智能浇花控制系统完成.docx
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智能浇花控制系统完成
哈尔滨剑桥学院
毕业设计
论文题目：
智能浇花控制系统
学生：
王磊
指导教师：
翟淑霞副教授
专业：
电子信息工程（电气及其自动化）
班级：
09电气4班
2013年5月
哈尔滨剑桥学院
毕业设计审阅评语
一、指导教师评语
该生在整个毕业设计过程中，态度端正，积极主动，能基本在每个阶段完成相应任务，能按时上交论文，时间安排也十分合理。
前期设计中出现的问题及误区，老师指点后都细心更改，每次遇到阻碍都及时主动与老师交流、沟通、讨论论文出现的问题。
论文完成了任务书所规定的设计任务，论文层次结构安排科学，语言表达流畅准确，格式符合规范要求，达到预期结果，符合学士论文答辩的要求，同意该同学参加毕业答辩。
是否同意答辩：
同意答辩√不同意答辩□
指导教师（签名）翟淑霞职称副教授2013年5月22日
二、评阅人评语
是否同意答辩：
同意答辩□不同意答辩□
评阅教师（签名）职称年月日
哈尔滨剑桥学院
毕业设计答辩评语及成绩
三、答辩委员会评语
四、毕业设计成绩
签字（盖章）：
五、答辩委员会主任单位：
答辩委员会主任职称：
答辩委员会主任签字：
年月日
哈尔滨剑桥学院
毕业设计任务书
题目名称：
智能浇花控制系统设计
立题意义：
随着科学的不断发展和人们生活水平的不断进步，人们对于生活质量的要求也越来越高，花草养殖成为了家庭生活中的一部分，人们养殖花草的目的大多是为了陶冶情操和提高室内外的空气质量等等，但由于工作繁忙等原因，不能按时给花草浇水成为了花卉死亡的主要原因；因此设计一款定时浇花的系统便成为当务之选。
技术条件与要求：
1.本产品实用性强。
2.主要用于家庭和较小场所。
3.本系统抗干扰能力强，感应灵敏、性价比较高。
任务内容（包括内容、计划、时间安排、完成工作量与水平具体要求）
一、任务内容：
1.系统的总体设计方案。
2.系统各部分硬件电路设计。
3.系统各部分软件电路设计。
二、计划、时间安排：
2012年11月26日~~2013年4月7日选题、撰写阶段
2013年4月8日~~5月12日中期检查阶段
5月13日~~5月24日整理、答辩阶段
5月25日毕业论文（设计）答辩
三、完成工作量与水平具体要求
按照计划进度、指导教师的要求完成预定的工作量、提高论文的设计水平。
专业负责人意见：
签名：
年月日
智能浇花控制系统设计
摘要
随着科学的不断发展和人们生活水平的不断进步，人们对于生活质量的要求也越来越高，花草养殖成为了家庭生活中的一部分，人们养殖花草的目的大多是为了陶冶情操和提高室内外的空气质量等等，但由于工作繁忙等原因，不能按时给花草浇水成为了花卉死亡的主要原因。
本文利用AT89C51单片机设计了一种自动浇花控制系统，此系统可为人们解决因工作等原因无法按时为花卉浇水的问题，以便于花卉茁壮成长。
本设计采用汇编语言进行编程，在LED液晶屏上实现小时，分，秒的显示;并利用单片机来实现计时，定时功能，同时通过7个按键开关和3个指示灯来实现参数设置和调节功能、浇花间隔时间的设定、浇水持续时间的设定、单片机对电磁阀的自动控制。
根据用户设定的时间顺利的完成浇花任务。
关键词：
单片机；控制；显示；电磁阀
Intelligentcontrolsystemforwateringtheflowers
Abstract
Withthecontinuousdevelopmentofscienceandthepeoplelifelevelofprogress,peoplefortherequirementsofthelifequalityismoreandmorerigorous,plantsbreedingbecomepartofthefamilylife.Thepurposesofpeoplebreedingplantsarefortheedifysentimentandimprovetheindoorandoutdoorairqualityandsoon.Becauseofthebusyjobsandotherfactors,theinabilitytowatertheflowersandplantsbecomethemaincauseofdeath.Inthispaper,AT89C51single-chipmicrocomputerdesignedakindofautomaticwateringtheflowerscontrolsystem.Thesystemcanworkforpeoplewhocannotwatertheflowersontime,sothattheflowerscangrowstrengthandhealthy.
Thisdesignusestheassemblylanguagesprogramming,realizinghours,points,seconddisplayonLED;Andusingsinglechipcomputertorealizethetiming,timingfunction,andatthesametimethroughsevenbuttonswitchesandthreeindicatortoachieveparametersettingandadjustmentfunction,thewatertheflowersoftheintervaltimeset,thedurationofwaterwiththechipset,solenoidvalvetobeautomaticcontrol.Accordingtouserssettingtimedonesmoothlythetaskofwateringtheflowers.
Keywords：
MCS；control；display；solenoidvalve
智能浇花控制系统设计
1.绪论
近年来，人们的生活水平有了大幅度的提高，然后如何真正提高生活质量，如何使生活产生质的飞跃成为了大多数人们思考的问题。
种植花草是中国人千百年来的维持不变的喜好，故多数人选择种植花草来陶冶情操，同时，也把它作为一项业余的消遣活动，但由于人们生活节奏快和经常出差等缘故，不能按时为花草浇水成为了花草死亡的主要原因。
为了解决按时为花草浇水的问题，人们会采取在手机中存备忘录以及做各种备忘录等方法，但这些方法始终存在很多缺陷，市场上的智能浇花系统仪器功能繁多但是价格过于昂贵，而且对于普通家庭而言，过于复杂的应用和多功能是不必要的。
智能浇花系统的出现正可以解决这一问题，该系统其主要执行装置是一个电磁阀门，其一端连接水管，另外一端连接外置的水管作为浇水口，浇水的水量主要由单片机控制。
设备主要是通过控制浇水的时间间隔和浇水的持续时间来控制浇水量的。
操作方便简便，这样即实现了家庭生活的现代化又保证了植物的正常生长。
近年来，以电子技术为代表的新技术促进了电子行业的飞速增长，也极大地推动了智能家电和智能家用设备的快速发展。
国外的智能家用设备市场俨然已经做大做强，鉴于中国在全球制造链和设计链的重要地位，使得这里成为全球各大生产智能家用设备厂商逐鹿的大战场，同时，也带动了中国本土智能家用设备仪器研发与测试技术应用的迅速发展。
智能浇花控制系统自然也包括在其中，近些年来，国内外出现了许多种智能浇花控制系统，其功能与控制原理也存在着许多的不同，但根本目的均为方便人们的日常生活和保证花草的正常生长。
众所周知，在二十世纪，人类跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和电脑时代。
但这种电脑，通常指个人计算机，也就是我们平时所说的PC机。
它由主机、显示器、键盘等组成。
除此之外还有一类计算机，大多数人很不熟悉。
这种计算机就是把智能赋予给各种机械的单片机（微控制器）。
这种计算机最小的系统只用一片集成电路，就能进行简单运算和控制。
因为其体积小，通常都被放在被控机械的“肚子”里。
在整个装置中，他的作用有如人类头脑，若它出了毛病，整个装置也就瘫痪了。
现如今，这种单片机的使用领域已发展的十分广泛，如智能仪表、导航系统、实时工控、通讯设备、家用电器等。
各种家用产品用上了单片机以后，便能起到令产品换代升级的功效，通常都会在产品名称前加上形容词——“智能型”，例如智能型洗衣机等等。
而花卉养殖作为大多数人生活中的一部分，却常常因为人们工作等原因被忽略，智能浇花控制系统可为人们解决这一问题，与此同时，智能浇花控制系统若能走进家庭，也是人们生活进入智能化的标志之一。
2.系统设计方案
2.1系统工作原理
智能浇花控制系统的设计，其主要执行装置是一个电磁阀门，其一端连接水管，另外一端连接外置的水管作为浇水口，浇水的水量主要由单片机控制。
设备主要是通过控制浇水的时间间隔和浇水的持续时间来控制浇水量的[1]。
2.2系统方框图设计
系统主要是由单片机、电源、按键、显示、指示灯、复位电路、电磁阀模块等组成。
方框图如图2-1所示：
图2-1系统方框图
2.3系统结构
整个自动浇花设备的结构可以分为5大部分：
中央处理单元（CPU），LED显示部分,电磁阀部分，按键部分，指示灯部分等。
2单片机模块
单片机模块对整个系统进行控制，实现以下功能：
（1）控制显示模块显示工作参数；
（2）根据按键的输入做出正确的计算，并传输到显示器件上实现时间的调整设置；
（3）控制LED的点亮和熄灭；
（4）实现电磁阀的控制。
2显示模块
数码显示模块能够将需要的时间参数显示出来，提供了系统和操作者的交流窗口，是人机界面的重要组成部分之一。
2电磁阀模块
电磁阀是本设备的执行设备，系统通过电磁阀控制水的流通和截止，实现了电能到机械能的转换。
2按键模块
按键是人机界面的另一个重要组成部分，它是最主要的输入设备。
用户通过按键将自己的要求告知单片机，单片机根据用户的设置进行相应的操作。
2指示灯模块
指示灯是数码显示模块以外的另一输出设备，在数码管的基础上起到辅助作用。
2复位电路模块
复位模块主要功能为在上电的一瞬间，电压不是直接跳变到单片机可工作的电压范围。
并且在外部输入电压较低的时候（电压在临界范围），这个时候单片机可能工作也可能不工作，故而会引起芯片内程序道德无序执行，复位电路需要确保在上电的时候暂时不让单片机立刻进入工作状态，即上电延时状态。
2.4系统人机界面设计
操作界面如图2-2所示,主要由2位数码管、7个按键和3个发光二级管组成。
图中各部分介绍如下：
数码管：
用于显示工作持续时间和时间间隔，配合按键完成各项参数的设置。
LED1：
电源指示灯，当通电以后就亮起，说明系统已经开始工作。
LED2和LED3：
参数指示灯。
当LED2亮起以后，说明目前数码管上显示的是工作间隔时间，可以通过按键对其设置。
当LED3亮起时，说明目前显示的是工作持续时间。
ON/OFF：
电源开关，按下后电源指示灯LED1点亮，系统开始工作。
RESET：
系统复位。
当遇到意外情况系统出现死机，可通过此按键恢复正常工作。
SWITCH：
用于切换工作间隔时间和工作持续时间，按下以后LED2和LED3将依次点亮。
UP和DOWN：
增加和减少数码管所显示数字的值。
OK：
确定键，当用户使用UP和DOWN键设置好时间以后，按下OK键进行保存和应用。
CLEAR：
清零键，可通过此按键将当前数码管示数快速清零，重新进行设置。
图2-2操作人机界面
2.5系统操作步骤
（1）将入水管连接到自来水龙头和电磁阀之间，用出水管连接电磁阀和花盆，这个过程中注意水管的密封性，也不要让水溅到电路板上。
（2）将控制系统通电，按下电源开关ON/OFF，LED1亮，表示一切正常。
（3）按下SWITCH键，LED2点亮，通过UP和DOWN设置工作间隔时间。
按下CLEAR可清零。
（4）按下SWITCH键，LED2熄灭，LED3点亮，通过UP和DOWN设置工作持续时间，按下CLEAR可清零。
（5）按下OK键，LED3熄灭，系统按照设定的参数开始工作。
3.关键器件的选型
3.1单片机的选择
AT89C51单片机是Atmel公司推出的一款产品，一般小芯片的价格都比较低，同样AT89C51作为一款小芯片产品其价格相对而言较为便宜，并且其与MCS-51系列兼容行很好，所以本系统决定采用AT89C51作为芯片[2]。
3简介
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000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指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C5x单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案[3]。
3AT89C51的主要性能
（1）与MCS-51兼容；
（2）4K字节可编程FLASH存储器；
（3）寿命：
1000写/擦循环；
（4）数据保留时间：
10年；
（5）全静态工作：
0Hz-24MHz；
（6）三级程序存储器锁定；
（7）128×8位内部RAM；
（8）32可编程I/O线；
（9）两个16位定时器/计数器；
（10）5个中断源；
（11）可编程串行通道；
（12）低功耗的闲置和掉电模式；
（13）片内振荡器和时钟电路。
3的管脚说明
AT89C51的引脚图如图3-1所示。
图3-1AT89C51的引脚图
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。
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外部必须接上拉电阻。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1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口作为低八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O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[4]。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O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AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
表3-2P3管脚第二功能表
P3口管脚
备选功能
RXD（串行输入口）
TXD（串行输出口）
INT0（外部中断0）
INT1（外部中断1）
T0（计时器0外部输入）
T1（计时器1外部输入）
/WR（外部数据存储器写选通）
/RD（外部数据存储器读选通）
RST：
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/PROG：
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地位字节。
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SFR8EH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：
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/PSEN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/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。
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，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）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
3.2继电器的选择
继电器是一种电控制器件。
它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。
通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。
故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。
本次设计过程中需要一个继电器来控制电磁阀的工作。
由于需要工作电压在5V左右。
所以选择了型号为JZC-36F的继电器，其工作电压在4V～45V之间[5]。
3.3电磁阀的选择
阀门是在流体系统中，用来控制流体的方向、压力、流量的装置。
阀门是使配管和设备内的介质（液体、气体、粉末）流动或停止并能控制其流量的装置。
阀门是管路流体输送系统中控制部件，它是用来改变通路断面和介质流动方向，具有导流、截止、节流、止回、分流或溢流卸压等功能。
用于流体控制的阀门，从最简单的截止阀到极为复杂的自控系统中所用的各种阀门，其品种和规格相当繁多。
由于本设备采用单片机控制，并且电磁阀是由开关信号控制的，与单片机控制电路连接十分的方便，所以决定采用电磁阀作为阀门[6]。
电磁阀从原理上分为三大类：
（1）直动式电磁阀：
原理：
通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。
特点：
在真空、负压、零压时能正常工作，但通径一般不超过25mm。
（2）分步直动式电磁阀：
原理：
它是一种直动和先导式相结合的原理，当入口与出口没有压差时，通电后，电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起，阀门打开。
当入口与出口达到启动压差时，通电后，电磁力先导小阀，主阀下腔压力上升，上腔压力下降，从而利用压差把主阀向上推开；断电时，先导阀利用弹簧力或介质压力推动关闭件，向下移动，使阀门关闭。
特点：
在零压差或真空、高压时亦可动作，但功率较大，要求必须水平安装。
（3）先导式电磁阀：
原理：
通电时，电磁力把先导孔打开，上腔室压力迅速下降，在关闭件周围形成上低下高的压差，流体压力推动关闭件向上移动，阀门打开；断电时，弹簧力把先导孔关闭，入口压力通过旁通孔迅速腔室在关阀件周围形成下低上高的压差，流体压力推动关闭件向下移动，关闭阀门。
特点：
流体压力范围上限较高，可任意安装（需定制）但必须满足流体压差条件。
由于直动式电磁阀结构较为简单，动作可靠，而且设备需要在断电条件下铁芯始终保持在关闭状态，所以选用常闭型的直动式电磁阀。
具体为YCSM31系列的二位二通直动式电磁阀（常闭型）。
3.4显示器的选择
在显示器的选择上，虽然LED数码管消耗电力比液晶显示器多一点，但是LED数码管显示更加清晰，更加适合在白天等强光条件下显示。
液晶显示极其省电，但是使用有温度范围限制，且因是反光式的，在外界光线很明亮的情况下很容易看不清楚。
另外，LED数码管的价格与液晶显示器相比较为低廉，故本次设计采用LED数码管[7]。
4.硬件电路设计
4.1单片机最小系统
4晶振电路设计
AT89C51单片机芯片内部设有一个反相放大器所构成的振荡器，XTAL1和XTAL2分别为振荡电路的输入端和输出端。
在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡电路就产生自激振荡。
定时元件常常是用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
系统选择了12MHz的晶振片，两个30pF的电容C7和C8。
晶振电路如图4-1所示。
图4-1晶振电路
4复位电路
本设计采用的按键复位电路，当要系统自动复位时，只需要按住S7按键，此时电源Vcc经过电阻R1、R2分压，并且在RST端产生一个复位的高电平。
同样，只要保证RST端保持高电压的时间大于两个机器周期时，系统自动能实现正常复位。
复位电路如图4-2所示：
图4-2AT89C51单片机的复位电路
4单片机最小系统电路设计
单片机最小系统设计电路如图4-3所示：
图4-3单片机最小系统
[8]。
4.2按键电路设计
系统采用非编码键盘，按键电路主要由5个按键S1~S5组成，采用独立式的按键形式。
各按键的功能见表4-4：
表4-4按键功能对照表
按键编号
功能
连接端口
S1
SWITCH
S2
UP
S3
DOWN
S4
CLEAR
S5
OK
按键电路如图4-5所示，按照图中的电路连接方法，判断是否有键按下的方法是：
查询每一根接按键的I/O口线的输入电平，如果是低电平则说明这个接口线连接的按键处于按下状态。
相反，若为高电平则说明按键处于非按下状态。
图4-5按键电路
4.3数码管显示电路设计
系统采用两个七段发光数码显示器HS-3461BS2，HS-3461BS2它是共阳极的数码显示器。
处于工作状态的数码管，其显示情况由单片机的P0.0~P0.6七个接线口决定，其七个口分别连接着数码管的七个笔画。
例如要在数码管DS1中显示1，而数码管DS2处于非工作状态，则需要将P2.6接线口置为1，P2.5接线口置为0，并且使P0.1和P0.2接线口置为1，而P0.0,P0.3～P0.6接线口置为0。
字形段码表如表4-6所示：
表4-6数码管段码表
显示字符
共阴极字型码
五班
0
3FH
C0H
1
06H
F9H
2
5BH
A4H
3
4FH
B0H
4
66H
99H
5
6DH
92H
6
7DH
82H
7
07H
F8H
8
7FH
80H
9
6FH
90H
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