温室大棚自动灌溉控制器设计设计Word.docx

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温室大棚自动灌溉控制器设计设计Word

温室大棚自动灌溉控制器设计

钟晓

（陕理工物理与电信工程学院电子信息工程电子1103班，陕西汉中723000）

指导教师：

秦伟

[摘要]：

本设计是以单片机STC89C52为控制核心，利用土壤湿度检测器对温室大棚内的土壤湿度进行检测，实现温室大棚自动控制灌溉。

本系统由单片机系统模块、土壤湿度检测模块、温度检测模块、显示模块、报警模块、控制电路模块六个部分组成。

通过温度传感器DS18B20和土壤湿度传感器采集得到土壤表层的温度和湿度的数据，并且通过单片机控制处理数据，根据测到的土壤湿度的数据，控制继电器开启进行喷灌。

此设计能根据不同种植区域农作物对环境温度和土壤湿度的要求实现自动灌溉的目的，并且具有对环境温度和土壤湿度进行检测、设置门限值以及越界报警等功能。

[关键词]：

单片机；土壤湿度传感器；DS18B20；湿度检测

Designofautomaticirrigationcontrollerforgreenhouse

ZhongXiao

（Grade03,Class11,ElectronicInformationEngineering,Collegeofphysicalandtelecommunicationengineering,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723000,Shaanxi）

Totor:

QinWei

[Abstract]ThedesignisbasedonSTC89C52microcontrollerascontrolcore,usingthesoilhumiditydetectorofsoilhumidityinthegreenhouseweredetected,realizethegreenhouseautomaticirrigationcontrolThissystemconsistsofmicrocontrollersystemmodule,soilhumiditydetectionmodule,temperaturedetectionmodule,displaymodule,alarmmodule,controlcircuitmoduleiscomposedofsixpartsThesoilsurfacetemperatureandhumiditydataobtainedbytemperaturesensorDS18B20andsoilmoisturesensor,andcontrolledbyMCUprocessingdata,accordingtothemeasureddataofsoilmoisture,irrigationcontrolrelayopen.Thisdesignaccordingtothedifferentplantingareaofcropsontheenvironmenttemperatureandsoilhumidityrequirementsforautomaticirrigationpurposes,andhasontheenvironmenttemperatureandsoilmoistureweredetected,andthethresholdvalueofcross-borderalarmfunction.

[Keywords]Singlechipmicrocomputer；Soilmoisturesensor；DS18B20；Humiditydetection

引言

自改革开放以来，我国的经济增长的非常迅速，这使得农业的研究和应用技术越来越受到重视，尤其是温室大棚已然成为高效农业的一个重要组成部分。

在现代化农业中的最重要的一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行监测和控制。

比如说：

空气中二氧化碳的浓度、温度、和湿度、土壤的含水量等。

在现代化农业生产中，其中以温室大棚为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用。

温室大棚内的环境直接关系到农作物的生长，比如：

大棚内的温度、湿度与二氧化碳浓度等参数。

国外的温室大棚设施几乎发展到比较完备的程度，而且形成了一定的标准，但是它的价格非常昂贵，与我国气候特点相适应的测试软件比较缺乏。

现如今大部分的温室大棚的温度、湿度二氧化碳含量的监测与控制都采用人工管理，这样的测试难免会有精度不准确、劳动强度大及测控不及时等弊端，这样就容易造成不可弥补的损失，结果不仅大大的增加了成本，浪费劳动力资源，而且还很难达到预期的结果。

为了促进我国农业的发展，实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性，必须广泛发展农业设施与相应的农业工程，科学有效的调节温室大棚内的二氧化碳浓度、温度、湿度，使得大棚内的环境条件有利于农作物的生长。

现如今，随着温室大棚的广泛应用，人们对其性能的要求也越来越严格，尤其是为了提高农作物的产量，对温室大棚的自动化程度要求也越来越高。

温室大棚对植物栽培有着非常重要的意义，是植物栽培生产中不可缺少的设施之一，温湿度是衡量温室大棚的重要指标，它直接影响农作物的生长和产量，为了能给作物提供一个合适的生长环境，最主要的问题就是提高大棚内的温湿度的监测。

因此，在国家提出的倡导“科技农业”“精准农业”的大背景下和新疆蔬菜温室大棚的智能化建设的迫切需求下，为了普遍提高人民的生活水平，解决我国农民普遍收入低的问题，缩小城市与乡村的差距，推动全面小康社会，急切需要价格合理，自动化程度高的农业设备。

而单片机及各种电子器件的性价比较高，使得成低成本高性能这种要求得以实现。

本设计是针对这一问题，设计能够对土壤进行检测、显示、报警和控制等多功能自动灌溉控制系统。

其系统具有性能好，操作容易等优点。

系统在其他领域也具有一定的推广价值[1]。

1设计内容及方案

1.1设计内容

本次设计温室大棚自动灌溉控制器，选择合适的土壤湿度传感器,使系统能持续,长期，自动检测土壤湿度变化信息，并根据作物对土壤湿度的需求生长模型得到灌溉的决策，控制灌溉系统，达到适时适量，精准灌溉的目的。

设计要求：

1）熟悉和掌握土壤湿度传感器的原理,能实现土壤湿度和空气温度的检测、显示。

2）土壤湿度和空气温度可通过上位机PC实时显示。

3）选取一种农作物根据其生长模型得到灌溉的决策，湿度低于设定值时，启动继电器吸合，高于设定值时，继电器断开,达到控制灌溉系统的目的。

1.2方案比较

1.2.1方案一

采用单片机进行控制。

图1.1用单片机作为主控制器的控制系统

本方案单片机STC89C52作为核心器件，土壤湿度传感器采集数据通过模数转换器将数据传给单片机，通过LCD显示电路来显示土壤的温湿度进而通过设置的参数来判断土壤是否需要灌溉，如果土壤比较干燥，需要灌溉则报警电路启动，继电器控制灌溉设备来达到灌溉的目的。

在此方案中单片机采用STC公司生产的单片机STC89C52芯片作为核心器件，土壤湿度检测器采用的是电阻式土壤湿度检测器，土壤湿度不同其电阻值也不同，通过检测土壤不同湿度下的电阻值来显示土壤的湿度。

温度传感器采用数字式温度传感器DS18B20。

模数转换是通过ADS1286来转换的。

报警电路选择蜂鸣器报警。

显示电路选择LCD5110液晶显示屏。

1.2.2方案二

采用PLC作为主控制器。

图1.2用PLC作为主控制器的控制系统

采用PLC的优点是PLC使用梯形图进行编程，它的编程语言形象直观，而且难度低，所以开发所用的时间段，方便扩展。

此外PLC的抗干扰能力强，工作稳定可靠。

在此方案中，温湿度传感器采集数据，将数据传给PLC，由液晶显示屏显示数据，湿度低于设定值时，启动继电器吸合，高于设定值时，报警电路启动继电器断开,达到控制灌溉的目的。

1.3方案论证

从两种控制器的功能来说均能满足要求。

PLC大多时候都被用在工业领域，其抗干扰能力强，编程简单。

但是本系统是应用于温室大棚，没有工业领域那么多的干扰源。

单片机用C语言编程，和PLC的梯形图要复杂的多，但是单片机的编程更为灵活，能够实现复杂的功能。

就价格方面而言，单片机就比PLC有很大的优势。

一个一般的PLC也得好几百甚至上千元，而单片机只要几块钱。

此外，中国是农业大国，随着温室大棚的越来越普及，农村对温湿度控制系统的需求也会越来越多，虽然单片机的开发周期比较长，但是只要其开发好，后期的生产投入的成本就会很低；而基于PLC的控制系统由于其高昂的价格，所以不利于温室大棚的应用。

1.4方案的选择

就性能来说单片机和PLC系统都可以作为主控制器进行设计，但是就价格方面来说单片机具有很大的优势，综上所述，选择方案一，设计采用单片机作为主控制器。

2元器件的选择

2.1单片机的选择

采用STC公司生产的单片机STC89C52芯片作为核心器件，STC89C52芯片沿用了经典的MCS-51内核，并在其基础上做了很多改进：

指令代码完全兼容传统8051单片机；12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择；具有8KB可编程Flash存储器和512BRAM；无需专用编程器或专用仿真器，可直接使用串口下载。

相较于传统的51单片机，89C52综合性能更高。

本系统需要较高的处理速度和较强的抗干扰性能，STC89C52作为一款高性能的CMOS8位微控制器可以满足这一要求[2]。

2.2温度传感器的选择

采用数字式温度传感器DS18B20。

该传感器是数字式传感器而且只需要一条数据线就可以进行数据传输，和单片机连接比较容易，因为其输出为数字量，所以不需要进行A/D转换，这就减少了硬件的成本，简化了系统电路。

此外，数字式温度传感器还具有测量精度高、测量范围广等优点[3]。

2.3湿度传感器的选择

采用的土壤湿度检测器是电阻式土壤湿度检测器，通过土壤溶液的导电性和土壤水分含量的关系测定土壤湿度。

通过检测土壤的电阻值，通过测试土壤的电阻值来观察电压的示数。

土壤越干燥，土壤的电阻值越大，电压示数越小。

反之亦然。

2.4显示模块的选择

采用LCD5110液晶显示器，该液晶屏可以显示4行汉子，采用串行接口与主处理器通信，接口信号线的数量少，支持多种串行通信协议，可以全速写入数据，不需要等待时间。

此外LCD5110可以通过导电连接模块与印制板，不用连接电缆，用模块上的金属钩就可以将模块固定到印制板上，便于安装和更换。

而且LCD5110模块体积小，采用低电压供电，正常显示时的工作电流一般在200uA以下，在断电的情况下也可以工作[4]。

2.5报警器的选择

报警电路的设计：

为了安全起见，设备系统都设有报警系统，用于及时提醒操作人员注意，或者是采取紧急措施。

把系统采集到的数据通过计算机，当测量的温度或湿度超过设定值的上下限，警报就会想起。

3系统的硬件电路设计

3.1硬件系统的简述

系统采用单片机对大棚的温度、湿度进行监测，不但有控制方便、简单和灵活性大等特点，还可以提高被控制温度、湿度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。

此次设计利用单片机的这些特性对大盘的湿度和温度进行监测，如果采集到的数据超过设定值，则通过喷灌技术进行控制，将室内温度和湿度保持在一个有利于植物生长的的范围内[5]。

3.2单片机模块的设计

3.2.1单片机的功能特性的描述

STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

与工业80C51产品的指令和引脚完全兼容。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

STC89C52具有以下标准功能：

8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。

另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

最高运作频率35MHz，6T/12T可选[6]。

STC89C52的引脚结构图如图3.1所示。

图3.1STC89C52引脚图

VCC：

电源电压

GND：

地

P0口：

P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口，即地址/数据总线复用口，名称为P0.0-P0.7。

P1口：

P1口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，名称为P1.0-P1.7。

P2口：

P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，名称为P2.0-P2.7。

P3口：

P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，名称为P3.0-P3.7。

RST：

复位输出。

当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位，复位后程序计数器PC=0000H。

XTAL1：

振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。

XTAL2：

振荡器反相放大器的输出端。

3.2.2单片机最小系统

单片机的最小系统应包含单片机、电源电路、时钟电路和复位电路等，包含的引脚有VCC，GND，XTAL1，XTAL2，RST，

/VPP[7]。

图3.2为单片机最小系统。

图3.2单片机最小系统

STC89C52使用12MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在15pF至50pF之间，该电路选择22pF的电容。

时钟电路的主要任务是给单片机STC89C52的正常工作提供一个稳定的时钟信号，单片机在这个时钟信号的节奏下逐个地执行指令。

单片机的时钟信号的产生方式有两种，一种是外部时钟方式，另一种是内部时钟方式。

外部时钟方式是把已有的时钟信号从XTAL1或XTAL2送入单片机，该方式一般用于有多个单片机的情况，所以本设计中时钟电路采用的是内部时钟方式，选用12M的晶振和两个22pF的电容与片内的高增益反相放大器构成一个自激振荡器。

STC89系列单片机为高电平复位，通常在复位引脚RST上连接一个电容到VCC，再连接一个电阻到GND，由此形成一个RC充放电回路，这样可以保证单片机在上电时RST脚上有足够时间的高电平进行复位，随后回归到低电平进入正常工作状态。

单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用过程中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。

单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。

为了保证单片机系统中的电路能稳定可靠工作，复位能可靠工作，复位电路是不可或缺的一部分，复位电路包括手动复位和上电复位。

单片机在开始工作时都需要复位，这样就可以使整个系统处于确定的初始状态，从初始状态开始工作。

89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。

当系统工作状态正常，振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并且保持2个机器周期（24个振荡周期）以上，则CPU就可以响应并将系统复位。

3.3 温湿度采集系统的设计

3.3.1温度的测量电路

图3.3为DS18B20引脚图。

图3.3DS18B20引脚图

DS18B20数字温度传感器支持“一线总线”接口，测量温度的范围为－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃；适应电压范围宽，电压范围为3.0～5.5V，采用外部电源供电的方式。

该温度传感器有三个引脚，VCC为外接供电电源输入端，GND为电源地，DA为数字信号输入/输出端[8]。

图3.4温度测量电路

该温度传感器三个引脚，VCC接工作电源；GND接地；DA接单片机P2.2口。

在该电路中，VCC引脚与DQ引脚之间接一个上拉电阻，阻值约为4.7K，使电路不工作时处于高电平。

DS18B20所采集的温度数据经过ADS1286模数转换器转化为相应的数字信号，然后将数字信号传送给单片机，通过单片机作相应的数据处理得到温度值。

3.3.2土壤湿度检测器的介绍

土壤湿度检测器原理图如图3.5所示

图3.5土壤湿度检测器原理图

土壤湿度检测器是为了检测土壤的含水量，做土壤墒情监测和农业灌溉。

本设计中土壤湿度检测器是电阻式土壤湿度检测器，土壤的电阻值与其湿度有关，通过土壤溶液的导电性和土壤水分含量的关系测定土壤湿度。

通过测试土壤的电阻值来观察电压的示数。

土壤越干燥，土壤的电阻值越大，电压示数越小。

反之亦然。

湿度的采集可以用湿度传感器来实现。

将湿度传感器看作可调变阻器，当湿度传感器采集到湿度时，电阻值发生变化，湿度最小时的电阻值为 10K，湿度最大时为 0.1Ω。

 变化的幅度是根据湿度传感器采集到的湿度大小而定。

随着电阻值的变化，电路的输出电压也跟着变化。

调节电阻值的大小，可得到想要的电压，满足电路的需求。

此次设计采用的是土壤湿度传感器YL-69。

土壤湿度传感器特性：

（1）土壤湿度传感器YL-69，表面采用镀镍处理，有加宽的感应面积，可以提高导电性能 ，防止接触土壤容易生锈的问题，延长使用寿命； 

（2）可以宽范围控制土壤的湿度，通过电位器调节控制相应阀值，湿度低于设定值时，DO输出高电平；高于设定值时，DO输出低电平； 

（3）采用三线制，界限简单，只需把VCC外接3.3V-5V电压，GND外接数字地，DO“小板数字量输出接口（0和1）”接到单片机即可； 

（4）比较器采用LM393芯片，工作稳定；   

（5）设有固定螺栓孔，方便安装。

值得说明的是：

此传感器适用于土壤的湿度检测；模块中蓝色的电位器是用于土壤湿度的阀值调节，顺时针调节，控制的湿度会越大，逆时针越小；数字量输出D0可以与单片机直接相连，通过单片机来检测高低电平，由此来检测土壤湿度[9]。

将土壤湿度检测器探头埋在作物根部的土壤里检测土壤湿度，该土壤湿度检测器检测到的数据经A/D转换器将转换过的数据传至主控制器，由主控制器决定控制状态，如果湿度过低，则通过继电器控制接在水源的电磁阀进行灌溉，湿度过高则停止灌溉。

3.3.3ADS1286模数转换器

ADS1286引脚图如图3.6所示

图3.6ADS1286引脚

图3.7A/D转换电路图

ADS1286是一个12位低功耗A/D转换芯片，其供电电流为250uA，采样率为20KHz,支持两线或三线接口通信，并且与SPI或SSI均兼容。

该芯片有8个引脚，VREF为参考电压输入端；+In为同相输入端；-In为反相输入端；GND为接地端；

/SHDN为片选端/低功耗模式选择，当该引脚出现低电平时，芯片片选有效，当该引脚为高电平时为低功耗模式；DOUT为串行数据输出端；DCLOCK为时钟输入端；+VCC为电源正端。

3.4显示模块的设计

考虑到本设计的特点（工作时的温湿度、显示行列数、光线等），本次设计中采用的是LCD5110显示器。

5110显示器具有显示清晰、视觉范围广、价格低等优点。

LCD5110（LPH7366）是诺基亚公司生产的一款性价比高、接口简单、运行速度快、工作电压低的液晶显示模块，具有掉电模式，不仅应用于移动电话，而且还广泛应用于各类便携式移动设备的显示系统[10]。

与其他类型的产品相比，该模块具有以下特点：

84x48的点阵LCD，可以显示4行汉字；采用串行接口与主处理器进行通信，接口信号线数量大幅度减少，包括电源和地在内的信号线仅有9条；支持多种串行通信协议（如AVR单片机的SPI、MCS51的串口模式O等），传输速率高达4Mbps，可全速写入显示数据，无等待时间；可通过导电胶连接模块与印制版，而不用连接电缆，用模块上的金属钩可将模块固定到印制板上，因而非常便于安装和更换；LCD控制器／驱动器芯片已绑定到LCD晶片上，模块的体积很小。

其液晶显示模块图3.8所示：

图3.8LCD5110液晶显示模块

3.5报警电路的设计

当温室大棚内的温湿度超过上下限时，就需要通过报警来提醒工作人员进行温湿度调节，而报警用到的就是蜂鸣器。

蜂鸣器分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种。

压电式蜂鸣器用直流电压就可以驱动它鸣叫，那是因为它内部集成了振荡源。

而电磁式蜂鸣器内部没有振荡源，所以一般使用2K-5K方波来驱动。

在本次设计中使用的是有电磁式蜂鸣器，电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。

通电后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场，振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性地振动发声。

在它两端加载5V的直流电压就可以驱动它鸣叫。

报警电路设计如图3.9所示：

图3.9报警电路的设计

蜂鸣器的工作电流一般是30mA，而单片机的I/O口只能承受几毫安的电流，因此需要加三级管进行驱动。

在单片机的I/O口中的P1.2接PNP型三极管的基极，当P1.2为低电平时，三极管导通，5V的电压加载到蜂鸣器两端，蜂鸣器鸣叫；当P1.2高电平时，三极管截止，蜂鸣器不鸣叫。

3.6控制电路的设计

继电器是电子控制器件，通常应用于自动控制电路中。

它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。

故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

电磁式继电器具有结构简单、工作可靠、坚固耐用、价格便宜等优点。

本电路采用常开继电器组成控制电路。

继电器控制灌溉设备，当湿度值低于设定的下限值时，和单片机相连的引脚将送入低电平，三极管导通，继电器通电吸合，启动灌溉设备，湿度上升，当上升到设定范围内时，置其引脚为高电平，三极管将截止，继电器停止工作，处于常开状态，灌溉设备停止工作[11]。

在此次设计中灌溉设备用LED灯来代替，如图3.10。

P1.3

图3.10控制电路的设计

3.7整体电路的设计

整体电路设计如图3.11所示，本系统由单片机系统模块、土壤湿度检测模块、温度检测模块、显示模块、报警模块、控制电路模块六个部分组成。

通过温度传感器DS18B20和土壤湿度传感器采集得到土壤表层的温度和湿度的数据，并且通过单片机控制处理数据，根据测到的土壤湿度的数据，控制继电器开启进行喷灌。

图3.11整体电路图设计

4软件系统设计

4.1软件设计的整体思想

对于本系统而言，要完成各个模块的功能。

首先必须要保证有较完善的硬件。

与此同时还必须要有合理设计的软件的支持，特别是在当今单片机应用飞速发展的时代。

有很多用硬件完成的工作，都能通过软件编程来代替，有些工作得用很复杂的硬件电路才能完成，用软件编程时就会变得比较简单，比如数字滤波，信号处理等。

在进行系统软件设计时，必须要对设计的硬件有一个熟练的掌握，知道系统的各个模块的工作原理。

在进行软件设计时，首先得清楚各个部分的子程序及他们的流程图，然后进行C语言编程，最后对它们进行系统的编程。

此次设计时以STC89C52单片机为核心，采用C语言编程。

用模块化设计，由主程序、温湿度子程序、液晶显示子程序，以及有关的ADS1286的程序等模块组成。

该系统设计的工作流程为：

开始初始化后，输入要设定的温湿度的上下限值；传感器读取温湿度值后，线性拟合