1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 基于单片机的自动灌溉系统设计 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 水是生命的基础，植物正常的生命活动就是 基于 不断地吸水、传导与运输、利用 与 散失的过程上。水资源的 贫乏 给我国农业发展 带来了极大的障碍和困难。农作物生长的土壤需要保持一定的湿度，人们通常根据种植的经验对农作物进行灌溉，不能及时或不能精确地控制浇水的多少，在很大程度上白白地浪费掉一大部分水资源。 自动灌溉技术能大大提高灌溉效率，从而节约水资源和劳动力。 本文设计了一个自动灌溉系统，该系统以 STC89C52 单片机为控
2、制核心，采用模块化的设计思想。包括土壤湿度采集模块， 12864LCD 显示模块，蜂鸣器电路模块，继电器驱动模块，键盘接口模块，红外接收模块。软件编程方面采用 C语言的结构化编程，各模块子程序都有专用的功能，主程序负责各子 程序的调用这样就很好的实现了各个模块的功能。 系统实现如下：湿度 传感器 采集湿度信号并将其转换成 一个 方便单片机处理的电信号 ， 电信号 在单片机中进行相关的处理 计算 ，得到一系列的控制信号输出，来控制外围设备 的运行 ，如蜂鸣器的发声、 LCD 的数值显示、继电器的吸放、从而 得到对 灌溉 的控制 。 关键词 ： 单片机系统设计，湿度传感器，红外接收解码，自动灌溉
3、II MCU-based Automatic irrigation systems design ABSTRACT Water is the basis of life, normal life activity of plants is based on constant water absorption, transfer and transport, use and loss on the process. Scarce water resources to agricultural development has brought great obstacles and difficul
4、ties. Soil for the growth of crops need to maintain a certain degree of humidity, it is usually based on the experience of planting irrigation of crops and can not or can not precisely control the amount of water to a large extent wasted away a large part of water resources. Automatic irrigation tec
5、hniques can greatly increase irrigation efficiency, saving water and labor. This paper designs an automatic irrigation system, the system microcontroller to control the core STC89C52, modular design. Including soil moisture acquisition module, 12864LCD display module, buzzer circuit module, relay dr
6、iver module, the keyboard interface module, infrared receiver module. Software programming using C language, structured programming, the module has a dedicated function subprogram, the main program responsible for the subroutine call so well to achieve the function of each module. System to achieve
7、the following: collect moisture and humidity sensor signal and convert it into a convenient single chip signal processing, signal in the microcontroller for processing related to computing, get a set of control signal output to control the operation of peripheral devices, such as bee Sound buzzer so
8、unds, LCD display value, the relay absorption and desorption, resulting in irrigation control. Keywords: MCU system design, humidity sensors, infrared receiver decoding, automatic irrigation III 目 录 摘 要 . 错误 !未定义书签。 II ABSTRACT . IIV 第 1 章 绪论 1.1引言 . 错误 !未定义书签。 1.2选 题背景 . 错误 !未定义书签。 1.3选题意义 . 错误 !未定
9、义书签。 1.4设计任务 . 2 第 2 章 方案设计与论证 2.1总体方案与论证 . 3 2.2土壤湿度采集系统方案选取 . 4 2.3键盘方案选取 . 5 第 3 章 硬件系统设计 3.1控制主模块 . 6 3.2湿度采集模块 . 8 3.2.1湿敏元件 HS1101 . 8 3.2.2 555时基电路 . 9 3.2.3 湿度采集模块工作原理 . 10 3.3 矩阵键盘接口模块 . 错误 !未定义书签。 3.4 继电器控制模块 . 错误 !未定义书签。 3.4.1 电磁式继电器介绍 . 错误 !未定义书签。 3.4.2 ULN2803驱动芯片 . 错误 !未定义书签。 3.5 蜂鸣器控制
10、模块 . 错误 !未定义书签。 3.6 显示模块 . 错误 !未定义书签。 3.6.1接口信号说明 . 14 3.6.2 ST7290控制信号说明 . 15 3.6.3液晶显示坐标关系 . 16 3.7 红外收发模块 .17 第 4 章 系统软件设计 4.1程序设计综述 . 18 4.2主程序设计 . 19 4.2.1 主程序流程图 . 19 4.2.2 主程序清单 . 20 IV 4.3 各子程序模块设计 . 错误 !未定义书签。 4.3.1 频率测量子程序 . 23 4.3.2液晶屏 12864显示子程序 . 26 4.3.3 蜂鸣器和继电器控制子程序 . 错误 !未定义书签。 4.3.4
11、键盘扫描子程序 . 30 4.3.5红外接收解码子程序 . 35 第 5 章 结束语 4.1心得体会 . 40 4.2工作总结 . 41 参 考 文 献 . 42 致谢 . 43 附录 I 系统原理图 . 44 基于单片机的自动灌溉系统设计 1 第 1章 绪论 1.1 引言 随着科技的进步，现代化农业发展迅速，其中农业自动灌溉技术亟待发展，自动灌溉技术能大大提高灌溉的效率并且大大节省了劳动力，因此在我国有着巨大的市场和前景。随着传感技术、微机技术、农业科技的引入、应用和普及，自动 灌溉系统的智能化程度越来越高，功能越来越强大，性能也更加可靠。本次设计以 STC89C52 为控制主芯片，主要涉及
12、信号处理技术、传感技术。矩阵键盘、红外遥控提高了良好的人机接口，除了自动模式下，系统能检测土壤湿度，进行灌溉，还能在手动模式下，人为的控制随时进行灌溉，从而体现了多用途、人性化的现代智能化系统设计要求。 1-2 本次设计方案：以 HS1101 为湿度采集元件，通过 555 芯片将湿度信号转化为与之对应频率的方波信号，信号接入 STC89C52 后，利用定时 /计数器计算出方波的频率，若采集的数据即湿度低于警戒值 ，则继电器吸合来模拟水龙头打开进行灌溉，若采集数据高于警戒值，继电器保持释放的状态，显示模块将湿度值和灌溉信息显示在显示屏上。灌溉时间一到，继电器就吸合来模拟水龙头关闭停止灌溉。另外在
13、手动模式下，用户通过键盘、遥控可自行设置灌溉信息。 1.2 选题背景 21 世纪是个信息化、智能化的时代， 科学技术的日新月异 发展，改变了人们的生活 。在这空前的技术发展过程中，电子信息技术以其独特的渗透力和亲合力，正在迅速地改变着我们周围的一切。电子信息技术来改变我们的生活，改造传统的 各行各业 ， 推动了时代的进步 。随着微型计算机 特别 是单片 机的发展，其档次不断提高，功能越来越强。它冲击着人类的方方面面，广泛应用于众多领域中。单片机的应用领域是无所不至的，大致有几下几个方面：在智能仪器仪表中的应用；在机电一体化中的应用；在实时过程中的应用；在人类生活中的应用，例如洗衣机、电冰箱、空
14、调机、电饭煲等许多家用电器中都配上了单片机，从而提高了自动化的程度，增强了功能。单片机用于工业控制是近年来发展非常迅速的领域。现在许多自动化的生产车间里，各种参数，如温度、压力、流量 、湿度等的监视及处理都是靠单片机来实现。 单片机功能的实现是靠程序驱动的，并且可以修改。 通过不同的程序实现不同的功能，随着现在单片机的外围设备越来越多，功能越来越多样化，基于单片机的低端智能化产品设计有着广泛的前途。尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。 3-4 基于单片机的自动灌溉系统设计 2 1.3 选题意义 随着微机技术和传感技术的迅猛发展，用信息
15、技术改造农业生产方式是非常必要的，实现农作物的自动灌溉已成为我国农业现代化和可持续发展的重要项目。 合适的土壤湿度对植物的生长非常重要，人工灌溉需要大量的劳动力，而且灌溉量不易控制。相比人工灌溉， 采用自动灌溉可达到高效、节 能、节水。此外，还可实现夜间自动喷水，减少喷头的人为损坏，使植物始终处理合适的土壤湿度下。现今的自动灌溉控制器价格昂贵，农民尽管知道能节省劳动力、最合理控制灌溉量，但由于一次性投资太大，多数农民承受不起，这在很大程度上限制了自动灌溉系统的普及。在我国自动灌溉系统多出现在高尔夫球场、足球球场等地，所以大力发展可靠、实用、低廉的自动灌溉系统在我国有着巨大的市场前景和社会效益。
16、 实现 自动灌溉系统 的方法有很多种方法，如单片机控制， PLC 控制，模糊控制等，而其中 基于 单片机实现的控制系统，具有可靠性高，价格低廉，简单易实现等众多优点， 在 众多领域发挥着重要的作用 ，已经成为自动灌溉系统设计的主流技术。 1.4 设计任务 本论文设计并制作一个基于单片机的自动灌溉系统，能检测到土壤湿度，并根据湿度来进行灌溉，使保持植物处于一个合理的生存环境中，即要处理好土壤湿度和灌水量之间的关系。 该控制系统具有如下的基本功能： （ 1） 12864LCD 显示土壤湿度值和灌溉信息，伴有蜂鸣器的叫声。 （ 2）可以通过键盘选择灌溉系统工作模式自动模式和手动模式 （ 3）自动模式
17、下当湿度值低于设定的湿度值时，驱动 继电器吸合打开水龙头，湿度值达到设定的湿度值 时，继电器释放关闭水龙头 （ 4）手动模式下可以自行设置灌溉时间进行强制性灌溉满足用户的特殊需求 （ 5）可以通过编程来修改湿度的门限值，从而满足不同植物对水分的不同需求 （ 6）手动模式下可以通过红外遥控控制蜂鸣器的发声来模拟水龙头的开关，实现远程控制 基于单片机的自动灌溉系统设计 3 第 2 章 方案设计与论证 2.1 总体方案论证 Top-down 的设计方案即模块化的设计思想能简化设计的复杂度，将一个大系统分割成几块，再将这些模块拼接起来。 所谓的模块化设计，简单地说就是将产品的某些要素组合在一起，构成一
18、个具有特定功能的子系统，将这个子系统作为通用性的模块与其他产品要素进行多种组合，构成新的系统，产生多种不同功能或相同功能、不同性能的系列产品。模块化设计是 绿色设计 方法之一，它已经从理念转变为较成熟的设计方法。一方面可以缩短产品研发与制造周期，增加产品系列，提高产品质量，快速应对市场变化；另一方面，可以减少或消除对环境的不利影响，方便重用、升级、维修和产品废弃后的拆卸、回收和处理 。 5-6 本次设计系统以 STC89C52 单片机为控制核心，采用模块化的设计思想。包括土壤湿度采集模块， 12864LCD 显示模块，蜂鸣器驱动模块，继电器 驱动模块，键盘接口模块红外接收模块。 控制系统实现如
19、下：湿度 传感器 采集湿度信号并将其转换成 一个 方便单片机处理的电信号 ， 电信号 在单片机中进行相关的处理 计算 ，得到一系列的控制信号输出，来控制外围设备 的运行 ，如蜂鸣器发声、 LCD 的数值显示、继电器的吸合从而 得到对 灌溉 的控制 。 本系统有 2 种模式可供选择：自动模式和手动模式。在自动模式下，系统根据采集到的湿度信息自动进行相应操作，维持植物处于一个合适的土壤湿度中，同时单片机将采集到的数据和系统的灌溉状况在 12864LCD显示模块中显示出来，灌溉时间由用户加载到单片机内部 数据决定。在手动模式下，用户通过键盘输入灌溉的灌溉时长，对应数据也在显示模块中显示出来，另外也可
20、通过红外遥控控制水龙头的开关，手动模式只在特殊情况下使用。 综上所述，本系统不但有良好的人机交互界面，而且有良好的控制功能，能及时应对环境的变化和出了力用户的需求。系统结构简洁，各子模块功能容易实现，有较高的可靠性和实用性，也有利于系统功能的升级、扩张，满足此次的设计需求。系统整体硬件配置如下 2-1 图所示 基于单片机的自动灌溉系统设计 4 图 2-1 系统硬件配置 2.2 土壤湿度采集 系统方案选取 目前业内测量土壤湿度的方法有中子衰减法，探针式电容湿度传感器测量法， HS1101 湿敏电容测量方法 2.2.1 中子衰减法测量土壤湿度 由中子源、探测器和相应的计数装置所组成测量物质水分的仪
21、器叫作中子水分计。其基本测量原理是：由中子源发射出的中子在被测物质中的减速扩散、减速透射、衰减、散射都由被测物质内的氢含量所决定，水分子 (H2O含有两个氢原子，所以探测中子的计数率就能反映该物质中水分的 多少 。 这种方法优点在于快速准确，但重要的是着这种方法如果屏蔽不好，易造成射线外泄 ，引起环境污染，危害人体健康，特别难以测量浅层土壤湿度，而浅层土壤湿度与植物生长关系密切，需要实时监测，这就极大限制了中子法在本次设计中的应用，这种方法在发达国家已经被禁止。 2.2.2 探针式电容湿度传感器 利用土壤的介电特性来测量土壤湿度也是一种快速、简便、可靠的方法。对一定几何结构的电容水分式传感器，
22、其电容量和两极间被测物质的介电常数成正比，由于水分的介电常数比一般物质都要大得多，所以当土壤湿度增加，即水分增加，相应的介电常数就增大，水分传感器的电容值也会随之上升，根据传感器电容量和土壤湿度 的对应关系就能测出土壤的湿度。 这种方法的优点是精度高、量程宽，响应速度也快，但其输出的信号单片机无法直接处理，需要 A/D 转换， A/D 的输出有 8 位，占用了过多的 IO 口。 7 土壤湿度 湿度采集模块 C51 单片机 12864LCD显示模块 继电器控制模块 4*4 矩阵键盘接口模块 蜂鸣器控制模块 红 外 接收模块 基于单片机的自动灌溉系统设计 5 2.2.3 HS1101 湿敏电容测量
23、方法 HS1101 基于独特工艺设计的电容元件 ，不同的土壤湿度就会对应不同的电容值，湿度越大，电容值越大，将电容值变化成易于单片机处理的信号有 2 种方。， 其一是将 HS1101 置于运放和阻容组成的电路中，将电容变化转化为电压的变化，再经过 A/D 转换为数字信号，这种方法就跟探针式电容湿 度测量方法一样了要占掉 8 个 IO 口 其二是将 HS1101 置于 555 振荡电路中，将电容值的变化转化为与之成反比的方波信号，频率信号可以被单片机直接采集，这种方法有探针式电容湿度检测方法的优点，而且只占了单片机一个 IO 口，频率信号可以用单片机的定时 /计数器计算出来。因此这种方法最符合本次设计的需求。 8 2.3 键盘方案选取 键盘方案有 2 种，独立键盘和矩阵键盘。独立式按键每个按键直接连接到一个 IO 口上，且每个按键的工作状态是独立的，按键检测方便，只需扫描对应 IO 口的电平状态但本次设计所需按键较多们如果用 独立键盘就造成了 IO 口的浪费。阵键盘中每条水平线和垂直线在交叉处不直接龙头股，而是通过一个按键加以连接，这样 1 个端口即 8 个 IO 口就能构成 4*4 的独立键盘， 用端口的低 4 位做行选控制信号，高 4 位作为列控制信号。通过行列的键盘扫描也很容易判别哪个按键按下，因此本设计采用矩阵键盘的方案。
