【《基于STC89C51单片机的土壤湿度传感检测系统设计》9300字（论文）】

I摘要湿度对生长中的植物有着很大影响，其中最主要的是蒸腾作用，蒸腾是矿物养分输送的动力，同时也是植物对水分的吸收，在高湿度、低蒸发条件下，作物输送矿物养分的能力就会降低，另外，还可以调节叶片的温度，高温、高湿度、低蒸发、易烧伤叶片，从而间接地影响到土壤的干燥和湿润，不利于肥水的管理。，从而影响植物生长。本文通过用STC89C51单片机来设计出一种智能浇花系统，此系统能够利用YL-69传感器对土壤环境的湿度变化进行实时检测，对采集到的湿度信号进行处理并通过LCD1602液晶显示器显示出来。该智能浇水系统能适用于很多的使用场景，例如居家种植、温室培养甚至是大范围的大棚种植，还可应用于科学研究实验室中。文章对其硬件和软件的设计进行了详细的阐述，并对其结构、工作原理进行了详细的阐述，并对其进行了实际演示。该系统可以实时、自动地监测土壤含水量，并可根据作物的需水量进行适当的灌溉，确保作物的正常生长，并节省宝贵的水资源。结果表明，这种智能化浇水系统测量精度高，通用性强，是一种很有应用价值的新型浇水装置。关键词：STC89C51单片机；APP；YL-69土壤湿度传感器；实时自动检测前言传统的农耕方式完全依靠自然天气与人工浇灌管理，费时又费力，并且在很多环境因素是很难靠人来良好进行分析的，对于农作物来说，环境因素的细小变化就可能会影响最终收成，譬如土壤水分不足或过高都会造成影响。近年来，随着科技的逐步发展，在国外，智能浇灌系统也逐渐流行起来，各种浇灌方式层出不穷，譬如利用虹吸原理渗透式浇花，但是这种浇花方式还存在很多的不足，例如不能人为的手动停止浇水，也无法依照植物所需的水分进行浇水。虽然成本低，但是不能控制水分的多少。还有比较常见的浇水装置有微喷和微灌，两者看上去相似，但却又是完全不同的技术，微灌是利用管道输送水分，将水分直接送到植物根部附近的土壤，用少量的水便能达到保持植物附近土壤湿度平衡，不过这种方法需要很多的管道输送水分，故而成本不低。而微喷是在微灌的基础上发展升级而来，对比微灌，微喷技术往往可以做到更加的省水，它拥有雾化喷头，把水雾化成细小的水滴洒落，结构相比于微灌更加的简单，更加省水，还比较容易维修。再加上中国向来是农业大国，智能灌溉如果能合理运用在农业生产中，不仅能很好的解决水资源的利用率，还能提高农作物的收成率[10]。本文主要分为六大部分，对智能浇花系统的设计的实现进行了具体的论述，满足农作物对于水分的需求，并实现农民收成率高的愿望。第一章绪论研究背景和意义充足的水分对植物的生长起着至关重要的作用，也是植物细胞膨胀和生长的动力。当土壤含水量过低时，会引起干旱，使植物不能进行光合作用，使其不能正常生产所需要的养分，进而影响产量和质量。因此，在植物细胞不断膨胀的过程中，必须保证足够的水分，否则细胞就会膨胀，从而影响细胞的生长。当水分过多的时候，植物就会枯萎，甚至死亡。但如果土壤湿度太大，则会使土壤的透气性变差，使根系无法正常呼吸、生长，对地面部分的生长产生不利的影响。土壤含水量对作物的耕作方式和品质也有一定的影响。光依靠人工是很难很好控制这些问题的，而近些年来，为了解决相应问题，国家也开始着手开展各项相关研究。随着各级政府对农业生产的重视，农业生产日益成为我国经济发展的一个重要组成部分。许多科研机构都在进行大量的研究，以提高产品的质量和提高产品的质量。温室内的水分是必须保证植物的生长所必需的水分，而水分的多少会对其造成一定的影响，如果不能保证充足的水分，就会造成植株的生长不良，甚至造成产量下降，造成损失。所以，无论是大规模的农业种植、温室栽培、家庭种植，都迫切地需要一套价格低廉、使用方便、测试结果可靠的智能浇灌系统，从而为浇灌水量的确定提供依据。要想搞定上述问题，本文设计了高稳定性、低成本的智能浇水系统。国内外研究近年来，国外智能化市场已经飞速发展，同时也带动了国内市场，我国对于设备智能化也开始重视起来了，加上农业发展一直是大众所关注的，那么科技与农业发展的结合也将成为未来的发展趋势。最近几年智能花盆已经在国内外出现了，虽然他们的功能和控制原理有区别，但是将其发展运用在农业浇灌上也是一个可研究方向。根本目的都是方便人们的生活和保证植物们的正常生长。长久以来，物联网与农业都是互不相干的两方面，一方面是因为人们对智慧农业这方面不够重视，另一方面是因为现在的智慧农业产品不够实际，难以推广，很多农耕人民对这些新鲜事物都比较抗拒，况且我国温室大棚的发展起步比较晚，虽然现阶段温室大棚推广已经开始广泛应用，但是与智慧农业相结合这一点推广力度还是不足。如今世界各国在智能大棚的研究和发展上都取得了很大的进展，各种形式的智能温室大棚都运用在了实际的生产种植中。[11]虽然我国现今的智能大棚行业发展与发达国家有一定差距，但是在不久的将来，随着我国科技不断发展，我国科学家对智能大棚深入研究，国内的智能大棚一定会有更好的进步发展。实现解放人力，提高效率的目标。论文结构论文共分六章，详细阐述了智能浇灌系统的设计与实现。本章的主要研究内容有：第一章引言。本文主要阐述了智能温室的研究背景和意义，阐述了我国目前的农业发展状况，以及国内外关于智能温室的研究状况，以及本文的结构组织。第二章本课题的整体设计。通过对智能浇灌系统的需求分析，提出了整个系统的整体架构。第三章系统的硬件部分。详细介绍了传感器、A/D转换、MCU、显示、蓝牙等模块的工作原理。第四章软件的开发。设计了一个智能浇花系统的APP，并给出了各个模块的实现流程。第五章系统的介绍。详细阐述了智能浇灌系统的物理组成与应用，并对实际操作的功能一一进行示范。第六章全文的结论和前景。对智能浇灌系统进行了总结和分析，指出了目前存在的问题，并对今后的发展方向进行了展望。

第二章系统组成及其工作原理2.1需求分析与功能介绍智能温室浇花系统的目的是为了使温室内的植物更容易、更科学的种植，并能根据实际情况，对作物的需要进行适当的灌溉，这样不仅可以节省水资源，还可以促进植株的生长。智能浇灌系统包括：1.观测并获得土壤的湿度信息，并且显示到液晶LCD1602上以便更直观得观察。2.该设计通过按键可以设置两个阈值-土壤湿度上下限，设置的数据有掉电存储的功能。3.手动和自动两种工作模式，自动模式下，当土壤温度低于最低限度时，继电器关闭水泵，相应的示警指示灯会亮，蜂鸣器会发出警报，然后开始加水，将湿度调到最大，直到土壤的湿度超过了最大的湿度，然后切断继电器，水泵就会停止工作，相应的警报就会发出警报，如果土壤的含水量在上下限以下，指示灯就会熄灭，蜂鸣器就不会发出警报。在人工模型中，不考虑土壤含水率和下限之间的关系，指示灯强制关闭，蜂鸣器强制不报警，通过按键强制开关控制继电器水泵。4.单片机将土壤湿度数据通过蓝牙串口模块HC-05发送给已建立连接的安卓手机APP。5.手机APP上有展示所有数据，报警信息，可设置上下限数据。

2.2系统的组成及工作原理图2-1智能大棚浇花系统组成框图本文设计的智能浇花系统的组成包括：湿度传感器检测模块，单片机，按键电路，复位电路，时钟电路，蓝牙模块。A/D转换模块，与LCD显示模块，如图2-1所示。图2-1智能大棚浇花系统组成框图智能大棚浇花系统的工作原理：传感器将收集到的土壤湿度信号传送到ADC0832中，ADC0832可以将湿度信号转换成数字信号，这是个模数转换的过程，转换成数字信号后便送到STC89C51单片机进行进一步的处理，最后得到的湿度数据在液晶显示器上显示出来，再通过蓝牙传输到手机APP。在手机端的APP还可以通过蓝牙部分控制智能浇花系统。按键是用于设定土壤湿度的数值。最小值和最大值可以自由的设置，当然它的最小值不能大于最大值。如果测得的土壤湿度超过设定的界限时，会触发声光报警[7]。本系统分为人工与自动两种工作方式，在自动工作方式中，当土壤的温度在下限以下时，继电器关闭水泵，相应的警报灯会亮，蜂鸣器会发出警报，会发出警报，会发出警报，会发出警报，如果土壤的湿度在一定范围内，则会熄灭，蜂鸣器不会发出警报。人工操作时，无论土壤含水量和下限之间的关系，都会自动关机，蜂鸣器不会发出警报，并通过按钮强制切换来控制中继水泵。第三章硬件系统设计硬件系统包括控制器、运算器、输入设备、存储器和输出设备。图3-1系统整体硬件原理图本文设计的智能浇花系统的整体硬件原理图如图3-1所示。图3-1系统整体硬件原理图3.1传感器模块湿度传感器由于其衬底表面有一层薄膜，因此可以感应到水分，而在此设计中，使用的湿度传感器的膜是一种类似于金属的银膜，表面和背面都被包裹着，这样就可以得到更准确的测量结果。将感应器置于土壤中，土壤中的湿气会粘附在感应器上，从而改变其介电常数，改变介电常数时，电容随著介电常数的改变而改变，从而获得所需的湿度资讯，并随著湿度的升高而增加[3]。土壤湿度传感器特点：1.响应能力好，数据测量准确，实时情况监测数据精度高，可以不受外界其他因素的打扰，单片机在这种情况下可以更加快速的做出应答，从而更精准控制浇水量。2.不含有任何有害化学成分，不易因微生物和日晒雨淋而沉淀出毒性物质，能适应多种气候条件，且成本低廉，可推广应用。3.高稳定性，易于安装和维修，操作简便。4.抗腐蚀性，可长期埋于地下。如图3-2所示，这是一个易于操作的湿度感应器，能够很容易的探测到土壤中的湿度，越是干燥的土地，输出的电压就越是低，而且输出的电压也就越高。YL-69是由于它具有电路简单、操作简便、成本低等优点，YL-69实物图3-2如下：图3-2YL-69实物图智能大棚浇水系统的传感器设计电路如图3-3所示：图3-3YL-69电路图把一个干的感应器插入到土壤中，要注意的是，感湿膜要保持在土壤中，这样可以使测量结果更精确。将采集到的湿度信号转化为电压，由微处理器进行数据处理，测量土壤含水量，并将其做成三叉形，便于插进土壤中。3.2A/D转换模块ADC0832由美国NetInc.制造，具有小型、高兼容、高性价比、双路A/D转换功能。世界上许多人都在用这个词。ADC0832是一种8位分辨率的A/D变换晶片，其模拟输出的电压范围为0-5V，其分辨率可达256级，适用于大部分场合的模数转换。它的稳定性很好，模拟数字信号的采集速度也很快，所以智能浇灌系统可以准确的测量土壤的湿度，模拟-数字转换的速度很快，只有32微秒。最大的优点是，它可以同时输出两个数据，降低了数据的误差。拥有自己的独立芯片，可以轻松地控制和多个原始设备的安装。本智能大棚浇水系统所用的模数转换模块原理图如图3-4所示:图3-4模数转换模块原理图由于湿度传感器采集的是模拟信号（电压），不能由单片机直接进行处理，因此，由ADC0832将湿度传感器采集到的数据进行模数转换，转化为数字信号，然后由微处理器进行数据处理。ADC0832可将0~5V的电压转换为0~255(8位为0~255)，由单片机直接读出ADC0832的数据以获得AD值的数据。3.3MCU模块3.3.1功能特征描述该智能浇水系统采用STC89C51单片机，该系统功耗低，运行速度快，可靠性高，抗干扰性强。引脚图如下图3-5：图3-5STC89C51的引脚图3.3.2主要特性1.STC89C51可以任意地选择6个或12个/机械循环，这取决于用户的需要。2.其工作频率在0-40兆赫。对于工作温度也有一定的要求，一般生产出工业级STC89C51的微处理器，其工作温度为-40~+85℃，如果是普通商用的单片机，其工作温度为0~75℃，因此，在使用智能浇花系统时应尽量避免主板长期处于阳光照射之下，以免因温度过高而造成单片机故障。。3.具有三种工作模式[2]：正常工作模式、空闲模式、掉电模式，在不同模式下的功耗不同，很好的降低了功耗是它最大的特点。4.STC89C51单片机具有很强的抗干扰性，它在输入、输出、单片机内部的复位电路、供电系统、时钟系统等方面都进行了专门的设计，降低了外界和内部的干扰，保证了系统的稳定和数据的准确性。采用宽频电压，避免因电力晃动而产生的干扰。3.3.3外部中断当单片机在主程序中反复运行的时候，出现了一个意外，程序“飞”到了另外一个地点（出事地点），然后“飞”回主程序，然后再循环下去。。表3-1中断允许寄存器IED7EAD3ET1D6D2EX1D5ET2D1ET0D4ESD0EX0STC89C51单片机有6个事件是可以中断单片机正在执行的主程序：1.定时器/计数器T0溢出。2.T1计数容器溢出。3.外部引脚P3.2上的信号中断。4.外部引脚P3.3上的信号中断。5.串口通讯中断。6.定时器T2中断。当有什么东西出现时，中断许可注册IE被用于判定是否通知CPU停止当前的工作并立即执行新的工作。以下将分别讨论在允许中断注册IE中的各个函数。1.EX0当EX0=1(SETBEX0)，当单片机P3.2管脚发生信号中断的时候，单片机就会中断主程序的执行，这样就可以“飞”到中断的地方去服务，当中断结束后，它就会自动地返回到RETI上，然后继续运行。当使单片机P3.2引脚上有中断信号出现时，即EX0=0(CLREX0)，当CPU无法接收到中断信号时，程序将不会从主程序中逃出来。2.ET0如果ET0=1(SETBET0)，那么MCU的CPU就可以在计时器/计数器T0的计时器中出现溢出，这个时候，MCU就可以立刻切断主程序的执行，并将其转移到相应的中断服务子程序上。3.EX1如果EX1=1(SETBEX1)，则在外部P3.3管脚上出现中断信号，这时，MCUCPU就会跑到相应的中断服务子程序上，从而导致主程序中断。4.ET1CPU能够在ET1=1（SETBET1）时执行对应的中断服务子程序，并终止主机。在ET1=0（CLRET1）的情况下，MCU不能中断主机来完成对应的中断服务。5.ES在ES=1（SETBES）时，串口接收或传输一位元数据，由MCU的CPU来中断主机，完成对应的中断服务。6.EAEA位是总中断允许控制位，将其设置成0关中断。3.3.4串口通信最小化意味着最小的电路部件保证了微控制器的工作。总体上，最少的MCU系统应由晶振电路，电源电路，复位电路，下载电路组成。最小系统的原理图3-6如下：图3-6最小系统的原理图复位电路：可使微处理器重启，使其正常工作。当单片机在使用的时候，由于各种外部的原因，导致单片机不能正常工作时，可以通过复位电路来恢复。实际操作中常用的复位电路有两种：按键手动重置和上电自动重置。上电自动复位电路：通过对外部回位电路进行电容充电和放电，可以实现自动上电复位。简明的线路，快速的使用。按键手动复位：此智能浇灌系统还具有设定键手动重置功能。正常情况下，只要在设备出现问题时，先切断电源，然后重新启动即可，但也要根据具体情况，增加一个手动复位键，这就相当于一个启动装置的按钮。其通过RST（9）末端与电源Vcc相连接，由此使电平重置。智能浇花系统的按键手动复位电路如下图3-7所示。图3-7按键手动复位电路时钟电路：一种像时钟一样精密运转的振荡器，它有两种产生模式，一种是外部时钟，另一种是内部时钟。图3-8中显示了内部的时钟图案。STC89C52微处理器中有一种可以在单片机中产生时钟脉冲的振荡电路，其原理是将石英晶体与XTAL1（18）、XTAL2（19）管脚连接，从而构成一种自激振荡器，用于向单片机供给工作脉冲。图3-8表示了用于迅速起动和稳定频率的内部时钟方式电路。。图3-8内部时钟模式下载接口：不需购置一般的编程软件，也不需从焊接完成的单片机上拆卸，只需将其直接上传到用户的系统中，就可以很直观的检测出程序是否能够正常工作，有没有差错。具体如下图3-9所示：图3-9下载程序接口的原理图3.4显示模块液晶显示器由液晶显示屏、电阻、电容等组成，通过液晶的物理性质来显示图像，其显示区由电压控制，液晶分子在电压的作用下呈现各种状态，从而实现显示，其应用范围很广。LCD1602LCD是一种字符型LCD显示组件，也是一种点阵式液晶组件[12]。如果有英文、符号、数字等，都能让它显现。之所以被称为1602液晶显示器，是因为其显示的内容仅有两条线，而每一行显示16个字。1602LCD显示器的特点：1.显示文字、数字清晰、品质好、发光稳定、不闪屏、可调整反差。2.小巧、轻便、低功率、只需电极及驱动IC等耗电，节约能源，故使用费用低廉。3.采用数字接口，与单片机相连，使用简便。4.本机具有自动重置、清屏、字符闪烁、显示移位等功能。LCD1602液晶显示器实物如图3-10所示：图3-10LCD1602正面实物图图3-101602字符型液晶显示器背面实物图本智能大棚浇水系统的显示模块原理图如图3-11所示图3-11LCD显示模块原理图3.5蓝牙传输模块该智能喷灌系统在此基础上，采用了一种基于蓝牙的串口通讯模块，实现了两种功能：命令响应和自动连接。这是一种不同于手工操作和自动化操作的不同。当Bluetooth模块在指令-回应方式下，就像是一种人工方式，使用者可以通过指令指令来完成。，而在自动连接模式下，蓝牙模块可以使用预设值自动连接[8]。该蓝牙特性如下：1.体积小不占地方，重量只有3.5g，能够防静电。2.在空旷的场所使用它时，要注意它的有效距离是10米，10米以上的距离就会断开也有可能信号变得很弱，影响数据传输。3.在蓝牙上的LED是用来显示工作状态的，当LED快速闪烁时，此时蓝牙没有和任一设备连接，而慢速闪烁则指示蓝牙进入AT模式，双闪则表示蓝牙已经连接并准备完毕。4.具有防反接的功能,不小心接反也不用怕，模块不会工作，这样可以防止接反给元件带来的损害。5.可以直接连接各种的单片机，接口电平为3.3V，不过要注意的是输入电压不能超过7V。本智能浇水系统设计中的蓝牙无线传输的电路图如下图3-12所示：图3-12蓝牙无线传输电路图第一次配对的话，可能要花费一些时间才能找到蓝牙，等匹配好了，就可以快速的联系上，密码是“1234”。然后在APP上进行匹配，一旦匹配完成，智能浇灌系统上的湿度就会自动上传到APP上。第四章系统软件设计系统软件的设计主要包含：接收来自系统的湿度数据信息，当前土壤湿度值的显示，报警程序的执行，手机端向浇灌系统实时传输设定湿度数据。。4.1主程序模块图4-1主程序流程图整个方案的基本思想是：将传感器采集到的水分数据通过变换模数传输给微处理器进行进一步的处理，并将其显示在LCD上，同时通过蓝牙串口模块HC-05将湿度数据信息发送给已经和智能浇花系统连接的安卓手机APP，在APP中显示出来，使用者可以在APP上设置湿度的上下限，此时的智能浇花系统上的湿度上下限会根据APP上的设置而跟着变化。如果传感器是自动的，而湿度低于设定的下限，APP和喷头都会发出警报，水泵会启动，不断地往里面加水，直至达到设定的湿度上限。[7]。

4.2湿度传感器采集显示程序流程图设计图4-2湿度传感器采集显示程序流程图图4-2为湿度传感器的获取和显示过程的流程。该系统的控制软件主要由ADC0832驱动程序组成，该驱动程序用于采集和转换温度信号，由单片机进行处理。LCD1602液晶显示屏驱动软件，实时显示土壤含水量。4.3按键程序流程图设计图4-3按键程序流程图如图4-3是按键程序设计流程图，APP与浇花系统主板上的按键功能设计成一致，只需三个键即可实现智能浇灌，简单、便捷，不需要复杂的操作，也不需要学习如何正确的按键。该智能浇灌系统以STC89C51为核心，由系统对土壤湿度进行分析，从而实现对水泵的开关量的控制。同时，通过手机APP，用户可以实时监控土壤湿度，实现智能浇水。第五章系统展示5.1系统实物展示与用法说明系统的整体如图5-1所示，智能浇灌系统由传感器、系统主板、水泵三大部分构成。图5-1系统的整体图5-2打开电源按下白色电源开关，开启智能浇灌系统，如图5-2所示，“Humidity:0%”表示土壤中的水分测量值，“State:Manual”表示在这个时候人工操作。按下一个键1，然后进入如图5-3中所示的上、下限设定接口。按2键，转换为自动模式，如图5-4所示，再按一次键2，自动模式就会停止。按下3键，即可直接启动水泵工作，再按3键即可使水泵停止工作。图5-3湿度上下限设置界面如图5-3所示，这时，已经到了上、下两个设定的设置界面，在这个时候，可以利用按键1、2、3来设定湿度的上限，按键1是设定（切换）湿度的上限，按键2是一个增加的数字，每一次按下一个数字，一个数字就会增加1%，一个按钮3是一个递减1%。图5-4自动模式在这个时候，在图5-4中，“State:Auto”表示在这个时候处于一个自动模式。此时是自动模式，自动模式下，默认采用人工设定的湿度上限和下限，而在图中，由于测量到的湿度为0%，触发了声光警报。图5.5手机APP上的显示打开APP，开启蓝牙功能，通过蓝牙搜索，将智能浇花系统的数据与智能浇花系统的数据进行同步，这个时候，这个按钮的使用方式和智能浇花系统的操作方式如出一辙，不需要背诵，就能轻松上手。5.2设计过程中遇到的问题及解决方法1.一开始的时候，并没有仔细研究LCD1602的LCD，所以用了比较大的电阻，不能把背光灯给点起来，后来仔细检查了一下，又把它给换了。2.电路板的焊接必须非常小心，否则会产生虚焊。3.在调试的时候，不知道为什么，蜂鸣器突然停止了工作，经过多次检查，最后更换了蜂鸣器。第六章总结与展望淡水是世界上最宝贵的资源，人类、动物、植物都需要淡水，而在科技的飞速发展下，许多城市的工业化程度也随之提升，对淡水的需求量也随之增加。最近几年，全球气候变化和厄尔尼诺的影响，地球上的许多地区都在不断的干涸，而随着人类的不断破坏，人们的饮用水也在不断的减少。因此智能浇水系统的优势便可以体现出来了，它可以根据土壤湿度自动判断作物水分状况，对植物进行科学灌溉，节约用水，真正意义上做到不浪费。本文设计的智能浇水系统使用了ADC0832微型芯片实现湿度信号的变换,它体积小，使用便捷，并且运用了LCD1602液晶显示器这样可以直观观察湿度数据变化信息，让使用者直观的享受操作的方便快捷。YL-69传感器，使用方法简单，并且拥有多种供电方式，不仅限于电池充电，还可以用电脑USB口甚至手机充电头来供电。该智能浇灌系统最大的优点在于无需计算机向其传输指令即可进行操作，因此在日常工作中使用起来十分方便，不仅节约了能源，还大大提高了浇灌工作的效率。整个系统的结构简单，减轻了体积的重量和费用，很适于家庭甚至大棚种植。本论文所设计的智能浇灌系统，尽管其各项功能均已实现，但仍有不足之处，仍有许多有待改进和完善之处：提高APP的实用性和美感。以后，APP的体验会更好。花洒的设计。因为没有喷嘴，所以浇水的时候不会太均匀，所以必须要有一个比较好的排水孔，这样可以保证土壤的湿度。提高湿度感应器的材料以提高其抗腐蚀性。参考文献[1]毛威,来智勇,耿楠.基于WSN的温室智能灌溉系统软件设计[J].现代电子技术,2017,40(16):5-9.DOI:10.16652/j.issn.1004-373x.2017.16.002.[2]冯军,王筱东,申智辉,杨洋.基于GPRS和LORA的大棚智能灌溉系统探索与设计[J].现代信息科技,2018,2(11):189-190+193.[3]王宗省,苏金娣,宋炳辉.基于土壤墒情的联栋大棚智能灌溉