【《基于AT89C52单片机的盆栽自动灌溉控制系统设计（附图）》19000字（论文）】

页第1章绪论1.1自动灌溉研究的背景及意义随着人们生活水平的不断提高，现在很多城市和农村的居民都喜欢在自己的阳台上养花，以达到美化环境、净化空气的目的。在闲暇之余，这也是一种很好的陶冶情操的方式。但是现在的都市生活节奏越来越快，工作时间长、工作压力大，再加上有很多时候要出差等原因，人们会经常忽略种养的盆栽，使盆栽经常处在一种缺水的状态，当有空闲的时间去给盆栽浇水时，却又不知道该给盆栽浇多少水才合适，如果给盆栽浇的水太多或者太少，就会使盆栽的生长环境变得很恶劣，让盆栽不能正常的生长，无法达到一种好的观赏效果,有可能一些生命力不强的盆栽因为浇水太多枯萎而死，或者浇水太少涝死了，这样使养盆栽人的心情变得沉闷，同时也使养盆栽者遭受了经济上的损失。目前水资源紧缺，在21世纪，水资源是一种极为珍贵的稀缺资源，地球上的水资源虽然很多，但是能够提供给人类使用的淡水数量却十分稀少，而且中国的水资源情况也并不好。中国的水资源总量虽然排在全球第六名，但是中国人均的水资源比例还不到世界平均水平的1/4，中国每个省份的水资源分布也不平衡，水资源的问题已经不在是资源问题，而且关系到国家经济和社会可持续发展的战略问题。所以节约用水非常重要。由于全球现在的水资源短缺，所以人们采用高效、自动控制的节水灌溉技术，既能有效的节约水资源，又具有现代化意义。所以这次在盆栽自动灌溉中使用的技术是目前世界上普遍接受并使用的一种微灌技术。所谓微灌，就是将灌溉设备按照作物的需求，通过与作物末端管道相连的灌水设备，以极小的流量，将作物的水分、养分，以很小的流量，精确、均匀地输送到作物根系附近的土壤中。相对于常规的全湿式地表灌水和喷灌，微灌水在作物根部周围仅有少量的水分，因而也被称作“局部灌水”。如何做到适当的灌溉是关键的一步，必须对盆栽的土壤含水量有一个大概的了解，应用单片机进行智能模糊控制是一种实用的方法。该系统采用了一种基于土壤湿度传感器测量土壤含水率的方法，将信号发送给微处理器，由单片机通过自带的模糊控制规则对输入的信号进行模糊判定，通过单片机判决后的结果来决定是否需要浇灌和浇灌多长时间。用这种自动灌溉系统，你的盆栽就能茁壮成长了。盆栽能否在适当的时候浇水，对盆栽的生长起着至关重要的作用。然而，在现实中，人总会有一些事情没有时间去做，例如工作繁忙、出差、旅游等。盆栽的生长发育问题80%是由于浇水问题造成的；辛辛苦苦栽种了数个多月的盆栽，由于没有及时浇灌，生长得很差，原本用于装饰房屋的盆栽，也就变成了“鸡肋”；如果不种了，家里没有绿的衬托，就会觉得没有生气；如果留着盆栽，植物生长的不够茂盛，也会对家居的装修效果产生负面的影响。虽然目前市面上已经有了自动浇水装置，但由于价格太高，而且大部分都是定时浇水，所以想要在合适的时间内进行适量浇水，是很困难的。虽然还有更经济的花盆缺水报警装置，能让人们及时的为盆栽浇水。不过这个报警器只能发出警报，浇花的时候，就得自己动手了。在没有人的情况下，就算报警器发出报警声没有人给你浇水，报警器也起不到浇水的作用。为此，本课题研制了一套集盆栽土壤湿度监测、自动灌溉和蓄水池自动给水为一体的自动喷灌系统。让盆栽在人们没有时间照料的时候，可以及时浇水。1.2国内外发展趋势和研究现状对于西方的发达国家来说，智能家用电器的技术已经十分先进，而站在国际的层面来看，由于中国的制造及设计产业在国际上的关键地位，使得中国已然发展成国际上智能家电的主要市场。同时，也提高了中国对智能家用设备的重视程度,家居设备的研发与测试技术也得到了较为迅速的发展。随着科技的不断前进,智能家电所涉及的领域也越来越广泛，其中就涵盖了智能花盆。如今，智能花盆在全球已经受到广大客户的青睐，虽然它们的控制及工作

原理有着较大的差异，可它们设计的目的都是为了服务于人类平时生活中的养花种草等方面。在英国有这样的一类智能花盆，它的设计者是瑞贝克皮特森。它能够随时观察记录盆栽的生长情况。当主人靠近它时，它会发出声音来表示自己的需要。发出的声音可能是唱出来一首歌或者是几句话。“Plantroid”是一个智能花盆机器人，它是由东京农工大学副教授水内郁夫发明创造的，“Plantroid”与其它的花盆不同的是，除了有六个晶硅太阳能以外，在他的底部还装有四个可以滚动的滑轮，这使得其能够在地面随处移动。其内部装有光线传感器，当它检测到盆栽处于背阴处时，或者晒不到阳光的地方，机器人会自动下达指令让滑轮走到有阳光的地方，因而方便了人们的植物培养，并且使得植物充分的享有光照进行光合作用，加速植物的健康生长。ClickandGrow同样也是一款智能花盆机器人，它的创作者是美国的著名科学家，设计理念取自于美国航天航空局的相关应用，功能较为强大，给植物浇水施肥都能够做到。在不久前，英国学生娜塔莉金也创造出了一款智能的花盆机器人，此机器人的配套设施较为齐全，在花盆下面装有检测湿度与温度的传感装置,花盆表面设有光线传感器。这些装置的安装能够让植物在处于不适宜的环境下自动报警，比如在湿度过大或温度过强时，花盆都会自动闪光提示，让主人能够及时采取相关措施。对于中国而言，已然出现了许多供植物浇水的器具，然而这些都是传统的浇水设施，在智能机械方面的研究成果较少。目前，在中国市场上普遍存在大量的自动浇水装置，可是这些浇水的器材都是传统的定量浇水，很难根据植物的自身需要进行适当适量的浇水施肥，这也导致了大面积的水资源浪费，不仅没有使得植物得到很好的生长，相反却让植物的成长起到了副作用。由于全球技术的高速传播，如今的中国也有许多关于智能花盆方面的研究。杨守建等人于2011年，开始了相关方面的工作，他们研究的主要任务是利用装置检测土地的湿度及温度，参照检测装置反馈的数据对植物进行适当适量的浇水，整个科研的经费花费较少，且后期维护的花销也不高。与此同时，王薇等学者在2011年也开始了相关智能花盆上的研究，此种智能花盆由多个部分组成，其中包括:放大电路、比较电路、驱动电路、继电器、电磁阀等等。工作原理也是能够自主检测植物土壤周围的湿度，从而根据实际情况进行浇水。学者张兆朋在此方面也有着自己的发面,他一人设计创造了小型的职能家庭浇水仪器，同时能够依据植物的不同种类，运行不同的控制程序。在工作原理上也是参照上述几种智能仪器，实现自主职能浇水。学者赵丽也发明了一类高效智能的植物浇水装置，在仪器底部装有传感装置，用以检测相关环境的温度、湿度，在借助单片机展开数据分析，下达相关的执行指令，对浇水器进行控制，完成相关的浇水任务。学者罗维也开展了智能浇水装置的相关工作,他是立足于TRIZ理论的基础上来研发，介绍了盆花自动浇水系统的总体设计，该系统采用了一种新型的自动浇花设备，并解决了控制水流量的问题。随着科技的发展，智能技术的发展也越来越快，智能化技术已经渗透到了工业、军事等各个领域，与人类的日常生活息息相关。与此同时，家用电器的智能化越来越受到国人的欢迎，所以对于智能灌溉的相关研究还是十分有必要的。1.3研究方法及主要功能本次设计的目的是设计一套由单片机控制的自动盆栽灌溉系统，以达到室内盆栽自动灌溉地目的。该装置能够对土壤温度、湿度进行即时监测，适时适量地给作物浇水。该系统由单片机、土壤温度、湿度传感器、灌溉系统等组成。本课题的重点是研究土壤的水分和湿度与浇水量的关系、灌溉自动控制技术以及系统硬件和软件编程的各个环节。采用AT89C52单片机为主要控制单元，YL-69型土壤水分传感器和DS18B20传感器作为测温元件。ADC0832芯片用于AD的变换。本系统采用C语言进行程序设计。利用ADC0832的芯片将土壤湿度的模拟量转化为数字量，并将其与DS18B20所探测到的土壤温度数据通过单片机处理后显示在LCD屏幕上，同时利用单片机内部的中断服务来判定是否需要浇灌。如果需要浇灌，就由单片机发送灌溉信号，由三极管放大驱动，开启水泵进行灌溉，若不需灌溉。然后执行下一个周期的检测。1.4本章小结本章主要是对本次设计的目的及意义，进行说明和解释。如今，盆栽自动化灌溉已经在人们的日常生活中变得日益普及，它的功能也在不断的增加，并知道了到国内外自动灌溉的当前情况。而且，知道了为什么要完成此设计和怎么去完成，为后面的章节做了一定的铺垫。第2章系统总体方案设计2.1整体方案设计此研究的关键重点器件是AT89C52单片机，有电阻、晶振及电容等物件，构成了单片机体系。别的模块以最小系统为中心发展，主要涵盖，湿度检测电路由湿度传感器和ADC0832组成，采集湿度电压值将其转化为湿度值；温度检测用DS18B20传感器来实现；显示屏采用LCD1602[5],可以显示温度、湿度等基本信息；水泵用三极管驱动，报警电路用蜂鸣器和发光二极管进行声光报警，本研究具有四按键，能调整湿度及温度强弱，调整水泵开关土壤温湿度的阈值等；电力提供手段使用较多见的USB5V进行供电。系统框图如2.1所示：图2.1系统框图解读系统框图：整个系统包括主控模块、检测模块、控制模块和人机交互模块。AT89C52是整个系统的核心，它的功能是采集和分析信号，并对各个模块的工作进行协调。检测模块的功能是通过温度和湿度传感器测量模拟量和数字量，模拟量是土壤湿度检测，开关量是按钮检测。控制模块的功能是通过AT89C52输出的控制信号控制盆栽自动浇水。人机交互模块的硬件主要包括按键屏和LCD液晶显示屏两部分，用于支持设备操作人员系统的工作状态进行监控，设定系统的参数。2.2选择和讨论方案2.2.1选择单片机方案一：系统应用DSP机器当做系统的运动控制装置。DSP为特殊的的数字处置装置,是将许多类型的数字信号为设计基石能解决大量数字信息的重要装置。DSP模型拥有对外部元件谐波值的限值欠敏锐,受内部空气、外界条件的影响很低,易自动展开元件整合,可广泛地被应用于控制产生谐波频率特别低的音频信号等诸多关键优势。但DSP的硬件电路很冗杂，价格较高，耗电的有源器件组成数字系统，不如无源设备可信。

方案二：使用AT89C52单片机当系统的控制装置。单片机在基础设计上因为工作量大并较为可靠、性价比优势、电压、功耗低等特别技术上的优势,在中国已得到了迅猛发展及大量的使用,单片机的逻辑算术理论及处理运算的性能及强,软件操作编程不受限制,自由度活跃,可广泛用于对各种复杂逻辑编程操作的快速处理和并行编程,本身还配备很多的自动定时、计数装置,能直接用来定时及自动计数,并且它能源消耗小,占用空间小,计数成熟并且实际应用的软件花费较少等特殊的在理论上的优势。基于以上讨论，拟定方案二，选择AT89C52单片机当本设计的控制器。2.2.2显示方案的选择方案一：使用点阵式数码管展示，点阵式的发光数码管重点的机理是经8行八列彩色发光数码二极管彼此相连构成,对于这种可以同以时间展示许多大字体的广告及信息通告对比，比较合适,若只使用在智能化的家居上显示,就会出现太大的铺张,使用价格不低,故能不使用这种字体连接将他当成自动灌溉的字体展示。方案二：使用LED数码管，实施动态扫描。在应用动态扫描和单片机相连的情况，单片机占用的接口线不多，而且LED数码管在价格方面也比较合适，对于功能的要求也能实现。但是由于它需要靠74LS164移位寄存器来进行移位在数码管的动态扫描时，并且在进行电路调试的时候，74LS164常常会有问题，所以，摒弃它当本设计的显示器。方案三：使用LCD液晶显示器，其展示大量数据、文字以及图形的强大的功能，不需要借助其他的芯片，可直接与单片机相连接，与本次设计的要求相吻合。综合考虑，选择LCD1602作为本设计的显示屏。不仅价格实惠，而且功能也可达到设计所需要的要求。2.2.3土壤湿度传感器的选择方案一：选择型号为FDS-100的土壤湿度传感器，FDS-100可以不依赖于其本身的作用机理，直接测量其相对湿度，是国际上使用最多的一种测量土壤湿度的方法。FDS-100是一种高精度、高灵敏度的测量设备，它具有很好的应用前景。可以在土壤中长期测量，并具有良好的工作性能。但是FDS-100的成本更高，接近1000元，这不符合家用盆栽智能灌溉的设计理念。方案二：选择YL-69土壤湿度传感器，YL-69是一种简单的用于测量土壤水分的传感器件，YL-69是湿敏电阻构成的。若改变土壤的湿度，将导致湿敏电阻的阻值的改变。湿敏电阻具有灵敏度高、响应速度快、体积小、功耗低等优点，便于小型、一体化。YL-69采用CMOS技术是，不仅保证了YL-69的低功耗，而且它的性能稳定、可靠。YL-69不但价格低廉，而且在家用智能盆栽浇水用的非常广泛。综合考虑，选用YL-69测量土壤湿度。不仅价格实惠，而且功能也可达到设计所需要的要求。2.3本章小结本章主要是针对总体的方案进行计划，敲定整体计划以后，对各部分进行选择方案。方案的比较明确了元器件选择的方向，确定方案后，为后面的模块设计做好了铺垫，同时也反映出了确定方案的重要性。第3章系统硬件电路设计3.1最小系统电路设计AT89C52是一个位数为八位数的微型的控制仪器[7]。其自身的特点在于对应着功耗较为不高，但是其自己的相对应的性能却很高的对应性特征。这种仪器其实是一个系统里面可以被编程来编辑的的存储器设备。这种设备在制造的时候，基于的技术一般是使用着密度不低的不容易失去特性的ROM存储器对应的技术来进行制造，和工业上面的的产品里面的指令以及对应的设备引脚完美的实现了兼容。如图3.1所示：图3.1AT89C52芯片实物图在这个芯片上，主要使用着32位数大小的输入输出口的线材可以被使用着来进行模块部分的连接与关联。其设备中独立的拥有看门狗形式的定时器，在设备内部设置了大小的方面的存储信息，里面的复位电路可以起到着恢复到初始状态时候的作用，所述的单片机设备里面存在着三个十六位数的定时、计数器，这些仪器在使用过程中的主要目的就是为了得到相关的波特率情况，包含着四个外部的中断且拥有一个七向量的四级部分里面的中断类型结构，而且在整个串行口内部中的特性是全双工类型。AT89C52为系统提供了高灵活度的解决方案，是因为它具有高精度的8位CPU,同时，可编程的Flash能够为许多嵌入式系统做出一些比较成功的解决方案[8]。单片机处理是按照一定的物理时钟工作周期,取出整个计算机的工作指命和运行数据,作出与整个计算机工作相关的软硬件综合运行处理操作。AT89C52引脚图如图3.2所示：图3.2AT89C52引脚图AT89C52引脚所对应的功能如表3.1所示：表3.1AT89C52功能引脚表引脚编号名称功能1—8P1I/O口线9RST复位信号10—17P3I/O口线18XTAL2振荡电路输出端19XTAL1振荡电路输入端20VSS接地端21—28P2I/O口线29PSEN读选信号30ALE/PROG锁存地址字节31EP存储器选择端32—39P0I/O口线40VCC电源正极AT89C52里面存在的最小的系统情况如图3.3所表示：其中这个单片机内部所对应的最小的系统组成部分是：晶振、复位、电源这三个对应的电路里面的部分，这三个主要的部分组成了这些电路。图3.3单片机最小系统图P0口作为本设计的液晶显示屏的接口，根据其特性，P0口在单片机里面的使用原理主要是为了针对漏极开路的输出结果。与此同时，在P0口上面对接了一个电阻为10K的排阻R1，主要的目的是为了让P0口作为一个一般的I/O接口来使用。特别是对于单片机的31脚（EA）,在接到低电平信号时，在经过复位操作以后的应用程序就不可以自外面的储存器ROM的需要对应着的0000H位置开始执行，一切试验存在的首要原因就在于所述的单片机应用程序一般是存储在单片机的里面内部的区域，在执行的时候就需要在起到高电平电位之后从复位操作后的内部位置的0000H地方开始执行。3.1.1晶振电路晶振作为单片机不可缺少的一部分，它的全称为石英振荡器(Crystal)。它的主要任务之一就是给内部的时钟赋予一个固有的频率,当把晶振输入的频率调高后,这个时候单片机系统的工作和运行速度将加快。因为这种晶振具有固定的频率,它本身就是一个指示器的标准,就像是交通上的一个信号灯,如果不能够看见,系统将会出现不正常或者停止的运动。在通常的情况下,一般都只需要一个晶振就能够使系统的各个组成部分之间保持相对的同步。在通讯、手表、电脑等需要较高稳态信号频率的场所都得到了普遍的应用[9]。本次设计的晶振电路一端接地，一端由两个大小为20pF的电容和一个12M的晶振构成。电容的取值范围是15-33PF，它能够起到起振的作用，对于单片机来说，有很好的的效果。当然，晶振数值取到的大小如果越大，单片机的运行速度也就会随着这种程度的发展下越来越快。在这种情况之下，当在进行电路方面结构的设计的时候，如果要把好的效果呈现出来，设备里面的对应的晶振位置部分所在的位置与设备和单片机之间的距离呈正比。电路如图3.4所示：图3.4晶振电路3.1.2复位电路复位电路是单片机的关键部分，它如同人们手机的重启功能，当手机出现卡住的现象或者是出现了不产生对应的响应的情况下的时候时，可以通过执行关机的按键使得程序在手机系统中从开头启动执行程序。在最小系统运行当中，出现干扰信号的情况的时候，复位电路将内部的程序情况自动自始执行。本文在研究中所出现的设计情况主要是通过大小的极性电容以及大小的电阻放在一起组成成为复位的电路，由于电容自身的特性和在电压不稳定的时候，有可能发生放电发生突变，根据这个特殊的物理性质，分析可以得出，系统一旦进行了上下放电，在整个电路当中，对应出现的引脚就会在非常大的可能性情况下产生新的高电平信号，信号出现的状态是持续状态的，其对应的状态持续时间是根据着电路的的数值大小从而被决定。单片机在每次启动后，就可能会无法使其自动复位。所以恰当地对RC的自动取样阈值信号，进行自动组合就已经完全可以有效确保其能够实现可靠地自动复位了。如图3.5所示：图3.5复位电路3.2显示电路设计3.2.1LCD1602液晶简介本设计显示部分采用LCD1602作为显示器件。液晶显示器拥有着体积小、功耗低、重量轻的优点，正是因为它独特的优点：显示信息量大、功耗低、使用寿命不短，所以得以得到大量的应用，在运用于便携式的系列电子产品中。本系统里面主要是采用了显示屏，它能够很方便的显示本次设计所需要的数字、常用符号以及英文字母等，通过程序设定也可以显示简单的汉字。如图3.7所示：图3.7LCD1602实物图在现代无线通讯通信系统里面，LCD1602液晶显示器这个设备，从它的名字就可以得到其自身就能够对应上的显示容量大小为2行。其中可以显示得到的逐行中的液晶都含有十六个字符。其设计出来的正常工作的电压维持着这一范围。当对电路进行进一步的设计与规划的时候，在电源电压部分可以直接按照5伏特作为电压标准，最多不能低于4.5伏特。在五伏特的工作电压标准之下，其正常工作下对应着的正常使用电流经过测量以后，电流的大小是二毫安[11]。设备上面一共设置拥有十六个个设备引脚，每个引脚之间都保持着其拥有各自之间非常独特的功能和使用效果。引脚的作用主要是用来作为整个液晶类型显示器用来调节整个屏幕的对比度的设置端口，接通不同的电源就可以对应着改变整个屏幕上面的对比度强度，整个对比度的调整过程主要需要依靠的设备是一个的电位器。引脚对应的仪器设备方面主要是一根输入输出信号线，起作用在于可以对信号的高、低水平情况进行读写。其中与这两个引脚的决定性关系从而决定了当前状况下的状态信息，当的值为1且的值是0的时候，这时候数据录入的过程就得以开始。当使能端E端的状态由1状态量转为0状态量以后，液晶模块里面的的命令在这个时候就可以开始真正的运行起来了。是一个八位数的两个方向的设备数据线。LCD1602引脚功能表如3.2所示：表3.2LCD1602引脚功能表引脚编号名称功能1VSS电源地2VDD电源正极3VL液晶显示偏压4RS数据/命令的选择5RW读/写选择6E使能信号7—14D0-D7双向数据端15BIA背光源正极16BLK背光源负极LCD1602液晶显示器中的控制器一共有11个控制命令，其中LCD1602的读写操作、屏幕操作、光标操作均由指令编程完成的。常用的LCD1602指令有清显示、显示开关控制，光标返回及光标或字符移位等等的命令。LCD1602控制指令如表3.3所示，其中，1

代表高电平，0代表低电平：表3.3LCD1602控制指令序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回000000001*3置输入模式00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L**6置功能00001DLNF**7置字符发生存贮器地址0001字符发生存贮器地址8置数据存贮器地址001显示数据存贮器地址9读忙标志或地址00BF计数器地址10写数到CGRAM或DDRAM10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数11读出的数据内容指令1：清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置。指令2：光标复位，光标返回到地址00H。指令3：光标和显示模式设置

，I/D:光标移动方向，高电平右移，低电平左移

。S:屏幕上所有文字是否左移或者右移。高电平表示有效，低电平则无效。指令4：设置显示器开/关、光标显示/关闭、光标是否闪烁，如果D为0时则显示器关，如果D为1时显示器开，如果C为0时，光标关闭，如果C为1时，光标显示;如果B为0时，光标闪烁，如果B为1时，光标不闪烁。指令5：使整个显示屏移位或使光标移位，如果S/C为0，R/L为0,

光标左移1格，且AC值减1,如果S/C为0，R/L为

1,光标右移1格，且AC值加1,如果S/C为1,R/L为0，显示器上字符全部左移一格，

但光标不动，S/C为1，

R/L为

1，显示器上字符全部右移一格，

但光标不动。指令6：设置数据总线位数和显示的行数及字型，如果DL为0,数据总线为4位，如果DL为1，数据总线为8位；如果N为0，显示1行，如果N为1，显示2行；如果F为0，表示显示的点阵字符是5x7形式的，如果F为1，则表示显示的点阵字符是5x10形式的。指令7：如果要存入下一个数据，设置其RAM的地址。指令8：如果要存入下一个数据，设置其DDRAM的地址。指令9：是作为读取光标的地址和忙碌信号。读取BF的内容，BF为忙碌信号，如果BF为1，则液晶显示器忙，暂时无法接收单片机送来的数据或指令;如果BF为0,液晶显示器可以接收单片机送来的数据或指令。指令10：写数据。指令11：读数据。3.2.2液晶显示电路设计液晶模块中使用得到的电路所对应可以看出来的连接图如图3.8所示：P0口作为LCD的数据口来进行连接，与LCD上的7至14引脚相接，通过传输写数据或是写指令来显示。图3.8液晶显示电路第一脚接在电路的GND,第二脚作为液晶工作的电源输入脚接在电路的VCC。第三脚需要接上去一个10K的电位器设备并且作为接地端来进行设置，此电位器要改变整个液晶里面的对比度之时，其改变的方法就是用调节有关的电阻的阻值情况。把液晶显示器对应着的寄存器里面拥有的控制脚对接上单片机上面的P27脚上，可以用来选择数据还是命令。第5脚是液晶的读写控制脚，它主要可以用来决定液晶是要只读数据,还是只读写字节的数据,接到液晶单片机的一个P26脚上。第6脚指的就是一个用于液晶器件使用者的运动功能检测脚,可以用来检测一个器件在液晶工作时运动是否被液晶控制,它可以连接起来到一个单片机上的P25脚上。第7脚到第14脚地址位置对应着液晶显示器上面的的数据、地址等对应着的8位总线，这些总线就接在单片机的P0地址所对应的上面的口。在连接线路上来传输写数据或是写指令。最后在第15、16脚位置上面对应的是液晶上面的背光电源的引脚，这些引脚会直接与电源系统上面的VCC和GND的地址位置相互连接。3.3土壤湿度检测电路设计土壤湿度检测电路模块主要使用了土壤湿度传感器YL-69以及一个A/D信号转换器的元件ADC0832。3.3.1土壤湿度传感器土壤湿度传感器把土壤当成一个可变电阻，随着土壤含水量的增加，土壤电阻减小。而该传感器其实就是两个电极，用来接土壤这个可变电阻。一般湿度的土壤电阻大概在几百K左右，其串连的分压电阻应该在这个数量级。土壤湿度传感器如图3.9所示。图3.9土壤湿度传感器工作电压：3.3V-5V。输出电压：0-3.7V。YL-69引脚功能表如3.4所示：表3.4YL-69引脚功能表引脚编号名称功能1DOTTL数字信号输出2AO模拟信号输出3VCC电源正极4GND电源负极3.3.2ADC0832简介数模转换器一般分为两种，一种为数字信号转模拟信号，其控制器简称为DAC；另一种为模拟信号转数字信号，其控制器简称为ADC。现在主要介绍一款很常用、入门级的模数转换芯片—ADC0832。如图3.10所示:图3.10ADC0832芯片ADC0832的性能比较强、体积小、有着8位分辨率、双通道的A/D转换芯片，它不但受到许多人们的青睐，一些企业更是深受欢迎，而且它具有的兼容性强的特点，实际生活中有很高的普遍率。在进行模数转换的电路当中，ADC0832可以对电路进行设计，它是具有256级分辨率的特点，以及32μS的转换时间，使得芯片数据误差大大的下降，同时它的性能得到了提升。ADC0832引脚功能表如3.2所示：引脚编号名称功能1CS片选使能，低电平芯片使能。2CH0模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。3CH1模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。4GND电源地5DI数据信号输入，选择通道控制。6DO数据信号输出，转换数据输出。7CLK芯片时钟输入。8VCC电源输入及参考电压输入(复用)。3.3.3土壤湿度检测电路设计本次设计研究中涉及到的土壤湿度检测模块的设备材料主要是采用了土壤湿度传感器YL-69和具有数模转换功能的芯片。这土壤湿度采集电路连接如图3.11所示:图3.11土壤湿度采集电路由于土壤湿度传感器输出模拟量电压是0-3.7V，所以土壤湿度传感器的模拟量输出端口连接运算放大器LM358的同相输入端，经LM358运算放大后输出电压0-5V。LM353输出端连接ADC0832的CH0。LM358运算放大公式如下。u0=1+传感器输出0-3.7V的模拟量电压，把0-3.7V带入运算放大公式3.1的右边，得到u0的范围是0-5V。LM358的输出端连接ADC0832的CH0端口，把0-5V输入ADC0832芯片。当ADC0832进行A/D转换时，必须要执行CS即使整个供电器的终端一直处于一个低电平信号，与此同时，仪器设备中一直以来持续不断的保持着正常的工作状态，一直工作到这台机器转换过程完结为止。芯片里面的双时钟脉冲对应的输入端在与此同时的阶段通过连接至一台射频单片机的一个数据输出口P14来进行控制数据输入的时钟脉冲;CH0端口的作用是为了采集一个时钟的时间短随之发生改变的模拟信号;DO与DI这两个端口在通讯时并不是通过并联的形式进行运行操作的,双端口之间一起通过并联进行连接至某一个机的数据输出口P15。利用文字数据信号来选取输入的状态以及在设备的功能选择，并利用DO文字数据信号输出的功能来读取数据。转换器的数据功能来准确实现土壤湿度值是A/D数据模拟量参数转换的主要目标。3.4土壤温度检测电路设计本设计中使用名称为DS18B20的温度传感器来数字化显示具体的数据，并在启停开关之后对应的启停设备。3.4.1DS18B20简介土壤温度检测采用DS18B20这一型号的温度传感器，有着抗磨抗碰、体积不大、使用不难以及封装形式丰富多彩等优势。实物如图3.12所示：图3.12DS18B20实物图这个传感器具有可以体现出低的温度能力对应着系数大小的晶振，其振荡频率受温度的影响可以忽略不计。晶振脉冲温度信号再被固定的脉冲频率下，可以自动传递给一个高频减法调速计数器，其脉冲振荡时的频率发生明显的改变时，是因为高于低温度频率系数的晶振造成的，所产生的信号作为减法计数器的脉冲输入，其中也可能隐含了一个减法计数器的门，当一个脉冲信号输出中的计数门被自动打开时,就对不高于不低的温度频率系数对应的脉冲振荡器在一个脉冲上震荡产生的一个高频时钟脉冲信号发出脉冲后再对它输出进行计数操作。因此，脉冲的温度在测量的时候可以自动进行。计数门开启的时间长短是根据着温度系数的振荡器所确定的[13]。特点如下：1.1单总线接口的方式方法非常新颖，在与微处理器系统进行联络的时候，仅仅在使用着单独的一款口线并与设备的双向通讯。1.2测试的温度范围，固有的温度测试分辨率。1.3每个设备的内部ROM上都烧写了一个独一无二的64位序列号。1.4工作状态下的电源:3—5V/DC。1.5温度数字量转换时间200ms（典型值）。1.6不需要任何外围元件就可以使用。1.7测量结果以位的数字量串行传送。1.8有着直径为Φ6的不锈钢保护管。1.9能够适应各种介质工业管道和狭小空间设备测温。DS18B20的引脚说明如表3.5所示表3.5DS18B20的引脚说明引脚编号名称说明1GND接地2DQ数据输入/输出3VCC电源单总线控制器提供了5个ROM操作命令和6个RAM操作命令。DS18B20指令表如表3.6所示表3.6DS18B20的指令序号指令名称指令代码指令说明1读取ROM33H读DS1820温度传感器ROM中的编码。2符合ROM55H匹配指令，发出64位ROM编码，与总线上一个或多个DS18B20匹配，完全对应则响应。（单个或多个均可）。3跳过ROMCCH忽略64位ROM地址，直接向DS18B20发温度变换指令，适用于单片机工作。（适用于单个DS18B20）。4搜索ROMF0H用于确定挂接在总线上DS18B20个数和

识别64位ROM地址（一般用于多个DS18B20）。5报警搜索命令ECH读DS18B20的64位序列号（只能适用于总线上只有一个DS18B20）。6写暂存器4EH在该写暂存器指令后向DS18B20的暂存器TH.TL以及配置寄存器中写入数据。7读暂存器BEH读内部RAM中9字节的内容。8复制暂存器48H将RAM中第3

、4字节的内容复制到EEPROM中。9启动温度转换指令44H温度转换完成后存放在第1个和第2个字节中，如果是寄生电源，总线必须在发出这条指令后的10us内启动强上拉。10复制EEPROM指令B8H把TH.TL和配置寄存器的值拷贝回暂存器。这种拷贝操作在DS18B20上电时自动执行，上电后，暂存器里就存了有效数据。11读供电方式指令B4H发给DS18B20后，再发出读时间间隙，后返回电源模式：0为寄生电源、1为外部电源。3.4.2DS18B20接口电路设计VCC接电源,3V-5V;GND接地;DQ为数据的输入输出。DQ作为输出时为漏极开路,DS18B20的工作电流约为1mA，VCC一般为5V，则电阻R=5V/1mA=5KΩ，所以正常选择4.7KΩ的上拉电阻，用以提高2脚的电位。DS18B20传感器进行的功能操作是在发送命令的基础上完成的,上电后传感器处于空闲状态,需要控制器发送命令才能完成温度转换。如图3.13所示：图3.13温度检测电路当检测到土壤温度时，信息从单总线接口送入DS18B20当中，进行处理后可检测到温度。所以只需要连接一条线接地，所需要的电源在完成读写或者完成温度的检测可以由数据本身来提供[14]。每个新的温度传感器都有唯一以的电源系列号，因此，不必重复需要外部的电源来供电，多个温度传感器也可以连接在相邻的两个单线和网络之间。3.5电机驱动电路设计3.5.1水泵介绍1、水泵供电电压是3-5V。2、水泵的红线是正极，黑线是负极，正负极不可以接反，否则会倒吸。3、水泵是有刷电机，寿命没有无刷的长，不适合长时间在空气中运行。水泵如图3.14所示。图3.14水泵3.5.2水泵电路设计因为单片机的引脚输出电流是非常小的，一般在10—20mA左右，而直流电机的驱动电流在100mA以上。高电平输出状态下，电压虽然没有太大变化,但电流很小，这就使得单片机引脚是无法直接驱动直流电机的。而如果只驱动一个电机实现简单的启停功能,这时候没有必要用电机驱动模块，仅通过小小的三极管就能实现。所以利用三极管做一个开关驱动。当单片机P3.6端口输出低电平时，三极管导通，水泵开始吸水灌溉。电机驱动电路如图3.15所示。图3.15电机驱动电路3.6报警电路设计3.6.1蜂鸣器简介蜂鸣器是一种以直流电压供电的集成电子报警器，它被广泛用于电子设备，计算机，打印机，复印机，报警器，电子玩具，汽车电子设备，电话机，定时器。蜂鸣器如下图3.16所示。图3.16蜂鸣器图片根据其驱动模式，可以将其分为有源蜂鸣器（内含驱动线路）和无源蜂鸣器（外部驱动）。这里的“源”指的是激励源。蜂鸣器的发声原理由振动装置和谐振装置组成。无源蜂鸣器内部没有激励源，只有给它一定频率的方波信号，才能让蜂鸣器的振动装置起振，从而实现发声，同时，输入的方波频率不同，发出的声音也不同（所以无源蜂鸣器可以模拟曲调实现音乐效果）。有源蜂鸣器则不需要外部的激励源，只需要接入直流电源，即可自动发出声音（声音频率相对固定），它的工作发声原理是：直流电源输入经过振荡系统的放大取样电路在谐振装置作用下产生声音信号。本次设计选用有源蜂鸣器。3.6.2报警电路设计由于51单片机IO口的驱动能力较弱(即使外接上拉电阻)，而蜂鸣器驱动需要约30mA，所以非常困难，即使可以驱动，那对于整个芯片的其IO剩下驱动能力就更加弱甚至无法工作。因此，蜂鸣器不会直接由IO端口来驱动，而是经过三极管的放大后来驱动蜂鸣器，这样51单片机的IO口只需要提供不到1mA的电流就可控制蜂鸣器。也就是说到51单片机芯片是用来做控制的，而不是驱动。三极管Q1在电路里起到了开关的作用，在下面的电路图中，展示了单片机中的蜂鸣器工作方式，通过调整P16口的高低电平，来实现三极管的开关作用，之所以通过三极管的发射极引导电流进入集电极，而不是用P16直接加到蜂鸣器和发光二极管上，是因为单片机的功率很小，虽然可以输出很高的电压，但是是无法驱动这种功率器件的。当P16口输出高电平（5V）时，VCC即电源也是5V，此时三极管没有导通，所以蜂鸣器无反应，发光二极管灭，当P16口输出低电平时，发射极电压远大于基极，电流从发射极流入集电极，蜂鸣器震动，发光二极管闪烁。报警电路连接如图3.17所示。图3.17报警电路3.7按键电路设计按键为使用人员和单片机间开展信息打交道的关键部分。基于系统监测软件设计思考,仅对按键扫描,读取目前某一时刻的按键状态是及其不足的,还有很多疑问需要解决，不然,在应用键盘时会引起出现错误操作和运行失控的情况。按结构划分，键盘可分为独立键盘如图3.18和矩阵键盘如图3.19所示。一般情况下，当按键数量少的时候，使用独立的键盘，按键多的时候就使用矩阵键盘。在由单片机控制的测控系统和智能仪表中，使用最多的是独立键盘。该键盘的硬件和软件都比较简单，但是在按键数量多的情况下，会占用很多I/O端口。在没有按键按下的情况下，CPU相应的I/O接口输入是高电平的，因为在里面有一个上拉电阻，所以在按下了某个键之后，相应的IO接口就变成了低电平。通过程序对I/O的状态进行判定，就可以知道哪些键是闭合的。其次也就是要注意消除移动按键时容易出现的“毛刺”。主要阐述应用多见的延时扫描运行手段,就是延时扫描运动扫描方式,延时扫描的按键工作急骤主要由于“毛刺”的电脉冲一般工作持续时长短,约几毫秒,但低电按键的运行维持时长一般都会远小于这个持续时间,所以当从一台单片式主机上上传的测量数值得到某一低电按键的工作动静以后再开展延时重复一段时间后再进一步扫描评判这时间低电平上按键能否已经能够继续维护原来的工作状态,如果只是则被认为有效的按键,不然不可以视做无效。图3.18独立按键图3.19矩阵键盘由于本系统只需要用到3个按键，按键数量少，为了更方便地编程与更简单有效的电路，本文采用独立按键方案，即将三个按钮连接三I/O口,按钮的另一端接地。按键连接如图3.20示：图3.20按键电路如图3.20所示，按键S1，S2，S3一端接地，另一端分别接单片机AT89C52的P1.0，P1.1,P1.2口。其中，S1为菜单及切换键，S2为数值加键，S3为数值减键。当系统运行时按下S1,则进入设置温湿度阈值状态，此时如果继续按S1,则光标会在4个限值之间循环切换，当光标移动到一个限值上时，按下S2则该限值加1，按下S3则该限值减1。S1键按下5次，预设值上下限值停止闪烁，即相当于确定。说明通过按键完成了温湿度要求范围的设定。3.8本章小结本章节所介绍的主要是需要进行设计的相关硬件和集成电路设计,其中的内容主要就是包括了简单地详细介绍了AT89C52单片机的主要基本功能,复位控制电路、晶振控制电路的主要组成作用。阐述了温度传感器DS18B20，湿度传感器YL-69,LCD1602液晶显示屏,直流驱动电机，按键电路的设计等主要的基本功能和集成电路结构框图,它们都是能够实现整个工业设计过程需要时所必须经常使用并得到的最为关键的组成部件。这些核心模块在操作系统中一直起着至关重要的驱动作用,各个核心元器件之间通过网络链接相互进行连结,共同驱动构成一个完整的软硬件综合集成电路。第4章软件设计4.1程序语言及开发环境C语言之所以作为此次设计的一种编程语言,是因为它本身具有了高级语言的特征,而且同时还是一种具有汇编语言精髓的。在1972年,美国贝尔实验室的一位研究者所进行了设计。1978年,C语言分别在不同的微型计算机中所被使用和植入,它不仅可以直接完成一个编写系统的高级语言,同时还可以直接编写一个系统的应用程序,而且其应用领域涉及面非常广,不需要依赖计算机软硬件。它同时还具有超强的数据处理功能,各类研发型的产品都需要它的帮助,在软件开发上最为广泛。C语言适于系统软件的编制、三维、二维图及动画,细节使用比如,单片机和嵌入式装置的发明。Keil5作为C语言软件开发的一款软件，是由美国公司所开发的一款在功能上以及结构上比较有明显的优势软件开发系统，因而易学易用。Keil5不仅为一个友好并有优势的C语言软件开创体系[17]，并且Keil5提供清晰直观的操作版面，使用起来比较简单方便，并有编译器、安装包及调试跟踪，新增包管K控装置效能，如果你使用C语言编程，使得各开发过程中常用操作简便，使得在开发进程里，更注意实际使用的发展，并不是将时间消耗在细碎的接口方面，并尽可能的使用各平台特有的部分特性进行改善支持LWIP，Keil5的SWD下载速度为KEIL4的5倍，为用户带来全新的感受及体验。图4.1示:图4.1keil5软件界面图4.2主程序设计系统启动后，进入主程序，先进行I/O口初始化、液晶显示屏初始化、定时器初始化，然后对土壤湿度和温度进行检测，将检测到的数据送入单片机进行处理。在数据处理之前先判断按键是否处于工作状态，如果按键为工作状态，则先要采集按键输入的数值进行数据处理，否则跳过。然后处理所有采集的数据，比较目前的温湿度数值与设定的温湿度阈值。若采集到的湿度值不在设定的阈值内，则单片机发出信号驱动水泵进行灌溉，直至温湿度达到设定值为止。主程序流程图如图4.2所示。图4.2主程序流程图4.3LCD1602液晶程序设计输初始化体系，屏幕展示的全部流程显示如4.3示。当LCD1602的指令寄存器RS在常规情况下,为确保高电平,选择指令寄存装置;当它读写到所选通道的路径值时RW被设为0,执行一次新的书写指令操作;然后使用一个新的功能端口EN,从一个高电平执行开始到终在低电平的执行过程中会自动产生一个显示下降输入路径的显示消息,把这些显示的自动数值发送到它的P0口,LCD就完成一个自动数据提示命令,判定它们自动执行结束与否,若它们已经自动执行了则子命令就会结束,把这些显示数据都自动显示了并输出来,子命令程序就可能会自动执行退出。假如不完全确定,则会在返回时先给出一个选择指令寄存器,然后再返回继续在此基础上执行重复一次执行前一步。图4.3LCD显示模块子程序流程图4.4湿度采集程序设计湿度传感器采集到的湿度经过ADC0832转换为数字信号传递给单片机，湿度读取程序流程图如图4.4所示。图4.4湿度读取子程序流程图湿度读取子程序首先对ADC0832的CS端置0，片选使能，第一个时钟脉冲上升沿DO端置高电平，启动A/D转换，第二个时钟脉冲上升沿DO置1，表明选择单端输入，第三个时钟脉冲上升沿DO置0，表明选择通道0。在第三个时钟下降沿，把数据线拉高，准备接收数据。然后接收数据与校验数据，如果数据等于校验数据，就返回数据，如果数据不等于校验数据则返回0。4.5温度采集程序设计温度采集子程序就是读出RAM中的数据，在读写时要进行CRC检查，如果有错误，则不能读取温度数据。CPU访问DS18B20的过程为：首先对DS18B20进行初始化，然后执行ROM指令，然后对存储器进行处理，最后对数据进行处理。DS18B20的每个步骤都要遵守严格的通信协议。其程序流程图如图4.5所示。图4.5温度读取程序流程图温度读取要先初始化DS18B20,然后发送跳过ROM指令[CCH],在发送温度转换指令，温度转换需要时间，延时50ms，再发送一次跳过ROM指令，然后发送读暂存器指令，读暂存器指令用来读取DS18B20暂存器，读取字节从0字节开始直到第9字节（CRC校验位）读完。接下来读取温度的高字节和低字节，温度高字节左移8位，低字节与左移8位后的高字节相或，然后转换温度值，返回读取的温度值。4.6温湿度控制程序设计土壤的温湿度控制程序描述的是在采集到土壤温湿度样本以后，对采集到的样本值与土壤温湿度预定值进行比较，如果温湿度实际值不在设定值范围内，打开电机浇水并且蜂鸣器报警，如果采集到的值在设定值范围内，关闭蜂鸣器。温湿度控制程序流程图如图4.7所示。图4.6温湿度控制程序流程图4.7按键处理程序设计按键处理程序流程如图4.5所示。图4.7按键处理程序流程图按键处理程序执行的时候要先扫描按键，判断是否有按键被按下，当有按键被按下，延时几毫秒后，确认真的有按键按下，就要判断被按下的是哪个按键，如果是按键S1被按下,系统将进入设置模式,这时按键S2和S3被启用，进入那个参数的设置取决于按键S1被按下的次数，S1被按下一次，进行湿度上限值设置，S1被按下两次，进行湿度下限值设置，S1被按下三次，进行温度上限值设置，S1被按下四次，进行温度下限值设置，当按下第五次，返回正常显示，此时按键S2和S3被禁用。按键S2和S3作用是调节参数值，每次按下S2，当前设置的参数值就加1。每次按下S3，当前设置的参数值就减1。4.8本章小结本章主要进行了软件部分的设计，并完成了一定的功能，详细的分析了各模块对电路的作用，分别介绍了主程序设计、LCD1602显示程序设计、ADC0832读取湿度程序设计、DS18B20温度读取程序设计、温湿度控制子程序设计和按键处理程序设计。第5章系统仿真与调试5.1元器件的选择与测量此系统设计的元器件主要包括：AT89C52单片机、电源座、时钟芯片、电容、液晶、晶振、电阻、AD芯片、按键、直流电机、开关等相关器件构成。这些器件首先需要根据这些器件的特性来进行选型，通过查阅资料可知其各个引脚的功能。选型确定之后选择在网上进行购买。电路设计好，根据设计图来进行组装，组装过程采取焊接方式，组装过程中，要关注元件的正负极的放置，以及芯片引脚的组装顺序等。测试电阻时选用万用表的方式来检测；电容和晶振等的相关信息，可以通过元件本身信息所了解；元件正负极的摆放按照长的是正极短的是负极的原则，如果存在特殊元件，查阅它的说明书来确定正负极。5.2系统仿真本次设计采用的是proteus8软件，使用步骤如下：在proteus中就需要正确绘制显示出一个类型能够广泛地适合用于仪器进行线路仿真的通用电子线路模型示意图,即所有需要使用的线路元件都必须能够具备一个用于仿真的线路模型。

2.通过软件编制一个平台相应的厂商单片控主机编译程序,可以在proteus中直接进行软件编译,或者可以在其他几个相应厂商单片机的程序开发软件平台中直接进行软件编译(不同软件厂商的相应单片机程序开发软件平台编译是不一样的)。仿真结果如图5.1所示：图5.1自动灌溉仿真结果在图5.1中当湿度范围在25-70之间，温度在20-60之间，电机不旋转，蜂鸣器不发声，发光二极管灭。图5.2湿度低于下限仿真结果在图5.2中，当湿度低于25%，蜂鸣器报警，发光二极管闪烁，电机旋转驱动水泵开始灌溉盆栽，到湿度值超过70%电机停止旋转。图5.3温度高于上限仿真在图5.3中，当温度高于50，蜂鸣器发声，发光二极管闪烁，电机旋转开始灌溉，当温度降低到设定值范围之内时电机停止旋转。5.3系统调试有效地对其进行调试也是必不可少的,它不但有效地保证了整个系统设计的稳定性和安全性,而且还有效地保证了整个系统的设计可靠。因为在整个系统的建造与设计中,任意某一个零件或者是操作中出现的误差都会直接导致在系统设计中发生的误差,所以对于这些安装需要做出如下的规定和法则。在每次开始网络通电和各个模块的电路调试时,都必须要认真进行测试,并且一定要认真地进行测试,看看各个模块的调试电路中连接部分的电路都是否能够全面达到一种属于正常电路接通和运行的状态,对照自己现场调试的实物来进行了电路设计示意图,对每一个模块的电路设计调试模块的可靠性数据进行了比对。对设计好的电源部件进行了测试,检查其中的一个部分有无接通、反或者误接。根据自己的电脑硬件焊接电路设计方案示意图以及自己的焊接产品规格设计示意图,对于焊接原件的包括电容、电阻等的硬件类型,极性,规格等等的选择或者对于连接线的方法选择是否正确都可叫来进行检查自己所需要焊接的硬件电路设计是否正确,安装时它的位置也要看是否调整为一个合理的放置状态。系统实物图所示：图5.4湿度在阈值范围