【基于单片机的自动浇花系统的设计与实现13000字】

基于单片机的自动浇花系统的设计与实现目录 3 3 31.2国内外研究现状 41.3本论文章节安排 5第2章系统方案选择 62.1总体方案设计 62.2主控制模块选型 72.3信息采集模块选型 7 82.5蓝牙模块选型 8第3章系统硬件设计 9 93.2主控制模块 3.3信息采集模块 13.4A/D转换模块 3.6LCD显示模块 3.7驱动控制模块 3.8报警模块 3.9蓝牙模块 4.1系统总体流程图 4.2信息采集模块 224.3A/D转换模块 4.4按键输入模块 4.6蓝牙模块 第5章系统调试与分析 6.1总结 6.2展望 参考文献 33 34 环境的土壤温度值、土壤湿度值和光线值，其次利用A/D转换模块将模拟信号数字LCD上对数据信息进行显示，控制相应的外接驱动处理模块进行浇水、通风和补光等工作，实现智能浇花的目的。另外用户可通过手机APP,实现实时监测与控制。第1章绪论当导致死亡的盆花就有80%以上[21。当前市场上的自动浇花系统存在着一些缺陷也的进行浇灌，容易造成水资源的无效利用以及盆花的死亡。基于此背景下，一款由单片机为控制核心的自动浇花系统就可以很好地改善人居环境和充实个人精神世界。自动浇花系统能够通过采集土壤湿度、室内温度以及光照强度等数据，并对数据分析处理进而控制工作，实现智能浇花的目的。以单片机为控制核心的自动浇花系统能有效解决当前买花容易打理难的问题，弥补市场上自动浇花系统的一些缺陷3。其转变了传统的浇花管理方式，让盆花的种植紧跟时代步伐，实现精细化和智能化管理4,减轻繁琐的浇花工作的负担，更好地解放人力。国外对绿色植物自动浇花设备的研究较早，已经有很多产品在我们生活中的应用。而国内起步较晚，当前市场上现有的智能浇花产品来源于进口，且造价高、实用性差，销量低5。KartikSinghal及其团队研发的盆栽花卉管理专家系统[6,工作原理是利用统计学得出植物最适宜生长的土壤湿度值，并设定为阈值，与检测的湿度值比较，进而控制对植物进行渗透式浇水。2003年，曹奉利及其团队设计了一款虹吸式自动浇花器71,通过设置虹吸式出水管，达到渗透滴灌的目的。以上两种自动浇花系统均是采用虹吸原理进行浇花，此类浇花方式通过弱小的流水量来达到湿润根部的目的，这个过程是持续的、连接的，这种方式虽能确保植物对水的需求8,但存在一些缺陷；例如不能根据植物的需求量进行浇水，造成费水、费人、费力；遇到多雨季节，下雨较多的情况，而有些花不需要太多的土壤水分，会导致根部腐烂，甚至淹死。研发了一套具有定时浇灌功能的浇水系统9。武汉市第十一中学设计了一种定时浇花机10,利用声控开关进行控制浇水，浇花用水的时间由声控开关而定。以上两种自动浇花系统都是以设定浇灌的时刻和具体时长，完成对应的浇灌作业。这类浇花系统虽能解决时间忙不能为盆花浇水的问题，但存在以下缺陷：一是未设置相应的检测环节，不能做到实时检测植物需要浇水的时刻；即不能知道植物需水的具体时间，需求量为多少，导致设定值产生较大误差[11,浇水的不及时、不适量会影响花草生长，更严重的话会造成枯萎。二是系统功能过于单一，不能做到根据植物生长特性和环境来确定需求，受限于固定的浇灌时长，不能对需水量进行调节，2011年，杨守建设计了一套家庭自动浇花装置[13,此装置是以单片机为控制核第2章系统方案选择本系统是以单片机为控制核心，对盆花生长环境中的土壤湿度、土壤温度以及光照强度采集，并与设定阈值进行比较，判断是否需要浇水、吹风降温以及补光，如果需要，则单片机系统发出信号，并且警报灯响，开始控制驱动进行相应工作；如果不需要，则进行下一次循环检测。同时设置一个蓝牙模块，用于连接手机，进行实时监控与远程控制。要实现的最终目标：1)利用传感器采集盆花土壤的湿度、温度等信息；2)利用单片机实现盆花土壤湿度的自动控制；3)建立单片机与手机的通信，实现用户对盆花生长环境的远程查看和控制本系统共分为8个模块，分别是主控制模块、信息采集模块、A/D转换模块、按键输入模块、LCD显示模块、驱动控制模块(包括水泵驱动、风扇驱动和继电器补光驱动)、报警模块和蓝牙模块。系统设计整体框图如图1所示。图1系统设计整体框图主控制模块采用单片机，用于控制系统的运行。信息采集模块由温度传感器、湿度传感器和光敏传感器构成，温度传感器主要对盆花的生长环境的温度信号进行采键，用于预先设置限值(阈值)、以及手动和自动模式的切换。LCD显示模块将单继电器补光，用于进行相应的处理工作。报警模块由LED二极管灯构成，用于采集方案一：采用MSP430单片机进行本次“自动浇花系统”课题的设计。MSP430单片机是一款集成模拟电路、数字电路和微处理器的低功耗单片机，,因此又称为“混合处理器”,内部含有10位AD转换功能，但存在电压使用范围较小、缺少过载保护和无内置EEPROM等缺点。方案二：采用51系列单片机进行本次“自动浇花系统”课题的设计。51系列单片机是由Intel设计生产的一款8位单片机，,内设有一套完整的按位操作系统，具有32个通用I/O□。具有操作简单、成本低的特点，但存在有运行能方案三：采用单片机STC89C52进行本次“自动浇花系统”课题的设计。STC89C52是由STC公司推出的一款低耗高效的CMOS8位微控制器，内置有定DHT11温湿度传感器是具有输出数字信号功能的传感器，具有处理能力强、灵滞后性、使用简单高效、防水性能好、小型化和集成化等特点。ADC0832是一种8DS18B20是一款具有输出数字信号功能的温度传感器，可采用数据线的方式进量环境以及性价比等各种因素，采用方案二中的YL-69土壤湿度传感器结合LCD1602是基于HD44780芯片而制成的，能够显示字母、数字和一般性字符，TFT-LCD显示屏是一款利用薄膜晶体管的液晶显示器，虽具有显示效果好的特2.5蓝牙模块选型本系统设计选用的蓝牙模块是HC-05蓝牙芯片，第3章系统硬件设计本系统采用模块化进行，一共包括8个模块，分别为：1)主控制模块2)信息采集模块(土壤温度、土壤湿度和光照强度采集)3)A/D转换模块4)按键输入模块5)LCD显示模块6)驱动控制模块(包括水泵驱动、风扇驱动和继电器补光)7)报警模块8)蓝牙模块。利用A/D转换器将模拟信号转换成数字信号输出给主控制模块，再传输到显示模块显示模块显示的功能。通过P1□与信息采集模块、A/D转换模块以及水泵驱动模块风扇驱动模块相连接，实现对出现情况的处理工作。通过P3□与按键警模块以及蓝牙模块相连接(与蓝牙模块是串口连接方式),实现阈值预设、模式切3.2.2STC89C52介绍STC89C52是由STC公司推出的一款低耗高效的CMOS8位微控制器，由于其内P3□中的32个I/O端□作为控制引脚，一个或多个I/O端口对一个模块进行控制。STC89C52引脚图如图2所示。XD)P3.1ALE/FPROG6543209H.......图2STC89C52引脚图单片机最小系统主要包括晶振电路，复位电路。高，电容充满电后，RST处电压达到3.3V,单片机进入正常工作状态；当设定的程序跑飞，不能正常工作时，利用按键S1手动复位。单片机最小系统如图3所示。XTALI086592图3STC89C52单片机最小系统3.3信息采集模块DS18B20是一款具有输出数字信号功能的温度传感器，可采用数据线的方式进土壤湿度采集选用的是内置湿敏电容的YL-69湿度传感器，由于湿敏电容与湿出电压的变化，这样就实现了由湿度变化到输出电压的变化。变化反映光线值。3.3.2信息采集模块的接线DS18B20的DATA引脚接单片机的P1.7引脚，其作用是实时监测土壤温度值，引脚为低电平时，提供使能信号，触发工作。其它两个端□分别接5V电源和接地。温度传感器接线图如图4所示。DD0PI.I(INTI)P3.3(IDP³.5044图4温度传感器接线图换。湿度传感器的1引脚接5V电源，2引脚接地；温度传感器的3引脚为采集的湿度信号输出端口，接A/D转换的CHO引脚，将采集的湿度模拟信号由此输入。光敏电阻一端接5V电源进行供电，另一端接A/D转换的CH1引脚，将采集的光线值模拟信号传输到A/D转换器，再并联一个接地电阻，以保护电路。湿度传感器、光敏光缓电阻KPD图5湿度传感器、光敏电阻接线图3.4A/D转换模块3.4.1A/D转换模介绍A/D转换模块选用的是ADC0832转换器，ADC0832能够将模拟信号数3.4.2A/D转换模块的接线CS引脚接单片机的P1.3引脚，当CS引脚为低电平时，提供使能信号，触发工与单片机的P1.4相连，发送同步时钟信号，实现信号同步DI引脚并联之后与单片机的P1.5引脚相连，形成单向通信。CHO经过ADC0832换算成相应大小的电压值经DI□传输到单片机。A/D转换模块接线图HHHHHHINTP32_.5P00PO1P02P03P0.4P0.5P06P0.720G P26 P2.4P23P22P2.1SDODT 2 h440Ck3.5.1按键输入模块介绍按键输入模块由电源电路和按键电路组成。电源电路由电源接□P2和电源开关SW1组成，电源输入方式以USB输入为主，电源开关以自锁开关为主。按键电路主要由S2、S3、S4和S54个按键组成。S2:加键；S3:模式选择键；S4:设置键；S5:减键(S1按键是复位键，在复位电路作用)。可利用按键对湿度、温度和光线的阈值进行预设置。3.5.2按键输入模块的接线按键一端接STC89C52的I/O□,一端通电。芯片的I/O□悬空时，初始值是高电平，不操作按键就会使I/O□电平不变，仍处于高电平状态。操作按键就使得高电平拉低成低电平，单片机不断循环监测I/O□,一经发现有低电平，便可以认为按下了按键。S5减键接单片机P3.4引脚，S2加键接单片机P3.5引脚，S3模式选择键接单片机P3.6引脚，S4设置键接单片机P3.7引脚。按键的另一端接低电平，当按下按键时，单片机检测到低电平，触发工作，执行功能。按键输入模块接线图如图7所示。业业TL一0颜阳P二二D0,一3.6.1LCD1620显示器介绍本系统采用背光型LCD1602显示器，其是一款基于HD44780芯片而制成的液晶屏，可以用来显示数字、字母以及一般性符号。这类LCD1602有16个引脚，分别是8数据4控制4电源，原理是利用区分电压的高低来显示，即区域电压高时、有电就3.6.2LCD1602显示器的接线首先对4条电源线进行接线，GND引脚和BG/GND引脚均接地，VCC引脚和BG/VCC引脚都接5V电源分别为显示器的液晶和背光灯供电。其次对DBO到DB7这8位数据总线进行接线，分别依次对DBO和P0.0、DB1和P0.1、DB2和P0.2、DB3对4条控制线进行接线，E接单片机的P1.2引脚，提供使能信号控制显示，当E由接单片机的P1.0引脚，控制寄存器选择；VO引脚处接一个2K欧的电阻，用于保护显示电路和稳定显示对比度。LCD1602显示器接线图如图8所示。下下 09应6KKK03.7驱动控制模块水泵驱动是采用三极管来实现所测高低电平控制水泵工作。三极管Q2的基极B接单片机的P1.6引脚，发射极E接5V电源；集电极C与水泵电机连接，水泵电机与电容相并联，防止短路现象烧毁电机，以保护电机的正常工作。当单片机P1.6引脚三极管截止，水泵电机停止浇水。水泵驱动接线图如图9所示。业业床XDP34T XL,风扇驱动是采用三极管来实现所测高低电平来控制风扇工作。三极管Q2的基极工作。风扇驱动接线图如图10所示。担担担二T_P6阳0险0附0門6IK出L06,电器K3又与发光二极管D3和电阻形成并联。当单片机的P2.0引脚输出高电平时，工作。继电器补光驱动接线图如图11所示。9H2541P3.51RIIKHHHHH0CHH2H图11继电器补光驱动接线图报警模块由蜂鸣器和LED报警电路构成，采用PNP三极管进行控制，三极管的基极B与单片机的P3.3引脚连接，发射极E接5V电源，集电极C接蜂鸣器和LED灯的并联电路；当土壤温度、土壤湿度以及光照强度的采集数据不在设置阈值之内时，闪烁报警；反之，为低电平，三极管截止，蜂鸣器不报警，LED不闪烁。报警模块D34发光二极管WR)P3.6红心40图12报警模块接线图XTAL2P2.2XTAL2P2.2 TX653446图13蓝牙模块接线图第4章系统软件设计本设计采用模块化进行，分为主控制模块、信息采集模块、A/D转换模块、按键输入模块、LCD显示模块、驱动控制模块、报警模块和蓝牙模块等8大模块。主控制模块由单片机构成，用于控制系统的运行。信息采集模块由温度传感器、湿度传感器和光敏电阻构成，温度传感器主要对盆花的生长环境的温度信号进行采集，湿度传感器主要对土壤湿度的信号进行采集，光敏传感器主要对光线值进行采集。A/D转换模块由A/D转换电路构成，用于将模拟信号数字化。按键输入模块电源电路和按键电路组成，用于预先设置限值(阈值)、以及手动和自动模式的切换。LCD显示模块将单片机处理过的数据转化成数值呈现出来。驱动控制模块主要有水泵驱动、风扇驱动和继电器补光，用于进行相应的处理工作。报警模块由LED二极管灯构成，用于采集值超出阈值时闪烁报警。蓝牙模块由蓝牙芯片电路组成，用于连接手机，进行实时监控与远程控制。本系统总体工作流程图如图14所示。Y继电器闭合，NN图14系统总体工作流程图将系统连接外接电源，打开电源开关，单片机通电运行。各系统开始初始化，读取单片机STC89C52中存储的数据。对按键模式进行检测处理，若处于按键手动操作模式，则流程结束并存储数据信息；若处于自动模式，则开始对土壤温度、土壤湿度以及光照强度信息进行检测采集，经过数据分析处理，并与预设阈值进行比较，判断显示采集的数据信息；若检测值不在预设范围内，报警器报警工作，同时各驱动模块开始相应所需工作(若土壤温度值高于预设值，风扇开始驱动工作，通风散热；若土壤湿度值低于预设值，水泵电机开始工作，进行浇水灌溉；若光线值低于预设值，继电器常开触点闭合，二极管开始补光)。当达到预设范围是，驱动模块停止工作，同时报警器停止报警。进入下一个循环。防水型DS18B20是一款具有输出数字信号功能的温度传感器，可采用数据线的方式进行供电，可使用的电压范围更广，效率更高，拥有负压的特殊性能，可以保护芯片。土壤温度采集流程图如图15所示。NYNY图15土壤温度采集流程图是否存在，若存在，则进行ROM操作命令，而后进入下一步操作写温度转换命令；接下来检测是否延时750us,若没有延时，重新检测，若延时了，进入下一步操作，4.3A/D转换模块ADC0832为8位分辨率A/D转换器件，单片机控制ADC0832进行采集电压首先需要发送一个初始化信号，然后进行选择需要采集的通道是单通道0、单通道1、双通道0、双通道1中的哪一个，选择完通道后单片机发送下降沿开始读数据，数据是一位位的串行传输并且高位在前，低位在后，直到将八位数据都采集完毕后将采集到的数据返回。ADC0832设计流程图如图16所示。否是否是数据□,数据□电平上升。然后，判断读取数据□是否为1,若不是则存储0,若是图17所示。YNNY序图17按键输入模块流程图接通电源后，首先系统对按键是否闭合进行检测，若不闭合，回到检测环节再检测；若闭合，则对延时子程序进行延时10ms的方式去抖动，消除抖动的影响；下一步再进行检测按键是否闭合，确认闭合之后，对按键的键值提取确认，同时调取按键处理子程序进行控制操作，最后结束进程。LCD液晶显示要完成显示功能必须先将命令写入对应地址，之后数据一次写入。LCD1602液晶显示按照正常接线连接芯片，通入电源即可显示。LCD1602显示模块流程图如图18所示。否否否是是接通电源后，系统进行初始化，首先判断第一行是否显示，若显示则根据在第几行显示利用公式add=0xc0+x计算地址，并将显示地址写入，若不显示，则根据在第几行显示利用公式add=0x80+x计算地址，并将显示地址写入，然后判断显示是否完成，若完成则结束，若未完成则将显示指针加1,返回循环判断是否显示完成。HC-05蓝牙芯片有三种访问形式，拥有调试接口和扩展中断单元。调试接口执行一个专有的两线串行接口，用于内电路调试。蓝牙模块设计流程图如图19所示。NNYY图19蓝牙模块设计流程图接通电源后，蓝牙设备进行初始化，系统读取数据，并检测与单片机之间的连接；连接上之后进入下一个检测环节，判断是否有手机与之配对连接；若无手机配对连接，则再检测与单片机之间的连接，进入下一个循环；若有手机与之配对连接，输入正确配对密码即可建立连接，手机可通过线上进行控制，直至断开连接。第5章系统调试与分析接等情况进行全面的检查，并通过对照PCB图来检查实物电路板的(1)根据系统设计，将系统所需部件连接好；(2)了解系统部件的原理，进行模块化调试；(3)对整个实物电路板进行综合调试(1)在原理图的设计过程中，发现DC电源接口在软件上查询不到，又找不到可以代替的器件；缺少了DC电源接口，就系统也无法运行。解决措施：经过查询资料之后发现可以了重新封装设计DC(2)在检查焊接过程中，发现个别元器件焊点不饱满，没有焊实，出现了虚焊(3)在通电检查实物连接情况过程中，发现当检测的土壤湿度较干旱时，水泵会驱动工作，蜂鸣器报警，但LED灯不闪烁报警。当出现室内温度超解决措施：经检查发现，发光二极管LED正负两极接反，导致LED不导通，不能及时报警。将LED灯取下，调整方向重新焊接上去，再次通电，蜂鸣器和LED报系统的软件部分是在编程软件Keil上设计完成以及仿真调试，并生成HEX.目标文件，下载之后上传到单片机中，以便于系统的调试，实现系统的仿真运行。这是一个不断编写不断修改的过程。以下是在系统软件调试过程中遇到的问题及对应措施：(1)在按键模块设计过程中，未对按键的抖动现象进行处理，导致按键控制的效果不佳。对应措施：在程序设计时对延时子程序进行延时10ms的方式去抖动，即在检测到有按键按下，此时行线跳变为为低电平，去抖动后，再对电平的高低进行判断，若仍为低电平，说明有按键按下；使按键准确的控制相应模式。(2)在蓝牙模块编程调试时发现，当出现服务请求时，处理极为缓慢，所需时间过长。对应措施：经过对蓝牙模块程序的检查发现，缺少了串□中断程序，不能对服务请求做到实时监测与控制；当补充上串□中断程序后，对于服务请求可以进行快速处实物图如图20所示。图20实物图实时水分含量百分比”字样，表示湿度值；第二行显示“W:实时温度GX:实时光照强度百分比”,分别表示温度值和光线值。按下设置键一次，进入设置限值页面 进入设置限值页面(第一行显示“H-gx:”,第二行显示“L-gx:”);通过模式选WH:45°WL:20°再次按下设置键，切换到手动模式(第一行显示“Sd:水泵驱动”,第二行显示“W:风扇驱动GX:继电器补光”),通过模式选择键选择需要驱动的对象，再(1)检测出当前湿度值为：94%,温度值：27°,光线值：28%,均在限制范围内，各驱动模块不动作，蜂鸣器和LED(2)改变当前湿度值，使其低于限值范围，其他数据保持不变；蜂鸣器报警和(3)改变当前温度值，使其高于限制范围，其他数据保持不变；蜂鸣器报警和LED灯闪烁报警，同时风扇开始工作，通风散热；当温度值恢复到限制范围内，风(4)改变当前光线值，使其低于限制范围，其他数据保持不变；蜂鸣器报警和LED灯闪烁报警，同时继电器常开触点闭合，发光二极管工作，进行补光；当光线(5)利用手机搜索HC-05蓝牙，输入密码，进行连接。在手机APP上可对各数第6章总结与展望本系统以STC89C52单片机为主控制核心，实本系统设计主要由主控制模块、信息采集模块(包括温度值采集、湿度值采集和光线值采集)、A/D转换模块、按键输入模块、LCD显示模块、驱动控制模块(包括水泵驱动、风扇驱动和继电器补光驱动)、报警模块和蓝牙模块等8大模块组成。转换模块采用A/D转换器，用于将模拟信号数字化。按键输入模块采用独立按键，用于预先设置限值(阈值)、以及手动和自动模式的切换。LCD显示模块将单片机器补光，用于进行相应的处理工作。报警模块由LED二极管灯构成，用于采集值超(1)通过查阅相关资料，对当前自动浇花系统的背景和国内外现状进行归纳分析，最终确定设计的总体方案(包括需要实现的功能、大致需要的器件以及要进行哪些操作)。(2)采用模块化分析本系统，根据功能的不同将本系统分为八个大模块，对各(3)进行系统的调试与分析，分类进行调试后在进行综合调试，能够更清晰的检查系统存在的问题，对硬件电路的调试主要对原理图和PCB图的连接及封装、元全的，尤其是5G智能时代的到来，仅仅对自动浇花系统的智能实现是远远不够(1)系统缺少了根据不同盆花的生长特性选择不同的模式，如根据不同盆花的(2)系统缺少了水位检测模块，水箱的水量是否足够无法判断，不能确保水量充足。(3)系统缺少水箱自动供水模块，当水箱水量过低时，无法自动供水，只能依[