基于单片机的智能养花系统

龙岩学院毕业设计题目： 基于单片机的智能养花系统 专业： 电子信息工程 学号： 2014041819 作者： 林 樟 指导教师(职称)： 曾玮 副教授 年月日（宋体二号，居中）基于单片机的智能养花系统【摘要】本设计是一种功能齐全的智能养花系统，它不仅能够检测土壤湿度并自动浇水还有检测温度、光照强度和超声波驱虫等诸多功能。本设计以STC15F2K60S2单片机为控制器，结合DS18B20温度传感器、光敏电阻、步进电机、无源喇叭等常用器件构成一个完整的系统，使用KEIL4、ALTIUM DESIGNER软件为工具对整个智能养花系统编程和设计，比传统的单一的浇花器功能更加丰富。其中土壤湿度和光照强度检测采用比较器LM393芯片构成检测电路，步进电机采用ULN2003芯片来构成驱动电路。而温度、光湿度和超声波等一些状态信息则用LCD1602来显示，以便直观的看清楚整个系统的状态。最后，通过实验和系统调试，证明了本设计的性能。【关键字】单片机 DS18B20 光敏电阻步进电机Based on single chip microcomputer intelligent flowers system【Abstract】This design is a full-featured smart gardening system, it is not only able to detect soil moisture and watering as well as automatic detection of temperature, light intensity and ultrasonic insect repellent and many other features. This design STC15F2K60S2 MCU controller, combined with DS18B20 temperature sensors, light-sensitive resistors, stepper motor, speaker and other commonly used passive devices form a complete system using KEIL4, ALTIUM DESIGNER software as a tool for the smart gardening system programming and design richer than the traditional single watering function. Where soil moisture and light intensity detected by the comparator LM393 chip constituting the detecting circuit, stepper motor with ULN2003 chip to form the drive circuit. Some state temperature, light and humidity, ultrasonic LCD1602 information is used to display the status for an intuitive look at the whole system. Finally, through experiments and system debugging, performance proves this design.【Key Words】single-chip microcomputer DS18B20 photoresistance stepper motor目录第1章前言11.1 课题研究背景及意义11.2 研究现状及研究方法1第2章课题目标任务22.1 课题的主要内容22.1.1 课题总体介绍22.1.2 工作内容22.1.3 课题具体任务2第3章硬件设计33.1 控制芯片33.2 温度传感器及无缘喇叭驱动电路33.2.1 DS18B20介绍33.2.2 无缘喇叭驱动电路43.3 光照强度与土壤湿度检测电路53.4 独立式按键电路63.5 步进电机驱动电路7第4章软件设计94.1 程序设计的总体思路94.1.1 无源喇叭发出超声波程序思路94.1.2 温度及光照强度模块程序思路94.1.3 土壤湿度模块程序思路94.1.4 步进电机程序思路104.1.5 部分程序流程图10第5章电路及软件调试125.1 硬件系统调试125.1.1 基本电路版检查125.1.2 基本连线检查125.2 软件系统调试135.2.1 各个功能调试13第6章 结论156.1 基本成果156.2 改进展望156.3 经验总结15致谢语16参考文献17附录18附录一：基于单片机的智能养花系统电路原理图18附录二：基于单片机的智能养花系统的PCB设计图19附录三：基于单片机的智能养花系统的部分程序20III基于单片机的智能养花系统第1章前言1.1 课题研究背景及意义随着人们生活水平的提高，许多家庭里都会养一些用来观赏的盆栽花卉，这些盆栽可以陶冶情操、丰富生活。而且，盆栽植物可以通过光合作用来吸收室内的二氧化碳，净化空气，使得室内环境变得更加舒适，因此，盆栽如今被与多人所喜爱。盆栽虽然好看，养起来却很麻烦，要花时间，花精力去呵护它，特别是有一些花卉种植条件很苛刻，比如不耐旱、怕强光、高温和蚊虫等等。但是，现在由于人们工作、学习太忙或者旅游等等原因，许多人总是会无暇顾及自己的盆栽。这样就导致自己辛辛苦苦种植的花卉被太阳晒死、干枯死或者被虫子啃得面目全非。虽然现在市面上有卖盆栽自动浇水器，但是价格十分昂贵，并且也只有自动浇水的功能，对于一些生存条件苛刻的花卉来说，只是浇水是远远不够的，还需要其他的呵护。因此，我想通过设计一种智能养花系统，能够检测土壤干湿程度、能够测量温度和光照程度、能够驱虫等等诸多功能，全方位的呵护自己的爱花。1.2 研究现状及研究方法早在很多年前，国外就慢慢的开始普及一种微喷系统，这是一个利用国内外先进技术组装的新型灌溉设施，它主要的作用是让花草植物及时补充水分。这个系统具有冲击力小、用水量少的灌溉特性，适用于栽培密度大、植株柔软细嫩的植物。自动浇花器的诞生是随着人们生活水平的提高和生活节奏的加快而诞生的一种懒人园艺用品。它把微喷的概念应用于家庭盆栽浇灌中，通过相应的改进，达到合理给盆栽自动浇水的目的。不过这并不太适用于国内，目前我国比较流行的是玻璃制作的自动浇花器。这种类型的浇花器多数在我国山西和浙江一带加工生产的，价格比较低廉，实用性没有电子类自动浇花器好。随着国内居民消费水平和生活质量的提高，居家园艺市场异常火爆，特别是一些观赏花卉，生存条件苛刻，需要不间断的呵护。但是由于生活节奏加快，种花容易养花难的问题暴露出来，只有自动浇水功能的装置已经远远不能满足一些特殊花卉的需求了。当前传感器技术与单片机技术发展迅速，其应用逐步由工业、军事等领域向其他领域渗透，已经和我们的日常生活息息相关。而且智能家居概念也越来越受人们的推崇，因此，微电脑控制的电子类自动浇花系统有很好的发展前景。3第2章课题目标任务2.1 课题的主要内容2.1.1 课题总体介绍本课题是基于STC15F2K60S2单片机的智能养花系统设计与制作，并对相应的硬件电路与软件系统进行设计与制作。2.1.2 工作内容（1）完成智能养花系统的总体系统方案设计、电路设计。（2）制作并连接完整的硬件电路并能调试出正确的结果。2.1.3 课题具体任务智能养花系统基于单片机控制驱动，系统电路由单片机最小系统、独立式按键电路、LCD显示电路和驱动无缘喇叭、温度传感器、步进电机等电路组成。程序方面是用C语言来编写的。智能养花系统的具体功能如下：（1）、智能养花系统能够自动检测土壤湿度，当湿度低于某值时，会提示需要浇水。不同植物所需的土壤湿度可调。（2）、智能养花系统配有温度传感器，当温度过高时，可以向花和叶子喷水雾。执行温度可以通过按键设置。（3）、由于花卉盆栽长期固定于一个位置，花卉的受光不均匀，长期这样会导致花卉生长可能一边茂盛一边稀疏。所以养花系统配有自动旋转的花盆，用单片机控制电机旋转，让花卉360度都能受到光照，电机转速可调。（4）、智能养花系统能够自动检测光照强度，当光照强度较大时，会有提示，并且可配合温度传感器做出相应报警提示。（5）、养花器具有驱虫功能，保护花卉。运用仿生学原理，利用喇叭发出超声波，制造一个让蚊虫难以承受的噪音环境(如蜘蛛、蝙蝠、蜻蜓等蚊子天敌发出的超声波)，逼迫蚊虫逃走。第3章硬件设计3.1 控制芯片本系统采用的是STC15F2K60S22单片机为此设计的核心控制器。STC15F2K60S2系列单片机是STC生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/高可靠/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机, 编程下载时5MHz35MHz宽范围可设置，可彻底省掉外部昂贵的晶振和外部复位电路(内部已集成高可靠复位电路)。图3-1 stc15f2k60s2管脚图STC15F2K60S2指令代码完全兼容传统8051单片机，但是速度快8到12倍。具有片内大容量2048字节的SRAM，包括常规的256字节RAM和内部扩展的1792字节XRAM，除了Vcc和Gnd其余剩下的所有管脚均可作为I/O口使用，且其P0口做输出时无需像传统单片机一样外接上拉电阻，可以使系统设计更加简单容易。3.2 温度传感器及无缘喇叭驱动电路本设计采用的温度传感器为DS18B20，采用三极管8550来驱动无源喇叭发出超声波。具体电路如图3-3所示3.2.1 DS18B20介绍DS18B20是美国DALLAS公司生产的单总线数字温度计，具有线路简单、体积小得特点。采用一根数据线实现数据的双向传输，并且在单根通信线上可挂较多的数字温度传感器。其内部有温度上下限报警设置、可从912位中选择其分辨率、实际应用中不需要外部任何元器件，温度范围-55+125、转换精度高、占用系统的I/O资源少、扩展方便等优势18。DS18B20的引脚排列如图3-2所示，DQ为数字信号输入/输出端，开漏单总线的接口引脚，当被用在寄生电源下，也可以向器件供电源；VDD可选择的引脚，当工作于寄生电源时，此引脚必须接地。图3-2 DS18B20引脚图3.2.2 无缘喇叭驱动电路无源喇叭内部不带震荡源，所以如果用直流信号无法令其鸣叫。所以要想发出声波必须用一定频率的方波去驱动它。方波的频率决定喇叭发出声波的频率，当方波的频率高于20000赫兹时，喇叭就发出超声波。再更具不同蚊虫讨厌多少频率的声波来达到驱赶蚊虫的目的，此频率是可以通过软件来实现更改。由于喇叭需要足够大的电流才能驱动，所以才用三极管8550来放大电流达到驱动目的。图3-3 温度传感器及无缘喇叭驱动电路图3.3 光照强度与土壤湿度检测电路本设计中光照强度与土壤湿度的检测电路原理是一模一样的。采用的是电压比较器LM393来实现。LM393芯片的管脚如图3-4所示。其功能简单来说就是比较电压大小，-INA（2脚）作为基准电压，+INA（3脚）作为比较电压，当+INA输入的电压高于-INA的基准电压时，OUTA（1脚）输出高电平，反之则OUTA输出低电平。图3-4 LM393管脚图光照强度检测电路具体如图3-5所示。图中R6为可调电位器，调节-INA（2脚）的电压作为基准电压。R4为光敏电阻，当光照强度高时，光敏电阻阻值降低，从而拉低了+INA（3脚）的电压，当+INA的电压低于-INA的基准电压时，OUT（1脚）输出低电平，从而使指示灯D2点亮示意。图3-5 光照强度检测电路图土壤湿度检测电路具体如图3-6所示，更具土壤其本身就具有导电性，让土壤湿度检测片插入土壤，可以通过判断检测片之间土壤的电阻来确定土壤的干湿程度。我们都知道，当土壤的湿度较大时土壤的电阻较低，反之当土壤湿度较低时土壤的电阻较高，这样我们就能利用这个特点来检测土壤之间的电阻大小来判断土壤的干湿程度。其电路原理和光照强度原理基本相同，这里就不再多做介绍。图3-6 土壤湿度检测电路图3.4 独立式按键电路键盘具有向控制器输入数据、命令等功能，其实质上就是一个按钮开关，是人与控制器对话的主要手段。本设计采用的是独立式按键，它的特点是各个按键互相独立，每个按键各接一条I/O口线，通过检测I/O口输入线的电平状态，很容易判断哪个按键被按下。如图3-7所示，当按键被按下时，单片机对应的I/O口检测到低电平信号，通过编程就能实现相应的命令控制。本设计一共用到了6个按键，分别的功能为：一个超声波的开关按键、两个步进电机的加减速按键、一个温度设定界面切换按键、两个设置温度高低按键。图3-7 独立式按键电路图3.5 步进电机驱动电路步进电机是将电脉冲信号转化为角线位或移位移的开环控制元器件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，给步进电机加一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。因而步进电机只有周期性的误差而无累计误差，同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。图3-8 步进电机步进电机的驱动是由单片机通过对每组线圈中的电流的顺序切换来使电机作步进式旋转，切换是通过单片机输出脉冲信号来实现的。调节脉冲信号频率就可以改变步进电机的转速；而改变各个相脉冲的先后顺序，就可以改变电机的旋转方向。步进电机驱动方式可以采用双四拍（ABBCCDDAAB）方式，也可以采用单四拍 (ABCDA) 方式，本设计采用的是单四拍方式。由于单片机管脚输出电压和电流较小，无法直接驱动步进电机，所以这里采用ULN2003芯片来放大单片机对步进电机的电流信号，使得步进电机能够有足够的电压和电流来维持正常工作。图3-9 ULN2003内部结构图ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管组成。它的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。它的工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。所以步进电机最常用的就是用此芯片来驱动。图3-10 步进电机驱动电路图第4章软件设计4.1 程序设计的总体思路采用STC15F2K60S2作为主控制芯片，整个系统程序总体结构如图4-1所示。图4-1 系统程序总体结构4.1.1 无源喇叭发出超声波程序思路运用单片机内部的定时器0输出一个精准高频率的方波信号，使无源喇叭发出高频率的超声波，使用一个独立按键控制定时器0的使能，从而控制无源喇叭的开启与关断；4.1.2 温度及光照强度模块程序思路单片机向DS18B20温度传感器读取实时温度，把数据显示在LCD1602液晶显示屏上，用一个独立按键切换显示测量温度界面与设置温度界面，同时单片机读取光照强度电路上的LM393芯片OUTA（1脚）口输出的电平，当OUTA输出低电平时（光强高于设定值）且温度也高于设定值时，单片机控制外部设备做出相应动作（如使盆栽移动到弱光区域或向花卉喷水雾等，这里用一颗LED灯亮灭示意）；4.1.3 土壤湿度模块程序思路单片机读取土壤湿度电路上的LM393芯片OUTA（1脚）口输出的电平，当OUTA输出低电平时（土壤湿度低于设定值），单片机控制外部设备向土壤浇水（这里用一颗LED灯亮灭示意）；4.1.4 步进电机程序思路步进电机采用单四拍 (ABCDA) 方式控制，用两个独立式按键给步进电机调速。4.1.5 部分程序流程图 无源喇叭发出超声波的程序流程图如图4-2所示，步进电机调速运行的程序流程图如图4-3所示。其他部分按键逻辑控制、DS18B20温度传感器和LCD1602液晶显示屏的驱动程序这里就不多做介绍了。开始系统初始化定时器使能关断有按键按下？否是定时器使能打开，产生方波，驱动喇叭按键再次按下？否是图4-2 无缘喇叭流程图开始系统初始化步进电机停止加速按键按下？否是 启动电机并保持当前速度减速按键按下？加速按键按下？是是是是是最低速度？是最高速度？否否电机加速电机减速图4-3 步进电机流程图第5章电路及软件调试5.1 硬件系统调试5.1.1 基本电路版检查由前面的硬件设计图完成印制电路板的制作，对制成的电路板进行检查。（1）检查腐蚀后的印刷电路板中有没有断路，有没有焊盘与其它线或是焊盘粘连，焊盘有没有脱落等等。（2） 用万用表检查线路的通短状态是否与设计相符。再检查电源线与地线之间是否有短路现象。（3）焊好后接通电源，用手摸一下芯片是否发烫，如果发烫就立即关掉电源并再次检查是否短路或者芯片是否插反。如果正常，再测试芯片电源端电压是否达到设计要求，各个元件接地端是否都接地。5.1.2 基本连线检查硬件调试时，必须对每一部分的部件清楚了解，明白它的工作特性，知道它的优点、缺点，以便在检查和后续的调试过程中对出现问题很好的解决。本次设计，我牢牢的把握住这点，在调试时能节省很多时间。如图4-1所示为焊接连线完成的智能养花系统。图4-1 焊接连线完成的智能养花系统整个系统的连线较多，为了保证电路连接的可靠性，并且不烧坏元器件，我在连接完成后使用万用表测试是否有短路现象，确认无误后再上电，电源使用USB口供电，可用充电宝、电脑或者手机充电头。使用万用表检查连线时，先检测电源与地线是否短路，短路问题相当严重，可能造成元器件烧毁，所以必须首要确认；再检测各个按键两侧是否能导通，各个信号线是否与单片机对应I/O管脚接通；然后检测各个芯片是否管脚电源与地是否都连接好；最后检测各板引出脚与单片机之间是否正确连通。经过检查，整个智能养花系统连线正确，各条杜邦线均与单片机I/O引脚正常接通。5.2 软件系统调试5.2.1 各个功能调试硬件系统制作完成后，就要进行软件程序编写。对于一整个软件系统的编程，也需要分部、分块进行编写调试。本次设计软件调试先对整个显示界面进行调试。上电后可以在显示屏上看到测得的温度和光照强度、土壤湿度及超声波的状态。当超声波按键按下时，使单片机打开定时器0的使能，使单片机P4.5口产生高频率方波信号，经过三极管放大后驱动喇叭发出超声波，再按一次按键关闭使能，使超声波关闭，并且超声波的开关转态在液晶屏上显示出来。由于超声波人耳是听不到的，于是我设置了一个接近超声波频率的声音，我们可以听到很刺耳的声音。当电机的调速按键按下时，步进电机也可按照原先设定正常速度加减速。当土壤湿度较低时，LM393芯片输出低电平被单片机检测到，使LED发光，这时候我向土壤浇水，LM393芯片输出高电平，使LED灭。如图4-2所示。同理，当光敏电阻被强光照射时，电阻减小，LM393芯片输出低电平使LED发光指示，且当温度大于设定值时，驱使另一个LED灯发光（实际中可控制外部设备做出相应盆栽的保护措施），且设置温度均可正常使用。图4-2 系统运行经调试，整个智能养花系统均可以正常工作和显示，完成设计任务的所有功能。21第6章 结论6.1 基本成果经过反复实验和调试，最终完成了智能养花系统设计和制作，实现了设计任务要求的所有功能。本设计不仅仅是限于检测土壤湿度并自动浇水，更是一个完整养花系统，它还能检测光照强度、环境温度、让盆栽旋转，更有超声波驱虫功能，能给花卉全面呵护。6.2 改进展望虽然本设计基本完成了任务要求，但是制作完成后我发现还有许多不做和需要改进的地方。比如只能更具养花经验来调节电位器控制土壤的干湿程度，并不能非常精确的测量出土壤具体的湿度值来进行相应的控制动作。还有就是超声波驱虫需要专业性的生物学知识，一般人并不知道具体什么虫怕什么频率的超声波，所以这个超声波驱虫的理念使用性可能并不是很高，但是这是运用电子驱虫的新理念，还是很有研究价值，毕竟超声波驱虫不向化学驱虫那样会污染环境且对人体不健康。6.3 经验总结毕业设计是综合考察学生、知识积累情况和实际运用及动手能力的不可或缺重要环节，可以很好体现出学生对所学知识的综合应用的能力，发现、提出、分析和解决问题的能力和实践工作的能力。这次毕业设计的制作和毕业论文撰写让我学到了很多。这次的毕业设计并不难，其实就是平时学习知识的一个大综合，能把平时学习到的知识运用、组合成一个真正日常生活能运用到的一个完整的单片机系统。在毕业设计的制作过程中，分步、分模块调试让我对电路系统调试有了更加深刻的了解。当然，在设计的过程中，我也遇到了不少的困难，但是我通过不断的查阅资料，请教别人，修改程序，下载调试等过程，终于把遇到的问题逐一解决了。在此过程中我也学到了很多东西，特别是LCD1602的原理，当然还学会如何运用DS18B20温度传感器，步进电机的驱动原理及定时的方法也得到了很多的锻炼。这对熟练单片机的使用以及单片机项目开发是非常有帮助的。在设计的过程中的思考解决问题的思路和方法对以后的工作和生活都是非常有帮助的。做毕业设计这段时间的生活，让我学到了利用自身所学，去解决实际问题方法，相信在以后的生活中这段经验会让我终身受益。致谢语经过这一段时间的努力，我顺利的完成了我本科阶段的毕业设计和论文的撰写。这一切都要感谢我的指导老师曾伟，从选题指导到设计指导再到论文撰写指导，他都非常耐心指导，并且实时关心我的设计进度。也许我并不是最优秀的学生，但是在我心里您是最好的老师，您的耐心和负责，让我学习到了许多宝贵的知识，让我体会到专研的乐趣，在此再次由衷的感谢您。与此同时，除了指导老师，在这里我还要感谢这两年来所有的老师以及同学，感谢老师们的细心教导和同学们平时对我的帮助，没有你们的全力协助，我很难解决这些诸多疑惑和难题。大学即将过完，在这里我也祝愿老师们在今后的生活中工作顺利、身体健康，祝愿同学们都找到称心如意的工作。参考文献1 宏晶科技（深圳）.STC15F2K60S2系列单片机器件手册M. 2014, 1-1-32 郭天祥. 新概念51单片机C语言教程M北京：电子工业出版社，2009, 240-2583 皮大能,肖光群,刘金华编著.单片机课程设计指导书M.北京:北京理工大学出版社,2010:114-116.4 周润景,张丽娜编著.基于PROTUES的电路及单片机系统设计与仿真M.北京:北京航空航天大学出版社,2006.5 马忠梅等编著.单片机的C语言应用程序设计,北京:北京航空航天大学出版社,20076 李云刚等编著.单片机原理与应用系统设计,北京:中国水利水电出社,20087 蔡美琴.MCS-51系列单片机系统及其应用M,北京:高等教社,20038 肖金球.单片机原理与接口技术M,北京: 清华大学出版社20049 谭浩强.从语言程序设计,第三版,北京:清华大学出版社,200531附录附录一：基于单片机的智能养花系统电路原理图附录二：基于单片机的智能养花系统的PCB设计图附录三：基于单片机的智能养花系统的部分程序主程序：#include #include #include #include #include #include #de