无人自动浇灌系统的设计

哈 尔 滨 理 工 大 学毕 业 设 计题 目： 无人自动浇灌系统的设计 院、 系： 姓 名： 指导教师： 系 主 任： 2014 年 6 月 10 日哈尔滨理工大学学士学位论文- I -无人自动浇灌系统的设计摘 要自动控制节水灌溉技术的高低代表着农业现代化的发展状况，灌溉系统自动化水平较低是制约我国高效农业发展的主要原因，节水灌溉作为一项现代化的工程技术，无论是工程节水、农业节水，还是管理节水都必须建立在节水灌溉设备实现产业化生产的基础上。为了提高水资源的利用率，本课题设计了一个智能灌溉系统，该系统以 AT89S52 单片机为控制核心,由太阳能电池板供电，通过温度传感器、湿度传感器和光照传感器，将对温室环境中土壤湿度、光照强度、温度因子送入单片机中，与单片机里设定的温度，湿度光照进行比较，得出的差值进行自动化控制，使水资源得到了合理的利用。智能灌溉系统，该系统以 AT89S52 单片机为控制核心，由采集土壤湿度传感器、光照传感器和温度传感器、电磁阀、太阳能电池板组成。系统的硬件电路主要包括温度传感器电路，步进电机驱动电路，窗户控制电路，电磁阀控制电路。在闭环（自动）模式下，该系统能自动对土壤的温湿度以及光照进行检测，当实际湿度低于警戒值时单片机自动启动步进电机进行灌溉，当实际湿度高于警戒值时单片机启动步进电机停止灌溉；当实际温度低于警戒值时打开窗户，当实际温度高于警戒值时关闭窗户；当光照强度低于警戒值时打开窗帘，当光照强度高于警戒值时关闭窗帘。关键词 自动浇灌；AT89S52；温度传感器；湿度传感器哈尔滨理工大学学士学位论文- II -Design of Automatic Watering SystemAbstractDevelopment of automatic control water-saving irrigation techniques represent the level of agricultural modernization, the level of automation irrigation system is low is the main reason for restricting the development of high-efficiency agriculture in China, water-saving irrigation as a modern engineering technology, whether it is water saving, water-saving agricultural engineering or management, water must be based on the foundation of realizing industrialization of water-saving irrigation equipment production. In order to improve the utilization ratio of water resources, this paper designed an intelligent irrigation system, the system to AT89S52 SCM as control core, powered by solar panels, through the temperature sensor, humidity sensor and light sensor, the greenhouse soil moisture, light intensity, temperature factor into the microcontroller, and setting the single chip microcomputer in temperature, humidity illumination were compared, the difference of the automation control, water resource reasonable use.The intelligent irrigation system, the system to AT89S52 SCM as control core, by collecting soil moisture sensor, light sensor and a temperature sensor, solenoid valve, a solar battery plate. The hardware circuit of the system mainly includes temperature sensor circuit, driving circuit of step motor, window control circuit, solenoid valve control circuit. In the closed loop (automatic) mode, the system can automatic temperature and humidity on the soil and light detection, when the actual humidity lower than the warning value single-chip microcomputer automatic start stepping motor for irrigation, when the humidity is higher than the warning value single-chip stepper motor is started stopping irrigation; when the actual temperature is lower than the warning value opened 哈尔滨理工大学学士学位论文- III -the window, when the temperature is higher than the warning value close window; when the illumination intensity is lower than the warning value when the curtain opened, when the light intensity is higher than the warning value close the curtains.Keywords Automatic watering; AT89S52; temperature sensor; humidity sensor哈尔滨理工大学学士学位论文- IV -目 录摘 要 .IAbstract.II第 1 章 绪论 .11.1 研究的背景和意义 .11.2 国内外现状 .11.3 本文主要研究内容 .2第 2 章 系统总体设计 .42.1 系统设计总体方案 .42.1.1 系统总体设计 .42.1.2 单片机的选择 .52.1.3 AT89S52 简介 .52.1.4 传感器的选择 .82.2 太阳能电池板测控原理 .112.2.1 充电芯片的选择 .112.2.2 系统测控原理 .132.2.3 应用场合和工作环境 .142.3 系统的预期功能和技术指标 .142.3.1 课题研究预期功能 .142.3.2 系统技术指标 .152.4 本章小结 .15第 3 章 系统的硬件设计 .163.1 时钟电路与复位电路的设计 .163.1.1 稳压电路的选择 .173.1.2 过压保护电路 .173.2 数据采集电路的设计 .173.2.1 输出控制电路的设计 .193.3 本章小结 .22第 4 章 软件系统的设计 .244.1 软件设计思想 .244.2 传感器控制模块设计 .254.3 本章小结 .26结论 .27致谢 .28参考文献 .29附录 .30哈尔滨理工大学学士学位论文- 1 -第 1 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。1.2 国内外现状国内在开发灌溉自动控制系统方面还处于研制、试用阶段，真正能投入实际应用，且应用较广的灌溉控制器还是很少。在开发的产品中有着代表性的如中国农业机械化研究院联合多家单位研制的 2000 型温室自动灌溉施肥系统。该系统是国家“九五”科技攻关项目中自主研发的科技产品，它结合我国温室的环境和实际使用特点，以积木分布式系统结构原理，解决了计算机适时闭环控制、动态监测、控制显示中文、施肥泵混合比可调、电磁阀开度可调等关键技术问题。该系统具有手动控制、程序控制和自动哈尔滨理工大学学士学位论文- 2 -控制等多种灌溉系统模式，可按需要灵活应用，在大连、北京等地已经投入了应用，从系统运行情况来看，该系统有很好控制效果，取的了一定的经济效益和社会效益。天津市水利科学研究所研制的温室滴灌施肥智能化控制系统主要用于现代温室，日光温室作物的灌溉营养液施肥，环境监测的智能控制，采用世界先进的可编程序控制器和触摸屏控制技术，性能可靠、功能齐全、人机界面友好、操作简单、价格低廉，此控制系统的控制流量为 15m2/h, 控制规模为 12hm2 时，能控制 24 路阀门，系统具有人工干预灌溉施肥功能，定时、定量灌溉施肥功能，条件控制灌溉施肥功能。北京澳作生态仪器有限公司的澳作智能节水灌溉控制系统可与各种滴、喷灌系统连接，实时监测土壤墒情，根据要求实时灌溉，并且手动、半自动、全自动任选且可随意在计算机上更改，可同时控制多个设备，受控区位置及形状，环境参数及设备状态可同时显示在中心计算机上。北京奥特思达科技有限公司研制的 WT-02 型微喷灌定时自动控制器，是一种供农业、草坪、果园、温室一般场合给水的电子灌溉自动控制系统。国外一些先进国家，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，在节水灌溉技术方面起步较早，并已经日趋成熟。这些国家从最早的水力控制、机械控制，到后来的机械电子混合协调式控制，到现今应用广泛的计算机控制、模糊控制和神经网络控制等，控制精度和智能化程度越来越高，可靠性越来越好，操作也越来越简便。近年来随着农业对自动化程度要求的提高，以色列出现灌溉用的可编程逻辑控制器(PLC)，这种控制器通过把不同的网络连接到主机上进行数据采集和处理。随着控制技术、传感器技术的发展，以色列开发出了现代诊断式控制器，这种控制器把以前不可能采集到的信息通过不同的传感器来获得，通过因特网、远程控制、GSM 等来实现数据传输，然后通过计算机中的一些模型来处理信息，作出灌溉计划。加拿大、澳大利亚和韩国等国家和地区也都有开发成功并形成系列的灌溉控制器产品，其中，比较有代表性的如澳大利亚的 HARDIE IRRGATION 公司的灌溉控制器，已形成了 MICRO-MASTER、 RAINJET 等多个系列，几十种型号的产品。其中HR6100 系列成本较低，是一种小型自动灌溉控制器，主要是面对家庭庭院和小面积的商业绿化场地的灌溉，而 MICRO-MASTER，系列产品是HARDIE 公司为进行大面积灌溉而开发的控制器。该系统采用分布式布置，可与上位机双向通信，用微机对其进行编程操作和对其子控制器进行控制，并能用微机随时监控灌溉系统的工作状况。1.3 本文主要研究内容本课题以 AT89S52 单片机为主要硬件，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哈尔滨理工大学学士学位论文- 3 -温度及湿度。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。哈尔滨理工大学学士学位论文- 4 -第 2 章 系统总体设计2.1 系统设计总体方案2.1.1 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 2-1 所示。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。2-1 系统的硬件结构图。放大电路湿度传感器温度传感器光照传感器电磁阀单片机 A T 8 9 S 5 2继电器太阳能电池板充电集成电路 电池 稳压滤波图 2-1 系统的硬件结构图系统的工作中，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，哈尔滨理工大学学士学位论文- 5 -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。2.1.2 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。2.1.3 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。1单片机内部结构图与基本特征与 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哈尔滨理工大学学士学位论文- 6 -可反复擦写1000 次 全静态操作：0Hz 33Hz 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 2-2 所示：P 1 . 0P 1 . 1P 1 . 2P 1 . 3P 1 . 4P 1 . 5P 1 . 6P 1 . 7P 3 . 3 ( I N T 1 )P 3 . 2 ( I N T 0 )P 3 . 5 ( T 1 )P 3 . 4 ( T 0 )E A / V P PX T A L 1X T A L 2R S TP 3 . 7 ( R D )P 3 . 6 ( W R )P 3 . 0 ( R X D )P 3 . 1 ( T X D )( A D 0 ) P 0 . 0( A D 1 ) P 0 . 1( A D 2 ) P 0 . 2( A D 3 ) P 0 . 3( A D 4 ) P 0 . 4( A D 5 ) P 0 . 5( A D 6 ) P 0 . 6( A D 7 ) P 0 . 7( A 8 ) P 2 . 0( A 9 ) P 2 . 1( A 1 0 ) P 2 . 2( A 1 1 ) P 2 . 3( A 1 2 ) P 2 . 4( A 1 3 ) P 2 . 5( A 1 4 ) P 2 . 6( A 1 5 ) P 2 . 7V C CG N DA L E / P R O GP S E NA T 8 9 S 5 21234567891 01 11 21 31 41 51 61 71 81 92 02 12 22 32 42 52 62 72 82 93 03 13 23 33 43 53 63 73 83 94 0图 2-2 AT89S52 内部结构图2引脚配置及功能（1）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 2-2 所示，各引脚功能简述如下：VCC：电源端， +5V 。GND：接地4 个 8 位 I/O 端口 P0、P1、P2 和 P3P0 口：PO 口为一个 8 位漏级开路双向 I/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/ 地哈尔滨理工大学学士学位论文- 7 -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 2-1 所示：表 2-1 P3 口的特殊功能口管脚 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 0P3.3 /IMT1 外部中断 1P3.4 T0 计时器 0 外部输入P3.5 T1 计时器 1 外部输入P3.6 /WR 外部数据存储器写选通P3.7 /RD 外部数据存储器读选通3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。如果哈尔滨理工大学学士学位论文- 8 -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)。4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。AT89S52 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，AT89S52 芯片内的 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。2.1.4 传感器的选择1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。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 2-3 所示：敏感原件 转换原件 接口电路被测量电信号辅助电源图 2-3 传感器的原理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” ，此处的被测量一般哈尔滨理工大学学士学位论文- 9 -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” 。2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 500C -800C 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 0C -40C，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。3DS18B20 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。4DS18B20 的特征独特的单线接口仅需一个端口引脚进行通讯哈尔滨理工大学学士学位论文- 10 -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 A/D 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 2-4 所示：6 4 位 R O M 和单线接口存储器和控制逻辑高速缓存存储器8 位 C R C 生成器温度灵敏器件低温触发器 T L高温触发器T H配置寄存器电源探测图 2-4DS18B20 内部结构DS18B20 的引脚如图 2-5 所示：D A L L A SD S 1 8 B 2 0G N D D Q V C C图 2-5 DS18B20 外部引脚引脚说明：GND 接地，VCC 接电源， DQ 是数据 I/O 口。5温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哈尔滨理工大学学士学位论文- 11 -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。6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） 。2.2 太阳能电池板测控原理2.2.1 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。1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哈尔滨理工大学学士学位论文- 12 -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。 C N 3 0 6 8T E M PI RG N DV C CF BS T A T 2S T A T 1B A T图 2-6 CN3068 的管脚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。2 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 哈尔滨理工大学学士学位论文- 13 -（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 2.2.2 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 2-7 所示：温度湿度光照给定值。A T 8 9 S 5 2电磁阀 、 电动机 、 步进电机温度湿度光照传感器花卉的各种参数图 2-7 闭环控制逻辑原理框图温度湿度光照传感器把花卉的温度、湿度、光照参数采集过来，送人单片机，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，系统不断的进行采集、判定，直到达到一个稳定状态。该单片片机应用系统主要应用于办公室、家庭，价格低，操作方便，主要面向喜爱花卉但没有时间管理者。其工作环境温度为 040C。2.3 系统的预期功能和技术指标2.3.1 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，省哈尔滨理工大学学士学位论文- 14 -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，当土壤含水量过低己不能满足花卉最低需求时，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，本系统不足之处是未考虑人工增光设备，如果光