基于单片机的草坪智能喷灌系统设计与实现.pdf
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1、页脚下载后可删除,如有侵权请告知删除!本科毕业论文设计开题报告 姓 名:学 号:学 院:专 业:班 级:指导教师:开题日期:2021/10/24 页脚下载后可删除,如有侵权请告知删除!摘 要 本设计基于 51 单片机的草坪智能喷灌系统设计与实现,利用所学到的单片机系统开发的相关技术知识,完成智能喷灌控制系统的硬件搭建和程序设计。设计中确定系统功能实现数据采集及处理、检测及报警、多点控制。介绍了开发工具以及元器件的选择;设计中重点介绍了硬件电路实现以及软件算法的设计;并编写相关控制程序并进展调试;此次设计的是通过选择土壤温湿度传感器对土壤的湿度进展实时的采集,将采集到的信号以模拟量送给 51 单
2、片机系统进展处理,通过用 c 语言的编程实现在需要时驱动相关外部设备,对目标区域进展自动准确地智能灌溉。并具有一定的 LCD 液晶显示和键盘操作功能。关键词:51 单片机;智能喷灌;湿度传感器;c 语言 页脚下载后可删除,如有侵权请告知删除!目 录 摘 要.1 一、绪论.1 一国内外现状及开展趋势.1 二设计的背景及意义.2 二、系统总体设计与分析.4 一方案论证.4 1、控制芯片选择.4 2、显示模块选择.4 二方案确立.4 三、系统硬件设计.6 一单片机系统介绍.6 1、复位方式.7 2、时钟电路.8 3、单片机最小系统.9 二 1602 液晶显示电路.9 三 键盘电路.10 四土壤湿度检
3、测模块.11 五继电器执行模块.12 四、系统软件设计.14 一系统整体框架介绍.14 二 键盘控制模式软件流程图.15 附录 A 硬件电路图.20 附录 B 程序源代码.21 页脚下载后可删除,如有侵权请告知删除!一、绪论 一国内外现状及开展趋势 微灌技术的研究在中国的起步还不算太晚,自 1974 年引进墨西哥的滴灌设备我国的微灌技术试验研究正式开场。该过程经历了 1974 到 1980 年之间的引进消化和吸收,设备的研制与应用实验及试点阶段;1981 到 1986 年之间经历了设备产品的改良和应用试验的研究以及扩大试点的推广三个阶段;从 1987 年到现在直接引用了国外先进的科学技术,进入
4、了从高起点上对研发微灌设备的产品开发阶段。基于引入、吸收兴旺国家先进科学技术的根底上,结合了我国国情,从经济上的实用,便于安装和利于推广的主要几点出发,在个地相关关部门的合作与努力的情况下,开发微灌技术、生产研制设备和科学实验等多方面都取得重要的成果,我国的微灌技术日趋步入成熟。但是由于我国正处于初级阶段的微灌技术研究,近些年来自己研制、开发与生产微灌设备的产品不管是在质量方面和性能方面与兴旺国家相比拟,差距存在还是比拟大的;同兴旺的国家相比拟更大的差距存在于微灌工程设备的组装配套和自动控制方面。例如灌溉设备系统成套性比拟差,配套的水平偏低;主要的几个部件的品种规格太少,质量相对来说不稳定,没
5、有很好的系列化;关键的设备稳定性和耐久性都比拟差;自动化和综合功能技术程度不是很高,根本上还处于手动的操作方式,以至于整体的综合效果和收益都不高。随着现代化高科技不断的开展,各种智能化家电、数码产品走入进人们的日常生活,网络作为人们现代生活中人际的交往和获取知识的一个必不可少的平台。考虑到现代化高科技的开展,未来的智能浇灌系统也有希望朝一下这些方面开展。智能化 随着传感器的技术、计算机处理技术和自动智能控制技术的持续开展,温室中的计算机环境的控制系统应用将会由以数据采集处理和监测的简单方式,渐渐转向以数据处理和应用为主。所以软件系统的研制和开发将会得到不断完善,其中专家系统为主的智能化管理控制
6、系统已经取得了不少的研发成果,并且其应用的前景是非常广阔的。网络化 目前,网络已经成为最具有活力,开展速度最快的高科技领域。网络的通信技术开展促进了信息的传播。设施的产业化程度的提高成为可能。综合环境的调控 所谓综合环境调控,就是以实现目标植物的正常生长为目标,把影响目标植物生页脚下载后可删除,如有侵权请告知删除!长的多种环境参数(如光照、温度、湿度等)都保持在适宜目标植物生长的状态,并尽可能的使用最少的环境调节装置(采光、遮光、通风、保温、加湿等)。智能和无人操作将会是未来的各种行业的开展趋势,不仅能大量节省人们的珍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。高移
7、植性 稍微修改一些系统的参数及设备即可应用于别的环境下,省时省力,节省大量资金及研发本钱。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树木的自动灌溉,而且可以参加远程控制,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开展趋势。二设计的背景及意义 水是生命之源,同样它也是国家经济开展的主要因素,人类生存必不可少的因素,水的重要性在国际上已经得到了共识,水资源开发和保护已经被各国家所重视。而需要如何高效率利用有限的淡水资源,尽最大能力发挥水资源的效益己经成为看一个全球性极其有待解决的重要课题。诸多的缺水国家当中,作为水资源极其短缺国家之一的中国。水资
8、源的利用率和利用效率低下使水资源在节流方面呈现巨大的挖掘潜力,因此节水成为历史开展的必然。伴随着人们快节奏的生活、工作、学习,人们已没有很多时间去精心照顾自己种的花卉植物等,因此市场上急需一种可以代替人类劳动的产品。由于现在市场上很多的喷灌设备主要是是针对温室、露天农作物、森林等大面积植物喷灌,而对于家庭小面积喷灌系统设备几乎没有,也没有到达自动化的水平。现代生活中,随着人们生活水平的提高,人们对花卉、树木等绿色植物的喜爱和种植越来越多,然而以前对花木的浇灌、施肥等工作都需要靠人工来实现,由于现代生活节奏的加快,人们往往忙于工作而忘记定期、及时地为花卉补充水分及养料,或者由于放假回家而将花放在
9、办公室没有人管理导致花木枯死。已有的浇水器需要有人控制或者定时的浇灌,不能根据植物正常生长所需要的光照、水分、温度来实时调节植物生长环境的参数,不利于花木的成长,而且现在的名贵花如果因为以上原因而死亡得不偿失,鉴于以上情况,市场上急需提供一种能够根据光照、温度、湿度及光照的变化自动将水分和及光补充给花木,到达定期、及时浇灌花木的花木自动浇灌器。在全球淡水水资源越来越缺乏和农业现代化的当今世界,农业高度集约化种植模式耕作、种植、灌溉、施肥、收获等和“工厂化特征日趋显著。在准确化农业的生产过程中,如今兴旺国家开展现代农业的主要的手段是运用高科学技术和高新技页脚下载后可删除,如有侵权请告知删除!术的
10、装备。在灌溉的技术上对农作物的生长过程智能化的控制要求正在提高。大多数兴旺国家农业的灌溉系统几乎全部采用计算机的控制方式,根本上实现了系统智能化。微灌技术和设备在我国还处于研究和待开发阶段,系统的成套性还较差,主要部件品种少,质量不稳定。因此,加速开发成套、适用、可靠、先进的灌溉系统是我国今后节水灌溉设备开展的主要方向。自动控制灌溉系统,根本上还是手动阀门来操作。自动控制器等方面还有待于进一步开发和应用。微机和单片机等自动控制检测系统装置,已经在某些微灌工程中应用和实验,初步显示出微灌采用自动化的管理系统优越性和先进性。页脚下载后可删除,如有侵权请告知删除!二、系统总体设计与分析 一方案论证
11、1、控制芯片选择 方案一:采用飞思卡尔半导体公司的十六位单片机 mc9s12xs128 单片机,此款单片机共有 80 引脚绝大局部为 I/O 口,最高主频可到达 96MHZ,运行速度快,但由于本系统的资源需求不是很大,而且此款单片机的照价较高,外围电路较复杂,故没有选择此款单片机。方案二:采用传统的 8 位机 51 单片机此款单片机应用方便外围电路简单,从设计任务看此款单片机足可胜任,最终从经济、性能等方面本系统选择了 51 单片机作为主控芯片;2、显示模块选择 方案一:采用液晶 1602 作为显示模块,1602 液晶每行可显示 16 个字符一共可以显示两行,可以显示数字和字符但是不能显示汉字
12、,由于系统中采集的信息有可能是汉字的所以没有选择 1602 液晶。方案二:采用液晶 12864,,12864 液晶显示可以显示汉字,带有字库显示方便技术成熟,对于系统而言满足系统要求。可以显示较多的信息,清晰明了。本系统中需要显示信息较少顾系统选择了 1602 作为显示单元的显示器经济实惠方便。二方案确立 当将单片机用作测控系统的时侯,系统必须有被测的信号通过指定输入通道,再由单片机来收集需要的输入信息。相对于测量的系统来说,它的核心任务是如何准确获得被测信号;但是对于测控系统来说,除了被测试控对象状态的信号,还应该把测试的数据和控制的条件比照并在需要的时候控制相应执行设备。传感器作为实现测量
13、和控制的第一环节,是测量控制系统关键的部件,假设没有传感器对被测信号进展可靠的捕捉和数据的转换,所有的测量和控制都将会没有方法去实现。本系统硬件包括:温湿度采集转换模块、单片机及附属电路、键盘控制、LCD 显示、时钟模块、继电器电路等局部的设计。系统整体电路框图如图 2.1 所示。页脚下载后可删除,如有侵权请告知删除!单片机 电源 湿度检测 液晶显示 键盘输入 管道阀 1 管道阀 2 备用管道阀 页脚下载后可删除,如有侵权请告知删除!三、系统硬件设计 一单片机系统介绍 本设计中要求单片机的频率必须要快,要不然将会明显的看出刷屏现象。所以经过比照试验确定选用STC公司的STC12C5A60S2系
14、列单片机这款单片机是单时钟/机器周期(1T)的单片机,具有高速、低功耗、超强抗干扰等特点是新一代8051 单片机,指令代码完全兼容传统 8051,但速度比普通的单片机快 8-12 倍。内部集成 MAX810专用复位电路,拥有 2 路 PWM,8 路高速 10 位的 A/D 转换(频率 250K/S),适合对电机控制,抗干扰场合。单片机的实物图如图 3.1 所示:STC12C5A60S2 根本的特性介绍如下:1.内部集成增强型 8051 CPU,1T,单时钟、机器周期,指令代码完全与 8051兼容 2.工作电压:STC12C5A60S2 系列工作电压:5V 单片机 STC12LE5A60S2 系
15、列工作电压:-3V 单片机 3.工作频率范围:035MHz,相当于普通 8051 的 0420MHz 4.用户应用程序空间 8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K 字节.5.片上集成 1280 字节 RAM 6.通用 I/O 口36/40/44 个,复位后为:准双向口/弱上拉普通 8051I/O口 可设置成四种模式:准双向口/弱上拉,推挽/上拉,仅为输入/高阻,开漏 每个 I/O 口驱动能力均可到达 20mA,但整个芯片最大不要超过 120mA 7.ISP在系统可编程/IAP在应用可编程,无需专用编程器,无需专用仿真器 可通过串口直接下载用户程序,数即可完成一片
16、8.有 EEPROM 功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部 EEPROM)9.看门狗 10.内部集成 MAX810 专用复位电路外部晶体 12M 以下时,复位脚可直接 1K 电阻到地 11.外部掉电检测电路:在口有一个低压门槛比拟器 5V 单片机为,误差为5%,3.3V 单片机为,误差为3%页脚下载后可删除,如有侵权请告知删除!12.时钟源:外部高精度晶体/时钟,内部 R/C 振荡器(温漂为5%到10%以内)用户在下载用户程序时,可选择是使用内部 R/C 振荡器还是外部晶体/时钟 常温下内部R/C 振荡器频率为:5.0V 单片机为:11MHz 17MHz;3.3V 单片机为:8M
17、Hz12MHz 精度要求不高时,可选择使用内部时钟,但因为有制造误差和温漂,以实际测试为准 13.共 4 个 16 位定时器 两个与传统 8051 兼容的定时器/计数器,16 位定时器T0 和 T1,没有定时器 2,但有独立 波特率发生器做串行通讯的波特率发生器,再上 2路 PCA 模块可再实现 2 个 16 位定时器 14.3 个时钟输出口,可由 T0 的溢出在输出时钟,可由 T1 的溢出在输出时钟,独 立波特率发生器可以在口输出时钟 15.外部中断 I/O 口 7 路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的 PCA 模块,Power Down 模式可由外部中断唤醒,16.
18、PWM(2 路/PCA可编程计数器阵列,2 路-也可用来当 2 路 D/A 使用-也可用来再实现 2 个定时器-也可用来再实现 2 个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)17.A/D 转换,10 位精度 ADC,共 8 路,转换速度可达 250K/S(每秒钟 250 次)18.通用全双工异步串行口(UART),由于 STC12 系列是高速的 8051,可再用定时器或 PCA 软件 实现多串口 19.STC12C5A60S2 系列有双串口,后缀有 S2 标志的才有双串口,RxD2/P1.2(可通过存放器设 置到 P4.2),TxD2/P1.3(可通过存放器设置到 P4.3)20.
19、工作温度范围:-40 +85(工业级)/0 75(商业级)21.封装:LQFP-48,LQFP-44,PDIP-40,PLCC-44,QFN-40 I/O 口不够时,可用 2 到 3 根普通 I/O 口线外接 74HC164/165/595均可级联来扩展 I/O 口,还可用 A/D 做按键扫描来节省 I/O 口,或用双 CPU,三线通信,还多了串口。1、复位方式 在上电或复位过程中,控制 CPU 的复位状态:这段时间内让 CPU 保持复位状态,而不是一上电或刚复位完毕就工作,防止 CPU 发出错误的指令、执行错误操作,也可以提高电磁兼容性能。无论用户使用哪种类型的单片机,总要涉及到单片机复位电
20、路的设计。而单片机复位电路设计的好坏,直接影响到整个系统工作的可靠性。许多用户在设计完单片机系统,并在实验室调试成功后,在现场却出现了“死机、“程序走飞等现象,这主要是单片机的复位电路设计不可靠引起的,单片机复位方式主要由按键复位和上电复位两种,本次设计主要是按键复位,在单片机复位输入端 RST上参加高电平两个时钟周期时。一般采用的方法是在RST 端和正电源Vcc 之间接一个页脚下载后可删除,如有侵权请告知删除!按钮。当人为按下按钮时,那么 Vcc 的+5V 电平就会直接加到 RST 端,两个时钟周期后单片机就将复位。本次设计的复位电路如图 3.1 所示:图 2、时钟电路 单片机的运行需要时钟
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- 基于 单片机 草坪 智能 喷灌 系统 设计 实现
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