【基于msp430单片机的智能型盆景环境监测系统的设计9000字（论文）】

基于msp430单片机的智能型盆景环境监测系统的设计摘要在本次毕业设计中，笔者通过搭建以单片机为核心，多个传感器并联的系统来对盆栽植物的生长情况进行采集，并对盆景周围环境的相关数据进行了统一的收集，通过合理运用4个hmi串行屏、sim800模块以及手机客户端的相关应用程序，让盆栽植物的相关数据得以显示，并在进行传输、验收和显示的功能的测验后，增加了视频监控和防盗功能。在经过长期的研究之后，笔者对智能型盆景环境系统展开了设计，设计内容包括硬件系统的设计搭建，以及芯片的挑选，程序代码的编写等诸多能容，经过多次试验后确定了各模块功能均能够正常运行。在系统设计完成后，笔者对该系统进行了仿真测试，测试相关结果表明，智能型盆景系统的软硬件系统设计均圆满完成了设计逾期，可以投入到正常的使用中。关键词：智能；数据采集；传感器；单片机；结构设计；控制系统设计目录摘要 4一、 绪论 6二、 智能盆栽系统总体设计 6三、 智能盆栽系统的硬件设计 73.1智能浇灌系统 73.2PM2.5及甲醛检测系统 73.3补光系统 73.4温湿度检测电路 73.5视频监控系统 73.6数据传输系统 73.7测量土壤PH值系统 7四、 系统的软件开发与开发环境搭建 74.1总体框架 7五、 系统功能测试及分析 75.1硬件性能的测试 75.2数据传输的测试 7结论 8参考文献 8

绪论人们的生活质量随着社会时代的不断发展进步，正在一步步得到改善和提高，许多人为了美化自己的生活环境，净化空气，喜欢在家里种植花卉和盆景。据相关研究结果和数据显示，目前市场上常见的盆栽类型主要有普通盆栽、懒人盆栽、日晒栽培盆栽等。普通盆栽植物价格便宜,但它们没有其他丰富的功能。底部设有排放水洞,直接从管道中排出多余水。因此,水资源综合利用率低,所以必须进行人工或自然地下浇水;懒花盆景虽然是一种新鲜的盆栽和贮藏式植物,但有了干燥棉线供水,很容易就会造成此层地层的湿度太高,淹没花草的根系。同时,盆栽的植物没有实时地监测到这些植物在土壤中生长的作用;日光盆栽是一种价格昂贵的盆栽植物,在市场上很受欢迎。主要是用来治疗植物的种子萌发。利用光照可以提高存活率。目前,智能化盆栽市场仍存在空白，还没有一个价格合适、具有智能监控和智能补水功能的智能盆栽系统。因为植物自身的脆弱性，其需要非常良好的生态环境才能够存货生长，如果水、PH值以及光线不符合植物生长，那么其就会在主人外出时干枯，甚至死亡。如果存在甲醛、PM2.5等有害物质,盆栽植物的生长将受到严重限制。一些盆栽植物需要大量的水。人们浇水时很难控制水量。如果过度浇水,植物的根部很容易腐烂,影响植物的正常生长。当植物缺乏阳光时,它也不利于植物生长。目前，智能家居已经在国内外广泛应用,其中绝大部分都是由自动喷淋水控制系统组成。最智能的自动浇筑水泥系统就是以一种渗透性强的方法来浇筑花卉盆景。这是一个需要连续不断进行的工序，一旦浇水程序因为某些意外因素而终止，那么植物就无法良好存活。如果你用这样的方法来浇花,不仅能够保证植物免于死亡,而且不需要浪费时间浇水。还有一些自动浇灌的系统,其工作原理主要是采用一种单片机控制系统,通过温湿度传感器来采集信息,自动浇灌所需要进行浇灌的植物,但是需要进行浇灌的植物都要在阳台上使用自动浇灌的系统或者水龙头,并且在阳台上摆放了家庭的花卉和各种盆栽植物,几乎不会有水龙头,在阳台上给你使用极不方便。基于msp430的一个智能化盆栽系统,它可以让你在家中任何一个地方都能使用,并且还能自动给你的盆栽洒水;对于植物正常生长中的有害物质进行了检测,其中包括±0.5和甲醛。土壤中的温湿度测定;ph值(土壤ph值)的确定;自动修正补光灯;保护室内的防盗。通过gprs模块向客户传输与其相关的成虫病生长数据;使用摄像头可以实时监控锅底的养殖情况,主人们就可以随时在移动应用程序上查询到盆栽的养殖情况。移动式的app与一台移动单片机可将监测器和控制器紧密地连接结合在一起就这样可以实时采集和自动处理家庭雨水,实现了家庭土壤的实时自动化处理排灌,从而用户可以轻松实现整个家庭盆栽管理系统的环境智能化动态调节。同时,植物的动态生长发育情况也可能会通过无线通信模块直接进行生态数据采集传输至手机移动智能终端,供手机用户直接进行实时生态观察和调查看。智能盆栽系统总体设计本设备控制电路主要采用ad转换和湿度传感器,其中包含了ad转换、单片机解码显示、单片机解码显示湿度、数据采集等多种控制功能。其中MCU需要设置数据并发送命令才能开始工作。a/d脉冲转换器adc0832根据三台机器的地址选择脉冲信号通道对三台机器的脉冲信号接收器进行选通,对输出的模拟信号进行输入,在系统操作下发生转换,最终变成可以让机器人直接读取的输出电平。mcu通过调用一个中断程序来读取转化后的数据。最后,单片机将根据软件对所有经过采集得到的温湿度测量数据进行了分析处理,并将这些测量数据传输给lcd1602。自动浇水系统的设计主要部分：自动智能浇水部分:通过对单片机的编程来感知浇水的上下限,并将其与土地水分平均值进行比较来确定盆栽植物是否需要浇水。做到真正意义上的"人在出差,花草无忧"。其包括以下几个部分:（1）电源部分。电源模块系统应该认为是整个电源系统中一项必不可少的组成功能,否则该模块系统就可能会自动变得完全无法正常进行工作。（2） 数据采集。由于是控制灌溉，会涉及到土壤水分问题，所以必须有传感器数据采集模块。数据采集模块把采集到的土壤水分参数传输给单片机。（3） 最后的驱动过程执行。经过所有数据采集和处理后,对相应的结果进行反馈,并为此设计了一套用于驱动灌溉实施的流程控制模块。（4） 数据信号显示控制模块。它们同样可以实时的实现显示天气传感器所实时采集监测到的天气数据,包括利用土壤湿度监测传感器所实时采集监测到的天气数据,当前的降雨时间等各种自然环境参数都同样可以通过一块液晶屏直观地实时展现显示出来,一目了然。这是系统的总体设计。能否采用，取决于对系统需求的分析。通过初步设计，确定了系统的几个主要功能模块，并通过它们的相互配合，完成了最终的系统调试。本系统很好地实现了对家庭中各种盆栽花卉的种植,以培养年轻人的兴趣和情绪,在繁忙的工作或外出旅游和商务中,没有足够的时间精力去关注生活中的花朵浇水等问题,系统自动测量土壤温度和湿度的花浇花,改进了以前浇注的问题。部分模块的功能如下:本文所研究的土壤温湿度信息采集和显示电路。其主要职能就是将湿度传感器检测得到的温度和湿率参数通过微控制器芯片传递给微控制器芯片,并通过一个软件编程在液晶屏上实时地显示出这些参数。传感器将采集到的土壤水分参数值在另外一台单片机控制下发送到内部的单片机芯块,并将此参数与之前的设定值进行比较,看它们是否已经超过设定值,决策是否为给花朵浇水。如果在比较后的结果中明确表现为应该进行浇水,单片机便会通过驱动一个电磁阀来给花朵进行浇水。如果我们的单片机显示现在没必要进行浇花,我们的单片机会自动跳过驱动,进行循环采集、传输、比对，直到需要浇水为止。在显示模块中，液晶显示器显示当前土壤湿度值，为了防止发生意外，还在程序中写入一定的浇水指令，避免其他意外情况影响正常浇水。用单片机软件检查是否在设定的浇水时间段内浇水，如果不是，那就是不要水。本系统选择了msp430来作为软件的主控器和芯片,msp430以其强大的信号处理功能与精准化程序有机地相互结合。本次设计配备了智能化灌溉系统、照明和温湿度检测电路、20cm和20cm的甲醛检测系统、数据传送管理系统、视频和监控系统和对土壤ph值进行测量管理系统。总体设计图如下图2-1所示。图2-1系统总体设计图控制、供电管理、浇水管理、传感器管理以及报警管理是组成智能型盆景环境检测系统最为重要的5个模块。在这个监测系统刚刚开始时,土壤湿度传感器率先针对土壤当前状态和湿度情况进行了监测,进而把湿度信号直接转变为一种可被单片机直接理解的模拟信号。该交流传感器模块把经过处理后的信号通过交流接口输出并发送至单片机,转化为数字信号。传感器模块上的湿度通过电位器自动调整其相应的阈值,当湿度降到某一限额时,触发式浇水模块自动向盆栽植物进行浇水。当待机加水量降到一定限额时,会触发报警模块进行加水,提醒所有人们及时加入。系统的硬件设计3.1智能浇灌系统土壤湿度检测电路、报警控制电路、显示控制电路、键盘、微型水泵监控电路是组成这套监测系统的主要部件。土壤湿度传感器率先对当前土壤湿度情况进行了监测,进而将土壤湿度信号转换为可被单片机接收和理解的模拟信号，msp430单片机对其数据进行了采集、分析和处理后,将这些数据以模拟形式输出并由单片机自动地控制各类水泵正常运转和运行的状态,从而可以达到根据所需要求进行浇花。它还通过移动网络协议将数据链连接到移动客户端,使得主机用户可以随时、任意地看到自己喜欢的盆栽植物。本机在系统软件设计中主要采用了一个继电器和一个自动电磁阀2w160-15完成了自动泵的开始泵和浇水的控制操作,模块控制是由一台单片式主机上的p1.0口制器进行自动控制。当一个缺水盆栽盆在土壤中设置有一个规定缺水电压位置时,这个电压传感器的电压输入输出电压阈值应大于超过了所要求规定的缺水阈值。接收器得到整个光耦电路信息后,mcu向整个光耦电路输出一个新的高电平,晶体管Q2导通。然后控制继电器打开的电磁阀,自动浇水模块开始为盆栽灌浆。当土壤湿度已经达到足够大,传感器的最小输入电压已经远远低于了单片机设定的最小阈值,传感器模块将向单片机输出作为一个低电平。接收到这个信息后,mcu输出一个较小的低电平,使得晶体管q1断开,光耦的led不正常运行,导致光耦输出一个较小的低电平,继电器引线导通,电磁阀关闭,进而浇水命令就此终止，最终达到为盆景浇水的目的。自动浇水电路图如图3-1所示。图3-1自动灌溉电路图3.2单片机最小系统设计本课程系统的中心设计结构选择了msp430作为整个系统的主要统计数据活动处理系统中心,负责对各个中心模块的主要数据活动进行统计分析和数据处理。该数字传感器将一台模拟文字数码机的电信号进行采集后由一台单片硅电机进行a/d信号转换而成为数字式数码电信号,便于实时进行数据处理。当电压接受器收到的浇水电压控制信号的值大于或或者超出系统阈定的值,单片机系统可以自动判断该处的盆栽盆内是否发现有水或缺水,控制一个自动化的浇水控制模块。当水位报警控制模块被自动检测至一个备用泳池水位太低时,向MCU发送信号。当一台小型单片机电源接受器收到一个新的备用电源供水量不足报警信号时,控制器的报警处理模块就应该会自动提醒相关工作人员他们应该及时给一个新的备用电源供水器进行加充。msp430f149单片机由于具有较小的驱动功耗和控制精度高的高速a/d高频数据信号转换控制能力,非常适合作为电子系统设计中的一个过程控制核心模块。3.3PM2.5及甲醛检测系统本次产品监控监测系统分别选择夏普第二代化和一代化的fb.5传感器，ggp2y1051au0f和cjcjmcu-1100。通过一个控制串口直接用来检查进入输出端和周围环境的各种有害物质。此时,可以将一个移动设备应用程序通过一个msp430主控台的芯片接口进行视频显示,并通过一个无线网络协议将移动数据发送到一个移动设备应用。3.4补光系统该系统与太阳能电池板结合,当照明强度小于一定值时,启动补光系统,为盆栽植物提供所需的光能。在本次系统的设计和构建当中,笔者选择了一个常规单片机所使用需要的3.3v的电压来作为单片机的一个电源和输入的电压,然后继电器仅仅只是需要5v的电压就已经足够了。也正是因为如此,我们才能够直接地通过选择12v的电压向自动浇水的模块中心点进行一段式供电,然后再通过三段式调压器7805将12v的电压转化成5v的电压从而进行一段式的输出,输出3.3v的电压可以为单片机提供高频电源。3.5土壤温湿度检测电路yl-69土壤传感器是对土壤水分信号进行检测的重要系统组成部分。其通过调理电路将接收到的模拟新欢转化为模拟电信号，紧接着通过交流接口从单片机的p6.1端口进行输入。电压计算机Im393是组成这个调节电路的重要元件,而又因为调理电路输入的模拟信号与数字信号相比，其精确性更为重要，所以笔者决定直接将模拟信号传送给单片机，让其进行判断工作，从而缩短检测土壤湿度的时间，并最终可以更为灵敏地进行检测。当土壤含水量相对较高时,传感器对于单片机的电压输入很小,当其他土壤含水量相对较低时,传感器对于单片机的电压输入很大,所以对于其他地区土壤含水量地测量可以直接通过测量电压平均值地方法来进行准确的估算，最终让土壤含水量保持在一个可控范围内。本系统能通过提前设定的植物参数来对其十一的土壤湿度做出判断，并通过设定传感器阈值和电压的方法进行操作。单片机通过对电压是否超过阈值进行判断来对土壤湿度进行判定，并最终决定是否需要激活自动浇水板块进行浇水。湿度检测电路图如图3.5所示。3.6视频监控系统实时监控盆栽信息,了解外观盆栽信息,是否被盗。报警模块主要目的是检测备用水源数据是否全部供应。但是,如果备用水源供应不足,触发报警,自动停止浇水模块。但是当自来水已经供应到足够,报警系统将会自动停止或者关闭,自动浇水模块也会保持正常运行。水箱内部的启动器包括两个浮子开关和一个弹簧开关。此时,当水箱中已经有了足够量的浮力,则开关停止或闭合,报警系统就会停止。当一个水箱里的浮子给水量不够时,就会导致开关停止。当启动开关停止或闭合时,mcu输出一个低电平以接收到报警模块。本报警模块的电路选用了单片机p4.2口进行控制。当备用水量达到饱和值时,mcu将输出一个高液位报警式蜂鸣器。当备用的水位已经足够,mcu输出一个较低的水位,蜂鸣器就会停止运行。当备用供水不够时,单片机交替地输出一个高低水位,蜂鸣器定时鸣响,提醒人们加水。3.7数据传输系统系统将盆栽的所有相关资料通过gprs将传递给客户的手机app,移动端用户也可以直接访问服务器来获取资料,使得主人们可以直接通过移动app来实时掌握盆栽的所有相关资料。3.8测量土壤PH值系统该系统将盆栽中所有的相关资料通过gprs传输给业主,移动设备用户也可以直接登录服务器,手机app就能实时掌握盆栽中所有的相关资料。3.9结构设计智能灌封系统的结构包括内、外灌封及滴水式管道。内罐上方设有土层和污泥储水层,外罐上方在承受应力的地方设有一个污泥贮水存储室,用于同时储存从内罐上方排出的污泥滴灌;通过一个小型的电磁阀可以用来自动地调节整个滴灌污泥管道的贮水输出口和污泥入泵进入贮水口尺寸,将整个滴灌污泥的管道深深地直接插入内部的土壤中,实现不同口径高度的污泥滴灌,使得进入土壤的内部水分流动变得更为均匀。电磁阀与出口处的两条进口排水管相互连接,实现了出口自给自足供水;同时,通过它的温湿度控制传感器可以实时对水进行温度监控,信号采集管理监控系统也同时实现了一种人人都可智能化的按需自动喷洒。系统的设计主要可以分为两类:智能管理控制盆花和非智能化管理盆花。与总体设计一样,但是差异主要表现为治水系统结构设计。采用智能自动控制的盆栽上部分别安装了一个电磁阀,连接至此到之前由于后续采用了智能自动控制的盆栽只需要在上部设置一个进出水口,没有一个电磁阀,实现了一机监测及整体监视的效果。双层盆栽设计外盆栽结构设计当雨水或多余的浇水从容器上部溢出时，水就会被临时储存在下部收集罐中。，当水位达到排水口高度时，水就会从排水口中流出，以免积水过多浸泡植物根系。内盆栽结构设计内盆分为两层，上层为土层，下层为水泥挡花层，植物根茎深入内盆底部，这样可以更好地吸水。将滴灌管插入土层中，保证出水的平整度，使水被土壤更好的吸收。水量控制结构设计水量控制结构由两部分构成；输入管路和电磁阀。当盆栽环境检测信号指示需要浇水时，打开电磁阀，水开始流入盆栽内的滴灌管。室外给水管道系列化设计；当盆栽植物种类繁多时；系统可设置为通用控制；减少了阀门的数量和管路布置的复杂性；节约了成本。改进滴灌模块滴灌模块由于是放置在盆栽外,管道敷设比较麻烦,在实践和应用中也相对麻烦。需要经过人工调节,流速较低,水滴落在土壤表面,这样就很容易产生大量的水分和蒸发,不会被其他的土壤所吸收。在此基础上,作者专门为该系统设计了一种滴灌式控制模块,该系统的水控结构是由电磁阀经外部的水管和内部的电控结构连接而来,通过一台电磁阀自动调节出口和水流的速度。当水从地下室进入敷设在砼中的一条管道之后,流入一条多孔的滴灌式管道。然后,每孔一次滴入基层,保证其中的水分被砼砼均匀地吸收,保持其中的水分均匀,避免砼砼浇注时由于外露,降低了安装工艺成本,省水、节能,美观大方。系统的软件开发与开发环境搭建4.1总体框架系统软件应用模块软件开发部分全面开发采用c和java两种语言格式进行软件编写,通过阿里云数据管理平台直接在线进行移动数据的信息传输和数据交换,并与阿里云硬件平台上的移动数据信息传输管理模块(gprs)模块进行了紧密相互融合。系统的编程软件设计主要可以包括三个基本子程序:系统初始化、显示和执行操作两个子程序:农田土壤水分监测检查和质量管理系统子程序、数据处理和信息管理系统子程序、视频和图像监控子软件程序等，程序结构图如图4-1所示。图4-1软件设计总体框架4.2时空序列神经网络算法和中值滤波算法为了提高我们监控系统的可靠性和运行稳定性,在监控系统的软件设计中我们增添了先进的时空序列神经网络算法和中值滤波算法。系统要求所采集得到的某些环境数据是彼此之间有着相互关联的。例如,当室内大气中温度增长或升高时,大气中的湿度普遍减小;随着二氧化碳浓度的提高,氨气、硫化氢和msi的浓度也随之降低。反之亦然;所以说当太阳光在空中照射的强度会增加,那么在大气里的温度也就会上升。该环境模型系统是利用了时间序列式神经网络算法的模型结构来分析和计算环境中的数据,研究者可以根据氨气的含量、大气中的温度、大气中的湿度、光照强度、3c.5、硫化氢浓度、二氧化碳浓度等这些数据之间的潜在相互关系,然后用数字式输入的环境资料等方式对其它的环境数据进行了预测。在本文的相关软件设计中;预测值参数不同的差异较大的数据进行过滤。由于所需要的环境资料并没有突然发生变化,系统所需要采集到的核心数据模块根据所需要的数据量和大小,根据所需要的数据量和大小,取得数据的平均值作为有效的值,然后再选择有效值作为发送给服务器或移动应用。4.3程序流程图该管理系统的日常工作管理流程简单,步骤较少。用java或c语言进行编程的它可以大大小幅度地有效提高整个系统的工作性能,使得该操作系统更加容易具有一个稳定高效的应用程序，程序流程图如图4-3所示。开始开始备用水是否充足？执行浇水任务系统初始化报警是否需要浇水？结束YYNN图4-3程序流程图系统功能测试及分析5.1硬件性能的测试首先把这个湿度传感器安装到各种温度和湿度的土壤中,测量一下各种湿度传感器在不同土壤湿度的情况下的输入和电压值,然后把湿度和电压值之间的相互关系编制为一个数据表。通过这个湿度传感器,能够准确控制植物的水分,保证其所有水分储存在合适的范围内,为其植物提供良好的生长和环境。土壤湿度和电压的关系如表5-1所示。土壤湿度%691215192226电压/V3.283.002.632.321.911.681.57表5-1土壤湿度与电压关系表根据本文的软硬件设计思路，在对各个子系统模块测试并完成相应功能后，对系统的整体模块进行测试和调试。通过对硬件电路的不断改进和对代码的仔细重写和调试，最终的测试获得了满意的结果：a.实现了良好的养护和浇灌,确保了盆栽在良好的环境中生长；b.实时监控，能够对盆栽的生长情况进行实时检测；c.能够实时监控和计算出盆栽的植物生长情况及其周围环境的影响数据；d.实现了用户可以在手机移动终端app上随地随时查看自己的每个植物生长状态情况,并且它还能够同时让手机用户可以实时通过自己的手机操作系统智能化和盆栽管理系统自动对你的植物进行培养和日常维护；e.它实现了全景视屏监测和gps定位的双保护,既能够让人们清楚地看得到动物的形态,也能够做到很好地防盗。5.2数据传输的测试该盆栽动态管理监控系统首先是采用它的sim800模块对阿里盆栽的数据进行管理和打包,并通过它的sigprsim模块将所有阿里盆栽的管理和打包数据成功上网并上传到阿里云服务器上,然后对这些阿里盆栽的管理和打包内容都进行了动态分析并与它的app进行结合,实现对于阿里盆栽植物的发育及动态生长的遥感远程遥控动态观察和对于阿里盆栽动态管理监控系统的远程遥控管理操作。结论本系统以msp430单片机为主控器芯片,设计了一种智能灌溉系统。本系统可以根据罐体内的土壤所含水量来控制供给水泵的启停。本系统采用了模糊算法控制的方法来控制浇水量,并通过设置模糊控制的响应值来进行温度比较,判断每个浇水量都是否达到了标准,从而可以实现根据需要自动地浇水。将该系统广泛地应用到家庭阳台,实验结果