毕业设计（论文）-基于单片机的茶园自主喷灌系统设计.pdf

题目基于单片机的茶园自主喷灌系统设计 学生姓名王阳倩学号1213014046 所在学院物理与电信工程学院 专业班级电子信息工程专业 12 级 2 班 指导教师王文洋 完成地点陕西理工学院 2016 年 6 月 日 陕西理工学院毕业论文 毕 业 论 文 设 计 任 务 书 院(系)物理与电信工程学院专业班级电子 1202学生姓名王阳倩 一、毕业论文设计题目基于单片机的茶园自动喷灌系统设计 二、毕业论文设计工作自 2016 年 1 月10 日 起至2016 年6月15日止 三、毕业论文设计进行地点:陕西理工学院 四、毕业论文设计的内容要求： 本课题要求利用单片机作为核心控制器件，设计一种基于单片机的茶园自动喷灌系统。 其特点是通过对土壤墒情信息采集，超过设定初值时，对茶树进行自动喷灌；当满足喷灌量 时，自动停止喷灌。省去喷灌人工作业环节，节约成本。 要求：喷灌时间、喷灌时长、喷灌量等初值可调节。当需要喷灌及喷灌结束时有声、光 报警提示，且提示信号应不同。在仿真电路基础上制作硬件，完成样机的调试。撰写毕业设 计论文。（应包括方案设计、比较与论证、分析与计算、电路图与相关设计文件以及心得体 会等）。 五、毕业论文设计应收集资料及参考文献： 收集传感与检测、单片机编程与控制等方面的专业资料，阅读和学习下列参考文献： 1 童诗白,华成英.模拟电子技术基础（第四版）M.北京:高等教育出版社,2006. 2 李建忠.单片机原理及应用（第三版）M.西安:西安电子科技大学出版社,2013. 3 谭浩强.C 程序设计(第二版)M.北京:清华大学出版社,1999. 4 刘晓冬，韩建海，赵书尚，王会良.基于 MSP430 单片机的智能喷灌控制系统.J. 工业仪表与自动化装置.2009 年 第 3 期 5 闫瑞涛，史洁，田云. 基于 STC89C51 单片机的智能微喷灌控制系统的设计.J黑 龙江科技信息.2013 年 第 34 期 六、毕业论文设计的进度安排： 1 月 10 日3 月 20 日：查阅资料，完成外文翻译原文和开题报告。 3 月 21 日4 月 20 日：完成系统硬件电路的设计并提交中期检查报告。 4 月 21 日5 月 20 日：完成整体设计并调试，准备作品验收。 5 月 21 日6 月 15 日：撰写、修改毕业设计论文，准备并完成答辩。 指 导 教 师 签名系(教研室)主任签名 专业负责人签名批准日期 陕西理工学院毕业论文 基于单片机的茶园自动喷灌系统设计 王阳倩 （陕西理工学院物理与电信工程学院电子信息工程专业1202班，陕西 汉中 723000） 指导老师：王文洋 摘要智能节水喷灌系统是农业现代化的重要标志之一。设计以单片机 AT89C51 为核心的智能茶园 喷灌系统，该系统主要包括控制模块，信息采集模块，显示模块和超限报警模块。湿度传感器对土壤湿度 信息采集，单片机对数据进行处理判断，控制喷水，实现茶园灌溉的自动化。系统具有性能稳定，价格低 廉，易于操作的特点。 关键词智能喷灌；单片机；报警 Design of tea garden sprinkler system based on MCU Author: Wang Yangqian （Class 1202,Major Electronics and Information Engineering，College of Physics and Telecom Engineering，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723000，Shanxi） Tutor: Wang Wenyang Abstract:Intelligent water-saving irrigation system is one of the important symbol of the modernization of agriculture.A intelligence tea garden sprinkler system taking MCU-AT89C51 as the core is designed.System mainly includes the control module, the information collection module, the display module and the overrun module.The humidity sensor collect the soil humidity.Single chip microcomputer process and judge the data and control Electromagnetic valve.Design to realize automatic irrigation in tea garden.The system has the features of stable performance, low price and easy operation. Key words:Intelligence sprinkler；MCU；alarm 陕西理工学院毕业论文 目 录 1 引言.1 1.1 课题研究的背景和意义.1 1.2 课题研究的现状及发展趋势.1 1.3 课题研究的内容.2 2 方案的选择和论证.3 2.1 总体系统设计.3 2.2 方案一的论述.3 2.3 方案二的论述.3 2.4 方案的选择. 4 3 系统的软件设计.5 3.1 单片机最小系统.5 3.2 土壤湿度检测电路设计.5 3.3温度采集电路设计.7 3.4LCD 显示电路设计.7 3.5 声光报警电路设计.8 3.6 按键模块设计.9 3.7 系统主程序设计.9 3.8 温湿度显示子程序设计.10 3.9 控制及报警子程序设计.11 Proteus 仿真结果.12 4 硬件电路图. 15 5 总结.16 5.1 问题与处理. 16 5.2 展望.16 致谢.18 参考文献. 19 附录.20 陕西理工学院毕业论文 第 1 页 共 42 页 1 引言1 引言 1.1 课题研究的背景和意义1.1 课题研究的背景和意义 水是生命起源不可缺少的条件， 也是人类生产生活最关键的自然资本， 亦是贯穿社会发 展和国民经济的最首要的基础资源。随着人类社会的不断发展，能源危机将接踵而至，作为 人类生命之源的水资源更是以一种极其惊人的速度流失， 并且这一状况还将随着时间的推移 和社会的发展继续恶化。水资源危机已成为全球性的突出问题，因此水资源的合理的开发、 利用、保护和管理已经不容忽视。 水资源紧缺是中国的基本国情， 特别是北方地区严重缺水， 人均水资源量只占全国人均 水平的 1/4，水资源短缺已成为地区可持续发展的重要制约因素 1。农业是人类社会最古老 的行业， 是各行各业的基础， 也是人类顿以生存的最重要的行业。 而我国作为一个农业大国， 农业用水又占总用水量的大部分，因此，提高水资源的利用率，对于解决我国的农业灌溉用 水和缓解水资源紧缺非常重要 2。随着科学技术的日益发展，高效的自动化控制节水灌浇技 术不但能够有效的节约用水， 同时也是农业现代化的标志。 现代智能型控制器是进行灌溉系 统田间管理的有效手段和工具，它可提高操作准确性，有利于灌溉过程的科学管理，降低对 操作者本身素质的要求。除了能大大减少劳动量，更重要的是它能准确、定时、定量、高效 地给作物自动补充水分，以提高产量、质量，节水、节能。 1.2 课题研究的现状及发展趋势1.2 课题研究的现状及发展趋势 随着农业生产水平的不断发展以及全球水资源的日趋紧张， 世界各国都在积极探索行之 有效的节水途径和措施。在西方一些国家，如美国、以色列和加拿大等，运用先进的电子技 术、计算机和控制技术，已经成为发展现代农业的主要手段。而且这些国家，在节水灌溉技 术方面起步较早，研究投入比较大，如今的控制精度和智能化程度越来越高，可靠性越来越 好，操作也越来越简单 3。发达国家发展集约型农业的一个重要途径是灌溉的自动化智能管 理。发达国家农业普遍推行自动灌溉系统，基本上实现了灌溉自动化管理，根据作物的生长 需要定时、定量将水肥直接送入作物根部周围土壤，粮食产量及水资源利用率都相当高。美 国，加拿大，澳大利亚，韩国等国家和地区都研究生产出多种系列的智能灌溉管理系统，技 术已接近成熟，采用计算机控制技术，通过土壤湿度传感器采集土壤湿度信息，一些系统在 此基础上还可以通过对植物的果实和茎干的直径变化的测量来决定对作物的灌水间隔。 计算 机化操作运行精密、可靠、节省人力，对灌溉的控制可达到相当的精度，做到科学化、智能 化灌溉 4。美国，早在 1984 年，Benami 和 Offen 公司就开发了一套智能节水灌浇控制器， 通过监测土壤水分传感器来获得的数据决定是否灌溉，使作物根部总跟保持一定的湿度 5。 加拿大、 以色列等国家也都有成功发开了一系列成形的灌浇控制产品， 其中比较有代表性的 如澳大利亚的 HARDIEIR-RGATION 公司的灌浇控制器，已形成了 MICRO-MASTER、RAINJET 等多个系列几十种型号的产品 6。 目前， 我国使用的节水灌溉控制设备许多都是从国外引进的， 有相当多的示范点取得了 显著的成效，产生了较好的社会和经济效益。进口的灌溉设备虽然质量好，品种齐全，但是 价格相对昂贵， 加上没有考虑我国特殊的气候等实际情况， 国外的灌溉控制系统在我国应用 并不普及， 这也大大制约了我国农业节水灌溉技术的发展。 我国自主灌溉控制系统方面还处 于研制、试用阶段 7。近几年，微机和单板机等自动控制监测系统装置已经在某些灌溉工程 中试验和应用， 初步显示出灌溉采用自动化管理系统的优越性和先进性。 目前最先进采用农 业物联网技术，通过传感器检测土壤湿度及温度和作物生长状况，需水状态，由系统自动判 断作物是否需要灌溉及需水量，然后通过处理器自动控制灌溉系统进行灌溉 8。应用比较广 泛的控制系统一般采用电脑智能化管理,这种系统能根据现有的水资源状况，外部的气候等 条件自动实施灌溉， 适用于花卉， 蔬菜等生产。 温室灌溉技术和设备在我国还处于起步阶段， 系统的成套性较差，质量不稳定。因此，加速开发成套，适用，可靠，先进的灌溉系统是我 国今后节水灌溉发展的主要方向。 陕西理工学院毕业论文 第 2 页 共 42 页 1.3 课题研究的内容1.3 课题研究的内容 土壤湿度体现了农作物此刻水分供给的状况。当土壤干旱时，土壤中的湿度过低，将会 影响农作物正常光合作用的进行， 最终导致农作物的品质和产量的下降； 严重缺水时农作物 可能枯萎死亡。同样，土壤湿度过高，则会使土壤的通气性降低，土壤中微生物的正常活动 受到影响，间接影响到农作物根系的呼吸、生长等生命活动，从而影响作物地上部分的正常 生长，造成徒长、倒伏、病害滋生等。 设计是基于单片机土壤湿度和温度检测系统， 该系统要求用单片机测控来实现农作物生 长环境因子信息数据的实时采集、处理，然后输出控制执行机构，以实现土壤墒情的检测， 达到节水节能，省时省工的效果。 陕西理工学院毕业论文 第 3 页 共 42 页 2 方案的选择和论证2 方案的选择和论证 2.1 总体系统设计2.1 总体系统设计 智能茶园喷灌系统利用单片机 AT89C51 作为信息处理和核心控制器件。 要实现与传统的 农业灌溉系统相比具有结构简单、安全可靠、实时性好、灵敏度高、功耗低，操作简便等优 点。 能够准确直观的 LCD 上显示显示当前的温度以及湿度。 该系统可对土壤的适度进行监控， 并进行适时、适量的灌溉。实现按需灌溉功能。按照农作物的需求开启和关闭灌溉功能，实 现湿度调节。 能够自主调节当前土壤需要的湿度限定值， 可以随时根据需要增加或者减少设 定值。一旦发现低于预设值，蜂鸣器蜂鸣报警。 总体系统框图如图 2.1 所示。 图 2.1 总体系统框图 2.2 方案一的论述2.2 方案一的论述 2.2.1 方案一的设计框图2.2.1 方案一的设计框图 系统由控制模块、土壤湿度采集模块、显示模块、超限报警模块和输出驱动模块组成硬 件电路图。方案二的硬件设计框图如图 2.2 所示。 图 2.2 方案一设计框图 2.2.2 方案一的设计方法2.2.2 方案一的设计方法 设计系统的核心部件为AT89C51， 信号采集及处理部分由数字温湿度传感器SHT11担任， SHT11 所采集的信号进入单片机后经处理后通过 LCD 显示温湿度。在程序中对测量的湿度进 行上下值的设定。 单片机将程序内部设定的湿度上下值与当前 SHT11 所采集得到的湿度进行 比较，当湿度低于设定限额下限时发出声光报警，并驱动水泵。 2.3 方案二的论述2.3 方案二的论述 2.3.1 方案二的设计框图2.3.1 方案二的设计框图 系统由控制模块、土壤湿度采集模块、A/D 转换模块、显示模块、报警模块和输出驱动 模块组成。方案一的硬件设计框图如图 2.3 所示。 信息采集模块 信号处理与 控制模块 报警模块及驱动 输出模块 显示模块 温湿度传感器 SHT11 AT89C51 单片机 显示模块 放大驱动水泵 报警模块 调节按键 陕西理工学院毕业论文 第 4 页 共 42 页 2.3.2 方案二设计方法2.3.2 方案二设计方法 设计系统核心部件为 AT89C51，土壤湿度信号由土壤湿度传感器 FC-28 进行采集，用模 拟输出湿度传感器对土壤湿度进行监测， 将所得到的电流信号处理得到可用的电压信号， 将 电压信号输入到 A/D 转换器中转化成数字信号，再由 AT89C51 单片机对此信号进行处理。 采用温度传感器 DS18B20，可直接检测温度信号，系统将测得的温湿度值送到 LCD 液晶屏显 示。 单片机将程序内部设定的湿度上下值与采集得到的湿度进行比较， 当湿度低于设定限额 下限时发出声光报警，并驱动水泵。 图 2.3 方案二设计框图 2.4 方案的选择2.4 方案的选择 方案一中的普通的 SHT11 传感器主要用于暖通空调、 汽车等领域， 主要测空气相对湿度 的，土壤湿度主要是土壤的含水量，用普通的 SHT11 测土壤很容易坏掉。改造过的土壤专用 的 SHT11 传感器，价格却比较昂贵。 方案二中的 FC-28 作为土壤湿度传感器。FC-28 湿度传感器有两个长约 4.5 厘米的土壤 探头，有加宽的感应面积，可以充分插入到土壤中，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。 考虑到以上原因，设计采用方案二。 AT89C51 单片机 突然湿度传感器 AD 转 换 器 温度传感器 DS18B20 显示模块 驱动放大 水泵 报警模块 陕西理工学院毕业论文 第 5 页 共 42 页 3 系统的软件设计3 系统的软件设计 用 Proteus 软件进行电路仿真设计。它是一个集模拟电路、数字电路、模数混合电路以 及多种微控制器系统为一体的系统设计和仿真平台。编程软件采用 keil uvision4 软件，设 计程序采用 C 语言进行编写。软件部分成功编译后，在 Proteus 中仿真实现预期功能。 3.1 单片机最小系统3.1 单片机最小系统 图 3.1 单片机最小系统 如图 3.1 所示是单片机最小系统。 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。51 单 片机最小系统一般由单片机、时钟电路和复位电路组成。 3.1.1 时钟电路3.1.1 时钟电路 单片机的时钟电路用于产生单片机工作所需要的时钟信号， 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。51 单片机内部虽然有振荡电路， 但是要形成时钟信号，还需要外接电路元件。C1 和 C2 以及外接晶体共同构成了一个并联谐 振电路，接在单片机内部放大器的反馈回路中。电容的大小影响着振荡器的稳定性、起振的 快速性、频率的高低。 3.1.2 复位电路3.1.2 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。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。单片机复位采用简单的阻容加按键复位电路。 复位电路的工作原理是：按键按下后，RC 电路开始充电，RESET 引脚端就开始有了正脉 冲，只需 RESET 端保持 10ms 之上的高电平，单片机就能复位成功。为了便于程序指令周期 的计算，选择时钟频率为 12MHz。 3.2 土壤湿度检测电路设计3.2 土壤湿度检测电路设计 基于系统需要准确实时的检测被测土壤的湿度，设计选用 FC-28 土壤湿度传感器如图 3.2 所示。该传感器表面经过镀镍处理，并且感应面积较宽，解决了接触土壤时间久易生锈 的问题，增加使用寿命，而且还提高导电性能；控制土壤的湿度范围加大，还可通过电位器 来控制相应阀值，湿度低于设定值时，DO 输出高电平；湿度高于设定值时，DO 输出低电平； 陕西理工学院毕业论文 第 6 页 共 42 页 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，可选用 DO“小板 数字量输出接口（0 和 1）”接到单片机，也可以选用模拟量输出口 AO。 图 3.2 土壤湿度传感器 FC-28 3.2.1 土壤湿度传感及 AD 转换电路设计3.2.1 土壤湿度传感及 AD 转换电路设计 土壤湿度采集设计如图 3.3 所示，其工作原理是：将 FC-28 探头插入土壤中充当电阻， 与电路中的电阻分压， 将采集到的湿度模拟量通过 “一线式总线” 串行输出到 A/D 转换器中， 由 A/D 转换器将所测外部模拟特性参数量化成数字特性参数送给单片机，经过一定算法处 理，将所得土壤湿度值显示在 LCD 显示屏上。在仿真中没有 FC-28 土壤湿度传感器，根据传 感器的工作原理， 用可调电阻 RV1 来代替传感器， 调节可调电阻的大小可以改变液晶上面湿 度的显示。土壤湿度传感器的引脚 2(即 AO 口)与 ADC0832 的 CH0 脚相连，将传感器采集的 湿度模拟量通过通道 0 传输到 AD 转换器，实现由湿度模拟量向数字量的转换。 由于土壤湿度传感器采集到的数据是模拟量， 需要转换成数字量送给单片机， 所以这里 选择 ADC0832 做 AD 转换器。片选使能端 CS 接单片机 P1.3，控制 ADC0832 是否工作。CLK 接到 P1.4 脚，实现时钟脉冲的输入。DI 和 DO 并联在一根数据线上，接在 P1.5 脚上，把经 过转换的数据送入单片机。 图 3.3 土壤湿度采集电路设计 陕西理工学院毕业论文 第 7 页 共 42 页 3.3温度采集电路设计3.3温度采集电路设计 3.3.1 基于 DS18B20 的温度采集电路设计3.3.1 基于 DS18B20 的温度采集电路设计 基于系统需要准确监测环境温度并让误差最小，采用数字式温度传感器 DS18B20，电路 图如图 3.4 所示。 温度传感器 DS18B20 有两种供电方式， 分辨是外部供电方式和数据总线供 电方式。如果采取一根导线的数据总线方式供电来完成温度测量则时间较长,所以设计采取 速读较快的外部供电方式。 如图 3.4，DQ 和单片机的 P1.7 脚连接，实现温度数据到单片机的传输。 图 3.4 温度采集电路 3.4LCD 显示电路设计3.4LCD 显示电路设计 土壤温湿度采集与显示系统以单片机 AT89C51 为控制核心，通过软件设置达到具 体动作实现。土壤的温湿度是由 ADC0832 和两个点位器进行模拟并送入单片机，通过 单片机的 I/O 口把检测到的土壤温湿度值用 LCD 显示出来。同时，如果系统在智能喷 灌设置情况下，则该值与设定的喷灌上下限值相比较，若低于下限值，则单片机发出 一个控制信号，开始喷灌。若高于上限值时，单片机再发出一个控制信号控制，停止 浇水。温湿度检测电路把检测到的土壤温湿度值显示在 LCD 上，以达到对土壤温湿度 实时监测的目的。 3.4.1 1602LCD 接线图设计3.4.1 1602LCD 接线图设计 单片机应用系统中，常用的显示器件有 LED（发光二极管显示器）和 LCD(液晶显示器)。 这两种器件都具有成本低廉、配置灵活、与单片机接口方便的特点。1602 液晶也叫 1602 字 符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。 本系统要求能够同时显示温度和湿度，故选择 LCD 液晶屏作为显示。如图 3.5 是 LCD 与单片机的接线图。其中单片机 P0 口分别接到 LCD1602 的 D0D7，实现数据的传输。P1.0 引脚接 LCD 的 RS， RS 高电平时选择数据寄存器， 否则选择指令寄存器； P1.1 口接 LCD 的 R/W， R/W 高电平时进行读操作，低电平进行写操作；P1.2 口接 LCD 的使能端 E，当 E 由高电平跳 转为低电平时，液晶模块执行命令。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。 陕西理工学院毕业论文 第 8 页 共 42 页 图 3.5LCD 与单片机的接线图 3.5 声光报警电路设计3.5 声光报警电路设计 在单片机应用的设计上， 很多方案都会用到蜂鸣器， 大部分都是使用蜂鸣器来做提示或 报警。由于蜂鸣器的工作电流一般比较大，以至于单片机的 I/O 口实无法直接驱动的，所以 要利用放大电路来驱动，一般使用三机管来放大电流就可以了。 图 3.6 声光报警电路图 陕西理工学院毕业论文 第 9 页 共 42 页 基于设计要求中低于湿度下限时蜂鸣器报警的需要， 本设计选用如图 3.6 的电路图。 蜂 鸣器的正极性的一端接到三极管的集电极，另一端接地。三极管的基极接一个 1K 的电阻连 接在单片机的 P3.3 引脚。当土壤湿度,或温度低于设定的下限值时，P3.3 口输出低电平， 三级管饱和导通，驱动蜂鸣器发声报警。若单片机的 P3.3 脚为高电平时，三机管截止，蜂 鸣器不报警。R4 是限流电阻，限制流入单片机的电流。 3.6 按键模块设计3.6 按键模块设计 在设计中，需要 3 个功能键，所以采用独立式按键结构。如图 3.7 所示。按键 K0K3 分别对应接在单片机的 P3.5P3.7 口。K0 键用来控制 LCD 进入设置界面，K1 是加键，K2 是减键。 图 3.7 按键电路图 在单片机应用系统中， 也可设置其他按键同复位电路中的复位键一样有特定的功能， 按 键也可通过设置相应的开关状态来控制功能或输入数据。当所设置的功能键或数字键按下 时，单片机应用系统将会完成所设定的按键功能，键信息输入需要软件结构密切结合。对于 任何一个按键，都会有和 CPU 相连的接口电路。单片机可以采用查询或中断方式了解有无 将键输入， 并检查是哪一个键按下， 然后进行相应的功能处理。独立式按键是直接用 I/O 口 线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根 I/O 口线，每个按键的工作不会 影响其它 I/O 口线的状态。独立式按键电路配置灵活，软件结构简单。 3.7 系统主程序设计3.7 系统主程序设计 如图 3.8 所示是系统主程序流程图，通过调用几个子程序完成总体功能。首先，单片机 进行初始化，LCD1602,DS18B20 以及 ADC0832 分别进行初始化。之后，LCD 显示温湿度的上 下限，FC-28 进行湿度的采集与计算，DS18B20 进行温度采集与计算，单片机对温度和湿度 数据进行处理后，再在 LCD 上显示实时温湿度。最后，由单片机对数据处理，判断检测到的 温湿度是否超出限额，若超出限额则运行超限报警，若未超出限额则返回，重新进行温湿度 的采集与计算。 陕西理工学院毕业论文 第 10 页 共 42 页 图 3.8 系统主程序流程图 3.8 温湿度显示子程序设计3.8 温湿度显示子程序设计 如图 3.9 是温湿度显示子程序，他的功能是不断地将土壤的温度和湿度显示在 LCD 上。 LCD1602 显示函数先将 LCD1602 进行初始化，之后设置字符的显示位置，最后进行字符 的显示。 图 3.9 温湿度显示子程序流程图 初始化 LCD1602 开始 设置显示位置 显示字符 返回 N Y 开始 系统初始化 显示温湿度上下限 温湿度的采集与计算 显示实时温湿度 温湿度超限 超限报警 陕西理工学院毕业论文 第 11 页 共 42 页 3.9 控制及报警子程序设计3.9 控制及报警子程序设计 如图 3.10 所示是控制及报警子程序流程图， 通过将采集到的土壤湿度值与设定值比较， 来实现土壤湿度的监测和及时灌溉调节功能。 对于喷灌量的设定根据实际检测到的土壤墒情 而定，在喷灌过程中仍然对土壤墒情进行检测，当超出设定范围时，进行喷灌，达到范围内 停止喷灌。 如图 3.10 所示是控制及报警子程序流程图 开始 读取温湿度信息 湿度是否小于下限 控制 LCD 灯和蜂鸣器报警 控制水泵开关 温度是否大于上限 控制 LCD 灯和蜂鸣器报警 制水泵开关 N Y N Y 陕西理工学院毕业论文 第 12 页 共 42 页 Proteus 仿真结果Proteus 仿真结果 因为 Proteus 中没有土壤湿度传感器 FC-28 的仿真器件， 故在此处用滑动变阻器代替湿 度传感器。仿真环境温度设定为 31，湿度设定为 47%。仿真结果如图 3.11 所示（此时测 量值在设定范围内）。 图 3.11 系统仿真总图 陕西理工学院毕业论文 第 13 页 共 42 页 仿真环境温度设定为 31，湿度设定为 19%。仿真结果如图 3.12 所示。 此时，仿真湿度低于程序设定湿度限额最低值，P3.3 连接的红色报警灯亮蜂鸣器发出 报警声。 图 3.12 为湿度报警仿真图 陕西理工学院毕业论文 第 14 页 共 42 页 仿真环境温度设定为 52，湿度设定为 48%。仿真结果如图 3.13 所示。 此时， 仿真温度高于程序设定温度限额最高值， P3.3 连接的红色报警灯亮蜂鸣器发出报 警声。 图 3.13 位温度报警仿真图 陕西理工学院毕业论文 第 15 页 共 42 页 4 硬件电路图4 硬件电路图 硬件实物主要采用了单片机 AT89C51，数字式温度传感器 DS18B20，湿度传感器 FC-28 以及 LCD1602.实物图拍摄于时的环境温度在 26左右，湿度约为 18%。湿度低于设定的湿 度下限。此时发出湿度报警，同时蜂鸣器发出报警声。样机基本实现了任务要求。硬件实物 图如下图 4.1 所示。 图 4.1 硬件实物图 陕西理工学院毕业论文 第 16 页 共 42 页 5 总结5 总结 5.1 问题与处理5.1 问题与处理 设计利用单片机 AT89C51 为核心控制器件的茶园自动喷灌系统， 实现茶园无人职守自动 化灌溉，省去喷灌人工作业环节，节约成本。系统主要包括控制模块，信息采集模块，显示 模块和超限模块。 配合土壤湿度传感器和温度传感器， 以及相关的外围电路组成的简易温湿 度检测系统，通过终端传感器检测湿度的变化，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。 系统基本上达到了任务书的要求，可根据需要进行温、湿度额度的设定，之后系统根据 设定的限额进行自动喷灌。系统具有精度高、功能丰富、抗干扰能力高、易于操作的优点， 限额模式具有一定的科学性，使茶树始终处于最适湿度条件下，提高茶树产量，降低生产成 本。 设计系统也仍有一定的不足之处， 相对于任务书具有一定的差距： 当湿度高于上限的时 候，缺少不同的声光报警；任务书中要求在开始喷灌以及喷灌结束时分别发出声光报警，设 计系统只在喷灌开始发出声光报警，结束时直接取消报警。 这两点的改进需要在以后的研究中需要继续探究，对设计系统进行进一步的改进。 在本次设计制作中出现了不少问题， 后来在不断的检查和调整下解决了问题。 主要遇到 的困难如下： 在仿真过程中发现单片机无法正确判断当前的温、 湿度与程序设定限额的大小 关系， 导致报警模块异常， 经研究后发现是由于将温湿度数据的全局变量定义成了局部变量， 导致数据读取错误，经更改后能够正确判断、报警；在硬件的制作过程中，也出现过将排阻 接反的问题，此时 LCD1602 不能正常工作，后经检查发现进行改正；硬件电路的第一次连接 时为了方便连接采用杜邦线连接， 但在样机调试过程中发现杜邦线与排插出现接触不良的问 题，导致硬件无法正常稳定工作，后改为走锡法对电路进行连接，样机得以正常稳定工作。 在整个制作过程中对于编程软件和仿真软件的运用能力以及动手能力都得到了进一步 的加强。对于 keil 软件，能够使用软件对多个程序进行编译，并生成一个 hex 文件。同时 意识到，编译时只能检查出程序的语法错误，不能检查出程序的逻辑错误，即使编译成功也 有可能因为程序逻辑错误而不能实现功能。 对于 proteus 软件， 能够熟练的从库中调用元器 件连接硬件电路，并设定仿真环境，实现系统仿真。在硬件的制作过程中，提高了排版和焊 接能力， 能够熟练的利用烙铁和焊锡对元器件通过走锡法进行连接。 在刚开始的焊接过程中， 会出现虚焊，漏焊以及由于送锡过量而将相邻的点焊接在一起等现象，后经过不断练习，已 经可以得到光滑圆润的焊点，并可以准确的控制送锡量进行走线连接。 5.2 展望5.2 展望 在未来的系统设计中， 可在系统的基础上进行功能拓展， 实现系统功能的多样化和科学 化，更大程度的利用科技来提高生产效率。设计系统的改进方向，主要有远程传输方向以及 环保可再生能源方向 9。 进行基于 GPRS 的远程智能茶园灌溉系统控制，可以实现茶园远程控制管理。随着现代 无线通讯技术的发展，GRPS 技术日渐成熟，具有覆盖面广，维护费低，安装方便，易于操 作的特点。 可利用 GPRS 无线通讯技术和 ZigBee 组成的无线传感器网络构成大范围远程数据 采集系统， 实现茶园土壤墒情的全自动监测和智能节水化灌溉 10。 湿度传感器采集土壤湿度 信息， 将采集到的湿度信息传送给单片机， 单片机读取片内数据储存器中的设定的上下限数 据和控制模式，得出控制结果控制电磁阀实施灌溉操作，并且还通过由 CC2430 组成的无线 传感器网络和 GPRS DTU 与 Internet 进行数据连接，把采集到的数据传送给互联网，同时 接收由互联网传送回来的数据命令 11。 系统既可以通过程序设置灌溉时间进行定时灌溉， 也 可以通过手机对茶园进行远程动态管理， 省去了工作人员来回的路程时间， 使得管理更加及 时有效 12。 利用太阳能作为系统的能源。 太阳能是一种丰富的可再生资源， 由太阳能作为能源能够 有效的节约电能，减少生产成本。茶园在陕南地区分布较多，这些地区日照充足，完全可以 陕西理工学院毕业论文 第 17 页 共 42 页 采用太阳能充当能源，更加节能、环保，同时也避免了停电情况下对茶园灌溉造成的影响， 做到茶园能源自给自足。 科学技术的不断发展， 农业自动化管理已经成为一个不可更改的趋势。 基于单片机的智 能茶园喷灌系统也会在巨大的市场需求的推动下， 不断出现新的产品， 更加优化， 更加科学。 陕西理工学院毕业论文 第 18 页 共 42 页 致谢致谢 在毕业设计过程中，感谢指导老师以及学校的各位老师的指导，帮助，使得本次设计能 够顺利完成。另外，同学之间的帮助、探讨，以及相互的支持和鼓励也是设计能够成功实现 的重要原因之一。 在设计过程中，进一步加深了对单片机的了解以及对 C 语言的应用有了进一步的提高， 对仿真软件和变成软件的操作能力也有了明显加强。 通过此次设计受益匪浅， 今后将继续加 强这方面的学习与研究。 完成这次毕业设计的经历让我收获颇多， 让我感受到做任何事情要 想完成好它就必须踏实认真、努力用心去做的，是一个自己亲自学习和研究的过程，没有认 真仔细的去学习就不可能获得较为全面的知识， 而没有获得全面的知识也就不可能有研究的 能力，如果自己不去亲自实验研究，就不会有所突破和创新，如果没有突破和创新，那就失 去了毕业设计的初衷和意义。 通过这次毕设， 我相信在以后当我碰到困难和挫折时一定能坚 韧的去克服它，勇往直前，在以后的学习和生活中一定能更上一层楼。 陕西理工学院毕业论文 第 19 页 共 42 页 参考文献参考文献 1 孙景生, 康绍忠.我国水资源利用现状与节水灌溉发展对策J.农业工程学报, 2000. 2 任国兰. 现代农业灌溉技术的发展现状及发展前景J.农业机械化与电气化, 2004. 3 王友贞，汤广民.节水灌溉与农业可持续发展J.节水灌溉，2005,2:33-34. 4 王芳琴. 单片机控制的节水灌溉系统的研究D.华中农业大学.农业机械化工程,2005. 5 涂安富，金诚谦，吴崇友，卢宴，钟伟民几种节水灌溉新技术分析M.中国农机化出版社，2005. 6 吴普特，牛文全，郝宏科现代化高效节水灌溉设施M.化学工业出版社，2002:1237. 7 刘明真，陈鸿基于单片机智能节水灌溉系统的设计J.学术问题研究，2010-06-15：0815. 8 赵丽，张春林.基于单片机的智能浇花系统设计与实现J.长春大学学报,2012，6:13. 9 康绍忠,蔡焕杰,冯绍元.现代农业与生态节水的技术创新与未来研究重点J.农业工程学报.2004. 10郎需强. 基于ZigBee和GPRS的远程果园智能灌溉系统的设计与实现J.山东农业大学学报,自然科学 版, 2011. 11 Tariq Samad,Paul McLaughlin,Joseph Lu.System architecture for process automation:Review and trendsJ. ScienceDirect,2007. 12 V. Yu. Teplov,A. V.Anisimov. Thermostatting System Using a Single-Chip Microcomputer and Thermoelectric Modules Based on the Peltier EffectJ ,2002. 陕西理工学院毕业论文 第 20 页 共 42 页 附录附录 附录 1 原理图附录 1 原理图 12 陕西理工学院毕业论文 第 21 页 共 42 页 附录 2 硬件电路图附录 2 硬件电路图 陕西理工学院毕业论文 第 22 页 共 42 页 附录 3 元器件清单附录 3 元器件清单 序号名称型号数量 1单片机AT89C511 个 2LCD 液晶显示LCD16021 个 3AD 采集芯片ADC08321 个 4晶振12MHz1 个 5湿度传感器FC-281 个 6数字式温度传感器DS18B201 个 7蜂鸣器5V1 个 8按键开关SW-PB4 个 9排阻9-PIN1 个 10电阻2K4 个 11电阻10K2 个 12电容30PF2 个 13三极管90122 个 14LED 小灯红1 个 陕西理工学院毕业论文 第 23 页 共 42 页 附录 4 源程序附录 4 源程序 #include /调用单片机头文件 #define uchar unsigned char/无符号字符型 宏定义变量范围 0255 #define uintunsigned int/无符号整型 宏定义 变量范围 065535 #include sbit SCL=P14;/SCL 定义为 P1 口的第 3 位脚，连接 ADC0832SCL 脚 sbit DO=P15;/DO 定义为 P1 口的第 4 位脚，连接 ADC0832DO 脚 sbit CS=P13;/CS 定义为 P1 口的第 4 位脚，连接 ADC0832CS 脚 sbit beep = P33;/蜂鸣器 IO 口定义 sbit dq= P17; /18b20 IO 口的定义 uint temperature ;/温度的变量 uchar shidu;/湿度等级 uchar s_high ,s_low;/湿度报警参数 uint t_high ,t_low ; /温度报警参数 uchar flag_en = 1; sbit