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毕业论文盆花自动浇水系统

题目盆花自动浇水系统的设计与实现

学生姓名*****学号1013014014

所在学院物理与电信工程学院

专业班级电子***

指导教师********___

完成地点陕西理工学院

2014年6月16日

盆花自动浇水系统的设计与实现

*****

（陕西理工学院物理与电信工程学院电子信息工程专业，20**级*班，陕西汉中723003）

指导教师：

******

［摘要］本次设计的盆花自动浇水系统用STC89C52RC单片机为主控芯片，用DHT11温湿度传感器进行土壤温湿度的检测，用时钟芯片DS1302进行定时控制，并通过雨水检测器进行雨水检测，再将温湿度采集结果及当前时间在LCD1602显示屏上进行显示。

如遇雨天自动停止浇水，否则若湿度低于设定的下限值时，单片机输出一个控制信号，蓝灯亮，继电器工作，开始浇水；若湿度高于上限值时，单片机输出一个控制信号，蓝灯灭，继电器关闭，停止浇水。

[关键词]STC89C52RC；温湿度传感器DHT11；时钟芯片DS1302；液晶显示器LCD；继电器

Thedesignandimplementationofthepottedflowerautomaticwateringsystem

******

（Class*,20**,SchoolofPhysicsandElectronicInformationEngineering,ElectronicsandInformationEngineeringDept,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723003,Shaanxi）

Tutor:

******

Abstract:

ThedesignofthepottedflowerautomaticwateringsystemwithSTC89C52RCmicrocontrollerasmaincontrolchip,usingDHT11temperatureandhumiditysensorsforthedetectionofsoiltemperatureandhumidity,applyingatimeclockchipDS1302fortimingcontrol,andthroughtheraindetectortestformrain,andtemperatureandhumiditycollectionresultsandthecurrenttimeontheLCD1602screenfordisplay.Incaseofrainautomaticallystopwatering,otherwiseifthehumidityisbelowthelowerlimitsetbythemicrocontrolleroutputsacontrolsignal,bluelights,relays,startwatering;Ifthehumidityishigherthantheupperlimit,themicrocontrolleroutputsacontrolsignal,thebluelightoff,relayclosedandstopwatering.

Keyword:

STC89C52RC;DHT11temperatureandhumiditysensor;DS1302clockchip;liquidcrystaldisplayLCD;relay

引言

“有喜有忧，有笑有泪，有花有果，有香有色”这是老舍先生对养花的乐趣和对生活热爱的朴实表述。

和老舍先生一样，许多城乡居民喜欢在家中种植一些花草，养盆花不仅可以陶冶情操、丰富生活。

同时盆花可以通过光合作用吸收二氧化碳，净化室内空气，在有花木的地方空气中阴离子聚集较多，所以空气也特别清新，而且许多花木还可以吸收空气中的有害气体。

生活中我常见的盆花如下图a,b所示。

图a马蹄莲图b君子兰

盆花生长所需的水分，大部分是从土壤中吸收来。

盆花能否良好的生长就在于土壤湿度的适合度。

但是，在生活中人们总是会有无暇顾及的时候，比如工作太忙、出差、旅游等。

花儿生长问题大部分都是由花儿浇灌问题引起的。

虽然市场上有卖盆花自动浇水器，但价格十分昂贵，并且大多只能设定一个定时浇水的时间，很难做到给盆花自动适时适量浇水。

因此，我想设计一种集盆花土壤温湿度检测和自动浇水于一体的盆花自动浇水系统。

根据土壤湿度传感器设计的盆花自动浇水系统能根据不同的盆花对土壤湿度适合度的不同需要，随时调整控制盆花土壤湿度，让盆花能够良好生长。

微喷灌是利用直接安装在毛管上，或与毛管连接的微喷头将压力以喷洒状湿润土壤。

微喷系统是近几年利用国内外先进技术组装的新型灌溉设施，主要是利用水流通过管道系统以一定速度从特制的喷头喷出，在空气中分散成细小的水滴着落在花草植物。

作物及周围的地面上，从而达到及时补充水分的目的。

该系统具有用水量少、冲击力小的灌溉特性，适用于栽培密度大、植被柔软细嫩的植物。

自动浇水器的诞生时随着人们生活水平的提高和生活节奏的加快而诞生的一种懒人园艺用品。

它把微喷的概念应有家庭盆花浇灌中，通过相应地改进，达到合理给盆花自动浇水的目的。

早在很多年前，国外就已经开始普及，国内实用的电子类自动浇水器多数从国外进口的，价格昂贵，但质量比较可靠。

不过这不太适用于国内，目前国内外比较流行的是玻璃制作的自动浇水器。

这种类型的浇水器多数在我国山西和浙江一带生产的，价格比较低廉，实用性没有电子类自动浇水器好。

随着国内居民消费水平和生活质量的提高，种花容易养花难，浇水问题就暴露出来，因此国内上加已经看到了这种需求潜力。

目前这类小居家用品的厂家主要集中在广东、上海、浙江一带。

现在市场上所出售的自动浇水器主要有电子类自动浇水器和玻璃、陶瓷类自动浇水器。

1）电子类自动浇水器

电子类自动浇水器又叫时控喷淋装置，系统构成为：

主机（或者）、主管（可以是花园管也可以是七分之四毫米的微喷淋管）、分水接头（3通、4通、5通、6通、分水器）、副管（五分之三毫米）喷淋管（雾化喷头、旋转喷头、折射雾化喷头等）。

电子类自动浇水器根据电源的不同分为交流电自动浇水器和电池自动浇水器两种。

控制器的一般性能有：

电磁阀控制；智能时控电路、微电脑芯片控制；适用电源为AC220V/50Hz；最适水压0.3-0.6Mpa；待机功率（4VA，浇水时小于12VA）；可控制连续作业时间试1分钟至168个小时；可每天自动完成十次以上浇水，可每天、隔天、隔多天自动循环进行浇水，手动自动两用；每天计时误差小于正负3秒；电器适应环境温度为-10～50摄氏度；相对湿度小于90%RH。

使用自动控制器带来的便利有：

自主设定每周、每日的灌溉次数和时间，即使你外出度假也无须担心无人照料；实现科学养护，避免普通漫灌溉导致的植物死亡；节约宝贵的水资源，使用本品成本课节约水80%左右；无须专门维护，课长期使用，安装、调试方便。

2）玻璃、陶瓷类自动浇水器

玻璃、陶瓷类自动浇花器又叫自动渗水装置。

玻璃制彩色自动浇水器如图c所示：

图c玻璃制彩色自动浇水器

而玻璃、陶瓷类自动浇水器则由本身材质的物理结构构成，根据器具的物理渗水原理完成自动浇灌，当自动浇水器内部存水自身形成一定压力，当遇到干燥的土壤，水就会至上而下的流出，当突然湿润以后，会形成一个堵塞压力，从而导致水流速度变慢或者停止；器具工艺不同，效果也不一样，当然也因突然疏松情况决定器具内水流速度。

玻璃类、陶瓷类自动渗水器简单介绍：

工作原理：

特殊的玻璃、陶瓷构造帮助实现自动渗水功能，既有效避免花儿因为浇水过度导致烂根，又可有效防止花儿缺水；从而大量节约了的浇花用水量。

使用方法：

把玻璃、陶瓷底部让水充分浸泡十几分钟，然后往浇花器内灌满水，底部插入土壤中；它跟据土壤湿度自动分泌水来满足花儿7天的用水量；若花盆比较大，只需多插几只浇花器就可以。

当前传感器技术与单片机技术发展迅速，其应用逐步由工业、军事等领域向其它领域渗透，已经和我们的日常生活息息相关。

而且智能家居概念也越来越受到人们的推崇，因此，微电脑控制的电子类自动浇水系统有很好的发展前景。

本次毕业设计是设计一种基于AT89C52单片机的盆花自动浇水系统。

其主要由单片机、土壤温湿度检测与显示部分、定时器设置与显示部分以及继电器控制浇水电路等部分构成。

单片机选用AT89C52单片机，软件选用C语言编程。

土壤温湿度检测与显示部分采用温湿度传感器DHT11采集当前的土壤温湿度并通过LCD显示。

同时把检测到的信息发给单片机，通过单片机所设计的程序判断是否需要给盆花浇水，若需要浇水，则单片机系统发出浇水信号，开始浇水，若不需要浇水，则进行下一次循环检测。

定时器设置与显示部分，通过按键开关设置不同的浇水时间段，在时间段以内时，单片机驱动浇水系统，开始浇水，如不在时间段内，则不浇水。

1设计方案选择

1.1温湿度检测模块

方案一、采用DS18B20温度传感器和HS1100湿度传感器。

DS18B20温度传感器是DALLAS半导体公司生产的DS18B20型单线式智能温度传感器。

可广泛用于工业、民用、军事等领域的温湿度测量及控制仪器中。

它具有小体积，硬件开销低、抗干扰能力强、精度高、接口方便、远距离传输等特点。

1）DS18B20主要性能有：

1.独特的单线接口只需一个端口进行通信；2.多个DS18B20可并联在惟一的三线上，可以实现多点组网的功能；3.无须外部元件；4.可通过数据线供电，电压范围为3.0V～5.5V；5.零待机功耗；6.温度以3位数字显示；7.用户可自定义报警设置；8.电压特性，电源极性接反时，温度计不会因为发热而烧毁，但不能进行正常工作。

2）DS18B20的内部结构

DS18B20采用3脚PR－35封装，如图1.1示。

图1.1DS18B20封装

HS1100湿度传感器是基于独立工艺设计的电容元件，具有完全呼唤性，高可靠性和长期稳定性，相应时间迅速的特点。

应用于办公自动化，车厢空气质量控制系统等。

HS1100湿度传感器的主要特性有：

全互换性；在标准环境下不需校正；长时间饱和下快速脱湿；可以自动化焊接，包括波峰焊或水浸；高可靠性与长时间稳定性；专利的固态聚合物结构；可用于线性电压或频率输出回炉；快速反应时间。

HS1100是电容式湿度传感器，由于电容不可直接测量，故选用555多谐振电路检测到频率，然后又单片机计算的电容值，再根据电容值算出相应的湿度值。

方案一温湿度检测模块的框图如图1.2所示。

图1.2方案一温湿度检测模块框图

方案二、采用DHT11温湿度传感器。

DHT11是一款集温度传感器和湿度传感器于一体的数字信号输出的温湿度复合传感器。

传感器内部包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，以确保产品具有极高的可靠性和卓越的稳定性。

DHT11的主要特性：

相对湿度和温度测量；全部校准，数字输出；卓越的长期稳定性；无需额外部件；超长的信号传输距离；超低能耗；4引脚安装；完全互换等。

特点：

品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比高。

方案二温湿度检测模块框图如图1.3所示。

图1.3方案二温湿度检测模块框图

考虑到该系统要同时测量温度、湿度，而DHT11温湿度传感器具有综合作用，集温度湿度于一体。

而且成本低且使用方便。

故采用方案二。

1.2显示模块

方案一、采用LED数码管显示。

数码管具有低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化、防晒、防潮、防火、防高低温，对外界环境要求低，易于维护，同时精度比较高，操作简单，编程容易，资源占用较少的优点。

但数码管存在不足之处，显示内容局限，需要外围驱动电路。

方案二、采用LCD液晶显示屏显示。

LCD具有轻薄短小、耗电量低，平面直角显示以及影响稳定不闪烁，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等优势。

特点：

成本相对LED较高，显示内容也较丰富，且可以与单片机接口直接接线使用。

考虑到本系统需要显示时间、温湿度等，显示内容比较多。

要同时达到同样的显示效果，采用数码管显示可能比使用LCD液晶显示屏的成本要高且电路复杂。

目前市场上LCD1602已经十分普遍，LCD1602是两行16字符型液晶显示屏，显示亮度高，且可显示内容丰富，故采用LCD1602液晶显示

当前的时间、温湿度是最佳方案。

本次毕业设计选用STC89C52RC单片机为主要控制芯片，DHT11温湿度传感器进行土壤温湿度检测，时钟芯片DS1302进行定时控制，通过雨水检测器进行雨水检测，再将当前时间及温湿度采集数据在LCD1602上进行显示。

本次设计的盆花自动浇水系统主要由晶振电路、复位电路、DHT11温湿度传感器、LCD显示、定时器、按键模块、雨水检测器和继电器电路这八模块组成。

盆花自动浇水系统的具体模块设计框图1.4所示。

图1.4盆花自动浇水系统的具体模块设计框图

2主要元器件介绍

2.1STC89C52单片机

2.1.1STC89C52单片机简介

STC89C52单片机是由STC公司生产的一种高性能的、低功耗的CMOS8位微控制器，具有8K的系统可编程Flash存储器。

STC89C52单片机使用的是经典的C51内核，但是做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机所不具备的许多功能。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多的嵌入式控制应用系统提供了高灵活的解决方案，成为目前广泛使用的单片机微控制器之一。

使用STC89C52单片机可以完成所有基本的对于微控制器控制系统的编程和处理方法。

STC89C52单片机拥有如下基本功能：

8k字节的可编程Flash；32位的I/O输入输入端口；512bit的RAM内核；4个外部中断；内置4KBEEPROM；看门狗定时器；3个16位定时器/计数器等等。

2.1.2STC89C52单片机的结构和引脚功能

STC89C52单片机拥有一共40个外部端口，根据功能特性可以划分为主电源模块、多复用功能的I\O端口、外部连接晶振荡、控制和复位等。

它能够完成复杂的控制问题，且成本较低，应用范围广。

其结构引脚如图2.1所示。

图2.1STC89C52引脚图

STC89C52存在4个8位的并行I/O输入输入端口：

分别为P0、P1、P2、P3端口，相对应的外部接口分别是P0.0～P0.7，P1.0～P1.7，P2.0～P2.7，P3.0～P3.7，总计32条I/O线，每一条线能够独立作为输入或输出端口。

P0端口，这个端口功能实现了一个8位的双向I/O口。

而在端口对外部的程序或者输入的数据存储器实现读写时，P0端口可以作为多路复用的低字节地址/数据总线，只有在这个条件时，P0端口存在内部上拉电阻。

P1端口，这个端口是内部存在上拉电阻的8路双向I/O输入输出端口，当给该端口写入“1”的时候，内部的上拉电阻把该端口电压置高，在这个时候该端口作为输入口使用。

并且，P1.0和P1.1端口能够设置成定时/计数器，如表2.1所示。

表2.1P1口引脚复用功能表

端口引脚

复用功能

P1.0

T2（定时器/计算器2的外部输入端）

P1.1

T2EX（定时器/计算器2的外部触发端和双向控制）

P1.5

MOSI（用于在线编程）

P1.6

MISO（用于在线编程）

P1.7

SCK（用于在线编程）

P2端口，这个端口是内部存在上拉电阻的8路双向I/O输入输出端口，当给该端口写入“1”的时候，内部的上拉电阻把该端口电压置高，在这个时候该端口作为输入口使用。

P3端口，这个端口是内部存在上拉电阻的8路双向I/O输入输出端口，当给该端口写入“1”的时候，内部的上拉电阻把该端口电压置高，在这个时候该端口作为输入口使用。

在STC89C52中，P3端口也存在着大量的复用功能，如表2.2所列。

表2.2P3口引脚复用功能表

端口引脚

复用功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

INT0（外部中断0）

P3.3

INT1（外部中断1）

P3.4

T0（定时器0的外部输入）

P3.5

T1（定时器1的外部输入）

P3.6

WR（外部数据存储器写选通）

P3.7

RD（外部数据存储器读选通）

1）PSEN的程序存储允许信号。

它是用来读取外部程序存储器。

2）RST复位功能连接端口。

在晶振工作的时候，在这个引脚上连续出现两个机器周期的高脉冲时，内部电路将单片机做复位处理。

3）ALE/PROG地址锁存的控制端口。

每当从存储器读取数据的时候，该端口发送信号作为锁存低字节地址。

在对Flash存储器编程时，这个端口可以输入编程脉冲PROG。

4）EA/Vpp外部读写数据控制端口。

为了使单片机可以正确的从地址为0000H～FFFFH的外部ROM中接受到代码，所以要把EA置低，所以接到地端。

然而，如果程序锁位1，EA在复位锁存。

5）XTAL1振荡器的反相放大器输入，内部时钟工作电路的输入。

6）XTAL2振荡器的反相放大器输出。

2.2DHT11温湿度传感器

2.2.1DHT11产品概述

DHT11数字温湿度传感器是一款集温度传感器和湿度传感器于一体的数字信号输出的温湿度复合传感器。

它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，以确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。

传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。

因此DHT11具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。

单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。

超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上。

DHT11的技术参数：

1）供电电压：

3.3～5.5VDC

2）输出：

单总线数字信号

3）测量范围：

湿度20～90%RH，温度0～50℃

4）测量精度：

湿度±5%RH，温度±2℃

5）分辨率：

湿度1%RH，温度1℃

6）互换性：

可完全互换

7）长期稳定性：

<±1%RH/年

DHT11的应用领域：

暖通空调、测试及检测设备、汽车、数据记录器、消费品、自动控制、气象站、家电、湿度调节器、医疗、除湿器等。

2.2.2DHT11封装信息

DHT11为4针单排引脚封装,DHT11的封装图如图2.3所示。

图2.3DHT11的封装图

2.2.3DHT11引脚说明

DHT11为单排4引脚，其引脚说明如表2.3。

表2.3DHT11引脚说明

名称

注释

VDD

供电3－5.5VDC

DATA

串行数据，单总线

空脚，请悬空

GND

接地，电源负极

2.2.4DHT11接口说明

DHT11的典型应用图如图2.3所示。

一般在连接线长度短于20米时用5K上拉电阻,大于20米时根据实际情况使用合适的上拉电阻。

图2.3DHT11的典型应用图

2.2.5DHT11电源引脚

DHT11的供电电压为3V～5.5V。

传感器上电后，要等待1s以越过不稳定状态在此期间无需发送任何指令。

电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF的电容，用以去耦滤波。

2.2.6DHT11串行接口（单线双向）

DATA用于单片机与DHT11之间的通讯和同步,采用单总线数据格式,一次通讯时间4ms左右,数据分小数部分和整数部分,当前小数部分用于以后扩展,现读出为零。

操作流程如下：

一次完整的数据传输为40bit,高位先出。

数据格式:

8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据

+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据

+8bit校验

数据传送正确时校验和数据等于“8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bi温度整数数据+8bit温度小数数据”所得结果的末8位。

单片机发送一次开始信号后,DHT11从低功耗模式转换到高速模式,等待单片机的开始信号结束后,DHT11发送响应信号,送出40bit的数据,并触发一次信号采集,可选择读取部分数据。

在高速模式下,DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集,如果没有接收到主机发送开始信号,DHT11不会主动进行温湿度采集。

采集数据后DHT11又转换到低速模式。

2.3液晶显示器LCD

2.3.1液晶显示器的简介

液晶显示器是一种低功能耗液晶显示器件。

工作电流小，适合于仪表和低功耗系统。

常用的有笔画型液晶显示器、点阵字符型液晶显示器和图形点阵式液晶显示器。

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的特点。

目前被广泛应用于计算机，数字摄像机等众多领域。

一般1602字符型液晶显示器实物如图2.4所示。

图2.41602字符型液晶显示器实物图

2.3.21602LCD基本参数

1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为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2.5所示。

图2.51602LCD的尺寸图

1602LCD主要技术参数

（1）容量:

16×2个字符

（2）工作电压:

4.5～5.5V

（3）电流:

2.0mA（5.0V）

（4）最佳工作电压:

5.0V

（5）尺寸:

2.95×4.35（W×H）mm

2.3.31602LCD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2.4所示。

表2.41602LCD引脚接口说明表

符号

引脚说明

编号

符号

引脚说明

VSS

电源地

数据

VDD

电源正极

数据

液晶显示偏压

数据

数据/命令选择

数据

R/W

读/写选择

数据

使能信号

数据

BLA

背光源正极

数据

BLK

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。

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7～14脚：

D0～D7为8位双向数据线。

第15脚：

背光源正极。

第16脚：

背光源负极。

2.3.41602LCD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2.5所示。

表2.51602LCD控制命令表

序号

指令

R/W

清显示

光标返回

置输入模式

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