农田自动灌溉系统

湖南农业大学东方科技学院课程设计说明书
课程名称：单片机
题目名称：农田自动灌溉系统
班级：20 08级机制专业一班
姓名：谢鑫
学号：200841914125
指导教师：康江
评定成绩：
教师评语：
指导老师签名：
20 年月日
农田自动灌溉系统
一、设计目的
1.学习继电器，电位器，三极管，湿敏传感器的原理及使用方法。

2.通过对实验电路的设计及仿真加强对湿敏传感器的理解；
3.初步学习传感器的设计。

二、设计要求
1.空气干燥时，开启电动机；
2.空气湿润时，关闭电动机；
3.可以调节干燥度触发点。

三、设计器材
1.使用器材
湿敏电阻一支；电路板；单刀双掷继电器一个；电动机一个；稳压源一个；电烙铁一个；万用表一个；镊子一支；钳子一把； 9013两个；电位器：500K；电阻：250K,51K,110欧；导线若干。

2.部分器件资料
（1）继电器
继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”，故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。

只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。

当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。

这样吸合、释放，从而达到了在电路中的导通、切断的目的。

对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。

继电器主要产品技术参数：
①额定工作电压。

继电器正常工作时线圈所需要的电压。

根据继电器的型号不同，可以是交流电压，也可以是直流电压。

②直流电阻。

继电器中线圈的直流电阻，可以通过万能表测量。

③吸合电流。

继电器能够产生吸合动作的最小电流。

在正常使用时，给定的电流必须略大于吸合电流，这样继电器才能稳定地工作。

而对于线圈所加的工作电压，一般不要超过额定工作电压的1.5倍，否则会产生较大的电流而把线圈烧毁。

④释放电流。

继电器产生释放动作的最大电流。

当继电器吸合状态的电流减小到一定程度时，继电器就会恢复到未通电的释放状态。

这时的电流远远小于吸合电流。

⑤触点切换电压和电流。

继电器允许加载的电压和电流。

它决定了继电器能控制电压和电流的大小，使用时不能超过此值，否则很容易损坏继电器的触点。

继电器测试：
①测触点电阻。

用万能表的电阻档，测量常闭触点与动点电阻，其阻值应为0；而常开触点与动点的阻值就为无穷大。

由此可以区别出那个是常闭触点，那个是常开触点。

②测线圈电阻。

可用万能表R×10Ω档测量继电器线圈的阻值，从而判断该线圈是否存在着开路现象。

③测量吸合电压和吸合电流。

给继电器输入一组电压，且在供电回路中串入电流表进行监测。

慢慢调高电源电压，听到继电器吸合声时，记下该吸合电压和吸合电流。

为求准确，可以试多几次而求平均值。

④测量释放电压和释放电流。

当继电器发生吸合后，再逐渐降低供电电压，当听到继电器再次发生释放声音时，记下此时的电压和电流，亦可尝试多几次而取得平均的释放电压和释放电流。

一般情况下，继电器的释放电压约在吸合电压的10~50％，如果释放电压太小（小于1/10的吸合电压），则不能正常使用了，这样会对电路的稳定性造成威胁，工作不可靠。

2、5为线圈。

1、6为公共端。

3、4一个常开一个常闭。

（2）电动机
电动机中有两个强磁铁和一个带线圈的轴，通电之后线圈中电流会产生磁场这时候就会跟磁铁产生同极排斥这个排斥力就推动轴转动，而在轴根部有2个半月型的金属片。

每当轴转过半周的时候就改变电流方向，这样就可以保证电流产生的磁场随时都跟磁铁磁场排斥，从而使电动机工作。

（3）湿敏电阻
湿敏传感器是由湿敏元件和转换电路等组成，它是将环境湿度变换为电信号的装置。

其特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。

湿度是表示空气中水蒸气的含量的物理量，常用绝对湿度、相对湿度、露点等表示。

所谓绝对湿度就是单位体积空气内所含水蒸气的质量，也就是指空气中
水蒸气的密度。

一般用一立方米空气中所含水蒸气的克数表示，即为Ha=mV/V,式中，mV为待测空气中水蒸气质量，V为待测空气的总体积。

单位为g/m3。

相对湿度是表示空气中实际所含水蒸气的分压(Pw)和同温度下饱和水蒸气的分压(PN)的百分比，即HT=(Pw/PN)Tx100%RH。

通常，用RH％表示相对湿度。

当温度和压力变化时，因饱和水蒸气变化，所以气体中的水蒸气压即使相同，其相对湿度也发生变化。

通常，理想的湿敏传感器的特性要求是，适合于在宽温。

湿范围内使用，测量精度要高；使用寿命长，稳定性好；响应速度快，湿滞回差小，重现性好；灵敏度高，线形好，温度系数小；制造工艺简单，易于批量生产，转换电路简单，成本低；抗腐蚀，耐低温和高温特性等
湿敏电阻特性曲线如下：
四、设计方案及分析
方案一：用比较器LM324实现
1.电路图：
2.原理：
仿真时RV2相当于湿敏电阻，RV1是一个电位器，上面的分压用于与RV2的输出电压作比比较。

起先RV1选为10K，调节到50%。

LM324是一个比较器，它的V+上接的是湿敏电阻的输出信号，V-上接的是电位器的输出。

空气干燥时，湿敏电阻阻值很大，输出电压小于RV1上的电压，导致LM324上输出的是低电压，继电器上的压差大，继电器工作，灯亮，电动机转动；当空气湿度达到一定值时其中让空气湿度高（我们是用哈气的方法实现的），湿敏电阻阻值变小，当小到一定值时，输出电压大于RV1上的电压，LM324上输出高电压，继电器上电压差小，继电器停止工作，灯灭，电动机停止转动。

可以通过调节RV1的阻值来调节干燥点。

湿敏电阻的阻值大于13%时，就相当于空气干燥，电动机就转动。

小于13%时相当于空气湿润，电动机就停止转动。

方案二：使用三极管放大电路
1.电路图：
2.原理：
使用两个NPN型三极管构成的控制电路如上图。

Q2采用共集电极电路，Q1采用共射极电路。

由模拟电路有关内容可知，共集电极电路实际是电压跟随器，共射极电路可以放大电压。

电动机接至继电器常闭触电。

电阻R1和500k电位器构成Q2的分压电路，当设定好干燥触发点时（R1和电位器阻值固定不变），湿敏电阻由于湿度影响导致阻值变化，从而改变R1和电位器上的分压，即改变Q2基极电压。

当环境湿度高时，湿敏电阻阻值低，电阻及电位器分压高，从而Q2输出电压高，使Q1导通，Q1压降小，剩余电压加在继电器线圈上，衔铁被吸至常开触电，电动机停止工作。

反之，环境湿度低时，湿敏电阻阻值高，电阻及电位器分压小，Q2输出电压小，导致Q1截至，电压集中分布在截至的Q1上，使继电器线圈两端压降减小，不足以将衔铁吸到常开触电，于是，电动机开始工作。

这样，我们就通过三极管导通与截至特性实现湿度低，电动机工作，反之电动机停止工作的要求。

图中电阻R2、R3用于保护电路，R1用于增加分压，500k电位器用来实现改变干燥触发点的要求。

调节电位器到一个适当的阻值，其分压就能确定下来，湿度变化对电路的影响分析同上。

设计中，为使电路功能最优，我们选取了电位器一半电阻（即250k）接入电路。

五、问题分析与解决方法
由于刚开始设计电路时，没发器件，不知道实验器件的种类和具体参数，我
们按常见参数和器件设计了电路。

分别用了电压比较器和三极管放大电路实现功能。

然而拿到器件后，发现器件不同，没有比较器，并且三极管，电位器和湿敏电阻的参数也不同，这些参数主要影响电路分压。

于是，我们只能采用方案二，通过更换电阻和改变电源电压来解决参数不同的问题。

六、设计结果
湿敏电阻干燥时，电动机工作；湿润时（通过对湿敏电阻哈气实现），电动
机停止工作。

八、参考文献
1 电子技术基础模拟部分（第四版）
主编康华光
高等教育出版社
1998年8月
2传感器与传感器技术
何道清编著
科学出版社
2003年10月
3 传感器电路设计300例。