基于单片机的土壤自动灌溉系统

4 项目的预期成果及最终成果................................................................................... 21 4.1 预期成果......................................................................................................... 21 4.2 最终成果......................................................................................................... 21
本次设计所研究的自动灌溉系统是进行灌溉田间管理的有效手段和工具，它 可提高操作准确性，有利于灌溉过程的科学管理，降低对操作者本身素质的要求。 除了能大大减少劳动量，更重要的是它能准确、定时、定量、高效地给作物自动 补充水分，以提高产量、质量，节水、节能。
自动节水灌溉系统的研究使用在我国农、林、及园艺为数不多，与发达国家 相比，有较大的差距，还基本停留在人工操作上，即使有些地方搞了一些灌溉工 程的自动化控制系统，也是根据经验法来确定每天灌溉次数和每次灌溉量，如果
农业是人类社会最古老的行业，是各行各业的基础，也是人类顿以生存的最 重要的行业。农业的发展从长远来看很重要，一是水的问题，二是科技的问题。 农业的根本出路在科技，在教育。由传统农业ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ现代化农业转变，由粗放经营向 集约经营转变，必须要求农业科技有一个大的发展，进行一次新的农业技术革命。 农业与工业、交通等行业相比仍然比较落后，农业灌溉技术尤其落后。灌溉系统 自动化水平较低是制约我国高效农业发展的主要原因。传统的灌溉模式自动化程 度极低，基本上属粗放的人工操作，即便对于给定的量，在操作中也无法进行有 效的控制，为了提高灌溉效率，缩短劳动时间和节约水资源，必须发展节水灌溉 控制技术。
图 3-2 单片机的时钟及复位电路
3.1.3 温湿度采集的电路设计
在温湿度的采集模块我们主要采用了 DHT11 芯片对土壤的温度和湿度进行 采集。
DHT11 的供电电压为 3－5.5V。传感器上电后，要等待 1s 以越过不稳定 状态在此期间无需发送任何指令。电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个 100nF 的电容，用以去耦滤波。
实验方案一：使用传统的湿度传感器，湿度传感器采集到一系列变化的模拟 值，然后利用 ADC0809 芯片对采集到的湿度值进行模数转化，最终将转换后的 数字信号送到单片机的内部进行分析，从而达到自动节水灌溉的目的。
实验方案二：采用 DHT11 数字温湿度传感器，它应用专用的数字模块采集 技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感 器包括一个电阻式感湿元件和一个 NTC 测温元件，并与一个高性能 8 位单片机 相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优 点。采用 DHT11 数字温湿度传感器，直接输出的信号已经进行了数字化，不必 对已有的模拟信号进行处理，所以在硬件的搭接上有很大的便利。而在软件的编 程上面只要增加对 DHT11 芯片的初始化就可以了。
单
DHT11 传感器
片
机
继电器 蜂鸣器
水泵
3-1 系统的总体工作原理图
3.1.2 单片机的最小系统的设计
时钟电路
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创新性实验结题报告 单片机的时钟信号通常有两种方式可以得到：内部振荡方式和外部振荡方 式。 在本次设计中鉴于内部振荡方式所得到的时钟信号比较稳定，我们选用内部 振荡方式。如图 3-2 所示。两个电容起到稳定振荡频率以及快速起振的作用。电 容的值一般为 5~30pF。 复位电路 当单片机的 RST 出现 5ms 以上的高电平的时候，单片机就完成了复位的操 作。 复位操作通常有两种方式：上电复位和开关复位。 常见的上电及开关复位电路如图 3-2 所示。上电后由于电容充电，使 RST 持续了一段时间的高电平。当单片机在运行时，按下复位开关也可以是单片机持 续一定时间的高电平。通常情况下采用的 C=10~30μF，R=10~1KΩ。
3.1 系统的硬件设计............................................................................................... 4 3.1.1 系统的工作原理..................................................................................... 4 3.1.2 单片机的最小系统的设计..................................................................... 4 3.1.3 温湿度采集的电路设计......................................................................... 5
如果采用方案一，虽然软件的初始化比较简单硬件电路的搭接比较复杂，造 成的问题就比较多。而方案二在硬件电路的搭接上就不会出现这样的问题。综合 考虑了，软件和硬件的问题，我们决定采用方案二。
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3 项目的实施过程
3.1 系统的硬件设计
3.1.1 系统的工作原理
本系统的主要工作原理是利用单片机将传感器采集到的温度和湿度的值进 行分析和处理：我们预先设定一个土壤湿度的最低值 39%和土壤湿度的最高值 50%，单片机处理采集到的数据并见那个采集到的数据和 39%作比较，当采集到 的数据低于所设定的最低值得时候，此时由单片机控制继电器从而间接的控制水 泵，让水泵喷水，同时单片机也控制蜂鸣器发出蜂鸣提示人们此时土壤的湿度值 过低需要灌水。当土壤的湿度值大于 39%是，蜂鸣器停止蜂鸣。当喷水一定的时 间之后，土壤的湿度值上升，当上升的湿度值达到我们预先设定的湿度的最高值 50%的时候，此时单片机控制继电器的释放从而间接的控制水泵停止灌水。系统 的总体工作原理图如下图所示：
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图 3-4 1602 和单片机相连电路图
3.1.5 报警系统的设计
本次设计中报警系统主要选用利用蜂鸣器来报警。就是当土壤的湿度值低于 设定的初值时，蜂鸣器发出报警。
但是单独有单片机控制蜂鸣器的时候由于单片机的输出电流过小，不能驱动 蜂鸣器，我们在两者之间接了 ULN2003 芯片。
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创新性实验结题报告 灌溉量与作物实际需水量相比太少，便不能有效的促进作物健康成长;而灌溉量 太多，肥水流失，又会造成资源浪费，同时传统的灌溉法还需要相关专家的实时 观察并经验指导生产，劳动生产率低，这也不能与现代化农业向优化、高效化方 向发展要求同步。
随着计算机技术和传感器技术的迅猛发展，计算机和传感器的价格日益降 低，可靠性日益提高，用信息技术改造农业不仅是可能的而且是必要的。用高新 技术改造农业产业，实施节水灌溉已成为我国农业乃至国民经济持续发展带战略 性的根本大事。本文旨在设计一套能对作物生长的土壤湿度进行自动监控的系 统，它能对作物进行适时、适量的灌水，起到高效灌溉，节水、节能的作用。而 选用单片机来控制该自动节水灌溉，设计简单，成本低，是我们广大农民都能接 受的，便于广泛应用。
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1 项目选题思路
生命之起源，水为必要条件，没有了水，地球上的生命将会枯竭。随着 21 世纪的到来，能源危机将接踵而至。比能源危机更可怕的是，作为人类生命之源 的水的短缺到了前所未有的程度，这一状况还将随着时间的推移和社会的发展继 续恶化。水资源危机已成为全球性的突出问题，利用科技手段缓解这一危机，将 是人类主要的出路。
5 项目组成员的收获及体会....................................................................................... 22 参考文献...................................................................................................................... 23
ULN2003A 在各种控制电路中常用它作为驱动继电器的芯片，其芯片内部做 了一个消线圈反电动势的二极管。ULN2003 的输出端允许通过 IC 电流 200mA， 饱和压降 VCE 约 1V 左右，耐压 BVCEO 约为 36V。输出电流大，故可以直接驱 动继电器或固体继电器(SSR)等外接件，也可直接驱动低压灯泡。
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2 实验的研究方案及技术路线
本次实验的主体思路是利用单片机实现土壤的自动灌溉，具体的过程是湿度 传感器采集到土壤的湿度值，对湿度值进行数字化处理之后送入到单片机的内 部，单片机对采集到的土壤湿度值进行分析和处理，通过和预先设置的初值进行 比较分析之后控制继电器的吸合和关闭而间接的控制水泵，从而达到自动节水灌 溉的目的。本次设计还增加了报警功能，当土壤的湿度值低于预先设定的初值的 时候，蜂鸣器还会发出蜂鸣，以示报警。
1602 的各个管脚的功能如下： 第 1 脚：VSS 为电源地 第 2 脚：VCC 接 5V 电源正极 第 3 脚：V0 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电 源时对比度最高（对比度过高时会 产生“鬼影”，使用时可以通过一个 10K 的电 位器调整对比度）。 第 4 脚：RS 为寄存器选择，高电平 1 时选择数据寄存器、低电平 0 时选择 指令寄存器。 第 5 脚：RW 为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写 操作。 第 6 脚：E(或 EN)端为使能(enable)端,高电平（1）时读取信息，负跳变时执 行指令。 第 7～14 脚：D0～D7 为 8 位双向数据端。 第 15～16 脚：空脚或背灯电源。15 脚背光正极，16 脚背光负极。 根据 1602 的各个引脚的功能当它和单片机相连时具体的电路图如图 3-4 所 示：
DHT11 的数据端和单片机的 P3.6 引脚进行相连。 具体的电路连接如图 3-3 所示：
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图 3-3 DHT11 和单片机相连的电路图
3.1.4 显示模块的电路设计
在显示模块我们主要采用了 1602 液晶显示器对采集到的温度和湿度值进行 显示。
1602 为工业字符型液晶，能够同时显示 16x2 即 32 个字符工业字符型液晶， 能够同时显示 16x02 即 32 个字符。
3.2 系统的软件设计............................................................................................... 8 3.2.1 系统的主程序设计................................................................................. 8 3.2.2 采样子程序的设计................................................................................. 9
目录
1 项目选题思路............................................................................................................. 1 2 实验的研究方案及技术路线..................................................................................... 3 3 项目的实施过程......................................................................................................... 4