土壤湿度调节灌溉系统设计课程设计报告.doc

测控系统综合设计课程设计题目：土壤湿度调节灌溉系统设计院（系、部）：电气与控制工程学院班 级： 测控11- 1 姓 名： 学 号： 指 导 教 师： 完成日期：辽宁工程技术大学课 程 设 计 成 绩 评 定 表学 期2014-2015(1)姓 名 专 业测控班 级1班课程名称测控系统综合设计课程设计论文题目土壤湿度调节灌溉系统设计评 定 指 标评定指标分值得分知识创新性20理论正确性20内容难易性15结合实际性10知识掌握程度15书写规范性10工作量10总成绩100评语：任课教师时 间2015年1月19日备 注 课 程 设 计 任 务 书一、设计题目 基于单片机设计土壤湿度调节灌溉系统二、设计任务 1、设计检测土壤湿度等模拟量的检测电路。 2、编辑有关程序对数据处理并直观的显示出来。 3、可以拓展有关的其他功能，使设计更完善。三、设计计划本设计共2周。第1周：1、针对选题查资料，确定设计方案； 2、分析控制策略，选取合适器件，确定具体实现的功能； 3、完成有关电路的焊接与设计工作； 4、测试电路稳定性，安全性，合理性，是否达到标准；第2周：1、查阅各元器件资料，整合系统所实现的功能； 2、设计系统程序流程图，编辑C语言程序； 3、调试程序与硬件是否配合； 4、对程序进行优化、整理； 5、整理软硬件的各种资料，编写课程设计报告。四、设计要求1、 针对实际问题，设计解决方法2、 以软件为主，可以进行相关硬件内容的设计3、 详细说明设计思路4、 形成设计报告指 导 教师：教研室主任： 时 间：2015年1月19日摘要土壤湿度调节灌溉系统针对目前城市绿化、农业大棚等灌溉方面所遇到的问题而设计的一种能够精确控制土壤湿度，合理供水，达到节水、保湿、检测土壤水分等目的的控制系统。它能够协助人们用最适合的水量培育植物，既不浪费水又能使作物正常生长，这使得土壤灌溉更加科学合理，并且逐步实现自动化、智能化控制。本系统主要以单片机为核心，利用土壤湿度传感器采集湿度信号，通过继电器，电机，电磁阀等控制，实现灌溉水量的控制。关键词：单片机；土壤湿度；灌溉；目录1、设计方案11.1系统功能及实现11.2系统主要控制与检测元件22、硬件系统设计32.1温度检测以及报警功能的实现32.2土壤湿度与空气湿度检测功能的实现42.3单片机最小系统电路52.4硬件系统测试53、软件系统设计73.1程序主流程设计73.2系统状态检测程序83.3系统控制程序93.4数据显示程序93.5程序调试104、总结115、设计体会12参考文献131、 设计方案自动化灌溉系统分为全自动化灌溉系统和半自动化灌溉系统。全自动化灌溉系统不需要人直接参与,通过预先编制好的控制程序和根据反映作物需水的某些参量可以长时间地自动启闭水泵和自动按一定的轮灌顺序进行灌溉。人的作用只是调整控制程序和检修控制设备。半自动化灌溉系统中在田间没有安装传感器,灌水时间、灌水量和灌溉周期等均是根据预先编制的程序而不是根据作物的土壤水分及气象状况的反馈信息来控制的。本课程设计所研究设计的是全自动的灌溉系统，能够对土壤湿度、空气温湿度进行检测，并将数据返回经过单片机程序进行决策，判断土壤水分状况，利用部分算法控制实施对土壤灌溉的科学化管理。1.1系统功能及实现本系统装置主要有以下几点功能：1、检测土壤湿度并自动浇水。2、湿度低于设定值进行报警。3、低温报警。室温低影响植物生长，此时需要声音提醒。4、人机交互显示。方便使用者实时了解与花卉相关的气温湿度等参数。5、存储历史数据，对土壤湿度在每次浇水后进行数据存储，以便提取分析，设定合理的湿度阈值，并获取土壤湿度和空气湿度变化情况。设计方案：土壤湿度调节灌溉系统以STC公司生产的单片机作为系统控制核心，通过编程来控制并实现上述功能。首先，单片机由温度、湿度等传感器获取外界相关信号，并转换为数字信号进入单片机进行数据处理，通过与一些特定的条件比较后，判断此时装置的工作状态以及花卉的生长情况，一方面，将信息显示出来，另一方面，准备向执行机构发送相应动作指令。然后，针对不同情况分优先级处理，通过控制外设达到所需效果测温报警功能需要通过温度传感器获取温度值，在经过单片机程序的处理，控制蜂鸣器发声报警。自动浇水功能，需要水泵和电磁阀共同实现。但是，先由土壤湿度检测模块收集花盆内土壤干湿度的信号，输入单片机后，经过继电器控制水泵和电磁阀，其中电磁阀一般为12V电源，水泵在通断时有电压波动和较大的工作电流约2A，因此，继电器可以有效的将单片机与水泵和电磁阀隔开，避免因电压或者电流的大幅波动影响单片机的正常工作。与此同时，对补水功能的实现还需要考虑设计简单的水位监测电路，这样使得单片机更加容易控制水泵的上水速度与水量。人机交互显示功能使用液晶来实现，与数码管等相比，显示内容更加丰富，可加入图片、汉字等信息，稳定性与可靠性也相对较高。因此，在设计显示内容时可以加入更多创新元素，使得使用者更易接受并理解信息含义。1.2系统主要控制与检测元件单片机：采用STC12C5A60S2单片机。该款单片机具有8路10位A/D，2路PWM输出，单字节指令执行速度是8051系列单片机的812倍，主要针对电机控制，强干扰场合。ROM空间最大64K，RAM空间为1280K，满足设计所需程序的存入。I/O口均具有强推挽能力，无需上拉电阻。空气温度检测：采用DS18B20。该传感器输出为数字量，无需进行模拟量转换，测温范围-55至+125，精度为0.5，分辨率912位，接口采用单总线技术，供电范围35.5V。湿度检测：土壤干湿度检测采用购买的土壤湿度检测模块，缺点在于容易被腐蚀，输出为模拟量（05V）。空气湿度检测采用DHT11，该传感器输出为16位数字量，传输距离20米，大于20米需要5K上拉电阻。液晶显示：使用Usart_GPU 2.2寸彩色液晶显示屏，该显示屏使用串口直接与单片机通信，占用I/O很少，包含汉字字库，能够先曲线折线等图形，操作使用液晶可直接用TTL转串口与PC机相连接进行图形编辑。其他元件：24C08存储器，松乐5V继电器，拨动开关（1A），无源蜂鸣器2、硬件系统设计图1 硬件电路系统框图土壤湿度调节控制系统硬件部分主要由温度检测模块，土壤湿度检测模块，存储器模块，继电器模块，蜂鸣器模块以及串口液晶显示模块，共6部分构成，核心控制单元为STC12C5A60S2单片机，图1展示了整个系统电路的结构组成以及控制流程，其中水泵、电磁阀控制单元使用LED指示灯代替。因此，针对系统各个功能的模块，电路设计方案及电路图如下：2.1温度检测以及报警功能的实现图2 温度检测电路图示中R2电阻为上拉电阻，主要作用是保证高低电平输出正常不被干扰信号影响，另外增大了传输距离，便于传感器适应较远距离或导线较长的情况。图3 报警电路报警电路主要使用无源蜂鸣器，三极管使用PNP型S8050，流过电流较大，发出的声音比较洪亮，限流电阻一般为100至300，通过控制晶体管的通断产生一定频率的脉冲信号使蜂鸣器发出声音。2.2土壤湿度与空气湿度检测功能的实现图4 空气湿度检测电路空气湿度检测电路由DHT11构成，由于该传感器在读取信息时要越过一段不稳定电平区，则在电路中加入100nF的去耦滤波电容，上拉电阻理论使用5K，实际常用4.7K。土壤湿度检测电路直接采用成品检测模块，该模块原理：利用土壤湿润时易导电的性质，使用两个不相连的电极插入土壤中，将其一个电极接地，另一电极串联10K电阻接上电源+5V，在二者之间取电位作为模拟量，当土壤湿度变化时，两极间会有微小的电阻变化，将该电压经过A/D转换后便可使用。2.3单片机最小系统电路图5 单片机最小系统电路图STC单片机12C5A60S2与8051系列单片机在引脚配置方面基本一致，需要注意在晶振频率小于12MHz时，P46脚直接接高电平。引脚配置：P10土壤检测模块模拟信号； P12DS18B20输出端；P13DHT11输出端； P14水泵控制端；P15电磁阀控制端；P26蜂鸣器控制端；2.4硬件系统测试针对本系统模块较多，线路连接繁杂的特点，需要逐个测试排除电路模块的不稳定因素。由于该设计电路均使用手工焊接完成，因此，在调试过程中，必须使用万用表对不同模块的线路和信号进行测量，避免线路短路或开路的现象发生，另外，不同模块可采用不同方法进行测试，直到有稳定可靠的信号输出为止。将模块接入36V直流电源，分别用万用表测试输出端的电压，然后接入一些较大的负载如电动机，观察芯片的发热情况，或者测量输出电流是否稳定。当模块发热较少，电压输出波动几乎没有，电流输出最大可达1A时，说明模块可以进行正常的工作并达到设计要求。最后还要重新检查焊接的线路，如电路板上的跳线，排针焊点等，确保焊点牢固无虚焊。单片机系统电路的测试需要首先检查电源线路，复位线路以及晶振线路，然后接通单片机电源，复位单片机并测量单片机部分引脚的电平信号。最后，编写程序进行试下载，检测引脚的信号输出，确定可以正常下载后在编写较完备的检测程序。上述检测均正常后，该模块就可使用并与各个模块连接。3、软件系统设计3.1程序主流程设计图6 系统主程序流程图土壤湿度调节灌溉系统程序语言以C语言为主，根据设计所实现的不同功能，将系统程序分为主程序和驱动程序两部分。其中，主程序的作用包含控制逻辑的实现、驱动程序的调用及配合、功能区分以及系统初始化。驱动程序主要为部分传感器及芯片的通信协议、数据采集和处理程序、液晶显示所用字库以及单片机操作程序，由于驱动程序涉及硬件电路中的各个模块，因此，驱动程序比较繁多，主要有串口驱动、DS18b20通信协议、DHT11通信协议、继电器控制程序、水位检测控制程序以及单片机中断和AD转换功能设定程序。主程序中包含4个子程序块分别为系统初始化程序、系统全状态检测程序、系统操控程序和数据显示程序。主要功能如下：1、系统初始化程序完成系统上电时，对部分芯片的初始设定、单片机定时器中断功能的设定、串口相关寄存器设定、液晶初始显示内容以及相关标志位的赋值。2、全状态检测程序主要用于对空气温湿度、土壤湿度、水箱水位的检测，当系统初次通电、复位以及其他可能用于检测时，都会使用该程序或者首先执行该检测程序，保证整个装置在正常情况下工作以便完成相应的功能，与此同时，将实时检测到的数据存储到24C08存储器中。3、系统操控程序主要是在采集到系统状态参数后，针对不同情况执行不同的功能，命令部分硬件机构处理相应问题如土壤湿度低，会命令继电器吸合使电磁阀开始浇水等。4、数据显示程序利用Usart-GPU液晶为使用者提供有关系统的检测参数如土壤湿度，空气温湿度等，同时，在执行某些功能时，显示提示信息，实时监控系统各参数的变化。驱动程序以.H文件形式存在于主函数之外，通过全局变量或者临时标志位，互通信息，执行主函数的控制指令。驱动程序因芯片而不同，通信时序千差万别，部分驱动程序以芯片数据手册提供的C语言程序为主，无需自己编写即可使用，但是，由于STC12C5A60S2单片机指令执行速度快于8051系列，因此，驱动程序中的通信时序要经过调试、验证后才能真正在本系统程序中使用。3.2系统状态检测程序图7 系统状态检测程序流程图上图展示了系统对自身状态检测的运行过程， 检测程序获取到状态信息后，不用直接去调用某些功能驱动程序，只需要将相应的标志位赋值即可，这样，可使程序整体执行效率提高，编写时容易发现错误。3.3系统控制程序图8系统控制程序流程图系统操控程序一方面进行温度比较，实现低温报警，另一方面，依赖单片机的定时器中断功能执行浇水操作。通过单片机定时器可使灌溉时间得到有效控制，也可以实现定时浇水等其他功能。与前述程序相同，程序中使用标志位来调用相应的子函数。3.4数据显示程序图9 数据显示程序流程图在经过检测程序对相关标志位赋值后，数据显示程序执行时通过判断标志位是否为1，来进一步执行相应的子程序。当所有标志位为0时，液晶正常显示即没有任何有关警告或提示的内容显示出来。3.5程序调试根据系统不同功能和实际的操作过程，分析各程序块中的语句的前后搭配和逻辑判断条件是否合理，由于实际环境以及硬件执行机构的限制，需要人为地将部分程序分出优先级，分步分时执行相应的功能，避免程序执行过程中，逻辑混乱，操作失误，便于以后对部分程序的修改。除此而外，还需要对C语言的语法进行检查，在本程序设计中，主要有if.else，while循环，中断服务程序和指针等相关语句，编写时尤为注意。当程序逻辑顺序和语法检查无误后，开始对程序进行编译与装载。在调试过程中，需要结合硬件的执行情况对程序中不妥之处进行更正，也可以注释掉部分程序，仅执行未注释的程序，逐个观察并修改相应功能的子程序语句。当所有程序执行的功能均符合设计需要时，程序设计工作基本完成。4、总结在设计该系统之前，查阅大量论文、期刊等资料，比较与之相关的各种土壤湿度控制调节系统的设计方案，以及针对不同的灌溉方式所使用的算法，完成了较为简单的土壤湿度控制管理系统，并没有涉及有关模糊控制、PID控制等复杂算法，因此，本系统设计上智能实现小范围的灌溉，以及部分基础功能。通过硬件软件的调试、实验，对系统中存在的控制错误进行及时有效地修正，能够充分完成浇水、报警、提取历史数据的功能。但是，该系统对土壤的管理工作仍然较为片面，控制湿度的精确度方面有待提高。5、设计体会经过将近两周时间的精心设计与认真思考，终于能够将想法变为现实，虽然苦难重重，但是我依旧满怀信心的克服与坚持。通过这段时间的学习与实践，主要让我更加充分的理解书本上的知识，以及实际应用当中所需的技能，同时，也使我更深入地感受到纸上谈兵终觉浅，付诸实践，动手动脑，才能真正提高自己的水平。在硬件设计制作过程中，不仅需要专业的电路知识，而且，还要求我们具备一定设计常识、软件辅助设计能力等，有时候设计遇到的问题非常细小，但是影响却是非同小可，一不注意还会烧坏很多元件。作为设计者，应当比使用者考虑的更加详细周到，尽善尽美，既要电路设计合理安全，还要外观大方简洁，更要在功能上可靠实用，经济成本也要越低越好。所以，在本次课程设计中，我深切感受并明白了设计思路、设计方法的重要性。在软件方面，我学会了运用KEIL C软件编辑单片机程序工程以及利用软件进行程序调试。另外，巩固了曾经学过的C语言知识，并且在实际应用中总结了不少经验和教训，使我对C语言的编译有了更新的认识，提高了我对C语言程序的应用能力，同时，也掌握了不少有关数据处理方面的程序算法如平均值滤波法。编写设计程序时，不仅需要创新的思路和灵感，还需要细心认真的态度，在本次设计过程中，出现了很多因一时疏忽导致的语法