1、XXXXXXXXX2015届本科毕业论文（设计）I摘要自动控制节水灌溉技术的高低代表着农业现代化的发展状况，灌溉系统自动化水平较低是制约我国高效农业发展的主要原因。本文就此问题研究了单片机控制的节水灌溉系统，该系统可对不同土壤的湿度进行检测，并按照作物对土壤湿度的要求进行适时、适量灌水。本作品是以STC12C5A60S2单片机为设计核心，主要由土壤湿度传感器，数据处理电路，显示电路，输出控制电路，故障报警电路等组成，软件选用C语言编程。单片机可将土壤湿度传感器检测到的土壤湿度模拟量转换成数字量，并显示于LCD显示屏上，根据设定值判断，若需灌水，则单片机系统启动鸣音报警，发出灌水信号，开启电磁阀
2、进行灌水。该设计灵活性强，易于操作，可靠性高，具有方便、快捷和经济等特点，可根据土壤湿度及时灌溉。关键词单片机STC12C5A60S2、节水灌溉、自动控制XXXXXXXXX2015届本科毕业论文（设计）IIABSTRACTTHELEVELOFAUTOCONTROLWATERSAVINGIRRIGATIONTECHNOLOGYREFLECTSTHEDEVELOPMENTCONDITIONOFAGRICULTUREMODERNIZATIONTHELOWAUTOMATICLEVELOFIRRIGATIONSYSTEMISTHEMAINREASONTHATPREVENTEDOURAGRICULTURE
3、SDEVELOPMENTWATERSAVINGIRRIGATIONINTHISPAPER,THERESEARCHONTHEISSUEOFSINGLECHIPMICROCOMPUTERCONTROLSYSTEM,THESYSTEMCOULDBEUSEDFORDIFFERENTSOILHUMIDITYTESTING,ANDTIMELYINACCORDANCEWITHTHEREQUIREMENTSOFTHECROPSONSOILMOISTURE,ADEQUATEWATERTHISWORKISBASEDONSTC12C5A60S2MICROCONTROLLERDESIGNCORETHEBOTTOMHA
4、RDWARESYSTEMMAINLYCONSISTSOFSOILMOISTURESENSOR,SIGNALTRANSFERCIRCUIT,MONITORDISPLAYCIRCUIT,OURPORTCONTROLCIRCUIT,MALFUNCTIONDISPLAYCIRCUITANDTHEPROCEDUREPROGRAMMEDWITHCASSEMBLELANGUAGESINGLECHIPMICROCOMPUTERCANCHANGETHEHUMIDITYOFTHESOILMOISTURESENSORTOCONVERTTHEAMOUNTOFSOILMOISTURETOADIGITALQUANTITY
5、,ANDDISPLAYEDONTHELCDDISPLAYACCORDINGTOSETVALUEJUDGMENT,IFNEEDTOINFUSEWATER,THENSINGLECHIPMICROCOMPUTERSYSTEMSTARTSINGINGSOUNDALARM,SIGNALTOINFUSEWATER,OPENWATERELECTROMAGNETICVALVETHEHIGHDESIGNFLEXIBILITY,EASYOPERATION,HIGHRELIABILITY,HASTHECHARACTERISTICSOFCONVENIENT,QUICKANDECONOMIC,TOIRRIGATIONI
6、NTIMEACCORDINGTOTHESOILMOISTUREKEYWORDSSTC12C5A60S2WIRELESS,WATERSAVINGIRRIGATION,AUTOCONTROLXXXXXXXXX2015届本科毕业论文（设计）1目录1绪论111引言112课题背景及研究的目的与意义1121课题背景1122课题研究的目的与意义213节水灌溉控制系统国内外的研究现状314课题研究内容32系统总体设计方案421系统工作原理422系统方框图设计423系统结构5231湿度检测模块5232单片机模块5233显示模块5234输出控制模块5235报警模块524主要器件的选取5241单片机的选取5242土
7、壤湿度传感器的选取9243显示器的选取10244电磁阀的选取10245软件语言的选取113系统主要硬件电路设计1331单片机主机系统电路13311时钟电路13312复位电路1432数据采集处理电路15321湿度采集15322A/D转换部分17XXXXXXXXX2015届本科毕业论文（设计）233LCD显示电路183311602LCD基本参数193321602LCD引脚功能说明19333指令说明及时序203341602LCD硬件原理图2034输出控制电路2135报警电路2236按键电路234系统软件设计2541软件架构设计2542系统主程序设计2543初始化程序设计28431A/D转换初始化29
8、432液晶初始化29433定时器中断系统初始化3044子程序设计31441湿度采集子程序31442显示子程序32443按键扫描程序33444按键消抖程序34445数据处理程序35446延时程序365系统的安装与调试3751设计流程3752电路图的设计3753电路板的制作3754调试37541硬件调试37542软件调试38543系统的误差分析38544调试结果39XXXXXXXXX2015届本科毕业论文（设计）3结论43致谢45参考文献46附录一48附录二49XXXXXXXXX2015届本科毕业论文（设计）11绪论11引言迄今为止，全世界范围内，有40的国家处于缺水状态，并有26个国家处于严重缺
9、水的状态，我国拥有23万亿立方米的储水量，位于世界人均占有水资源量的109位，属于世界最缺乏水资源的国家之一。当前，我国每年缺水量高达400亿立方米，农业缺水尤为显著，约300亿立方米，农业占总用水量的70，高达90的用水量是用于灌溉，因此，农业节水是节水工程的关键所在，若采用传统的灌溉模式，全国每亩地的平均需水量在450500立方米，因此研究一种有效的农业节水灌溉方式是当前的首要任务之一。随着计算机技术和传感器技术的迅猛发展，计算机和传感器的价格日益降低，可靠性日益提高，用信息技术改造农业是可能的而且是必要的。用高新技术改造农业产业，实施节水灌溉已成为我国农业乃至国民经济持续发展带战略性的根
10、本大事。制约我国自动化节水工程发展的主要原因是自动化水平不高，多采用传统的灌溉模式，自动化意识低下，仍然属于粗放型的灌溉操作，因此，提高有效灌溉率、缩短工作时间，是节水的关键，节水技术则是重中之重。本文旨在针对作物生长土地湿度自动监控系统进行研究，进而能够极大地发挥其本身的优越性，使其促进作物生长的同时，节约大量的水，降低能耗。12课题背景及研究的目的与意义121课题背景生命之起源，水为必要条件，没有了水，地球上的生命将会枯竭。随着21世纪的到来，能源危机将接踵而至。比能源危机更可怕的是，作为人类生命之源的水的短缺到了前所未有的程度，这一状况还将随着时间的推移和社会的发展继续恶化。水资源危机已
11、成为全球性的突出问题，利用科技手段缓解这一危机，将是人类主要的出路。农业是人类社会最古老的行业，是各行各业的基础，也是人类顿以生存的最重要的行业。农业的发展从长远来看很重要，一是水的问题，二是科技的问题。农业的根本出路在科技，在教育。由传统农业向现代化农业转变，由粗放经营向集约经营转变，必须要求农业科技有一个大的发展，进行一次新的农业技术革命。农业与工业、交通等行业相比仍然比较落后，农业灌溉技术尤其落后。灌溉系统自动化水平较低是制约我国高效农业发展的主要原因。传统的灌溉模式自动化程度极低，基本上属粗放的人工操作，即XXXXXXXXX2015届本科毕业论文（设计）2便对于给定的量，在操作中也无法
12、进行有效的控制，为了提高灌溉效率，缩短劳动时间和节约水资源，必须发展节水灌溉控制技术。当前，占世界人口总量40的80个国家缺水，其中26个国家严重缺水。我国有28万亿立方米的水资源总量，全世界排第6位，但人均水资源不足世界水资源的1/4，排在世界人均占有水资源量的第109位，是世界上人均占有水资源最贫乏的个国家之一。目前,我国每年缺水量近400亿立方米，其中农业缺水约300亿立方米。我国用水大户仍然是农业用水，约占70，而农业用水的90是灌溉用水，因此节水首先要在农业节水上做文章。采用传统的灌溉模式，灌溉定额普遍偏高，全国平均每亩实际灌水量达到450500立方米，超过实际需水量的1倍左右，有的
13、地区高达2倍以上。与一些发达国家相比，我国农业的用水效率还是相当低的，灌溉水资源的浪费情况相当严重，节水的潜力十分巨大。据统计目前我国灌溉水利用率只有40左右，而发达国家的灌溉水利用率可达8090。如果采用先进的灌溉技术，将我国的灌水利用率提高到60一70，则在目前情况下每年可节约灌溉用水010一015万亿立方米。这样，通过发展节水灌溉，在减少（最起码不增加）农业用水总量的前提下，满足灌溉需要，同时把节约出来的水量用于城市生活、工业生产和生态用水，以水资源的可持续利用促进经济社会的可持续发展。122课题研究的目的与意义农业是人类社会最古老的行业，是各行各业的基础，也是人类赖以生存的最重要的行业
14、。农业的发展从长远来看非常重要，一是水的问题，二是科技的问题。农业的根本出路在科技，在教育。由传统农业向现代化农业转变，由粗放经营向集约经营转变，必须要求农业科技有一个大的发展，进行一次新的农业技术革命。农业与工业、交通等行业相比仍然比较落后，农业灌溉技术尤其落后。灌溉系统自动化水平较低是制约我国高效农业发展的主要原因。传统的灌溉模式自动化程度极低，基本上属粗放的人工操作，即便对于给定的量，在操作中也无法进行有效的控制，为了提高灌溉效率，缩短劳动时间和节约水资源，必须发展节水灌溉控制技术。现代智能型控制器进行灌溉系统田间管理的有效手段和工具，它可提高操作准确性，有利于灌溉过程的科学管理，降低对
15、操作者本身素质的要求。除了能大大减少劳动量，更重要的是它能准确、定时、定量、高效地给作物自动补充分，以提高产量、质量，节水、节能。我国先后引进了以色列、美国、法国、德国等国家的部分先进灌溉控制设备，但价格昂贵，维护保养困难，多数用于农业示范区、科研单位或高校，而且不符合我国土壤XXXXXXXXX2015届本科毕业论文（设计）3的应用特点。我国自己的现代灌溉控制器的研制和使用尚处于起步阶段，因此，作为一个农业大国，中国研究开发自己的先进的低成本、使用维护方便、系统功能强且扩展容易的国产化数字式节水灌溉器是一项极有意义的工作。随着计算机技术和传感器技术的迅猛发展，计算机和传感器的价格日益降低，可靠
16、性日益提高，用信息技术改造农业不仅是可能的而且是必要的。用高新技术改造农业产业，实施节水灌溉己成为我国农业乃至国民经济持续发展带战略性的根本大事。本文旨在设计一套能对作物生长进行自动监控的系统，它能对作物进行适时、适量的灌水，起到高效灌溉、节水、节能的作用。13节水灌溉控制系统国内外的研究现状目前国外灌溉控制器已逐步趋于成熟、系列化，并朝着大型分布式控制系统和小面积单机控制两个方向发展,产品一般都能与微机进行通信，并由微机对其施行控制。而在我国，虽然有多家研制灌溉控制器,但多数是小规模、实验和理论的探讨，而且开发出来的产品价格昂贵，农民尽管知道能节能、节水、增产，但由于一次性投资太大，多数农民
17、承受不起，所以根本无法普及应用。14课题研究内容本课题主要研究基于单片机的节水灌溉系统，对土壤湿度与灌水量之间的关系进行分析、研究。主要内容如下1根据节水灌溉系统技术的特点，进行节水灌溉系统的分析、研究与设计。2在硬件方面，需研究整体硬件框图以及各种器件的选型及连接方法。3在软件方面，要明确主程序及各个主要部分的流程以及相应的程序控制清单。4单片机可将土壤湿度传感器检测到的土壤湿度模拟量转换成数字量,并显示于LCD显示器上。5将有关的灌水信息反馈给单片机,若需灌水,则单片机系统启动鸣音报警,发出灌水信号,并经放大驱动设备,开启电磁阀进行倒计时定时灌水。XXXXXXXXX2015届本科毕业论文（
18、设计）42系统总体设计方案21系统工作原理根据实际情况及系统技术要求，采用STC12C5A60S2微控器作为控制与数据处理的核心以构成节水灌溉控制系统。该系统采用STC12C5A60S2单片机来实现。用土壤湿度传感器对土壤湿度进行采集，所得电流信号经处理得到可用的电压信号，经AD转换成数字信号进行处理。系统将检测得土壤的湿度值，送到LCD显示电路显示，从而实现对土壤湿度的监测监控，能进行适度范围设置和显示，通过其内设程序判断，若需灌水,则单片机系统启动鸣音报警，发出灌水信号，并经放大驱动设备，开启电磁阀进行倒计时定时灌水。22系统方框图设计该电路主要由STC12C5A60S2系统电路、湿度检测
19、电路、显示电路、输出控制电路、报警电路等组成。软件选用C语言编程。单片机可将土壤湿度传感器检测到的土壤湿度模拟量转换成数字量，并传输给控制系统检测是否该灌溉。该系统灵活性强，成本低，可靠性高，在实际应用中前景广阔。系统框图如图21所示。图21系统方框图种植作物的土壤土壤湿度传感放大驱动STC12C5A60S2单片机报警液晶显示电磁阀XXXXXXXXX2015届本科毕业论文（设计）523系统结构整个节水水灌溉系统的结构可以分为5大部分湿度检测模块，单片机模块，LCD显示模块，输出控制模块，报警模块等。231湿度检测模块采用土壤湿度传感器检测土壤湿度，并传送给单片机。232单片机模块单片机模块对整
20、个系统进行控制，实现以下功能1将土壤湿度传感器传来的模拟量转换成数字量；2控制显示模块显示工作参数；3根据内设程序进行判断控制报警电路；4实现电磁阀的控制。233显示模块LCD液晶显示模块能够将测得的土壤湿度以及湿度预值显示出来，灌水时并显示时间及流量，提供了系统和操作者的交流窗口，是人机界面的重要组成部分之一。234输出控制模块单片机根据内设程序作出判断后，来控制继电器，电磁阀是本设备的执行设备，电磁阀控制水的流通和截止，实现了电能到机械能的转换。235报警模块有关的灌水信息反馈给单片机，若需灌水，则单片机系统启动蜂鸣器进行鸣音报警，并发出灌水信号。24主要器件的选取241单片机的选取241
21、1本系统选用的单片机节水灌溉系统的整个控制核心采用的是STC12C5A60S2单片机，STC12C5A60S2系列单片机是单时钟/机器周期的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统的8051，但速度快812倍。内部集成MAX810专用的XXXXXXXXX2015届本科毕业论文（设计）6复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，适用于高速通信，电机控制，强干扰场合。所以本系统决定采用STC12C5A60S2作为芯片。其主要有以下特点1增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051；2工作电压STC12C5A60S2系列工作电
22、压55V35V（5V单片机）；3工作频率范围035MHZ，相当于普通8051的0420MHZ；4用户应用程序空间8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节；5片上集成1280字节RAM；6通用I/O口（36/40/44个），复位后为准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）可设置成四种模式准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏，每个I/O口驱动能力均可达到20MA，但整个芯片最大不要超过120MA；7ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口（P30/P31）直接下载用户程序，数秒即可完成一片；8内
23、部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）；9外部掉电检测电路在P46口有一个低压门槛比较器5V单片机为133V，误差为5，33V单片机为131V，误差为3；10A/D转换，10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S每秒钟25万次；11工作温度范围4085工业级/075商业级；2412STC12C5A60S2内部结构及管脚排列STC12C5A60S2系列单片机的内部结构框图如图22所示。STC12C5A60S2单片机中包含中央处理器CPU、程序存储器FLASH、数据存储器SRAM、定时/计数器、UART串口、串口2、I/O接口、高速A/D转换、SP
24、I接口、PCA、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶体振荡电路等模块。STC12C5A60S2系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统。图23是单片机STC12C5A60S2的管脚图。各引脚功能简单介绍如下VCC供电电压；GND接地；PSEN外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取址期间，每个机器周期PSEN两次有效。但在访问内部部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现；XXXXXXXXX2015届本科毕业论文（设计）7图22STC12C5A60S2内部结构图EA/VPP当EA保持低电平时，访问外部ROM；注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESE
25、T；当EA端保持高电平时，访问内部ROM。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源VPP；RST复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高平时间；图23STC12C5A60S2管脚图XXXXXXXXX2015届本科毕业论文（设计）8ALE/PROG当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SF
26、R8EH地址上置0。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效；P1口P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入“1”后，电位被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收；表21P1口引脚其他功能端口引脚复用功能P10ADC输入通道0；独立波特率发生器的时钟输出P12ADC输入通道2；第二串口数据接收端；PCA计数器外部脉冲输入脚P13ADC输入通道3；第二串口数据发送端；外部信号捕获P15ADC输入通道5；SP
27、I同步串行接口的主出从入P16ADC输入通道6；SPI同步串行接口的主入从出P3口P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入时，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流ILL，也是由于上拉的缘故。表22P3口引脚其他功能端口引脚复用功能P30RXD（串行输入口）P31TXD（串行输出口）P32INT0（外部中断0）P33INT1（外部中断1）P34T0（定时器0的外部输入）P35T1（定时器1的外部输入）P36WR（外部数据存储器写选通）P37RD（外部数据存储器读选通）XXXXXXXXX2015届
28、本科毕业论文（设计）9242土壤湿度传感器的选取传感器是能响应规定的被测物理量，并按照一定的规律转换成为可用信号输出的器件或装置。它通常由直接响应于被测物理量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件及相应的电子电路组成。传感器的分类按构成分可分为基本型传感器、组合型传感器和应用型传感器；按机理可分为结构型传感器，物理性传感器、混合型传感器和生物型传感器；按作用形式可分为主动型传感器和被动传感器；按变换工作能量的供给形式可分为能量变换型传感器和能量控制型转换器；按输出信号形式分为温度、压力、湿度、流量、流速、磁场和光通量等传感器。湿度的采集可以用湿度传感器来实现。将湿度传感器看作可调变阻器，当湿度
29、传感器采集到湿度时，电阻值发生变化，湿度最小时的电阻值为10K，湿度最大时为01。变化的幅度是根据湿度传感器采集到的湿度大小而定。随着电阻值的变化，电路的输出电压也跟着变化。调节电阻值的大小，可得到想要的电压，满足电路的需求。此次设计采用的是土壤湿度传感器YL69。图24土壤湿度传感器模块值得说明的是此传感器适用于土壤的湿度检测；模块中蓝色的电位器是用于土壤湿度的阀值调节，顺时针调节，控制的湿度会越大，逆时针越小；数字量输出D0可以与单片机直接相连，通过单片机来检测高低电平，由此来检测土壤湿度。XXXXXXXXX2015届本科毕业论文（设计）10243显示器的选取在日常生活中，我们对液晶显示器
30、并不陌生。液晶显示模块已作为很多电子产品的通用器件，如在计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种发光管、LED数码管、液晶显示器。发光管和LED数码管比较常用，软硬件都比较简单，在小型智能化电子产品中，普通的7段LED数码管只能显示数字，若要显示英文字母或图像汉字，则必须使用液晶显示器，所以本课题选择液晶显示器。在单片机系统中应用晶液显示器作为输出器件有以下几个优点1显示质量高由于液晶显示器每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩和亮度，恒定发光，而不像阴极射线管显示器（CRT）那样需要不断刷新新亮
31、点。因此，液晶显示器画质高且不会闪烁。2数字式接口液晶显示器都是数字式的，和单片机系统的接口更加简单可靠，操作更加方。3体积小、重量轻液晶显示器通过显示屏上的电极控制液晶分子状态来达到显示的目的，在重量上比相同显示面积的传统显示器要轻得多。4功耗低相对而言，液晶显示器的功耗主要消耗在其内部的电极和驱动上，因而耗电量比其它显示器要少得多。图25LCD液晶显示器244电磁阀的选取阀门是在流体系统中，用来控制流体的方向、压力、流量的装置。阀门是使配管和设备内的介质（液体、气体、粉末）流动或停止并能控制其流量的装置。阀门是管路流体输送系统中控制部件，它是用来改变通路断面和介质流动方向，具有导流、截止、
32、节流、止回、分流或溢流卸压等功能。用于流体控制的阀门，从最简单的截止阀到极为复XXXXXXXXX2015届本科毕业论文（设计）11杂的自控系统中所用的各种阀门，其品种和规格相当繁多。由于本设备采用单片机控制，并且电磁阀是由开关信号控制的，与单片机控制电路连接十分的方便，所以决定采用电磁阀作为阀门。电磁阀从原理上分为三大类1直动式电磁阀原理通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。特点在真空、负压、零压时能正常工作，但通径一般不超过25MM。2分步直动式电磁阀原理它是一种直动和先导式相结合的原理，当入口与出口没有压差时，通电后
33、，电磁力直接把先导小阀和主阀关闭件依次向上提起，阀门打开。当入口与出口达到启动压差时，通电后，电磁力先导小阀，主阀下腔压力上升，上腔压力下降，从而利用压差把主阀向上推开；断电时，先导阀利用弹簧力或介质压力推动关闭件，向下移动，使阀门关闭。特点在零压差或真空、高压时亦可动作，但功率较大，要求必须水平安装。3先导式电磁阀原理通电时，电磁力把先导孔打开，上腔室压力迅速下降，在关闭件周围形成上低下高的压差，流体压力推动关闭件向上移动，阀门打开；断电时，弹簧力把先导孔关闭，入口压力通过旁通孔迅速腔室在关阀件周围形成下低上高的压差，流体压力推动关闭件向下移动，关闭阀门。特点流体压力范围上限较高，可任意安装
34、（需定制）但必须满足流体压差条件。由于直动式电磁阀结构较为简单，动作可靠，而且设备需要在断电条件下铁芯始终保持在关闭状态，所以选用常闭型的直动式电磁阀。具体为二位二通直动式电磁阀（常闭型）。245软件语言的选取本系统以单片机为核心，采用C语言编程。单片机共有111条系统指令，可实现51种基本操作。然而汇编语言指令却有的程序可读性低，程序开发人员的开发时间长与开发难度大，程序的移植性差等缺点。C语言是一种编译型程序设计语言。它兼顾了多种高级语言的特点，并且具备汇编语言的功能。用C语言来编写目标系统软件，将会大大缩短开发周期，增加软件的可读性，便于改进和补充。用C语言进行51系列单片机程序的设计是
35、单片机开发与应用的XXXXXXXXX2015届本科毕业论文（设计）12必然趋势。用C语言编程可以充分发挥计算机硬件的功能，进行高质量的设计，开发出的软件具有内存开销小、运算速度快的特点，而且它不独立于具体机器，是一种非常通用的低级程序设计语言，采用C语言编程，用户可以直接操作到单片机内部的工作寄存器和片内单元，处理数据的过程非常具体。因此，在已经有众多高级语言和可视化集成开发环境工具的今天，C语言仍然是一门不可缺少的有效的程序设计语言。XXXXXXXXX2015届本科毕业论文（设计）133系统主要硬件电路设计31单片机主机系统电路STC12C5A60S2系列单片机是单时钟/机器周期的单片机，是
36、高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统的8051，但速度快812倍。如图31所示，单片机的RST引脚连接复位电路，XTAL1和XTAL2引脚连接晶振电路，P15引脚连接继电器电路，P16引脚连接湿度检测电路，P00P07引脚、P20P23引脚连接显示电路，P32P35引脚连接按键电路。图31主机系统电路311时钟电路单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种微操作的时间基准，时钟信号通常用两种电路形式得到内部振荡和外部振荡。STC12C5A60S2单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大电器的输入端和输出端，由于采用内部
37、方式时，电路简单，所得的时钟信号比较稳定，实际使用中常采用这种方式，如图32所示在其外接晶体振荡器简称晶振或陶瓷谐振器就构成了内部振荡方式，XXXXXXXXX2015届本科毕业论文（设计）14片内高增益反向放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或陶瓷谐振器一起可构成一个自激振荡器并产生振荡时钟脉冲。图32时钟电路图32中外接晶体以及电容C6和C7构成并联谐振电路，它们起稳定振荡频率、快速起振的作用，其值均为30PF左右，晶振CYS的振荡频率范围在1212MHZ间选择，典型值为12MHZ和6MHZ。312复位电路当在单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期时，单片机内部就执行复位操作若该引脚持
38、续保持高电平，单片机就处于循环复位状态。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充放电来实现的。只要VCC的上升时间不超过1MS,就可以实现自动上电复位。除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。本设计就是用的按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST端与电源VCC接通而实现的。按键手动复位电路见图33。时钟频率用110592MHZ时C取10UF,R取10K。图33复位电路XXXXXXXXX2015届本科毕业论文（设计）1532数据采集处理电路321湿度采集土壤湿度选用YL69传感器进行采集，
39、并传送给单片机P16口进行AD转换，进而得出湿度值。在系统中，YL69湿度传感器的主要功能就是采集数据。采集的是土壤中的湿度，其传感器内部接线图如图34所示图34土壤湿度传感器YL69内部电路图中的4脚接电源，3脚接地，2脚为数字信号口，1脚为模拟信号输出。模块带有电压比较器，本系统只用4、3、1口，2脚悬空，将1口与数据处理模块相连，通过公式就可算出土壤湿度。土壤湿度传感器特性（1）土壤湿度传感器YL69，表面采用镀镍处理，有加宽的感应面积，可以提高导电性能，防止接触土壤容易生锈的问题，延长使用寿命；（2）可以宽范围控制土壤的湿度，通过电位器调节控制相应阀值，湿度低于设定值时，DO输出高电平
40、；高于设定值时，DO输出低电平；（3）采用三线制，界限简单，只需把VCC外接33V5V电压，GND外接数字地，DO“小板数字量输出接口（0和1）”接到单片机即可；（4）比较器采用LM393芯片，工作稳定；（5）设有固定螺栓孔，方便安装。土壤湿度传感器原理土壤通常是导电的，其电阻率随其含水率的变化而变化。电阻法就是根据这个原理测量土壤湿度的。电阻由多孔渗水介质石膏、尼龙、玻璃纤维制成，它的电阻大小与XXXXXXXXX2015届本科毕业论文（设计）16含水量相关。把里面嵌有电极的电阻块放入土壤中，当电阻块中的水势与土壤水势平衡后，测量电阻块的电阻，然后求出土壤水势。电阻法一般都是通过电阻式土壤水分
41、传感器测量土壤水分的。传感器的结构如图35所示，其实体是由质地均匀的石膏制成的圆柱体。在实体中部埋置有直径不同、同心安装的两个不锈钢制成的圆筒状电极，其上引出电极引线。传感器电极不与被测土壤直接接触，而是通过多孔性材料石膏为中介与土壤水分联系的。这样做，是为了避免土壤盐分及测量电极与土壤接触状况对测量的影响。图35电阻式土壤湿度传感器1、电极引线2、内电极3、外电极4、石膏体测量时，将传感器埋入被测土壤中。土壤水分运动使传感器石膏体的含水量与土壤水形成一定的函数关系。而石膏体含水量的变化将引起置于其中的两电极的介电特性和电阻的变化，即传感器的介电特性和电阻与土壤湿度是相互联系的。土壤湿度传感器
42、的硬件连接图如图36所示，模拟信号输出口1直接连接单片机的ADC口P16。图36土壤湿度传感器连接图XXXXXXXXX2015届本科毕业论文（设计）17322A/D转换部分3221A/D转换器的结构STC12C5A60AD/S2系列带A/D转换的单片机的A/D转换口在P1口P17P10，有8路10位高速A/D转换器，速度可达到250KHZ25万次/秒。8路电压输入型A/D，可做温度检测、电池电压检测、按键扫描、频谱检测等。上电复位后P1口为弱上拉型I/O口，用户可以通过软件设置将8路中的任何一路设置为A/D转换，不需作为A/D使用的口可继续作为I/O口使用。STC12C5A60S2系列单片机A
43、DC由多路选择开关、比较器、逐次比较寄存器、10位DAC、转换结果寄存器ADC_RES和ADC_RESL以及ADC_CONTR构成。STC12C5A60S2系列单片机的ADC是逐次比较型ADC。逐次比较型ADC由一个比较器和D/A转换器构成，通过逐次比较逻辑，从最高位MSB开始，顺序地对每一输入电压与内置D/A转换器输出进行比较，经过多次比较，使转换所得的数字量逐次逼近输入模拟量对应值。逐次比较型A/D转换器具有速度高，功耗低等优点。图37STC12C5A60S2单片机ADC结构图从上图可以看出，通过模拟多路开关，将通过ADC07的模拟量输入送给比较器。用数/模转换器DAC转换的模拟量与本次输
44、入的模拟量通过比较器进行比较，将比较结果保存到逐次比较器，并通过逐次比较寄存器输出转换结果。A/D转换结束后，最终的转换结果保存到ADC转换结果寄存器ADC_RES和ADC_RESL，同时，置位ADC控制寄存器ADC_CONTR中的A/D转换结束标志位ADC_FLAG，以供程序查询或发出中断申请。模拟通道的选择控制由ADC控制寄存器ADC_CONTR中的CHS2CHS0确定。ADC的转换速度由ADC控制寄存器中的SPEED1和SPEED0确定。在使用ADC之前，应先给XXXXXXXXX2015届本科毕业论文（设计）18ADC上电，也就是置位ADC控制寄存器中的ADC_POWER位。当ADRJ0
45、时，如果取10位结果，则按下面公式计算10BITA/DCONVERSIONRESULTADC_RES70,ADC_RESL101024XVIN/VCC当ADRJ0时，如果取8位结果，则按下面公式计算8BITA/DCONVERSIONRESULTADC_RES70256XVIN/VCC当ADRJ1时，如果取10位结果，则按下面公式计算10BITA/DCONVERSIONRESULTADC_RES10,ADC_RESL701024XVIN/VCC式中，VIN为模拟输入通道输入电压，VCC为单片机实际工作电压，用单片机工作电压作为模拟参考电压。3222ADC控制寄存器ADC_CONTRADC_POW
46、ERADC电源控制位。建议进入空闲模式前，将ADC电源关闭，即ADC_POWER0。启动A/D转换前一定要确认A/D电源已打开，A/D转换结束后关闭A/D电源可降低功耗，也可不关闭。初次打开内部A/D转换模拟电源，需适当延时，等内部模拟电源稳定后，再启动A/D转换。SPEED1，SPEED0模数转换器转换速度控制位。STC12C5A60S2系列单片机的A/D转换模块所使用的时钟是内部R/C振荡器所产生的系统时钟，不使用时钟分频寄存器CLK_DIV对系统时钟分频后所产生的供给CPU工作所使用的时钟。好处这样可以让ADC用较高的频率工作，提高A/D的转换速度，这样可以让CPU用较低的频率工作，降低
47、系统的功耗。ADC_START模数转换器ADC转换启动控制位，设置为“1”时，开始转换，转换结束后为0。CHS2/CHS1/CHS0模拟输入通道选择。选用单片机的P1口的其他功能，进行A/D数模转换，一方面省去了一部分硬件电路的设计，不需要额外的A/D转换芯片，以及和单片机进行连接的模块，另一方面可以加快运行速度，转换速度。当然，转换速率并非越快越好，从效率角度来讲我们希望他更快，但是转换速率越快能耗越高，同时准确度越低，所以需要选择一个合理的周期。33LCD显示电路LCD液晶显示器的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制。液晶显示器适应于大规模电路直接驱动，易于实现全彩色显示
48、的特点。目前被广泛应用于计算机，数字摄像机等众多领域。XXXXXXXXX2015届本科毕业论文（设计）193311602LCD基本参数1602LCD分为带背光和不带背光两种，其控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，两者尺寸差别如下图。图381602LCD的尺寸图1602LCD主要技术参数1容量162个字符2工作电压4555V3电流20MA50V4最佳工作电压50V5尺寸295435WHMM3321602LCD引脚功能说明1602LCD采用标准的14脚（无背光）或16脚（带背光）接口，各引脚接口说明如表31所示。表311602LCD引脚接口说明表编号符
49、号引脚说明编号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据2VDD电源正极10D3数据3VL液晶显示偏压11D4数据4RS数据/命令选择12D5数据5R/W读/写选择13D6数据6E使能信号14D7数据7D0数据15BLA背光源正极8D1数据16BLK背光源负极第1脚VSS为地电源。第2脚VDD接5V正电源。第3脚VL为液晶显示器对比度调整端。第4脚RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。XXXXXXXXX2015届本科毕业论文（设计）20第5脚R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。第6脚E端为使能端，当E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第714脚D0D7为8位双向数据线。第15脚背光源正极。第16脚背光源负极。333指令说明及时序1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表32所示。表321602LCD控制命令表序号指令RSRWD7D6D5D4D3D2D1D01清显示00000000012光标返回0000000013置输入模式00000001IDS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001SCRL6置功能00001DLNF7置字符发生存贮器址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01BF计数器地址10写数CGRAMDDRAM）10要
