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1、#办公室花卉自动浇灌控制系统第一章 绪论1.1研究的背景 1.水对我们的生命起着重要的作用 ,它是生命的源泉，是人类赖以生存和发展的不可缺少的最重要的物质资源之一。人的生命一刻也离不开水，水是人生命需要最主要的物质。 而对人体而言的生理功能是多方面，而体内发生的一切化学反应都是在介质水中进行，没有水，养料不能被吸收；氧气不能运到所需部位；养料和激素也不能到达它的作用部位；废物不能排除，新陈代谢将停止，人将死亡。因此，水对人的生命是最重要的物质。 在地球上，哪里有水，哪里就有生命。一切生命活动都是起源于水的。 2.在现代工业中，没有一个工业部门是不用水的。也没有一项工业不和水直接或间接发生关系。

2、更多的工业是利用水来冷却设备或产品，例如钢铁厂等。水还常常用来作为洗涤剂，如漂洗原料或产品，清洗设备或地面，每个工厂都要利用水的各种作用来维护正常生产，几乎每一个生产环节都有水的参和。 所以,水作为大自然赋予人类的宝贵财富，早就被人们关注。但是人们经常使用“水资源”一词，却是近一二十年的事。关于水资源的定义，有几十种之多，较普遍的说法是指“可以供人们经常取用、逐年可以恢复的水量”。也就是通常所指的淡水资源。这样，苦咸的的海水就不算在内，连千年难化的冰川、不易取用的一部分地下水也排除在外了。水落石出资源是人类调查了解得最清楚的资源，决不会像煤、铁、石油等资源那样有新的大发现而改变数量结构和分布。

3、水资源的价值在于，水资源地球生命的需求、为人类服务包括水所具有的发电、航运、养殖、环境等方面的能力。 我们都知道,水在自然环境和社会环境中，都是极为重要而活跃的因素。山清水秀，鸟语花香，风调雨顺，五谷丰登，是人类追求向往的美境，也是人类劳动创造和精心爱护的硕果。水在不停地运动，在人体里，在农田，在工厂，使世界充满生机和活力，污物被水流带走，稀释了，化解了，又被大自然净化了。当我们徜徉在大自然的怀抱的时候,其实我们所面对的全部是水给我们的力量.我们那山木禾水的生活,水给了我们很大的比例. 地球有“水球”之称。“三山七水一分田”，这句俗语，比较形象地概括了地球表面的情况。据权威人士估计，地球上的储

4、水量达3.85亿立方千米，如果把这些水平铺在地球的表面，那么地球就会变成一颗平均水深达2700多米的“水球”。 1.2自动浇灌的现状和发展趋势1.3.1现状目前国际上园林浇灌技术经过几十年的发展已形成系统化，世界上专业的浇灌制造企业园林浇灌系统技术及制造技术已非常成熟。这包括但不限于泵站技术、喷滴灌技术、中心控制系统硬件及软件技术、阀门技术、施肥/施药技术等等。我国现代园林浇灌技术起步较晚，目前尚没有形成系统化、专业化的软件及硬件系统。国内许多园林浇灌技术开发及生产企业大都是在学习借鉴国外的先进技术的基础上开发自己的技术及产品。随着世界人口的增长和能源、水资源危机的加剧，园林浇灌设备正朝着更加

5、环保、采用新材料、智能化控制、跨行业开发、低压喷洒、降低能耗、综合利用、多种用途方向稳步发展。随着塑料模具加工精度越来越高，其加工成本费用也大幅度降低，必将大大促进各种灌水器及其附件的更新换代速度。国外园林浇灌现已关注喷滴灌系统中最令人头痛的堵塞及利用微碱水和城市处理过的废水进行浇灌等问题。在国内，从北京市水利局和北京市节水办获悉，北京市已启动替代水源工程，加快雨水和中水的开发利用，并已经列出时间表，2005 年1月起，城市园林绿化、道路冲洒、建筑降尘、水景观必须使用中水和河水。到2008 年，全市年利用中水和雨水要达到2 亿立方米。而在中水的利用方面，国外诸如美国雨鸟公司的中水浇灌产品早已在

6、美国加利佛尼亚、佛罗里达等地区被广泛使用。1.3.2 发展趋势 随着现代高科技的发展，各种智能家电、数码产品走进人们的生活，网络已经成为人们现代生活中人际交往和获取知识的一个不可或缺的平台。鉴于现在高科技的发展，未来自动浇灌控制系统的发展也有望朝这些方面发展。1、智能化 随着传感技术、计算机技术和自动控制技术的不断发展，温室计算机环境控制系统的使用将由简单的以数据采集处理和监测，逐步转向以知识处理和使用为主。因此软件系统的研制开发将不断深入完善，其中以专家系统为主的智能管理系统已取得了不少研究成果，而且使用前景非常广阔。2、网络化 目前，网络技术己成为最有活力，发展最快的高科技领域。网络通信技

7、术的发展促进了信息传播。设施的产业化程度的提高成为可能。3、综合环境调控 所谓综合环境调节，就是以实现花卉的正常生长为目标，把影响花卉生长的多种环境参数(如光照、温度、湿度等)都保持在适宜花卉生长的状态，并尽可能使用最少量的环境调节装置(采光、遮光、通风、保温、加温、施用C02等)。 智能及无人操作将是未来的各种行业的发展趋势，不仅能大量节省人们的宝贵时间还能更好的控制各种成分的细微比例做到人们自己动手所不能做到的效果。4、高移植性 稍微修改一些系统的参数及设备即可使用于别的环境下，省时省力，节省大量资金及研发成本。 在不久的将来，不仅能实现对办公室花卉的控制而且可以实现路边及所有公共场所花草

8、树木的自动灌溉，而且可以加入远程控制，可视频控制，更大限度的节省人力物力，这将是世界浇灌系统的一个发展趋势。1.4本论文的主要研究内容1.4.1基础研究和设计开发 通过研究盆景花卉正常生长的各种参数，根据是否需要水和光照而自动浇灌，很好地控制花卉生长的温度及湿度。考虑干扰的消除措施，有效地避免干扰的产生，如何采用太阳能给电池充电使之环保又节省了资本，系统的器件需要采用高性能低价原件，降低开发成本低，而且能够满足大多数用户的需求。1.4.2自动控制系统的研究和设计1、本系统将对温室环境中土壤湿度、光照强度、温度因子的调控进行自动化控制，以期达到最佳的控制效果。2、系统硬件设计，完成硬件原理图。硬

9、件将通过调研对比分析，选用高性价比元件，采用一些成熟电路设计，达到提高系统的稳定性、可靠性和精度，降低成本，提高市场竟争力的目标。3、程序设计流程和程序清单。软件设计将采用C语言设计，提高系统的修改、调试和升级（增加控制因子)的能力。4、通过系统仿真，检验系统硬件和软件设计的合理性，能否达到预期的功能。第二章系统总体设计2.1使用场合和工作环境 该单片片机使用系统主要使用于办公室、家庭内，价格低，操作方便，主要面向喜爱花卉但没有时间管理者经营者。其工作环境温度为040C。2.2 系统的预期功能和技术指标2.2.1课题研究预期功能 现实生活中很多花卉温度、湿度和光照需要保持在一个既定的值上，超出

10、或者低于这个预定值将对花卉的生长产生影响。该系统要求用单片机测控来实现花卉生长环境因子信息数据的实时采集、处理，而后输出控制执行机构，以实现环境湿度、温度和光照强度的测控，达到节水节能，省时省工的效果。具体功能如下:1、实现按需灌溉功能。按照花卉的需求开启和关闭灌溉系统，实现一般的控制。具有结构简单，成本低，操作方便。2、通过传感器检测花卉生长的环境温度、土壤湿度和光照强度，依据设定的植物要求的温度、湿度和光照强度的上下限值，由单片机来控制开关窗户、电磁阀和窗帘，从而调节温度、湿度和光照。当空气温度高于上限值时，自动打开窗户进行自然降温，达到要求值时则自动关闭。3、室内环境中土壤湿度是重要因子

11、，要求当土壤含水量过低己不能满足花卉最低需求时，就打开电磁阀进行灌溉，当湿度满足要求是关闭电磁阀。4、光照强度控制因子考虑到生产成本问题，但是本系统不足之处是未考虑人工增光设备，如果光照强度高于上限值时，关闭窗帘降低光照，如果光照强度低，打开窗帘网。2.3系统设计总体方案2.3.1系统测控原理 在控制技术方面，有诸如开环、闭环反馈控制，模糊控制，自适应控制，神经网络控制等现代控制技术。模糊控制技术当前使用最广泛，一般用于有上、下位机的单片机控制系统。本系统采用传统的闭环控制技术.2.3.2系统总体设计 （1）本文针对实际需要，设计了一套温度、湿度和光照检测和控制系统，保证花卉在生长的各个时期有

12、适宜的生长环境，整个测控系统由传感器、控制器和执行机构三部分构成。（2）硬件电路以AT89S52单片机为核心，系统输入由采集土壤水分传感器、光照传感器和温度传感器及传感器信号处理电路组成，输出控制由继电器、执行器构成。（3）软件用C语言作为编程语言，采用模块式结构设计。2.4系统的工作原理 系统的工作中，有太阳能电池给电池充电，电池的输出经过稳压模块，避免电压的较大变化，电池为整个系统提供电能。经过温度、湿度及光照检测的传感器把被测对象的温度、湿度光照转换成电压信号，转换为0-1数字信号后送入单片机中，和给定的所要控制的温度、湿度值进行比较，根据单片机 AT89S52中设置的参数，输出相应温度

13、、湿度值对应的被控对象电机和电磁阀的值，带动动力系统作相应的运动，不断减少和单片机中设置值的差值，温度过高时，单片机控制直流电机驱动器打开窗户，进行自然散热，温度适合时关闭窗户。当土壤湿度过低时，单片机通过继电器控制电磁阀使其打开进行浇水，浇水后湿度适中时关闭电磁阀。光照检测电路将光照强度转换成0-1代码，输入单片机，当光照过强时关闭窗帘，光照适合时打开窗帘。温度湿度不断地检测、控制，使之达到一个动态的平衡。第三章系统的硬件设计 3.1单片机控制系统设计 3.1.1单片机的选择 电子技术飞速发展，使得计算机不断更新换代。其中单片机更是一枝独秀，广泛使用于各个领域，使其自动化程度大提高。 单片机

14、具有体积小，价格低廉，功能强大，稳定可靠，运算速度快，功耗低，扩展容易，抗干扰能力强，系列齐全，使用方便灵活等优点，广泛使用于工业过程控制、自动监测、智能仪器仪表、家用电器等领域。单片机成为当今世界上销售量最大、使用面最广、价格最便宜的微型计算机产品。 目前世界上最具实力的单片机开发公司有:美国的Intel，ATMEL，荷兰的PhilipS，德国的SiemenS等。其中Intel公司一直处于领先地位，主要有MCS-48、MCS-51和MCS-96三大系列，其中MCS-51系列是 1980年推出的高档8位单片机，代表着单片机的发展方向，成为单片机领域中的主流产品。ATMEL公司的89系列Flas

15、h单片机以 Intel80C51/52作为内核，并采用可重复编程FlashROM技术，是一种源于8051而又优于8051的单片机，己成为广大MCS-51用户进行电子设计和开发的优选单片机品种。根据实际情况和要求，本系统选用ATMEL公司89系列标准型单片机AT89S52，其价格适中功能强大，这应当是比较符合我国国情的选择。3.1.2 AT89S52简介AT89S52是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8K Bytes ISP(In-system programmable)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

16、MCS -51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制使用系统提供高性价比的解决方案。3.1.2.1单片机内部结构图和基本特征 1、基本特征 和MCS-51单片机产品兼容 8K字节在系统可编程Flash存储器，256字节RAM 可反复擦写1000次 全静态操作：0Hz33Hz 三级加密程序存储器 32个可编程I/O口线 三个16位定时器/计数器 八个中断源 全双工UART串行通道 低功耗空闲和掉电模式 掉电后中断可唤醒 看门狗定时器 双数据指针 掉电标识符 3.1.2.2引脚配置及功能 AT

17、89S52单片机有40个引脚，为CMOS工艺双列直插封装(DIP)，其引脚配置见图3-1所示，各引脚功能简述如下: 1、主电源引脚VCC:电源端，+5V 。GND:接地 2、4个8位I/O端口P0、P1、P2和P3 P0口：PO口为一个8位漏级开路双向工/0口，每个引脚可吸收8个TTL门电流。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/0口，P1口缓冲器能接收输出4个TTL门电流。Pl口管脚写入1后，被内部上拉为高，可

18、用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/0口，P2口缓冲器可接收输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址1时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信

19、号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/0口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89S52的一些特殊功能口3、控制信号引脚 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE：低电平有效，当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外

20、部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个 ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFRSEH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX、MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 PSEN：低电平有效，外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的PSEN信号将不出现。 EA/V即:当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFH)，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，丽将内部锁定为RESET；当EA端保

21、持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。 4、时间振荡电路 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.1.3存储器的配置 AT89系列单片机的存储器采用的程序存储器和数据存储器分开编址的，它们有各自的寻址系统、控制信号和特定功能。程序和数据存储器在物理和逻辑上均分为两个地址空间:内部存储空间和外部存储空间。本系统的代码程序不太大，AT89S521片内的8KB ROM闪速存储器256字节的RAM即可满足要求，无需扩展片外ROM跟RAM。3.1.4时钟电路和复位电路的设计1、时钟电路设计

22、 AT89S52单片机内部有个振荡器，可以用作CPU的时钟源。本系统时钟选用内部方式。AT89S52内部含有一个高增益的反相放大器，通过XTAL1(输入端)、XTAL2(输出端)外接作为反馈元件的片外石英晶体(或陶瓷谐振器)和电容C1，C2组成的并联谐振电路后便构成片内自激振荡器，从而利用它内部的振荡器产生时钟。连接方法见图3-2所示，其中晶体呈感性，其决定着振荡器的振荡频率；电容Cl，C2对频率有微调作用。电路中反馈元件选用石英晶体，电容Cl和C2均为22PF，电容和晶体的安装位置应尽量靠近单片机。2、复位电路设计 89系列单片机在启动时也需要复位使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从

23、初始态开始工作。按下SW，电源对C充电，使RST端快速到达高电平；松开按键，C向芯片内阻放电，恢复为低电平，从而使单片机可靠复位，一般R1选470，R2选8.2k，C选22uF。AT89S52的按键复位电路见图3-3，电路简单可靠。3.2太阳能电池板充电电路3.2.1 充电芯片的选择CN3068是可以对单节可充电锂电池进行恒流/恒压充电的充电器电路。该器件内部包括功率晶体管，使用时不需要外部的电流检测电阻和阻流二极管。CN3068只需要极少的外围元器件，热调制电路可以在器件的功耗比较大或者环境温度比较高的时将芯片温度控制在安全范围内。内部固定的恒压充电电压为4.2V，也可以通过一个外部的电阻调

24、节。充电电流通过一个外部电阻设置。当输入电压掉电时，CN3068自动进入低功耗的睡眠模式，此时电池的电流消耗小于3微安。其它功能包括输入电压过低锁存，自动再充电，电池温度监控以及充电状态/充电结束状态指示等功能。3.2.1.1详细描述 CN3068是专门为一节锂电池而设计的线性充电器电路，利用芯片内部的功率晶体管对电池进行恒流和恒压充电。充电电流可以用外部电阻编程设定，最大持续充电电流可达500mA，不需要另加阻流二极管和电流检测电阻。CN3068包含两个漏极开路输出的状态指示输出端，充电状态指示端STAT2和充电结束指示输出端STAT1。芯片内部的功率管理电路在芯片的结温超过115时自动降低

25、充电电流，这个功能可以使用户最大限度的利用芯片的功率处理能力，不用担心芯片过热而损坏芯片或者外部元器件。这样，用户在设计充电电流时，可以不用考虑最坏情况，而只是根据典型情况进行设计就可以了，因为在最坏情况下，CN3068会自动减小充电电流。 当输入电压大于电源低电压检测阈值和电池端电压时，CN3068开始对电池充电，STAT2管脚输出低电平，表示充电正在进行。如果电池电压Kelvin检测输入端(FB)的电压低于3V，充电器用小电流对电池进行预充电。当电池电压Kelvin检测输入端(FB)的电压超过3V时，充电器采用恒流模式对电池充电，充电电流由IR管脚和GND之间的电阻RIR.确定。当电池电压

26、Kelvin检测输入端(FB)的电压接近电池端调制电压时，充电电流逐渐减小，CN3068进入恒压充电模式。当充电电流减小到充电结束阈值时，充电周期结束，STAT2端输出高阻态，STAT1端输出低电平，表示充电周期结束，充电结束阈值是恒流充电电流的10%。如果要开始新的充电周期，只要将输入电压断电，然后再上电就可以了。当电池电压Kelvin检测输入端(FB)的电压降到再充电阈值以下时，自动开始新的充电周期。芯片内部的高精度的电压基准源，误差放大器和电阻分压网络确保电池端调制电压的误差在1%以内，满足了电池的要求。当输入电压掉电或者输入电压低于电池电压时，充电器进入低功耗的睡眠模式，电池端消耗的电

27、流小于3uA，从而增加了待机时间。 3.2.1.2 CN3068特点：（1）输入电压范围：4.35V 到 6V （2）不需要外部阻流二极管和电流检测电阻 （3）恒压充电电压 4.2V，也可外接电阻调整恒压充电电压（4）可设置的持续恒流充电电流可达 500mA （5）采用恒流/恒压/恒温模式充电，既可以使充电电流最大化，又可以防止芯 片过热 （6）电源电压掉电时自动进入低功耗的睡眠模式 （7）充电状态和充电结束状态双指示输出（8）封装形式SOP8 (9)无铅产品 3.2.2稳压电路的选择 稳压电源电路采用LM7805系列集成稳压器，可以输出正5V直流电压。C7、C8分别为输入端和输出端采用滤波电

28、容，输出端接一个齐纳二极管进一步稳定输出电压。3.2.3 过充保护电路 为了防止把电池充坏，本系统还采用了简单自己设计的过冲保护电路，本电路还需以后的实验验证。在不发生过充时，由于二极管D1的阻隔三极管不导电。当充电电压升到5V左右时，三极管（2N3055）开始导通，它对电池进行分流，以防止过充。Q1应装在中等尺的散热板上。Q1选用低电压的齐纳管。3.3数据采集电路的设计3.3.1传感器的选择3.3.1.1传感器基本概念 传感器技术和计算机技术及通信机技术构成了信息技术，成为信息时代的三大支柱。后两者发展迅速，唯有传感器技术发展滞后。传感器技术是衡量一个国家科技发展水平的重要标志。 依照中华人

29、民共和国国家标准(GB/T7665-1987传感器通用术语)的规定，传感器的定义为：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置”，通常由敏感元件和转换元件组成。其中敏感元件“指传感器中能直接感受(或响应)被测量的部分”，此处的被测量一般为非电量；转换元件是“指传感器中能将敏感元件感受(或响应)的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分”。传感器在我国的设施农业中发挥着重要的作用，主要用于环境参数的获取，根据检测对象分为空气环境和土壤环境。前者包括温度、湿度、二氧化碳、光照度等；后者包括土壤温度、土壤含水量、土壤PH值。3.3.1.2温度传感器的选择 温度是一个和人类的生活

30、、工作息息相关的物理量，也是现代科学技术中最重要的物理量。常用的温度传感器有热敏电阻、热电偶、成温度传感器、热电阻等。 (1)热敏电阻:利用半导体的电阻随温度变化而显著变化的特性制成的半导体测温元件。目前使用的多为陶瓷热敏电阻。它的优点是:灵敏度高，工作温度范围宽，稳定性好，过载能力强，体积小。但它的不足之处在于非线性和互换性差。 (2)热电偶:是利用物理学中的金属热电效应制成的温度传感器。结构简单，互换性好，是500-800温区的首选温度传感器。 (3)PN结温度传感器:实质是一种半导体集成电路，利用晶体二极管、三极管的PN结电压随温度变化而变化的原理制成。线性度好，热惯性小，灵敏度高，但互

31、换性差。 (4)集成温度传感器:是把湿敏元件，放大电路、偏置电路及线形化电路集成在同一芯片上的温度传感器。相对其它传感器有较好的线性度和一致性，且体积小，使用方便。据据实际情况可知，温室内环境的变化范围为0-40，温度的变化范围较小;并且温度的变化速度较慢，因而不需要传感器的反应速度太高。经过对上述几种温度传感器的性能分析比较，认为选用集成温度传感器DS18B20合适。由于具有结构简单不需要外接电路，可用一根 I/0 数据线既供电又传输数据，并且具有体积小，分辨率高，转换快等优点，被广泛用于测量和控制温度的地方。所测温度由P2.7口输入单片机和给定温度进行比较，当温度大于给定温度时控制步进电机

32、正传一定步数，打开窗帘；当温度低于给定温度时，控制步进电机反转，关闭窗帘。DS18B20简介Dallas半导体公司的数字化温度传感器DS18B20是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器。一线总线独特而且经济的特点，是用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新的概念，现在，新一代DS18B20体积更小、更经济、更灵活。DS18B20同DS1820一样，DS18B20也支持“一线总线接口”，测量温度范围为-55C +125C，在-10C 85C范围内精度为0.5C。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量，如：环境控制、设备或过程控制。测温类电子产品等。和前一代产品不同，新产品支持3v5