电子与信息工程毕业论文：花园浇水智能控制系统的单片机设计.doc

1、 本 科 毕 业 设 计 花园浇水智能控制系统的单片机设计 所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要 当今世界，智能灌溉技术的高低代表着农业现代化的发展状况。而我国农业不能高效发展的主要原因正是是灌溉系统自动化水平较低。本 文就此问题研究了单片机控制的花园智能浇水系统，可对温室的温湿度进行监控，并按照作物生长的要求进行适时、适量灌水。该系统是以 ATMEL公司的 AT89C51 单片机为核心，由传感检测电路、信号处理电路、显示电路、输出控制电路组成。另外，系统还扩展了时钟电路，能准确显示年、月、日、时、分、秒、星期。 本次设计通过比较多种温度

2、、湿度传感器的优缺点，最终选择温湿度传感器 AM2301 对环境数据监测，结合作物生长发育规律，控制环境条件，使作物在不适宜生长发育的反季节中，可获得比室外生长更优的环境条件，达到作物优质、高产、高 效的栽培目的。由于认识到 89 系列单片机编程错误后仍可以重新编程，可以反复进行系统试验，每次试验可以编入不同的程序，系统能不断追随用户的最新需要进行修改等优点，我选择了 AT89C51。电路中，温湿度显示、报警及是否需要洒水显示、实时时钟显示功能通过 LCD 液晶完成显示，可视性强。输出控制电路由三极管、二极管、风扇、加热器、洒水器、继电器等组成，功能明确。软件设计开发根据具体的系统要求，结合各

3、个语言自身特点，采用了实时性强的汇编语言和可读性好的语言结合编写。总体来说，该系统具有较高的可靠性，能够实现预期设计功能 ，具有较高的性价比，可进行二次开发，实用性较强。 关键词 : AT89C51； DS1302； AM2301； 智能灌溉；温湿度 II ABSTRACT The level of Intelligent control water-saving irrigation technology reflects the development condition of agriculture modernization. The main reason that prevente

4、d our agricultures development is the low automatic level of irrigation system. As to this condition, This paper brings forward a utility greenhouse system. It could test and control the greenhouse temperature and humidity. Irrigation, In accordance with the requirements of crop timely and adequate.

5、 And this paper mainly studies the garden irrigation system of intelligent that controlled by MCU (Micro-controller Unit). Based on the AT89C51 singlechip microprocessor, the whole system consists of sensor circuit, signal transfer circuit, display circuit, output control circuit. In addition, it ha

6、s extended clock circuit, can accurately show the year, month, day, hour, minute, second and week. The design by comparing a variety of temperature and humidity sensors advanta ges and disadvantages, Finally choice AM2301 temperature and humidity sensors to monitor environmental data. It makes the g

7、reenhouse vegetable to get better indoor condition than outdoor in the unfit season by analyzing the data and combining the rules of the vegetable growth and controlling the circumstance condition in order to achieve high quality and high yield. In recognition of the 89 series microcontroller progra

8、mming errors can be re-programmed and the system can be repeated testing, each test can be incorporated into different programs, System can continuously follow the latest modify user requirements. I chose the AT89C51. In the circuit, temperature and humidity display, alarm and whether need to sprink

9、ler, real-time clock display function through LCD completed. The output control circuit is composed of triode, diode, Fan, heater, the sprinkler system, relay and so on. Function is clear. The system software design applies assembly language and C language. According to specific system requirements

10、and combining various language characteristics, Software design use real-time strong assembly language combined with good written C language.Overall, the system takes on the of higher reliability AM2301; DS1302; Intelligent Irrigation; temperature and humidity; III 目录 第 1 章 花园浇水智能控 制系统综述 . 1 1.1 研究背

11、景 . 1 1.2 国内外研究动态 . 1 1.1.2 国外研究动态 . 1 1.2.2 国内研究动态 . 2 1.3 课题研究的意义 . 2 第 2 章 智能浇水系统的总体设计 . 3 2.1 系统概述 . 3 2.2 系统总体结构框图 . 3 2.3 系统控制的基本参数 . 3 2.3.1 温度 . 3 2.3.2 湿度 . 4 第 3 章 系统硬件部分设计 . 5 3.1 微处理器部分的设计 . 5 3.1.1 单片机的选取 . 5 3.1.2 AT89C51 单片机概述 . 5 3.1.3 时钟电路设计 . 7 3.1.4 复位电路设计 . 7 3.2 温湿度传感器 . 7 3.2.1

12、 常用温湿度传感器对比 . 7 3.2.2 温湿度传感器 AM2301 的选取 . 9 3.3 实时时钟芯片 . 10 3.3.1 实时时钟芯片概述 . 10 3.3.2 常用实时时钟芯片对比 . 11 3.3.3 时钟芯片 DS1302 的选取 . 11 3.4 LCD1602 液晶显示介绍 . 12 3.5 输出电路 . 14 第 4 章 系统软件部分设计 . 15 4.1 汇编语言的选择 . 15 4.2 系统主程序设计 . 15 4.3 系统温湿度子程序流程图及说明 . 16 4.4 系统时钟子程序流程图及说明 . 17 4.5 液晶显示子程序流程图及说明 . 18 第 5 章 仿真结

13、果 . 19 结 论 . 20 致 谢 . 错误 !未定义书签。 IV 参考文献 . 21 附录一 总电路图 . 22 附录二 AM2301 子程序代码 . 23 附录三 DS1302 与 LCD1602 子程序代码 . 26 1 第 1章 花园浇水 智能控制系统综述 1.1 研究背景 众所周知，我国面临水危机严重，是水资源严重短缺的国家之一，虽然水资源总量约 2 8万亿 3m ，居世界第六位，但因人多地广，人均水资源不足世界人均占有量的四分之一。每年缺水量近 400 亿 3m ，其中农业缺水近 300 亿 3m 。更由于传统、粗放、落后的灌溉方式，我国灌溉水资源浪费情况相当严重。据统计，目前

14、我国灌溉水利用率只有 40%左右，个别 省份只有 20%，而发达国家的灌溉水利用率可达到 80%-90%。对比可知，农业节水势在必行。各国实践研究也证明，农业节水切实可行且潜力巨大。另外，随着人们生活水平的提高，人们对花卉、树木等绿色植物的喜爱和种植越来越多，然而以前对花木的浇灌、施肥等工作都需要靠人工来实现，不能根据植物正常生长所需要的水分、温度来实时调节植物生长环境的参数，不利于花木的成长以及资源的高效利用。 而且目前我国智能灌溉系统 对环境等状况进行合理的调节和控制 技术不够， 设施结构 比较简陋 ， 内部调控设备和功能不齐全 、 不完善 ， 设施内的技术落后以及 总体规划不合理。 设计

15、的产品多 高耗能 ， 品种单一 ， 产品质量不过关 。与先进国家产品相比，还有较大差距，还不能完全满足当前形势和今后发展的需要。而且国内基本上的温室浇水灌溉系统是引进国外的设备与技术。因此，也存在不少问题，像 :机器价格昂贵，界面是外文不方便操作，不方便保养维护，系统功能进一步的开发难等。而且其中很多产品还不适合中国国情。这都使得中国在灌溉技术方面存在的问题也越来越突出。随着我国农业的发展，温室种植面积增加，引进、消化和吸收国外先进技术的基础上，加速研制开发具有中国特色的成套、实用、可靠、先进、信息化 、国产化、专业化的智能灌溉系统成为是一项具有极其重要意义的事情。 1.2 国内外研究动态 1

16、.1.2 国外研究动态 世界上智能灌溉工程实施比较好的国家有以色列、法国、美国等。 这些国家现代温室的研究起步早、发展快 ， 对综合环境控制技术水平相对较高。 目前，他们采用先进的节水灌溉制度，由传统的充分灌溉向非充分灌溉发展，对灌区用水进行监测预报，实行动态管理，监测土壤情况和作物生长，开发了一系列功能强大的数字式灌溉控制器，并广泛应用。目前，世界上最先进的灌溉智能化技术是在微灌技术的基础上，按照技术集成和机械化程度，增加对土壤、作物长势情况、温度等生长环境因素等的监控和检测，用精确的灌溉设施及技术实现全自动化监控，按需定位、定量精确灌溉。以色列处于干旱缺水地带，是世界上灌溉技术最具代表性的

17、国家。目前，其全国农业土地基本实现了灌溉管理自动化，并且普遍推行自动控制系统，按时按量将水、肥料送入作物根部，水资源利用率十分的高。北美、韩国、澳大利亚等地区和国家也都已经有发展成熟且形成系列的灌溉产品，其灌溉方式普遍由计算机集中控制，埋在地下的传感器可以传回有关土壤水分的信息来决定植物浇水的间隔。其内部设施己经发展到比较完备的程度，并形 成了一定的标准。用来检测的传感器也比较齐备，像对温室的光照度、湿度、温度、营养液浓度等的检测，传感器基本上能对各个输出电路进行自动控制。而且计算机对这些系统的控制己经不仅仅是静态的、简单的、独立的直接控制，而2 是建立在环境模型基础上的监督控制，以及建立在专

18、家系统上的智能控制，这样的系统可以为管理者提供包括植物病虫害防治、种植的经济分析、温室内部管理等信息。 1.2.2 国内研究动态 我国从 70 年代 就 开始发展 微灌技术 。 节水灌溉自动化研究处于起步阶段，自动化程度还比较低。在开发的产品中，比较有代表性的是中国农业化研 究院联合多家企业研制的 2000 温室自动灌溉施肥系统。目前，已在大连、北京等地投入应用并且有较好的效果，只是成本比较高 ， 比较适合温室使用 。由中国灌排技术开发公司开发的集中或分散式微灌自动监控系统，以 8098 单片机为核心控制部件，能根据灌溉计划自动监控微灌工程以及对其进行事故处理。核心为 8031 单片机的自动化

19、灌溉控制系统由北京农业工程大学研制，可以对多通道土壤水分进行检测，实现对多路通道进行自动灌溉控制的功能。但这两种系统所选芯片功能不多，要进行电路扩展系统就会复杂很多，最终导致系统的运行不稳定。由福建省水利建 设技术中心研制的节水灌溉自动化控制系统，可对作物采取定时、恒湿及人工三种模式的灌溉方式，用自动控制技术、计算机技术、生态农业技术和通讯技术进行集成优化配置。北京奥特思达科技有限公司研制的 WT-02 型微喷灌定时自动控制器，是一种供农业，草坪，果园，温室等一般场合给水的电子灌溉自动化控制系统，但他们都定时定量进行灌溉，不能按照作物所需进行的灌溉。国内还有研制的直接以 PC 机进行控制的自动

20、灌溉控制器，不仅使成本增加，而且不易在田间较恶劣的环境下使用，所以实用化程度很低。另外，我国智能化灌溉目前仍然停留在研究单个环境 因子调控技术的阶段，而实际上，温室内的日射量、气温、地温、土壤湿度等环境因素，是在相互影响、相互制约的状态中对作物的生长产生影响的 6。 1.3 课题研究的意义 灌溉自动化管理是进行田间灌溉管理的有效工具，是中国现在发展高效农业的重要手段。目前发达国家的田间灌溉已经普遍采用自动化管理，高投入、高技术和管理现代化成为了当今发达国家发展节水型农业的基本模式。另外，发达国家还开发和研制了一系列功能强大、用途广泛的智能信息化的灌溉控制系统，并且己广泛地应用到实际中。然而目前

21、我国则主要局限于节水灌溉工程的应 用和推广，系统的灌溉自动化水平比较低，人工参与较多，且多为灌溉单项技术系统多为单因子控制。这些都制约着我国高效农业的发展。 本课题主要是花园浇水智能控制系统的单片机设计，也就是温湿度自动控制系统。该系统可以广泛适用于花园、蔬菜等大棚种植和对温湿度有特殊要求的场合。使用集温度湿度为一体的 AM2301 电容式数字型温湿度传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。本次研究将解决传统温室控制系统的控制单一，控制不够精确，高成本等一系列问题。另外 ,本次设计利用时钟芯片 DS1302 破除以往的花园自动节水灌溉系统只具有

22、温湿度测量这一单一功能，附加上万年历显示，具有年、月、日、时、分、秒、星期的准确显示，还具有实时校准功能，通过外部按键来设置进入和跳出校准模式。使用方便，使系统功能更加完善。 3 第 2章 智能浇水系统的总体设计 2.1 系统概述 花园智能灌溉系统即温湿度智能控制系统， 是将自动控制与灌溉系统有机的结合起来 ，它是利用单片机来对环境温湿度进行实时测量并给予显示，同时自动根据环境是否缺水给出应答，根据不同的缺水程度进行适度浇灌， 使灌溉系统在无人干预的情 况下通过控制器按规定的程序 或指令可以 自动 控制 外部风扇、加热器和洒水器工作 .自动控制灌溉系统具有更节水、节省时间、精确灌溉等特点 。此

23、外该系统还配有万年历显示功能，显示使用 LCD1602 液晶显示器， 可以全年日历及时间 显示及具有校正功能。让使用者及时掌握好时间。而且全程采用汇编语言编写，系统具有很好的功能扩展性，可以根据需要再进行功能扩展。 2.2 系统总体结构框图 图 2.1 系统总体结构框图 按照系统要得到的控制目的，系统由以下四个部分组成： (1)信号采集输入部分：包括温度、湿度等环境因子的检测； (2)信号转换与处理部分：将采集的信号由 单片机进行相关的处理工作；（ 3）时间输入部分：通过时钟芯片输入年、月、日、时、分、秒等时间信息，以及通过按键来完成温湿度调整，时间校对工作。 (4)输出电路部分：控制风扇、加

24、热、洒水器等及液晶显示工作。 2.3 系统控制的基本参数 2.3.1 温度 温度对作物的光合作用、呼吸作用、光合产物的输送、根系的生长和水分、养分的吸收均有显著影响。 不同品种或同一品种的不同生长发育阶段， 温度对作物的作用也不同。像在作物的生育前期，叶子的面积增长速度很快，物质再生产也很旺盛，因而，植物在生育前期时钟晶振 输出控制电路 时钟芯片 温湿度芯片 电源 液晶显示 按键 单片机 AT89C51 4 温度偏高一点，叶面积扩展速度 也就会加快。而植物在生育的中后期，叶面积指数己增至最大，此时物质生产主要由单位面积的净同化率决定。在这个阶段中，应适当降低温度以增加净光合产物的积累和储存。

25、所以， 通过检测来 调节温度以满足各个品种、各不同生长发育阶段的要求 是必不可少 的关键技术 5。 2.3.2 湿度 湿度是指设施内空气的相对湿度，是空气潮湿程度的物理量。湿度作为植物最敏感的因子之一，不仅影响温室花等植物蒸腾与地面蒸发量，而且直接影响光合强度和病害情况。所以说空气湿度是温室环境诸多因素中非常重要的一个因素。在温室环境中，作物一般以空气相对湿度 保持在 75%时便处于最佳生长状态。但世界上植物种类千千万， 不同 的植物 生长发育 时对 空气湿度的要求不尽相同， 这就要根据植物类型进行湿度调节 。通常空气湿度适宜时，植物 生长发育正常，空气湿度偏高或偏低则对生长发育有不良影响。如

26、温室内空气湿度过高，会抑制植株正常水蒸腾作用，使植株体因散热不及时而 “烧伤 ”组织成器官；还容易使花粉粒在授粉、受精前因吸水过多而破裂，导致落花、落果的发生；同时容易诱发和加重疫病、灰霉病、炭疽病、霜霉病等病害。而空气干燥不仅影响植株进行光合作用，还易诱发病毒病、红蜘蛛、蚜虫等病虫害。 因此空气湿 度的监测显得十分必要。而快速准确地测定作物生长环境的空气湿度，对于探明作物生长环境状态是否为最佳，是否适宜作物生长，以便及时做出调控。 5 第 3章 系统硬件部分设计 3.1 微处理器部分的设计 3.1.1 单片机的选取 单片机全称单片微型计算机（ Single Chip Microcompute

27、r）。它以功能强、小巧价廉、稳定可靠、集成度高、运算速度快、功耗低、扩展容易、使用方便灵活、抗干扰能力强、系列齐全等优点广泛应用于工业过程控制、自动监测、智能仪器仪表、家用电器等领域，是生活中不可缺少的部分。 目前世界 上有很多公司生产单片机产品，如美国的 INTEL， ATMEL， MOTOROLA 和ZILOG 公司，德国的 SIEMES 公司，荷兰的 PHILIP 公司等他们都有各自的产品。其中 ATMEL公司的 89 系列单片机也称 Flash 单片机是以 8031 为核心构成的，它和 INTEL 公司的 MCS-51系列单片机完全兼容，它不但继承了 MCS - 51 系列原有的功能，

28、而且又扩展了它的功能。对一般用户来说， 89 系列单片机存在下列很显著的优点：一般的 OTP 产品，一旦编程错误就成了废品，然而 89 系列单片机内部采用 Flash 存储器，所以，编程错 误后仍然可以重新编程，一直到正确编程。另外，用 89 系列单片机设计的系统，可以进行反复地系统试验，每次试验可编进不同的程序，这样就可以让让用户的根据需要进行修改使系统设计达到最优。鉴于以上的优点，经过分析比较，根据本课题的特点以及自身对单片机类型的熟悉，我选择 ATMEL公司 89 系列的标准型单片机 AT89C51。 3.1.2 AT89C51 单片机概述 AT89C51 是一种带 4K 字节 FLAS

29、H 存储器 （ FPEROM Flash Programmable and Erasable Read Only Memory） 。 它采用了 CMOS 工艺和 ATMEL 公司的技术，且引脚和指令系统都与 MCS-51产品兼容，最大特点就是闪速存储器优越的在线可重复编程性能。其主要性能如下： 与 MCS-51 兼容 4K 字节可编程 FLASH 存储器 1000 写 /擦循环 数据保留时间： 10 年 全静态工作： 0Hz-24MHz 三级程序存储器锁定 1288 位内部 RAM 32 可编程 I/O 线 两个 16 位 定时器 /计数器 5 个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 AT89C51 引脚配置如下 17： 图 3.1 单片机主机系统图