土壤温湿度传感器自动灌溉系统.docx
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土壤温湿度传感器自动灌溉系统
河池学院物理与电子工程系
实验设计论文
题目土壤湿度传感器自动灌溉系统
参与人员庞鸿黄俊国成小慧
专业名称电子信息工程
2010年10月26日
摘要：
民以食为天，农业无论是在什么时候永远都是一个国家的基础，每一个国家的基石，一个国家赖以生存的坚实条件，特别是在中国这样的一个人口大国，粮食尤为重要。
所以发展好农业，实现农业增产增收，打好粮食基础，让人民吃上饱饭是我国的头等大事。
生命离不开水，植物尤为重要，水是农业发展中不可少的元素。
作物在生长过程中，土壤湿度起着至关重要的作用。
以生物的角度来考虑，土壤湿度直接影响着植物对营养物质的吸收以及植物生长的发育，同时还影响着土
壤中各种养分的有效性。
尤其是近几年，旱灾是席卷全国各地，假如农作物未得到充分合理的灌溉，农作物的生长发育将受到严重的威胁，甚至会造成作物的减产，由此，对于中国这样一个农业大国来说，将是一种严峻的考验，农民的物质需求将会受到威胁，由此引发种种问题都不容忽视。
随着科技的发展，越来越多的科学技术应用到农业生产上，现在的农业已是翻天覆地的变化着，科学技术对农业的贡献已是大家所见。
我们仍是落后的农业大国，全国的很多地方仍采用传统的生产技术，这其中依是存在很多技术问题，比如不合理的利用资源、未达到作物生长过程中一些要求等。
尤其是在各种资源日益紧缺的形式下，能够把好科技的关口，充分利用于我国的现有科技成果将对我国农业的生产与发展将起到极大作用。
这其中最值
得我们去考虑的问题就是，如何利用现代先进技术，改进农业的灌溉技术，以最低的投资求得最高、最安全、最有效的利益需求。
合理的灌溉可以促进植物的健康生长，特别是对一些对水的含量要求特别高的植物，合理的灌溉，既可以促进植物的生长，增进农作物的产量，还可以节约日益紧缺的水资源。
这正响应“建立和谐社会，提倡节约型生产”的号召。
基于此，我们制作的土壤湿度传感器自动灌溉设备，可依据土壤湿度状况及时的进行灌溉，既节省劳动力又节约水、节能、节时，还可以提高作物的产量及质量，此外，克服了购买昂贵土壤湿度传感器成本高的弊端，而且该系统使用起来方便使用，大众都可以简单的操作，是面向大众化的设计。
关键字：
土壤湿度传感器温度DHT11
1引言1
2系统构成1
2.1控制系统1
2.2主控系统2
2.3数据采集模块2
2.4显示模块3
3系统硬件4
3.1数据采集模块4
3.2主控模块5
3.3执行模块6
3.4警报模块7
3.5显示模块8
3.6时钟模块9
4系统的软件设计10
总结11
参考文献12
1引言
温度和湿度是工农业生产的重要环境因素，是影响植物生长的关键环境因
素。
对其进行适时准确的测量可以帮助我们及时采取措施，提高农作物的产量和质量，这对农作物具有重要的意义。
利用温湿度传感器DHT11对土壤温度
和湿度的及时采集并将采集到的数据传送给单片机进行分析并做出相应的操作就可实现对土壤的自动灌溉。
此系统具有控温湿精度高、功能强、价格低、操作简单灵活的优点，可以很好的满足农业要求。
单片机作为控制系统时，系统总要有被测信号输入通道，而输入的信号就是由温湿度传感器采集到的土壤温湿度。
对于测量系统而言，如何准确获取被测信号是其核心任务。
而对测控系统来说，对被控对象状态的测试和对控制条件的监察也是必不可少的环节。
传感器是实现测量和控制的首要环节，是控制系统的关键部件，假如没有传感器，对原始被测量信号进行可靠而准确的捕捉和转换，一切准确的测量和控制都将无法实现。
2系统构成
本自动土壤湿度传感器自动灌溉系统可划分单片机最小系统模块、显示
模块、执行灌溉模块，数据采集模块，报警模块，时间显示模块。
其系统结构如图1所示：
图1
2.1控制系统
控制系统采用AT89S52单片机作为处理核心，采用温湿度传感器DHT11来
检测温度和湿度，并通过液晶显示屏来实时的显示当前的温度、湿度和时间。
同时控制系统设置了警报模块，在检测到的值小于设定值时，蜂鸣器会不间断发生鸣响作为警报，同时控制系统使继电器闭合，打开水阀实现对土壤的灌溉。
2.2主控系统
此系统采用ATMEL公司生产的AT89S52单片机作为主控器件，其特点是支持ISP在线可编程写入技术。
串行写入，其频率高达33MHz，故其速度更快，
其内部集成了看门狗计时器，不再需要像89C51那样外接看门狗计时器单元电
路，所以稳定性更好。
AT89S52是一款高性能、低功耗的8位单片机，片内含8K字节的可反复擦写1000次的Flash只读写程序存储器。
AT89S52具有以下特占.
八、、・
40个引脚，8K字节Flash片内程序存储器，256字节随机存取数据存储器
（RAM），32个双向输入/输出（I/O）口，5个中断源，2层优先级中断嵌套，2个16位可编程定时/计数器，1个全双工串行通讯口，看门狗电路。
此外，空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其他功能直至外中断激活或硬件复位。
而相比之下，如采用新华龙公司生产的C8051系列或ATMEL公司生产的Atmega系列作为本系统的控制核心芯片。
这一类高档单片机最显著的特点是功能齐全，空间有更大的Flash和SRAM存储器、双串口、更多的硬件定时器资源等，但是其价格往往比普通的芯片贵。
根据系统设计要求和价格预算，为了使本系统性价格比达到更高，决定选用AT89S52作为本系统的核心芯片。
2.3数据采集模块
考虑到电路连接的简洁与方便，省去复杂的信号处理，也为了能测出较精确的数据，根据系统设计要求中的指标并考虑其成本问题，最终决定选用DHT11
温湿度传感器作为数据采集模块的主要器件。
DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的湿温度传感器。
它应用于专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的
可靠性和卓越的长期的稳定性。
传感器包括一个电阻式的感湿元件和一个NTC
测温元件，并与一个高性能8位单片机连接，该产品具有品质卓越、超快感应、抗干扰能力强、价格比极高等优点。
每个DHT11都在为极为精确的湿度校验室中校准，校准系数以程序的形式存储在OTP内，传感器内部在线测信号的处理过程中要填用这些校准系数，单线制串型接口，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。
以下表格为DHT11的一些性质及精度说明:
型号
测量范围
测湿精度
测温精度
分辨率
封装
DHT11
20~90%RH
0~50C
±5%RH
±2%RH
1
4针单排直
插
以下是DHT11经典的应用电路：
VDDVDD
GNO
本系统也是采用此电路原理。
2.4显示模块
方案一、采用LED数码管显示。
特点：
成本较低，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。
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的内容较多，且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液晶显示屏做为显示模块将是最佳方案。
选用两行16字符型液晶显示屏来显示当前的时间、温湿度。
而这其中需要
通过板上的按键来进行切换
3系统硬件
系统硬件采用模块化设计，整个硬件可分为数据采集模块、数据处理控制模块、主控模块、执行模块、显示模块、操作模块。
3.1数据采集模块
该模块主要是温湿度数据采集，温湿度数据采集主要由土壤温湿度传感器DHT11通过变送电路对土地中的土壤温湿度进行采集。
在系统中，DHT11温湿度传感器的主要功能就是采集数据。
采集的是土壤
中的温度和湿度，其在系统中电路原理图如下:
图2
图中的DHT11的1脚接电源，2脚为单总线数据和命令传送口，接到单片机的P1A5口，3脚悬空，4脚接地。
在电源与地之间接一个100nf的瓷片电容用以去耦滤波，在2脚还接一个4.7K的上拉电阻来拉高的2脚的电压。
DHT11温湿度传感器的工作原理：
DHT11的供电电压为3~5.5V，传感器上电后，要等待1s以达到稳定状态，期间无需发送任何指令。
当要读取该器件的数据时单片机先发送一个指令，然后
等待DHT11的响应，当单片机接收到DHT11的响应后才能读取DHT11采集到的数据。
2脚的DATA用于微处理器与DHT11之间的通讯与同步，采用单总线数据格式，一次通讯时间为4ms左右。
数据分为小数部分和整数部分具体格式如下：
DATA=湿度数据高位+湿度数据低位+温度数据高位+温度数据低位+校验和
3.2主控模块
主控模块是整个系统的核心，主要由单片机最小系统和4个操作按键组成。
如图3所示：
I_oo
JJ^TTCN
BUTTON
VCC
YQ-
貯10甘
—oo-
BUITON
P10
P00
PH
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6
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P17
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P34T0
P35T1
XI
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AT89C52
|GND
沖19
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1
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19
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20
1
CON20
J3
CON20
图3
单片机最小系统又是由起振电路和复位电路组成。
起振电路由两个30P的瓷
片电容和一个晶振组成，引脚分别接到AT89S52的18和19脚，其作用是为单片机提供时钟周期。
如图4所示：
P34/T0
P35/TI
XI
X2
复位电路由两个电阻，一个电解电容和一个轻触按键组成，其作用是给单片
10uf
VCC
S1
—OO—
BUTTON
99「「
4H>RESET
AT89C52
R5
41II-GND
IOk
机复位，使程序重新开始执行，当单片机接上电源后，按一下按键把RESET口的点位拉低，就可实现单片机的复位，电路图如下:
图5
主控模块的主要工作就是处理数据和发生指令。
当单片机接收到DHT11传
送回来的数据（温度和湿度）时，单片机就会自动的处理这些数据，并把处理好的数据传给LCD1602，让其显示在上面。
若单片机接收到的温度或湿度的数值比初设的值小，单片机就会向继电器发送一个指令，使继电器闭合（即打开水阀
的开关，对土地进行灌溉）同时也会向蜂鸣器发送一个指令，使蜂鸣器响以作警报。
4个接到P3A2到P3A5的按键用于设定报警的初值和时钟芯片DS1302的初
值。
3.3执行模块
主要作用是驱动电磁阀，使继电器闭合，实现灌溉控制。
原理图如下：
图6
其工作原理：
这里用一个PNP型的三极管，e集接VCC,C集接继电器的3脚，用于驱动继电器闭合，b集接一个200殴的电阻，并接到单片机的P1A4口，刚开始时单片机的P1A4口是高电平，根据PNP型三极管的工作原理，e集合c集不导电，继电器接的是1脚和2脚，当单片机的P1A4口把电位拉低时，三极管导电，驱动继电器的电磁阀，使1脚和3脚闭合（相当于水阀的开关闭合导电），从而实现灌溉功能。
3.4警报模块
在微型计算机控制系统中，为了安全生产，对一些重要的参数或系统部位，都设有紧急状况报警系统，以便提醒操作人员注意，或采取紧急措施。
其方法是就是把采集的数据通过计算机的分析与处理，与该参数上下限给定值进行比较如果高于上限值（或低于下限值）则进行报警，否则作为采样的正常值，进行现实
和控制。
这里采用有源蜂鸣器作为警报器，该电路中只需购买市售的压电式蜂鸣器，
然后经过AT89S52的一根口线驱动。
由于单片机的I/O口驱动能力有限，无法驱动蜂鸣器鸣响，这里用到一个PNP型的三极管作为驱动器，来驱动蜂鸣器。
电路图如下：
图7
三极管的e集接电源VCC,C集接蜂鸣器的正极，B集接一个200殴的电阻并连接到单片机的P1A3口，当B集为高电位是三极管不导通，蜂鸣器不响，当单片机把P1A3口的电平拉低时三极管导通，蜂鸣器响。
此处的三极管起到一个开关的作用。
3.5显示模块
LCD1602为兼容的液晶显示模块，本设计中采用两行16字符型的模式，显
示亮度可调，是一种使用较方便、价格较便宜的液晶显示器件。
他有液晶显示屏和驱动器两部分组成，单片机通过写控制字方式访问驱动器来实现对液晶显示屏的控制，系统是利用液晶显示屏来显示测量的结果，图7为液晶显示部分的原理
图，它的外围器件是一个精密电位器，它的功能是实现液晶显示屏亮度的调节。
通过对其的调节，可自如的改变液晶显示屏的亮度，其操作方法较简单，绝大多数人都可以使用，与有无技术等问题无关，且调节电位器对电路的的影响不大。
图8
如图所示1脚和16脚接地，2脚和15脚接电源，3脚接可调电位器,4到5脚接单片机的P2A1到P2A3脚，7到14脚接的是P0口。
液晶显示屏显示的内容是DHT11采集到的数据和DS1302的时间，但是由于数据太多而屏幕太少，所以它们不可以同时显示，只能通过接在P3A3的按键切换来显示。
刚开始上电后
显示的是时间。
3.6时钟模块
单片机系统内的RAM的数据是非常容易丢失的，特别是一些特别珍贵的科学数据，一旦丢失后果将不堪设想，因此掉电保护是必须做的，一旦电源发生掉电现象，在掉电的瞬间系统能自己保护RAM中的数据系统的运行状态，当电源恢复正常后，系统还可以恢复到掉电前的工作状态。
此模块主要器件是以DS1302为核心的时钟电路，而时钟电路是用来产生AT89S52工作时所必需的时钟信号，AT89S52本身就是一个复杂的同步时序电路,为保证工作方式的实现，AT89S52在唯一的时钟信号的控制下严格的按照时序执行指令进行工作，时钟频率影响单片机的速度和稳定性。
通常时钟有两种形式：
内部时钟和外部时钟。
本系统采用的是内部时钟方式来为系统提供必须的时钟信号。
AT89S52内部
有一个用于成振荡器的高增益反向放大器，该放大器输入输出引脚为XTAL1和
XTAL2。
4系统的软件设计
本系统的软件采用了汇编语言编程，需温湿度传感器采集数据，经单
片机的分析与处理，将将测试结果显示在LCD1602液晶显示屏上，而数据
的分析、处理与显示，还得需要编程方可完成，总程序流程图如图10：
总结
该系统主要是以AT89S52为核心的主控制系统，而DHT11温湿度传感器、DS1302时钟芯片主要是给单片机提供必要的数据信号。
该系统主要是利用DHT11传感器采集到的数据信号，经AT89S52的分析与处理后，将最终的的数据信号与之前设置好的上/下限值进行比较，假如所采集到的数据高于设定的上限值（低于设定的下限值），蜂鸣器发生鸣响，同时继电器作出相应的动作，即自动灌溉系统或自动关闭灌溉系统。
同时系统还设置了相应的调节按键，便于使用人员的自主控制。
如需要人为地设置时，可以通过系统设置的按键进行相应的操作，可令系统更自动化、人性化的完成灌溉任务。
近年来，随着工农业发展脚步的加快，人类活动能力的加深，生态环境问题的日益紧迫。
特别是，日益匮乏的淡水资源，时刻都在提醒人类节约用水、合理的利用资源，提高资源的有效利用率，是值得我们每一个人都要去深思的问题。
我国是一个农业大国，在农业生产方面的技术还是比较落后，全国的大部分地区都是采用传统的灌溉技术，这其中还存在很多可改进技术，提高资源的合理利用率的方面，尤其是灌溉着一方面。
因此，我们设计的这一系统仍有很大的价值，在有效利用水资源，在节水生产的实践中具有积极的作用。
参考文献
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