土壤湿度检测及自动浇水系统设计.docx

1、土壤湿度检测及自动浇水系统设计土壤湿度检测及自动浇水系统设计土壤湿度检测及自动浇水系统设计 1 设计主要内容及要求 1.1 设计目的: 随着人们生活水平的提高花卉逐渐受到人们的青睐，本设计要求利用单片机设计一 款 家庭智能浇花器，实现自动浇花，节省人力，方便人们出差的时候不至于影响花卉的生长，如果在家也可以关断浇花器 。 (1)了解土壤湿度检测的基本知识以及电工电子学、单片机、传感器等相关技术。 (2)初步掌握常用土壤湿度检测传感器的特点和应用场合，并选择恰当方法应用于本设计。 1.2 基本要求 (1)通过c8051f020单片机编程来实现土壤湿度的实时显示，并具有超量程报警装置。 (2)要求

2、设计相关传感器系统和控制系统实现自动浇水功能。 (3)要求设计相关的硬件电路，包括传感器的选型、控制系统和显示系统的硬件电路设计。 1.3 发挥部分 自由发挥 2 设计过程及论文的基本要求: 2.1 设计过程的基本要求 (1)基本部分必须完成，发挥部分可任选; (2)符合设计要求的报告一份，其中包括总体设计框图、电路原理图各一份; (3)报告的电子档需全班统一存盘上交。 2.2 课程设计论文的基本要求 (1)参照毕业设计论文规范打印，包括附录中的图纸。项目齐全、不许涂改，不少于4000字。图纸为A4，所有插图不允许复印。 (2)装订顺序:封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要、关键词、目录、正

3、文(设计题目、设计任务、设计思路、设计框图、各部分电路及相应的详细的功能分析和重要的参数计算、工作过程分析、元器件清单、主要器件介绍)、小结、参考文献、附录(总体设计框图与电路原理图)。 3 时间进度安排 顺序 阶段日期 计 划 完 成 内 容 备注 讲解主要设计内容，安排学生查阅资料 打分 1 检查任务框图的设计情况 打分 2 检查整个设计理论方面的准备情况 打分 3 指导学生进行传感器的选择 打分 4 进程传感器及测量电路的硬件电路设计 打分 5 讲解原理图的绘制要求 打分 6 检查原理图完成情况，讲解及纠正错误 打分 7 检查流程图的绘制及报告的书写要求 打分 8 布置答辩 打分 9 答

4、辩、写报告 打分 10 一 设计任务描述 1.1 设计题目:土壤湿度检测及自动浇水系统设计 1.2 设计要求 1.2.1 设计目的: 随着人们生活水平的提高花卉逐渐受到人们的青睐，本设计要求利用单片机设计一 款家庭智能浇花器，实现自动浇花，节省人力，方便人们出差的时候不至于影响花卉的生长，如果在家也可以关断浇花器 。 (1)了解土壤湿度检测的基本知识以及电工电子学、单片机、传感器等相关技术。 (2)初步掌握常用土壤湿度检测传感器的特点和应用场合，并选择恰当方法应用于本设计。 1.2.2 基本要求: (1)通过C8051F020单片机编程来实现土壤湿度的实时显示，并具有超量程报警装置。 (2)要

5、求设计相关传感器系统和控制系统实现自动浇水功能。 (3)要求设计相关的硬件电路，包括传感器的选型、控制系统和显示系统的硬件电路设计。 1 二 设计思路 我所设计的土壤湿度检测及自动浇水系统主要由七部分组成。 第一部分:精密对称方波发生器。用于驱动湿敏电阻，因为直流电流通过湿敏电阻时会产生电化学迁移现象而损坏湿敏电阻，所以在这里我选择了具有稳幅作用的精密对称方波发生器作为信号源。 第二部分:湿敏电阻传感器。由于湿敏电阻是最常见，价格也最低廉的一种湿度传感器所以我选择了湿敏电阻作为本设计的核心传感器。我选择的是PCRC-55这款湿敏传感器。他是一种经过化学方法处理的聚苯乙烯聚合物。其电阻值(R)与

6、相对湿度(RH)的曲线近似指数曲线，即电阻值随相对湿度的增大为减小。 第三部分:对数放大器。为解决湿敏电阻自身的非线性问题，我选择了由晶体管和运算放大器组成的对数放大电路来对湿敏电阻的指数型特性曲线进行线性化。 第四部分:相对湿度校准电路。利用湿度校准电路对40%RH、100%RH两点进行校准，再通过滤波器产生一个代表相对湿度的直流输出电压，输出电压范围是0+10V，所对应的相对湿度变化范围是(0100%)RH。 第五部分:断点放大器。由于湿敏电阻在RH?40%时的非线性失真最为显著，我真对这一情况采用断点放大器再做一次局部的线性化处理，即再进行一次线性补偿。 第六部分:温度补偿电路。利用集成

7、恒流源的正温度系数去补偿湿敏电阻的负温度系数，大大降低了温漂。当环境温度发生变化时，必然导致组成对数放大器的晶体管的直流工作点发生改变，而这也终究会影响到对数放大器的输出特性。因此我对组成对数放大器的晶体管采取一定的温度补偿措施，即用一片廉价的集成音频放大器对其补偿，以避免这种情况的发生。 第七部分:数据处理及自动浇水系统。利用单片机对湿敏电阻这一传感器所采集的代表土壤湿度的电压信号进行处理、分析，并对土壤湿度进行实时显示、超范围报警以及自动浇水。 对这以上就是我所设计的土壤湿度检测及自动浇水系统的设计思路。基于此设计思路设计的土壤湿度检测及自动浇水系统的相对湿度测量范围为0100%,测量精度

8、为?2%，分辨力可达0.01%。 2 三 设计方框图 精密对称 方波发生器 湿敏电阻 稳压电源 对数放大器 稳压温度补偿电路 (兼半波整流) (恒温器) 湿度校准电路 断点补偿电路 及滤波器 输出放大器 湿度显示、超量程报警 C8051F020单片机 自动浇水 3 四 设计原理 4.1 精密对称方波发生器 湿敏电阻只能用交流的，直流会导致湿敏失效，因为直流的电场会导致高分子材料中的带电粒子偏向两极，一定时间以后湿敏电阻就会失效。所以必须用交流维持其平衡，这也是为什么测湿敏电阻阻值要用电桥而不能用普通万用表的原因。 水分子是极性分子，在直流电厂中会分解为H2和O2, 影响测量，并且在湿敏传感器中

9、存在导电离子，在高湿情况下，如采用直流电会漂移造成电导率漂移，影像传感器的使用寿命。 综上所述:鉴于当直流电流通过湿敏电阻会产生电化学迁移现象而损坏湿敏电阻，因此必须采用交流信号或对称方波信号来驱动湿敏电阻。 这里选用具有稳幅作用的精密对称方波发生器作为信号源，其输出信号中不包含直流分量。 4.2 湿敏电阻传感器 湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化这一原理而制成的。工业上流行的湿敏电阻主要有:半导体陶瓷湿敏电阻、氯化锂湿敏电阻、有机高分子膜湿敏电阻。湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时元件的电阻率和电阻值都发生变化。

10、PCRC-55型湿敏电阻是用经过化学方法处理的聚苯乙烯聚合物制成的。其电阻值(R)与相对湿度(RH)的影响曲线如图4.2.1湿敏电阻特性曲线所示。该曲线近似为指数曲线。当湿度从20%变化到100%时，电阻值就从100M迅速减小到35K，电阻变化量超过了4个数量级。因此，构成相对湿度测量仪时必须进行线性化，才能获得线性输出电压。PCRC-55的温度系数为0.36%RH/?，精度为?1% 。 图4.2.1湿敏电阻特性曲线 4.3 对数放大器 为解决湿敏电阻的非线性问题，由晶体管和运算放大器构成对数放大器，对湿敏电阻的指数型特性曲线进行线性化。 4 4.4相对湿度校准电路 利用湿度校准电路对40%R

11、H、100%RH两点进行校准，再通过滤波器产生一个代表相对湿度的直流输出电压，输出电压范围是0+10V，所对应的相对湿度变化范围是(0100%)RH。 4.5断点放大器 所谓“断点”就是指40%RH这一点，由图4.2.1湿敏电阻特性曲线可见，PCRC-55型湿敏电阻在RH?40%时的非线性失真最为显著，针对这种情况可通过断点放大器再做一次局部线性化处理。 4.6温度补偿电路 4.6.1 湿敏电阻的温度补偿 由于湿敏电阻具有负温度系数，因此要对其负温度系数进行一定的温度补偿，这里我采用集成恒流源的正温度系数去补偿湿敏电阻的负温度系数。 4.6.2 对数放大电路中晶体管的温度补偿 当环境温度发生变

12、化时，必然导致组成对数放大器的晶体管的直流工作点也发生变化，而这也终究会影响到对数放大器的输出特性。因此要对组成对数放大器的晶体管采取一定的温度补偿措施，即用一片廉价的集成音频放大器对其进行补偿。 4.7数据处理及自动浇水系统 利用单片机对湿敏电阻这一传感器所采集的代表土壤湿度的电压信号进行处理、分析，并对土壤湿度进行实时显示、超范围报警及自动浇水 5 五 电路设计 5.1 精密对称方波发生器 5.1.1 电路图 电路图如图5.1.1精密对称方波发生器所示。 图5.1.1精密对称方波发生器 5.1.2 原理 精密对称方波发生器由集成运放IC-1a(LF347)、三端可调电流源IC2(LM334

13、)、和二极管桥路(VD1VD4)组成。利用二极管桥路和电阻R2、R3构成的正反馈电路使IC-1a产生振荡。该方波发生器具有对称输出、限流和稳幅的特性。 R1为设定电阻(RSET)，取R1=15时可将LM334的输出电流限定在5mA左右。利用二极管桥路的正、反向钳位作用，能把输出方波电压U01的幅度限制在?8V。谐振频率约为100HZ。 随着振荡电容C1不断的进行充、放电，在U01端便形成了以零伏为对称轴的方波信号，其直流分量为零。R2、R3组成分压器，用于设定IC1的阈值电压(即门限电压)，进而控制IC-1a的翻转状态。 对称方波发生器输出的U01信号通过缓冲器(IC-1b)驱动湿敏电阻。 6

14、 5.2 湿敏电阻传感器 5.2.1 电路图 电路图如图5.2.1湿敏电阻传感器所示。 图5.2.1湿敏电阻传感器 5.2.2 原理 PCRC-55型湿敏电阻是用经过化学方法处理的聚苯乙烯聚合物制成的。其电阻值(R)与相对湿度(RH)的影响曲线如图5.2.2湿敏电阻特性曲线所示。当相对湿度从20%变化到100%时，电阻值就从100M迅速减小到35K电阻变化量超过4个数量级。 图5.2.2湿敏电阻特性曲线 在方波信号的正半周期，VD5截止，在负半周期，VD5导通。 7 5.3 对数放大器 5.3.1 电路图 电路图如图5.3.1对数放大器所示。 图5.3.1对数放大器 5.3.2 原理 对数放大

15、器由晶体管VT1和运放IC-1c构成。 将VT1的基极接地、集电极接A点(虚地)时，相当于把集电极与基极短接，VT1就等效于硅二极管。 此对数放大器用来补偿湿敏电阻的指数曲线，使之近似于线性关系。实现对湿敏电阻的线性化。 在方波信号的正周期，IC-1c作为反相放大器使用，输出的是负向方波信号，在负半周期，对数放大器不工作。因此对数放大器兼有半波整流作用。 8 5.4 相对湿度校准电路 5.4.1 电路图 电路图如图5.4.1相对湿度校准电路所示。 图5.4.1相对湿度校准电路 5.4.2 原理 相对湿度校准电路由IC-1d和电位器RP1、RP2组成。RP1用以校准40%RH的刻度，RP2用来校

16、准100%RH的刻度。 9 5.5 断点放大器 5.5.1 电路图 电路图如图5.5.1断点放大器电路所示。 图5.5.1断点放大器电路 5.5.2 原理 所谓“断点”就是指40%RH这一点。PCRC-55型湿敏电阻在RH?40%时的非线性失真最为显著，针对这种情况断点放大器再做一次局部的线性化处理。 断电放大器(IC-3b)就并联在输出放大器(IC-3a)的两端。当RH?40%时，利用IC-3b可以改变IC-3a的增益，使相对湿度特性曲线在040%范围内更接近于线性。 当RH,40%时，IC-3b输出低电平，故VT4、VD6截止，断电放大器不工作，对(40%100%)相对湿度的线性化任务全部

17、由对数放大器来完成。仅当RH=40%时，IC-3b的输出变成高电平，使VT4、VD6导通，断电放大器才开始工作，可使040%相对湿度范围内的输出电压与相对湿度仍保持线性关系。 电路中R13和VD6的作用是防止在断点附近产生抖动现象。 10 5.6 温度补偿电路 5.6.1 电路图 电路图如图5.6.1温度补偿电路所示。 图5.6.1温度补偿电路 5.6.2 原理 湿敏电阻的温度补偿 利用LM334的正温度系数(+0.33%/?)去补偿湿敏电阻的负温度系数(-0.36%/?)，实际温度系数仅为-0.03%/?，它与传感器的?1%精度指标相比完全可以忽略。LM334的安装位置应尽量靠近湿敏电阻。

18、LM334即可构成恒流源，还可作为电压灵敏度为227V/K的温度传感器使用，这里仅利用其恒流特性，从而大大提高了方波幅度的稳定性。 对数放大电路中晶体管的温度补偿 当环境温度发生变化时，必然导致组成对数放大器的晶体管VT1的直流工作点也发生变化，而这也终究会影响到对数放大器的输出特性。因此要对VT1采取一定的温度补偿措施。 温度补偿电路实际上是由IC4IC6和VT2、VT3等组成的小型恒温槽是控制器，并且需将VT2、VT3与VT1紧贴在一起。将VT2的集电极短接，利用其发射结作为温度传感器使用。IC5是温控电路。VT3作为加热器，给VT1提供一个+50?(典型值)的工作温度，使之不受外界环境温

19、度变化的影响。IC6(7812)给IC5提供+12V稳定电压。IC5的参考电压U3=+0.63V，该电压所对应的VT1管壳温度恰好为+50?。一旦VT1始终工作在+50?恒温状态，从而消除了环境温度变化对VT1工作点的影响。VDZ为3V稳压管。 11 5.7 数据处理及自动浇水系统 5.7.1单片机外围电路 电源电路 在电源电路中，IC8 SPX1117-3.3是稳压芯片将输入电压5V转换成3.3V作为C8051F020单片机的主要供电电源。S1为输入电源开关按钮，在下载完数据后可用此按键来更新下载数据。其电路图如图5.7.1电源电路所示。 图5.7.1电源电路 12 复位电路 当开发板上电时

20、，C4经充电后复位端电压相当于低电平实现上电复位:当断电后通过1N4148形成放电回路。其电路图如图5.7.2复位电路所示。 图5.7.2复位电路 液晶显示(LCD)接口电路 单片机留有一个LCD液晶接口，相对应的液晶为MzL05-12864，它是一款仅写入的串行SPI接口方式的液晶，给液晶仅需5个控制口即可完成对其控制。单片机使用模拟SPI的方式对液晶进行操作。其电路图如图5.7.3液晶接口电路所示。 图5.7.3液晶接口电路 13 晶振电路 Y1为晶体振荡器，其振荡频率为22.11842MHZ，为单片机提供其工作所需要的时钟，C7、C8起到帮助晶振的作用。电路图如图5.7.4晶振电路所示。

21、 图5.7.4晶振电路 报警(LED)电路 LED以灌电流的方式点亮，阻流电阻选择了10K。电路图如图5.7.5报警电路所示。 图5.7.5报警电路 14 5.7.2模块 单片机程序设计主要有五部分组成。 第一部分:采集表示湿度的电压信号。 第二部分:十六进制至BCD的转换。 第三部分:液晶显示(湿度) 第四部分:报警(湿度过高，超量程) 第五部分:自动浇水(湿度过低，需要浇水) 5.7.3 程序 采集表示湿度的电压信号程序 MOV 30H,ADC0H MOV 31H,ADC0L 十六进制数至BCD的转换程序 BCD: CLR A MOV 41H,A MOV 40H,A MOV 39H,A M

22、OV 38H,A MOV 37H,A MOV R5,#16 H2B: CLR C MOV A,31H RLC A MOV 31H,A MOV A,30H RLC A MOV 30H,A MOV A,41H ADDC A,41H DA A MOV 41H,A MOV A,40H ADDC A,40H DA A MOV 40H,A MOV A,39H ADDC A,39H MOV 39H,A DJNZ R5,H2B MOV A,41H MOV B,#16 15 DIV AB MOV 38H,A MOV 37H,B MOV A,39H MOV 41H,A MOV A,40H MOV B,#16 DI

23、V AB MOV 40H,A MOV 39H,B RET 液晶显示(湿度)程序 SYSCLK_Init: MOV OSCICN,#05H /系统时钟初始化为片内的4MHz时钟 RET PORT_Init: CLR A /清零累加器 MOV XBR0,A /没有选择数字外设 MOV P74OUT,#0F0H /P4P7口设为推拉方式 RET LCD_Init: LCALL Delay /调用延时程序 MOV P7,#038H /功能设置:两行显示，57点阵 MOV P6,#01H /写命令 MOV P6,#0H /结束写命令 LCALL Delay /调用延时程序 MOV P7 ,#0EH /开

24、显示，开光标，字符不闪烁 MOV P6,#01H /写命令 MOV P6,#0H /结束写命令 LCALL Delay /调用延时程序 MOV P7,#06H /I/D=1，AC自动增1;S=0，整体显示不移动 MOV P6,01H /写命令 MOV P6,#0H /结束写命令 LCALL Delay /调用延时程序 MOV P7,#01H /清除DDRAM，置AC=0 MOV P6,#01H /写命令 MOV P6,#0H /结束写命令 LCALL Delay /调用延时程序 RET Line: CLR A /累加器清零 MOV A,40H /十位的数送累加器 MOVC A,A+DPTR /

25、查表，取ASCII码字符 MOV P7,A /字符送数据口P7 MOV P6,#05H /写数据操作 MOV P6,#04H /结束写操作 LCALL Delay /调用延时程序 16 CLR C /进位位清零 MOV A,40H /十位数送累加器 LCALL DELAY /调用延时程序 LCALL DELAY /调用延时程序 LCALL DELAY /调用延时程序 LCALL DELAY /调用延时程序 NN: MOV A,39H /个位的数送累加器 MOVC A,A+DPTR /查表，取ASCII码字符 MOV P7,A /字符送数据口P7 MOV P6,#05H /写数据操作 MOV P

26、6,#04H /结束写操作 LCALL Delay /调用延时程序 MOV A,#0AH /显示小数点 MOVC A,A+DPTR /查表，取ASCII码字符 MOV P7,A /字符送数据口P7 MOV P6,#05H /写数据操作 MOV P6,#04H /结束写操作 LCALL Delay /调用延时程序 MOV A,38H /十分位的数送累加器 MOVC A,A+DPTR /查表，取ASCII码字符 MOV P7,A /字符送数据口P7 MOV P6,#05H /写数据操作 MOV P6,#04H /结束写操作 LCALL Delay /调用延时程序 LCALL Delay /调用延时

27、程序 MOV A,37H /百分位的数送累加器 MOVC A,A+DPTR /查表，取ASCII码字符 MOV P7,A /字符送数据口P7 MOV P6,#05H /写数据操作 MOV P6,#04H /结束写操作 LCALL Delay /调用延时程序 LCALL Delay /调用延时程序 MOV A,#0BH /显示空格 MOVC A,A+DPTR /查表，取ASCII码字符 MOV P7,A /字符送数据口P7 MOV P6,#05H /写数据操作 MOV P6,#04H /结束写操作 LCALL Delay /调用延时程序 LCALL Delay /调用延时程序 MOV A,#0D

28、H /显示“S” MOVC A,A+DPTR /查表，取ASCII码字符 MOV P7,A /字符送数据口P7 MOV P6,#05H /写数据操作 MOV P6,#04H /结束写操作 17 LCALL Delay /调用延时程序 LCALL Delay /调用延时程序 RET NCDdata: DB 30H,31H,32H,33H,34H,35H,36H,37H,38H,39H,2EH,20H,63H,53H /ASCII码表 报警(湿度过高，超量程)程序 MM: MOV A,40H /十位的数送累加器 CLR C /进位位清零 SUBB A,#03H /十位的数与3比较(判断是否大于30

29、) JC NN /进位位为1时跳(小于30时跳到NN,大于30时顺序执行) MOV A,#0FDH /第二盏灯亮 MOV P0,A /第二盏灯已亮(湿度已超量程、报警) 自动浇水(湿度过低，需要浇水)程序 SUBB A,#02H /十位的数与2比较(判断是否小于20) JNC MM /进位位为0时跳(大于20时跳到MM,小于20时顺序执行) MOV A,#0FEH /第一盏灯亮 MOV P0,A /第一盏灯已亮(浇水) 18 六 工作过程分析 6.1 精密对称方波发生器工作过程分析 利用二极管桥路和电阻R2、R3构成的正反馈电路使IC-1a产生振荡。该方波发生器具有对称输出、限流和稳幅的特性。

30、 R1为设定电阻(RSET)，取R1=15时可将LM334的输出电流限定在5mA左右。利用二极管桥路的正、反向钳位作用，能把输出方波电压U01的幅度限制在?8V。谐振频率约为100HZ。 随着振荡电容C1不断的进行充、放电，在U01端便形成了以零伏为对称轴的方波信号，其直流分量为零。R2、R3组成分压器，用于设定IC1的阈值电压(即门限电压)，进而控制IC-1a的翻转状态。 对称方波发生器输出的U01信号通过缓冲器(IC-1b)驱动湿敏电阻。 6.2 湿敏电阻传感器工作过程分析 PCRC-55型湿敏电阻是用经过化学方法处理的聚苯乙烯聚合物制成的。当相对湿度从20%变化到100%时，电阻值就从100M迅速减小到35K电阻变化量超过4个数量级。 对称方波发生器输出的U01信号通过缓冲器(IC-1b)驱动湿敏电阻，再接至对数放大器IC-1c的反相输入端A。A点亦称求和点或虚地点，该点的电位可是为0V。设湿敏电阻R上的电流为IRH，很容易求出 U01IRH,(6.2.1) R在方波信号的正半周期，VD5截止，在负半周期，VD5导通。 6.3 对数放大器工作过程分析 将VT1的基极接地、集电极接A点