基于单片机的土壤温湿度检测计设计.doc
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目录
1绪论 1
1.1选题背景及意义 1
1.2设计任务与要求 1
2总体方案设计 2
3单元模块设计 5
3.1各单元模块功能介绍及电路设计 5
3.1.1时钟模块简介 5
3.1.2复位模块简介 6
3.1.3报警模块简介 6
3.1.4显示模块简介 7
3.2特殊器件的介绍 8
3.3.1土壤湿度传感器简介 8
3.3.251系列单片机简介 9
3.3.3LCD1602简介 9
3.3.4蜂鸣器简介 13
3.3各单元模块的联接 13
4软件设计 14
4.1软件设计原理 14
4.2软件设计所用工具 14
4.3系统软件流程框图 15
5系统调试 16
5.1硬件调试 16
5.2软件调试 16
6系统功能及结论 17
6.1系统功能功能实现情况 17
6.2设计中遇到的问题及解决 17
6.3后期展望 18
7总结与体会 19
8参考文献 20
附录1：
相关设计图 21
附录2：
元器件清单表 23
附录3：
相关设计软件 24
1绪论
1.1选题背景及意义
在中国广大面积的农村，没有发达的工商业，有的只是大量闲置的田地。
如果利用这些闲置的田地，种植美丽的花卉、树苗，能给当地带来一笔可观的收入。
而这些花卉及树苗的种植对土壤湿度有着极高的要求。
在植物的成长过程中，土壤的湿度起着一个很重要的作用，并且不同的植物，对土壤的湿度需求是不同的。
土壤湿度可以直接影响营养物质的吸收和植物的生长发育，同时还影响土壤中各种养分的有效性。
当土壤湿度不适当时，不仅严重影响其正常生长，甚至会导致种植品死亡，造成种植户的严重经济损失。
为此，从事该类农业生产的种植户非常需要一种成本低、体积小且检测可靠的土壤湿度检测仪，为水分供应提供依据。
土壤湿度是作物生长发育的基本条件和作物产量预报的重要参数。
同时,它也是水文学、气象学等科学研究领域的重要环境因子和过程参数,获取土壤湿度信息以制定人工干预调节措施是稳固生产的重要保证,对于土壤湿度的研究也具有重要意义。
实时、有效地监测土壤墒情显得尤为重要。
1.2国内外发展状况
目前，在低温条件下（通常指100℃以下），湿度的测量已经相对成熟。
利用新型单总线式数字湿度传感器实现对湿度的测试与控制得到更快的开发。
但人们对它的要求越来越高，要为现代人工作、科研、学习、生活提供更好的更方便的设施就需要从数字单片机技术入手，设计一种造价低廉、使用方便且测量准确的温湿度测量仪，使一切向着数字化，智能化控制方向发展。
湿度测量被广泛的应用于农业研究、食品、医药、化工、气象、环保、电子、实验室等众多领域。
目前，随着工业控制自动化进程的加快，它的运用越来越普遍，并且在不断的延伸。
在日常的生产生活中，经常需要检测环境中的湿度，而运用到工农业生产领域则要求更为严格。
随着科技的发展，环境监测在农业领域的应用越来越广泛，例如要确定某些幼苗的生长特性与温度、湿度有什么样的关系等。
这些都需要利用温湿度的实时记录才能实现。
继而湿度测量仪被广泛应用于粮仓、种植园、温室大棚、自动控制等众多领域。
可以对环境的湿度进行检测和控制,以实现数据采集、湿度调节以及超限报警等各项功能。
温湿度传感器除电阻式、电容式湿敏元件之外，还有电解质离子型湿敏元件、重量型湿敏元件（利用感湿膜重量的变化来改变振荡频率）、光强型湿敏元件、声表面波湿敏元件等。
湿敏元件的线性度及抗污染性差，在检测环境湿度时，湿敏元件要长期暴露在待测环境中，很容易被污染而影响其测量精度及长期稳定性。
1.3设计的主要内容
本文设计的是基于单片机STC89C52的温湿度检测系统，主要以广泛应用的土壤湿度传感器YL-69作为温度和湿度的检测，该仪器具有测量精度较高、硬件电路简单、并能很好的进行显示，可测试不同土壤环境湿度的特点。
单片机是系统的控制核心，所以单片机的性能关系到整个系统的好坏。
因此单片机的选择，对所设计系统的实现以及功能的扩展有着很大的影响。
本次设计是以STC89C52单片机为核心，配合土壤湿度传感器YL-69，以及相关的外围电路组成的简易湿度检测系统，通过终端传感器检测环境中的湿度的变化，可以接收所测土壤环境的湿度信号，并对采集到的数据进行处理和传输，检测人员可以通过1602液晶显示器显示的数据，实时监控环境的湿度数据。
传感器得到的土壤湿度信号，经电路转换为电信号，通过转换送到单片机进行数据处理，然后送到显示部分进行显示。
本文给出了系统硬件电路的设计和软件程序的设计，实现了土壤湿度的实时自动检测的功能。
实践证明该温湿度测量仪具有测量精度高、通用性强等特点，具有一定的实用价值。
系统主要由STC89C52单片机、土壤湿度传感器YL-69、LCD1602和其他外围电路组成，实现的基本功能和要求如下:
（1）用STC89C52单片机通过编程来控制土壤湿度正常与否的显示；
（2）通过调节模块中蓝色的电位器的大小来控制湿度控制范围；
（3）超出设计范围时蜂鸣报警；
（4）画出相关设计图，能做出实物，写出设计和和总结报告
2总体方案设计
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。
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。
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，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。
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。
方案一：
可利用湿度传感器采样土壤中的湿度信号，以提供给显示电路部分，关
于湿度含量可采用ADC的方法将模拟信号转换成数字信号，然后再用译码器将转换后的数字信号提给显示电路实现显示，ADC转换电路所需脉冲由555构成的多谐振荡器来提供。
数
码
显
示
译
码
器
湿
度
采
集
A/D
转
换
图2.1方案一流程图
方案二:
在本次设计中，以51单片机为主控芯片，各部分功能用外部电路来完成，主要包括时钟晶振电路，湿度测量电路，液晶显示模块，报警模块，按键模块，系统结构框图如下图所示。
STC89C52
单片机
时钟模块
LCD1602显示
模块
湿度采集模块
复位模块
报警模块
图2.2方案二流程图
最终方案选择：
在以上两种方案中，方案一中的译码器74HC4511存在消隐状态，即当ADC转换后的数据超过1001时，对于1010~1111六个代码，译码器输出均为低电平，显示器不能正常显示出每一单位下的湿度值。
所以该方案的精确度不及方案二，而且方案二中单片机除体积小、功耗低等特点外，最大的优势在于高性能价格比。
单片机控制速度远远快于方案一，这种方法的工作速率较高，而且精度较高。
，再设计时，除了保持高性能外，简化外围硬件电路，在系统性能和速度允许的情况下能使用软件功能取代硬件功能等。
所以最终选择方案二作为本次毕业设计的制作方案。
3单元模块设计
本次设计采用单片机最小系统，所谓单片机的最小系统是指使单片机能运行程序、正常工作的最简单电路系统，是保证单片正常启动、开始工作的必须电路，缺一不可。
单片机最小系统一般由单片机、程序存储器、时钟电路和复位电路组成。
对于51单片机，由于片内有4K的程序存储器，所以其最小系统除了单片机本身外，只需外接时钟电路与复位电路即可。
在单片机构成的系统中，土壤湿度传感器YL-69首先将湿度信号转换成高低数字电平信号，单片机对送入的数字量信号进行处理后，通过LCD显示测量的温湿度值。
在本次设计中，以STC89C52单片机为主控芯片，各部分功能用外部电路来完成，主要包括时钟晶振电路，湿度测量电路，液晶显示模块，报警模块，按键模块等。
3.1各单元模块功能介绍及电路设计
3.1.1时钟模块简介
图3.1.1.1内部时钟电路
单片机的时钟电路用于生产单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各地址信号之间的相互关系。
单片机本身就如一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。
C51系列单片机各功能部件的运行都已时钟信号为基准，有条不紊、的工作。
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。
本次设计采用的是内部时钟方式。
51单片机内部有一个用以构成振荡器的高增益反相放大器，它的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端引脚XTAL2。
这两个引脚跨界石英晶体和微调电容，构成一个稳定的自激振荡器。
石英晶体和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定、可靠的工作。
为了提高温度稳定性，应采用温度稳定性较好的电容。
3.1.2复位模块简介
图3.1.2.1按键电平复位电路
单片机的复位电路是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。
无论是单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位，单片机复位的条件是：
必须使RES/Vpd或者RST引脚（9脚）加上持续两个周期以上的高电平。
复位电路有上电自动复位和按钮复位两种方式，本设计采用的是按键手动复位，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3.1.2.2所示。
3.1.3报警模块简介
图3.1.3.1蜂鸣器报警电路
报警电路采用蜂鸣器报警电路，蜂鸣器与家用电气上的喇叭在用法上也有相似的地方，通常工作电流比较大，电路上的TTL点评基本上驱动不了蜂鸣器，需要增加一个电流放大的电路才可以，即此一个管脚很难驱动蜂鸣器发出声音,所以增加了一个三极管来增加通过蜂鸣器的电流。
蜂鸣器的正极性的一端联接到5V电源上面，另一端接到三极管的集电极，三极管的基极由单片机的一个管脚通过一个与门来控制，当管脚为低时，与非门输出高电平，三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。
当管脚为高时，与非门输出低电平，三极管截至，蜂鸣器不发出声音。
其电路如图3.1.3.1所示。
3.1.4显示模块简介
图3.1.4.1LCD1602显示电路
液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。
用LCD显示一个字符时比较复杂，因为一个字符由6×8或8×8点阵组成，既要找到和显示屏幕上某几个位置对应的显示RAM区的8字节，还要使每字节的不同位为“1”，其它的为“0”，为“1”的点亮，为“0”的不亮。
这样一来就组成某个字符。
但由于内带字符发生器的控制器来说，显示字符就比较简单了，可以让控制器工作在文本方式，根据在LCD上开始显示的行列号及每行的列数找出显示RAM对应的地址，设立光标，在此送上该字符对应的代码即可。
该部分电路功能主要将主机处理后的数据显示出来，该模块与单片机连接简单，只需一个8位I/O接口与液晶模块的8位数据段相连、再用三位控制口分别与液晶模块的RS、R/W、E相连接。
在本系统中，为了布线简单及驱动能力更强，我们用单片机的P0口接8位数据，用P2.0、P2.1、P2.2分别于RS、R/W、E相连。
由于P0口内没有上拉电阻，需在P0口与液晶模块之间加了1K欧姆的排阻，从机部分电路上图如图所示。
3.2特殊器件的介绍
3.2.1土壤湿度传感器简介
传感器是能响应规定的被测物理量，并按照一定的规律转换成为可用信号输出的器件或装置。
它通常由直接响应于被测物理量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件及相应的电子电路组成。
传感器的分类：
按构成分可分为基本型传感器、组合型传感器和应用型传感器；按机理可分为结构型传感器，物理性传感器、混合型传感器和生物型传感器；按作用形式可分为主动型传感器和被动传感器；按变换工作能量的供给形式可分为能量变换型传感器和能量控制型转换器；按输出信号形式分为温度、压力、湿度、流量、流速、磁场和光通量等传感器。
湿度的采集可以用湿度传感器来实现。
将湿度传感器看作可调变阻器，当湿度传感器采集到湿度时，电阻值发生变化，湿度最小时的电阻值为10K，湿度最大时为0.1Ω。
变化的幅度是根据湿度传感器采集到的湿度大小而定。
随着电阻值的变化，电路的输出电压也跟着变化。
调节电阻值的大小，可得到想要的电压，满足电路的需求。
此次设计采用的是土壤湿度传感器YL-69
图3.2.1.1土壤湿度传感器原理图
土壤湿度传感器特性：
（1）土壤湿度传感器YL-69，表面采用镀镍处理，有加宽的感应面积，可以提高导电性能，防止接触土壤容易生锈的问题，延长使用寿命；
（2）可以宽范围控制土壤的湿度，通过电位器调节控制相应阀值，湿度低于设定值时，DO输出高电平；高于设定值时，DO输出低电平；
（3）采用三线制，界限简单，只需把VCC外接3.3V-5V电压，GND外接数字地，DO“小板数字量输出接口（0和1）”接到单片机即可；
（4）比较器采用LM393芯片，工作稳定，
（5）设有固定螺栓孔，方便安装
值得说明的是：
此传感器适用于土壤的湿度检测；模块中蓝色的电位器是用于土壤湿度的阀值调节，顺时针调节，控制的湿度会越大，逆时针越小；数字量输出D0可以与单片机直接相连，通过单片机来检测高低电平，由此来检测土壤湿度；
3.2.2、51系列单片机简介
所谓单片机，通俗来讲，就是把中央处理器CPU、存储器、定时器、I/O接口电路等一些计算机的主要功能部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。
单片机特别适合控制领域，故又称为微控制器MCU，单片机只要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统。
STC89C5X单片机是51系列单片机的衍生品种，采用40个引脚的双列直插封装（DIP）方式，其引脚排列如下图所示。
图3.2.2.151单片机DIP封装方式的引脚排列图
40个引脚按其功能可分为如下3类：
（1）电源及时钟引脚——Vcc、Vss；XTAL1、XTAL2。
（2）控制引脚——PSEN、ALE/PROG、EA/Vpp、RST。
（3）I/O口引脚——P0、P1、P2、P3，为4个8位I/O口的外部引脚。
1、电源及时钟引脚
①Vss：
接数字地。
②Vcc：
正常操作时为+5V电源。
③XTAL1内部振荡电路反相放大器的输入端，是外接晶体的一个引脚。
当采用外部振荡器时，此引脚接地。
④XTAL2：
内部振荡电路反相放大器的输出端。
是外接晶体的另一端。
当采用外部振荡器时，此引脚接外部振荡源。
2、控制引脚
①RST：
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。
②ALE/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低位节。
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。
③PSEN：
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。
④EA/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）。
3、并行I/O口引脚
8051单片机设有4个双向I/O口（P0、P1、P2、P3），每一组I/O口线都可以独立地用作输入或输出口。
①P0口（P0.0-P0.7）：
是一个8位漏极开路型双向I/O口，在访问外部存储器时，它是分时传送的低字节地址和数据总线，P0口能以吸收电流的方式驱动八个LSTTL负载。
实际应用中常作为分时使用的地址/数据总线口，对外部程序或数据存储器寻址时低8位地址与数据总线分时使用P0口：
先送低8位地址信号到P0口，由地址锁存信号ALE的下降沿将地址信号锁存到地址锁存器后，再作为数据总线的口线对数据进行输入或输出。
②P1口（P1.0-P1.7）：
是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口。
能驱动（吸收或输出电流）四个LSTTL负载。
用作输入线时，口锁存器必须由单片机先写入“1”，每一位都可编程为输入或输出线。
③P2口（P2.0-P2.7）：
是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口，在访问外部存储器时，它输出高8位地址，与P0口一起组成16位地址总线，用于对外部存储器的接口电路进行寻址。
P2口可以驱动（吸收或输出电流）四个LSTTL负载。
④P3口（P3.0-P3.7）：
是一个带有内部提升电阻的8位准双向I/O口。
能驱动（吸收或输出电流）四个LSTTL负载。
作为第一功能使用时，与P1口一样；作为第二功能使用时，每一位都有特定用途，其特殊用途如表所示：
表3.2.2.1P3口的第二功能
端口引脚
第二功能
注释
P3.0
RXD
串行口数据接收端
P3.1
TXD
串行口数据发送端
P3.2
/INT0
外中断请求0
P3.3
/INT1
外中断请求1
P3.4
T0
定时/计数器0外部计数信号输入
P3.5
T1
定时/计数器1外部计数信号输入
P3.6
/WR
外部RAM写选通信号输出
P3.7
/RD
外部RAM读选通信号输出
3.3.3LCD1602简介
液晶显示器是一种被动的显示器，及液晶本身不发光，而是利用液晶经过处理后能改变光线通过方向的特性，从而达到白底黑字或黑底白字显示的目的。
液晶显示器具有厚度薄、省电、抗干扰能力强、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在智能仪器仪表和单片机测控系统中、便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。
当前市场上液晶显示器种类繁多，按排列形状可分为字段型、点阵字符型和点阵图形型。
除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。
如果根据驱动方式来分，可以分为静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动（Simple Matrix）和主动矩阵驱动（Active Matrix）三种。
单片机应用中，常用点阵字符型LCD显示器。
要有相应的LCD控制器、驱动器来对LCD显示器进行扫描、驱动，还要RAM和ROM来存储单片机写入的命令和显示字符的点阵。
由于LCD的面板较为脆弱，制造商已将LCD控制器、驱动器、RAM、ROM和LCD显示器用PCB连接到一起，称为液晶显示模块（LCdModule，LCM）。
只需购买现成的液晶显示模块即可。
单片机控制LCM时，只要向LCM送入相应的命令和数据就可显示需要的内容。
本设计选用的是常见的点阵型液晶显示模块：
1602字符型LCM（两行，每行16个字符）。
下图所示为字符型LCD模块的电路框图，它由日立公司生产的控制器HD44780、驱动器HD44100及几个电阻和电容组成。
HD44100是扩展显示字符位用的（例如，16字符´1行模块就可不用HD44100，16字符´2行模块就要用一片HD44100）
图3.3.3.1字符型LCD模块的电路框图
（3）1602字符型LCM的特性
①内部具有字符发生器ROM（CGROM）,即字符库。
可显示192个5´7点阵字符。
由字符库可看出LCM显示的数字和字母部分的代码值，恰好与ASCII码表中的数字和字母相同。
所以在显示数字和字母时，只需向LCM送入对应的ASCII码即可。
②模块内有64字节的自定义字符RAM（CGRAM）,用户可自行定义8个5´7点阵字符。
③模块内有80字节的数据显示存储器（DDRAM）。
引脚功能说明：
表3.3.3.1液晶显示模块的部分引脚
接口说明如下：
（1）液晶1,2端为电源；15,16为背光电源；为防止直接加5V电压烧坏背光灯，在15脚串接一个10欧姆电阻用于限流。
（2）液晶3端为液晶对比度调节端，通过一个10k欧姆电位器接地来调节液晶显示对比度。
首次使用时，在液晶上电状态下，调节至液晶上面一行显示出黑色小格为止。
（3）液晶4端为向液晶控制器写数据/写命令选择端，接单片机P2.0口。
（4）液晶5端为读/写选择端，接单片机P2.1口。
（5）液晶6端为使能信号，是操作时必须的信号，接单片机的P2.2口。
LCD1602基本操作时序
（1）读状态输入：
RS=L,R/W=H,E=H输出：
D0~D7=状态字
（2）读数据输入：
RS=H,R/W=H,E=H输出：
无
（3）写指令输入：
RS=L,R/W=L,D0~D7=指令码,E=高脉冲输出：
D0~D7=数据
（4）写数据输入：
RS=H,R/W=L,D0~D7=数据,E=高脉冲输出：
无
3.3.4蜂鸣器简介
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、各种各样的电子设备仪器中，用作发声器件，它主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。
其结构原理如下所诉。
1．压电式蜂鸣器 压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。
有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。
多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。
当接通电源后（1.5~15V直流工作电压）,多谐振荡器起振,输出1.5~2.5kHZ的音频信号，阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声。
压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成。
在陶瓷片的两面镀上银电极，经极化和老化处理后，再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。
2．电磁式蜂鸣器 电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。
接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。
振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。
3.3各单元模块的联接
见附录1相关设计图
4软件设计
4.1软件设计原理
本系统软件设计采用结构化和模块化设计方法，便于功能扩展，本系统的软件设计采用C语言编写。
湿度传感器将当前的湿度数据转换成二进制值通过三线
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