自动浇灌多级定时控制电路设计

1、自动浇灌多级定时控制电路设计摘 要随着人们生活节奏的加快，以及水资源的短缺，合理用水的自动浇灌的技术应运而生。自动浇灌技术既解决了浪费用水问题，又省去了人们必须亲自费时费心对植物浇灌的事情。本课题采用“555”、CD4017等一些芯片元件设计制作了一个简单的自动浇灌系统，用以达到自动浇灌的目的。系统主要由电源电路模块、定时电路模块、湿度控制模块、浇灌控制模块，四大模块组成，通过应用本系统可以实现准确有效的自动浇灌控制。当电路接收到外接传感器的“缺水”信号后湿度控制模块首先控制驱动定时电路模块产生定时脉冲，以驱动后级浇灌控制模块，在浇灌控制模块被驱动后其又在湿度控制模块的控制下进行选择浇灌。本系

2、统电路一次脉冲浇灌时间可由使用者自行设置，其最大一次浇灌时间为5.3分钟左右。本系统这种小巧精准、经济实惠的电路设计解决了现在市场上的喷灌设备主要是针对温室、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和绿化工程中草坪的喷灌系统设备几乎没有，也没有达到自动化水平的问题。所以本电路的主要应用环境应是家庭花园、小型苗圃、绿化工程中草坪的喷灌等一些地方。关键词: 555定时器，CD4017计数器，自动浇灌，三级定时控制 目 录1 绪论11.1 课题描述11.2 基本工作原理及框图12 相关元件介绍32.1 555定时器芯片32.1.1 555定时器内部结构介绍32.1.2 555定时器功能

3、表42.1.3 555定时器引脚图及应用42.2 CD4017十进制计数器/分频器的介绍52.2.1 CD4017十进制计数器/分频器的内部结构介绍52.2.2 CD4017十进制计数器/分频器的外部引脚介绍72.2.3 CD4017十进制计数器/分频器的主要参数83 自动浇灌多级定时控制电路总体设计93.1自动浇灌多级定时控制电路的分析93.2自动浇灌多级定时控制电路元件的选择12总 结13致 谢14参考文献151 绪论1.1 课题描述又鉴于现代生活中，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，但是生活节奏的加

4、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。对于户外的一些草坪等绿化工程来说现在的人工浇灌已不能达到合理的效果。在人工浇灌的时候不仅要花费一定的人工工作费用而且往往还会造成浇灌不合理浇灌浪费现象。鉴于以上情况，我们利用了一些简单实用的芯片器件（例如：555定时器、CD4017十进制计数器/脉冲分配器、7805稳压块，和一些必要的电阻、电容等。）设计了一种自动浇灌多级定时控制电路系统。本浇灌系统可以实时根据土壤湿度情况自动的进行浇灌，既不会出现人工浇灌的浇灌不均、浇灌浪费等现象，而且还减省了人们对浇灌事情上所费的精力、费用；

5、又加之本浇灌系统由于采用的设计理念是：经济、实效、便捷！所以综上两点本设计设计合理非常适合家庭花园、小型苗圃、绿化工程中草坪的喷灌！1.2 基本工作原理及框图本电路系统主要由电源电路模块1、定时电路模块、湿度控制模块、浇灌控制模块，四大模块组成；主要用到的元件有：555定时器、CD4017十进制计数器/脉冲分配器、7805稳压块、电阻、电容、与非门等。其基本工作原理：外接传感器后，当土壤缺水时传感器传来高电平信号，当土壤不缺水时传感器传来低电平信号；本电路设计要求是实现三级定时控制所以电路需外接三个湿度传感器，三个传感器信号经一个或非门、非门后控制用555定时器组成的定时电路开启关闭。在前级定

6、时电路脉冲的驱动下由CD4017组成的控制浇灌模块的三个数据输出引脚交替输出三个控制脉冲信号，这三个信号又与对应的三个传感器输入信号进行与逻辑后接入末级，从而实现精确实时有效的控制。电源电路定时电路浇灌控制湿度控制 图1基本工作原理框图 2 相关元件介绍2.1 555定时器芯片2.1.1 555定时器内部结构介绍如图2 555定时器原理图所示：分压器为两个电压比较器C1、C2提供参考电压。如5端悬空，则比较器C1的参考电压为2/3UCC，加在同相端；C2的参考电压为1/3UCC，加在反相端，4端是复位输入端。当0时，基本RS触发器被置0，晶体管T导通，输出端u0为低电平。正常工作时=1。当 U

7、11和U12分别为6端和2端的输入电压。当U11>23UCC ，U12>1/3UCC 时，C1输出为低电平，C2输出为高电平，基本RS触发器被置0，晶体管T导通，输出端U0为低电平。当U11<23UCC，U12< 13UCC时，C1输出为高电平，C2输出为低电平，基本RS触发器被置1，晶体管T截止，输出端U0为高电平。当U11<23UCC，U12> 13UCC时，基本RS触发器状态不变，电路亦保持原状态不变。图2 555定时器原理图 2.1.2 555定时器功能表 表1 555定时器功能表 复位U11 U12 输出U0晶体管T 0 × ×

8、 0 导通 1 23UCC 13UCC 0 导通1 23UCC 13UCC 1 截止1 23UCC 13UCC 保持 保持2.1.3 555定时器引脚图及应用 5552的内部结构可等效成23个晶体三极管、17个电阻、两个二极管，组成了比较器、RS触发器等多组单元电路。特别是由三只精度较高5k电阻构成了一个电阻分压器，为上下比较器提供基准电压，所以称之为555。555属于CMOS工艺制造，引脚图如图3所示：图3 555定时器引脚图555各引脚介绍如下： 1脚：地 GND；2脚： 触发； 3脚：输出 4脚：复位 5脚：控制电压 6脚：门限(阈值） 7脚：放电 8脚：电源电压Vcc555定时器应用：

9、555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器3、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它也常作为定时器广泛应用于仪器仪表、家用电器、电子测量及自动控制等方面。2.2 CD4017十进制计数器/分频器的介绍 CD4017十进制计数器/分频器的内部结构介绍于此以CD4017C为例介绍，图4为其原理图4。如图示：它是由十进制计数器电路和时序译码电路两部分组成。其中的 D 触发器 FlF5 构成了十进制约翰逊计数器，门电路 514构成了时序译码电路。约翰逊汁数器的结构比较简单它实质上是一种串行移位寄存器。除了第 3 个触发器是通过门电路15、16 构成的组合

10、逻辑电路作用于 F3 的 D3 端以外，其余各级均是将前一级触发器的输出端连接到后一级触发器的输入端 D 的，计数器最后级的 Q5 端连接到第一级的 D1 端。这种计数器具有编码可靠，工作速度快、译码简单，只需由二输入瑞的与门即可译码，且译码输出无过渡脉冲干扰等特点。通常只有译码选中的那个输出端为高电平，其余输出端均为低电平。表2 约翰逊计数器状态表十进制Q1Q2Q3Q4Q5000000110000211000311100411110511111601111700111800011900001当加上清零脉冲后，Q1Q5 均“0”，由于 Q1 的数据输入端 D1 是 Q5 输出的反码，因此, 输

11、入第一个时钟脉冲后，Q1 即为“ l ”，这时 Q2Q5 均依次进行移位输出，Q1的输出移至 Q2，Q2的输出移至Q3。如果继续输入脉冲，则 Q1 为新的 Q5，Q2Q5 仍然依次移位输出，这样就得到了表2 的状态及图5 的波形 图4 CD4017的原理图图5 CD4017 波形图由五级计数单元组成的约翰逊计数器，其输出端可以有 32 种组合状态，而构成十进制计数器只需 10 种计数状态，因此，当电路接通电源之后，有可能进入我们所不需要的 22 种伪码状态 。为了使电路能迅速进入表2所列状态，就在第三级计数单元的数据输入端上加接了两级组合逻辑门，使 Q2 不直接连接 D3，而使 D3 由下列关

12、系决定：D3Q2(Ql+Q3)这样做，当电源接通后，不管计数单元出现哪种随机组合，最多经过 8 个时钟脉冲输入之后 ，都会自动进入表 2所列状态。CD4017 有 3 个输入端：复位清零端 R，当在 R 端加高电平或正脉冲时，计数器清零，在所有输出中，只有对应“0”状态的 Q0 输出高电平，其余输出均为低电平：时钟输入端 CP 和 CE，其中 CP 端用于上升沿计数，CE 端用于下降沿计数，这两个输入端的内部逻辑电路如图 2 所示。由图 2 可见，CP 和 CE 还有互锁的关系，即利用 CP 计数时，CE 端要接低电平：利用 CE 计数时，CP端要接高电平。反之则形成互锁。在“R” 端加上高电

13、平或正脉冲日子，计数器中各计数单元 F1F5 均被置零，计数器为“00000 ”状态。 CD4017 有 10 个译码输出端 Q0Q9，它仍随时钟脉冲的输入而依次出现高电平，见图 3。此外，为了级联方便，还设有进位输出端TC，每输入 10 个时钟脉冲，就可得到一个进位输出脉冲，所以TC 可作为下一级计数器的时钟信号。从上述分析中可以看出，CD4017(它的基本功能是对“CP”端输入脉冲的个数进行十进制计 数，并按照输入脉冲的个数顺序将脉冲分配在 Q0Q9 这十个输出端，计满十个数后计数器复零，同时输出个进位脉冲。 2.2.2 CD4017十进制计数器/分频器的外部引脚介绍CD4017采用标准的

14、双列直插式封装，它的引脚排列如图6 所示。CC4017 是国标型号，它与国外同类产品CD4017 在逻辑功能、引出端和电参数等方面完全相同，可以直接互换。其引脚功能如下： 1脚(Q5)：第5输出端； 2脚(Q1)：第1输出端； 3脚(Q0)：第0输出端，电路清零时，该端为高电平； 4脚(Q2)：第2输出端； 5脚(Q6)：第6输出端； 6脚(Q7)：第7输出端； 7脚(Q3)：第3输出端； 8脚(GND)：电源负端； 9脚(Q8)：第8输出端； 10脚(Q4)：第4输出端； 11脚(Q9)：第9输出端； 12脚(TC)：级联进位输出端，每输入 10 个时钟脉冲，就可得一个进位输出脉冲，因此进位

15、输出信号可作为下一级计数器的时钟信号； 13脚()：时钟输入端，脉冲下降沿有效； 14脚(CP)：时钟输入端脉冲上升沿有效； 15脚(MR)：清零输入端，在“R”端加高电平或正脉冲时，CD40171C 计数器中各计数单元输出低电平“0”，在译码器中只有对应“0”状态的输出端 Q0 为高电平； 16脚(VCC)：电源正端318V 直流电压。图6 CD4017引脚图 CD4017十进制计数器/分频器的主要参数 正常工作参数：电源电压范围：3V15V ；输入电压范围：0VVDD ；工作温度范围: M 类：55125 ；E类：40-85。 极限工作参数： 电源电压：-0.5V18V ；输入电压：-0.

16、5VVDD +0.5V ；输入电流：±10mA ；贮存温度：-65150。3 自动浇灌多级定时控制电路的总体设计3.1 自动浇灌多级定时控制电路的分析如图7本电路的整体结构由四个模块组成即电源电路模块、定时电路模块、浇灌控制模块5、湿度控制模块。通过电源电路的驱动，湿度控制电路协调定时电路的定时控制和浇灌电路的浇灌控制最终实现三级有效精准的自动浇灌功能。 图7自动浇灌多级定时控制电路图电路中是由220V交流家庭用电经过如图8 示电路电源电路6中的变压器变压、整流桥整流后得到+6V直流电，+6V的直流电再经稳压块7805稳压最终会得到一个稳定的+5V电压，为后续电路提供电源。图8 电路

17、电源电路图电路中，湿度控制电路是由与非门组成如图9示。当土壤缺水时外接传感器会向电路湿度控制电路输入高电平信号，经过湿度控制电路控制后级多谐振荡器（定时电路）的开启。图9 湿度控制电路系统电路中的定时部分是由555定时器构成的如图 10 示，当4引脚接收高电平信号时此部分开启为后级提供占空比可调、频率可调周期最大为5.3分钟左右的脉冲信号。根据图可以分析知电容经R1、D1、Rw1、Rw2充电，经R2、D2、Rw1、Rw2放电，所以其周期为：T=0.7（R1+R2+Rw1+Rw2）C1 ，充电时间为：T=0.7（Rw2+Rw1+R1）C1 ，放电时间为：T=0.7（R2+Rw1+Rw2）C1 。

18、当R=R，Rw2调至中心点，因充电时间基本相等，其占空比约为50%，此时调节Rw1仅改变频率，占空比不变，如Rw2调至偏离中心点，再调节Rw1，不仅振荡频率改变，而且对占空比也有影响。Rw1不变，调节Rw2，仅改变占空比，对频率无影响。因此，当接通电源后应首先调节Rw1使频率至规定值（即设定一次浇灌时间周期），再调节Rw2，以获的需要的占空比。 图 10 定时电路图 在定时电路提供的脉冲下由CD4017组成的浇灌控制电路7会由引脚3、2、4交替输出高电平信号，电路连接如图11示。其中14引脚接前级脉冲，15引脚与7引脚连接（以实现仅三级控制）。引脚3、2、4分别接入湿度控制电路模块中的与门，这

19、样从3、2、4引脚输出的信号经湿度控制电路处理（如假设当3引脚输出高电平时与传感器输入信号进行与逻辑操作，若3引脚控制浇灌地块的传感器传入的也是高电平则经过与操作湿度控制向末级输出高电平。）后控制末级继电器的开启关闭。图11浇灌控制电路图3.2 自动浇灌多级定时控制电路元件的选择本电路中元件的选择完全可以参照如图 7 中所用元件。对于定时电路中555定时器可以选用LM555或NE555等时基集成电路，D1、D2可以选用2CK13型二极管7；由于C1是用于定时其值在2200uf左右，所以应注意选取电解电容如铝电解电容；对于电路中的普通电容、电阻的选取只要能满足要求的皆可。电源电路中要用到一个稳压

20、芯片用于稳压，其可选用78085型，电源电路部分也要用到两个电容C3、C4用于滤波作用，其也应选用电解电容大小分别是470uf、100uf。电路中实现多级浇灌的控制部分电路是使用CD4017集成芯片连接成的，其选用的型号可为CD4017C。K1、K2、K3选用5V12V的直流继电器，Q1、Q2、Q3选用3DG12、BC547、S8050或C8050等型号的硅NPN型晶体管。总 结在本次课程设计过程中，通过应用一些常用经典的芯片元件设计了本系统电路，经理论分析和实际仿真验证完全可以达到设计目的自动浇灌多级定时控制电路。本电路中应用555定时器构成定时电路模块；应用CD4017十进制计数器/分频器集成芯片构成了浇灌控制电路（即用以实现多级控制）；应用一些与非门器件构成了湿度控制电路，通过其能在控制开启定时电路的同时还可以“监督”后级浇灌系统的浇灌精确性、有效性、智能性。由于自动控制方面是一个很大的领域很多的设计还可以通过另一种方法或理念进行实现，又鉴于本人水平、时间与试验条件有限，本文中还存在很多的不足有待改进，望有心读者加以建议。致 谢 本课程设计是在多位老师的亲切关怀和悉心指导下完成的，她们严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我。在此谨向XXX老师XXX老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。我还要感谢我们寝