基于單片機溫室自動澆灌系統(tǒng)硬件設(shè)計

1、重慶三峽學(xué)院重慶三峽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）畢業(yè)設(shè)計（論文） 題目題目 基于單片機溫室智能灌溉系統(tǒng)硬件的設(shè)計基于單片機溫室智能灌溉系統(tǒng)硬件的設(shè)計 院院 系系 機械工程學(xué)院機械工程學(xué)院 專專 業(yè)業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化機械設(shè)計制造及其自動化 年年 級級 2011 級級 學(xué)生姓名學(xué)生姓名 張張 建建 飛飛 學(xué)生學(xué)號學(xué)生學(xué)號 201107024354 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 吳光杰吳光杰 職稱職稱 教授教授 完成畢業(yè)設(shè)計（論文）時間完成畢業(yè)設(shè)計（論文）時間 5 年年 月月 目目錄錄第 1 章緒論41.1課題研究的背景41.3課題研究的主要內(nèi)容41.4課題研究的工作原理42.1功能要求52.2設(shè)計思路52.3

2、方案選擇52.3.1傳感器選擇方案52.3.2顯示器選擇方案62.3.3單片機主芯片選擇62.4 總體設(shè)計框圖63.1概述73.2主控模塊設(shè)計73.2.1AT89C52 芯片的簡介73.3土壤濕度系統(tǒng)硬件93.3.1YL-69 土壤濕度傳感器93.3.2 ADC0832 功能特點及引腳103.3.3 ADC0832 的控制原理 113.3.4 繼電器123.4溫度控制系統(tǒng)硬件123.4.1 DS18B20 單線數(shù)字溫度傳感器簡介123.4.2 達林頓反向驅(qū)動器 ULN2803 的簡介 123.4.3LED 數(shù)碼管簡介133.4.4 開關(guān)復(fù)位與晶振電路143.4.5 獨立鍵盤連接電路153.4.

3、6 溫度采集電路163.4.7 風(fēng)扇電機驅(qū)動調(diào)速電路173.5報警模塊183.5.1蜂鳴器及按鍵19第四章 硬件調(diào)試194.1 土壤濕度控制系統(tǒng)194.2 空氣溫度控制系統(tǒng)204.2.1 按鍵部分調(diào)試204.2.1 傳感器 DS18B20 溫度采集調(diào)試204.2.3 電機調(diào)速部分電路調(diào)試20第五章 結(jié)論21致 謝21參考文獻22附 錄23 基于單片機溫室智能灌溉系統(tǒng)硬件的設(shè)計張 建 飛重慶三峽學(xué)院機械工程學(xué)院機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè) 2011 級 重慶萬州 404000 摘要：當(dāng)今農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，溫室大棚發(fā)揮著越來越重要的作用，給人們帶來的經(jīng)濟效益也越來越多。溫室大棚主要是注重控制溫室度利于作物的

4、生長。以前的溫濕度控制靠的是人工控制，大量的造成人力物力的浪費。本次設(shè)計的系統(tǒng)是溫室大棚溫濕度控制澆灌的設(shè)計及工作原理。該系統(tǒng)主要由 AT89C52、溫度傳感器 DS18B20、濕度傳感器 YL-69、液晶顯示 LCD1602、LED 數(shù)碼管、按鍵等構(gòu)成。采用采用濕度傳感器 YL-69 來測土壤濕度，溫度傳感器 DS18B20 測量溫度，測量的數(shù)值，可直接與單片機相連，然后分別反映在 LCD 和 LED 上準(zhǔn)確的數(shù)值。同時可以根據(jù)按鍵來設(shè)置上下值，根據(jù)作物需要的生長環(huán)境設(shè)定適當(dāng)?shù)闹祦砉喔取?關(guān)鍵詞： AT89C52 LCD1602DS18B20 YL-69 LEDAbstract In tod

5、ays agricultural production, greenhouses are playing a more and more important role, for the economic benefits of more and more people. Greenhouses are mainly pay attention to control the greenhouse degree is conducive to the growth of crops. Before the temperature and humidity control by manual con

6、trol, caused a large number of manpower material resources waste. The design of the system is the greenhouses for the design and working principle of temperature and humidity control. The system mainly consists of AT89C52, temperature sensor DS18B20, the humidity sensor YL - 69, LCD display LCD1602,

7、 LED digital tube, buttons, etc. Using the humidity sensor YL - 69 to measure soil moisture, temperature sensor DS18B20 temperature measurement, the value of measurement, which can be directly connected to the microcontroller, then respectively reflected in LCD and LED the accurate values. Can accor

8、ding to the up and down buttons to set the value at the same time, according to the growth environment of crops need to set up the appropriate value to irrigation.Keywords:AT89C52 LCD1602 DS18B20 YL-69 LED第 1 章緒論1.1課題研究的背景 作為世界上的農(nóng)業(yè)大國，隨著社會的不斷進步和發(fā)展，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式已經(jīng)跟不上時代的步伐，新的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式變得越來越受到人們的親睞。對于農(nóng)業(yè)措施，一般指的就是

9、溫室措施，它不受時間空間等局限，可以在戈壁高原深山等特殊情況下工作。隨著發(fā)展，節(jié)水灌溉已成為農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域的主要關(guān)注問題之一，可是由于國內(nèi)外智能灌溉設(shè)施太貴，很難廣泛使用，因此設(shè)計并推廣更經(jīng)濟實用的灌溉設(shè)施就變的很有必要。1.2課題研究的意義由于不同的農(nóng)作物以及溫室花朵需水量的不同，因此合理的澆灌會使作物更好的生長，也符合節(jié)約用水的國家政策方針。本次畢業(yè)設(shè)計的主要包括兩個方面，一是測量，獲取土壤和空氣水分溫度信息，并根據(jù)土壤水分、濕度、空氣溫度和植物需水特性的多少來確定澆水的水量。二是控制，根據(jù)對土壤研究空氣溫度的控制及植物需水特性進行合理的澆水決策，即讓以前靠人類經(jīng)驗手動打開澆灌系統(tǒng)的方式，變

10、成植物所需系統(tǒng)適當(dāng)適時的進行自動灌溉。系統(tǒng)將根據(jù)測量土壤濕度空氣溫度植物有利的生活環(huán)境，經(jīng)過抽水裝置控制灌溉水量的多少，從而最大程度合理使用水資源，阻絕浪費，同時也節(jié)約人力，從而達到智能灌溉的目的。1.3課題研究的主要內(nèi)容設(shè)計提供的智能澆灌的系統(tǒng)，是可以能在沒有人的操作下對植物進行灌溉，在灌溉的過程當(dāng)中,按照植物需要水份的量不一樣，對植物進行灌溉。系統(tǒng)是依據(jù)單片機原理，用檢測土壤濕度的傳感器和溫度的傳感器進行數(shù)據(jù)的采集，而后經(jīng)過按鍵調(diào)整測量的上下限，在進過單片機對收集數(shù)據(jù)的整理及處理，而后判斷外界土壤的濕度和空氣的溫度值，如果土壤濕度低于設(shè)置的下限或者溫度太高，單片機控制水泵灌溉同時蜂鳴器發(fā)出

11、報警，當(dāng)土壤濕度到達上限就停止?jié)补?，從而達到自動澆灌的目的。此次設(shè)計的步驟是：第一，用YL-69 檢測土壤濕度（用 DS18B20 溫度傳感器檢測溫度）；第二，使用 LCD1602 顯示測量的數(shù)據(jù)（用 LED 顯示溫度）；三，通過資料分析和經(jīng)驗總結(jié)最佳環(huán)境對于植物生長及設(shè)置澆灌的上下限；然后，最后，對收集到的數(shù)據(jù)進行分析和處理，利用單片機控制，是否需要澆水。設(shè)計的系統(tǒng)是由硬件部分及軟件部分構(gòu)成的，硬件部分劃分為單片機主控制、土壤濕度和空氣溫度的檢測、上下限值輸入、顯示器顯示數(shù)值、蜂鳴器發(fā)出報警、水泵灌溉六大模塊。1.4課題研究的工作原理此電路最主要的部分在于溫度和濕度的收集、檢測與顯示。主控模

12、塊 AT89C52 單片機用來分析和處理數(shù)據(jù)；YL-69 和 DS18B20 是檢測模塊；溫濕度的上下限值是通過按鍵模塊輸入；顯示模塊是顯示溫度檢測器和土壤濕度檢測器檢測出來的濕度數(shù)值以及其上限數(shù)值；水泵和蜂鳴器是用來執(zhí)行系統(tǒng)命令的。至于軟件程序，和硬件相適應(yīng)，運用的是模塊化。它主要包括了主程序、濕度收集子程序、顯示數(shù)據(jù)子程序、按鍵輸入子程序、執(zhí)行子程序以及系統(tǒng)定時中斷服務(wù)程序等構(gòu)成。此次設(shè)計的系統(tǒng)很靈活，具有較強的交互性，而且可隨時設(shè)置濕度的上下限；設(shè)計系統(tǒng)時，應(yīng)該將軟件和硬件結(jié)合起來，而且個個部件都使用模塊化的設(shè)計思路。實驗測試結(jié)果說明，測量數(shù)據(jù)的誤差小、運行穩(wěn)定，效果可靠，可以很大程度上

13、被廣泛使用。第 2 章系統(tǒng)總體方案設(shè)計2.1功能要求1、用溫度和濕度傳感器，測量數(shù)據(jù)，然后傳輸給單片機；2、單片機利用收集的信號進行分析、處理，然發(fā)給 LCD1602 和 LED 顯示器；3、經(jīng)過 1602LCD 液晶顯示屏和 LED 數(shù)碼管將數(shù)據(jù)反映出來；4、設(shè)置不同的溫度濕度限定值，接入蜂鳴器，實現(xiàn)越限報警；5、當(dāng)溫度達到限定值時繼電器工作模擬降溫，當(dāng)濕度達到限定值時繼電器控制澆灌。2.2設(shè)計思路這次所設(shè)計的濕度控制系統(tǒng)的步驟是：第一，用 YL-69 檢測土壤濕度；第二，使用LCD1602 顯示測量的數(shù)據(jù)；三，經(jīng)過資料和經(jīng)驗判斷植物生長環(huán)境所需值設(shè)置灌溉的上下限值；最終，利用單片機對數(shù)據(jù)進

14、行采集和分析以及處理，來掌控是不是進行灌溉。此次設(shè)計是由硬件和軟件兩部份構(gòu)成，硬件分為單片機控制、上下限值的調(diào)制、檢測土壤濕度、LCD1602 顯示、蜂鳴器報警以及水泵灌溉。溫度控制系統(tǒng)步驟是：使用溫度傳感器 DS18B20 檢測周圍環(huán)境溫度并連接到單片機AT89C51 進行數(shù)據(jù)處理，然后通過 LED 數(shù)碼管來反映目前環(huán)境的溫度和設(shè)置的溫度。然后來控制是不是需要灌溉。同時通過按鍵改動所設(shè)溫度值，變更溫度的上下限值。2.3方案選擇2.3.1傳感器選擇方案在本設(shè)計中濕度傳感器采用的是 YL-69 土壤濕度傳感器，YL-69 傳感器制作簡單，它的原理是濕敏電容，濕敏電容會根據(jù)周圍環(huán)境改變而使其介質(zhì)發(fā)

15、生變化，導(dǎo)致濕敏電容阻值的改變與濕度成正比。濕敏電容特點是響應(yīng)快、高靈敏、小滯量，因此容易集成化和小型化。此次設(shè)計是用 YL-69 傳感器收集數(shù)據(jù)。溫度傳感器選擇選用數(shù)字式的集成溫度傳感器 DS18B20 來檢測溫度數(shù)值。其輸出的數(shù)字信號通過連接的單片機來處理。因為數(shù)字式集成溫度傳感器 DS18B20 集成化高，降低外接轉(zhuǎn)化放大電路的誤差，同時對溫度的分辨率極高。該傳感器能直接輸出數(shù)字量，同時運用了先進的單線技術(shù)，因此該傳感器抗干擾強，簡便，所以選擇它。2.3.2顯示器選擇方案 本設(shè)計由于是溫濕度澆灌設(shè)計，所以溫度和濕度選擇的顯示器根據(jù)需要選擇兩個不同的顯示器。濕度的顯示器顯示內(nèi)容多，所以顯示

16、器需要能夠反映單片機所處理的數(shù)據(jù)。LCD1602 工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示 16x02 即 32 個字符。它是專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等點陣型液晶模塊。而溫度顯示器只顯示溫度就可以所以采用 LED 共陰極數(shù)碼管來顯示溫度，LED 顯示屏成本很低，顯示溫度數(shù)值清晰準(zhǔn)確，功率低，對于軟件設(shè)計的程序也比較簡單，使用率很廣泛。2.3.3單片機主芯片選擇AT89C52 是高性能 CMOS8 位帶 8k 字節(jié) FLASH 儲存的低電壓的單片機，而且 AT89C52 價錢便宜，并且與 MCS-51 系列兼容性好。所以系統(tǒng)中采用 AT89C52 作為控制芯片。2.4 總體設(shè)計框圖本著設(shè)計要用較低成本做

17、出高實用系統(tǒng)的原則，原理圖分濕度和溫度設(shè)計原理圖。圖一為濕度控制原理圖，圖二為溫度控制原理圖。AT89C52單片機電源電路土壤檢測LCD1602 顯示蜂鳴器水泵電路按鍵圖 1 系統(tǒng)原理圖圖 2 系統(tǒng)原理圖第 3 章系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1概述此次設(shè)計共四大模塊組成：主控制模塊、傳感器模塊、LCD 顯示模塊（LED 顯示模塊）和報警模塊，畢業(yè)設(shè)計的核心模塊是主控制模塊，主要是 AT89C52 芯片，它像大腦神經(jīng)中樞一樣連接各個模塊，把所有模塊變成整體并分別實現(xiàn)各個的功能；報警模塊主要的就是單片機和蜂鳴器的連接。通過對實時土壤濕度空氣溫度的檢測，并給定限定值，實現(xiàn)報警并進行灌溉。3.2主控模塊設(shè)計3.2

18、.1AT89C52 芯片的簡介AT89C52 是 51 系列單片機的一種型號 ，它是高性能低電壓的 8 位單片機，內(nèi)部采用 ATMEL 公司的非易失性、高密度存儲技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51 指令系統(tǒng)兼容，同時片內(nèi)置有通用 8 位中央處理器和 8k 字節(jié)的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器ROM 以AT89C52溫度顯示DS18B20獨立鍵盤PWM 驅(qū)動電路直流電機復(fù)位晶振及 256 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器 RAM，在許多許多較復(fù)雜的控制系統(tǒng)中AT89C52 單片機得到了廣泛的應(yīng)用。 AT89C52 有 40 個引腳，各引腳介紹如下：VCC：+5V 電源線；GND：接地線。P0 口：P0.7P0.0，這組

19、引腳共 8 條，其中 P0.7 為最高位，P0.0 為最低位。這 8 條引腳共有兩種不同的功能，分別使用于兩種不同的情況。第一種情況是單片機不帶片外存儲器，P0 口可以作為通用 I/O 口使用，P0.7P0.0 用于傳送 CPU 的輸入/輸出數(shù)據(jù)，此時它需外接一上拉電阻才能正常工作。第二種情況是單片機帶片外存儲器，其各引腳在 CPU 訪問片外存儲器時先是用于傳送片外存儲器的低 8 位地址，然后傳送 CPU 對片外存儲器的讀寫數(shù)據(jù)4。P1 口：P1 口是一個內(nèi)部含上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。它也可作為通用的 I/O 口使用，與 P0 口一樣用于傳送用戶的輸入輸出數(shù)據(jù)，所不同的是它片內(nèi)含上

20、拉電阻而 P0 口沒有，故 P0 口在做該用途時需外接上拉電阻而 P1 口則無需。在 FLASH 編程和校驗時，P1 口用于輸入片內(nèi) EPROM 的低 8 位地址。 P2 口：P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，它可以作為通用 I/O 口使用，傳送用戶的輸入/輸出數(shù)據(jù)，同時可與 P0 口的第二功能配合，用于輸出片外存儲器的高 8 位地址，共同選中片外存儲單元，但此時不能傳送存儲器的讀寫數(shù)據(jù)。在一些型號的單片機中，P2 口還可以配合 P1 口傳送片內(nèi) EPROM 的 12 位地址中的高 4 位地址。P3 口：P3 口引腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，當(dāng) P3 口寫

21、入 1 后，它們被內(nèi)部上拉為高電平。它也可作為通用的 I/O 口使用，傳送用戶的輸入輸出數(shù)據(jù)，P3 口也作為一些特殊功能端口使用，如下所示：P3.0：RXD（串行數(shù)據(jù)接收口）P3.1：TXD（串行數(shù)據(jù)發(fā)送口）P3.2：（外部中斷 0 輸入）0INTP3.3：（外部中斷 1 輸入）1INTP3.4：T0（記數(shù)器 0 計數(shù)輸入）P3.5：T1（記時器 1 外部輸入）P3.6：（外部 RAM 寫選通信號）WRP3.7：（外部 RAM 讀選通信號） RDRST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平狀態(tài)。ALE/：地址鎖存允許/編程線，當(dāng)訪問片外存儲器時，在 P0.7P0

22、.0 引腳線上PROG輸出片外存儲器低 8 位地址的同時還在 ALE/線上輸出一個高電位脈沖，其下降沿PROG用于把這個片外存儲器低 8 位地址鎖存到外部專用地址鎖存器，以便空出 P0.7P0.0 引腳線去傳送隨后而來的片外存儲器讀寫數(shù)據(jù)。在不訪問片外存儲器時，單片機自動在 ALE/線上輸出頻率為 1/6 晶振頻率的脈沖序列。PROG：外部程序存儲器 ROM 的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器PSEN周期兩次有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的信號將不出現(xiàn)。PSENPSEN/VPP：允許訪問片外存儲器/編程電源線，當(dāng)保持低電平時，則在此期間允許EAEA使用片外程序存儲器，

23、不管是否有內(nèi)部程序存儲器。當(dāng)端保持高電平時，則允許使用EA片內(nèi)程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（VPP）。XTAL1 和 XTAL2：片內(nèi)振蕩電路輸入線，這兩個端子用來外接石英晶體和微調(diào)電容，即用來連接單片機片內(nèi) OSC 的定時反饋回路。圖 3 AT89C52 引腳圖3.3土壤濕度系統(tǒng)硬件3.3.1YL-69 土壤濕度傳感器在本設(shè)計中濕度傳感器采用的是 YL-69 土壤濕度傳感器，YL-69 傳感器制作簡單，它的原理是濕敏電容，濕敏電容會根據(jù)周圍環(huán)境改變而使其介質(zhì)發(fā)生變化，導(dǎo)致濕敏電容阻值的改變與濕度成正比。濕敏電容特點是響應(yīng)快、高靈敏、小滯量，因此容易

24、集成化和小型化。本次設(shè)計所用的 YL-69 濕度傳感器原理圖如圖 4，JP2 位 YL-69 探頭。圖 4 YL-69 與 AD 轉(zhuǎn)化電路3.3.2 ADC0832 功能特點及引腳ADC0832是NationalSemiconducton公司研發(fā)生產(chǎn)的一種串行接口8位A/D轉(zhuǎn)換器，ADC0832具有高性價比功率低特點，適用于小型設(shè)備里。ADC0832是8位分辨率的，所以其分辨率最高級能夠達到256級，一般的模擬量都不成問題。ADC0832的數(shù)據(jù)校對是通過雙數(shù)據(jù)輸出來完成的，這是為了達到減少誤差的目的，轉(zhuǎn)換的速度快并且有很強的穩(wěn)定性。ADC0832為了減少數(shù)據(jù)的誤差，其校對數(shù)據(jù)是使用具雙數(shù)據(jù)的，

25、有較快轉(zhuǎn)換速度并且穩(wěn)定性強。ADC0832能夠獨立輸入，因此處理器能夠更方便的控制多個器件。使用DI端進行數(shù)據(jù)輸入，可以讓通道功能的選擇變的簡單。其主要特點如下：8 位分辨率，基準(zhǔn)電壓為 5V；功耗低僅僅為 15mW。5V 的電源供電；輸入和輸出電平與 CMOS 及 TTL 兼容；輸入模擬信號的電壓范圍在 0 到 5V 之間；有兩種可以供給選擇的模擬輸入通道；在時鐘頻率為 250KHZ 時，轉(zhuǎn)換時間是 32us；ADC0832 有 DIP 和 SOIC 兩類，DIP 的 ADC0832 引腳排列如圖 5 所示。各引腳說明如下：CS片選端，低電平有效。CH0，CH1兩路模擬信號的輸入端。DI數(shù)據(jù)

26、信號輸入，選擇通道控制。DO數(shù)據(jù)信號輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。CLK串行時鐘輸入端。Vcc/REF電源的輸入和參考電壓輸入。GND電源地。圖 5 ADC0832 引腳圖3.3.3 ADC0832 的控制原理ADC0832在通常的情況下有4個引腳與單片機相連，這4個引腳分別為CLK、DI、CS、DO。由于ADC0832的在通信并不是會同時使用DO端口和DI端口，并且DO和DI端口與單片機的接口是雙向的，所以在設(shè)計電路中可以用一根線將DO端和DI端連接到一起。在ADC0832沒有運行時，它的端口CS為高電平，這個時候芯片將會禁止，DO/DI和CLK可以為任意電平。如果需要進行A/D轉(zhuǎn)換，那么CS端口必須

27、為低電平并且需要保持到A/D轉(zhuǎn)換完成為止。在芯片開始工作的時候，處理器將會向ADC0832的時鐘輸入端CLK提供時鐘脈沖，DI端口將會進行數(shù)據(jù)信號的選擇 ，在第1個時鐘脈沖信號來到前，DI端口一定要是高電平，這就表示ADC0832啟動。在第2、3個時鐘脈沖到來以前，DI端口應(yīng)該輸入2位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能，其功能項如表1所示。表 1 ADC0832 的配置位 配置位選擇通道輸入形式CH0CH1CHOCH100+-差分輸入01-+10+單端輸入11+如表1所看到的，在配置位CH0與CH1的數(shù)字為1、0時，僅僅可以對CH0進行單通道轉(zhuǎn)換。在配置位CH0與CH1數(shù)字為1、1時，僅僅可以對CH1進行單

28、通道轉(zhuǎn)換。在配置位CH0與CH1數(shù)字為0、0時，正輸入端IN+為CH0和負輸入端IN-為CH1，將其兩者進行輸入。在配置位CH0與CH1數(shù)字為0、1時，負輸入端IN-位CH0，正輸入端IN+位CH1，將其兩者進行輸入。在第三個脈沖來到以后，DI 端口就失去了輸入電平的功能，在這以后 DI/DO 端就會開始通過 DO 數(shù)據(jù)輸出端進行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取。從第四個時鐘脈沖起，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的最高位 D7 將由DO 端口輸出。直到最低位數(shù)據(jù)從第 11 個脈沖發(fā)出時，這就完成了一個字節(jié)數(shù)據(jù)的輸出。與此同時相反字節(jié)數(shù)據(jù)也將輸出，這是從第 11 個時鐘脈沖開始輸出的。從第 11 個到第 19個輸出 8 個時鐘脈沖，到

29、 19 個時鐘脈沖輸出之后，A/D 轉(zhuǎn)換即完成了一次。在將 CS 設(shè)置為高電平，使得芯片不能夠使用，最后對轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進行預(yù)訂的處理就可以了。3.3.4 繼電器繼電器的作用是電控制，當(dāng)輸入量達到器件所規(guī)定的值時，在電氣輸出的電量里會被控制發(fā)生預(yù)定階躍變化的一種電器。繼電器的輸出和輸入回路是相互有關(guān)聯(lián)的。繼電器經(jīng)常出現(xiàn)在需要自動控制電路中，可以看做用小電流控制大電流的開關(guān)。所以繼電器用于電路的保護和自動開關(guān)等功用。，本次設(shè)計用的是電磁繼電器，電磁繼電器一般是有鐵芯、線圈、銜鐵及觸點簧片等組成的。當(dāng)電流流過線圈時，繼電器里就會因為電磁效應(yīng)而產(chǎn)生磁力，由于有了磁力，就會把銜鐵吸附，到達常開觸點，形成回

30、路使電機 M 工作。當(dāng)沒有電流時，線圈就不會產(chǎn)生電磁效應(yīng)也就沒有磁力吸附銜鐵，銜鐵就會被彈簧拉回去斷開電路，所以通過接通和斷開電源就可以控制電路的開閉。圖 6 繼電器控制水泵圖 6 中 Q2PNP 型三級管的 b 基級電位低時，三極管通，繼電器使 K1 單刀雙擲開關(guān)向右邊偏離，電路連通，電機工作，D2LED 亮，水泵就會抽水。3.4溫度控制系統(tǒng)硬件3.4.1 DS18B20 單線數(shù)字溫度傳感器簡介DS18B20 數(shù)字溫度傳感器 ，是美國 DALLAS 半導(dǎo)體公司研發(fā)生產(chǎn)的 DS18B20 可組網(wǎng)數(shù)字溫度傳感器芯片封裝而成 ，傳感器具有低功耗 、微型化、高性能、抗干擾能力強、易配微處理 器等優(yōu)點

31、，可直接將溫度轉(zhuǎn)化成串行數(shù)字信號供處理器處理。DS18B20 的主要特征：測量的結(jié)果直接以數(shù)字信號的形式輸出，以“一線總線”方式串行傳送給 CPU，同時可傳送 CRC 校驗碼，具有極強的抗干擾糾錯能力；溫度測量范圍在-55+125之間，在-10+85時精度為0.5；可檢測溫度分辨率為 912 位，對應(yīng)的可分辨溫度分別為 0.5，0.25，0.125和 0.0625，可實現(xiàn)高精度測溫；它單線接口的獨特性，使它與微處理器連接時僅需一條端口線即可實現(xiàn)與微處理器的雙向通信；支持多點組網(wǎng)功能，即多個 DS18B20 可以并聯(lián)在唯一的三線上，實現(xiàn)組網(wǎng)多點測溫的功能；工作電壓范圍寬，其范圍在 3.05.5V

32、3。DS18B20 內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要有四部分：64 位 ROM、溫度傳感器、非揮發(fā)的溫度報警觸發(fā)器TH 和 TL、配置寄存器。其管腳有三個，其中 DQ 為數(shù)字信號端，GND 為電源地，VDD 為電源輸入端。3.4.2 達林頓反向驅(qū)動器 ULN2803 簡介本系統(tǒng)要用單片機控制風(fēng)扇直流電機，需要加驅(qū)動電路，為直流電機提供足夠大的驅(qū)動電流。在本系統(tǒng)驅(qū)動電路中，選用達林頓反向驅(qū)動器 ULN2803 來驅(qū)動風(fēng)扇直流電機。ULN2803 在使用時接口簡單，操作方便，可為電機提供較大的驅(qū)動電流，它實際上是一個集成芯片，單塊芯片可同時驅(qū)動 8 個電機。每個電機由單片機的一個 I/O 口控制，單片機I/O 口輸出

33、的為 5V 的 TTL 信號。ULN2803 由 8 個 NPN 達林頓晶體管組裝而成，共 18 個引腳，引腳 18 分別是 8 路驅(qū)動器的輸入端，輸入信號可直接是 TTL 或 CMOS 信號；引腳 1118 分別是 8 路驅(qū)動器的輸出端；引腳 9 為接地線，引腳 10 為電源輸入。當(dāng)輸入 TTL 信號為 5V 或 CMOS 信號為 615V 時，輸出的最大電壓為 50V，最大電流為 500mA，工作溫度范圍為 070。本系統(tǒng)選用的電機為12V 直流無刷電機，可用 ULN2803 來驅(qū)動。3.4.3LED 數(shù)碼管簡介 本系統(tǒng)選用五個 LED 數(shù)碼管來進行溫度顯示。LED 又稱為數(shù)碼管，它主要是

34、由 8段發(fā)光二極管組成的不同組合，其中 ag 為數(shù)字和字符顯示段，dp 為小數(shù)點的顯示，通過ag 這 7 個發(fā)光二極管點亮的不同組合，可以顯示 09 和 AF 共 16 個數(shù)字和字母。LED數(shù)碼管可以分為共陰極和共陽極兩種結(jié)構(gòu)，如下圖 3.4.3(a)和圖 3.4.3 (b) 所示。共陰極結(jié)構(gòu)把 8 個發(fā)光二極管陰極連在一起，共陽極結(jié)構(gòu)把 8 個發(fā)光二極管陽極連在一起。通過單片機引腳輸出高低電平，可使數(shù)碼管顯示相應(yīng)的數(shù)字或字母，這種使數(shù)碼管顯示字形的數(shù)據(jù)稱字形碼，又稱段選碼5。dpgfedcbadpgfedcbaRx8Rx8 圖 3.4.3 七段 LED 數(shù)碼管表 3.4.3 7 段 LED

35、的段選碼表顯示字符共陰極段碼共陽極段碼顯示字符共陰極段碼共陽極段碼03fHC0H87fH80H106HF9H96fH90H25bHA4HA77H88H34fHB0HB7fH83H466H99HC39HC6H56dH92HD3fHA1H67dH82HE79H86H707HF8HF71H8EH一個共陰極數(shù)碼管接至單片機的電路，要想顯示數(shù)字“7”須 a、b、c 這 3 個顯示段發(fā)光 （即這 3 個字段為高電平）只要在 P0 口輸入 00000111（07H）即可。這里 07H 即為數(shù)字 7 的段選碼。字形與段選碼的關(guān)系見表 3.4.3 所示。3.4.4 開關(guān)復(fù)位與晶振電路在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，除單片機

36、本身需要復(fù)位以外，外部擴展 I/O 接口電路也需要復(fù)位，因此需要一個包括上電和按鈕復(fù)位在內(nèi)的系統(tǒng)同步復(fù)位電路。單片機上的 XTAL1 和XTAL2 用來外接石英晶體和微調(diào)電容，即用來連接單片機片內(nèi) OSC 的定時反饋回路。本設(shè)計中開關(guān)復(fù)位與晶振電路如下圖所示，當(dāng)按下按鍵開關(guān) S1 時，系統(tǒng)復(fù)位一次。其中電容C1、C2 為 20pF，C3 為 10uF，電阻 R2、R3 為 10k，晶振為 11.0592MHz。g fbaedcdpgndgnd數(shù)碼管引腳分配圖a.共陰極b.共陽極圖 3.4.4 系統(tǒng)復(fù)位與晶振電路3.4.5 獨立鍵盤連接電路鍵盤包括 2 個獨立按鍵 S2 和 S3，一端與單片機的

37、 P1.3 和 P1.4 口相連，另一端接地，當(dāng)按下任一鍵時，P1 口讀取低電平有效。系統(tǒng)上電后，進入鍵盤掃描子程序，以查詢的方式確定各按鍵，完成溫度初值的設(shè)定。其中按鍵 S1 為加按鍵，每按下一次，系統(tǒng)對最初設(shè)定值加一，按鍵 S2 為減按鍵，每按下一次，系統(tǒng)對初設(shè)定值進行減一計算。其接線圖如下：圖 3.4.5 獨立鍵盤連接電路3.4.6 溫度采集電路DS18B20 數(shù)字溫度傳感器通過其內(nèi)部計數(shù)時鐘周期來的作用，實現(xiàn)了特有的溫度測量功能。低溫系數(shù)振蕩器輸出的時鐘信號通過由高溫度系數(shù)振蕩器產(chǎn)生的門周期而被計數(shù)，計數(shù)器預(yù)先置有與-55相對應(yīng)的一個基權(quán)值。如果計數(shù)器計數(shù)到 0 時，高溫度系數(shù)振蕩周期

38、還未結(jié)束，則表示測量的溫度值高于-55，被預(yù)置在-55的溫度寄存器中的值就增加1，然后這個過程不斷重復(fù)，直到高溫度系數(shù)振蕩周期結(jié)束為止。此時溫度寄存器中的值即為被測溫度值，這個值以 16 位二進制形式存放在存儲器中，通過主機發(fā)送存儲器讀命令可讀出此溫度值，讀取時低位在前，高位在后，依次進行。由于溫度振蕩器的拋物線特性的影響，其內(nèi)用斜率累加器進行補償 6。DS18B20 在使用時，一般都采用單片機來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。只須將 DS18B20 信號線與單片機 1 位 I/O 線相連，且單片機的 1 位 I/O 線可掛接多個 DS18B20，就可實現(xiàn)單點或多點溫度檢測7。在本設(shè)計中將 DS18B20 接在

39、 P1.7 口實現(xiàn)溫度的采集。其與單片機的連接如圖3.4.7。圖 3.4.7 溫度采集電路3.4.7 風(fēng)扇電機驅(qū)動與調(diào)速電路本設(shè)計中由單片機的 I/O 口輸出 PWM 脈沖，通過一個達林頓反向驅(qū)動器 ULN2803 驅(qū)動12V 直流無刷風(fēng)扇電機以及實現(xiàn)風(fēng)扇電機速度的調(diào)節(jié)。鍵盤控制設(shè)置溫度，通過軟件向單片機輸入相應(yīng)控制指令，由單片機通過 P1.7 口輸出與轉(zhuǎn)速相應(yīng)的 PWM 脈沖，經(jīng)過 ULN2803 驅(qū)動風(fēng)扇直流電機控制電路，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速與啟停的自動控制8。當(dāng)環(huán)境溫度升高時，直流電機的轉(zhuǎn)速會相應(yīng)按照設(shè)定的等級有所提高；當(dāng)環(huán)境溫度下降時，電機的轉(zhuǎn)速會相應(yīng)的下降；當(dāng)環(huán)境溫度低于設(shè)置溫度時，電機停止

40、轉(zhuǎn)動，而環(huán)境溫度又高于預(yù)設(shè)溫度時，電機重新啟動。電路如圖 2.2.5 所示，風(fēng)扇電機的一端接 12V 電源，另一端接 ULN2803 的 OUT7 引腳，ULN2803 的 IN7 引腳與單片機的 P3.1 引腳相連，通過控制單片機的P3.1引腳輸出 PWM 信號，由此控制風(fēng)扇直流電機的速度與啟停。圖 3.4.8 風(fēng)扇電機驅(qū)動與調(diào)速電 系統(tǒng)選用的風(fēng)扇電機為 12V 直流無刷電機，單達林頓反向驅(qū)動器 ULN2803 輸入 TTL信號為 5V 或 CMOS 信號為 615V 時，輸出的最大電壓為 50V，最大電流為 500mA，工作溫度范圍為 070。本系統(tǒng)中單片機 I/O 口輸出的 TTL 信號

41、為 5V，因此此風(fēng)扇電機可以用ULN2803 來驅(qū)動。3.5報警模塊3.5.1蜂鳴器及按鍵 蜂鳴器：蜂鳴器位本系統(tǒng)中涉及的報警系統(tǒng)部分，其電路圖結(jié)構(gòu)如圖 7 所示。當(dāng) PNP三極管導(dǎo)通時，蜂鳴器響起。圖 7 蜂鳴器報警按鍵：按鍵設(shè)計如圖 8 所示。S1 位復(fù)位鍵、S2 位設(shè)置濕度值的按鍵、S3 濕度值調(diào)整加鍵、S4 濕度值調(diào)整減鍵。圖 8 按鍵電路第 4 章硬件調(diào)試4.1 土壤濕度控制系統(tǒng)調(diào)試根據(jù)電路原理圖，焊接出實物，在將程序燒錄到AT89C51單片機中。接通電源，改變土壤濕度值，觀察實物是否正常運行。若正常運行則不需要進行硬件的調(diào)試工作，反之需要進行硬件的調(diào)試。調(diào)試步驟如下：1、 檢查電路

42、板電路焊接是否正確及各部件是否松動和安裝正確；2、 用萬用表檢查是否有虛焊、引腳短路現(xiàn)象；3、 測試元件是否毀壞；測試結(jié)果與結(jié)論1、 本系統(tǒng)經(jīng)過一段時間的運行檢測，工作正常，說明本系統(tǒng)穩(wěn)定性良好；2、 系統(tǒng)可以在不同的土壤濕度條件下進行正常的工作，與理論相符，說明程序正確；系統(tǒng)可以快速準(zhǔn)確的測量出土壤的濕度，因此認(rèn)為系統(tǒng)在響應(yīng)時間上能滿足要求4.2 空氣溫度控制系統(tǒng)調(diào)試4.2.1 按鍵顯示部分的調(diào)試 系統(tǒng)按鍵部分實現(xiàn)了以下功能：按下 P1.3 口鍵，LED 的后兩位顯示溫度值增一；按下P1.4 口鍵，LED 的后兩位顯示溫度值減一。調(diào)試過程中出現(xiàn)了當(dāng)按鍵時間過長時，設(shè)置的溫度值不是增一或者減一

43、，而是增加后減少幾個值，出現(xiàn)這種情況的主要元嬰可能是按鍵的去抖動延時時間過長造成，改進方法為將對應(yīng)的按鍵去抖動延時時間適量增加，但也不應(yīng)過長，否則將出現(xiàn)按鍵無效的情形。系統(tǒng)顯示部分實現(xiàn)了以下功能：LED 顯示的前三位實現(xiàn)了環(huán)境溫度整數(shù)部分與小數(shù)部分的連續(xù)顯示，LED 的后兩位能根據(jù)按鍵的調(diào)整顯示所需要的設(shè)計溫度。且 LED 的顯示效果很好，很穩(wěn)定。4.2.2 傳感器 DS18B20 溫度采集部分調(diào)試將 DS18B20 芯片接在系統(tǒng)板對應(yīng)的 P3.1 口，通過插針在對應(yīng)系統(tǒng)板的右下側(cè)三口即為對應(yīng)的 VCC、P3.1 和 GND，可將芯片直接插在該插針上，因此即為方便。系統(tǒng)調(diào)試中為驗證 DS18B

44、20 是否能在系統(tǒng)板上工作，將手心靠攏或者捏住芯片，即可發(fā)現(xiàn) LED 顯示的前兩位溫度也迅速升高，驗證了 DS18B20 能在系統(tǒng)板上工作。由于 DS18B20 為 3 個引腳，因此在調(diào)試過程中因注意其各個引腳的對應(yīng)位置，以免將其接反而是芯片不能工作甚至燒毀芯片。4.2.3 電動機調(diào)速電路部分調(diào)試系統(tǒng)本部分的設(shè)計中重在軟件設(shè)計，因為外圍的驅(qū)動電路只是將送來的 PWM 信號放大從而驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。系統(tǒng)軟件設(shè)置在 P3.1 口輸出使電機轉(zhuǎn)動的 PWM 占空比，當(dāng)環(huán)境溫度高于設(shè)置溫度時，電機開始轉(zhuǎn)動，若此時用高于環(huán)境溫度的熱源靠近測溫芯片 DS18B20 時，發(fā)現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)速在升高，并越來越快，當(dāng)達到一

45、定值時，發(fā)現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)速不再升高；將熱源離開測溫芯片 DS18B20 時，發(fā)現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)速開始下降，轉(zhuǎn)速達到一定值時，若將設(shè)置溫度升高到環(huán)境溫度以上，發(fā)現(xiàn)電機又停止了轉(zhuǎn)動。系統(tǒng)采用的直流電機為 12V 的額定電壓，而該驅(qū)動電路在采用單片機電源時的輸出電壓最高不過 5V，因此在調(diào)試過程中只采用了原有的 5V 直流電機來調(diào)試，且得到了可觀的控制效果。第 5 章 結(jié)論本次設(shè)計的智能溫室灌溉系統(tǒng)，是以單片機為主設(shè)計的自動灌溉電子類裝置，通過傳感器對信息進行采集然后通過單片機進行數(shù)據(jù)分析和處理，然后傳到顯示器上面，通過單片機對各個模塊的控制，最終決定是不是需要灌溉。這次的智能溫室灌系統(tǒng)有兩個部分，一部分是土

46、壤濕度的檢測，然后通過單片機反映的LCD上，然后由單片機判斷是否灌溉。一部分是空氣溫度檢測，通過溫度傳感器傳到單片機并顯示到LED，由單片機判斷是不是需要澆灌。這次設(shè)計的澆灌系統(tǒng)的智能性在于傳感器所檢測的數(shù)值達到顯示器所設(shè)值，當(dāng)濕度低于下限值或者溫度高于上限值時，單片機就會控制繼電器，通過繼電器控制進行澆灌。當(dāng)濕度高于上限值或者溫度低于下限值時，就會使繼電器停止工作，停止灌溉。 致 謝 大學(xué)美好的生活隨著畢業(yè)論文的完結(jié)即將結(jié)束。大學(xué)四年的學(xué)習(xí)生涯將要畫上一個完美句號，又是一年畢業(yè)季，有些淡淡的傷感。在完成畢業(yè)設(shè)計以及論文中，我的導(dǎo)師吳光杰教授給了我很大的幫助，孜孜不倦，引導(dǎo)我們一步一步的去完成畢業(yè)設(shè)計，其中在實物的指導(dǎo)和論