花卉自动浇灌控制系统设计.docx

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花卉自动浇灌控制系统设计

摘要

随着我国房地产的发展，近年来出现高档住宅社区和别墅区，一部分人拥有了私家花园，家庭式的灌溉在国内也没有正式起步。

花卉灌溉的思路就是最大限度的让主人不用费太多心思而把花养好。

考虑到浇灌系统的自动化程度，所以本次设计我用单片机与湿度、光照、温度传感器相结合，能够实时的检测并让花卉在最适合它们的环境中生长。

本次设计主要是由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括:

单片机AT89S52，电池充电电路，时钟电路，复位电路，温度传感器，湿度传感器，光照检测电路，步进电动机驱动电路，电磁阀控制电路，窗户控制电路等内容。

软件部分包括：

温度传感器DS18B20程序，步进电机的正反转程序，窗户的打开、关闭程序，控制电磁阀的程序等内容。

本设计的传感器都是采用单片机AT89S52编程控制的，实现对花卉所处环境的实时控制来确定要做的动作。

关键词：

单片机AT89S52传感器电磁阀步进电机自动浇灌

花卉自动浇灌控制系统设计

第一章绪论

1.1研究的背景

1.水是自然资源的重要组成部分，是所有生物的结构组成和生命活动的主要物质基础。

从全球范围讲，水是连接所有生态系统的纽带，自然生态系统既能控制水的流动又能不断促使水的净化和循环。

因此水在自然环境中，对于生物和人类的生存来说具有决定性的意义。

而对人体而言的生理功能是多方面，体内发生的一切化学反应都是在介质水中进行的，没有水，养料不能被吸收；氧气不能运到所需部位；养料和激素也不能到达它的作用部位；废物不能排除，新陈代谢将停止，人将死亡。

因此，水对人的生命是最重要的物质。

在地球上，哪里有水，哪里就有生命。

一切生命活动都是起源于水的。

2.在现代工业中，没有一个工业部门是不用水的。

也没有一项工业不和水直接或间接发生关系。

更多的工业是利用水来冷却设备或产品，例如钢铁厂等。

水还常常用来作为洗涤剂，如漂洗原料或产品，清洗设备或地面，每个工厂都要利用水的各种作用来维护正常生产，几乎每一个生产环节都有水的参与。

所以,水作为大自然赋予人类的宝贵财富，早就被人们关注。

但是人们经常使用“水资源”一词，却是近一二十年的事。

关于水资源的定义，有几十种之多，较普遍的说法是指“可以供人们经常取用、逐年可以恢复的水量”。

也就是通常所指的淡水资源。

这样，苦咸的的海水就不算在内，连千年难化的冰川、不易取用的一部分地下水也排除在外了。

水资源的价值在于，水资源地球生命的需求、为人类服务包括水所具有的发电、航运、养殖、环境等方面的能力。

我们都知道,水在自然环境和社会环境中，都是极为重要而活跃的因素。

而就中国的水资源而言已经开始减少了：

中国水资源初步估算为27115亿立方米，河流山川多年平均径流相当于世界径流总量的5.8％，而人均资源占有量很低。

人均只有2200立方米，仅为世界平均水平的1／4，在世界上名列121位，是全球13个人均水资源最贫乏的国家之一。

1.2自动浇灌的现状与发展趋势

1.2.1自动浇灌现状

园林灌溉设备现在主要是按照客户针对自己的需求来准确地选择灌溉产品，同时有利于制造商分门别类的研发产品和对市场需求的把握，用于区别各制造商的业务范围。

按这种方式主要分为城市园林灌溉设备（Landscape）、高尔夫球场灌溉设备（Golf）、庭院灌溉设备（Garden）。

比如美国的RAINBIRD、TORO、HUNTER等多家公司，尽管技术背景和从业时间有所不同，但都具备前两类产品的制造能力，而德国的GARDENA公司致力庭院灌溉产品的制造。

随着我国房地产的发展，近年来出现高档住宅社区和别墅区，一部分人拥有了私家花园，适应庭院灌溉的产品才从国外走进国门，这个市场刚刚起步。

家庭院灌溉设备的开发思路是，满足主人料理和养护私家花园的情趣，在家享受田园劳作的过程，营造自然生态的情景。

所以这类灌水器多为小射程散射喷头、手持式和移动式喷洒器，而且喷洒花型繁多可调，水源为自来水，压力、流量、射程都较小。

比如俗称的“花洒”就是典型的庭院灌水器。

欧洲在国际上引领这类产品的市场，如德国的GARDENA公司，就专门致力于庭院灌溉产品的生产。

在我国这类产品的生产也是空白。

国家统计局最新发布的资料表明，我国农村人口占总人口的比例降到56%；国家建设部指出，我国政府把保护环境、绿化祖国作为一项基本国策，建设部制定了《城市绿化规划建设指标》，其中规定城市绿地率2000年达到25%，2010年达到30%；城市绿化覆盖率2000年达到30%，2010年达到35%。

国内外大量研究资料表明，无论一个城市或一个地区，在常规情况下，当绿化覆盖率达到或超过30%～50%时，其生态环境才有希望想良性循环发展。

因此我国主要城市在今后一段时期内，绿化覆盖率将会大幅提高，城市绿地面积将迅速增加；同时，为使已有绿地尽可能发挥出应有的生态效应，其改造的步伐势必要加快。

水是植物具备适宜的生长环境，灌溉系统必不可少，绿地灌溉系统的数量也将随之增多，如果仍然采用古老的人工浇灌方法，先不说能否达到设想的灌溉效果，也不说每年将会增加的用水量，光人工费用和其他管理费用就会是一笔不小的开销。

由此可见，发展节水节能的现代化灌溉系统，已是大势所趋。

1.2.2自动浇灌的发展趋势

随着国家把保护环境和绿化祖国做为基本国策，再有无线网络信息的深入，在水资源的节约上也会下很大的力度去实现并落实，因此发展节水节能的现代自动浇灌系统势在必行。

灌溉自动控制设备主要沿着三条主线发展，分为高端、中端和低端三大类别。

高端控制设备

这类产品是随着计算机和现代数据通讯技术的发展而产生，主要有两类：

一类是基于气象站的中央计算机灌溉控制设备；另一类是由计算机控制，但不和气象站通讯。

这两类都在数据通讯的前提下进行指令下达和反馈，但最大区别是，前者以实时监测到的气象数据并计算出植物需水量为核心，实现灌溉系统的智能控制，后者则以阀门的开关为中心，实现系统启闭的集中控制。

中端控制设备

任何灌溉系统都是针对某种植物在某种需水量条件下而设计的，因此，系统供水流量是既定的；要灌到某种植物的需水量，最终反映在需要灌多长时间上。

这种产品就是把灌水时间作为控制参量，从而实现自动灌溉。

低端控制设备

这类设备主要是用干电池驱动，无须市电。

用来解决无电地区或难于解决电源的地区，比如高速公路的防护林或绿化带，城市园林很少应用。

此类控制设备，也可以简单编程，自动运行电磁阀，但不能控制供水机组。

在国外灌溉控制设备已经形成庞大的产业，在我国无论高、中、低端灌溉自动控制设备，仅仅有部分科研院所在试验研制之中，没有明确的针对性，思路不象国外那么清晰，目前还没有形成批量生产，更谈不到产业化。

总的来看，在不久的将来，不仅能实现对办公室花卉的控制而且可以实现路边及所有公共场所花草树木的自动灌溉，而且可以加入远程控制，可视频控制，更大限度的节省人力物力，这将是世界浇灌系统的一个发展趋势。

1.3本论文的主要研究内容

1.3.1基础研究与设计开发

浇花的最佳灌溉系统就是在恰当的时间灌溉适量的水，用户每天需解决的3个重要问题是：

何时灌溉灌多少、温度的高低和光照是否充裕。

解决何时灌溉的问题，用户需监测作物根域的土壤水分；解决光照强度问题则需要调节一些设备来增加阳光的照射，解决温度需要的就是通过窗户的打开与关闭来进行调节。

设计则需要通过研究盆景花卉正常生长的各种参数，根据是否需要水和光照而自动浇灌，很好地控制花卉生长的温度及湿度。

考虑干扰的消除措施，有效地避免干扰的产生，如何采用太阳能给电池充电使之环保又节省了资本，系统的器件需要采用高性能低价原件，降低开发成本低，而且能够满足大多数用户的需求。

1.3.2自动控制系统的研究与设计

1、本系统将对温室环境中土壤湿度、光照强度、温度因子的调控进行自动化控制，以期达到最佳的控制效果。

2、系统硬件设计，完成硬件原理图。

硬件将通过调研对比分析，选用高性价比元件，采用一些成熟电路设计，达到提高系统的稳定性、可靠性与精度，降低成本，提高市场竟争力的目标。

3、程序设计流程与程序清单。

软件设计将采用C语言设计，提高系统的修改、调试与升级（增加控制因子）的能力。

1.3.3使用自动控制系统带来的便利

1、根据花园大小和植物种类自主设定每周、每日的浇灌次数和时间使您外出度假也不用担心花草无人照料。

2、实现科学养护，避免普通漫灌导致的植物死亡和病虫害滋生。

3、无须拖着水管满院转，摆脱繁琐劳动，节约宝贵时间。

4、节约宝贵水资源，使用本产品可节约水80%左右。

5、低能耗，确保家人安全。

6、无须专门维护，可长期使用，安装、调试方便。

7、性能先进、可靠，售价为国外同类产品的40%以下；

8、一般4分出口的自来水龙头就可以轻松安装上控制器，家用水压便可以实现正常喷淋，如果水压不够，在控制器前端增加一个增压泵就可以了。

第二章系统总体设计

2.1系统的应用范围

该单片片机应用系统主要应用于办公室、家庭内，系统操作简单、价格低廉、实用性高，操作方便。

其工作环境温度为0～40°C。

2.2系统的预期功能和技术指标

2.2.1课题研究预期功能

现实生活中很多花卉温度、湿度和光照需要保持在一个既定的值上，超出或者低于这个预定值将对花卉的生长产生影响。

该系统要求用单片机测控来实现花卉生长环境因子信息数据的实时采集、处理，而后输出控制执行机构，以实现环境湿度、温度和光照强度的测控，达到节水节能，省时省工的效果。

具体功能如下:

1、实现按需灌溉功能。

按照花卉的需求开启和关闭灌溉系统，实现一般的控制。

具有结构简单，成本低，操作方便。

2、通过传感器检测花卉生长的环境温度、土壤湿度和光照强度，依据设定的植物要求的温度、湿度和光照强度的上下限值，由单片机来控制开关窗户、电磁阀和窗帘，从而调节温度、湿度和光照。

当空气温度高于上限值时，自动打开窗户进行自然降温，达到要求值时则自动关闭。

3、室内环境中土壤湿度是重要因子，要求当土壤含水量过低己不能满足花卉最低需求时，就打开电磁阀进行灌溉，当湿度满足要求是关闭电磁阀。

4、光照强度控制因子考虑到生产成本问题，但是本系统不足之处是未考虑人工增光设备，如果光照强度高于上限值时，关闭窗帘降低光照，如果光照强度低，打开窗帘网。

2.2.2课题的技术指标

控制参数

土壤湿度%RH

温度°C

光照强度LX

太阳能电池板

硬件总成本

控制范围

60~80

20~30

3～5万

尺寸112mm*65mm*4mm，开路6V，短路电流150MA

50～70万

表2-1系统技术指标

系统技术指标（夏天）要求具体见表2-1所示，其控制范围亦可据具体作物的需要来设定，%RH（RelativeHumidity）为相对百分数，其中硬件成本由于单个制作跟批量生产有一定的差值。

2.3系统设计总体方案

2.3.1系统控制原理

在控制技术方面，有诸如开环、闭环反馈控制，模糊控制，自适应控制，神经网络控制等现代控制技术。

模糊控制技术当前应用最广泛，一般用于有上、下位机的单片机控制系统。

本系统采用传统的闭环控制技术，系统控制原理逻辑框图见图2-2所示：

温度湿度光照

图2-2闭环控制逻辑原理框图

2.3.2系统总体设计

图2-3系统硬件结构图

（1）本文针对实际需要，设计了一套温度、湿度和光照检测与控制系统，保证花卉在生长的各个时期有适宜的生长环境，整个测控系统由传感器、控制器和执行机构三部分构成。

整个系统的硬件结构如图2-3所示

（2）硬件电路以AT89S52单片机为核心，系统输入由采集土壤水分传感器、光照传感器和温度传感器及传感器信号处理电路组成，输出控制由继电器、执行器构成。

（3）软件用C语言作为编程语言，采用模块式结构设计。

2.4系统的工作原理

系统的工作中，有太阳能电池给电池充电，电池的输出经过稳压模块，避免电压的较大变化，电池为整个系统提供电能。

经过温度、湿度及光照检测的传感器把被测对象的温度、湿度光照转换成电压信号，转换为0-1数字信号后送入单片机中，与给定的所要控制的温度、湿度值进行比较，根据单片机AT89S52中设置的参数，输出相应温度、湿度值对应的被控对象电机和电磁阀的值，带动动力系统作相应的运动，不断减少与单片机中设置值的差值，温度过高时，单片机控制直流电机驱动器打开窗户，进行自然散热，温度适合时关闭窗户。

当土壤湿度过低时，单片机通过继电器控制电磁阀使其打开进行浇水，浇水后湿度适中时关闭电磁阀。

光照检测电路将光照强度转换成0-1代码，输入单片机，当光照过强时关闭窗帘，光照适合时打开窗帘。

温度湿度不断地检测、控制，使之达到一个动态的平衡。

第三章系统的硬件设计

3.1单片机控制系统设计

3.1.1单片机的选择

电子技术飞速发展，使得计算机不断更新换代。

其中单片机更是一枝独秀，广泛应用于各个领域，使其自动化程度大提高。

单片机具有体积小，价格低廉，功能强大，稳定可靠，运算速度快，功耗低，扩展容易，抗干扰能力强，系列齐全，使用方便灵活等优点，广泛应用于工业过程控制、自动监测、智能仪器仪表、家用电器等领域。

单片机成为当今世界上销售量最大、应用面最广、价格最便宜的微型计算机产品。

目前世界上最具实力的单片机开发公司有:

美国的Intel，ATMEL，荷兰的PhilipS，德国的SiemenS等。

其中Intel公司一直处于领先地位，主要有MCS-48、MCS-51和MCS-96三大系列，其中MCS-51系列是1980年推出的高档8位单片机，代表着单片机的发展方向，成为单片机领域中的主流产品。

ATMEL公司的89系列Flash单片机以Intel80C51/52作为内核，并采用可重复编程FlashROM技术，是一种源于8051而又优于8051的单片机，己成为广大MCS-51用户进行电子设计与开发的优选单片机品种。

根据实际情况与要求，本系统选用ATMEL公司89系列标准型单片机AT89S52，其价格适中功能强大，这应当是比较符合我国国情的选择。

3.1.2AT89S52简介

AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含8KBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

1.单片机内部结构图与基本特征

AT89S52内部结构图如图3-1所示

AT89S52基本特征

与MCS-51单片机产品兼容

8K字节在系统可编程Flash存储器，256字节RAM

可反复擦写>1000次

全静态操作：

0Hz～33Hz

三级加密程序存储器

2个可编程I/O口线

三个16位定时器/计数器

八个中断源

全双工UART串行通道

低功耗空闲和掉电模式

掉电后中断可唤醒

看门狗定时器

双数据指针

掉电标识符

图3-1AT89S52外部引脚

2.引脚配置及功能

AT89S52单片机有40个引脚，为CMOS工艺双列直插封装（DIP），其引脚配置见图3-1所示，各引脚功能简述如下:

1.主电源引脚VSS和VCC

VCC（40引脚）——电源端，+5V

VSS（20引脚）——接地

2.4个8位I/O端口P0、P1、P2和P3

P0口（32——39）：

P0口为一个8位漏级开路双向工/0口，每个引脚可吸收8个TTL门电流。

P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0不具有内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

P1口（1——8）：

P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/0口，P1口缓冲器能接收输出4个TTL门电流。

Pl口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口（21——28）：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/0口，P2口缓冲器可接收输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉的缘故。

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。

在给出地址"1"时，它利用内部上拉优势，当对外部八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。

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（10——17）：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/0口，可接收输出4个TTL

门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89S52的一些特殊功能口，如下表3-2所示:

表3-2P3口的特殊功能

口管脚

备选功能

P3.0RXD

串行输入口

P3.1TXD

并行输入口

P3.2/INT0

外部中断0

P3.3/INT1

外部中断1

P3.4T0

计时器0外部输入

P3.5T1

计时器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

3.控制信号引脚

RST（9脚）：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE（30脚）：

低电平有效，当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFRSEH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX、MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

PSEN（29脚）：

低电平有效，外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。

EA/V（31脚）:

当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFH），不管是否有内部程序存储器。

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

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

4.时间振荡电路

XTAL1（19脚）：

反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2（18脚）：

来自反向振荡器的输出。

3.1.3存储器的配置

AT89系列单片机的存储器采用的程序存储器和数据存储器分开编址的，它们有各自的寻址系统、控制信号和特定功能。

程序和数据存储器在物理和逻辑上均分为两个地址空间:

内部存储空间和外部存储空间。

本系统的代码程序不太大，AT89S521片内的8KBROM闪速存储器256字节的RAM即可满足要求，无需扩展片外ROM跟RAM。

3.1.4时钟电路与复位电路的设计

1.时钟电路设计

AT89S52单片机内部有个振荡器，可以用作CPU的时钟源。

本系统时钟选用内部方式。

AT89S52内部含有一个高增益的反相放大器，通过XTAL1（输入端）、XTAL2（输出端）外接作为反馈元件的片外石英晶体（或陶瓷谐振器）和电容C1，C2组成的并联谐振电路后便构成片内自激振荡器，从而利用它内部的振荡器产生时钟。

连接方法见图3-3所示，其中晶体呈感性，其决定着振荡器的振荡频率；电容Cl，C2对频率有微调作用。

电路中反馈元件选用石英晶体，电容Cl和C2均为30pF，电容与晶体的安装位置应尽量靠近单片机。

图3-3时钟电路

2.复位电路设计

89系列单片机在启动时也需要复位使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始态开始工作。

按下SW，电源对C充电，使RST端快速到达高电平；松开按键，C向芯片内阻放电，恢复为低电平，从而使单片机可靠复位，一般R1选470Ω，R2选8.2kΩ，C选22uF。

AT89S52的按键复位电路见图3-4，电路简单可靠。

图3-4按键复位电路

3.2太阳能电池板充电电路

3.2.1充电芯片的选择

CN3068是可以对单节可充电锂电池进行恒流/恒压充电的充电器电路。

该器件内部包括功率晶体管，应用时不需要外部的电流检测电阻和阻流二极管。

CN3068只需要极少的外围元器件，热调制电路可以在器件的功耗比较大或者环境温度比较高的时将芯片温度控制在安全范围内。

内部固定的恒压充电电压为4.2V，也可以通过一个外部的电阻调节。

充电电流通过一个外部电阻设置。

当输入电压掉电时，CN3068自动进入低功耗的睡眠模式，此时电池的电流消耗小于3微安。

其它功能包括输入电压过低锁存，自动再充电，电池温度监控以及充电状态/充电结束状态指示等功能。

CN3068的管脚排列如图3-5所示：

图3-5CN3068的管脚排列

3.2.1.1详细描述

CN3068是专门为一节锂电池而设计的线性充电器电路，利用芯片内部的功率晶体管对电池进行恒流和恒压充电。

充电电流可以用外部电阻编程设定，最大持续充电电流可达500mA，不需要另加阻流二极管和电流检测电阻。

CN3068包含两个漏极开路输出的状态指示输出端，充电状态指示端STAT2和充电结束指示输出端STAT1。

芯片内部的功率管理电路在芯片的结温超过115℃时自动降低充电电流，这个功能可以使用户最大限度的利用芯片的功率处理能力，不用担心芯片过热而损坏芯片或者外部元器件。

这样，用户在设计充电电流时，可以不用考虑最坏情况，而只是根据典型情况进行设计就可以了，因为在最坏情况下，CN3068会自动减小充电电流。

当输入电压大于电源低电压检测阈值和电池端电压时，CN3068开始对电池充电，STAT2管脚输出低电平，表示充电正在进行。

如果电池电压Kelvin检测输入端（FB）的电压低于3V，充电器用小电流对电池进行预充电。

当电池电压Kelvin检测输入端（FB）的电压超过3V时，充电器采用恒流模式对电池充电，充电电流由IR管脚和GND之间的电阻RIR.确定。

当电池电压Kelvin检测输入端（FB）的电压接近电池端调制电压时，充电电流逐渐减小，CN3068进入恒压充电模式。

当充电电流减小到充电结束阈值时，充电周期结束，STAT2端输出高阻态，STAT1端输出低电平，表示充电周期结束，充电结束阈值是恒流充电电流的10%。

如果要开始新的充电周期，只要将输入电压断电，然后再上电就可以了。

当电池电压Kelvin检测输入端（FB）的电压降到再充电阈值以下时，自动开始新的充电周期。

芯片内部的高精度的电压基准源，误差放大器和电阻分压网络确保电池端调制电压的误差在±1%以内，满足了电池的要求。

当输入电压掉电或者输入电压低于电池电压时，充电器进入低功耗的睡眠模式，电池端消耗的电流小于3uA，从而增加了待机时间。

CN3068的过程充电示意如图3-6所示：

图3-6过程充电示意图

3.2.1.2CN3068管脚说明