信息工程学院

XXX大学

本科生毕业论文

自动浇花系统的设计

xxx指导老师：

xxx

摘要：

本设计是基于AT89C51单片机和ADC0832的自动浇花系统。

本设计的电路部包含湿度采集和AD转换等主要功能。

自动浇水系统设计的浇水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浇水，高于上限值时再由单片机输出一个信号控制停止浇水。

这样可以帮助人们及时地给心爱的盆花浇水。

关键词：

AT89C51；湿度的采集与显示；LED

Designofpottedflowerssautomaticwateringsystem

xxxxxxxxxTutor：

xxxxxx

Abstract:

ThisdesignistheautomaticwateringsystemAT89C51basedonMCUandADC0832.ThedesignofthecircuitcontainsthemainfunctionsofhumidityacquisitionandADconversion.WateringpartofautomaticwateringsystemdesignisthroughtheupperandlowerlimitsofmicrocontrollerprogrammingwateringvalueandinductioncircuitintoMCUsoilmoisturecomparedtothevalues,whenthelowerlimitvalue,theoutputofthesinglechipasignaltocontrolthewatering,abovetheupperlimitagainbytheMCUoutputasignalcontrolstopwatering.Thiswatercanhelppeopleinatimelymannertothebelovedflower.

Keywords:

AT89C51;Humidityacquisitionanddisplay;LED

1自动浇花器的研究现状

现如今人们的生活质量不断提高。

人们都喜欢在家里养养盆花，这样可以冶人们的情操，丰富人们的生活。

同时盆花可以通过光合作用吸收二氧化碳，净化室空气，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，养盆花如今被许多人喜爱。

给盆花浇水是否能做到适时及适量，是养花成败与否的关键。

但是，在生活中人们总是会有没时间照顾的时候，比如工作学习太忙，旅游或者出差等。

花草生长的问题大多数以上是由花儿浇灌不及时引起的；好不容易种植很长时间的花草，因为浇水不及时或者长势不好，用来美化室环境的花草几乎成了“摆设”。

因此，我想设计一种可以给盆花土壤湿度进行检测，并且自动浇水的盆花自动浇水系统。

2系统设计的研究方法和手段

本次毕业设计是设计一种单片机控制的自动浇水系统，它可以实现室盆花浇水的自动化系统。

该系统可对土壤的湿度进行实时监控，并对盆花进行适时适量的浇水。

其核心是单片机、湿度采集、显示电路以及浇水驱动电路构成的检测以及控制部分。

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。

该设计的检测部分单片机选用AT89C51单片机，软件部分选用C51语言编程。

土壤湿度采集于显示电路可将检测到的土壤湿度模拟量放大转换成数字量并且通过单片机程序控制精确的将湿度分显示在LCD显示屏上，通过单片机的程序判断是否要给盆花浇水，如果需要浇水，则单片机系统就会发出浇水信号，带动水泵开始浇水，若不需要浇水，则进行下一次循环检测。

3系统硬件简介

3.1单片机的最小化系统

AT89C51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AT89C51是一种高效微控制器，AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价格低廉的方案。

T89C51单片机的基本组成

AT89C51由一个8位的微处理器，128KB片数据存储器RAM,21个特殊功能寄存器SFR，3KB片程序存储器FlashROM,64KB可寻址片外一编址的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、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振荡器和时钟产生电路。

其基本组成框图如图3-1-1所示。

图3-1-1AT89C51单片机的基本组成

T89C51单片机的存储器

在单片机中，存储器分为程序存储器ROM和数据存储器RAM，并且两个存储器是独立编址的。

AT89C51单片机芯片配置有8KB（0000H-1FFFH）的Flash程序存储器和256字（00H-FFH）的数据存储器RAM，根据需要可外扩到最大64KB的程序存储器和64KB的数据存储器，因此AT89C51的存储器结构可分为4个部分：

片程序存储器、片外程序存储器、片数据存储器和片外程序存储器。

下图给出了AT89C51单片机的存储器分布空间。

左侧框中为单片机自身提供的8KBFlash程序存储器和256字节数据存储器RAM。

右侧为可扩展的64KB的程序存储器ROM和64KB的数据存储器RAM。

图3-1-2存储器空间分布

（1）程序存储器

AT89C51的程序存储器由ROM构成，切断电源后程序是不会丢失的，它的作用是存储好编写好的程序中所用的常数，最大容量有64KB。

（2）数据存储器

它的作用是用来存放数据，运算中间结果，和带调试的程序等等。

单片机自带的数据存储器RAM结构如图2-4所示，此字节单元（00H-FFH）的低128字节（00H-7FH）单元为用户使用区，高128字节（80H-FFH）单元为特殊功能寄存器SFR区。

片数据存储器的00H-7FH单元又划分为3块：

00H-1FH块是工作寄存器所用；20-2FH块是位寻址功能的单元区；30H-3FH是普通RAM区。

工作寄存器又分为4组，在当前的运行程序中只有一组是被激活的，谁被激活有程序状态寄存器PEW的RS1，RS0两位决定。

振荡电路和时钟

在AT89C51芯片部，有一个振荡电路和时钟发生器，引脚XTAL1和XTAL2之间接入晶体振荡器和电容后构成部时钟方式。

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。

两种方式的电路连接图1.6所示。

大多数的单片机采用部时钟方式，本次设计亦然。

在AT89C51单片机部，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。

芯片部的时钟发生器是一个二分频触发器，振荡器的输出fosc为其输入，输出为两相时钟信号（状态时钟信号），频率为振荡器输出信号频率fosc的二分之一。

3.2LCD1602简介

LCD1602的基本参数及引脚功能

LCD1602液晶显示器具有功耗低、体积小，超薄轻巧等优点，同时可以显示字母、数字符号以及中文字符，显示的容十分丰富。

它还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3-2-1所示。

图3-2-1LCD1602结构图

LCD1602主要技术参数：

容量:

16×2个字符

芯片工作电压:

4.5—5.5V

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：

引脚接口说明表3-2-1

编号

符号

引脚说明

编号

符号

引脚说明

1

VSS

电源地

9

D2

数据

2

VDD

电源正极

10

D3

数据

3

VL

液晶显示偏压

11

D4

数据

4

RS

数据/命令选择

12

D5

数据

5

R/W

读/写选择

13

D6

数据

6

E

使能信号

14

D7

数据

7

D0

数据

15

BLA

背光源正极

8

D1

数据

16

BLK

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7～14脚：

D0～D7为8位双向数据线。

第15脚：

背光源正极。

第16脚：

背光源负极。

LCD1602的一般初始化（复位）过程：

●延时15mS

●写指令38H（不检测忙信号）

●延时5mS

●写指令38H（不检测忙信号）

●延时5mS

●写指令38H（不检测忙信号）

●以后每次写指令、读/写数据操作均需要检测忙信号

●写指令38H：

显示模式设置

●写指令08H：

显示关闭

●写指令01H：

显示清屏

●写指令06H：

显示光标移动设置

●写指令0CH：

显示开及光标设置

显示模块采用1602液晶显示接口电路

图3-2-21602液晶显示接口

3.3ADC0832的简介

ADC0832其实就是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。

其部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。

是目前国应用最广泛的8位通用A/D芯片。

图3-3ADC0832引脚图

ADC静态特性

ADC的静态特性是指其与时间特性无关的特性，主要包括以下几类：

1）分辨率

ADC的分辨率定位为二进制末位变化1所需的最小输入电压与参考电压的比值，即ADC能够分辨的最小的模拟量的变化。

2）量化误差

量化电平定义为满量程电压（或满度信号值）UFSR与2的N次幂的比值，其中N位被数字化的数字信号的二进制位数。

量化电平一般用Q表示。

3）全输入围和动态围

全输入围是指允许输入模拟信号的最大值与最小值之差；动态围是指全输入围与ADC最小可分辨的量值之比。

4）偏置误差和增益误差

ADC的偏置误差定义为使最低位被置成“1”状态时ADC的输入电压与理论上使最低位被置成“1”状态时的输入电压之差。

当偏置误差高速为零之后，输出为全1时对应的实际输入电压与理想输入电压之差。

DC动态特性

高速ADC的动态特性是指输入为交变简谐信号时的性能技术指标，它是与ADC的操作速度有关的特性。

其主要技术指标如下：

1）转换时间、采集时间

转换时间是指从信号开始转换到可获得完整的信号输出所用的时间，它是高速ADC的一项重要指标。

采集时间是指采样保持电路在采样模式下能够保证其在随之到来的保持模式输出在采样保持转换时，相对该时刻存在的输入电平之间的误差将会限制在一定的误差围所需的时间。

2）频率响应

它是冲击响应的傅立叶变换，其最佳表达方式是幅频与相频曲线，从系统辨识的角度看这是在频域对ADC动态线性特性的非参数模型描述。

3）动态积分非线性误差和动态微分非线性误差

动态积分非线性误差（INL）定义为在动态情况下（一般输入信号为正弦信号），ADC实际转换特性曲线之间的最大偏差。

每个数码的偏差都是由那个数码的中心值来度量的。

动态微分非线性误差（DNL）定义为在动态情况下（一般输入信号为正弦信号），ADC实际转换特性的码宽（1LSB）与理想代码宽度之间的最大偏差，单位为LSB。

为了保证ADC不失码，通常规定在25oC时最大DNL为1/2LSB。

4）信噪比、信噪失真比和有效位数

信噪比（SNR）是信号电平的有效值与各种噪声（包括量化噪声、热噪声、白噪声等）有效值之比的分贝数。

其号是指基波分量的有效值，噪声指奈奎斯特频率以下的全部非基波分量的有效值（除谐波分量和直流分量外）。

5）小信号带宽和全功率带宽

ADC的模拟带宽是指输入扫描频率基波在ADC输出端用FFT分析得到的基波频谱下降到3dB处的带宽（不考虑谐波失真和噪声影响）。

根据输入信号幅值不同，模拟带宽又可以分为小信号带宽（SSBW，一般指1/10满量程）和全功率带宽（FPBW，指满量程）。

DC性能测试

ADC测试方法主要有两种：

模拟方法和数字方法。

前者是将A/D采集的数字信号经D/A转换位模拟信号再用传统的测试方法对其进行测试，优点是易于理解，缺点是许多A/D采集卡本身不带D/A，即或有，D/A的性能也将影响A/D指标的测试。

常用ADC芯片概述

A/D转换器是用来通过一定的电路将模拟量转变为数字量。

模拟量可以是电压、电流等电信号，也可以是压力、温度、湿度、位移、声音等非电信号。

但在A/D转换之前，输入到A/D转换器的输入信号一定要经各种传感器把各种物理量转换成电压信号。

ADC0832模数转换原理及主要技术指标

ADC0832是美国国家半导体公司生产的一种8位分辨率、双通道A/D转换芯片。

其部有一个8通道多路开关，它能够根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的任何一个进行A/D转换。

这是目前国应用最广泛的8位通用A/D芯片。

主要特性

1）8路输入通道，8位A/D转换器，即分辨率为8位。

2）具有转换起停控制端。

3）转换时间为100μs（时钟为640kHz时），130μs（时钟为500kHz时）　

4）单个＋5V电源供电

5）模拟输入电压围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。

6）工作温度围为-40～＋85摄氏度

7）低功耗，约15mW。

部结构

ADC0832是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器，它由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型A/D转换器、逐次逼近。

外部特性（引脚功能）

ADC0832芯片有28条引脚，采用双列直插式封装。

下面说明各引脚功能。

IN0～IN7：

8路模拟量输入端。

2-1～2-8：

8位数字量输出端。

ADDA、ADDB、ADDC：

3位地址输入线，用于选通8路模拟输入中的一路

ALE：

地址锁存允许信号，输入，高电平有效。

START：

A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。

EOC：

A/D转换结束信号，输出，当A/D转换结束时，此端输出一个高电平（转换期间一直为低电平）。

OE：

数据输出允许信号，输入，高电平有效。

当A/D转换结束时，此端输入一个高电平，才能打开输出三态门，输出数字量。

CLK：

时钟脉冲输入端。

要求时钟频率不高于640KHZ。

REF（+）、REF（-）：

基准电压。

Vcc：

电源，单一＋5V。

GND：

地。

DC0832的工作过程

首先输入3位地址，并使ALE=1，将地址存入地址锁存器中。

此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。

START上升沿将逐次逼近寄存器复位。

下降沿启动A/D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。

直到A/D转换完成，EOC变为高电平，指示A/D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。

当OE输入高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。

转换数据的传送A/D转换后得到的数据应及时传送给单片机进行处理。

数据传送的关键问题是如何确认A/D转换的完成，因为只有确认完成后，才能进行传送。

为此可采用下述三种方式。

（1）定时传送方式

对于一种A/D转换其来说，转换时间作为一项技术指标是已知的和固定的。

例如ADC0832转换时间为128μs，相当于6MHz的MCS-51单片机共64个机器周期。

可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，转换肯定已经完成了，接着就可进行数据传送。

（2）查询方式

A/D转换芯片由表明转换完成的状态信号，例如ADC0832的EOC端。

因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确认转换是否完成，并接着进行数据传送。

（3）中断方式

把表明转换完成的状态信号（EOC）作为中断请求信号，以中断方式进行数据传送。

不管使用上述哪种方式，只要一旦确定转换完成，即可通过指令进行数据传送。

首先送出口地址并以信号有效时，OE信号即有效，把转换数据送上数据总线，供单片机接受。

DC0832与单片机的接口电路

ADC0832模数转换器与AT89C51单片机的接口电路如图3-3-10所示

图3-3-10ADC0832与AT89C51单片机接口电路

3.4土壤湿度检测模块

湿度检测原理图如图所示

图湿度检测原理图

原理阐述：

土壤湿度传感器采用FC-28，土壤湿度传感器由不锈钢探针和防水探头构成，可长期埋设于土壤和堤坝使用，对表层和深层土壤进行墒情的定点监测和在线测量。

与数据采集器配合使用，可作为水分定点监测或移动测量的工具测量土壤容积含水量，主要用于土壤墒情检测以及农业灌溉和林业防护。

J1是两个插片，插在土壤里，AC口用来采集电压压值，当土壤湿度少时，探针间电阻接近无穷大，AC值就相当于是VCC值，当土壤湿度大时，此时探针键电阻会减少到几千甚至几百欧，此时AC的电压会变化。

LM393是一个比较器，通过R1设置一个标准值，当湿度大（AC值小），OUT输出低电平，相反输出高电平。

OUT信号可以直接用来粗略估算湿度大小。

AC数值送到数模转换模块转换成数字信号。

L1用来看电路是否接通，L2湿度小（AC值大）灭，湿度大（AC值小）亮。

土壤的湿度是由ADC0832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，水泵开始运行然后开始浇水。

若高于上限值时，单片机再发出一个控制信号控制，就会停止浇水。

比较器LM393

.1LM393主要特点：

（1）工作电源电压围宽，单电源、双电源均可工作，单电源：

2～36V，双电源:

±1～±18V；

（2）消耗电流小，Icc=0.8mA；

（3）输入失调电压小，VIO=±2mV；

（4）共模输入电压围宽，Vic=0～Vcc-1.5V； 

（5）输出与TTL，DTL，MOS，CMOS 等兼容； 

.2LM393引脚图及部框图

图3-4-1LM393引脚图及部框图

LM393引脚功能排列表

引出端序号

功能

符号

引出端序号

功能

符号

1

输出端1

OUT1

5

正向输入端2

1N+

（2）

2

反向输入端1

1N-

（1）

6

反向输入端2

1N-

（2）

3

正向输入端1

1N+

（1）

7

输出端2

OUT2

4

地

GND

8

电源

VCC

LM393主要参数表

参数名称

符号

数值

单位

电源电压

VCC

±18或36

V

差模输入电压

VID

±36

V

共模输入电压

VI

-0.3～VCC

V

功耗

Pd

570

mW

工作环境温度

Topr

0to+70

℃

贮存温度

Tstg

-65to150

℃

LM393是高增益,宽频带器件,象大多数比较器一样,如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合,则很容易产生振荡.这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时,输出电压过渡的间隙.电源加旁路滤波并不能解决这个问题,标准PC板的设计对减小输入—输出寄生电容耦合是有助的.减小输入电阻至小于10K将减小反馈信号,而且增加甚至很小的正反馈量（滞回1.0~10mV）能导致快速转换,使得不可能产生由于寄生电容引起的振荡.除非利用滞后,否则直接插入IC并在引脚上加上电阻将引起输入—输出在很短的转换周期振荡,如果输入信号是脉冲波形,并且上升和下降时间相当快,则滞回将不需要.比较器的所有没有用的引脚必须接地.LM393偏置网络确立了其静态电流与电源电压围2.0~30V无关.通常电源不需要加旁路电容。

3.5报警及电机驱动

图3-5报警及电机驱动电路

4软件设计

4.1主程序流程图

在本设计中，整个系统采用模块化设计，这样设计可以使程序看起来清晰明了，便于阅读以及调试。

土壤湿度检测及自动浇灌模块的程序结构是主程序以及按键扫描处理、土壤湿度数据采集、数据处理、显示、电机驱动等子程序组成，如图4-1-1所示。

图4-1-1程序结构图

整个系统操作操作方法为当开启系统后进入主函数，初始化化函数变量及初始化传感器模块，进入按键扫描函数，通过按键选择系统的工作模式，在自动控制模式下，调用土壤湿度数据采集函数，采集当前土壤湿度值，并通过数据处理程序对湿度值进行分析，当湿度值小于预设值时，进入水泵电机驱动函数，开启灌溉功能，直到达到湿度预设值，停止灌溉。

其主程序流程图如图4-1-2所示。

图4-1-2主程序流程图

表4-1-2函数功能表

函数

功能

write_

1602命令函数

clock_h_l

报警函数

write_data

1602写数据函数

key_with

按键处理显示函数

4.2显示模块

首先初始化1602显示，接着显示测试出的值，在通过按键调节显示湿度的上下限的值。

图4-2显示模块

4.3AD转换模块

图4-3-1AD转换模块

附上ADC0832时序图如图4-3-2

图4-3-2ADC0832时序图

4.4湿度检测模块

通过传感器测的的湿度数据存入单片机然后设定的上下限的值做比较，当测的的值低于下限时，开始浇水，如果测的的值高于下限时，就再与设定的上限值做比较，当湿度低于上限时就开始浇水，反之则停止浇水。

图4-4湿度检测模块

5.结论

本次设计的盆花自动浇水系统以电子类的自动浇花器的工作原理为参考，运用湿度采集电路及单片机控制技术构成一个土壤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。

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