基于51单片机的智能浇花系统设计和实现电气自动化专业.docx

基于51单片机的智能浇花系统 摘要 随着生活质量的提高，越来越多的人喜欢在家中养花，但经常因不能及时照顾花的生长环境而导致花枯萎。为改善这种情况本系统提出了一种基于51单片机的智能浇花系统，该系统是以51单片机为主控制器，通过DS1302时钟模块设定在固定的时间进行浇水，浇水的时间为60秒；同时使用温度传感器DS18B20和湿度传感器对土壤的温度和湿度进行检测，当检测到的环境状况是属于土壤缺水的情况，则主控制器会打开水泵开关开始浇水，当不在是缺水的情况时则停止浇水。经过后期的多次测试，该系统可以成功的实现预期的设计目标。 目录 1系统方案 2 1.1主控制器的论证与选择 2 1.2控制系统方案与选择 3 2系统理论分析 3 3电路与程序设计 4 3.1电路设计 4 3.1.1系统总体框架图 4 3.1.2主控制器电路原理图 5 3.1.3时钟电路原理图 5 3.1.4按键电路 6 3.1.5液晶显示电路 6 3.1.6其他电路 6 3.2程序设计 7 3.2.1程序功能描述与设计思路 7 3.2.2程序流程图 7 4测试方案与测试结果 8 4.1测试方案 8 4.1.1硬件测试 8 4.1.2软件仿真测试 8 4.1.3硬件软件联调 9 4.2测试条件与仪器 9 4.3测试结果及分析 9 5结论与心得 10 6参考文献 11 附录1：电路原理图 11 1系统方案 本章主要是针对智能浇花系统的系统方案的介绍。该系统是通过主控制器获取土壤中的温度和湿度信息，然后主控制器判断是否满足浇水条件，当满足浇水条件时，便控制水泵进行浇水。同时该系统也可以设计一个固定的浇水时间，当达到浇水时间时，主控制器控制水泵进行浇水。 1.1主控制器的论证与选择 针对该浇花系统目前常用的主控制单元有51单片机、MSP430以及STM32等控制器，接下来将对这三种控制器做简单的介绍然后分析选用其中一种的原因，最后对控制系统的方案设计加以分析。 STC89C51RC是使用8051为核的可编程系统芯片，工作的时钟最大频率为80M赫兹，而且其片内含有4K的可擦写Flash只读的程序存储器，其器件兼容MCS-51的标准指令构成的系统和80C51的引脚结构，其片内含有8位通用的中央处理器和快速的Flash的存储单元，拥有可编程的特点，与电脑端的可控制程序（即用户的编写的程序）下载到单片机内部来实现控制，速度别常用的编程器要更快。STC89C51RC这一系列的单片机为单时钟/单机器周期工作的单片机，在8051单片机种是高速且低功耗的一代，具有改善的流水线和精简指令集和专用的复位电路。 MSP430这一系列的单片机是由美国的德州仪器公司全面向销售市场推出的一款位数为16位的具有低功耗的单片机。由于其是一款拥有功耗低和精简指令集的结构，可以根据实际的需求和功能的要求将不同的模拟和数字以及微型处理器安置在一个集成芯片上，用以解决特定的设计方案，因而被又称为混合的信号处理器。MSP430系列的单片机常用于使用电池供电的轻便式的仪器仪表上。 STM32是使用ARM Cortex M 作为处理器的内核而且为 32位的微控制器，给用户提供了了一个改善的比较自由的一个开发空间，同时也有各种各样的容易被用户使用的软件和硬件开发的辅助软件。STM32的中央处理器含有性能全面、实时操作性强、对数字信号的处理、比51和MSP430更低的功耗和电压的特性，而且其也保留集成度很高以及开发方便快捷的特点。因为其强大的系列产品，和处理器达到工业级标准，以及大量越来越完善的软件和硬件所使用的工具，让STM32成为单片机在各种各样的小型的项目和比较好的解决方法的理想选择。 在本次的智能浇水系统中，由于整个系统的民用性(希望价格低)、对精度要求较低(有一定的误差范围)以及整个系统的复杂性较小等因素，可见选用STC89C51RC作为整个系统执行的主要控制器件是一种理想的选择。其可以完全达到系统的设计要求，便捷的开发方式让开发者更容易完成项目要求。 1.2控制系统方案与选择 该系统主要是实现俩方面的内容，一方面是对土壤的温度以及土壤的湿度进行实时的监测，当在湿度和温度在不合适的范围内时，便由主控制器控制浇水；另一方面是设定浇水的时间，当达到该时间时便由主控制器控制浇水。 针对温度传感器和湿度传感器的选择，即可采用独立的温度和湿度传感其对土壤的温度和湿度进行独立的检测，也可以使用将温度和湿度传感器一体的温湿度传感器来进行检测。常用的温度传感器DSB18B20拥有小体积、对硬件电路的设计要求低、有很强的抗干扰能力等特点，在该场合下对土壤的温度检测是可以控制在合理的误差范围内的。市面上湿度传感器也比较常见，具有小体积、便宜、容易使用等有点。将温湿度集成一体的温湿度传感器常表现出高精度价格昂贵封装大等特点。综合考虑本项目的需求选取体积小的价格便宜的独立的温度和湿度传感器是比较合适的。 在对系统的时间控制上，即可采取延时的方案来完成，也可以通过定时器来完成。使用延时的方案是通过不断的延时来控制时间，比较简单但该方法对整个系统的效率有严重的影响。通过定时器来完成是通过单片机的定时系统来完成一定的时间控制，该方法略微复杂需要了解单片机的定是单元，但是可以准确的定时而且对系统的工作效率有明显的改善。考虑到系统的复杂性以及系统所使用的单片机的定时单元比较容易，故而选用定时器的工作方式。 对于系统的固定的时间浇水的设计上，即可单片机的定时功能来计算是否到达胶水的时间，也可通过DS1302时钟管理模块来监测是否到达浇水时间。通过定时器来累积计算的方法，不利于该设定时间的方式，通常定时器的工作需要在电路通电的状态下才可以正常工作，若发生掉电等意外情况，设定的时间功能便不能正常进行。DS1302是一个时间管理模块在单片机掉电的情况下仍然可以获取准确的时间，而且电路简单方便设计。在智能浇水的系统中，时间设定需要保证稳定，不能因掉电等原因导致无法获取准确的浇水时间，固本系统选用使用DS1302的方式来进行浇水时间的设定。 在对系统的电源问题上，既可以通过电池来实现，电池输出通过降压电路与稳压电路整个电路的工作电压控制在5V，该方法的电路设计简单有效；也可以通过市电经变压降压稳压处理后为整个系统提供工作电压，该电路设计体积大而且功耗偏高，设计不方便。针对智能浇水系统的需求，应该简单便携，故选用以电池作为电压来源在经过相应的降压稳压电路来实现为整个电路提供工作电压。 控制系统的方案为，以STC89C51作为主控制器，通过温度传感器DS18B20读取土壤的温度信息，通过湿度检测模块来获取土壤的湿度信息，当温度高于38℃或者湿度低于50%时，主控制器输出信号控制水泵来给花浇水；当温度低于38℃或者湿度大于50%时，则通过主控制器控制水泵工作停止对花的浇水。同时，在自动浇水的方法上，通过DS1302设定一个固定的浇水时间，在单片机获取到该时间时控制水泵执行浇水行为，且利用单片机的定时单元设定浇水的时间为60秒钟，完成后则继续等待下一次的自动浇水时间或者是温度高于38℃和湿度低于50%时，再次执行浇水的功能。在整个电路设计中，电源的管理部分是由电池作为输入电压，然后通过稳压电路将电压稳定在整个电路的正常工作电压上。 2系统理论分析 本章主要是针对智能浇花系统的理论分析。该系统是智能浇水系统，针对系统要实现的共能主要有俩方面，分别为固定时间浇水和土壤环境不好的时候浇水。 固定时间浇水是设定固定的实践让其可以在该时间下开启水泵进行浇花，可见系统中需要有水泵来工作，因为可以设计一个开关器件来开启和关闭水泵；又因为实在固定的时间下进行浇水，可以想到是使用时钟模块来进行时间的管理使系统可以准确的获取浇水的时间从未避免错误的执行浇水破坏话的生长环境。 土壤环境不好时浇水是指在土壤的温度湿度在处在需要进行来浇水改善土壤环境的情况下。可见在该情况下，需要对土壤的温度和湿度进行监测。在温度的检测方面可以采用DS18B20的温度传感器来进行监测，然后通过主控制器获取温度数据；在土壤湿度的检测方面可以采用湿度检测模块来进行检测，然后通过主控制器来读取湿度数据。当温湿度达到需要浇水的条件再由主控制器控制水泵的开关来进行浇水。 3电路与程序设计 本章主要针对智能浇水系统的电路设计和程序设计进行相关说明，电路设计包括系统的中途框架设计以及各，部分的功能设计和电源设计；程序设计包括程序的总体框架设计和程序的流程图。接下来就对各部分进行说明。 3.1电路设计 本系统是针对智能浇花系统，一方面实现在固定时间开启水泵进行浇花，另一方面是在土壤的温度和湿度环境达到需要浇水的条件时，由主控制器开启水泵开关进行浇水。 3.1.1系统总体框架图 本系统是基于51单片机的智能浇花系统，由时钟电路设定固定的浇花时间（可由液晶显示），当到该时间时，由STC89C51单片机控制水泵开关开始浇水。并由温度传感器DS18B20测量土壤的温度并传给STC89C51单片机，由湿度传感器模块测量土壤的湿度变卦传给STC89C51单片机，当单片机读取到的温度数据和湿度数据（可由液晶显示）达到缺水的环境条件，由单片机打开水泵开关开始浇水。在整个电路中电源电路贯穿始终。如图1。 STC89C51单片机 电源电路 时钟电路 温度传感器 湿度传感器 水泵开关 液晶显示电路 按键电路 图1系统总体框架 3.1.2主控制器电路原理图 主控制器电路是由STC89C51为主控制器，其主要包含晶振电路和按键复位电路。晶振电路是保证控制器可以正常工作，按键复位电路是在程序不能正常进行时，使用按键复位电路可以使程序重新运行。外接上拉电阻，可以提高IO的输出能力，以满足相应的设计要求。具体电路如图2。 图2 主控制器电路 3.1.3时钟电路原理图 时钟电路是由DS1302为核心的电路，DS1302是一款常用的时钟芯片，不仅功耗低，而且价格便宜。同时，DS1302时钟芯片可以对年月日，时分秒进行准确的计时。该芯片在单片机掉电的情况下也可以正常计时。该部分电路用于系统中浇水时间的设定。具体电路如图3。 图3时钟电路 3.1.4按键电路 按键电路时使用独立按键的形式设计的，使用的元器件时弹性小按键，该部分电路实现对浇水时间的设定。具体电路如图4 。 图4按键电路 3.1.5液晶显示电路 液晶显示电路是使用LCD1602作为显示原件，该原件可以显示俩行的英文字符有背光设置。该部分电路主要是实现对时间的显示和土壤的温度湿度的数据，以便使用者观察。具体电路如图5. 图5液晶显示电路 3.1.6其他电路 电源电路、温度传感器电路、湿度检测模块可设计几个端子，使用模块市场上的相应模块即可完成。电源电路将带你撸电压稳定在5V供各个电路提供工作电压，温度检测使用DS18B20来进行温度测量，湿度检测使用湿度检测模块来完成，具体的电路可参见附录的原理图。 3.2程序设计 本部分是介绍该系统的程序设计，包括程序的功能和设计思路以及程序的流程图。以下为详细介绍。 3.2.1程序功能描述与设计思路 本系统是基于STC89C51的智能浇水系统，一方面实现在固定时间开启水泵进行浇花，另一方面是在土壤的温度和湿度环境达到需要浇水的条件时，由主控制器开启水泵开关进行浇水。 具体过程为在系统工作的状态下，可由按键设置固定浇花的时间，该部分时间由DS1302时钟模块来进行时间管理，当单片机读取到时钟模块的时间为设定的时间时即开启水泵进行浇水，由定时器控制浇花60秒。在其他的时间段单片机通过温度传感器读取土壤温度以及通过湿度传感器读取湿度，根据读取的数据单片机判断当前土壤的环境条件，当温度高于38℃或者湿度低于50%，则由单片机打开水泵开关进行浇花操作，当不在该范围内则关闭水泵停止浇花。 3.2.2程序流程图 开始