《基于51單片機的自動智能澆花系統(tǒng)設(shè)計》6000字（論文）

摘要本次畢業(yè)設(shè)計以STC89C52單片機電路為核心來控制各個部分的電路正常工作，其中顯示電路是由4位共陽數(shù)碼管組成的，另外還包括控制電路以及感受土壤濕度變化的傳感器電路，除此之外整體電路還包括采樣、按鍵、電源電路等電路REF_Ref18106\r\h[1]。植物生長所在的土壤濕度信息通過系統(tǒng)濕度傳感器測得，并經(jīng)采樣芯片將檢測的模擬量的信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，然后輸送到單片機中，系統(tǒng)的單片機再對信息進行處理和分析，并將相關(guān)信息通過輝光管顯示器顯示出來。系統(tǒng)通過比對分析所測地土壤濕度值與系統(tǒng)參數(shù)的大小控制微型水泵是否澆水以及澆水量的多少。本設(shè)計系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)可以通過按鍵進行設(shè)定。本設(shè)計實現(xiàn)了在沒有任何人操作的情況下，系統(tǒng)能夠根據(jù)植物生長所在土壤濕度的信息自動給所養(yǎng)的植物澆水。本次所精心設(shè)計的智能澆水系統(tǒng)具備體積小、成本低、耗能少、能自動控制澆水量的特點。關(guān)鍵詞STC89C52單片機；土壤濕度檢測模塊；ADC0832；數(shù)碼管。0引言生活越來越好人們對盆花、多肉植物等觀賞性植物的熱愛和種植逐漸多了起來。越來越多的人發(fā)現(xiàn)在屋內(nèi)或者庭院養(yǎng)些綠色植物可以美化環(huán)境，增添生活色彩。同時綠色植物可以進行吸收二氧化碳并釋放氧氣的光合作用，能夠起到凈化房屋內(nèi)空氣的重要作用。因此，在家里的陽臺等一些空閑地方養(yǎng)些好看的綠色植物已被非常多的人所喜愛。眾所周知，植物的生長發(fā)育是離不開水的，離開了水綠色植物就很難存活。所以，在家里養(yǎng)綠色植物是需要定期給它澆水的。但是，在現(xiàn)實生活中人們有時會或多或少的忘記給養(yǎng)的植物澆水。研究發(fā)現(xiàn)，不同種類的植物或者同種類不同生長階段的植物對水量的需求是不相同的。所以，能夠根據(jù)植物正常生長所需水量合理地給綠色植物澆水能使它更好的生長。同時也能避免過度用水起到節(jié)約用水的作用。當前許多盆花自動澆水器已經(jīng)出現(xiàn)在市場上。通過調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)這些自動澆水器大部分只能是設(shè)定一個定時澆水的時間，澆水器根據(jù)設(shè)定的時間對植物進行定時澆水，很難做到根據(jù)植物所需水量給植物自動適時適量澆水。因此，能根據(jù)植物所需水量給植物適時適量澆水的自動澆水系統(tǒng)更受人們的青睞。所以，本次設(shè)計不僅滿足用戶的需求還顧及了植物需水特性：將傳統(tǒng)人工澆水方式變化為能夠根據(jù)植物生長所處的土壤濕度信息和植物生活生長習性澆灌裝置自動進行合理地、按植物所需灌溉控制。本次設(shè)計的系統(tǒng)根據(jù)所測土壤濕度再結(jié)合由植物生活習性而設(shè)定的閾值，來控制對植物的給水量，從而使得植物能夠得到所需的合適的水分，同時節(jié)省了人們的精力。1硬件電路總體設(shè)計1.1系統(tǒng)整體功能分析和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計1.1.1系統(tǒng)功能整體分析本次畢業(yè)設(shè)計以STC89C52單片機電路為核心來控制各個部分的電路正常工作，其中顯示電路是由4位共陽數(shù)碼管組成的，另外還包括控制電路以及感受土壤濕度變化的傳感器電路，除此之外整體電路還包括采樣、按鍵、電源電路等電路REF_Ref18929\r\h[2]。系統(tǒng)傳感器所測得的濕度值通過數(shù)碼管（輝光管）實時顯示。系統(tǒng)按鍵說明：本系統(tǒng)設(shè)計有設(shè)置鍵、加鍵和減鍵。濕度的上限和下限值可以通過按鍵進行設(shè)置，系統(tǒng)擁有掉電保存的功能，掉電后數(shù)據(jù)不會丟失，上電不用再重新設(shè)置。當傳感器所測植物生長所處土壤濕度值低于下限值時，系統(tǒng)將自動打開微型水泵進行抽水并自動灌溉；當植物生長所處土壤濕度值高于上限值時，系統(tǒng)將自動斷開水泵停止灌溉。當傳感器所測植物生長所處土壤濕度值處于下限值和上限值二者之間時，可以通過按鍵來控制水泵的暫停與啟動，具體來說就是：按減鍵是對微型水泵進行抽水灌溉的控制，相反按加鍵會使微型水泵停止灌溉。1.1.2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)本次畢業(yè)設(shè)計總的系統(tǒng)框架如圖1所示：圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖1.2各組成模塊電路的設(shè)計1.2.1單片機控制電路的設(shè)計本次畢業(yè)設(shè)計的控制中心采用的是STC89C52RC單片機。它的優(yōu)點是低功耗和高性能。單片機相關(guān)引腳說明：P1.0~P1.7：8位準雙向I/O口。RST/VPD：復位端（高電平有效）。P3.0/RXD：串行口輸入端。P3.1/TXD：負責串行口輸出。P3.2/INT0：外部中斷0輸入端。P3.3/INT1：外部中斷1輸入端。P3.4/T0：記時器/定時器0外部輸入端。P3.5/T1：記時器/定時器1外部輸入端。P3.6/WR：片外數(shù)據(jù)存儲器寫選通信號輸出端。P3.7/RD：片外數(shù)據(jù)存儲器讀選通信號輸出端。XTAL2:接外部晶體振蕩器的一端。XTAL1：接外部晶體振蕩器的另一端。GND：接地。VCC：電源（供電）電壓。圖2所示為51單片機的各引腳示意圖：圖251單片機各引腳示意圖51單片機最小系統(tǒng)說明：51單片機最小系統(tǒng)包括時鐘電路、復位電路和電源電路，這三部分是單片機正常工作的基礎(chǔ)REF_Ref19138\r\h[3]。圖3是單片機最小系統(tǒng)電路連接圖。圖3單片機最小系統(tǒng)電路圖圖3電路中由電容值為10uf的電解電容EC1和阻值為10K的電阻R1以及按鍵組成的是復位電路。JD1為51單片機的下載接口。由電容C1、電容C2和晶振Y1組成的是系統(tǒng)正常工作必不可缺的時鐘電路。單片機的GND和VCC引腳是為單片機提供電源的電源引腳。1.2.2電源電路設(shè)計本設(shè)計中為整個系統(tǒng)提供電力的系統(tǒng)總電源選擇的是輸出電壓為5V的直流電源。本設(shè)計的電源電路的電源接口可以通過USB電源線連接電源。為了確認系統(tǒng)是否通電本設(shè)計的電源電路選擇LED小燈做指示燈，通電的話燈就會亮，否則的話燈就不亮。為了防止電路中電流過大導致LED燈燒壞，在實際電路連接時，將LED小燈與一個阻值大小為1K的電阻串聯(lián)起來，這個阻值為1K的電阻起到限制電流過大的作用，防止燈泡被燒壞。本次畢業(yè)設(shè)計的電源電路還有一個特點，就是本電源電路設(shè)計了一個自鎖開關(guān)，具體工作過程是在自鎖開關(guān)合上時，紅燈亮起暗示了電路中有電流存在，相反，當自鎖開關(guān)閉合上時，紅燈沒亮就代表電路中沒有電流的存在，這樣更方便、清晰地看到電源電路是否有電流存在。本電源電路不僅電路簡單，而且穩(wěn)定性也很強。本設(shè)計的電源電路的原理圖如圖4所示。圖45V電源電路原理圖圖4中的DC、SW、LED分別為DC插座、自鎖開關(guān)、LED燈。1.2.3水泵控制電路設(shè)計本設(shè)計中的抽水澆灌裝置選擇的是工作電壓為5V的微型水泵。本系統(tǒng)采用一個9012三極管實現(xiàn)對水泵的操控，這樣做是因為水泵正常工作時的功率較大，單片機不能直接驅(qū)動水泵工作。為了能夠讓使用者方便確定水泵是否工作，本設(shè)計采用一個LED燈作為指示燈。由于電路電流較大，LED燈容易被燒壞，所以在電路中將LED燈與一個大小為1K的起限流作用的定值電阻串聯(lián)在一起。由于為微型水泵提供電力的電源中可能存在低頻參量，影響微型水泵的工作穩(wěn)定性，所以本設(shè)計在水泵控制電路中加入一個可以濾除掉低頻參量的電解電容。總而言之單片機可以實現(xiàn)對水泵的控制，具體工作過程是：當系統(tǒng)輸出低電平時，水泵開始澆灌，相反如果輸出高電平的話，水泵就會停止工作。具體的水泵控制電路原理圖如圖5所示。圖5水泵控制電路原理圖1.2.4土壤濕度檢測模塊電路設(shè)計本次設(shè)計中選擇使用土壤濕度傳感器來作為檢測土壤濕度的核心器件REF_Ref19513\r\h[4]，并使用電位器來實現(xiàn)對土壤濕度控制閥值的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)對植物生長所處土壤的濕度進行檢測控制，從而做到在無人參與的情況之下系統(tǒng)自動澆水。本設(shè)計土壤濕度檢測模塊的內(nèi)部電路原理圖如圖6所示REF_Ref19951\r\h[5]，其中R1是阻值為10K的電阻，具有分壓作用，在工作時它可以將傳感器采集到的土壤濕度的相關(guān)信息轉(zhuǎn)變?yōu)槟M電壓信號。LM393是一種雙電壓比較器，它可以將電阻傳來的模擬電壓信號與已經(jīng)通過電位器分壓過的模擬電壓比較，就可得出數(shù)字信號。C1和C2是大小為0.1微法的電容，它們的作用是作為濾波器濾除不需要的信號，它們兩個的功能并不完全相同，其中電容C1是對電源電路濾波，它可以使輸出的電壓更穩(wěn)定，電容C2則是對模擬信號濾波，使輸出的信號沒有其他干擾信號。D1和D2為低電平有效的LED燈，其中D1為電源指示燈D2為開關(guān)指示燈。R2、R3均是大小為1K的保護LED的限流電阻。R4是大小為10K的上拉電阻，也起到限流的作用。確保單片機讀取LM393輸出的電平信號時的穩(wěn)定性。圖6模塊內(nèi)部電路原理圖該模塊在本電路中的接口原理圖如圖7所示。圖7模塊具體接口接線圖1.2.5ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計本設(shè)計選用ADC0832將濕度傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號REF_Ref20137\r\h[6]，接著它會將轉(zhuǎn)化后的數(shù)字信號傳輸給單片機系統(tǒng)供其選擇判斷、分析處理，多次試驗表明該方案完全滿足設(shè)計要求。本模數(shù)轉(zhuǎn)換電路使用ADC0832的CH0模擬輸入通道0采集需要A/D轉(zhuǎn)換的模擬量信號，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量信號通過ADC0832的DO輸出。其具體電路如圖8所示。 圖8ADC0832電路原理圖1.2.6顯示電路設(shè)計本設(shè)計選擇4位共陽輝光管（數(shù)碼管）作為系統(tǒng)的顯示裝置。4位共陽輝光管驅(qū)動電路的原理圖如圖9所示。Q1-Q4是四個驅(qū)動位選的三極管。R2-R5是四個大小為1K的電阻，在電路工作時，它們可以對通過三極管的電流進行限制，從而保護三極管使三極管不因為電路中電流過大而損壞。本設(shè)計的STC89C52微控制器控制段選的引腳通過高低電的組合即可顯示不同的數(shù)據(jù)信息。圖94位共陽輝光管驅(qū)動電路原理圖1.2.7按鍵電路設(shè)計本設(shè)計的按鍵是人控制澆水系統(tǒng)的樞紐。本系統(tǒng)的按鍵可以說是實現(xiàn)人對整個系統(tǒng)進行操控的按鈕，系統(tǒng)制作好后，可以通過按鍵來對電路的功能進行具體的操作。在實際電路中，按鍵與單片機系統(tǒng)進行連接時，對應(yīng)的引腳應(yīng)該是高電平才有效，在按下按鍵時，單片機系統(tǒng)就會接收到一個低電平，從而對系統(tǒng)進行手動按鍵設(shè)置。其電路連接原理圖如圖10所示。圖10按鍵電路原理圖2系統(tǒng)軟件設(shè)計本設(shè)計系統(tǒng)要實現(xiàn)自動澆水的設(shè)計功能不僅要有硬件系統(tǒng)還要有軟件系統(tǒng)。前面主要講述硬件電路的設(shè)計，接下來將對系統(tǒng)軟件程序的設(shè)計進行闡述。2.1編程語言選擇因為本次設(shè)計的軟件程序用到了大量的浮點數(shù)計算，計算量也比較大，程序復雜程度高，所以本次選擇C語言來編寫本系統(tǒng)程序。2.2單片機程序開發(fā)環(huán)境綜合考慮到系統(tǒng)的開發(fā)周期和成本預(yù)算等具體問題，本設(shè)計選擇使用高效益、具有極快的開發(fā)速度的KeiluVision4軟件作為單片機開發(fā)環(huán)境。目前在51系列單片機的程序開發(fā)中用的比較多的是KeiluVision4，Keil4集成了編譯、連接以及調(diào)試，程序編寫工作可以使用C語言進行。Keil4擁有的開發(fā)工具具有強大的功能，而且Keil4還提供非常豐富的庫函數(shù)。圖11所示的是打開的Keil4界面圖。圖11Keil4界面圖2.3KeiluVision4軟件開發(fā)流程第一步，打開軟件，用鼠標點擊“Project”>>“NewProject”，命名好后并保存，然后進行第二步操作。第二步，從庫函數(shù)里面選擇需要用到的單片機，選擇“STC89C52”。第三步，建立一個“.c”的文件并點擊“SourceGroup”把文件加載到第一步建立的工程里，再點擊Add就能編輯該文件了。圖12是具體的開發(fā)流程圖。圖12Keil4軟件開發(fā)流程圖2.4stcispv6.85程序軟件簡介在Keil4開發(fā)環(huán)境下，使用stcispv6.85軟件進行對單片機芯片進行程序燒寫工作。該軟件是一款集成了串口查看以及代碼下載和在線仿真于一體的燒錄軟件，具有較高的性能，目前在51系列單片機控制系統(tǒng)研發(fā)中應(yīng)用廣泛是不可或缺的重要部分。在Keil4開發(fā)環(huán)境中，把PC、下載器和設(shè)備連接完畢后，還需要對單片機型號和串口進行選擇，需要將波特率設(shè)置成和程序軟件設(shè)置的一樣的。最后點擊選擇項目的“十六進制”文件，點擊下載按鈕。工作界面如圖13所示。圖13燒錄軟件對話框2.5程序燒寫模塊的選擇PL2303是一種使用USB接口的串口燒寫模塊，具有價格低、性能高和筆記本電腦用戶使用起來比較方便等的特點，所以本設(shè)計采用PL2303實現(xiàn)對單片機開發(fā)程序的燒寫。2.6程序流程圖本設(shè)計軟件程序的編寫與程序調(diào)試使用KeiluVision4軟件進行，其中對程序的編寫采用的是C語言。系統(tǒng)運行流程圖如圖14所示REF_Ref21074\r\h[10]REF_Ref21084\r\h[11]。圖14系統(tǒng)運行流程圖3系統(tǒng)調(diào)試過程簡介3.1系統(tǒng)軟件程序調(diào)試調(diào)試步驟如下：首先運行Keil4軟件，然后選擇菜單欄中的“工程”選項，接著新建一個工程并把工程名字命名為“基于51單片機的自動智能澆花系統(tǒng)設(shè)計”并點擊保存；器件選擇本設(shè)計采用的“STC89C52”。新建一個用于編寫程序源代碼的空白文本然后在文本中編寫程序源代碼，編寫完成后保存文件。程序編譯：單擊編譯按鈕，輸出窗口中顯示程序情況的信息，如果程序有問題就會有一個提示窗口跳出來顯示具體問題，在出現(xiàn)錯誤時，我們應(yīng)該根據(jù)報告把錯誤的地方修正過來，一直到提示窗口顯示沒有錯誤的地方就可以了，說明此時程序編寫沒有問題，如圖15所示。圖15程序沒有錯誤提示界面程序調(diào)試：如果編寫的程序沒有問題，那么可以開始調(diào)試程序，觀察所編寫的程序是否能夠滿足預(yù)期的功能和設(shè)計要求，如果發(fā)現(xiàn)有些功能并不能實現(xiàn)或者沒有達到設(shè)計預(yù)期的話，繼續(xù)修改程序，直到編寫的程序符合預(yù)期的設(shè)計要求。3.2硬件測試使用電流表等檢測器件對制作好的系統(tǒng)的硬件電路和元器件進行整體測試，檢查電路焊接的是否達標以及每一個元器件是不是都能正常穩(wěn)定的工作，能否滿足設(shè)計要求的功能；若發(fā)現(xiàn)不能正常工作或者達不到設(shè)計要求的功能，就及時找出問題并快速解決，直至系統(tǒng)能夠按照設(shè)計要求正常穩(wěn)定的工作。3.3實物測試按照設(shè)計要求對制作完畢的畢業(yè)設(shè)計進行多次測試驗證，反復測試表明，系統(tǒng)能夠正常地工作，并且系統(tǒng)功能滿足設(shè)計要求，如下圖所示。4結(jié)語利用大學期間學習的知識，通過自己的不斷鉆研，設(shè)計了本自動智能澆花系統(tǒng)。對于這次基于單片機的智能澆花系統(tǒng)，它由硬件和軟件兩個部分共同構(gòu)成。它以土壤濕度傳感器為感應(yīng)部件，將檢測到的模擬量傳送到ADC0832模塊，ADC0832將模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，并通過STC89C52的I/O口輸出到顯示模塊。將通過傳感器采集到的土壤濕度信息通過與系統(tǒng)設(shè)定的上下限值比較，低于下限值時單片機控制水泵進行澆水，高于上限值時，澆水停止。本文設(shè)計的自動智能澆花系統(tǒng)，具有低成本，性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，使用起來比較方便，基本能夠滿足普通家庭的自動澆花需要。在設(shè)計過程中我也遇到了一些問題，比如在軟件設(shè)計中不知道怎樣讓LED數(shù)碼管亮起來，并要按照要求顯示數(shù)字。后來經(jīng)過查詢有關(guān)資料才弄明白。而且在程序編譯過程中，偶爾會把幾個標點錯用成漢語的標點導致編譯