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毕业设计（论文）说明书

题目：

智能喷灌系统的设计

系别：

机电工程系

专业：

机械设计制造及其自动化

学生姓名：

学号：

指导教师：

职称：

题目类型：

理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发

2011年5月27日

摘要

随着传感技术日新月异的发展，产品功能智能化逐渐成熟，自动化控制也就成了提高资源利用率的关键。

本设计采用单片机控制技术为核心，系统主要由温度传感模块，湿度传感模块，液晶显示模块，键盘模块组成；其中系统采用DS18B20数字型温度传感器采集并处理温度数据，并且利用DHT11数字型湿度传感器采集湿度数据，然后将输出的数字信号经过单片机进行处理，从而达到传感器采集数据的准确性以及快速性；利用单片机对各个模块的控制，实现了对环境温度、湿度参数的实时监测功能，从而控制水泵抽水完成喷灌动作，达到喷灌系统智能化控制的目的。

智能喷灌系统具有节能性、高效性和低成本的特点，在不同的喷灌场合具有很大的实用空间。

关键词：

单片机；湿度传感器；温度传感器；实时控制

Abstract

Withthesensortechnologychangeswitheachpassingday,theintelligenceofproductfeaturesbecomemoremature,andautomationisthekeytoimprovingresourceutilization.

Thisdesignusethemicrocontrollerasthecentralprocessor,thesystemincludingtemperatureandhumiditymeasurementmodule,LCDmodulekeyboardmoduleandsoon.ThissystemusesDS18B20digitaltemperaturesensortocollectandprocessthedata,andmakeuseoftheDHT11digitalhumiditysensortocollectthedataofhumidity,thentheoutputofthedigitalsignalforprocessingbymicrocontroller,inordertoachievetheaccuracyandrapiditybysensorscollectthedata.Throughcontroleachmoduleanddealwiththecollectionofdatabythemicrocontroller,inordertomeasurethetemperatureandhumidityinrealtime,Soastocontrolthepumpsandachievepumpingaction.Sothesystemcarryoutthesprayguninfusesinintelligentcontrol.

Theintelligentirrigationsystemhasenergy-saving,highefficiencyandlowcost.thesystemhasgreatpracticalspaceindifferentplace.

Keywords：

Microcontroller;Humiditysensor;Temperaturesensor;Therealtimecontrols

目录

引言…………………………………………………………………………1

1任务要求与总体设计方案……………………………………………1

1.1设计任务要求…………………………………………………………………………1

1.2总体设计方案…………………………………………………………………………1

1.2.1硬件设计方案………………………………………………………………………1

1.2.2软件设计方案………………………………………………………………………3

2系统硬件电路设计………………………………………………………3

2.1单片机主控制模块……………………………………………………………………3

2.1.1单片机方案选择…………………………………………………………………3

2.1.2AT89S51芯片功能…………………………………………………………………3

2.1.3单片机主控电路设计………………………………………………………………5

2.2数字温度模块设计分析……………………………………………………………6

2.2.1DS18B20内部结构及工作原理………………………………………………………6

2.2.2DS18B20硬件接口电路………………………………………………………………8

2.3湿度模块电路设计分析………………………………………………………………8

2.3.1DHT11传感器内部结构及工作原理…………………………………………………8

2.3.2DHT11硬件接口电路………………………………………………………………10

2.4时钟模块电路设计分析……………………………………………………………10

2.4.1DS1302芯片结构及工作原理………………………………………………………10

2.4.2DS1302电路设计……………………………………………………………………12

2.5液晶显示模块电路设计分析………………………………………………………13

2.6矩阵键盘电路设计及其功能介绍…………………………………………………14

2.7电源电路设计及其功能………………………………………………………………15

2.7.1电源稳压器的选择与特点…………………………………………………………15

2.7.2LM2576稳压器的硬件电路…………………………………………………………16

2.7.3LM2576应用的注意事项…………………………………………………………17

2.8水泵模块控制电路分析………………………………………………………………17

2.8.1水泵的选型与技术指标……………………………………………………………17

2.8.2继电器工作原理与特性……………………………………………………………17

2.8.3光电耦合器的原理特性…………………………………………………………18

2.8.4水泵驱动电路原理图………………………………………………………………18

3系统软件设计…………………………………………………………19

3.1主程序流程设计……………………………………………………………………19

3.2执行功能模块……………………………………………………………………19

3.2.1测温控制模块……………………………………………………………………19

3.2.2测湿度控制模块…………………………………………………………………21

3.2.3按键控制模块………………………………………………………………………22

3.2.4时钟芯片控制模块…………………………………………………………………23

4系统调试………………………………………………………………24

4.1硬件电路调试………………………………………………………………………24

4.2软件程序调试…………………………………………………………………………25

5结论……………………………………………………………………26

谢辞………………………………………………………………………27

参考文献…………………………………………………………………28

附录………………………………………………………………………29

引言

随着经济快速地发展，国家大力推进农业的改革，调整农业结构，从而在农业灌溉，园林喷灌自动化技术上要求也在不断提高。

同时，随着人工智能技术的发展，模糊控制，神经网络等控制技术为智能化控制开辟了宽广的前景。

目前，国内在灌溉控制器的研制方面还没有形成规模大、应用范围广的成套灌溉控制产品；因此，根据我国国情和各地经济情况，以及技术发展的实际情况，应采取简单可行的节水喷灌控制措施及相应的排灌机械和设备。

大力发展可靠性高、实用性强、成本低、操作简便的节水喷灌控制器，不仅具有广阔的市场，而且具有巨大的社会经济效益。

单片机是一种特殊的计算机，它是在一块半导体芯片上集成了CPU，存储器RAM，ROM以及输入输出接口电路，由于单片机的集成度高，功能强，通用性好，特别是它具有体积小，重量轻，能耗低、价格便宜、可靠性高、抗干扰能力强、使用方便等独特优点，促使单片机得到迅速的推广和运用。

目前单片机已成为测量控制应用系统中的优选机种和新电子产品的关键部件。

传感器技术在这十年中也得到了迅猛的发展，随着人们生活水平的提高，在日常生活中对环境温度、湿度的采集和监控越来越重视，不仅是在工业生产、农业生产还是在日常的生活中运用也越来越广泛。

智能化监测和控制温湿度的要求也越来越高，而传统的温湿度检测准确度不高，测量的电路设计复杂，调试不方便，而且传感器输出的信号需要经过模/数转换处理，导致数据在校准时不好控制。

本系统设计利用单片机为核心进行实时监测与控制环境温度、湿度，实现对园林智能喷灌等功能，从而达到喷灌系统设备的体积小，功耗低，功能强，成本低的目的。

1任务要求与总体设计方案

1.1设计任务要求

本设计利用AT89S51单片机进行系统控制，通过接收和处理系统中各个模块的数据，利用C语言编程完成整个系统不同模块的控制。

系统以一段历史记录数据为参考比较，并且根据当天的实时环境状态，来确定喷灌量。

在自动模式下，当环境在合适的温度下而湿度低于所设置的参数时，单片机控制继电器开/关，通过水泵抽水到喷头实现喷灌动作；在手动模式下，可以通过手动模式按键控制，完成喷灌任务。

1.2总体设计方案

1.2.1硬件设计方案

本系统为实现智能喷灌任务，通过控制器接收、处理数据，只要一旦满足喷灌的条件，控制器控制继电器的闭合而驱动水泵实现喷灌动作。

本设计是基于单片机AT89S51控制为核心，采用模块化设计方法，由温度传感模块电路，湿度传感模块电路，时钟模块电路，液晶显示模块电路，4X4矩阵模块电路和系统电源组成。

系统原理框图如图1-1所示。

图1-1系统原理框图

（1）温度传感模块电路方案设计

方案一：

传统的测温方式是采用热电偶或热电阻，一般用来测量中高温度，输出的是电压信号，需要经过模/数转换，外围硬件电路较复杂，软件调试难度高，造价成本高。

方案二：

DS18B20数字型温度传感器采用的是单总线接口方式，可以直接输出数字信号，外围硬件连接电路简单，体积小，适用电压更宽、更经济、可选更小的封装方式。

因此，在温度测量模块中选择方案二。

（2）湿度传感模块电路方案设计

方案一：

利用土壤的介电特性可以测量土壤的湿度值，同时，探针式电容传感器是介电常数传感器的一种，电容式水分传感器的精度高，量程宽，响应的速度较快；但是输出的信号需要经过AD转换处理，而且成本很高，不合适本系统设计的要求。

方案二：

DHT11集成温湿度测量的数字式传感器可以输出数字信号，DHT11单线制串行接口，使集成系统变得简易快捷，它具有超小的体积，极低的功耗，快速的响应，较强的抗干扰能力，适合本系统的设计要求。

在本系统只采用其中测湿度功能。

因此，在测湿度模块中选择方案二。

（3）时钟模块电路方案设计

本模块方案设计采用DS1302时钟芯片，DS1302时钟芯片与单片机连接，通过单片机控制使系统具有实时性，时钟芯片DS1302可以提供时钟信号（年，月，日，时，分，秒），通过I/O口的连接方式，单片机可以对DS1302写入数据和读取数据。

（4）液晶显示模块电路方案设计

方案一：

采用普通的数码管显示，功能单一，显示的信息量少，连接的电路复杂，耗电量大，不符合本系统设计要求。

方案二：

LCD1602液晶显示，只能显示字母和数字，显示分辨率只有16×16,显示的信息量有限，操作功能单一，不利于功能扩展。

方案三：

LCD12864液晶是带字库的具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，其显示分辨率为128×64。

LCD12864具有灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互的图形界面，界面操作友好、简洁、直观。

因此，液晶显示模块选择方案三。

（5）键盘模块电路方案设计

方案一：

独立式键盘结构简单，占用较多的I/O口资源，功能扩展有限。

方案二：

4×4矩阵键盘占用I/O资源少，扩展功能强大，接线简单，控制方便。

因此，键盘模块电路设计选择方案二。

（6）系统电源电路方案设计

本模块电源电路设计采用LM2576开关型降压稳压器，可驱动3A电流的负载，能够输出固定直流电压5V、12V。

电路简单，操作方便。

1.2.2软件设计方案

本系统软件设计采用的是C语言编程，运用KeiluVision2软件平台进行编程及编程查错，再通过编程器下载程序（系统总设计程序如附录4）。

对于硬件的模块设计方式，软件部分也采取分模块编程，再通过主程序调用子函数从而实现系统整个软件功能。

使用模块化结构形式是为了使程序的编写、调试及控制变得更方便，也为了便于推广到其他过程控制对象。

程序控制共有5部分子程序，分别为测温控制程序、测湿度控制程序、液晶显示程序、时钟控制程序和键盘控制程序。

主程序在初始化完成后，依次循环执行上述子程序，分别实现其相应功能。

2系统硬件电路设计

2.1单片机主控制模块

2.1.1单片机方案选择

方案一：

选择Microchip公司的PIC系列单片机

PIC单片机是一种简单指令型的单片机，指令数量比较少，如果使用汇编语言编写程序，在PIC中低档单片机中比较麻烦且需要翻页，而且性价比不高，价格昂贵。

方案二：

选择Atmel公司的AT89S52单片机

AT89S51是一个低功耗，高性能八位CMOS单片机，片内含4kBytesISP（In-systemprogrammable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，功能强大的微型计算机的AT89S51为许多控制提供了高度灵活和低成本的解决办法。

因此单片机芯片选择方案二。

2.1.2AT89S51芯片功能介绍

AT89S51是一种低功耗/低电压、高性能的八位CMOS单片机，片内有一个4KB的FLASH可编程可擦除只读存储器（FPEROM-FlashProgrammAbleandErasableReadOnlyMemory），它采用了CMOS工艺和ATMEL公司的高密度非易失性存储器技术，而且其输出引脚和指令系统都与MSC-51兼容。

片内置通用8位中央处理器（CPU）和FLASH存储单元，片内的存储器允许在系统内改编程序或用常规的非易失性存储器编程。

其引脚图如图2-1所示

图2-1AT89S51引脚图

AT89S51单片机主要引脚功能如下：

（1）P0口——8位、开漏极、双向I/O口。

①P0口可作为通用I/O口，但必须外接上拉电阻；作为输出口，每个引脚可吸收8个TTL的灌电流。

作为输入时，首先应将引脚置“1“。

P0口也可用作外部程序存储器和数据存储器是的低八位地址/数据总线的复用线。

在该模式下，P0口含有内部上拉电阻。

（2）P1口——8位、准双向I/O口、内部含有上拉电阻。

①P1可作为普通I/O口。

输出缓冲器可驱动4个TTL负载；用作输入时，先将引脚置1，有片内上拉电阻将其抬到高电平。

P1口的引脚可由外部负载拉到低电平，通过上拉电阻提供上拉电流。

在串行编程和校验时，P1.0/MOSI，P1.6/OSI和P1.7/SCK分别是串行数据输入、输出和移位脉冲引脚。

（3）P2口——准双向口，具有通用I/O接口或8位地址总线输出

①P2口用作输出口时，可驱动四个TTL负载；用作输入口时，先将引脚置1，由内部上拉电阻将其提高到高电平。

若负载为低电平，则通过内部上拉电阻向外输出电流。

当单片机系统外部扩展时，P2端口可用于输出高8位地址线，与P0端口传送的低8位地址一起组成16位地址总线，由于访问外部存储器的操作是不断的，此时P2端口不可能再作通用I/O接口使用。

（4）P3口——双重功能的8位准双向端口。

P3口是一个多功能的端口，除作为准双向I/O接口使用外，还可以将每一位用于第二功能，而且P3端口的每一条引脚均可独立定义为第一功能的输入/输出或第二功能。

P3端口能驱动4个TTL负载。

P3端口的第二功能如表2-1所示。

表2-1单片机引脚功能表

端口引脚

第二功能

P3.0

RXD（串行输入口）

P3.1

TXD（串行输出口）

P3.2

INT0（外中断0）低电平有效

P3.3

INT1（外中断1）低电平有效

P3.4

T0（定时/计数0）输入端

P3.5

T1（定时/计数1）输入端

P3.6

WR（外部数据存储器与选通）

P3.7

RD（外部数据存储器读选通）

（5）XTAL1和XTAL2——XTAL1是片内振荡器反相放大器和时钟发生器的输入端，XTAL2是片内振荡器反相放大器的输出端。

（6）RST——复位输入端，高电平有效。

当单片机振荡器工作时，RST端维持两个机器周期的高电平，便可实现复位操作，使单片机回复到初始状态。

上电时，该引脚上高电平持续10ms以上才能保证有效复位。

2.1.3单片机主控电路设计

单片机主控电路设计是以AT89S51为核心，外接数字温度传感器模块，数字湿度传感器模块，时钟模块，液晶显示模块、电源等硬件电路。

AT89S51工作在12MHZ的频率下，采用+5V的直流电源供电，根据单片机各个引脚功能，P1口接矩阵键盘，用于人机界面输入参数。

P0口连接12864液晶显示，P2.0～P2.2为时钟信号接口，P3.0为温度传感器数据接口，P3.4为湿度传感器数据接口。

如图2-2为单片机主控电路图。

图2-2单片机主控电路图

2.2数字温度模块设计分析

2.2.1DS18B20内部结构及工作原理

（1）DS18B20的引脚图功能及性能特点

DS18B20与微处理器连接时仅需要一根数据线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

可用数据线供电，电压范围：

+3.0V到+5.5V。

测温范围：

-55℃～+125℃。

固有测温分辨率为0.5℃。

通过编程可实现9～12位的数字读数方式。

用户可自设定非易失性的报警上下限值。

负压特性，电源极性接反时，温度计不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

（2）DS18B20引脚功能如图2-3所示：

引脚1为GND端：

该引脚接地。

引脚2为DQ端：

该引脚是数据的输入/输出端，

对于单线传输是漏极开路。

引脚3为VDD端：

该引脚接+5V，为电源输入端。

图2-3DS18B20引脚图

（3）数字温度传感器内部结构

DS18B20内部结构主要有四部分组成：

温度传感器，64位光刻ROM，非挥发的温度报警触发器TH和TL,高速暂存器。

如图2-4所示。

图2-4DS18B20内部结构图

（4）DS18B20工作原理

DS18B20其内部含有两个温度系数不同的温敏振荡器，其中低温度系数振荡器相当于标尺，高温度系数振荡器相当于测温元件，通过不断比较两个温敏振荡器的振荡周期得到两个温敏振荡器在测量温度下的振荡频率比值。

根据频率比值和温度的对应曲线得到相应的温度值。

这种方式避免了测温过程中的A/D转换，提高了温度测量的精度。

低温度系数晶振的振荡频率受温度的影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给减法计数器1，高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，是很敏感的振荡器，它所产生的信号作为减法计数器2的脉冲输入，为计数器2提供一个频率随温度变化的计数脉冲。

器件中还有一个计数门，当计数门打开时，DS18B20就对低温度系数振荡器产生的时钟脉冲进行计数，进而完成温度测量。

计数门的开启时间由高温度系数振荡器来决定，每次测量前，首先将-55℃所对应的基数分别置入减法计数器1和温度寄存器中，减法计数器1和温度寄存器被预置在-55℃所对应的一个基数值。

减法计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当减法计数器1的预置值减到0时温度寄存器的值将加1，减法计数器1的预置将重新被装入，减法计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到减法计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即为所测温度。

斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正减法计数器的预置值，只要计数门仍未关闭就重复上述过程，直至温度寄存器值达到被测温度值。

（5）DS18B20时序图

单片机芯片通过发命令字对DS18B20进行控制。

命令字分为二种：

ROM命令字和RAM命令字。

不同的命令字代表不同的操作。

在发送每一个ROM命令字和RAM命令字之前，都要先发送初始化时序。

DS18B20复位时序如图2-5所示

图2-5DS18B20的复位时序图

图2-6DS18B20的读时序图

DS18B20的读时序如图2-6所示

对于DS18B20的读时序分为读0时序和读1时序两个过程。

DS18B20的读时隙是从主机把单总线拉低之后，在15微秒之内就得释放单总线，好让DS18B20把数据传输到单总线上。

DS18B20在完成一个读时序过程，至少需要60us才能完成。

DS18B20的写时序如图2-7所示

图2-7DS18B20的写时序图

对于DS18B20的写时序仍然分为写0时序和写1时序两个过程。

DS18B20写0时序和写1时序的要求不同，当要写0时序时，单总线要被拉低至少60us，保证DS18B20能够在15us到45us之间能够正确地采样IO总线上的“0”电平，当要写1时序时，单总线被拉低之后，在15us之内就得释放单总线。

2.2.2DS18B20硬件接口电路

DS18B20采用3脚PR-35封装，接线图如图2-8所示，如图电路采用外接电源工作方式，其中DS18B20是采用单总线进行数据传输，外接一个4.7K的上拉电阻与单片机的P3.0口相接，通过P3.0端口进行双向传输。

图2-8DS18B20硬件接线图

2.3湿度模块电路设计分析

2.3.1DHT11传感器内部结构及工作原理

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器,传感器内部是由一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件组成。

单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。

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