自动灌溉装置的设计.doc

淮南师范学院电气信息工程系 自动化专业电子课程设计报告 自动化专业电子课程设计报告题 目： 自动灌溉装置的设计 姓名钱倪友谢伟杰夏成毅学号080802012308080201540808020136指 导 教 师： 贾 群 评阅成绩等次： 电气信息工程系2010-2011 第二学期目 录1. 设计的任务与要求22. 总体设计和系统框图23. 设计方案3 3.1 各单元模块功能介绍33.1.1 最小系统 33.1.2 传感器电路43.1.3 电磁阀驱动电路53.1.4 显示电路63.1.5 报警电路64. 系统仿真和调试74.1 PROTEUS简介7 4.2 系统仿真7 4.3 程序清单84.3.1 温湿度传感器程序8 4.3.2 LCD显示程序145. 设计结果分析16 5.1 系统实现功能16 5.2 元器件清单166. 设计总结和体会16 6.1 设计分工和总结16 6.2 总体总结177. 参考文献181、设计的任务与要求1主要研究单片机控制灌溉系统，分别对土壤湿度与灌溉控制技术及系统设备的软、硬件进行了研究。2 根据自动灌溉系统装置特点，进行控制系统的整体研究和设计以及设备的选择（湿度传感器，单片机，A/D转换的选型设计，电磁阀），对输出信号进行处理，最后要进行必要的仿真。2、总体设计和系统框图通过土壤湿度传感器测出土壤的湿度，用A/D转换器将模拟信号转换成数字信号，数字信号一系列处理后传送到AT89C51单片机中，当信号达到要灌溉的标准后，给单片机输出一个开关量来控制电磁阀，电磁阀控制喷水装置。农作物土壤种植物土壤湿度传感器AT89C51单片机LCD显示报警器电磁阀喷水装置图1 单片机控制系统原理框图本系统选用AT89C51单片机，AT89C51单片机是51系列单片机的一个成员，是8051单片机的简化版。内部自带2K字节可编程FLASH存储器的低电压、高性能COMS八位微处理器，与Intel MCS-51系列单片机的指令和输出管脚相兼容。由于将多功能八位CPU和闪速存储器结合在单个芯片中，因此，AT89C2051构成的单片机系统是具有结构最简单、造价最低廉、效率最高的微控制系统，省去了外部的RAM、ROM和接口器件，减少了硬件开销，节省了成本，提高了系统的性价比。 图2 单片机引脚图 图3 单片机实物图3、设计方案系统用单片机控制温湿度传感器，当湿度达到一定标量（自己设置的）时，单片机输出一个开关量给电磁阀，由于实验仿真 proteus软件中没有电磁阀，所以用一个报警器代替整个电磁阀驱动电路。即当达到一定标量时，输出一个高电平1，报警器响，代表电磁阀开；否则输出一个低电平0，报警器不响，代表电磁阀关。在本系统中，设置当湿度传感器示数小于50，即LCD显示器显示的相对湿度低于43.81%时，报警器报警。3.1 各单元模块功能介绍 3.1.1最小系统1.时钟电路单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种微操作的时间基准，时钟信号通常用两种电路形式得到:内部振荡和外部振荡。AT89C51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚XTALl和XTAL2分别是此放大电器的输入端和输出端，由于采用内部方式时，电路简单，所得的时钟信号比较稳定，实际使用中常采用这种方式，如图3所示在其外接晶体振荡器(简称晶振)或陶瓷谐振器就构成了内部振荡方式，片内高增益反向放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起可构成一个自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。图4中外接晶体以及电容C2和C1构成并联谐振电路。2.复位电路为了初始化单片机内部的某些特殊功能寄存器，必须采用复位的方式，复位后可使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初始状态开始正常工作。单片机的复位是靠外电路来实现的，在正常运行情况下，只要RST引脚上出现两个机器周期时间以上的高电平，即可引起系统复位，但如果RST引脚上持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。复位后系统将输入/输出(1/0)端口寄存器置为FFH，堆栈指针SP置为07H, SBUF内置为不定值，其余的寄存器全部清0，内部RAM的状态不受复位的影响，在系统上电时RAM的内容是不定的。复位操作有两种情况，即上电复位和手动(开关)复位。本系统采用上电复位方式。图5中R5和C4组成上电复位电路。 图4 时钟电路 图5 复位电路3.1.2 传感器电路本系统选用SHT11温湿度传感器，SHT11的湿度检测运用电容式结构，并采用具有不同保护的“微型结构”检测电极系统与聚合物覆盖层来组成传感器芯片的电容，除保持电容式湿敏器件的原有特性外，还可抵御来自外界的影响。由于它将温度传感器与湿度传感器结合在一起而构成了一个单一的个体，因而测量精度较高且可精确得出露点，同时不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化引起的误差。CMOSensTM技术不仅将温湿度传感器结合在一起，而且还将信号放大器、模数转换器、校准数据存储器、标准IC2总线等电路全部集成在一个芯片内。SHT11传感器的内部结构框图如图6所示。SHT11的每一个传感器都是在极为精确的湿度室中校准的。SHT11传感器的校准系数预先存在OTP内存中。经校准的相对湿度和温度传感器与一个14位的A/D转换器相连，可将转换后的数字温湿度值送给二线IC2总线器件，从而将数字信号转换为符合IC2总线协议的串行数字信号。图6 SHT11传感器的内部结构框图 图7 SHT11温湿度传感器电路图 图8 SHT11实物图3.1.3电磁阀驱动电路本系统采用单片机控制电磁阀来控制灌溉喷头的开关。一般情况单片机电压为5V而电磁阀所需电压超过单片机电压，为了保护电路和单片机，采用三极管或继电器等来组成电磁阀驱动电路。图9为一种电磁阀的驱动电路。单片机控制电磁阀原理：传感器所测数值达到一定的标准后输出一开关量来控制电磁阀，（输出高电平1，电磁阀开，输出低电平0，电磁阀关）电磁阀可控制灌溉用的喷水器。图9 电磁阀驱动电路3.1.4显示电路为了增加湿度的直观性，我们在系统中增加了LCD显示屏。本系统中选用LCD1601显示屏，液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，图10是1601的内部显示地址。 图10 LCD1601内部显示地址 图11 LCD1601引脚3.1.5报警器电路本系统在 proteus 中仿真时，由于无法找到电磁阀，所以用一个报警器装置代替它，用于实现整个系统仿真结果的直观性。图12为报警电路图。图12 报警电路4、系统仿真和调试 4.1 PROTEUS简介PROTEUS软件事英国Labcenteer electronics公司出版的EDA工具软件它不仅具有其他EDA工具软件的仿真功能还能仿真单片机及其外围器件。它是目前最好的仿真单片机外围器件工具。PROTEUS软件提供了比较丰富的测试信号用于电路测试且具有图形显示功能，是一款功能强大途广泛的仿真软件。4.2系统仿真 基于proteus仿真结果如下图：图13 系统仿真图说明：温湿度传感器SHT11显示为50，LCD显示器显示为43.81%，我们设定当%RH=43.81%时，LS1发出响声。4.3程序清单4.3.1温湿度传感器SHT11程序#include#include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ulong unsigned longsbit Sck=P24;sbit Data=P25;sbit baojin=P36;uchar RH_H,RH_L;/接收的湿度的高位数据和低位数据uint i,j,a;ulong ii;void Sck_hl(uint hl);/Sck高低void Start();/启动void Com(uchar com);/写测试命令void read();/读数据void change();/数值转换 使RH_H,RH_L转换为(0-100)%相对湿度+显示long ten_N(int n);/计算10的N次方/=主函数=void main()init();write_com(0x80+0x03);/放第一行字符的位置write_data(ShiDuBaoJin!*);write_com(0x80+0x42);/放第二行字符的位置write_data(%RH*);while(1)Sck_hl(10);/复位Start();/启动Com(0x05);/测湿度命令Sck=1;while(Data);/ack为低成功，继续Sck=0;/一直都为低Data=1;while(Data);/等待300毫秒read();write_com(0x80+0x47);/放第二行字符的位置change();/数值转换+显示/=子函数=void Sck_hl(uint hl)/n次SCK脉冲for(i=hl;i0;i-)Sck=0;Sck=1;void Start()/SHT11启动Sck=1;Data=0;Sck=0;Sck=1;Data=1;Sck=0;void Com(uchar com)/测量湿度uchar bei=0x80;Data=1;Sck=0;/下面可以开始for(i=8;i0;i-)if(com&bei)Data=1;Sck=1;Sck=0;elseData=0;Sck=1;Sck=0;bei=bei/2;void read()/读数据uchar temp;RH_H=0;RH_L=0;for(i=0;i0;i-)/接收RH高4位数据Sck=1;temp=0x01;if(Data=1)temp=(temp0;i-)/接收RH低4位数据Sck=1;temp=0x01;if(Data=1)temp=(temp5000)ii=ii+(10000-ii)*620/5000); else if(ii=0;m-)if(m=1)write_data(.*);LCD_RS=1;P0=(int)(ii/ten_N(m)+0x30;if(m=4&P0=0x30)P0=0x20;if(m=4&P0=0x31)write_data(100.00*);break;if(m=3&P0=0x30)P0=0x20;delay(5);LCD_EN=1;delay(5);LCD_EN=0;ii=ii-(int)(ii/ten_N(m)*ten_N(m);write_data(%*);long ten_N(int n)long nn=1;for(;n0;n-)nn=10*nn;return(nn);4.3.2 LCD显示程序#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit LCD_RS=P20;sbit LCD_EN=P22;void init();/初始化LCDvoid write_com(uchar com);/写LCD命令void write_data(uchar *date);/写LCD数据void delay(uint z);/约1msvoid init()LCD_EN=0;write_com(0x38);write_com(0x0c);write_com(0x06);write_com(0x01);void write_com(uchar com)LCD_RS=0;P0=com;delay(1);LCD_EN=1;delay(1);LCD_EN=0;void write_data(uchar *date)uchar n;for(n=0;n0;x-)for(y=110;y0;y-);5、设计结果分析5.1系统实现功能 本系统由AT89C51单片机控制，采用SHT11温湿度传感器对农作物土壤湿度进行测量，经过数据处理后，来控制电磁阀的开关进行灌溉。系统在无人操作下能准确的判断农作物的需水情况，以便对农作物进行灌溉。避免了盲目灌溉，节约水资源和人力资源，是当今社会所需的很好的自动灌溉装置。5.2元器件清单序号名称Proteus代号数量1单片机AT89C5112显示器LM06113接插件RP114温湿度传感器SHT1115报警器(喇叭)LS116电阻R117电源POWER48放大器MPS651416、设计总结和体会6.1设计分工和总结姓名设计部分设计体会和总结钱倪友程序设计系统设计方案在本次课程设计中，通过对该系统的设计充分认识到自动灌溉技术的应用，对于以后在系统设计方面增加了经验。谢伟杰程序设计相关器件资料的查询 在查阅相关资料的同时，使自己掌握了更多的一些关于自动灌溉装置的器件，对以后自己在实践中对于进行某项设计的元件选择提供了帮助。夏成毅程序设计proteus仿真通过本次课程设计，学习了proteus仿真软件和keil编译软件，也认识和了解了AT89C51单片机。6.2总体总结1.对设计的小结 本设计中，是以湿度的采集为主要目标，以AT89C51最小应用系统为总控制中心，辅助设计有起振电路，复位电路。在设计的过程中遇到了很多问题，通过请教老师和上网查阅得到了解决。 2.设计收获体会 通过本次设计，使我们了解到单片机的强大，在软件设计和仿真过程中也遇到了