基于单片机的草坪智能喷灌系统设计与实现.docx

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基于单片机的草坪智能喷灌系统设计与实现

毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明

原创性声明

本人郑重承诺：

所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。

尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。

对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。

作者签名：

　　　　　日　期：

指导教师签名：

　　　　　日　　期：

使用授权说明

本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：

按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。

作者签名：

　　　　　日　期：

学位论文原创性声明

本人郑重声明：

所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。

除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。

对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。

作者签名：

日期：

年月日

学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。

本人授权　　　　大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

涉密论文按学校规定处理。

作者签名：

日期：

年月日

导师签名：

日期：

年月日

注意事项

1.设计（论文）的内容包括：

1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）

2）原创性声明

3）中文摘要（300字左右）、关键词

4）外文摘要、关键词

5）目次页（附件不统一编入）

6）论文主体部分：

引言（或绪论）、正文、结论

7）参考文献

8）致谢

9）附录（对论文支持必要时）

2.论文字数要求：

理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。

3.附件包括：

任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。

4.文字、图表要求：

1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写

2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。

图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画

3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印

4）图表应绘制于无格子的页面上

5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档

5.装订顺序

1）设计（论文）

2）附件：

按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订

指导教师评阅书

指导教师评价：

一、撰写（设计）过程

1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神

□优□良□中□及格□不及格

2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度

□优□良□中□及格□不及格

3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力

□优□良□中□及格□不及格

4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性

□优□良□中□及格□不及格

5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

指导教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

评阅教师评阅书

评阅教师评价：

一、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

建议成绩：

□优□良□中□及格□不及格

（在所选等级前的□内画“√”）

评阅教师：

（签名）单位：

（盖章）

年月日

教研室（或答辩小组）及教学系意见

教研室（或答辩小组）评价：

一、答辩过程

1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况

□优□良□中□及格□不及格

2、对答辩问题的反应、理解、表达情况

□优□良□中□及格□不及格

3、学生答辩过程中的精神状态

□优□良□中□及格□不及格

二、论文（设计）质量

1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？

□优□良□中□及格□不及格

2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？

□优□良□中□及格□不及格

三、论文（设计）水平

1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义

□优□良□中□及格□不及格

2、论文的观念是否有新意？

设计是否有创意？

□优□良□中□及格□不及格

3、论文（设计说明书）所体现的整体水平

□优□良□中□及格□不及格

评定成绩：

□优□良□中□及格□不及格

教研室主任（或答辩小组组长）：

（签名）

年月日

教学系意见：

系主任：

（签名）

年月日

摘要

本设计基于51单片机的草坪智能喷灌系统设计与实现，利用所学到的单片机系统开发的相关技术知识，完成智能喷灌控制系统的硬件搭建和程序设计。

设计中确定系统功能实现数据采集及处理、检测及报警、多点控制。

介绍了开发工具以及元器件的选择；设计中重点介绍了硬件电路实现以及软件算法的设计；并编写相关控制程序并进行调试；

此次设计的是通过选择土壤温湿度传感器对土壤的湿度进行实时的采集，将采集到的信号以模拟量送给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。

并具有一定的LCD液晶显示和键盘操作功能。

关键词：

51单片机；智能喷灌；湿度传感器；c语言

一、绪论

（一）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。

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。

（二）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。

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。

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。

二、系统总体设计与分析

（一）方案论证

1、控制芯片选择

方案一：

采用飞思卡尔半导体公司的十六位单片机mc9s12xs128单片机，此款单片机共有80引脚绝大部分为I/O口，最高主频可达到96MHZ,运行速度快，但由于本系统的资源需求不是很大，而且此款单片机的照价较高，外围电路较复杂，故没有选择此款单片机。

方案二：

采用传统的8位机51单片机此款单片机应用方便外围电路简单，从设计任务看此款单片机足可胜任，最终从经济、性能等方面本系统选择了51单片机作为主控芯片；

2、显示模块选择

方案一：

采用液晶1602作为显示模块，1602液晶每行可显示16个字符一共可以显示两行，可以显示数字和字符但是不能显示汉字，由于系统中采集的信息有可能是汉字的所以没有选择1602液晶。

方案二：

采用液晶12864，,12864液晶显示可以显示汉字，带有字库显示方便技术成熟，对于系统而言满足系统要求。

可以显示较多的信息，清晰明了。

本系统中需要显示信息较少顾系统选择了1602作为显示单元的显示器经济实惠方便。

（二）方案确立

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。

本系统硬件包括：

温湿度采集转换模块、单片机及附属电路、键盘控制、LCD显示、时钟模块、继电器电路等部分的设计。

系统整体电路框图如图2.1所示。

三、系统硬件设计

（一）单片机系统介绍

本设计中要求单片机的频率必须要快，要不然将会明显的看出刷屏现象。

所以经过对比试验确定选用STC公司的STC12C5A60S2系列单片机这款单片机是单时钟/机器周期（1T）的单片机，具有高速、低功耗、超强抗干扰等特点是新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度比普通的单片机快8-12倍。

内部集成MAX810专用复位电路,拥有2路PWM,8路高速10位的A/D转换（频率250K/S）,适合对电机控制，抗干扰场合。

单片机的实物图如图3.1所示：

图3.1单片机实物图

STC12C5A60S2基本的特性介绍如下：

1.内部集成增强型8051CPU，1T，单时钟、机器周期，指令代码完全与8051兼容

2.工作电压：

STC12C5A60S2系列工作电压：

5.5V-3.5V（5V单片机）STC12LE5A60S2系列工作电压：

3.6V-2.2V（3V单片机）

3.工作频率范围：

0～35MHz，相当于普通8051的0～420MHz

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8051I/O口）可设置成四种模式：

准双向口/弱上拉，推挽/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

7.ISP（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（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数�即可完成一片

8.有EEPROM功能（STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM）

9.看门狗

10.内部集成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）

11.外部掉电检测电路:

在P4.6口有一个低压门槛比较器

5V单片机为1.33V，误差为±5%,3.3V单片机为1.31V，误差为±3%

12.时钟源：

外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器（温漂为±5%到±10%以内）用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟常温下内部R/C振荡器频率为：

5.0V单片机为：

11MHz～17MHz;3.3V单片机为：

8MHz～12MHz

精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准

13.共4个16位定时器两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器做串行通讯的波特率发生器,再上2路PCA模块可再实现2个16位定时器

14.3个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟,独立波特率发生器可以在P1.0口输出时钟

15.外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模

块，PowerDown模式可由外部中断唤醒，

INT0/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4,T1/P3.5,RxD/P3.0,CCP0/P1.3,CCP1/P1.4

16.PWM（2路）/PCA（可编程计数器阵列,2路）

---也可用来当2路D/A使用

---也可用来再实现2个定时器

---也可用来再实现2个外部中断（上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持）

17.A/D转换,10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S（每秒钟250次）

18.通用全双工异步串行口（UART），由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件

实现多串口

19.STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RxD2/P1.2（可通过寄存器设

置到P4.2），TxD2/P1.3（可通过寄存器设置到P4.3）

20.工作温度范围：

-40~+85℃（工业级）/0~75℃（商业级）

21.封装：

LQFP-48,LQFP-44,PDIP-40,PLCC-44,QFN-40

I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接74HC164/165/595（均可级联）来扩展I/O口,

还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU,三线通信，还多了串口。

1、复位方式

在上电或复位过程中，控制CPU的复位状态：

这段时间内让CPU保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止CPU发出错误的指令、执行错误操作，也可以提高电磁兼容性能。

无论用户使用哪种类型的单片机,总要涉及到单片机复位电路的设计。

而单片机复位电路设计的好坏,直接影响到整个系统工作的可靠性。

许多用户在设计完单片机系统,并在实验室调试成功后,在现场却出现了“死机”、“程序走飞”等现象,这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的，单片机复位方式主要由按键复位和上电复位两种，本次设计主要是按键复位，在单片机复位输入端RST上加入高电平两个时钟周期时。

一般采用的办法是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮。

当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端，两个时钟周期后单片机就将复位。

本次设计的复位电路如图3.1所示：

图3.1复位电路图

2、时钟电路

单片机的运行需要时钟电路的支持，如果没有时钟电路的驱动单片机将无法按照“拍”来工作，所以需要通过时钟电路来给单片机提供脉冲信号，晶振引脚的内部通常是一个反相器,或者是奇数个反相器串联.在晶振输出引脚XO和晶振输入引脚XI之间用一个电阻连接,对于CMOS芯片通常是数M到数十M欧之间.很多芯片的引脚内部已经包含了这个电阻,引脚外部就不用接了.这个电阻是为了使反相器在振荡初始时处与线性状态,反相器就如同一个有很大增益的放大器,以便于起振.石英晶体也连接在晶振引脚的输入和输出之间,等效为一个并联谐振回路,振荡频率应该是石英晶体的并联谐振频率.晶体旁边的两个电容接地,实际上就是电容三点式电路的分压电容,接地点就是分压点.以接地点即分压点为参考点,振荡引脚的输入和输出是反相的,但从并联谐振回路即石英晶体两端来看,形成一个正反馈以保证电路持续振荡.在芯片设计时,这两个电容就已经形成了,一般是两个的容量相等,容量大小依工艺和版图而不同,但终归是比较小,不一定适合很宽的频率范围.外接时大约是数PF到数十PF,依频率和石英晶体的特性而定。

本次设计始终电路如图3.2所示：

图3.2时钟电路图

3、单片机最小系统

本次设计的STC125A60S2单片机最小系统由单片机芯片，复位电路及时钟电路组成，本次设计最小系统的电路图如图3.3所示：

图3.3单片机最小系统电路图

（二）1602液晶显示电路

本次采用液晶显示屏为1602型液晶显示屏，该屏属于字符型屏幕，是一种专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用16*1，16*2，20*2和40*2行等的模块，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相较于数码管显示，屏幕使用更为简单，且可以定义字符，数码管电路复杂，增加不必要的隐患。

1602液晶显示屏电路如图3.4所示

图3.41602液晶显示屏电路图

（三）键盘电路

在单片机系统中，按接口形式把键盘分为两大类：

编码式键盘与非编码式键盘。

由硬件逻辑电路来编码式键盘完成键识别的工作和可靠措施。

每一按键，键盘会自动的提供出该按键读数，于此同时用产生的选通脉冲来通知给微处理器。

这种键盘比较容易使用，但是硬件结构复杂，主机任务会相对繁重。

而非编码式键盘主要包括有独立按键结构的键盘与有矩阵按键结构的键盘两种。

矩阵结构键盘适合用在按键数量偏多的场合，由行线与列线来组成，按键在行列交叉点的位置上，节省I/O口。

独立按键结构就是各按键相互独立，每个按键单独占用一根I/O口线，每根I/O口线按键的工作状态是不会影响其他I/O口线按键的工作状态。

因此，用输入电平状态的检测可以很容易确定是哪个按键按下。

此键盘是用于按键较少或操作速度较高的场合。

由于本次设计只用到6个键，所以采用独立式键盘，按键主要对模式和设定值进行更改。

键盘电路是由若干按键组成的，它是单片机系统中最常用的输入设备，用户能通过键盘向计算机输入指令、地址和数据。

一般单片机系统中采和非编码键盘，非编码键盘是由软件来识别盘上的闭合键，它具有结构简单，使用灵活等特点，因此被广泛应用于单片机系统。

本次设计采用通用方式，即按键采用共地并联方式，当按下按键时，输入单片机低电平信号，当待机时，输入单片机高电平，

按键电路图如图3.5所示

图3.5按