(完整word版)土壤湿度检测及自动浇水系统设计

土壤湿度检测及自动浇水系统设计

1 设计主要内容及要求

1.1 设计目的：

随着人们生活水平的提高花卉逐渐受到人们的青睐，本设计要求利用单片机设计一款家庭智能浇花器，实现自动浇花，节省人力，方便人们出差的时候不至于影响花卉的生长，如果在家也可以关断浇花器。

（1）了解土壤湿度检测的基本知识以及电工电子学、单片机、传感器等相关技术。

（2）初步掌握常用土壤湿度检测传感器的特点和应用场合，并选择恰当方法应用于本设计。

1.2 基本要求

（1）通过c8051f020单片机编程来实现土壤湿度的实时显示，并具有超量程报警装置。

（2）要求设计相关传感器系统和控制系统实现自动浇水功能。

（3）要求设计相关的硬件电路，包括传感器的选型、控制系统和显示系统的硬件电路设计。

1.3 发挥部分

自由发挥

2 设计过程及论文的基本要求：

2.1 设计过程的基本要求

（1）基本部分必须完成，发挥部分可任选；

（2）符合设计要求的报告一份，其中包括总体设计框图、电路原理图各一份；

（3）报告的电子档需全班统一存盘上交。

2.2 课程设计论文的基本要求

（1）参照毕业设计论文规范打印，包括附录中的图纸。项目齐全、不许涂改，不少于4000字。图纸为A4，所有插图不允许复印。

（2）装订顺序：封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要、关键词、目录、正文（设计题目、设计任务、设计思路、设计框图、各部分电路及相应的详细的功能分析和重要的参数计算、工作过程分析、元器件清单、主要器件介绍）、小结、参考文献、附录（总体设计框图与电路原理图）。

3 时间进度安排

一设计任务描述

1.1 设计题目：土壤湿度检测及自动浇水系统设计

1.2 设计要求

1.2.1 设计目的：

随着人们生活水平的提高花卉逐渐受到人们的青睐，本设计要求利用单片机设计一款家庭智能浇花器，实现自动浇花，节省人力，方便人们出差的时候不至于影响花卉的生长，如果在家也可以关断浇花器。

（1）了解土壤湿度检测的基本知识以及电工电子学、单片机、传感器等相关技术。（2）初步掌握常用土壤湿度检测传感器的特点和应用场合，并选择恰当方法应用于本设计。

1.2.2 基本要求：

（1）通过C8051F020单片机编程来实现土壤湿度的实时显示，并具有超量程报警装置。

（2）要求设计相关传感器系统和控制系统实现自动浇水功能。

（3）要求设计相关的硬件电路，包括传感器的选型、控制系统和显示系统的硬件电路设计。

二设计思路

我所设计的土壤湿度检测及自动浇水系统主要由七部分组成。

第一部分：精密对称方波发生器。用于驱动湿敏电阻，因为直流电流通过湿敏电阻时会产生电化学迁移现象而损坏湿敏电阻，所以在这里我选择了具有稳幅作用的精密对称方波发生器作为信号源。

第二部分：湿敏电阻传感器。由于湿敏电阻是最常见，价格也最低廉的一种湿度传感器所以我选择了湿敏电阻作为本设计的核心传感器。我选择的是PCRC-55这款湿敏传感器。他是一种经过化学方法处理的聚苯乙烯聚合物。其电阻值（R）与相对湿度（RH）的曲线近似指数曲线，即电阻值随相对湿度的增大为减小。

第三部分：对数放大器。为解决湿敏电阻自身的非线性问题，我选择了由晶体管和运算放大器组成的对数放大电路来对湿敏电阻的指数型特性曲线进行线性化。

第四部分：相对湿度校准电路。利用湿度校准电路对40%RH、100%RH两点进行校准，再通过滤波器产生一个代表相对湿度的直流输出电压，输出电压范围是0~+10V，所对应的相对湿度变化范围是（0~100%）RH。

第五部分：断点放大器。由于湿敏电阻在RH≤40%时的非线性失真最为显著，我真对这一情况采用断点放大器再做一次局部的线性化处理，即再进行一次线性补偿。

第六部分：温度补偿电路。利用集成恒流源的正温度系数去补偿湿敏电阻的负温度系数，大大降低了温漂。当环境温度发生变化时，必然导致组成对数放大器的晶体管的直流工作点发生改变，而这也终究会影响到对数放大器的输出特性。因此我对组成对数放大器的晶体管采取一定的温度补偿措施，即用一片廉价的集成音频放大器对其补偿，以避免这种情况的发生。

第七部分：数据处理及自动浇水系统。利用单片机对湿敏电阻这一传感器所采集的代表土壤湿度的电压信号进行处理、分析，并对土壤湿度进行实时显示、超范围报警以及自动浇水。

对这以上就是我所设计的土壤湿度检测及自动浇水系统的设计思路。基于此设计思路设计的土壤湿度检测及自动浇水系统的相对湿度测量范围为0~100%,测量精度为±2%，分辨力可达0.01%。

三设计方框图

四设计原理

4.1 精密对称方波发生器

湿敏电阻只能用交流的，直流会导致湿敏失效，因为直流的电场会导致高分子材料中的带电粒子偏向两极，一定时间以后湿敏电阻就会失效。所以必须用交流维持其平衡，这也是为什么测湿敏电阻阻值要用电桥而不能用普通万用表的原因。

水分子是极性分子，在直流电厂中会分解为H2和O2,影响测量，并且在湿敏传感器中存在导电离子，在高湿情况下，如采用直流电会漂移造成电导率漂移，影像传感器的使用寿命。

综上所述：鉴于当直流电流通过湿敏电阻会产生电化学迁移现象而损坏湿敏电阻，因此必须采用交流信号或对称方波信号来驱动湿敏电阻。

这里选用具有稳幅作用的精密对称方波发生器作为信号源，其输出信号中不包含直流分量。

4.2 湿敏电阻传感器

湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中的水分而导致本身电阻值发生变化这一原理而制成的。工业上流行的湿敏电阻主要有：半导体陶瓷湿敏电阻、氯化锂湿敏电阻、有机高分子膜湿敏电阻。湿敏电阻的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。

PCRC-55型湿敏电阻是用经过化学方法处理的聚苯乙烯聚合物制成的。其电阻值（R）与相对湿度（RH）的影响曲线如图4.2.1湿敏电阻特性曲线所示。该曲线近似为指数曲线。当湿度从20%变化到100%时，电阻值就从100MΩ迅速减小到35KΩ，电阻变化量超过了4个数量级。因此，构成相对湿度测量仪时必须进行线性化，才能获得线性输出电压。PCRC-55的温度系数为—0.36%RH/℃，精度为±1% 。

图4.2.1湿敏电阻特性曲线

4.3 对数放大器

为解决湿敏电阻的非线性问题，由晶体管和运算放大器构成对数放大器，对湿敏电阻的指数型特性曲线进行线性化。