基于单片机的暖棚自动喷灌系统设计

摘要题目基于单片机的暖棚自动喷灌系统设计前言摘要节水灌溉自动控制技术的水平与现代化农业的发展息息相关，节水灌溉系统自动化程度低是影响我国高效农业发展的主要原因。本设计的主要内容是以STC12C5A60S2单片机为核心，设计STC12C5A60S2单片机系统电路、电源电路、温湿度检测电路、显示电路、驱动电路等组成智能节水灌溉自动控制系统。采用土壤湿度传感器和PCF8591转换器构成土壤湿度检测电路，采用DS18B20传感器来实现土壤温度的检测，采用DHT11模块则可完成空气温湿度的检测。当单片机需要采集数据时，土壤湿度传感器采集得到的模拟信号通过PCF8591转换得到数字信号，18B20传感器、DHT11模块采集直接得到数字信号，传递给单片机进行处理。关键词：单片机；PCF8591转换器；温湿度的采集；水泵调速

AbstractThelevelofautomaticwater-savingirrigationcontroltechnologyiscloselyrelatedtothedevelopmentofmodernagriculture.Thelowdegreeofautomationofwater-savingirrigationsystemisthemainreasonforthedevelopmentofhigh-efficiencyagricultureinChina.ThemaincontentofthisdesignisSTC12C5A60S2single-chipmicrocomputerasthecore,designSTC12C5A60S2single-chipsystemcircuit,powersupplycircuit,temperatureandhumiditydetectioncircuit,displaycircuit,drivecircuitandotherintelligentwater-savingirrigationautomaticcontrolsystem.ThesoilmoisturesensorandthePCF8591converterareusedtoformthesoilmoisturedetectioncircuit.TheDS18B20sensorisusedtodetectthesoiltemperature.TheDHT11modulecanbeusedtodetecttheairtemperatureandhumidity.WhentheMCUneedstocollectdata,theanalogsignalcollectedbythesoilmoisturesensorisconvertedintoadigitalsignalbyPCF8591,andthedigitalsignalisdirectlyobtainedbythe18B20sensorandtheDHT11module,andistransmittedtotheMCUforprocessing.Keywords：MCU;PCF8591Converter;TemperatureandHumidityCollectionandDisplay;Pumpspeed目录前言 1第1章绪论 21.1设计的意义与依据 21.2国内外发展概况 23第2章系统总体设计方案 52.1喷灌技术 52.2系统总体方案 52.3系统功能 62.4系统自动控制原理 62.5本章小结 8第3章电路硬件设计 93.1硬件设计简述 93.2模数转换模块 93.3数据采集模块 103.4驱动模块 123.5显示模块 143.6灌溉模块 143.7本章小结 15结论 16参考文献 17第1章标题1绪论1.1设计的背景与意义水是生命的源泉，地球上的生命会随着水资源的干涸而枯竭。随着时间长河的流逝，农业生产所必需的水资源短缺到了前所未有的水平，随着新世纪的推进和社会的进步，这种情况将会更加严峻。水危机是世界范围内的一个重要问题。利用自动控制技术来缓解甚至解决这场危机将成为人类的主要解决方案。随着计算机和传感器技术的飞速发展，其日益降低，可靠性能日益提高，利用现代信息技术改造农业生产已经成为可能可能的。节水灌溉技术的自动控制水平与农业现代化的发展速度有关，灌溉系统自动化程度较低是影响中国农业高效发展的主要原因。开发自动控制植物灌溉系统除了能减少所需的工作量之外，还可以在产量、质量和节水方面能够精确、定量、定期和有效地为植物提供水，更重要的是能够达到节能的目的。设计一个能够自动控制作物灌溉的系统可以减少劳动力，更重要的是可以自动、准确、定期、定量和有效地供给水分以提高产量和质量，并且节水、节能。我国先后引进了以色列、美国等节水技术较为发达的国家的先进灌溉管理设备，但价格极其昂贵、难以维护，其中大部分用于农业示范区、科研项目或者高等学府，而且不符合我国土壤的使用特点。中国现代灌溉控制系统的开发和使用才刚刚开始，作为世界上数一数二的农业大国，中国研发具有自身特色的适合我国国情的低成本、简单实用、系统功能全面的智能化节水灌溉自动控制装置是一项极有意义的工作。1.2国内外发展概况相比于中国来说，西方发达国家节水灌溉的应用领域和工业化程度很高，节水灌溉系统的大规模推行和采用使得用水效率大大提升。目前，正在积极研发具有世界上更好的节水灌溉技术的国家有以色列、美国、埃及、西班牙等，并且这些节水灌溉技术会朝着其他方向进一步发展，如低压节能；喷灌、滴灌相互学习，共同发展；改进设备以提高多目标性能；产品趋于标准化、系列化。大多数拥有更先进节水灌溉水平的国家，使用自动遥控和微机管理可以让设备更加耐用可靠。大型喷灌机很大程度上用于面积较大的单一作物的栽培，节能型小型喷灌机绝大多数用于面积较小的多品种的栽培。这些设备具有灌溉、施肥、排水、防虫害等功能，性能较为可靠，然而它们的价格十分昂贵，施工较麻烦，对工作人员的综合素质要求较高，不符合我国的实际情况。国外对温度控制技术的研究非常快，在1970年代，第一组模拟设备被用于现场数据收集，实现记录和控制。在1980年代后期，为收集和控制计算机数据而开发了分布式控制系统等控制系统。如今，温度测量和控制技术在世界范围内发展迅速。自二十世纪五十年代开始，我国开始节水灌溉的研究，在灌溉自动控制方面还处于研制、试用阶段，能在实际生产生活中应用并且适用范围较广的灌溉自动控制器还不多见。目前大多数使用的电子类灌溉自动控制装置是中国从国外进口的，虽然质量性能相对来说比较可靠，但价格昂贵，不太适用中国的实际国情。现在国内常见的灌溉自动控制装置主要有两种，一种是电子类灌溉自动控制器，又被称为时控喷淋装置，系统主要由主机、主管、分水接头、副管和喷淋管构成，控制装置的主要性能则如下所述：电磁阀控制；智能时控电路、微电脑芯片控制；AC220V/50Hz是其适用电源；0.3-0.6Mpa为其最适水压；相对湿度小于90%RH等。另一种是玻璃、陶瓷类灌溉自动控制器，又被称为自动渗水装置，由本身材质的物理结构构成，根据物理渗水原理完成自动灌溉，根据装置制作工艺的不同，灌溉效果也大不一样，除此之外土壤的疏松情况也很大程度上影响灌溉的速度。国内的节水灌溉还没有形成规模，大多属于试生产或小批量生产，产业化和社会化程度较低，其性能还有待于在实践中检验和提高。我国智能节水灌溉自动控制系统的研发与国外同类设计相比还是有不小的差距，也存在不少的问题，如：1.我国节水灌溉控制器缺乏自主创新性，绝大多数还是参照、仿制国外的产品；2.技术开发研究体系还不完善，也没有受到相应的关注和重视；3.缺乏专业研究人才等。1.3研究方法此次毕业设计是设计一种单片机控制的灌溉自动控制系统，实现土壤灌溉的自动化，该系统可对土壤、空气温湿度进行检测、监控，并对作物进行适时适量的灌溉，其核心是空气、土壤温湿度采集，LCD1602显示电路以及驱动电路构成的检测控制部分。选用STC12C5A60S2系列单片机作为中枢，采用C语言来进行系统的软件编程，利用模块式结构进行设计，土壤温湿度检测模块采用土壤温湿度传感器，空气温湿度检测模块利用空气温湿度传感器实现，通过PCF8591转换器完成模数转换模块的搭建，然后将采集到的空气、土壤温湿度的数据传递给单片机进行处理，并送到显示电路显示实时的温度和湿度。设定不同的土壤湿度范围，经过单片机逻辑控制，通过PWM调压调速调节水泵电压控制滴灌的压力和流量，实现水泵转速连续可调的灌溉，超出设定的湿度范围，水泵则不动作，不进行灌溉。第2章REF_Ref168484424\h业务规则发现及管理2.系统总体设计方案2.1喷灌技术喷灌是将自然下落形成的或者通过泵压技术加压形成的水，通过管道系统送到田间，然后通过特定的喷头喷射到空气中，形成肉眼不可见的细小水珠，并均匀的溢出，对于农作物来说，达到自动灌溉的目的。喷灌在我国的用途极其广泛，几乎适用于所有田间作物、蔬菜、树木等，该技术对地形、土壤等条件适应性极强，一般可以节省30%到50%的用水量，使其增产10%到30%。与传统的灌溉技术相比，喷灌技术实现了灌溉的机械化、自动化，加快了农业现代化进程。2.2系统总体方案根据实际情况和系统设计要求，此次设计以STC12C5A60S2单片机为信息处理核心，通过C语言编程实现对空气温湿度和土壤温湿度的实时检测，主要以土壤湿度为变量，当检测的实际土壤湿度低于最低设定限度或者在设定的土壤湿度区间时，灌溉装置将会动作，自动进行灌溉，体现现代化智能系统的设计要求。系统选用STC12C5A60S2单片机，软件编程采用C语言作为汇编语言，利用模块化结构的设计，完成对土壤和空气温湿度的检测、数据采集以及控制。土壤湿度检测电路由土壤湿度传感器和PCF8591转换器组成，土壤温度检测采用的是DS18B20温度传感器，空气温度、湿度检测则用DHT11数字式温湿度传感器。数据采集时，土壤湿度传感器采集得到的模拟信号通过PCF8591转换得到数字信号，DS18B20温度传感器、DHT11数字式温湿度传感器采集直接得到数字信号传递给单片机，由单片机中的软件编程进行处理。最后把经过程序处理的空气、土壤温湿度数据送到显示电路进行显示，实现对土壤和空气温湿度的实时监测。同时设定不同的土壤湿度范围，经过单片机逻辑控制，通过PWM调压调速调节水泵电压控制滴灌的压力和流量，实现自动调速灌溉，从而实现实时精准灌溉，有效降低灌溉的用水量，提高用水效率。系统框图如图2.1所示。图2-1单片机控制系统框图2.3系统功能现实生活中的很多农作物都有其适宜生长所需的湿度、温度范围，超出或者低于这个预期的范围，作物的生长都会受到一定程度的影响，因此该系统的设计要求用来检测和控制对农作物生长产生影响的温度、湿度等因素，实现对这些因素变化时数据的采集、处理，进而输入执行机构采取相应的动作，以达到节水节能、省时省力的目的。其具体的功能如下：1.按照农作物生长的需要开启和关闭水泵，结构简单，易于操作，实现一般情况下的控制和作物按需灌溉功能。2.通过土壤温湿度传感器、空气温湿度传感器实时检测农作物生长所需的环境因素，根据作物生长所需的环境因素设定与之相对应的湿度范围，由单片机控制水泵开启和关闭，由PWM调压调速控制水泵的灌溉速度，从而实现对土壤湿度的调节，当采集到的土壤湿度数值高于系统设定的上限值，灌溉系统自动关闭。2.4系统自动控制原理系统采用STC12C5A60S2单片机作为土壤、空气温湿度数据处理核心，STC12C5A60S2系列单片机是单时钟/机器周期的新一代8051单片机，其内部包含了中央处理器、数据存储器、程序储存器、PCA、UART串口、高速A/D转换、I/O接口、SPI接口、看门狗及片内R/C晶振器和外部晶振振荡电路等模块。指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换(250K/S)，适合电机控制，强干扰场合。自动控制也就是反馈控制，将采集到的土壤湿度与设定的土壤湿度值进行比较，并将比较后的结果反馈给单片机，单片机根据比较的偏差产生PWM波给驱动模块发送指令，驱动模块驱动水泵转动，同时驱动模块将单片机产生的PWM波进行信号处理，转化成可调的直流电压信号输送给水泵进行自动调节，实现自动灌溉。图2-2系统控制电路图表2-1单片机I/O分配表I/O分配作用P0LCD1602数据端口P1.3产生PWMP1.6DHT11P1.7土壤湿度P2.0SDA线P2.1IIC时钟线P2.5LCD1602RSP2.6LCD1602RWP2.7LCD1602E2.5本章小结本章首先介绍了喷灌技术的含义，根据实际情况和设计要求，制定了总体设计方案，并由此画出系统控制框图，同时也说明了系统设计完成后所达到的效果，最后根据系统的控制原理通过AltiumDesignerSummer09软件画出了系统整体的控制原理图以及I/O分配表。结论3.电路硬件设计3.1硬件设计简述本设计选用的是STC12C5A60S2单片机，硬件主要是由单片机以及与其直接相连接的检测控制部分组成，该系统的硬件部分主要包含以下几个组成部分：1.单片机控制模块2.模数转换模块；3.数据采集模块；4.驱动模块；5.显示模块；6.灌溉模块；7.模拟量输入模块。STC12C5A60S2单片机中包含如下几个主要部件：CPU、程序存储器、计数器、I/O接口、看门狗、PCA等模块。主要性能特点如下：Flash的程序存储器为60KB；速度快：内核为增强型8051，其比普通的8051快6至12倍；电压范围较宽，有不同的范围区间可以选择；功耗较低，有不同的模式可供选择；有8个通道，速度可以达到25万次/秒，同时2路PWM可当做2路D/A使用。配有4个16位定时器，可以兼容平常的8051定时器。3.2模数转换模块本次毕业设计的模数转化模块采用了PCF8591，该芯片是单电源低功耗的数据采集器件，8位CMOS，具有4路模拟输入，一路模拟输出和一路串行I2C接口，I2C总线最多可连接8个器件，不要额外器件。该芯片所能使用的地址包括固定部分和可编程部分，可编程部分需要根据地址引脚A1、A0、A2来设置。在程序的开始，单片机需要对该芯片进行初始化，发送三个字节。第一个字节是器件的地址字节，总共八位，有七位是地址，一位是读写方向，高四位是0b1001，紧接着三位是A2、A1、A0，均接GND。图3-1PCF8591地址字节PCF8591接收的第二个字节存放在控制寄存器，用于控制功能。该芯片接收的第三个字节存放在A/D数据寄存器，将采集到的电压值转化为八位数值存放在数据寄存器，然后通过I2C协议发送给单片机，单片机接收后转化为对应的十进制数据，最后分位输送给显示模块。3.3数据采集模块本系统的数据采集模块主要是土壤湿度传感器、DS18B20传感器、DHT11数字式温湿度传感器，以此来实现对土壤、空气温湿度实时数据的采集。3.3.1土壤湿度传感器土壤湿度传感器，也称为土壤水分传感器，采用FDR频域反射原理，通过介质中电磁波传播频率来测量土壤的表观介电常数，得到土壤相对含水量，主要应用于节水农业灌溉、草地牧场、温室大棚、土壤速测、植物培养、花卉蔬菜、科学试验等场领域，主要用来测量土壤相对含水量，做土壤监测及农业灌溉和林业防护，其功能和特点有以下几个方面：1.结构设计合理；2.应用比较广泛，土壤影响小；3.测量精度高，响应速度快等。其优点有简便、安全、快速、准确、定点连续、自动宽范围校准、校准少等。技术参数：测量参数：土壤相对含水率；单位：%(m3/m3)；量程：0~100%；探针长度：6cm；探针直径：3mm；探针材料：不锈钢；密封材料：环氧树脂；测量精度：±3%；工作温度范围：-30℃~80℃；工作电压：5~12V或12-24V；工作电流：21~26mA，典型值21mA；输出信号：4-20mA或485信号；测量稳定时间：2秒；响应时间：<1秒；电缆长度：2米(标配)。图3-2土壤湿度传感器3.3.2DS18B20土壤温度传感器用DS18B20传感器测量土壤的实际温度，输出信号直接为数字量。传统温度测量技术的许多外围设备不是处理和控制单个管芯所必需的，并且该芯片的物理化学性质非常稳定，可用作工业温度测量元件，该元件具有更好的线性特性。DS18B20的最大特点之一是单总线数据传输，包括DS18B20温度计和STC12C5A60S2微控制器，可直接输出数字温度信号，因此，温度测量系统的结构相对简单并且体积不大。DS18B20可以通过两种方式供电。一种是使用一个电源直接供电，另一种是通过数据线供电。在此设计中，使用的是第二种方法将P2.2端口连接到由上拉电阻和P2.2组成的单线总线，以确保有足够的电流通过DS18B20的有效时钟周期。图3-3土壤温度传感器电路引脚图还可选择PT100系列PT100温度传感器，PT100温度传感器的温度敏感材料是铂金属。PT100温度测量主要通过改变导体的电阻来完成。当环境温度变化时，铂金属会感觉到它，并且会稍微改变其自身的材料性能。这种变化将改变电阻率。热电阻温度传感器具有精度高，稳定性高，可靠性高，寿命长的特点，是测量温室温度的理想选择。PTI00温度传感器是一个正温度系数热敏电阻传感器。主要技术参数是:允许通过的电流:I<=5mA；测量范围:-200℃—+850℃；热响应时间:t<=30s；允许的偏差值△℃:A级士(0.15+0.002∣t∣)，B级士(0.3+0.005∣t∣)；热电偶的最小置入深度:必须满足H=>200mm。图3-4PT100温度传感器原理图3.4驱动模块本系统的电机驱动模块采用了12V/15A小功率直流电机驱动器，使用单片机产生PWM波控制电机的转速，该驱动板使用了2个F3205S场效应管构成的半桥，对PWM波的信号进行处理。通过开关电源将220V交流电源转换成12V直流电源给驱动模块供电，并且该驱动板具有DC-DC转化功能，为单片机提供5V电源。驱动模块主要是用来将单片机产生的PWM波转化为水泵转动所需要的0到12V直流电压。水泵转速的控制采用的是PWM调速即脉冲宽度调制，脉冲宽度调制的原理是通过单片机产生占空比不同的方波来对应水泵的不同转速，占空比越大转速越高，占空比越小转速越低，理想情况下占空比和转速呈线性关系。在本系统中，土壤湿度也与占空比呈线性关系，土壤湿度越大占空比越小，土壤湿度越小占空比越大。STC12C5A60S2单片机的PWM波是由PCA模块产生的，在该模块中，CL是定时器的低八位寄存器，CCAP0H是数据寄存器，它们均在0到255的范围内变化，将CCAP0H的值与CL进行比较，CL的值大于CCAP0H的值，管脚输出低电平，反之，CL的值小于CCAP0H的值，管脚输出高电平，改变CCAP0H的值，就会改变PWM波的占空比，进而改变水泵的转速。图3-5PWM占空比与水泵出水量的关系以及土壤湿度与PWM占空比的关系3.5显示模块系统的显示模块主要采用了1602字符型液晶显示屏，该显示屏可以显示两行内容，每一行十六个字符，一共三十二个字符，每一个字符由5x11的点阵组成。1602液晶显示屏一共有16个引脚，一号管脚为VSS电源地，二号管脚为VCC电源正极，三号管脚为液晶屏的对比度调整端，四号管脚为RS寄存器选择，五号管脚为RW读写信号线，六号管脚为EN使能管脚，七到十四管脚为双向数据端，十五与十六管脚为背光灯电源。图3-61602液晶显示屏接线图在节水灌溉自动控制系统中该显示屏的第一行用来显示土壤温度和土壤湿度两个信息，显示精确到小数点后一位，显示为“TSXX.XTWXX.X”，第二行用来显示空气温度和空气湿度两个信息，与第一行显示的精确度和显示方式一样。3.6灌溉模块灌溉模块采用的是喷灌技术，该模块主要由水泵、水源、管道和三个喷头四部分组成。本次设计选用型号为JY-6162的直流水泵，输入电压为直流12V，最大电流为8A，开口流量为5L/min，最大压力为8kg，其作用是抽水，并将水流以一定的压力输送到管道。对水源的选取要求水源干净无污染、水量必须充足，可用自来水、井水、水库中的水等，除此之外系统对水源无特殊的要求。管道使用的是PVR管，这种类型的管道是近年来国家强制推荐使用的食用水源专用管道，是新型管道建材，它具有良好的耐腐蚀性、良好的耐热性、重量较轻、卫生无毒，可使用50年以上。喷头是水泵与灌溉模块的重要组成部分，水具有一定的压力时喷头才能工作，此次喷头选用的是管孔型喷头，可以调节水柱至雾化和关水，此喷头是三通的，可以进行接收水源、喷灌以及将水传输给下一个器件，其出水孔直径小于1mm，雾化效果较好。当检测到的土壤湿度较低时，单片机产生的PWM波经驱动模块放大后，驱动灌溉模块进行灌溉，水泵通过管道从水源处开始抽水，使水具有一定的压力通过管道流经喷头，喷头将水以水柱状或者雾化状态喷洒在农田，完成灌溉。图3-7灌溉模块简图3.7本章小结本章主要说明了节水灌溉自动控制系统硬件部分的设计过程。主要介绍了与单片机直接相连的模数转换模块、数据采集模块、驱动模块、显示模块和灌溉模块的简介、功能、作用以及原理图，每一部分都进行了详细地叙述。结论这几个月的时间里，我不断学习与毕业设计相关的各种知识，例如单片机的应用、硬件模块的功能、编程设计等，除此之外，我还在网上检索与毕设相关的各种文献和资料。遇到不懂的问题，我先尝试着自己去钻研、解决，如果自己实在无能为力，我就会去找指导老师以及身边的同学寻求帮助。记得在编程的时候，开始是用89C51单片机作为信息处理核心，结果发现，51单片机的资源被占用，CPU内存不够，主程序的运行速度会被拖的很慢，最后决定换用STC12C5A60S2单片机，以它作为核心，因为12单片机可以产生PWM的寄存器，很好地解决了上述问题。之后我去找指导老师说明这件事，老师很支持，并给予我鼓励，让我有了更大的动力去完成我的毕设。参考文献金永奎,李强,