土壤温湿度传感器自动灌溉系统.docx

1、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

2、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

3、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，

4、 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DHT111引言 12系统构成 12.1控制系统 12.2主控系统 22.3数据采集模块 22.4显示模块 33系统硬件 43.1数据采集模块 43.2主控模块 53.3执行模块 63.4警报模块 73.5显示模块 83.6时钟模块 94系统的软件设计 10总结 11参考文献 121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

5、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

6、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12.1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

7、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

8、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。D

9、HT11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

10、测量范围测湿精度测温精度分辨率封装DHT112090%RH050C 5%RH 2%RH14针单排直插以下是DHT11经典的应用电路：VDD VDDGNO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

11、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

12、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35.5V，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

13、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_o oJJTTCNBUTTONVCCY Q-貯10甘o o-BUITONP10P00PHP0IPJ2PCCP13P03PJJPMP15P05P!6posP17P07P3(KXDP3 TXD的孑DTHP34T0P35T1XI箜TPRDprX2战眦ALETWGRESETPSE其AT89C52|GND沖 19IS IS10kVCCLVCCdianzu1201Q1 0454-471314.S139101112121110913S14n136c10 inJ j1931

14、9i201CON20J3CON20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/T0P35/TIXIX2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10ufVCCS1O OBUTTON9 9 4 H RESETAT89C52R54 1 I I- GNDI Ok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。

15、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

16、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

17、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

18、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

19、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

20、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

21、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

22、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1甘露萍，谢守勇，杨 艳，一种土壤温度传感器的研制J.农机化研究，2008,(10): 91-94.2曹琳琳，曹巧媛.单片机原理及接口技术M.湖南：国防科技大学出版社，2000： 218.3郭天祥.新概念51单片机C语言教程一一入门、提高、开发、拓展全攻略M.北京：电子工业出版社，2009.1ISBN978-7-121-07893-4.4周坚.单片机轻松入门M.北京：北京航天航空得学出版社02004:129,131-132 许兴在.传感器近代应用技术.上海：同济大学出版社M.1994胡学海.单片机原理与应用系统设计M.北京：电子工业出版社.2005.8