毕业论文基于土壤定时检测的家庭自动浇花系统设计.docx
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毕业论文基于土壤定时检测的家庭自动浇花系统设计
编号：
审定成绩：
重庆邮电大学移通学院
毕业设计（论文）
设计（论文）题目：
基于土壤定时检测的家庭自动浇花
系统设计
单位（系别）：
自动化系
学生姓名：
专业：
电气工程及其自动化
班级：
学号：
指导教师：
答辩组负责人：
填表时间：
2016年6月
重庆邮电大学移通学院教务处制
重庆邮电大学移通学院毕业设计（论文）任务书
设计（论文）题目 基于土壤定时检测的家庭自动浇花系统设计
主
要
研
究
内
容
、
方
法
和
要
求
主要内容：
利用湿度传感器检测土壤的湿度，采集的湿度传送到单片机处理单元，单片机根据湿度控制电磁阀自动给花卉浇水。
基本要求：
1.熟悉单片机的编程语言和相关传感器的使用；
2.完成自动浇水控制系统的软硬件设计；
3.系统能够实现基本的定时浇水功能；
4.设置相应按键能够调整定时时间。
进
度
计
划
第4周～第6周：
针对课题进行查阅相关资料；
第7周～第10周：
确定系统设计方案，完成硬件电路设计；
第11周～第12周：
完成软件设计，完善系统控制电路；
第13周～第15周：
撰写论文、修改论文，完成答辩。
主
要
参
考
文
献
[1]张毅刚等．单片机原理及应用．北京：
高等教育出版社，2010，5．
[2]谭浩强．C程序设计．清华大学出版社．2006．
[3]潘新民，王燕芳．微型计算机控制技术[M]．电子工业出版社，2009．
[4]汤竞南，沈国琴．51单片机C语言开发与实例[M]．人民邮电出版社，
2008．
指导教师签字：
年月日
教研室主任签字：
年月日
备注：
此任务书由指导教师填写，并于毕业设计（论文）开始前下达给学生。
摘要
本系统设计的是基于土壤定时检测的家庭自动浇花系统设计，选用8位单片机AT89C51作为主控芯片。
系统采用模块化思想设计，主要由控制模块、湿度传感器检测模块、LCD液晶显示模块、控制执行模块、时钟及复位模块和报警模块几大部分主成。
此系统主要设计思想就是利用湿度传感器检测土壤的湿度，采集的湿度传送到单片机处理单元，单片机根据湿度控制电磁阀自动给花卉浇水。
在此过程中无需人为的操作，就能实现自动给花卉浇水，大大的提高了花卉浇水控制的自动化水平，并具有扩展性好、实用性强、便于操作等特点。
此系统是利用单片机实现自动浇花，使用的方式是湿度浇花。
其原理就是根据一个湿度传感器对土壤的湿度进行检测，当检测的湿度低于设定的下限湿度时，则启动报警并开始用水浇花，到了设定的湿度就停止浇花；当检测的湿度高于设定的上限湿度时，则启动报警但不作动作。
且用LED灯显示电磁阀的状态，在此选取二个LED灯，当其中一个显示红色灯时，表示电磁阀不动作，不对花卉进行浇水；另一个为绿色灯时，则表示电磁阀动作，对花卉进行浇水。
还能通过按键对湿度的上下限和定时时间进行设置，这样就能在不同的季节中花卉可以更好的生长，让它随时都处在良好的生存环境中。
【关键词】AT89C51湿度传感器LCD液晶显示器LED灯
ABSTRACT
Thesystemdesignisbasedonthesoiltestingregularlyfamilyautomaticwateringsystemdesign,chooses8-bitsinglechipmicrocomputerAT89C51asthemaincontrolchip.Systemadoptsmodulardesignthought,mainlybythecontrolmodule,thehumiditysensordetectionmodule,LCDliquidcrystaldisplaymodule,controlmodule,clockmoduleandalarmmodule,mostoftheLord.Thissystemmaindesignideaistousethehumidityofsoilhumiditysensordetection,acquisitionofhumiditytransmittedtoMCUprocessingunit,SCMaccordingtothehumiditycontrolsolenoidvalveautomaticwateringflowers.Withoutartificialoperationintheprocess,canrealizeautomaticwateringflowers,greatlyimprovetheautomationleveloftheflowerwateringcontrol,andhasgoodexpansibility,strongpracticability,convenientoperationandsoon.
Thissystemistousesinglechipmicrocomputerautomaticwateringtheflowers,usethewayofhumidityiswateringtheflowers.Itsprincipleisbasedonahumiditysensortotestthesoilhumidity,whenhumidityislowerthansetthelowerlimitofthehumiditytest,startthealarmandbegintowatertheflowers,thesettinghumiditystoppedwateringtheflowers;Whenhumidityishigherthansettheupperlimitofmoisturetest,startthealarmbutdoesnotmakethemovement.AndstateofsolenoidvalvewithLEDlightsshowthattheselectioninthetwoLEDlights,whenoneoftheredlight,saidelectromagneticvalveisnotaction,notwateringtheflowers;Asecondforthegreenlight,thesaidelectromagneticvalveaction,towaterflowers.Canalsothroughthebuttonsonthehumidityofthelowerlimitoftimeandtimingset,soyoucaninthedifferentseasonflowerscangrowbetter,tomakeitallthetimeinthegoodlivingenvironment.
【Keywords】AT89C51HumiditysensorLCDliquidcrystaldisplayLEDlights
前言
伴随着经济的快速发展，人们的物质生活水平得大了极大的提高，越来越多的人开始在家庭和办公室内种养一些花卉盆景。
种养花卉盆景不仅可以赏心悦目，陶冶情操，还可以起到净化空气的作用，对人体键康也非常有益。
但由于各种工作生活的压力，使一些人即使想种养些花卉盆景，也无精力去照顾。
结果往往是买回来的盆景在一段时间后便因缺水干枯而死。
这不仅造成了一定的个人经济损失，对养花人本身也是一种精神上的损失。
该文介绍的家庭自动浇花系统是一种根据栽种花卉土壤的湿度、花卉的喜湿性差异以及花卉四季适宜浇水时间而设计的自动浇花器。
它适用于家庭和小型办公场所，能为一些喜爱养植花卉却经常出差或无暇照看的人群带来极大的便利。
利用单片机设计的一款家庭智能浇花系统能实现自动浇花，节省人力，方便人们出差的时候，不至于影响花卉的生长，如果在家也可以关断浇花器，手动浇花。
根据湿度浇花时，LCD上显示是目前的湿度。
当检测的湿度低于设定的湿度，就开始浇花，到了设定的湿度就停止浇花。
当检测湿度足够，就不需要浇花。
因此，设计家庭智能花卉浇灌系统设计对现在的生活是非常必要的。
第一章单片机的概述
我们学习单片机就要求我们更好的掌握它的历史和未来的发展情况，以及其学术背景和理论与实际的情况。
基于51系列单片机设计的家庭自动浇花系统可以说是单片机的一个很小的应用，但是它却可以映射到单片机很多方面的知识，既是基本的应用，又可以通过设计来更好的开发单片机，使之更好的为我们的生活和学习服务。
综观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置，到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输，到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC卡、电子宠物等，这些都离不开单片机。
以前没有单片机时，这些东西也能做，但是只能使用复杂的模拟电路，然而这样做出来的产品不仅体积大，而且成本高，并且由于长期使用，元器件不断老化，控制的精度自然也会达不到标准。
在单片机产生后，我们就将控制这些东西变为智能化了，我们只需要在单片机外围接一点简单的接口电路，核心部分只是由人为的写入程序来完成。
这样产品的体积变小了，成本也降低了，长期使用也不会担心精度达不到了。
所以，它的魔力不仅是在现在，在将来将会有更多的人来接受它、使用它。
第一节单片机的发展历史
电子计算机的发展经历了从电子管，晶体管集成电路到大（超大）规模集成电路共四个阶段，即通常所说的第一代、第二代、第三代和第四代计算机。
现在广泛使用的微型计算机是大规模集成电路技术发展的产物，因此它属于第四代计算机，而单片机则是微型计算机的一个分支。
从1971年微型计算机问世以来，由于实际应用的需要，微型计算机向着两个不同的方向发展；一个是向高速度、大容量、高性能的高档微机方向发展；而另一个则是向稳定可靠、体积小和价格廉价的单片机方向发展。
但是两者在原理和技术上是紧密联系的[2]。
1971年微处理器的研制成功不久，就出现了单片的微型计算机即单片机，但最早出现的单片机是一位的，1976年Intel公司推出了8位的MCS-48系列单片机，它以体积小、控制功能全、价格低等特点，赢得了广泛的应用和好评，为单片机的发展奠定了坚实的基础，成为单片机发展史上一个重要阶段，其后，在MCS-48成功的刺激下，许多半导体芯片在生产厂商竞相研制和发展自己的单片机系列。
80年代末，世界各地已相继研制出大约50个系列300多个品种的单片机产品，其中包括Motorola公司的6801，6802，Zilog公司的Z-8系列，Rockwell公司的6501，6502等，此外，日本的NEC公司，日立公司等也不甘落后，相继推出了各自的单片机品种。
尽管目前单片机的品种很多，但是我过使用最多的是Intel公司的MCS-51单片机系列。
MCS-51系列是在MCS-48的基础上于20世纪80年代初发展起来的，虽然它是8位的单片机，但其功能较MCS-48有很大的增强。
此外，它还具有品种全，兼容性强，软硬件资料丰富等特点，因此应用愈加广泛，成为比MCS-48更重要的单片机品种，直到现在，MCS-51仍不失为单片机的主流系列。
继8位单片机之后，又出现了16位单片机，1983年Intel公司推出的MCS-96系列单片机就是其中的典型代表。
与MCS-51相比，MCS-96不但字长增加一倍，而且在其他性能方面也有很大的提高，特别是芯片内还增加了一个4路或8路的10位A/D转换器，使其具有A/D转换的功能。
纵观单片机近30年的发展历程，单片机今后将向多功能、高性能、高速度、低电压、低功耗、低价格、外围电路简单化以及片内存储器容量增加的方向发展。
但其位数不一定会继续增加，尽管现在已经有了32位单片机，但使用的并不多[1]。
第二节单片机未来的发展
自单片机出现至今，单片机技术已走过了近20年的发展路程。
纵观20年来单片机发展里程可以看出，单片机技术的发展以微处理器（MPU）技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域拉动，表现出较微处理器更具个性的发展趋势。
可以预言，今后的单片机将是功能更强，集成度和可靠性更高而功耗更低，以及使用更方便等特点。
此外，专用化也是单片机的一个发展方向，针对单一用途的专用单片机将会越来越多。
现在单片机的应用已经很广泛：
工业自动化方面自动化能使工业系统处于最佳状态，提高经济效益，改善产品质量和减轻劳动强度。
因此，自动化技术广泛应用于机械、电子、电力、石油、化工、纺织、食品等轻重工业领域中，而在工业自动化技术中，无论是过程控制技术，数据采集和测控技术，还是生产线上的机器人技术，都需要要有单片机的参与[1]。
第二章系统的总体设计方案
第一节设计内容及基本要求
一、设计内容
本次设计分为两个内容：
硬件部份和软件部份。
硬件以单片机为核心，配以湿度模块电路、按键电路、显示电路、报警电路、电磁阀驱动电路和时钟电路。
主要实现以下功能：
1通过湿度模块电路对土壤进行的湿度进行数据采集；
2通过单片机对采集的数据进行处理；
3当土壤的湿度低于或高于设置的温度时启动报警。
湿度检测系统是一个智能化的系统，它的软件主要实现功能：
1单片机能够控制湿度模块对土壤进行采样；
2把采集来的数据通过单片机处理，再以十进制的形显示出来；
3按键和显示电路可对设置的定时时间进行更改，并通过显示电路显示出来。
二、基本要求
对本次设计的主要要求有以下几点：
1熟悉单片机的编程语言和相关传感器的使用；
2完成自动浇水控制系统的软硬件设计；
3系统能够实现基本的定时浇水功能；
4设置相应按键能够调整定时时间。
第二节系统框图
本次设计的系统框图见图1。
解析：
单片机控制传感器模块对土壤的湿度进行检测并通过单片机进行处理用LCD显示出来，键盘电路可设置报警的上下限，当土壤的湿度低于或高于设置的湿度时启动报警，即蜂鸣器响。
图1.1系统总体设计方框图
第三节系统设计方案
本系统主要由电源模块、单片机控制模块、时钟模块、电磁阀驱动模块、土壤湿度采集模块和按键显示模块六大模块组成。
整体的设计思想是：
由电源模块为整个系统提供电源，由时钟模块提供具体土壤湿度检测时间，通过土壤湿度测量模块测量当前土壤的湿度，其中时钟模块外部可调，当前时间由显示模块LCD显示，通过结合考虑所测得的土壤的湿度和花卉及植物喜湿性差异，来决定是否对它们进行浇水及浇水量的控制。
通过数据采集模块对土壤湿度进行采集，经信号调理电路处理后输入单片机。
当土壤湿度满足设定的浇水标准，单片机通过电磁阀驱动电路来驱动电磁阀工作，从而对花卉、植物进行浇水作业，浇水量达到设定要求时，电磁阀关闭，停止浇水。
当湿度不满足设定的浇水标准电磁阀保持关闭状态（即不浇水状态），进而使土壤湿度达到适宜花卉、植物生长需要的最佳状态[2]。
第四节系统完成的技术指标
本系统需要完成以下5点基本技术指示：
1实时显示绝对湿度，系统的精度为10mg/L；
2采用LCD灯进行湿度显示；
3显示报警上限值为80mg/L,下限值为20mg/L；
4湿度超过上下限湿度时进行报警并用LED灯显示；
5传感器要求达到的技术指标：
湿度测量范围：
0to100％RH；
湿度测量精度：
±3％RH（20到80％RH）；
湿度测量复现性：
±0.1％RH；
湿度测量分辨率：
0.03％RH；
温度测量范围：
-40～+123.8℃；
温度测量精度：
±0.4℃在25℃时；
温度响应时间：
≤20秒；
温度测量重复性：
±0.1℃；
温度测量分辨率：
0.01℃。
第五节系统设计原则
要求单片机系统应具有可靠性高、操作维护方便、性价比高等特点。
一、可靠性
高可靠性是单片机系统应用的前提，在系统设计的每一个环节，都应该将可靠性作为首要的设计准则。
提高系统的可靠性通常从以下几个方面考虑：
使用可靠性高的元器件；设计电路板时布线和接地要合理；对供电电源采用抗干扰措施；输入输出通道抗干扰措施；进行软硬件滤波；系统自诊判断功能等。
二、操作维护方便
在系统的软硬件设计时，应从操作者的角度考虑操作和维护方便，尽量减少对操作人员专用知识的要求，以利于系统的推广。
因此在设计时，要尽可能减少人机交换接口，多采用操作内置或简化的方法。
同时系统应配有现场故障自动诊断程序，一旦发生故障能保证有效地对故障进行定位，以便进行维修。
三、性价比
单片机除体积小、功耗低等特点外，最大的优势在于高性能价格比。
一个单片机应用系统能否被广泛使用，性价比是其中一个关键因素。
因此，再设计时，除了保持高性能外，尽可能降低成本，如简化外围硬件电路，在系统性能和速度允许的情况下尽可能使用软件功能取代硬件功能等[3]。
第三章硬件电路设计
基于土壤定时检测的家庭自动浇花系统设计由AT89C51单片机以及相应的振荡、复位等外围电路模块和按键设置、报警电路与LCD1602液晶显示电路构成整个系统的核心。
第一节控制电路模块
一、单片机的基本概念
单片机是把微型计算机中的微处理器、存储器、I/O接口、定时器/计数器、串行接口、中断系统等电路集成到一片集成电路芯片上形成的微型计算机。
因而被称为单片微型计算机，简称单片机。
单片机按照用途可分为通用型和专用型两大类。
1通用型单片机的内部资源丰富，性能全面，适应能力强。
用户可以根据不同的需要设计各种不同的应用系统。
2专用型单片机是针对各种特殊场合专门设计的芯片。
这种单片机的针对性强，设计时根据需要来设计部件。
因此，它能实现系统的最简化和资源的最优化，可靠性高、成本低，在应用中有很明显的优势。
在单片机使用上注意以下几个既有相同点也有区别的概念。
1单板机：
将微处理器（CPU）、存储器、I/O接口以及简单的输入/输出设备组装在一块电路板上的微型计算机，称为单板机。
2单片机：
将微处理器（CPU）、存储器、I/O接口和相应的控制部件集成在一块芯片上形成的微型计算机，称为单片机。
3多板机：
在计算机组成中，如果组成计算机的各个功能部件是由多块电路板连接而成的，那么这样的计算机称为多板机[4]。
二、MS-51单片机内部结构
内部结构框图如图3.1所示：
图3.1内部结构框图
三、MS-51单片机的引脚及功能
P0口：
P0口是一个三态双向口，可作为地址/数据分时复用接口，也可作为通用的I/O
接口。
P1口：
P1口是准双向口，它只能作通用的I/O口使用。
P2口：
P2口也是准双向口，它的用途有两个：
通用I/O接口和高8位地址线。
P3口：
P3口是准双向口以外每个口都还具有第二种功能，如表3.1所示。
表3.1P3口功能引脚
P3.0
RXD串行输入端
P3.1
TXD串行输出地
P3.2
INT0外部中断0低电平有效
P3.3
INT1外部中断1低电平有效
P3.4
T0定时计数器0外输入端
P3.5
T1定时计数器1输入端
P3.6
WR外部存储器写信号0有效
P3.7
RD外部存储器读信号0有效
ALE：
地址锁存控制信号。
在系统扩展时，ALE用控制把P0口输出的低8位址锁存，以
现低住地址和数据的隔离。
：
外部程序存储器读选通信号。
在读外部ROM时，有效（低电平），以实现外ROM
单元的操作。
：
访问程序存储控制信号。
当信号为低电平时，对ROM的读操作限定在外部程序存
储器；当信号为高电平时，对ROM的读操作是从内部程序存储器开始，并可延至外部程序
存储器。
RST：
复位信号。
当输入的复位信号延续两个机器周期以上的高电平时即为有效，用以
完成单片机的复位初始化操作。
VSS：
地线。
VCC：
+5V电源[5]。
四、AT89C51芯片引脚图
图3.2AT89C51芯片引脚图
第二节振荡电路及复位电路
一、振荡电路设计
AT89C51单片机各功能部件的运行都以时钟控制信号为基准，有条不紊、一拍一拍地工作。
因此时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。
常用的时钟电路有两种方式，一种是内部时钟方式，另一种是外部时钟方式。
其中XTAL1是片内振荡器的反相放大器输入端，XTAL2则是输出端，使用外部振荡器时，外部振荡信号应直接加到XTAL1，而XTAL2悬空。
内部方式时，时钟发生器对振荡脉冲二分频，如晶振为12MHz，时钟频率就为6MHz。
晶振的频率可以1MHz-24MH电平时，芯片为ROM的00H处开始运z内选择。
电容取30PF左右。
本系统采用内部方式，串行通信采用波特率9600，晶振选用11.0592MHz。
电路图如图3.3所示。
在振荡器运行时，有两个机器周期（24个振荡周期）以上的高电平出现在此引脚时，将使单片机复位，只要这个脚保持高电平，芯片便循环复位。
复位后P0－P3口均置1引脚表现为高电平，程序计数器和特殊功。
能寄存器SFR全部清零。
当复位脚由高电平变低芯片为ROM的00H处开始运行程序[6]。
图3.3AT89C51时钟振荡电路图
二、复位电路设计
复位是单片机的初始化操作，只需给AT89C51的位复引脚RST加上大于2个机器周期（即24个时钟振荡周期）的高电平就可使AT89C51复位。
AT89C51的复位是由外部的复位电路实现的。
复位引脚RST通过一个施密特触发器与复位电路相连，施密特触发器用来抑制噪声，在每一个周期的S5P2施密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。
AT89C51片内复位电路结构图如图3.4所示。
图3.4AT89C51的片内复位电路结构
复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种。
最简单的上电自动复位电路如图3.5所示。
对于CMOS型单片机，由于在RST引脚内部有一个下拉电阻，故可将电阻R去掉，而将电容C选为10μF。
图3.5上电复位电路
上电自动复位是通过外部复位电路给电容C充电加至RST引脚一个短的高电平信号，此信号随着VCC对电容C的充电过程而逐渐回落，即RST引脚上的高电平持续时间取决于电容C的充时间。
因此为保证系统能可靠地复位，RST引脚上的高电平必须维持足够的时间。
按键手动复位有电平和脉冲两种方式。
按键手动电平复位是通过RST端经电阻与电源VCC接通来实现，具体电路如图3.6所示。
当时钟频率选用6MHz时，C的典型取值为10μF，R取值为2ΚΩ。
图3.6按键电平复位电路
脉冲复位是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的，脉冲复位电路如图3.7所示。
图中的阻容参数适于6MHz时钟[6]。
图3.7按键脉冲复位电路
在此系统中采用了按键电平复位电路。
其复位电路图如图3.8所示。
图3.8
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