本科毕业设计论文基于单片机的智能微喷灌控制系统的设计.docx
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本科毕业设计论文基于单片机的智能微喷灌控制系统的设计
基于单片机的智能微喷灌控制系统的设计
摘要
随着科学技术的日益发展，特别是智能技术的发展，智能化的微灌溉技术应用范围越来越广泛。
智能化的微灌系统可以实现大面积的作物田间灌溉，在很大的程度上节约人力、物力，实现作物生长大面积的管理，实时掌握作物的生长环境。
开发简单、快速、实用的微灌智能设计具有重要的意义。
此次设计的是通过选择SHT11温湿度传感器对土壤的温度以及湿度等重要物理量进行采集，将采集到的信号交给51单片机系统进行处理，通过用c语言的编程实现在需要时驱动相关外部设备，对目标区域进行自动精确地智能灌溉。
关键词：
51单片机温湿度传感器C语言
Designofintelligentmicrosprayirrigationcontrolsystem
basedon51MCU
Abstract
Withtheincreasingdevelopmentofscienceandtechnology,especiallythedevelopmentofIntelligentTechnology,theapplicationrangeofintelligentmicro-irrigationtechnologymorewidely.Theintelligentmicro-irrigationsystemscanachievealargeareaofcropfieldirrigation,andsavetoalargeextentonthemanpower,resources,managementofthecroparea,real-timecontrolenvironmentforthegrowthofcrops.Developmentofsimple,rapid,practicalmicro-irrigationintelligentdesignisofgreatsignificance.
ThedesignisbySHT11temperatureandhumiditysensorsonthesoiltemperatureandhumidity,andotherimportantphysicalcollection,thecollectedsignaltothe51single-chipsystemforprocessing,relatedtoanexternaldevicedriverwhenneededbyusingclanguageprogrammingachieveautomaticprecisionsmartirrigation,thetargetarea.
Keywords:
51MCUtemperatureandhumiditysensorsClanguage
1引言
在全球淡水水资源越来越缺乏和农业现代化的当今世界，农业高度集约化种植模式（耕作、种植、灌溉、施肥、收获等）和“工厂化”特征日趋显著。
在精确化农业的生产过程中，如今发达国家发展现代农业的主要的手段是运用高科学技术和高新技术的装备。
在灌溉的技术上对农作物的生长过程智能化的控制要求正在提高。
大多数发达国家农业的灌溉系统几乎全部采用计算机的控制方式，基本上实现了系统智能化。
微灌技术和设备在我国还处于研究和待开发阶段，系统的成套性还较差，主要部件品种少，质量不稳定。
因此，加速开发成套、适用、可靠、先进的灌溉系统是我国今后节水灌溉设备发展的主要方向。
自动控制灌溉系统，基本上还是手动阀门来操作。
自动控制器等方面还有待于进一步开发和应用【1】。
微机和单片机等自动控制检测系统装置，已经在某些微灌工程中应用和实验，初步显示出微灌采用自动化的管理系统优越性和先进性。
2概论
2.1国内外现状及发展趋势
微灌技术的研究在中国的起步还不算太晚，自1974年引进墨西哥的滴灌设备我国的微灌技术试验研究正式开始。
该过程经历了1974到1980年之间的引进消化和吸收，设备的研制与应用实验及试点阶段；1981到1986年之间经历了设备产品的改进和应用试验的研究以及扩大试点的推广三个阶段；从1987年到现在直接引用了国外先进的科学技术，进入了从高起点上对研发微灌设备的产品开发阶段。
基于引入、吸收发达国家先进科学技术的基础上，结合了我国国情，从经济上的实用，便于安装和利于推广的主要几点出发，在个地相关关部门的合作与努力的情况下，开发微灌技术、生产研制设备和科学实验等多方面都取得重要的成果，我国的微灌技术日趋步入成熟【2】。
但是由于我国正处于初级阶段的微灌技术研究，近些年来自己研制、开发与生产微灌设备的产品不管是在质量方面和性能方面与发达国家相比较，差距存在还是比较大的；同发达的国家相比较更大的差距存在于微灌工程设备的组装配套和自动控制方面。
例如灌溉设备系统成套性比较差，配套的水平偏低；主要的几个部件的品种规格太少，质量相对来说不稳定，没有很好的系列化；关键的设备稳定性和耐久性都比较差；自动化和综合功能技术程度不是很高，基本上还处于手动的操作方式，以至于整体的综合效果和收益都不高。
随着现代化高科技不断的发展，各种智能化家电、数码产品走入进人们的日常生活，网络作为人们现代生活中人际的交往和获取知识的一个必不可少的平台。
考虑到现代化高科技的发展，未来的智能浇灌系统也有希望朝一下这些方面发展。
智能化
随着传感器的技术、计算机处理技术和自动智能控制技术的持续发展，温室中的计算机环境的控制系统应用将会由以数据采集处理和监测的简单方式，渐渐转向以数据处理和应用为主。
所以软件系统的研制和开发将会得到不断完善，其中专家系统为主的智能化管理控制系统已经取得了不少的研发成果，并且其应用的前景是非常广阔的。
网络化
目前，网络已经成为最具有活力，发展速度最快的高科技领域。
网络的通信技术发展促进了信息的传播。
设施的产业化程度的提高成为可能。
综合环境的调控
所谓综合环境调控，就是以实现目标植物的正常生长为目标，把影响目标植物生长的多种环境参数（如光照、温度、湿度等）都保持在适宜目标植物生长的状态，并尽可能的使用最少的环境调节装置（采光、遮光、通风、保温、加湿等）。
智能和无人操作将会是未来的各种行业的发展趋势，不仅能大量节省人们的宝贵时间还能更好的控制各种成分的细微比例做到人们自己动手所不能做到的效果。
高移植性
稍微修改一些系统的参数及设备即可应用于别的环境下，省时省力，节省大量资金及研发成本。
在不久的将来，不仅能实现对办公室花卉的控制而且可以实现路边及所有公共场所花草树木的自动灌溉，而且可以加入远程控制，可视频控制，更大限度的节省人力物力，这将是世界浇灌系统的一个发展趋势。
2.2设计的背景及意义
水是生命之源，同样它也是国家经济发展的主要因素，人类生存必不可少的因素，水的重要性在国际上已经得到了共识，水资源开发和保护已经被各国家所重视。
而需要如何高效率利用有限的淡水资源，尽最大能力发挥水资源的效益己经成为看一个全球性极其有待解决的重要课题。
诸多的缺水国家当中，作为水资源极其短缺国家之一的中国。
水资源的利用率和利用效率低下使水资源在节流方面呈现巨大的挖掘潜力，因此节水成为历史发展的必然。
伴随着人们快节奏的生活、工作、学习，人们已没有很多时间去精心照顾自己种的花卉植物等，因此市场上急需一种可以代替人类劳动的产品。
由于现在市场上很多的喷灌设备主要是是针对温室、露天农作物、森林等大面积植物喷灌，而对于家庭小面积喷灌系统设备几乎没有，也没有达到自动化的水平。
现代生活中，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，由于现代生活节奏的加快，人们往往忙于工作而忘记定期、及时地为花卉补充水分及养料，或者由于放假回家而将花放在办公室没有人管理导致花木枯死。
已有的浇水器需要有人控制或者定时的浇灌，不能根据植物正常生长所需要的光照、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，而且现在的名贵花如果因为以上原因而死亡得不偿失，鉴于以上情况，市场上急需提供一种能够根据光照、温度、湿度及光照的变化自动将水分和及光补充给花木，达到定期、及时浇灌花木的花木自动浇灌器。
2.3本设计所做的工作和内容
此次设计采用AT89C51绘制单片机最小系统，基于Keil仿真软件来完成软件开发，用protues仿真工具软件设计电路图以及做模拟仿真。
开发板包括AT89C51芯片（8位微控制器）及其外围的基本模块，外围模块包括：
晶振电路（OSC）、复位电路（RESET）、键盘（包括复位和扩展按键）、DS1302时钟电路等。
所以，本次设计需要做好以下工作：
（1）学习单片机原理等资料。
（2）学习Keil、Protues等工具软件的使用方法。
（3）用Protues仿真工具软件来设计本系统的电路图。
（4）用Keil开发软件来编写程序并调试成功。
（5）结合系统的电路仿真图用Protues仿真软件进行仿真调试。
（6）撰写项目论文
3系统总体设计与分析
3.1总体方案
根据设计功能要求，系统可分如下部分：
温度监控：
对环境温度进行测量，并通过单片机处理显示环境温度。
湿度监控：
对环境湿度进行测量，并通过单片机处理显示相对的环境湿度。
灌溉处理：
当相对湿度和温度越限时，继电器工作导通外部的灌溉电路。
显示：
LCD实时显示温度、相对湿度及时钟日期。
键盘控制：
当前温度与相对湿度值显示的转换、时钟的调节及年月日与时分秒的显示转换。
3.2系统方案论证
当将单片机用作测控系统的时侯，系统必须有被测的信号通过指定输入通道，再由单片机来收集需要的输入信息。
相对于测量的系统来说，它的核心任务是如何准确获得被测信号；但是对于测控系统来说，除了被测试控对象状态的信号，还应该把测试的数据和控制的条件对比并在需要的时候控制相应执行设备。
传感器作为实现测量和控制的第一环节，是测量控制系统关键的部件，假如没有传感器对被测信号进行可靠的捕捉和数据的转换，所有的测量和控制都将会没有办法去实现。
在本次系统设计中，我们选择SHT11来作为本设计的温湿度传感器。
SHT11传感器是一种包含已校准的数字信号输出的温度与湿度复合的传感器。
该传感器包含了一个电容聚合体的测湿功能元件与一个能隙的测温功能元件，并且和一个14位数模转换器和串行接口电路在相同的芯片上完成了无缝的连接。
所以，该芯片有品质好、抗干扰的能力强、响应快、性价比高等一系列的优点。
所有的SHT11传感器都是在湿度校验室中进行特别精确的校对调准。
校准好的系数以程序代码的形式存储于Otp的内存当中，在信号处理过程中传感器内部要调用已经校准好的系数。
两线制接口和内部的基准电压，使系统的集成简单快捷化。
体积小、功耗低的特点使得该传感器成为各类应用场合的最好选则【8】。
4系统硬件设计
本系统硬件包括：
单片机及附属电路、LCD显示、时钟模块、键盘控制、继电器电路、温湿度采集转换模块等部分的设计。
系统整体电路框图如图3.1所示。
图4.1系统整体电路框图
4.1单片机系统硬件设计
本系统中，我们采用美国ATMEL（爱特梅尔）公司生产的AT89C51单片机作为主控芯片。
AT89C51单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有4K在系统可编程Flash存储器。
使用ATMEL公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业8051产品指令和引脚完全兼容。
AT89C51单片机具有以下的标准功能：
4k字节Flash，128字节RAM，32位I/O口线，两个16位定时器/计数器，可编程串行通道，5个中断源，低功耗的闲置和掉电模式，片内晶振及时钟电路。
图3.6所示为AT89C51单片机最小系统原理图。
图4.1单片机最小系统
4.2LCD显示硬件设计
4.2.11602液晶接口信号说明
由于本次设计要求实时显示时钟、温度和相对湿度，所以传统的LED数码管远远不能满足要求，在这里我们采用1602工业字符型液晶，能够同时显示16X02即32个字符。
（16列2行）如图4.2.1所示：
图4.2.1LCD硬件显示模块
液晶显示器的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面并配合背部灯管构成画面。
各种型号的液晶通常是按照显示字符的行数或液晶点阵的行、列数来命名的。
1602的意思就是每行显示16个字符，一共可以显示两行【4】。
1602字符型LCD通常有14条引脚线或16条引脚线的LCD，多出来的2条线是背光电源线VCC（15脚）和地线GND（16脚），其控制原理与14脚的LCD完全一样，如表4.2.1-1（引脚说明）表4.2.1-2（寄存器的选择控制）所示：
编号
符号
引脚说明
1
VSS
接地
2
VDD
接电源（+5V）
3
V0
对比度的调整端，连接正电源的对比度最为微弱，连接地端电源的对比度最强，使用时可以通过用10K电位器来进行对比度的调整。
4
RS
数据指令寄存器的选择，高电平1时会选择数据的寄存器、低电平0时会选择指令的寄存器。
5
R/W
读与写信号线，高电平
（1）时进行读的操作，低电平（0）时进行写的操作。
6
E
E（或EN）端为使能（enable）端，下降沿使能。
7
DB0
低4位三态、双向数据总线0位（最低位）
8-10
DB1-3
低4位三态、双向数据总线1-3位
11-13
DB4-6
高4位三态、双向数据总线4-6位
14
DB7
高4位三态、双向数据总线7位（最高位）（也是busyflag）
15
BLA
背光电源正极
16
BLK
背光电源负极
表4.2.1-11602引脚说明
RS
R/W
操作说明
0
0
写入指令寄存器（清除屏等）
0
1
读busyflag（DB7），以及读取位址计数器（DB0~DB6）值
1
0
写入数据寄存器（显示各字型等）
1
1
从数据寄存器读取数据
表4.2.1-2寄存器选择控制
注：
关于E=H脉冲——开始时初始化E为0，然后置E为1，再清0.
4.2.2RAM地址映射图
LCD
16字*2行
00
01
02
03
04
05
06
07
08
09
0A
0B
0C
0D
0E
0F
1O
…
27
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
4A
4B
4C
4D
4E
4F
50
…
67
图4.2.21602内部RAM地址映射图
注：
当我们向上图中的00-0F、40-4F地址中的任一处写入显示数据时，液晶都可以立即显示出来，当写入10-27或50-67地址处时，必须通过移屏指令将它们移入可显示区域方可正常显示。
4.2.3状态字说明
SAT7
D7
SAT6
D6
SAT5
D5
SAT4
D4
SAT3
D3
SAT2
D2
SAT1
D1
SAT0
DO
SAT0-SAT6DAN当前地址指针的数值
SAT7读写操作使能1-禁止0-允许
表4.2.3状态字说明
说明：
原则上每次对控制器进行读写操作时，都必须进行读写检测，确保SAT7为0。
4.2.4数据指针设置
控制器内部设有一个数据地址指针，用户可以通过它们访问内部全部80B的RAM,如表4.2.4所示
指令码
功能
80H地址码（0-27H,40-67H）
设置数据地址指针
表4.2.4数据指针设置
4.2.5指令码设置
指令码
功能
01H
显示清屏：
1数据指针清零
2所有显示清零
02H
显示回车：
数据指针清零
表4.2.5指令码设置表
4.2.6初始化设置
（1）显示模式设置
指令码
功能
0
0
1
1
1
0
0
0
设置16*2显示，5*7点阵，8位数据接口
表4.2.6-1显示模式设置表
（2）显示开关及光标设置
指令码
功能
0
0
0
0
1
D
C
B
D=1开显示；D=0关显示
C=1显示光标；C=0不显示光标
B=1光标闪烁；B=0光标不闪烁
0
0
0
0
0
1
N
S
N=1当读或写一个字符后地址指针加1，且光标加1
N=0当读或写一个字符后地址指针减1，且光标减1
S=1当写一个字符时，整屏显示左（N=1）或右（N=0）移，
得到光标不移动而屏幕移动效果
S=0当写一个字符时，整屏显示不移动
0
0
0
1
0
0
0
0
光标左移
0
0
0
1
0
1
0
0
光标右移
0
0
0
1
1
0
0
0
整屏左移，同时光标更随移动
0
0
0
1
1
1
0
0
整屏右移，同时光标更随移动
表4.2.6-2
4.3时钟模块硬件设计
4.3.1DS1302功能特性
本次设计的时钟模块选用由Dallas公司（美国）推出的DS1302，它具有涓细电流充电的能力、功耗低的实时时钟的电路结构、工作原理及其在实时显示时间中的应用。
可以对年月日和时分秒进行准确的计时，一个月小于31日时可以自动调整，且有对进行闰年补偿的功能，有效至2100年。
可采用12h或24h方式计时，并且可以关闭充电功能，在保持状态时，功耗低，功率小于1mw,采用普通32.768kHz晶振。
芯片特性如下：
（1）31字节带后备电池的RAM用于数据存储。
（2）串行IO口，管脚数量少。
（3）宽范围工作电压为2.0-5.5V。
（4）采用双电源（主电源和备用电源）供电，可以掉电保护电源提供可编程的充电功能，同时提供了对后备电源进行涓细电流充电的能力。
（5）读写时钟或RAM数据时有两种传送方式:
单字节传送和突发模式传送。
（6）可选工业级温度范围：
-40ºC-+85ºC
（7）8脚DIP封装或其他可选封装方式【3】。
4.3.2DS1302的引脚
图4.3.2DS1302芯片引脚
其中VCC1为后备电源，VCC2为主电源。
在单电源与电池供电系统中，VCC2提供低电源并提供低功率的电池备份，在双电源系统中，VCC2提供主电源，在这种运用方式下VCC1连接到备份电源，如采用镉镍可充电电池，在主电压正常时则启用内部涓细充电器给电池充电，使电池的使用时间延长。
在主电源关闭的情况下也能保持时钟连续运行，保存时间信息以及数据【5】。
DS1302由两者中的较大者供电，当VCC2大于VCC1+0.2V时，DS1302由VCC2供电，反之，DS1302由VCC1供电。
X1和X2是振荡源，外接32.768kHz晶振。
RST是复位/片选线，RST输入有两种功能：
RST接通控制逻辑，允许地址/命令序列送入移位寄存器；其次,RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。
I/O为串行数据输入输出端，SCLK为时钟输入端【6】。
4.3.3DS1302的命令控制字
单片机与DS1302是通过同步串行通信的，无论是读还是写，都是由单片机发送命令控制字开始的。
DS1302的命令控制字格式如下：
位序
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
位标志
1
RAM/CK
A4
A3
A2
A1
A0
RD/WR
表4.3.3DS1302的控制命令字
说明：
1位7：
控制字的最高有效位，必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入到DS1302中。
2位6：
时钟选择位，为1时表示选择RAM进行内部31字节的读写操作，为0时表示选择时钟进行日历时钟数据的读写操作。
3位5至位1：
指示要操作单元的地址。
4位0：
最低有效位表示读写控制位，为1表示读操作，为0表示写操作，遵循先低后高的原则。
4.3.4DS1302的数据传送
DS1302采用RST、SCLK和I/O口三线接口方式进行数据传送。
当RST为高电平时，所有的数据传送被初始化，单片机和DS1302进行通信。
如果在传送过程中RST置为低电平，则会终止此数据的传输，禁止通信，I/O引脚变为高阻态。
SCLK提供串行通信时的位同步时钟信号，一个SCLK脉冲传送一位数据。
写入数据时，单片机发送8位命令控制字后的下一个SCLK时钟的上升沿时，数据被写入DS1302；同样，读取数据时，在8位命令控制字后的下一个SCLK脉冲的下降沿读出DS1302的数据。
读写数据时都从低位至高位，只要RST保持高电平，则在8位命令控制字后DS1302可进行8个字节或31个片内RAM单元数据的读写操作，这个特性用于实现突发传送模式【7】。
4.3.5DS1302的寄存器
DS1302共有12个寄存器，其中7个寄存器与日历、时钟相关，为BCD码形式的存放数据位【12】。
此外，DS1302还有年份寄存器、写保护寄存器、充电寄存器、时钟突发寄存器及与RAM相关的寄存器等，如图4.3.5所示。
DS1302与RAM相关的寄存器分为两类，一类是单个RAM单元，共31个，每个单元由8位二进制组成，其命令控制字为C0H-FDH,其中奇数为读操作；偶数为写操作；另一类为突发方式下的RAM寄存器，此方式下可一次性读写所有RAM的31个字节，命令控制字为FEH（写）、FFH（读）【13】。
寄存器
命令字
取值范围
寄存器内容
写
读
Bit7
Bit6
Bit5
Bit4
Bit3
Bit2
Bit1
Bit0
秒寄存器
80H
81H
00-59
CH（时钟暂停标志）
10s
SEC
分寄存器
82H
83H
00-59
0
10min
MIN
时寄存器
84H
85H
00-23或0-12
12/24
0
10A/P
HR
HR
日寄存器
86H
87H
1-28,29,30，31
0
0
10DATA
DATE
月寄存器
88H
89H
01-12
0
0
0
10
MONTH
周寄存器
8AH
8BH
01-07
0
0
0
0
0
DAY
年寄存器
8CH
8DH
00-99
10YEAR
YEAR
写保护器
8EH
8FH
WP
0
0
0
0
0
0
0
慢充电器
90H
91H
TCS
TCS
TCS
DS
DS
DS
DS
时钟突发器
AEH
AFH
表4.3.5DS1302内部寄存器地址与内容
4.3.6时钟模块电路图
图4.3.6时钟模块电路图
说明：
X1和X2端外接32.768kHz晶振，RST引脚接在P1.2上，此引脚为高位时，选中该芯片，可对其进行操作。
串行数据线I/0口与串行时钟线SCLK分别接
升级会员 