1、陕西理工学院毕业设计I温室大棚自动灌溉控制器设计钟晓（陕理工物理与电信工程学院电子信息工程电子 1103班，陕西 汉中 723000）指导教师：秦伟摘要：本设计是以单片机 STC89C52 为控制核心，利用土壤湿度检测器对温室大棚内的土壤湿度进行检测，实现温室大棚自动控制灌溉。本系统由单片机系统模块、土壤湿度检测模块、温度检测模块、显示模块、报警模块、控制电路模块六个部分组成。通过温度传感器 DS18B20 和土壤湿度传感器采集得到土壤表层的温度和湿度的数据，并且通过单片机控制处理数据，根据测到的土壤湿度的数据，控制继电器开启进行喷灌。此设计能根据不同种植区域农作物对环境温度和土壤湿度的要求实
2、现自动灌溉的目的，并且具有对环境温度和土壤湿度进行检测、设置门限值以及越界报警等功能。关键词：单片机； 土壤湿度传感器； DS18B20； 湿度检测 陕西理工学院毕业设计IIDesign of automatic irrigation controller for greenhouseZhong Xiao(Grade03, Class11, Electronic Information Engineering, College of physical and telecommunication engineering, Shaanxi University of Technology, Han
3、zhong 723000,Shaanxi)Totor: Qin WeiAbstract The design is based on STC89C52 microcontroller as control core, using the soil humidity detector of soil humidity in the greenhouse were detected, realize the greenhouse automatic irrigation control This system consists of microcontroller system module, s
4、oil humidity detection module, temperature detection module, display module, alarm module, control circuit module is composed of six parts The soil surface temperature and humidity data obtained by temperature sensor DS18B20 and soil moisture sensor, and controlled by MCU processing data, according
5、to the measured data of soil moisture, irrigation control relay open. This design according to the different planting area of crops on the environment temperature and soil humidity requirements for automatic irrigation purposes, and has on the environment temperature and soil moisture were detected,
6、 and the threshold value of cross-border alarm function.Keywords Single chip microcomputer； Soil moisture sensor； DS18B20； Humidity detection陕西理工学院毕业设计目录引言 .11设计内容及方案 .21.1设计内容 .21.2方案比较 .21.2.1方案一 .21.2.2方案二 .21.3方案论证 .31.4方案的选择 .32元器件的选择 .42.1单片机的选择 .42.2温度传感器的选择 .42.3湿度传感器的选择 .42.4显示模块的选择 .42.5报警
7、器的选择 .43系统的硬件电路设计 .53.1 硬件系统的简述 .53.2单片机模块的设计 .53.2.1单片机的功能特性的描述 .53.2.2单片机最小系统 .63.3 温湿度采集系统的设计 .73.3.1 温度的测量电路 .73.3.2土壤湿度检测器的介绍 .73.3.3 ADS1286模数转换器 .83.4显示模块的设计 .93.5报警电路的设计 .103.6控制电路的设计 .103.7整体电路的设计 .114软件系统设计 .134.1软件设计的整体思想 .134.2程序流程图设计 .134.3温度传感器流程图设计 .144.4 LCD液晶显示屏流程图设计 .154.5输出控制子程序流程
8、图设计 .165调试 .185.1软件调试 .185.2硬件调试 .185.3 设计中遇到的问题及解决 .186系统功能测试及结果 .196.1测试方法 .196.2测试数据 .196.3测试结果分析 .19结 论 .20致谢 .21参考文献 .22陕西理工学院毕业设计第 0 页 共 25 页引言自改革开放以来，我国的经济增长的非常迅速，这使得农业的研究和应用技术越来越受到重视，尤其是温室大棚已然成为高效农业的一个重要组成部分。在现代化农业中的最重要的一环就是对农业生产环境的一些重要参数进行监测和控制。比如说：空气中二氧化碳的浓度、温度、和湿度、土壤的含水量等。在现代化农业生产中，其中以温室大
9、棚为代表的现代农业设施在现代化农业生产中发挥着巨大的作用。温室大棚内的环境直接关系到农作物的生长，比如：大棚内的温度、湿度与二氧化碳浓度等参数 。国外的温室大棚设施几乎发展到比较完备的程度，而且形成了一定的标准，但是它的价格非常昂贵，与我国气候特点相适应的测试软件比较缺乏。现如今大部分的温室大棚的温度、湿度二氧化碳含量的监测与控制都采用人工管理，这样的测试难免会有精度不准确、劳动强度大及测控不及时等弊端，这样就容易造成不可弥补的损失，结果不仅大大的增加了成本，浪费劳动力资源，而且还很难达到预期的结果。为了促进我国农业的发展，实现高效农业生产的科学化并提高农业研究的准确性，必须广泛发展农业设施与
10、相应的农业工程，科学有效的调节温室大棚内的二氧化碳浓度、温度、湿度，使得大棚内的环境条件有利于农作物的生长。现如今，随着温室大棚的广泛应用，人们对其性能的要求也越来越严格，尤其是为了提高农作物的产量，对温室大棚的自动化程度要求也越来越高。温室大棚对植物栽培有着非常重要的意义，是植物栽培生产中不可缺少的设施之一，温湿度是衡量温室大棚的重要指标，它直接影响农作物的生长和产量，为了能给作物提供一个合适的生长环境，最主要的问题就是提高大棚内的温湿度的监测。因此，在国家提出的倡导“科技农业”“精准农业”的大背景下和新疆蔬菜温室大棚的智能化建设的迫切需求下，为了普遍提高人民的生活水平，解决我国农民普遍收入
11、低的问题，缩小城市与乡村的差距，推动全面小康社会，急切需要价格合理，自动化程度高的农业设备。而单片机及各种电子器件的性价比较高，使得成低成本高性能这种要求得以实现。本设计是针对这一问题，设计能够对土壤进行检测、显示、报警和控制等多功能自动灌溉控制系统。其系统具有性能好，操作容易等优点。系统在其他领域也具有一定的推广价值 1。陕西理工学院毕业设计第 1 页 共 25 页1设计内容及方案1.1设计内容本次设计温室大棚自动灌溉控制器，选择合适的土壤湿度传感器,使系统能持续,长期，自动检测土壤湿度变化信息，并根据作物对土壤湿度的需求生长模型得到灌溉的决策，控制灌溉系统，达到适时适量，精准灌溉的目的。
12、设计要求： 1）熟悉和掌握土壤湿度传感器的原理,能实现土壤湿度和空气温度的检测、显示。 2）土壤湿度和空气温度可通过上位机 PC实时显示。 3）选取一种农作物根据其生长模型得到灌溉的决策，湿度低于设定值时，启动继电器吸合，高于设定值时，继电器断开,达到控制灌溉系统的目的。 1.2方案比较1.2.1方案一采用单片机进行控制。图 1.1 用单片机作为主控制器的控制系统本方案单片机 STC89C52作为核心器件，土壤湿度传感器采集数据通过模数转换器将数据传给单片机，通过 LCD显示电路来显示土壤的温湿度进而通过设置的参数来判断土壤是否需要灌溉，如果土壤比较干燥，需要灌溉则报警电路启动，继电器控制灌溉
13、设备来达到灌溉的目的。在此方案中单片机采用 STC公司生产的单片机 STC89C52芯片作为核心器件，土壤湿度检测器采用的是电阻式土壤湿度检测器，土壤湿度不同其电阻值也不同，通过检测土壤不同湿度下的电阻值来显示土壤的湿度。温度传感器采用数字式温度传感器 DS18B20。模数转换是通过 ADS1286来转换的。报警电路选择蜂鸣器报警。显示电路选择 LCD5110液晶显示屏。1.2.2方案二采用 PLC作为主控制器。图 1.2 用 PLC作为主控制器的控制系统单片机模数转换电路土壤湿度传感器继电器上位机报警电路LCD显示电路灌溉设备 继电器蜂鸣器报警单片机液晶显示单片机温湿度传感器PLC陕西理工学
14、院毕业设计第 2 页 共 25 页采用 PLC的优点是 PLC使用梯形图进行编程，它的编程语言形象直观，而且难度低，所以开发所用的时间段，方便扩展。此外 PLC的抗干扰能力强，工作稳定可靠。在此方案中，温湿度传感器采集数据，将数据传给 PLC，由液晶显示屏显示数据，湿度低于设定值时，启动继电器吸合，高于设定值时，报警电路启动继电器断开,达到控制灌溉的目的。1.3方案论证从两种控制器的功能来说均能满足要求。PLC 大多时候都被用在工业领域，其抗干扰能力强，编程简单。但是本系统是应用于温室大棚，没有工业领域那么多的干扰源。单片机用 C语言编程，和 PLC的梯形图要复杂的多，但是单片机的编程更为灵活
15、，能够实现复杂的功能。就价格方面而言，单片机就比 PLC有很大的优势。一个一般的 PLC也得好几百甚至上千元，而单片机只要几块钱。此外，中国是农业大国，随着温室大棚的越来越普及，农村对温湿度控制系统的需求也会越来越多，虽然单片机的开发周期比较长，但是只要其开发好，后期的生产投入的成本就会很低；而基于 PLC的控制系统由于其高昂的价格，所以不利于温室大棚的应用。1.4方案的选择就性能来说单片机和 PLC系统都可以作为主控制器进行设计，但是就价格方面来说单片机具有很大的优势，综上所述，选择方案一，设计采用单片机作为主控制器。陕西理工学院毕业设计第 3 页 共 25 页2元器件的选择2.1单片机的选
16、择采用 STC公司生产的单片机 STC89C52芯片作为核心器件，STC89C52 芯片沿用了经典的 MCS-51内核，并在其基础上做了很多改进：指令代码完全兼容传统 8051单片机；12 时钟/机器周期和 6时钟/机器周期可以任意选择；具有 8KB可编程 Flash存储器和 512B RAM；无需专用编程器或专用仿真器，可直接使用串口下载。相较于传统的 51单片机，89C52 综合性能更高。本系统需要较高的处理速度和较强的抗干扰性能，STC89C52 作为一款高性能的 CMOS 8位微控制器可以满足这一要求 2。2.2温度传感器的选择采用数字式温度传感器 DS18B20。该传感器是数字式传感
17、器而且只需要一条数据线就可以进行数据传输，和单片机连接比较容易，因为其输出为数字量，所以不需要进行 A/D转换，这就减少了硬件的成本，简化了系统电路。此外，数字式温度传感器还具有测量精度高、测量范围广等优点 3。2.3湿度传感器的选择采用的土壤湿度检测器是电阻式土壤湿度检测器，通过土壤溶液的导电性和土壤水分含量的关系测定土壤湿度。通过检测土壤的电阻值，通过测试土壤的电阻值来观察电压的示数。土壤越干燥，土壤的电阻值越大，电压示数越小。反之亦然。2.4显示模块的选择采用 LCD5110液晶显示器，该液晶屏可以显示 4行汉子，采用串行接口与主处理器通信，接口信号线的数量少，支持多种串行通信协议，可以
18、全速写入数据，不需要等待时间。此外 LCD5110可以通过导电连接模块与印制板，不用连接电缆，用模块上的金属钩就可以将模块固定到印制板上，便于安装和更换。而且 LCD5110模块体积小，采用低电压供电，正常显示时的工作电流一般在200uA以下，在断电的情况下也可以工作 4。2.5报警器的选择报警电路的设计：为了安全起见，设备系统都设有报警系统，用于及时提醒操作人员注意，或者是采取紧急措施。把系统采集到的数据通过计算机，当测量的温度或湿度超过设定值的上下限，警报就会想起。陕西理工学院毕业设计第 4 页 共 25 页3系统的硬件电路设计3.1 硬件系统的简述系统采用单片机对大棚的温度、湿度进行监测
19、，不但有控制方便、简单和灵活性大等特点，还可以提高被控制温度、湿度的技术指标，从而能够大大提高产品的质量和数量。此次设计利用单片机的这些特性对大盘的湿度和温度进行监测，如果采集到的数据超过设定值，则通过喷灌技术进行控制，将室内温度和湿度保持在一个有利于植物生长的的范围内 5。3.2单片机模块的设计3.2.1单片机的功能特性的描述STC89C52是 STC公司生产的一种低功耗、高性能 CMOS8位微控制器，具有 8K在系统可编程Flash存储器。与工业 80C51产品的指令和引脚完全兼容。在单芯片上，拥有灵巧的 8位 CPU和在系统可编程 Flash，使得 STC89C52为众多嵌入式控制应用系
20、统提供高灵活、超有效的解决方案。STC89C52具有以下标准功能：8k 字节 Flash，512 字节 RAM，32 位 I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810 复位电路，3 个 16位定时器/计数器，4 个外部中断，一个 7向量 4级中断结构（兼容传统 51的 5向量 2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89C52可降至 0Hz静态逻辑操作，支持 2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率
21、35MHz，6T/12T 可选 6。STC89C52的引脚结构图如图 3.1所示。图 3.1 STC89C52引脚图VCC：电源电压GND：地P0口：P0 口是一组 8位漏极开路型双向 I/O口，即地址/数据总线复用口，名称为 P0.0-P0.7。 P1口：P1 口是一个带内部上拉电阻的 8位双向 I/O口，名称为 P1.0-P1.7。P2口：P2 口是一个带有内部上拉电阻的 8位双向 I/O口，名称为 P2.0-P2.7。P3口：P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8位双向 I/O口，名称为 P3.0-P3.7。陕西理工学院毕业设计第 5 页 共 25 页RST：复位输出。当振荡器工作时，RS
22、T 引脚出现两个机器周期以上高电平将使单片机复位，复位后程序计数器 PC=0000H。XTAL1：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。 XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。 3.2.2单片机最小系统单片机的最小系统应包含单片机、电源电路、时钟电路和复位电路等，包含的引脚有VCC，GND，XTAL1，XTAL2，RST， /VPP7。图 3.2为单片机最小系统。EA图 3.2 单片机最小系统STC89C52使用 12MHz的晶体振荡器作为振荡源，由于单片机内部带有振荡电路，所以外部只要连接一个晶振和两个电容即可，电容容量一般在 15pF至 50pF之间，该电路选择 22pF的电容。时钟电
23、路的主要任务是给单片机 STC89C52的正常工作提供一个稳定的时钟信号，单片机在这个时钟信号的节奏下逐个地执行指令。单片机的时钟信号的产生方式有两种，一种是外部时钟方式，另一种是内部时钟方式。外部时钟方式是把已有的时钟信号从 XTAL1或 XTAL2送入单片机，该方式一般用于有多个单片机的情况，所以本设计中时钟电路采用的是内部时钟方式，选用 12M的晶振和两个22pF的电容与片内的高增益反相放大器构成一个自激振荡器。 STC89系列单片机为高电平复位，通常在复位引脚 RST上连接一个电容到 VCC，再连接一个电阻到 GND，由此形成一个 RC充放电回路，这样可以保证单片机在上电时 RST脚上
24、有足够时间的高电平进行复位，随后回归到低电平进入正常工作状态。单片机复位电路就好比电脑的重启部分，当电脑在使用过程中出现死机，按下重启按钮电脑内部的程序从头开始执行。单片机也一样，当单片机系统在运行中，受到干扰出现程序跑飞的时候，按下复位按钮内部的程序自动从头开始执行。为了保证单片机系统中的电路能稳定可靠工作，复位能可靠工作，复位电路是不可或缺的一部分，复位电路包括手动复位和上电复位。单片机在开始工作时都需要复位，这样就可以使整个系统处于确陕西理工学院毕业设计第 6 页 共 25 页定的初始状态，从初始状态开始工作。89 系列单片机的复位信号是从 RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。当系
25、统工作状态正常，振荡器稳定后，如果 RST引脚上有一个高电平并且保持 2个机器周期（24 个振荡周期）以上，则 CPU就可以响应并将系统复位。3.3 温湿度采集系统的设计3.3.1 温度的测量电路图 3.3为 DS18B20引脚图。图 3.3 DS18B20引脚图DS18B20数字温度传感器支持“一线总线”接口，测量温度的范围为55125，在-10+85时精度为0.5；适应电压范围宽，电压范围为 3.05.5V，采用外部电源供电的方式。该温度传感器有三个引脚，VCC 为外接供电电源输入端，GND 为电源地，DA 为数字信号输入/输出端 8。图 3.4温度测量电路该温度传感器三个引脚，VCC 接工作电源；GND 接地；DA 接单片机 P2.2口。在该电路中，VCC引脚与 DQ引脚之间接一个上拉电阻，阻值约为 4.7K，使电路不工作时处于高电平。DS18B20 所采集的温度数据经过 ADS1286模数转换器转化为相应的数字信号，然后将数字信号传送给单片机，通过单片机作相应的数据处理得到温度值。3.3.2土壤湿度检测器的介绍土壤湿度检测器原理图如图 3.5所示
