【《基于单片机的自动节水灌溉系统的设计与实现》7000字（论文）】

基于单片机的自动节水灌溉系统的设计与实现目录TOC\o"1-3"\h\u26586基于单片机的自动节水灌溉系统的设计与实现 1207811引言 1196281.1选题目的和意义 1124081.2节水灌溉技术研究现状 2194951.2.1国外研究现状 215561.2.1国内研究现状 2191581.3设计任务及要求 263072系统总体方案设计 3163682.1总体设计概述 3105292.2主要模块设计与选择 3237312.2.1主控制芯片选择 438982.2.2显示模块的选择 4327382.2.3数据转换芯片的选择 413762.2.4土壤湿度采集模块的选择 4240553节水灌溉系统的硬件组成 427353.1单片机最小系统模块 4194523.2土壤湿度采样模块 6125163.3LCD显示模块 6189953.4执行灌溉模块 779053.5按键模块 753624节水灌溉系统的软件设计 852834.1软件总体设计说明 8300404.2主程序软件实现 8254894.2.1主程序设计 863514.2.2ADC0832子程序设计 998634.2.3LCD1602子程序设计 10116394.2.4按键模块子程序设计 1079575系统的仿真调试 11130235.1软件调试 1124975.2硬件调试 16106986实物功能说明 1723846.1实物外观展示 17252926.2实物功能测试 172401结论 221引言1.1选题目的和意义在科技飞速发展的今天，人类社会在不断探索进步，在进步的同时伴随而来的是一场又一场能源危机的爆发。作为人类生命的源泉，水资源的短缺已经引起人们的高度重视。我国实际上是一个严重的水资源紧张和匮乏的国家。水资源在整个全球的分布都是不均衡的，我国自然和地区水资源总量约为二点八万亿立方米。在全球国家排名当中可以排到第六，我国又是一个口大国，人均水资源拥有量仅有两千立方米，全球人均水资源量大约是八千多立方米，我们只占四分之一。调查显示，近几年我国水资源的利用层面上看，农业用水量一直占有最大的比重。受到传统农业灌溉方式的影响，我国绝大多数的灌溉方式仍还是使用传统的漫溉和沟灌，这些方式虽然简单容易操作，但是对水资源利用率极低，对于发达国家而言，他们对农业灌溉水资源利用率远远高于我国。由此可以看出，我国节水灌溉技术与发达国家存在较大差距。所以，加大对农业节水与灌溉相关技术研究力度,提高农业灌溉中水资源综合利用率能够有效地减少和缓解水资源不足带来的压力，同是也促进我国农业效益与可持续发展的必要途径。1.2节水灌溉技术研究现状1.2.1国外研究现状早在许多年以前，智能化的灌溉装置在国外农业生产中就已经大量使用，装置，但相比之下价格太昂贵了。美国、法国、和英国等发达国家很早就转向了更先进的灌溉技术。控制的方法和精度、安全性和可靠性都在不断提高。而且它们以易于操作而闻名。在灌溉技术发展领先的一些国家中，以色列可以说是为农业灌溉做出了突出的贡献。以色列本身是一个严重缺水的国家，农业种植条件较为恶劣，但以色列是世界上发达的农业大国。达成这样的一个成就大部分都要归功于他们滴管技术的发明。在有限的农业种植土地上最大程度的培育出高产量高品质的农作物，同时更是大量节省了水资源与大人力物力。1.2.1国内研究现状中国对于节水灌溉技术的研究相对于那些发达国家而言是比较晚的，但是对于节水灌溉的重视程度绝不亚于发达国家。我国节水灌溉技术起步阶段大约在20世纪70年代。但是一直以来从国外引进的技术偏多。在基于国外灌溉技术的基础上，我国也在技术上获得了一些新的突破,在充分借鉴了以色列的滴灌技术基础上,农垦科学院和天业节水公司合作自主开发研制出了膜下滴灌技术，对于膜下滴灌技术种植的水稻相比于传统灌溉模式下种植的水稻节水率可高达60%以上。主要的一些农作物运用膜下滴灌技术之后产量增加了大约30%。该项技术造价成本低且功能稳定，很快走出国门，世界多个国家将此技术投入到农作物生产。对于我们这样一个发展中国家来说，投资高是限制我们新的灌水技术应用的一个很大的障碍，低成本滴灌带的研制成功是滴灌面积获得快速发展的重要原因。新型喷灌微灌设备的创新研发也同时促进了中国现代化节水农业的发展。1.3设计任务及要求本设计以单片机为主体，使用传感器采集土壤湿度。通过模数转换器进行采集到的湿度信息信号进行转换。液晶显示器显示土壤湿度及时间。按键模块设定所需灌水土壤湿度值及时间。设计任务及要求如下：（1）切实研究，根据实际情况设计出一款自动节水灌溉系统，该系统能实时监测作物自身土壤湿度，按作物湿度所需自动进行灌水。（2）构思整体框架，选取合适元器件，完成所需模块硬件设计，整合设计出功能完善的节水灌溉装置。（3）结合软件，运用C语言对节水灌溉系统进行编程，使系统能够准确采集土壤湿度，在需要灌水时及时灌水，同时在土壤湿度充足下能够自动停止灌水。（4）灌溉系统设置两个模式，一是自动模式，检测土壤水分并能够自动进行灌水。二是定时模式，设定间隔一段时间自动进行灌溉，循环往复进行。2系统总体方案设计2.1总体设计概述对于所做的节水灌溉系统整体做一个构思框架。系统选取STC89C52单片机为主控制核心部分。本设计一共包含五大模块：单片机最小系统模块、土壤湿度采集模块、执行灌溉模块、LCD1602显示模块以及按键模块。显示电路与土壤湿度检测电路的设计制作为本设计主核心部分。设计该系统的工作原理和步骤主要有两点:一是利用湿度传感器从土地上采集得到相应的湿度数据,作为一个模拟信号从ADC0832转换成一个数字信号再将其传入单片机。单片机能够直接读取经过湿度变化转换之后的结果,所采集的湿度数据在经编写程序处理之后再输送给LCD1602进行显示。其中按键模块实现的是模式切换以及湿度和时间的设置。该系统设计分为自动灌溉模式和定时灌溉模式:自动模式下进行湿度设置，如果实测通道湿度小于设置值时，继电器则吸合，电机工作，实现灌水功能。定时模式下显示的为双路实时检测土壤湿度值，以及定时时间；可完成定时浇灌的功能。可更改值为定时时长。总体设计方案如图2-1所示。图2-1整体设计方案2.2主要模块设计与选择2.2.1主控制芯片选择单片机是微型计算机中的一种，它具备数据处理速度快,运算能力强,控制性好等特点。STC89C52单片机是一个拥有8位CMOS微控制器，它性能高但功耗却很低。在单个芯片上结合敏捷的8位CPU和系统可编程Flash，所以在主控制系统的选择上它很受人们的青睐。它主要有以下主要特性：8K字节的程序存储空间，512字节的数据存储空间，内部带有4K字节的EEPROME存储空间。故本设计选用STC89C52单片机。2.2.2显示模块的选择液晶显示器在我们的生活中很常见，使用也很频繁。使用方便、操作简单、成本便宜、显示数据稳定等是它的一些特点。在本设计中，需要显示的是土壤湿度及时间显示等数字信息，LCD1602为字符型液晶显示器，专门用于显示数字、字母、以及一些符号等，操作简单方便，满足本次设计所需要求。经综合考虑，采用LCD1602液晶显示器。2.2.3数据转换芯片的选择在本设计中，经过湿度传感器获取到的湿度值仅作为一个模拟量，但是单片机接收以及输出的属于数字信号，为了让单片机接收采集到的湿度数据，需要进行信号转换。故需用到转换器芯片。转换器芯片包括A/D转换芯片和D/A转换芯片。由于本设计需将模拟信号转换为数字信号故选用A/D转换器芯片即模数转换器。ADC0832为8位分辨率A/D转换芯片，其最高分辨率可达256级。满足一般所需的模拟转换。它的优势在于拥有极快的转换速度，仅需32us，其具有双数据输出可作为数据校验，可以有效的减少数据带来的误差。考虑其转换速度快，稳定性高，故选取ADC0832为数据转换芯片。2.2.4土壤湿度采集模块的选择土壤湿度采集一般选用土壤湿度传感器。市面上湿度传感器种类较为繁多，但使用较多的则是电阻式传感器，它用来检测湿度的方式是电阻与含水量之间存在着变化关系。他的特点是具有较高的稳定性，所以检测出的数据准确性高。使用也较为方便，在使用时直接插入目标土壤即可。故本设计采用此传感器。3节水灌溉系统的硬件组成3.1单片机最小系统模块单片机最小系统组成包括有主控单片机芯片、电源部分、晶振部分及复位部分所组成。单片机能够进行工作主要靠的就是时钟信号的触发，此电路设计就是给单片机输送工作所需脉冲。本设计晶振电路选取一个12MHz以及两个30PF电容并联在XTAL1和XTAL2引脚上。晶振电路如图3-1所示。图3-1STC89C52最小系统晶振电路复位电路在最小系统中承担着很重要的功能。我们经常使用的复位形式上大致分为两种：上电自动复位以及按键手动复位。考虑到操作方便的因素所以本设计采用按键复位。由一个独立按键、一个1uF的电容以及一个1KΩ电阻组成。其主要功能是用于防止单片机工作时出现异常情况，出错时进行复位。复位电路如图3-3所示。图3-2STC89C52最小系统复位电路STC89C52单片机最小系统如图3-3所示，由于使用proteus进行灌溉系统硬件电路设计时，主控系统没有STC89C52单片机，经考虑采用AT89C52单片机替代。图3-3单片机最小系统电路3.2土壤湿度采样模块获取土壤湿度模块由模数转换器ADC0832以及滑动变阻器组成。ADC0832共8个引脚。VCC为电源输入端，GND为接地端。由于运用电阻土壤湿度传感器，故在硬件设计时用两个滑动变阻器代替双通道被测土壤，接CH1、CH0输入通道口。芯片接收时钟信号来进行工作，CLK端接单片机的P1.3口。DI作为数据信号的输入以及控制选择通道口，接单片机P1.5口。DO为数据信号的输出以及转换数据的输出口，接单片机P1.6口。CS为片选使能端口，接单片机P1.3口，当它为低电平时有效。随着土壤滑动变阻器阻值的大小变动代表着土壤湿度值的大小。土壤湿度采集模块电路图如图3-4所示。图3-4土塘湿度采集电路3.3LCD显示模块在运用proteus对电路原理图设计时，仿真LCD1602即为LM016L。电路图如图3-5所示.图3-5LCD显示模块电路VSS为接地端，为了方便连接将VDD与VEE与电源相连。E为使能信号端，与单片机P1.0端口相连。RS为寄存器选择口，高电平为数据寄存器，低电平时为命令或者状态寄存器，与单片机P1.2端口相连。RW为读写操作选择口，高电平时为读数据模式，低电平时为写数据模式，与单片机P1.1端口相连。将数据引脚D0~D7与单片机P0.0~P0.7端口相连。3.4执行灌溉模块执行灌溉模块由继电器、LED灯、三极管以及电机组成。由于会存在驱动能力不够的情况，故添加三极管来增加驱动能力。P1.7口输出低电平时三极管导通，此时继电器吸和，LED灯亮，带动电机转动开始工作。执行灌溉模块电路如图3-6所示。图3-6执行灌溉模块电路3.5按键模块按键模块共采用六个独立按键。分别接STC89C52的P2.0~P2.5引脚。当某一个按键被按下时，对应I/O口就会有一个由高电平变低电平的转变，但其他按键相连的I/O口仍为高电平。所以很容易辨认出哪个按键被按下。六个独立按键分别命名为K1~K6。K1为模式切换按键。系统开启默认自动模式，按下K1转为为定时模式。K2按键为湿度设置按键，按第一下通道0湿度设置，按第二下通道1湿度设置，按第三下完成设置。K3、K4为湿度及时间加减设置按键。K5按键为时间设定，K5按一下进入设置，按两下完成设置。K6按键为定时设置按键，K6按一下进入设置，K6按两下完成设置。其按键模块电路图如图3-7所示。图3-7按键模块电路4节水灌溉系统的软件设计4.1软件总体设计说明4.2主程序软件实现4.2.1主程序设计主程序实现的功能分为两部分，大致编程思路如下：在自动模式中，程序编写按步骤首先对电机的转动程序编写，再对按键模块功能程序编写，由于有定时模式，故要编写定时器中断函数。主函数包含ADC0832数据转换，调用编写好的LCD1602程序，实现数据显示，接着就是对自动模式以及定时模式编程。在主函数中对湿度值做一个初值对比设定，对编程的子程序进行初始化操作，如果传感器检测传回来的数据比设定的值小，那么执行灌溉模块这时就会启动，继电器吸合带动电机工作，LED灯亮，对所需浇灌的土壤进行浇灌。定时模式设定时间定时浇水。流程图如图4-1所示。图4-1主程序流程图4.2.2ADC0832子程序设计ADC0832进行模数转换操作时，启动ADC0832，首先编程选择好转换通道，由于本次设计为双路土壤湿度采集，转换器的两个通道同时进行工作，读取经过转换的结果，最后经单片机将转换结果送至LCD1602显示即可。其流程图如图4-2所示。图4-2ADC0832子程序流程图4.2.3LCD1602子程序设计LCD1602用来显示湿度值信息与时间信息。编程设计时首先需要对LCD1602进行一个初始化设置操作，再对其显示位置及显示内容进行编写。在主函数中需调用编写好的lcd_init()函数才能把所要显示的数据按位置显示出来。流程图如图4-3所示。图4-3LCD1602显示流程图4.2.4按键模块子程序设计首先编写key_scan()函数对按键进行处理，接下来进行按键传参，处理数据。编写Button_scan()函数，先需调用已经编写好的key_scan()函数，再实现按键主要功能。按键模块流程图如图4-4所示。图4-4按键模块子程序流程图5系统的仿真调试5.1软件调试该设计在Keil5开发环境下的软件编程，选用C语言编程。新建工程编写好主程序、显示器程序以及转换芯片程序。对编写的程序成功编译，编译好的软件程序如图5-1所示。图5-1软件编译图本次设计运用proteus对电路原理图进行设计并且仿真，在设计过程中由于proteus不支持仿真STC89C52单片机，AT89C52单片机其功能可代替仿真。连接好仿真电路图，成功编译程序后再生成hex文件，加入单片机中模拟仿真，本次仿真主要对按键模块功能切换与数据设置、土壤湿度采集到的土壤湿度以及时钟信息是否都能正确显示在LCD1602上以及观察电机和LED灯是否正常工作进行仿真，仿真运行正常后，将程序烧写至单片机。仿真调试如图5-2所示。图5-2仿真调试图仿真测试：（1）自动模式仿真调试如图5-3所示，土壤湿度初始值设定为20%，由仿真图看出双路土壤湿度值大于初始设定值，LED指示灯未亮，电机未转动。图5-3灌溉系统未工作仿真图如图5-4所示，当C1通道土壤湿度低于设定的20%，C2大于20%时，电机转动，LED灯亮。图5-4灌溉系统工作仿真图如图5-5所示，当C2通道土壤湿度低于设定的20%,C1大于20%时，电机转动，LED灯亮。图5-5灌溉系统工作仿真图如图5-6所示，当C2，C2通道土壤湿度均低于设定的20%时，电机转动，LED灯亮。图5-6灌溉系统工作仿真图在自动模式下，按下K2按键，进入湿度设置界面，首先设定的是C1初始湿度值，再按一次K2进入C2初始湿度值设定。设定的初始值如图5-7所示。图5-7湿度设置仿真图在自动模式下，可以进行时钟设置，按下K5按键进入时钟设置，K3键为小时加一按键，K4为分钟加一按键。时间设定仿真如图5-8所示。图5-8灌溉系统时间设置仿真图（2）定时模式仿真调试如图5-9所示，按下K1按键，进入定时模式，首行显示实时双路土壤湿度，次行显示设定的定时时间。图5-9定时模式仿真图按下K6进入定时设置，按下K3分钟加一，按下K4秒加一，如图5-10所示，设定时间为5秒，倒计时结束后，电机工作执行灌溉，LED灯亮。图5-10定时模式工作仿真图5.2硬件调试进行硬件调试用到万用表等一些调试工具，防止出现短路或断路等问题，及时修改出现的问题。根据设计好的proteus电路原理图，检查各个模块之间的电源线路及相关元器件之间是否相互连接正确，再根据仿真结果判断芯片各引脚的接线、模块之间的相互连接方式是否正确。将编写好的程序烧录至单片机中，通电进行测试。根据设计的功能要求，首先测试能否真实检测到双路土壤湿度信息，并且湿度值在液晶显示器上显示，观察时间显示是否正确，随后对按键模块进行操作，观察液晶显示器是否能进行模式切换、湿度值、时钟以及灌溉时间的设定。接着观察执行灌溉的电机在土壤湿度低于设定值时是否执行灌溉操作，LED灯是否点亮。6实物功能说明6.1实物外观展示自动节水灌溉系统的实物图如图6-1所示。图6-1实物外观图6.2实物功能测试节水灌溉系统实物功能分为两种模式。一是开机自启动的自动模式，二是手动设定计时的定时模式。（1）自动灌溉模式如下图6-2所示，接通电源，首先是欢迎界面。接下来自动模式工作如图6-3所示LCD屏幕显示双路土壤湿度值C1,、C2。湿度值下方显示的是时钟与电机工作时间，初始设定双通道湿度为20%，实物开始工作。图6-2欢迎界面实物图图6-3自动模式工作实物图当按下K2按键时，进入检测湿度初始值设定，第一次按下即为C1湿度设置

按第二下跳转到C2湿度设置

,

最后按第三下完成设置

。按键K3为湿度减按键，K4为湿度加按键，K5按键为时间设定按键，

按一下进入设置

，按两下完