自动浇灌机的设计和制作毕业论文.doc

目 录第一章绪论1.1 研究的背景和意义 11.1.1现状 21.1.2 发展趋势 21.2本论文的主要研究内容 21.2.1基础研究与设计开发 21.2.2自动控制系统的研究与设计 2第二章系统总体设计2.1应用场合和工作环境 32.2 系统的预期功能和技术指标 32.2.1课题研究预期功能 32.2.2系统技术指标 32.3系统设计总体方案 42.3.1系统测控原理 42 .3.2系统总体设计 42.4系统的工作原理 4第三章系统的硬件设计3.1单片机控制系统设计 53.1.1单片机的选择 53.1.2 AT89S52简介 63.1.3存储器的配置83.1.4时钟电路与复位电路的设计83.2太阳能电池板充电电路 93.2.1 充电芯片的选择 93.2.2稳压电路的选择 113.2.3 过充保护电路 113.3数据采集电路的设计113.3.1传感器的选择 113.3.2输出控制电路的设计 16第四章软件系统的设计4.1总体设计思想204.2传感器控制模块设计21第五章结论5.1总结 235.2展望 23附表一 26附表二 31第一章绪论1.1研究的背景和意义 水是生命之源，也是经济发展的命脉，人类生存的命脉，水的重要性已成为国际共识，水资源的开发、利用和保护己为世界各国所重视。而就如何合理高效利用有限的淡水资源，充分发挥资源效益己成为一个全球性急需解决的重要课题。 在诸多缺水国家之中，我国是水资源严重短缺的国家之一。水资源的利用率和利用效率低下使水资源在节流方面呈现巨大的挖掘潜力，因此节水成为历史发展的必然。伴随着人们快节奏的生活、工作、学习，人们已没有很多时间去精心照顾自己种的花卉植物等，因此市场上急需一种可以代替人类劳动的产品。 由于现在市场上很多的喷灌设备主要是是针对温室、露天农作物、森林等大面积植物喷灌，而对于家庭小面积喷灌系统设备几乎没有，也没有达到自动化的水平。 现代生活中，随着人们生活水平的提高，人们对花卉、树木等绿色植物的喜爱和种植越来越多，然而以前对花木的浇灌、施肥等工作都需要靠人工来实现，由于现代生活节奏的加快，人们往往忙于工作而忘记定期、及时地为花卉补充水分及养料，或者由于放假回家而将花放在办公室没有人管理导致花木枯死。已有的浇水器需要有人控制或者定时的浇灌，不能根据植物正常生长所需要的光照、水分、温度来实时调节植物生长环境的参数，不利于花木的成长，而且现在的名贵花如果因为以上原因而死亡得不偿失，鉴于以上情况，市场上急需提供一种能够根据光照、温度、湿度及光照的变化自动将水分和及光补充给花木，达到定期、及时浇灌花木的花木自动浇灌器。1.1.1现状微灌技术研究在我国的起步并不算太晚，我国微灌技术的试验研究是从1974年引进墨西哥滴灌设备开始的。先后经历了(19741980年)引进消化吸收，设备研制和应用试验与试点阶段；(19811986年)设备产品改进和应用试验研究与扩大试点推广阶段；(1987年至今)直接引进国外的先进工艺技术，高起点开发研制微灌设备产品阶段。在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上，结合我国的国情，本着经济实用，易于安装和便于推广的精神，在全国水利、农业、轻工、农机等主要部门和科研院所、高等院校、微灌企业及个地有关部门的密切合作和共同努力之下，微灌技术的开发、设备研制生产和科学试验等方面都取得了丰硕成果，微灌技术逐渐走向成熟。目前，我国生产温室微灌设备的主要企业已有30多家。微灌技术的总体水平己从80年代的初级阶段发展和提高到中级阶段。其中采用引进技术和生产线制造出的微灌设备产品性能己达到90年代初期与中期的国际水平，大大缩短了与国外微灌设备产品的差距，初步形成了具有中国特色的微灌技术和设备产品。在微灌自动化控制方面，我国也己进行了初步的研究，己研制和开发的以计算机为核心的自动监控系统装置己在温室微灌试验工程中得到应用，且初见自动化管理之成效。 但是由于我国的微灌技术研究处于初级阶段，近些年来自行研制、开发和生产的微灌设备产品无论在质量、性能等各方面与先进国家相比，差距较大；在微灌工程首部设备组装配套和自动控制方面同发达国家相比存在更大差距。如微灌设备系统的成套性差，配套水平低；主要部件品种规格少，质量不稳定，没有系列化；关键设备的可靠性、稳定性、耐久性差；自动化及综合功能程度不高，基本还是手动操作，以至于综合效益不高。国内外大多的盆景自动浇灌控制系统采用定时自动浇灌，不能根据植物土壤的湿度及所需的水分及时适量地加水，不仅导致水资源的浪费，还有可能导致植物因为水多或者水量不足而死。1.1.2 发展趋势 随着现代高科技的发展，各种智能家电、数码产品走进人们的生活，网络已经成为人们现代生活中人际交往和获取知识的一个不可或缺的平台。鉴于现在高科技的发展，未来自动浇灌控制系统的发展也有望朝这些方面发展。1、智能化 随着传感技术、计算机技术和自动控制技术的不断发展，温室计算机环境控制系统的应用将由简单的以数据采集处理和监测，逐步转向以知识处理和应用为主。因此软件系统的研制开发将不断深入完善，其中以专家系统为主的智能管理系统已取得了不少研究成果，而且应用前景非常广阔。2、网络化 目前，网络技术己成为最有活力，发展最快的高科技领域。网络通信技术的发展促进了信息传播。设施的产业化程度的提高成为可能。3、综合环境调控 所谓综合环境调节，就是以实现花卉的正常生长为目标，把影响花卉生长的多种环境参数(如光照、温度、湿度等)都保持在适宜花卉生长的状态，并尽可能使用最少量的环境调节装置(采光、遮光、通风、保温、加温、施用C02等)。 智能及无人操作将是未来的各种行业的发展趋势，不仅能大量节省人们的宝贵时间还能更好的控制各种成分的细微比例做到人们自己动手所不能做到的效果。4、高移植性稍微修改一些系统的参数及设备即可应用于别的环境下，省时省力，节省大量资金及研发成本。 在不久的将来，不仅能实现对办公室花卉的控制而且可以实现路边及所有公共场所花草树木的自动灌溉，而且可以加入远程控制，可视频控制，更大限度的节省人力物力，这将是世界浇灌系统的一个发展趋势。1.本论文的主要研究内容 1.1基础研究与设计开发 通过研究盆景花卉正常生长的各种参数，根据是否需要水和光照而自动浇灌，很好地控制花卉生长的温度及湿度。考虑干扰的消除措施，有效地避免干扰的产生，如何采用太阳能给电池充电使之环保又节省了资本，系统的器件需要采用高性能低价原件，降低开发成本低，而且能够满足大多数用户的需求。.自动控制系统的研究与设计1、本系统将对温室环境中土壤湿度、光照强度、温度因子的调控进行自动化控制。2、系统硬件设计，完成硬件原理图。3、程序设计流程与程序清单。软件设计将采用C语言设计，提高系统的修改、调试与升级（增加控制因子)的能力。4、通过系统仿真，检验系统硬件与软件设计的合理性，能否达到预期的功能。 第二章系统总体设计2.1应用场合和工作环境 该单片片机应用系统主要应用于办公室、家庭内，价格低，操作方便，主要面向喜爱花卉但没有时间管理者经营者。其工作环境温度为040C。2.2系统的预期功能和技术指标2.2.1课题研究预期功能 现实生活中很多花卉温度、湿度和光照需要保持在一个既定的值上，超出或者低于这个预定值将对花卉的生长产生影响。该系统要求用单片机测控来实现花卉生长环境因子信息数据的实时采集、处理，而后输出控制执行机构，以实现环境湿度、温度和光照强度的测控，达到节水节能，省时省工的效果。具体功能如下:1、实现按需灌溉功能。按照花卉的需求开启和关闭灌溉系统，实现一般的控制。具有结构简单，成本低，操作方便。2、通过传感器检测花卉生长的环境温度、土壤湿度和光照强度，依据设定的植物要求的温度、湿度和光照强度的上下限值，由单片机来控制开关窗户、电磁阀和窗帘，从而调节温度、湿度和光照。当空气温度高于上限值时，自动打开窗户进行自然降温，达到要求值时则自动关闭。3、室内环境中土壤湿度是重要因子，要求当土壤含水量过低己不能满足花卉最低需求时，就打开电磁阀进行灌溉，当湿度满足要求是关闭电磁阀。4、光照强度控制因子考虑到生产成本问题，但是本系统不足之处是未考虑人工增光设备，如果光照强度高于上限值时，关闭窗帘降低光照，如果光照强度低，打开窗帘网。2.2.2系统技术指标系统技术指标（夏天）要求具体见表-所示，其控制范围亦可据具体作物的需要来设定，%RH(Relative Humidity)为相对百分数 ，其中硬件成本由于单个制作跟批量生产有一定的差值。控制参数土壤湿度%RH温度C光照强度LX太阳能电池板硬件总成本控制范围6080203035万尺寸112mm*65mm*4mm，开路6V，短路电流150MA5070表2-1系统技术指标2.3系统设计总体方案2.3.1系统测控原理 在控制技术方面，有诸如开环、闭环反馈控制，模糊控制，自适应控制，神经网络控制等现代控制技术。模糊控制技术当前应用最广泛，一般用于有上、下位机的单片机控制系统。本系统采用传统的闭环控制技术，系统控制原理逻辑框图见图2-2所示：电磁阀、电动机、步进电机 温度湿度光照给定值花卉的各种参数AT89S52 温度湿度光照传感器图2-2闭环控制逻辑原理框图2.3.2系统总体设计（1）本文针对实际需要，设计了一套温度、湿度和光照检测与控制系统，保证花卉在生长的各个时期有适宜的生长环境，整个测控系统由传感器、控制器和执行机构三部分构成。整个系统的硬件结构如图2-3所示稳压滤波太阳能电池板电池充电集成电路放大电路湿度传感器继电器电磁阀温度传感器 单片机 AT89S52光照传感器 图2-3系统的硬件结构图（2）硬件电路以AT89S52单片机为核心，系统输入由采集土壤水分传感器、光照传感器和温度传感器及传感器信号处理电路组成，输出控制由继电器、执行器构成。（3）软件用C语言作为编程语言，采用模块式结构设计。2.4系统的工作原理 系统的工作中，有太阳能电池给电池充电，电池的输出经过稳压模块，避免电压的较大变化，电池为整个系统提供电能。经过温度、湿度及光照检测的传感器把被测对象的温度、湿度光照转换成电压信号，转换为0-1数字信号后送入单片机中，与给定的所要控制的温度、湿度值进行比较，根据单片机 AT89S52中设置的参数，输出相应温度、湿度值对应的被控对象电机和电磁阀的值，带动动力系统作相应的运动，不断减少与单片机中设置值的差值，温度过高时，单片机控制直流电机驱动器打开窗户，进行自然散热，温度适合时关闭窗户。当土壤湿度过低时，单片机通过继电器控制电磁阀使其打开进行浇水，浇水后湿度适中时关闭电磁阀。光照检测电路将光照强度转换成0-1代码，输入单片机，当光照过强时关闭窗帘，光照适合时打开窗帘。温度湿度不断地检测、控制，使之达到一个动态的平衡。第三章系统的硬件设计3.1单片机控制系统设计 3.1.1单片机的选择 电子技术飞速发展，使得计算机不断更新换代。其中单片机更是一枝独秀，广泛应用于各个领域，使其自动化程度大提高。 单片机具有体积小，价格低廉，功能强大，稳定可靠，运算速度快，功耗低，扩展容易，抗干扰能力强，系列齐全，使用方便灵活等优点，广泛应用于工业过程控制、自动监测、智能仪器仪表、家用电器等领域。单片机成为当今世界上销售量最大、应用面最广、价格最便宜的微型计算机产品。 目前世界上最具实力的单片机开发公司有:美国的Intel，ATMEL，荷兰的PhilipS，德国的SiemenS等。其中Intel公司一直处于领先地位，主要有MCS-48、MCS-51和MCS-96三大系列，其中MCS-51系列是 1980年推出的高档8位单片机，代表着单片机的发展方向，成为单片机领域中的主流产品。ATMEL公司的89系列Flash单片机以 Intel80C51/52作为内核，并采用可重复编程FlashROM技术，是一种源于8051而又优于8051的单片机，己成为广大MCS-51用户进行电子设计与开发的优选单片机品种。根据实际情况与要求，本系统选用ATMEL公司89系列标准型单片机AT89S52，其价格适中功能强大，这应当是比较符合我国国情的选择。3.1.2 AT89S52简介AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8K Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS -51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。、单片机内部结构图与基本特征 .基本特征 与MCS-51单片机产品兼容 8K字节在系统可编程Flash存储器，256字节RAM 可反复擦写1000次 全静态操作：0Hz33Hz 三级加密程序存储器 32个可编程I/O口线 三个16位定时器/计数器 八个中断源 全双工UART串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 双数据指针 掉电标识符 .AT89S52内部结构图如图3-1所示：图3-1AT89S52外部引脚、引脚配置及功能 AT89S52单片机有40个引脚，为CMOS工艺双列直插封装(DIP)，其引脚配置见图3-1所示，各引脚功能简述如下: .主电源引脚VCC:电源端，+5V 。GND:接地 .4个8位I/O端口P0、P1、P2和P3 P0口：PO口为一个8位漏级开路双向工/0口，每个引脚可吸收8个TTL门电流。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。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外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/0口，P1口缓冲器能接收输出4个TTL门电流。Pl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口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/0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。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/0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AT89S52的一些特殊功能口，如下表1所示: 口管脚 备选功能 P3.0 RXD 串行输入口 P3.1 TXD 并行输入口 P3.2 /INT0 外部中断0 P3.3 /INT1 外部中断1 P3.4 T0 计时器0外部输入 P3.5 T1 计时器1外部输入 P3.6 / 外部数据存储器写选通 P3.7 / 外部数据存储器读选通表1 P3口的特殊功能.控制信号引脚 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：低电平有效，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SFRSEH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：低电平有效，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/V即:当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFH)，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，丽将内部锁定为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)。 .时间振荡电路 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。3.1.3存储器的配置 AT89系列单片机的存储器采用的程序存储器和数据存储器分开编址的，它们有各自的寻址系统、控制信号和特定功能。程序和数据存储器在物理和逻辑上均分为两个地址空间:内部存储空间和外部存储空间。本系统的代码程序不太大，AT89S521片内的8KB ROM闪速存储器256字节的RAM即可满足要求，无需扩展片外ROM跟RAM。3.1.4时钟电路与复位电路的设计1、时钟电路设计 AT89S52单片机内部有个振荡器，可以用作CPU的时钟源。本系统时钟选用内部方式。AT89S52内部含有一个高增益的反相放大器，通过XTAL1(输入端)、XTAL2(输出端)外接作为反馈元件的片外石英晶体(或陶瓷谐振器)和电容C1，C2组成的并联谐振电路后便构成片内自激振荡器，从而利用它内部的振荡器产生时钟。连接方法见图3-2所示，其中晶体呈感性，其决定着振荡器的振荡频率；电容Cl，C2对频率有微调作用。电路中反馈元件选用石英晶体，电容Cl和C2均为22PF，电容与晶体的安装位置应尽量靠近单片机。图3-2时钟电路2、复位电路设计 89系列单片机在启动时也需要复位使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始态开始工作。按下SW，电源对C充电，使RST端快速到达高电平；松开按键，C向芯片内阻放电，恢复为低电平，从而使单片机可靠复位，一般R1选470，R2选8.2k，C选22uF。AT89S52的按键复位电路见图3-3，电路简单可靠。图3-3 按键复位电路3.2太阳能电池板充电电路3.2.1 充电芯片的选择CN3068是可以对单节可充电锂电池进行恒流/恒压充电的充电器电路。该器件内部包括功率晶体管，应用时不需要外部的电流检测电阻和阻流二极管。CN3068只需要极少的外围元器件，热调制电路可以在器件的功耗比较大或者环境温度比较高的时将芯片温度控制在安全范围内。内部固定的恒压充电电压为4.2V，也可以通过一个外部的电阻调节。充电电流通过一个外部电阻设置。当输入电压掉电时，CN3068自动进入低功耗的睡眠模式，此时电池的电流消耗小于3微安。其它功能包括输入电压过低锁存，自动再充电，电池温度监控以及充电状态/充电结束状态指示等功能。、详细描述 CN3068是专门为一节锂电池而设计的线性充电器电路，利用芯片内部的功率晶体管对电池进行恒流和恒压充电。充电电流可以用外部电阻编程设定，最大持续充电电流可达500mA，不需要另加阻流二极管和电流检测电阻。CN3068包含两个漏极开路输出的状态指示输出端，充电状态指示端STAT2和充电结束指示输出端STAT1。芯片内部的功率管理电路在芯片的结温超过115时自动降低充电电流，这个功能可以使用户最大限度的利用芯片的功率处理能力，不用担心芯片过热而损坏芯片或者外部元器件。这样，用户在设计充电电流时，可以不用考虑最坏情况，而只是根据典型情况进行设计就可以了，因为在最坏情况下，CN3068会自动减小充电电流。 当输入电压大于电源低电压检测阈值和电池端电压时，CN3068开始对电池充电，STAT2管脚输出低电平，表示充电正在进行。如果电池电压Kelvin检测输入端(FB)的电压低于3V，充电器用小电流对电池进行预充电。当电池电压Kelvin检测输入端(FB)的电压超过3V时，充电器采用恒流模式对电池充电，充电电流由IR管脚和GND之间的电阻RIR.确定。当电池电压Kelvin检测输入端(FB)的电压接近电池端调制电压时，充电电流逐渐减小，CN3068进入恒压充电模式。当充电电流减小到充电结束阈值时，充电周期结束，STAT2端输出高阻态，STAT1端输出低电平，表示充电周期结束，充电结束阈值是恒流充电电流的10%。如果要开始新的充电周期，只要将输入电压断电，然后再上电就可以了。当电池电压Kelvin检测输入端(FB)的电压降到再充电阈值以下时，自动开始新的充电周期。芯片内部的高精度的电压基准源，误差放大器和电阻分压网络确保电池端调制电压的误差在1%以内，满足了电池的要求。当输入电压掉电或者输入电压低于电池电压时，充电器进入低功耗的睡眠模式，电池端消耗的电流小于3uA，从而增加了待机时间。CN3068的管脚排列如图3-4所示：CN3068 11FBTEMP IRSTAT2 GNDSTAT1 VCCBAT 图3-4CN3068的管脚排列 、 CN3068特点：（1）输入电压范围：4.35V 到 6V （2）不需要外部阻流二极管和电流检测电阻 （3）恒压充电电压 4.2V，也可外接电阻调整恒压充电电压（4）可设置的持续恒流充电电流可达 500mA （5）采用恒流/恒压/恒温模式充电，既可以使充电电流最大化，又可以防止芯 片过热 （6）电源电压掉电时自动进入低功耗的睡眠模式 （7）充电状态和充电结束状态双指示输出（8）封装形式SOP8 (9)无铅产品 3.2.2稳压电路的选择 稳压电源电路采用LM7805系列集成稳压器，可以输出正5V直流电压。C7、C8分别为输入端和输出端采用滤波电容，输出端接一个齐纳二极管进一步稳定输出电压。3.2.3 过充保护电路 为了防止把电池充坏，本系统还采用了简单自己设计的过冲保护电路，本电路还需以后的实验验证。在不发生过充时，由于二极管D1的阻隔三极管不导电。当充电电压升到5V左右时，三极管（2N3055）开始导通，它对电池进行分流，以防止过充。Q1应装在中等尺的散热板上。Q1选用低电压的齐纳管。 太阳能电池板充电的电路图如图3-5所示：图3-5太阳能电池板充电的电路图 电池正极的恒压充电电压为： Vbat 4.23.0410-6Rx 其中，Vbat的单位是伏特 Rx的单位是欧姆 太阳能电池板采用尺寸112mm*65mm*4mm，开路6V，短路电流150MA。充电池采用四节镍镉电池3.3数据采集电路的设计3.3.1传感器的选择、传感器基本概念 传感器技术和计算机技术及通信机技术构成了信息技术，成为信息时代的三大支柱。后两者发展迅速，唯有传感器技术发展滞后。传感器技术是衡量一个国家科技发展水平的重要标志。 依照中华人民共和国国家标准(GB/T7665-1987传感器通用术语)的规定，传感器的定义为：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置”，通常由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件“指传感器中能直接感受(或响应)被测量的部分”，此处的被测量一般为非电量；转换元件是“指传感器中能将敏感元件感受(或响应)的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分”。 传感器在我国的设施农业中发挥着重要的作用，主要用于环境参数的获取，根据检测对象分为空气环境和土壤环境。前者包括温度、湿度、二氧化碳、光照度等；后者包括土壤温度、土壤含水量、土壤PH值。传感器的原理框图如图3-6所示：被测敏感元件接口电路转换元件量电信号辅助电源图3-6传感器的原理、温度传感器的选择 温度是一个与人类的生活、工作息息相关的物理量，也是现代科学技术中最重要的物理量。常用的温度传感器有热敏电阻、热电偶、成温度传感器、热电阻等。 (1)热敏电阻:利用半导体的电阻随温度变化而显著变化的特性制成的半导体测温元件。目前使用的多为陶瓷热敏电阻。它的优点是:灵敏度高，工作温度范围宽，稳定性好，过载能力强，体积小。但它的不足之处在于非线性和互换性差。 (2)热电偶:是利用物理学中的金属热电效应制成的温度传感器。结构简单，互换性好，是500-800温区的首选温度传感器。 (3)PN结温度传感器:实质是一种半导体集成电路，利用晶体二极管、三极管的PN结电压随温度变化而变化的原理制成。线性度好，热惯性小，灵敏度高，但互换性差。 (4)集成温度传感器:是把湿敏元件，放大电路、偏置电路及线形化电路集成在同一芯片上的温度传感器。相对其它传感器有较好的线性度和一致性，且体积小，使用方便。据据实际情况可知，温室内环境的变化范围为0-40，温度的变化范围较小;并且温度的变化速度较慢，因而不需要传感器的反应速度太高。经过对上述几种温度传感器的性能分析比较，认为选用集成温度传感器DS18B20合适。由于具有结构简单不需要外接电路，可用一根 I/0 数据线既供电又传输数据，并且具有体积小，分辨率高，转换快等优点，被广泛用于测量和控制温度的地方。所测温度由P2.7口输入单片机与给定温度进行比较，当温度大于给定温度时控制步进电机正传一定步数，打开窗帘；当温度低于给定温度时，控制步进电机反转，关闭窗帘。DS18B20简介Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，是用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新的概念，现在，新一代DS18B20体积更小、更经济、更灵活。DS18B20同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线接口”，测量温度范围为-55C +125C，在-10C 85C范围内精度为0.5C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制。测温类电子产品等。与前一代产品不同，新产品支持3v5v的电压范围，使系统设计更灵活。方便，而且新一代产品更便宜体积更小。DS18B20的特征独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯每个器件有唯一的64位的序列号存储在内部存储器中简单的多点分布式测温应用无需外部器件可通过数据线供电，供电范围为3.0V到5.5V测温范围为-55C +125C（-67 +257F）在-10C 85C范围内精度为0.5C温度计分辨率可以被使用者选择为912位数字最多在75ms内将温度转换为12位数字用户可定义的非易失性温度报警设置报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度（温度报警条件）的器件应用包括温度控制、工业系统、消费品、温度计或任何热感测系统DS18B20与另一款测温软件AD590相比，其外围硬件电路更加简单，通过一个单线接口发送或接受信息，与单片机之间仅需一条连接线，无需外部电源，无需AD转换电路，安装、使用方便，大大的节省了成本。DS18B20的内部结构如图3-7所示：存储器和控制逻辑64位ROM和单线接口高速缓存存储器温度灵敏器件内部VDD低温触发器TL高温触发器TH电源探测配置寄存器8位CRC生成器图3-7DS18B20内部结构DS18B20的引脚如图所示：DALLASDS18B20GNDDQVCC图 DS18B20外部引脚引脚说明：GND 接地，VCC接电源， DQ 是数据IO口。 DS18B20构成测温系统只需外接一个上拉电阻即可实现与单片机之间的通讯线路简单温度检测电路如图3-8所示 图3-8温度检测电路、湿度传感器的选择 湿度是表示空气中水蒸气含量的物理量，常用绝对湿度和相对湿度来表示，影响植物生长的湿度是相对湿度。快速、准确地测定花卉生长环境的湿度信息，对于探明植物生长环境此时是否为最佳状态具有重要意义。 针对室内的具体环境，对湿度传感器要求：可应用在线监测易于实现自动化，有良好的灵敏度和精确度、宽量程，测湿范围为0-100%RH，检测寿命长，可靠性、稳定性高，传感器为线性输出湿度检测模块。 土壤湿度是最重要和最常用的土壤信息，它是科学地控制调节土壤水分状况，进行节水灌溉，实现科学用水的基础。植物一般以土壤水分占土壤持水量的60%80%时生长最好，快速准确地测定土壤水分对于探明植物生长发育期内土壤水分盈亏以便适时作出灌溉施肥决策或排水措施等具有重要的意义。 目前，土壤水分的直接测定主要方法有烘干法即土钻法(SA)，间接测量可用石膏电阻块、电容法、张力计和中子仪、时域反射仪 (TDR)等。 考虑到成本及电路的复杂程度本系统采用简单电路即可实现，使本系统控制土壤的湿度在60%80%之间。 由V 1和V 2及部分外围元件组成土壤水分检测电路，石墨电极的体电阻随湿度而变化，当土壤湿度较大时，其体电阻较大， V1因其基极电位高而截止，造成V2也截止，其集电极输出低电平。当土壤水分降低到规定值时，V1因其基极电位降低而导通，于是V2也导通，由V 2 集电极输出高电平，单片机控制电磁阀打开开始放水；待土壤水分降低至规定值时，检测电路中的V2管就输出高电平，经反向器U6反向后输出低电平给单片机的P2.5端，控制电磁阀关闭。通过调节RES的阻值，可以控制土壤湿度的范围在%60-%80之间，具体阻值由后期实验测定。土壤湿度传感器电路组成如图3-9所示：图3-9湿度传感器电路组成4、光照检测电路的选择 光照是作物生长的必要条件，是植物制造营养物质的能源，没有光的存在光合作用就不能进行，作物的生长发育就要受到影响。快速准确地测定作物生长环境的光照强度，对于探明作物生长环境状态是否为最佳，是否适宜作物生长，以便及时做出调控等具有重要的意义。 光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，以光电器件作为转换元件的传感器，它是把光信号(红外、可见及紫外光辐射)转变成为电信号的器件。可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等;也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点。 本系统的光照检测电路采用LM324作比较器，光电三极管作感光元件，当有光照并且达到一定的强度的时候，光电三极管导通，LM324输出低电平，单片机接受低电平信号控制步进电机做出相应的动作（拉开窗帘）。光照检测电路如图3-10所示图3-10光照检测电路3.3.2输出控制电路的设计 自动控制系统通过传感器对受控对象的有关参数信息数据的实时采集，经过数字化变换进入单片机CPU进行必要的处理，而后输出以驱动执行器件或机构产生相应的动作，直接推动被控对象来调整被测参量，最终目的以使受控参量始终处于要求值或范围内。 在单片机完成控制处理后总是以数字信号通过I/O口线或数据总线输出至受控对象的。对受控设备的驱动常采用模拟量或数字量输出驱动两种方式。而在实际的单片机测控系统中，数字量输出控制已越来越广泛地被应用，尤其是其中的开关量输出驱动和控制。目前单片机I/0口线的驱动能力和与CPU直接接口的一般TTL电路或CMOS电路的驱动能力很有限的，不足以驱动那些功率开关(如继电器、电机、电磁开关等)和强电设备、大功率负载，且由于工作现场环境恶劣、输出通道接近控制对象及周围的电磁等干扰严重，所以输出控制电路设计主要是解决输出隔离即干扰防治和功率驱动问题。其逻辑框图见图3-11所示:光耦单片机输出驱动开关量继电器执行器件图3-11输出通道控制示意图 本系统的执行器件和机构只有开启和停闭两种状态，采用开关量形态输出控制，经I/0口到受控对象，据输出控制具体情况附加功率放大驱动电路后驱动执行器件直接推动受控对象。 单片机与功率放大电路间易产生电磁干扰，因此采用光电耦合器隔离等抗干扰措施。开关量输出电路中最主要的干扰是在控制动力设备启停时的冲击干扰。开关量输出隔离的目的在于隔断单片机与执行机构之间的直接电气联系，以防地电位差、外界电磁场等干扰因素造成执行机构地误动作，甚至导致智能仪器本身的损坏。 目前常用的开关量输出驱动隔离器件主要有：功率晶体管、光电耦合器件和继电器等。功率晶体管适合于负载所需电流不太大的场合，常用来驱动微型继电器、LED显示等。光电耦合器件具有输出信号与输入信号在电气上完全隔离，抗干扰能力强，隔离电压可达千伏以上;无触点，寿命长，可靠性高;响应速度快，易与TTL电路配合使用，兼有隔离驱动功能。继电器是利用改变金属触点位置使动触点和定触点闭合或分开，所以继电器具有接触电阻小，流过电流大和耐压高等优点;并且继电器触点的负载能力远远大于光电耦合的负载能力，它能直接控制强电动力回路，且外电路安排灵活，且还有很大的电流放大作用是一种很好的开关量输出隔离及驱动器件。 本系统中被控对象都要用到功率驱动器件，其中电磁阀约5V/个、天窗电机约10W/台。电磁阀选用的是直流电磁阀，具有使用方便，高灵敏度，高效节能，寿命长，高可靠性的特点。产品适用于小型自动供水。窗户电机选用日本/THINK系列/直流马达/DC24V/小齿轮减速电机。对输出控制的前置隔离功放驱动电路均采用功率晶体管、具有隔离驱动功能的光电祸合器件和继电器，其中隔离控制继电器选用电磁式继电器，继电器两端加接泄流二极管回路，用来保护驱动器。1、硬件的抗干扰设计 在自动浇灌控制系统中，系统可靠性的保证是非常重要的，单片机硬件系统的可靠性决定了整个系统的可靠性。硬件抗干扰技术主要体现在过程通道抗干扰设计、供电系统抗干扰设计和印刷电路板抗干扰设计三个方面。单片机硬件系统的抗干扰能力与元器件质量、装配质量等因素都有关系，但主要取决于设计的可制造性(DEM)，本系统采取如下相应的抗干扰措施。1.采用抗干扰稳压电源 采用具有抗干扰能力的稳压电源，绝大部分干扰都可以克服。提高稳压电源抗干扰能力，通 常采用的措施:采用电源滤波和退祸;通过低通滤波器接入电网2.采用良好的接地系统。3.抑制电路内部产生的干扰。沿着单片机主板边缘，安置上一圈地线和电源线，并将0.luF的电容置于电源和地线间，以确保电源稳定。4.采用光电耦合器隔离数字信号，强电与弱电之间采用继电器隔离。5.印刷线路板大小要适中，且要合理分区按照单点接电源、单点接地的原则送电。在进行印刷电路板抗干扰设计时除了遵循抗干扰设计原则外，在印刷电路板的重要元器件电源处均配置了退祸电容以有效地去除高频成分的干扰。6、模拟电路与数字电路地线分开。模拟电路与数字电路地线分开有利于防止模拟电路与数据电路的干扰导致传感器数据采集误差，从而保证模拟信号的可靠采集。2、步进电机驱动电路 由ULN2003作步进电机驱动电路，单片机P1.0，P1.1，P1.2，P1.3输出至ULN2003 的IN1-IN4，电阻R是大功率电阻，增大驱动电流。电路并联一个电容，吸收步进电机线圈电感产生的反向电动势，以保护ULN2003驱动芯片。此设计中假设步进电机转64圈可以正好将窗帘拉开或者关闭。步进电机的驱动电路如图3-11：图3-11步进电机驱动电路3、电磁阀控制电路 电磁阀控制电路主要由NPN共集-共射复合管及继电器组成，当单片机P2.4给出高电平,复合管导通，继电器接通，将开关吸合，电磁阀接通开始放水。电磁阀控制电路如图3-12所示图3-12电磁阀控制电路、窗户控制电路 窗户控制电路主要由总线缓冲门74LS125和反向驱动器74LS06控制4个光电隔离器和4个大功率场效应开关管IRF 640（图中用Q1-Q4表示）。 当单片机P2.2=1,P2.3=0时，由于74LS125中三态门2#是打开的所以光电隔离器U9导通并发光，光敏三极管输出为高电平，因而使大功率场效应管Q4导通。同理，74LS125 4#三态门输出为“0”，使得3#门的控制端也为“0”电平，因此3#三态门打开，使光电隔离器U6发光并导通，因而使Q1导通。同理可分析此时Q2和Q3是关断的。因此电流从左至右流过直流电机，使电机正转，使得窗户打开。当P2.2=0,P2.3=1时，则锁存器74LS125中的2# 3#三态门打开，使得Q2和Q3接通，Q1和Q4关断，电流由右向左流过电机，电机反转，使得窗户关闭。当单片机P2.2=0,P2.3=0时，四个74LS06均输出高电平，光电隔离器U6,U7,U8,U9均截止，电动机停止转动。窗户电机采用日本/THINK系列/直流马达/DC24V/小齿轮减速电机，窗户控制的电路如图3-13所示： 图3-13窗户控制电路第四章软件系统的设计4.1总体设计思想 目前支持单片机应用系统开发的语言一般有机器语言、汇编语言和高级语言(如C51)。本系统选用适时性强与透明度高的C语言作为编程语言，系统软件的开发全部采用Keil uVision3进行。 系统程序的开发，采用了流行的模块化设计方法。在程序设计中，可根据系统功能，将整个软件系统划分为若干个功能相对独立易于解决的模块，每个模块是一个结构完整，相对独立的程序段，能完成某一规定的任务，实现某个具体的功能。模块化程序结构清晰，组合灵活，可读性好，易于验证，可靠性高，便于功能扩充和版本升级，程序的修改可局部进行，还可建立频繁调用的子程序。 系统软件的设计，主要由如下程序模块组成：DS18B20温度采集、步进电机控制、继电器控制等。整个系统的主程序如下图所示:开始系统初始化环境变量采集光照合适