智能盆栽系统毕业设计论文.docx
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智能盆栽系统毕业设计论文
摘要
随着人们开始逐渐注重家庭环境的绿化问题，很多人都会选择在家里种植一些盆栽，一方面可以美化家中的环境，另一方面可以净化家中的空气。
但传统的盆栽养护方式存在操作不方便，难于控制浇水、环境温度和适当光照等弊端，严重制约了植物的健康生长。
本文在对智能盆栽控制技术研究的基础上，论述了系统的的硬软件设计等问题。
系统以STC89C52单片机为主控制器，采用YL-69土壤湿度传感器、DS18B20数字温度传感器和光敏电阻检测盆栽植物周围的土壤湿度、环境温度和光照强度。
硬件电路由数据采集电路、A/D转换电路、外设（键盘、显示器等）接口电路、输出控制电路等组成。
并用C语言对系统进行软件编程，提出了实施方案：
利用YL-69等多个传感器，将采集到的盆栽植物周围环境变量传送到单片机，将检测到的数据与设定范围进行对比，对是否经行灌溉、降温、补光做出判断，使盆栽植物始终保持在最佳的生长状态。
经系统仿真及实物测试表明，系统可以实现对盆栽植物的自动化灌溉、降温和补光，且运行稳定，功能完善。
系统在家庭盆栽种植和名贵花卉、珍稀药材的盆栽种植领域都拥有广泛的应用推广前景。
关键词：
盆栽；单片机；自动控制；土壤湿度；环境温度；光照强度
Abstract
Aspeoplebegintopaymoreattentiontothegreeningofthefamilyenvironment,manypeoplewillchoosetoplantsomepottedplantsathome.Ontheonehand,theycanbeautifytheenvironmentinthehome,andontheotherhand,theycanpurifytheairinthehome.However,traditionalpotconservationmethodshaveinconvenientoperation,difficultyincontrollingwatering,ambienttemperatureandproperlighting,andseriouslimitationstothehealthygrowthofplants.
Basedontheresearchofintelligentpotplantcontroltechnology,thispaperdiscussesthesystem'shardwareandsoftwaredesignandotherissues.ThesystemusestheSTC89C52microcontrollerasthemaincontroller,andusesYL-69soilmoisturesensor,DS18B20digitaltemperaturesensorandphotosensitiveresistancetomeasurethesoilmoisture,temperatureandlightintensityaroundthepottedplants.Thehardwarecircuitiscomposedofadataacquisitioncircuit,anA/Dconversioncircuit,peripheralcircuits（keyboards,monitors,etc.）,andanoutputcontrolcircuit.AnduseClanguagetocarryonthesoftwareprogrammingtothesystem,hasputforwardtheimplementationplan:
UtilizesYL-69andsoonmanysensors,willgatherthepottedplantambientenvironmentparametertothemonolithicintegratedcircuit,willcomparethedetecteddatawiththesettingscope,whetherIrrigation,cooling,andlightsupplementsareusedtomakejudgmentssothatpottedplantsarealwayskeptinthebeststateofgrowth.
Thesystemsimulationandphysicaltestsshowthatthesystemcanrealizeautomaticirrigation,coolingandfilllightforpottedplantswithstableoperationandperfectfunctions.Thesystemhasawiderangeofapplicationandpromotionprospectsinthepotcultivationofhomepottedplantsandpottedplantsofrareflowersandrareherbs.
Keywords:
pottedplant,singlechipmicrocomputer,automaticcontrol,soilmoisture,temperature,lightintens
第一章绪论
1.1选题的目的和意义
1.1.1选题目的
随着人们开始逐渐注重家庭环境的绿化问题，很多人都会选择在家里种植一些盆栽。
在家种植盆栽可以陶冶情操、丰富生活，同时盆栽植物可以吸收CO2，净化室内空气。
在有植物的地方空气中阴离子聚集较多，所以空气也特别清新，而且许多植物还可以吸收有害物质，因此，种植盆栽受到许多人的喜爱。
盆栽的浇水量、环境温度和光照强度是否能做到适宜，是种植盆栽成败的关键。
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，或者出差、旅游等。
超过80%的盆栽生长问题是由浇灌、温度和光照问题引起的。
种植多月的盆栽因为一时缺少照料导致长势不好，不但没起到净化空气的作用，反而影响家庭装饰效果。
虽然市场上有卖盆栽自动控制设备，但价格十分昂贵，并且大多只能设定自动浇水的时间，很难做到给盆栽自动适时适量浇水以及控制盆栽的环境温度和光照强度。
也有较经济的盆栽缺水报警器，可以提醒人们及时的给盆栽浇水。
可是这种报警器只能报警，浇水还需要人们亲自动手。
当家里无人时，即使报警也无人浇水，就起不到应有的作用了。
因此，我想设计一种集盆栽土壤湿度、环境温度、光照强度检测，自动浇水、降温、补光于一体的智能盆栽控制系统，让盆栽在人们无暇顾及时也能得到良好的生长环境。
1.1.2选题意义
虽然我国是一个农业大国，但却是最缺少水资源的农业大国。
我国年平均降水量为61900亿立方米，水资源总量为28124亿立方米，居世界第六位，但人均水资源量仅为2300立方米，约为世界平均水平的1/4，居世界第121位，是名副其实的贫水大国[1]。
目前，我国约三分之二的城市都处于缺水状态，大约四分之一的城市严重缺水。
随着我国农业经济的高速发展，农业发展与水资源匮乏之间的矛盾也越来越明显。
为了更好的发展农业，一定要及时解决水资源不足的问题，只有这样才能更好地促进农业的发展[2]。
近年来，农业用水占全国用水总量的62%左右，部分地区更高达90%，农业已成为我国最大的用水户。
从灌溉面积来看，我国有效灌溉面积达9.25亿亩。
但由于经济条件的限制和对节水灌溉认知的缺乏，导致我国农业灌溉技术现代化程度较低且发展不足，节水灌溉面积仅有4.38亿亩。
因此，大力发展智能节水灌溉，成为我国缓解水资源供需矛盾的必然选择。
采用盆栽种植的方式，不仅可以提高农作物的产量，提升农业生产效率；还可以有效节省灌溉用水，一举两得。
所以大力推广盆栽种植对我国的农业发展具有重要意义。
虽然我国的盆栽种植面积位居世界第一，但技术水平和管理方法相对比较落后，大多还是采用人工控制的传统方法，很容易造成农作物缺水、环境温度过高、光照强度不足等现象。
在农作物的生长过程中，气候是影响植物生长的关键性条件，主要包括温度、湿度、光照度这三方面的内容[3]。
环境温度过低时，农作物代谢缓慢，会抑制农作物的生长；温度过高时，旺盛的代谢又会消耗额外的有机物，同样不利于农作物的茁壮生长。
土壤湿度过大，过多的水分影响农作物根系的呼吸，造成烂根；土壤湿度过小，又会破坏农作物的水分平衡，导致农作物生长不良最终减产。
当光照强度在一定范围内时，农作物的光合作用会随光照强度的增强而增强，但当光照达到一定强度时，光合作用的强度将不再增加。
自动灌溉系统相较传统的定时系统控制方式和手动系统控制方式，能够对农作物根部周围的土壤湿度进行实时检测，从而取得农作物根部周围土壤湿度的相关信息数据，并将此数据作为农作物灌溉的主要依据，使灌溉水资源能够得到充分合理的利用，达到水资源利用最大化、合理化、精确化[4]。
智能盆栽控制系统可以实现对农作物的生长环境参数的检测管理，是保证盆栽作物高质量、髙产量的最优措施方法。
1.2研究现状与发展趋势
随着现代工业技术的成熟以及计算机信息技术等高科技在灌溉管理领域的不断应用，促使高效微灌技术成为精确灌溉技术的主体。
目前，世界上最先进的微灌智能化技术都是基于微灌技术，并根据技术集成化和机械化的程度，增加对土壤、病虫害、幼苗长势、农作物生长环境等参数的监测，然后通过高效灌溉设施和和技术实现按需提供精确灌溉[5]。
发达国家已经开始利用计算机、遥测、全球卫星定位系统等技术对灌溉情况和田间小气候进行实时监测和预报，实现了自动化动态管理灌溉用水。
灌溉管理自动化可以有效地利用水和能源，不仅可以减少灌溉时所需地劳动力，而且更重要的是它可以准确地定期、定量、高效地灌溉农作物，从而提高农作物的质量和产量，还可以节约用水和能源。
灌溉管理地自动化程度和效率越高，对操作人员的要求就越低，操作越容易。
与人工灌溉管理相比，自动化灌溉管理可以节水节能10％至30％，提高农作物产量约10％，节省阀门操作和检查时间1至2天。
1.2.1国外发展现状
西方发达国家在现代温室盆栽自动灌溉技术方面起步较早。
1949年，美国创建了第一个人工植物气候室，并对植物在自然环境中的适宜性和可持续性进行了研究。
20世纪60年代，先进温室开始应用于农业生产；20世纪70年代以后，以色列、日本和美国的温室生产发展迅速。
这些发达国家为了争夺高科技制高点和世界农产品市场份额，都增加了对设施农业的技术投资。
如今，微电子技术在农业设施中的研究和应用已相当普遍，实现了对温室环境的计算机网络化管理，控制水平超过了人为因素的限制。
以色列温室全部采用滴灌灌溉为主，温室水分利用率最高达95％。
在以色列，已经有农民使用电脑来控制温室的灌溉过程。
在日本，塑料大棚和其他人工种植设施得到广泛使用。
植物工厂用钠蒸气灯代替阳光并通过计算机控制湿度、温度和肥料，使其达到最适宜的植物生长要求。
另外，美国、澳大利亚、法国等国家已经形成了一套成熟，系列化的灌溉控制系统。
如美国EPS-MC控制器，最多可同时控制120个电磁阀，一天内可以多次开启，适用于需要频繁灌溉的场所，如温室、盆栽农场等[6]。
1.2.2国内发展现状
我国开始研究微灌技术的时间并不晚。
微灌技术在我国的试验研究始于1974年引进墨西哥的灌溉设备[7]。
我国的微灌技术和设备是在国外先进技术的基础上，结合我国基本情况和特点发展起来的。
在三十多年的发展过程中，我国的微灌技术不断取得突破，已经迅速成熟起来。
一般把我国微灌技术和设备的发展历程分为以下几个阶段：
1974年到1980年，引进国外设备并研究其技术，设备开发和应用测试以及试验阶段；1981到1986年，改进微灌设备产品，实施实验研究和试点推广阶段；1987年至今，直接从外部引进先进技术，在高起点上开发微灌设备产品阶段[8]。
现今我国许多灌溉设备制造商直接从国外引进先进制造技术，在高起点上开发研制微灌设备产品，显著提高了微灌设备的质量和配套水平。
在水利部等有关部门的指导下，我国制定了微灌产品和微灌项目行业标准，使微灌项目建设和运行管理逐步走向规范化，促进了我国微灌技术的持续健康发展，使我国的微灌技术接近成熟。
但总体上，国内自主研发的自动灌溉系统自动化程度不高，一些影响农作物灌溉的其他因素未能进行整合分析，并且相关设备也比较落后，与国外的先进水平还有一定的差距[9]。
1.3发展趋势
（1）智能判断生长阶段
大多数农作物在不同的生长阶段对环境的要求都不一样。
例如，农作物在幼苗期，温度不能太高，以免植株徒长。
而在农作物进入营养生长期后，则需要有较高的温度，以促进生长和发育。
因此，盆栽自动管理系统最好能够判断出农作物的生长阶段，并以此给予农作物最好的生长环境。
（2）智能化
随着传感器技术、计算机技术和自动控制技术的不断发展，环境控制系统在盆栽种植中的应用将逐渐从处理和监控数据转为处理和运用知识。
因此，基于专家系统的智能管理系统将得到长足的发展，其应用前景非常广阔。
（3）物联网
物联网概念指的是无处不在的终端设备，包括如传感器、家庭智能设备等内部智能设施，以及例如带有无线终端的个人或汽车的外部物品。
这两者通过各种网络相互联系在一起[10]。
将物联网引入温室环境控制管理系统，通过一些物联网相关的软件与设备，使用户无论在哪里，都可以利用网络终端随时随地地控制和管理温室环境[11]。
（4）智能施肥
如今，大部分盆栽自动管理系统的功能都集中在控制环境变量（如土壤湿度、环境温度、光照强度等）上，对于在农作物生长过程中起到巨大作用的土壤肥力的控制上仍有所不足。
如果能根据土壤养分情况来智能施加不同种类的肥料将大大减少农民的工作量并有利于农作物的健康成长。
1.4研究目标
（1）根据实际的情况，创建智能盆栽控制系统，系统可以检测盆栽周围环境变量并实现环境变量的智能自动控制。
（2）选择系统各部分的硬件组件以确定最佳的设备协作方案，并使用该方案创建一个功能完善的智能盆栽控制系统。
（3）用C语言对智能盆栽控制系统进行编程。
智能盆栽控制系统可以将检测到的环境变量（土壤湿度、温度、光照强度）与设定阈值进行比较，并根据比较的结果确定灌溉、降温和补光功能是否应该自动执行。
智能盆栽控制系统还可以将检测到的数据实时显示出来。
（4）使用Proteus软件对智能盆栽控制系统进行模拟试验，验证控制系统的环境变量检测性能以及自动启停灌溉、降温、补光操作等相关功能，以达到设计的要求。
（5）按照设计方案制作出实物并调试至各功能正常。
第二章系统总体设计
2.1系统总体设计方案
整个控制系统由单片机最小系统、电源电路、人机对话接口电路、数据采集电路、输出驱动电路和声光报警电路组成,结构框图如图2-1所示。
图2-1系统总体设计方案
智能盆栽控制系统的微处理器选用8位STC89C52单片机；人机对话接口电路主要由键盘电路和显示电路组成，其中键盘使用独立式按键来执行各种操作功能，显示器采用LCD1602液晶显示器；数据采集电路由YL-69土壤湿度传感、光敏电阻、DS18B20数字温度传感器和A/D转换芯片ADC0832组成；输出驱动电路采用三极管和电阻来控制水泵、风扇、补光灯等设备。
2.2系统功能
（1）盆栽自动控制系统可以实现自动灌溉、降温、补光三个功能，并可以手动控制三个功能的开关状态。
（2）可以设置土壤湿度、环境温度和光照强度的上下限报警范围。
（3）当土壤湿度低于下限值时，打开水泵进行自动灌溉同时声光报警；当土壤湿度高于上限值时，自动关闭水泵停止灌溉。
（4）当温度高于上限值时，打开风扇进行通风降温同时声光报警；当温度低于下限值时，自动关闭风扇停止降温。
（5）当光照强度低于下限值时，打开补光灯进行补光同时声光报警；当光线高于上限值时，自动关闭补光灯停止补光。
（6）LCD1602液晶显示土壤湿度、环境温度和光照强度。
（7）键盘按键从左到右分别是减键、加键、选择键和设置键。
（8）报警电路报警时，可以按加键关闭蜂鸣器，不会影响输出驱动电路的工作。
2.3元器件选择
（1）单片机选择
1 方案一：
采用STC89C52单片机作为主控制器。
STC89S52单片机是一款8位高性能CMOS微控制器，可在系统中存储8K可编程程序。
该单片机具有低功耗，多接口和低成本等优点。
2 方案二：
采用STM32单片机作为主控制器。
STM32单片机是一款拥有内核的系列微控制器。
ARMCortex-M内核是专为先进嵌入式应用而设计，具有高性能、低功耗等特点。
STM32芯片还集成了32-512KBFlash存储器和6-64KBSRAM存储器，甚至拥有112个高速I/O端口、11个定时器和13个通信接口。
3 方案三：
采用MSP430单片机作为主控制器。
MSP430单片机是一款16位的具有精简的指令集的混合微控制器，具有可靠性高、性价比高、操作简单等优点。
虽然STM32和MSP430相较于STC89C52的功能都更加强大，但是这两种单片机的成本都较高，且本系统功能简单，STC89C52单片机就可以完美满足要求，因此选择STC89C52单片机作为本系统的主控制器。
（2）A/D转换芯片的选择
1 方案一 ：
采用ADC0832芯片。
ADC0832是美国国家半导体公司制造的8位双通道A/D转换芯片。
它的优点是体积小，兼容性强，性价比高，目前已有很高的使用率。
2 方案二：
采用PCF8591芯片。
PCF8591是一款8位CMOS数据采集器件，具有单片集成性高、可单独供电、功耗小等优点。
PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行I²C总线接口。
这两种A/D转换芯片功能基本相同，PCF8591相较于ADC0832更精确，但本系统对数据精确性要求不高，故根据性价比，选择方案一。
（3）显示方案的选择
1 方案一：
采用LED数码管。
LED数码管价格低廉，适用于显示数字。
采用动态扫描法与单片机连接时，占用的较少的单片机口线，电路简单，性价比较高。
2 方案二：
采用LCD1602液晶显示屏。
LCD1602液晶屏内置192种字符，可以用来显示大量数据和文字，且显示的图案清晰美观。
因为本系统要同时显示文字和数字，且显示内容较多，而LED数码管只能显示较少的数字和字母。
所以本系统采用LCD1602作为显示器件。
第三章系统硬件电路设计
3.1微处理器STC89C52最小系统电路
3.1.1STC89C52简介
STC89C52单片机是由STC公司生产的高性能8位CMOS微控制器，带有可编程8K字节FLash存储器。
在一个芯片上，通过智能的8位CPU和可编程Flash。
STC89C52单片机为许多嵌入式控制应用系统提供了高度灵活和高效的解决方案。
（1）主要功能特性
1 与MCS-51兼容。
2 8K字节可编程Flash存储空间。
3 512字节数据存储空间。
4 4K字节EEPROM存储空间。
5 拥有32可编程I/O线。
6 可直接使用串口下载程序。
（2）引脚功能
STC89C52引脚分布如图3-1所示。
图3-1STC89C52引脚图
各引脚功能如表3-1所示。
表3-1STC89C52引脚
引脚名称
引脚编号
引脚功能
VCC
Pin40
电源输入
VSS
Pin20
接地线
XTAL1
Pin19
片内振荡电路输入端
XTAL2
Pin18
片内振荡电路输出端
RST
Pin9
复位引脚
ALE/PROG
Pin30
地址锁存允许信号
PSEN
Pin29
外部存储器读选通信号
EA
Pin31
程序存储器的内外部选通
P0.0～P0.7
Pin39～Pin32
8位双向I/O口线
P1.0～P1.7
Pin1～Pin8
8位准双向I/O口线
P2.0～P2.7
Pin21～Pin28
8位准双向I/O口线
P3.0～P3.7
Pin10～Pin17
8位准双向I/O口线
3.1.2时钟电路设计
时钟电路用于产生STC89C52单片机工作所需时钟控制信号。
STC89C52单片机上各种功能组件的运行都基于时钟控制信号，并严格按照时间顺序一步一步地进行。
STC89C52单片机采用内部时钟电路的方式提供时钟控制信号。
在这种方式中，单片机内部的高增益反相放大器形成一个自激振荡器。
该自激振荡器由内部时钟电路中的XTAL1和XTAL2作为反馈组件，连接到外部晶体振荡器和电容器，构成并联协振回路，在内部时钟电路中提供一个振荡时钟[12]。
时钟电路如图3-2所示。
图3-2时钟电路
3.1.3复位电路设计
复位功能是将单片机置于一种确定初始状态。
时钟电路工作后，在STC89C52单片机的RST引脚加上两个持续的机器周期高电平可以完成复位操作（一般复位高电平时间大于10ms）[13]。
STC89C52单片机采用手动复位方式，即可以上电复位，也可以外部手动复位。
当按键K1按下时，对单片机实现手动复位。
复位电路如图3-3所示。
图3-3复位电路
3.2A/D转换芯片ADC0832接口电路
3.2.1ADC0832简介
ADC0832是美国国家半导体公司制造的8位双通道A/D转换芯片。
它的优点是体积小，兼容性强，性价比高，目前已有很高的使用率。
（1）主要功能特性
1 具有8位分辨率。
2 可以双通道同时进行A/D转换。
3 输入输出电平兼容TTL/COMS电平。
4 +5V电源供电时，输入电压在0～+5V范围内。
5 标准工作频率250KHZ，转换时间32
。
6 具有多种封装，如：
8P、PICC等。
7 工作温度范围宽，商用级芯片可在0℃～70℃温度范围内工作。
（2）引脚功能
ADC0832引脚分布如图3-4所示。
图3-4ADC0832引脚图
各引脚功能如表3-2所示：
表3-2ADC0832引脚功能
引脚名称
引脚编号
引脚功能
CS
Pin1
片选使能，低电平芯片使能
CH0
Pin2
模拟输入通道0，或作为IN+/-使用
CH1
Pin3
模拟输入通道1，或作为IN+/-使用
GND
Pin4
接地线
DI
Pin5
数据信号输入，选择通道控制
DO
Pin6
数据信号输出，转换数据输出
CLK
Pin7
芯片时钟输入
VCC
Pin8
电源输入
3.2.2ADC0832接口电路
A/D转换芯片ADC0832接口电路如图3-5所示。
其中ADC0832的片选信号由单片机P1.3引脚提供,ADC0832的时钟信号由单片机P1.4引脚提供,A/D转换数据由单片机P1.5引脚读取。
CH0接收土壤湿度传感器提供的模拟数据，CH1接收光敏电阻提供的模拟数据。
图3-5ADC0832接口电路
3.3LCD1602显示接口电路
3.3.1LCD1602简介
LCD1602是一款点阵式LCD模块，用于显示数字、字母、符号等。
液晶屏幕由5×7或5×11位点阵字符组成。
每位字符点阵都可以显示一个完整的字符，各个字符间都有一个间隔，各
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