【《基于单片机的智能灌溉系统设计与实现》5700字】

基于单片机的智能灌溉系统设计与实现目录TOC\o"1-3"\h\u21467摘要 15419引言 2134261.课题研究背景及意义 2313981.1课题研究目的 248321.2课题发展的趋势 3176352.系统总体设计方案 3197672.1系统的总体构成 3281152.2设计原理 4248703.系统的硬件设计 4168683.1AT89C51的主要参数 42503.2显示模块 6111313.3A/D的转换 645113.4继电器 759923.5物联网模块 8250513.6温湿度模块 886534.系统软件设计 9112754.1流程和运行过程 9305314.2LCD1602显示程序 10161774.3按键程序 11297794.4ADC0832芯片接口程序 12207615.系统验证与调试结果 1275405.1仿真设计 12191515.2实物展示 1272085.3硬件调试 13107036.结论 14摘要:为了合理的利用水资源，提高水资源的利用率，也为了能够在农业生产中更好的发挥作用，通过以AT89C51单片机为核心，以土壤温湿度检测器和esp8266物联网模块为主体，设计出一个可以通过手机远程监测土壤的温湿度并且及时的在手机上反馈出来，然后通过手机远程遥控浇水的系统，及时的解决因天气变化所带来的不可预知的因素，能够解决传统的一些用水过量或者用水不足的问题，本系统就是通过这些一系列设计出一套完整的自动灌溉系统。关键词：AT89C51单片机；温湿度检测器；ESP8266物联网模块；远程监测引言随着国民经济的发展，农业的发展是国家的重要战略之一，发挥着十分重要作用，中国是一个农业大国[1]。而在河南地区这部分属于华北平原，属于农业大省，被誉为国家的粮仓，所以，每年到炎热的旱季时，广大农民就会浇水去缓解农作物的干旱，而灌溉就是不可或缺的了。灌溉是农作物庄稼种植过程中必不可缺的[2]。当天气炎热时，几乎每天都需要灌溉，由于每种作物的灌溉时间不同，所使用的灌溉用水量也不同，因此会大大增加了劳动力和成本。与此同时，农民如果不在最炎热的那几天浇水，就会使农作物减产或者死亡，在不得不灌溉的时候，选择智能灌溉是一种非常明智的选择，但现在市面上的灌溉机器有各种各样的，有那种直接浇灌的机器大口径的，一般仅仅是用于抽水的，例如养殖的人在池塘里换水，需要把原来的水抽出来，然后再接着用大口径的管子蓄水。另外一种是那种口径比较小的，一般是用于大棚或者是小块土地的灌溉，而且现在这个阶段，我国的很大一部分是用直接灌溉的方式，这样的情况下，随着淡水资源的枯竭，人们对水资源的需求会越来越大，而这种传统的灌溉方式，必然会被历史所淘汰。所以为了防止浪费的资源会越来越大，为了我国能够更好的利用资源，设计出这样的比较智能的灌溉系统[3]。课题研究背景及意义1.1课题研究目的虽然世界上有几大洋的水资源，但那毕竟是海水，是不能直接饮用和灌溉的，我们需要的是淡水资源。再说两极冰川，虽然底下有大量的淡水资源，但那底下却冰冻着大量的远古病毒，再者，就算南北两极底下的水能够喝且没有含病毒，那假如使用了太多的冰进行解冻，就会使海平面急剧上升，届时将会导致有部分国家就会完全或者部分被淹没，例如基里巴斯共和国，由于海平面的上升，这个国家几乎被全部淹没。我国也是水资源严重不足[4]。虽然地大物博，但人均占有量处于较低位置，因此使用基于单片机的智能灌溉系统设计，能够有效的减少田间灌水过程中的渗透和蒸发损失。并且由于农作物的环境和生长习性不同，它本身所需求的水量也会有所不同，从而灌溉的水量不同，最后导致农产品的质量不同。1.2课题发展的趋势灌溉开始于将溪流和小溪时期的河流移到农田，然后水分通过沟渠退化分布到整个作物中，这种方法通常被称为引沟灌溉方式，这种灌溉方式的结果会导致农田被淹。直到20世纪60年代，由于工业革命的发展使得燃烧和电动发动机能够机械地增加水压时，灌溉技术才发生了根本性的变化。人工水压允许水分不受坡度的影响分配给作物[5]。地下滴灌于19世纪60年代，在德国发展起来的，20世纪20年代，在德国和俄罗斯使用多孔管。地面滴灌在20世纪70年代开始流行，澳大利亚、美国和以色列等国家率先采用[6]。国际企业集团在撒哈拉以南非洲地区推广小股东使用滴灌技术，主要是因为增加了新鲜蔬菜等经济作物的产量。这些努力与园艺培训和获得优质经济作物种子相结合。第一年后，尼日尔最初计划的60%参与者被保留。滴灌的干线和支线分别在聚氯乙烯、高密度聚乙烯（HDPE管）和低密度聚乙烯（LDPE管）进行。灌溉效率是指作物可利用的水量与农场可利用的水量的比值。与喷灌相比，滴灌在水量相同的情况下，能使作物产量翻一番，咸水与淡水相结合而不损害产量。与传统的灌溉方式不同，恒定的水流使盐分从植物根系中渗透出来。咸水的使用可以减少缺水地区对淡水的需求，同样用水量种植的粮食可以翻一番。2.系统总体设计方案2.1系统的总体构成该系统由电源接口电路、显示电路、物联网连接电路、土壤监测电路、继电器控制水泵电路、A/D转换电路、按键设置七大部分。具体系统总体框架图如图1所示：图1系统总体框架2.2设计原理土壤湿度传感器通过监测土壤湿度的不同经过AD0832模数转换将所接收到的模拟信号转化为数字信号传送给单片机进行量化处理，同时结合DHT11温湿度模块进行环境适宜度的判断，湿度传感器的阻值也不同，所以温湿度传感器的输出电压也就不同，因此就将湿度参数转换成电压参数，得到一个模拟的电压值，通过A/D转换，我们可以得到电压值的数字信号，然后我们可以把该数字信号输入单片机，在单片机中进行相关的数字处理，得到一系列的控制信号输出，来控制外围设备的运行。如报警声、显示屏的显示、手机端的远程显示、阀门的开关从而得到对灌溉的控制。3.系统的硬件设计本设计主要包括以下模块：单片机控制模块；LCD1602显示模块；A/D转换模块；ESP8266物联网模块；DHT11传感器以及时钟电路模块等组成。3.1AT89C51的主要参数51单片机是与8051指令系统兼容的所有单片机的统称，随着技术的发展，8004单片机得到了迅速的发展，但51单片机一般不具备自编程的能力。主要性能包括8位CPU，4位的程序存储器、32个I/O端口、2个可编程定时/计数器、5个中断源、2个优先级、一个全双工串口等[7]。具体原理图如图2所示：图2单片机原理图在51单片机中有一个高增益反向放大器。反向放大器的输入端是XTAL1，输出端是XTAL2。单片机的时钟模式由放大器和时钟电路组成，单片机的时钟连接方式可分为内部时钟模式和外部时钟模式[8]。具体的时钟电路脉如图3所示：图3时钟电路内部时钟方式：内部时钟通过12MHZ的晶振以及两个30pf的电容组成，为整个51单片机系统提供振荡频率，保证系统时钟的正常运行。电容的充放性能不仅有效的保护了振荡器的稳定性，更为重要的是在充放过程中减少了其寄生电容的产生，提高了整体的稳定性。晶振通过XTAL1和XTAL2与单片机进行相连。在现实中常常使用FSOC来表示内部时钟方式产生的时钟信号的频率（晶振固有频率）。如果FSOC为12MHZ，那么应该选择12MHZ的晶振[9]。外部时钟模式：外部时钟的工作模式主要由外部电路提供的信号来判断和操作，外部电路直接连接单片机的XTAL1针端口，而不是XTAL2针端口。单片机的复位口是RST口，当电源通过单片机时，时钟电路开始正常工作[10]。当RST端口接收到的高电平持续时间大于两个机器周期时，MCU和MCU将执行复位操作，或者当定时器计数溢出堆栈时，MCU也将执行复位操作。3.2显示模块在系统的设计过程中，需要一个显示器来显示土壤水分值。目前设想的参考显示器有两种，一种是12864液晶显示器，另一种是LCD1602液晶显示屏显示器。对于LCD1602来说，英文的字母是一种特殊的显示方式，它可以同时显示16*02，即32个字符，并且有一定的显示效果，比如字符一个一个地显示，字符从左到右或从右到左显示。因此，选择LCD1602模块，在日常监测和观测中实时显示现状。当实物编程时，显示屏上的数字一个接一个地显示出来，在极短的时间内使所有想要显示的内容显示，由于视觉残留这种现象，在人眼中会出现想要显示的内容。LCD1602外部引脚如图4所示：图4LCD1602外部引脚3.3A/D的转换对于A/D模块，选择了ADC0832，主要原因是ADC0832的数据校对是通过双数据输出完成的，ADC0832可以独立输入，因此处理器可以更方便地控制多个设备。另外，由于其性价比高、体积小、兼容性强，受到了广大企业和供应链爱好者的喜爱，其知名度一直很高。温湿度传感器向单片机发送模拟信号时，必须对模拟信号进行采样、维护、量化和编码。ADC0832引脚如图5所示：图5ADC0832引脚图其工作时序图如图6所示：图6ADC0832转换工作时序在完成从高到低的跳变后，第一个时钟脉冲的上升沿，测得DI=1，第二和第三个时钟上升沿输入A-D通道地址选择：00和01为差分输入，10和11为单端输入，第三个时钟下降沿，DI关断；第四个时钟是ADC0832，稳定由多路复用器选择的信道，并从高阻态移除DO。3.4继电器继电器常用于其控制自动化电路中。其实，它可以看作是一种用小电流控制大电流的自动开关。继电器有很多种。它们大多由线圈、铁芯、电枢和接触弹簧组成。当有电流通过时，电机内部会产生电磁效应，使电机工作。如果线圈没有通电，就不会产生电磁效应，弹簧就会折断。由于牵引力的作用，通过控制线圈的通电和断电，可以实现电枢与两个触点之间的选择性连接，从而达到断开和导通电路的目的。具体实物如图7所示：图7继电器3.5物联网模块它有监督的任何其他设备的电源，也可以很容易地下放Wi-Fi网络与其它系统连接。当DHT11把数字信号传入ESP8266后，它会有两个方向的数据传输，一个方向是传入手机端，ESP8266有两种工作模式，一个是AP，即热点模式，另一个是WIFI模式，它的工作频段为2.4GHZ，当把数据通过芯跳包传入BLINKER中转服务站时，在BLINKER这个APP中通过数值在手机端显示出来。另一个方向是当接收到DHT11的数据后，ESP8266通过一个I/O口产生高电平，然后传入单片机，单片机内部通过一个判断语句，判断是否低于设定的数值，单片机再通过P1.6端口产生一个高电平，传入继电器端的3.7I/O端，控制水泵浇水。3.6温湿度模块DHT11传感器是一个根据原来已经有的数据，通过和传来的新数据作比较的工作原理，它是一个多功能传感器，可以监测温度和湿度。一般由于它的可靠性跟稳定性，用来数字模块采集还有温湿度传感。当湿度变化时，会导致电容周围的湿度发生变化，最终会导致电容的阻值发生变化，电容的值和湿度值成正比例关系。该电容器具有灵敏度高、响应速度快、延时小等特点，易于小型化和集成化。因此，该产品具有品质有保障、响应速度快、抗干扰能力强、性价比高等优点。DHT11有三个引脚接口，1pin引脚连接到VDD电源端子，2pin引脚连接到一个5欧姆的上拉电阻器，然后借用MCU，4Pin引脚连接到GND端子。细节如图8所示：图8DHT11的连接4.系统软件设计4.1流程和运行过程本软件的设计是在keil的环境下实现的，它简单易操作，我们所使用的的代码是利用C语言。语言比较基础，便于上手，可读性强，逻辑性强。下面是它的流程图如图9所示：图9总体程序流程图首先对系统进行初始化，温湿度检测器通过土壤所传来的信号，再通过A/D转换模块把模拟信号转化成数字信号，传入ESP8266中，然后传入BLINK中转服务站查看实时情况，同时在手机端显示，可以通过按键远程控制浇水。另一方面传递给系统的大脑单片机，单片机经过处理内部判断是否达到所需要浇水的标准，若降到所设置的标准线以下，则驱动继电器打开驱动水泵电路进行浇水，若没有达到设定值，则返回重新判断。4.2LCD1602显示程序对LCD1602进行初始化，判断是否有按键按下或者在继电器处有无高电平产生，然后进行按键扫描，若有产生，则在显示屏处显示当时的温湿度及浇水的量是否到达最低设定量等所显示情况，若没有，则继续显示当前数据且无水泵浇水显示，具体流程如图10所示：图10LCD显示流程4.3按键程序按钮具有机械性能。但按钮关闭后，不能立即保存好接触，20次来来回回弹跳。这个时间很短。但是对于每秒可以执行数百万条指令的MCU来说，这个时间相对较长。在这段时间上下抖动，单片机会多次读取高低电平。如果处理不当，系统将假定该键已被按下多次。事实上，我们一直用手按压，次数不多。如果要正确判断按键是否按下，系统需要避开这段时间。根据按钮的一般规律、机械特性，这段时间将在10ms~30ms的范围内[10]。4.4ADC0832芯片接口程序为了使信息流快速有效，系统需要使用C语言编写接口程序。模数转换装置ADC0832的转换时间只有32微秒，因此A/D转换的频率会非常快，这也保证了某些特定场合对A/D转换数据的要求。程序中的数据是以子程序的方式形成的，这有利于程序的迁移。系统验证与调试结果5.1仿真设计本文通过电阻的正确变化，实现对湿度传感器的模拟，使液晶显示器显示相应的数值。然后通过中键模块输入相应的温湿度上下限。当湿度低于一定值时，单片机控制蜂鸣器通知处理。当湿度低于一定值时，需要给它浇水，单片机控制电磁阀浇水。当湿度达到一定值时，单片机控制电磁阀关闭洒水器。下图是它的具体仿真图如图11所示：图11仿真图5.2实物展示下图是的器件的散件，主要含有洞洞板、LCD1602、ESP8266、51单片机、电容、电源线以及若干不同阻值的电阻。具体如下图12所示：图12实物散件5.3硬件调试根据电路原理图，焊接出实物，在将程序烧录到AT89C51单片机中。将电源接通，然后改变土壤的湿度，观察显示屏数据是否在变化，若随着温湿度的变化，显示屏的数值也随之变化，则证明线路连接正常，显示屏正常工作。当显示正常时，按下按钮，水泵正常运转，进水将正常抽灌，水泵正常工作。在手机端观