花卉自动浇灌控制系统设计样本

摘要
随着国内房地产发展，近年来浮现高档住宅社区和别墅区，一某些人拥有了私家花园，家庭式灌溉在国内也没有正式起步。

花卉灌溉思路就是最大限度让主人不用费太多心思而把花养好。

考虑到灌溉系统自动化限度，因此本次设计我用单片机与湿度、光照、温度传感器相结合，可以实时检测并让花卉在最适合它们环境中生长。

本次设计重要是由硬件和软件两某些构成，硬件某些涉及:单片机AT89S52，电池充电电路，时钟电路，复位电路，温度传感器，湿度传感器，光照检测电路，步进电动机驱动电路，电磁阀控制电路，窗户控制电路等内容。

软件某些涉及：温度传感器DS18B20程序，步进电机正反转程序，窗户打开、关闭程序，控制电磁阀程序等内容。

本设计传感器都是采用单片机AT89S52编程控制，实现对花卉所处环境实时控制来拟定要做动作。

核心词：单片机AT89S52 传感器电磁阀步进电机自动灌溉
目录
第一章绪论 .................................... 错误!未定义书签。

1.1研究背景 ..................................... 错误!未定义书签。

1.2自动灌溉现状与发展趋势....................... 错误!未定义书签。

1.3本论文重要研究内容........................... 错误!未定义书签。

第二章系统总体设计 ............................ 错误!未定义书签。

2.1系统应用范畴................................. 错误!未定义书签。

2.2系统预期功能和技术指标....................... 错误!未定义书签。

2.3系统设计总体方案............................. 错误!未定义书签。

2.4系统工作原理................................. 错误!未定义书签。

第三章系统硬件设计 ............................ 错误!未定义书签。

3.1单片机控制系统设计........................... 错误!未定义书签。

3.2太阳能电池板充电电路......................... 错误!未定义书签。

3.3数据采集电路设计............................. 错误!未定义书签。

第四章软件系统设计 ............................ 错误!未定义书签。

4.1总体设计思想................................. 错误!未定义书签。

4.2系统主程序 ................................... 错误!未定义书签。

4.3传感器控制模块设计........................... 错误!未定义书签。

结论 ............................................ 错误!未定义书签。

道谢 ............................................ 错误!未定义书签。

参照文献 ........................................ 错误!未定义书签。

附录 ............................................ 错误!未定义书签。

花卉自动灌溉控制系统设计
第一章绪论
1.1研究背景
1.水是自然资源重要构成某些，是所有生物构造构成和生命活动重要物质基本。

从全球范畴讲，水是连接所有生态系统纽带，自然生态系统既能控制水流动又能不断促使水净化和循环。

因而水在自然环境中，对于生物和人类生存来说具备决定性意义。

而对人体而言生理功能是多方面，体内发生一切化学反映都是在介质水中进行，没有水，养料不能被吸取；氧气不能运到所需部位；养料和激素也不能到达它作用部位；废物不能排除，新陈代谢将停止，人将死亡。

因而，水对人生命是最重要物质。

在地球上，哪里有水，哪里就有生命。

一切生命活动都是来源于水。

2.在当代工业中，没有一种工业部门是不用水。

也没有一项工业不和水直接或间接发生关系。

更多工业是运用水来冷却设备或产品，例如钢铁厂等。

水还常惯用来作为洗涤剂，如漂洗原料或产品，清洗设备或地面，每个工厂都要运用水各种作用来维护正常生产，几乎每一种生产环节均有水参加。

因此,水作为大自然赋予人类宝贵财富，早就被人们关注。

但是人们经常使用“水资源”一词，却是近一二十年事。

关于水资源定义，有几十种之多，较普遍说法是指“可以供人们经常取用、逐年可以恢复水量”。

也就是普通所指淡水资源。

这样，苦咸海水就不算在内，连千年难化冰川、不易取用一某些地下水也排除在外了。

水资源价值在于，水资源地球生命需求、为人类服务涉及水所具备发电、航运、养殖、环境等方面能力。

咱们都懂得,水在自然环境和社会环境中，都是极为重要而活跃因素。

而就中华人民共和国水资源而言已经开始减少了：中华人民共和国水资源初步估算为27115亿立方米，河流山川近年平均径流相称于世界径流总量5.8％，
而人均资源占有量很低。

人均只有2200立方米，仅为世界平均水平1／4，在世界上名列121位，是全球13个人均水资源最贫乏国家之一。

1.2自动灌溉现状与发展趋势
1.2.1自动灌溉现状
园林灌溉设备当前重要是按照客户针对自己需求来精确地选取灌溉产品，同步有助于制造商分门别类研发产品和对市场需求把握，用于区别各制造商业务范畴。

按这种方式重要分为都市园林灌溉设备（Landscape）、高尔夫球场灌溉设备（Golf）、庭院灌溉设备（Garden）。

例如美国RAINBIRD、TORO、HUNTER等多家公司，尽管技术背景和从业时间有所不同，但都具备前两类产品制造能力，而德国GARDENA公司致力庭院灌溉产品制造。

随着国内房地产发展，近年来浮现高档住宅社区和别墅区，一某些人拥有了私家花园，适应庭院灌溉产品才从国外走进国门，这个市场刚刚起步。

家庭院灌溉设备开发思路是，满足主人料理和养护私家花园情趣，在家享有田园劳作过程，营造自然生态情景。

因此此类灌水器多为小射程散射喷头、手持式和移动式喷洒器，并且喷洒花型繁多可调，水源为自来水，压力、流量、射程都较小。

例如俗称“花洒”就是典型庭院灌水器。

欧洲在国际上引领此类产品市场，如德国GARDENA公司，就专门致力于庭院灌溉产品生产。

在国内此类产品生产也是空白。

国家记录局最新发布资料表白，国内农村人口占总人口比例降到56%；国家建设部指出，国内政府把保护环境、绿化祖国作为一项基本国策，建设部制定了《都市绿化规划建设指标》，其中规定都市绿地率达到25%，达到30%；都市绿化覆盖率达到30%，达到35%。

国内外大量研究资料表白，无论一种都市或一种地区，在常规状况下，当绿化覆盖率达到或超过30%～50%时，其生态环境才有但愿想良性循环发展。

因而国内重要都市在此后一段时期内，绿化覆盖率将会大幅提高，都市绿地面积将迅速增长；同步，为使已有绿地尽量发挥出应有生态效应，其改
造步伐势必要加快。

水是植物具备适当生长环境，灌溉系统必不可少，绿地灌溉系统数量也将随之增多，如果依然采用古老人工灌溉办法，先不说能否达到设想灌溉效果，也不说每年将会增长用水量，光人工费用和其她管理费用就会是一笔不小开销。

由此可见，发展节水节能当代化灌溉系统，已是大势所趋。

1.2.2 自动灌溉发展趋势
随着国家把保护环境和绿化祖国做为基本国策，再有无线网络信息进一步，在水资源节约上也会下很大力度去实现并贯彻，因而发展节水节能当代自动灌溉系统势在必行。

灌溉自动控制设备重要沿着三条主线发展，分为高品位、中端和低端三大类别。

高品位控制设备
此类产品是随着计算机和当代数据通讯技术发展而产生，重要有两类：一类是基于气象站中央计算机灌溉控制设备；另一类是由计算机控制，但不和气象站通讯。

这两类都在数据通讯前提下进行指令下达和反馈，但最大区别是，前者以实时监测到气象数据并计算出植物需水量为核心，实现灌溉系统智能控制，后者则以阀门开关为中心，实现系统启闭集中控制。

中端控制设备
任何灌溉系统都是针对某种植物在某种需水量条件下而设计，因而，系统供水流量是既定；要灌到某种植物需水量，最后反映在需要灌多长时间上。

这种产品就是把灌水时间作为控制参量，从而实现自动灌溉。

低端控制设备
此类设备重要是用干电池驱动，不必市电。

用来解决无电地区或难于解决电源地区，例如高速公路防护林或绿化带，都市园林很少应用。

此类控制设备，也可以简朴编程，自动运营电磁阀，但不能控制供水机组。

在国外灌溉控制设备已
经形成庞大产业，在国内无论高、中、低端灌溉自动控制设备，仅仅有某些科研院所在实验研制之中，没有明确针对性，思路不象国外那么清晰，当前还没有形成批量生产，更谈不到产业化。

总来看，在不久将来，不但能实现对办公室花卉控制并且可以实现路边及所有公共场合花草树木自动灌溉，并且可以加入远程控制，可视频控制，更大限度节约人力物力，这将是世界灌溉系统一种发展趋势。

1.3本论文重要研究内容
1.3.1基本研究与设计开发
浇花最佳灌溉系统就是在恰当时间灌溉适量水，顾客每天需解决3个重要问题是：何时灌溉灌多少、温度高低和光照与否充裕。

解决何时灌溉问题，顾客需监测作物根域土壤水分；解决光照强度问题则需要调节某些设备来增长阳光照射，解决温度需要就是通过窗户打开与关闭来进行调节。

设计则需要通过研究盆景花卉正常生长各种参数，依照与否需要水和光照而自动灌溉，较好地控制花卉生长温度及湿度。

考虑干扰消除办法，有效地避免干扰产生，如何采用太阳能给电池充电使之环保又节约了资本，系统器件需要采用高性能低价原件，减少开发成本低，并且可以满足大多数顾客需求。

1.3.2自动控制系统研究与设计
1、本系统将对温室环境中土壤湿度、光照强度、温度因子调控进行自动化控制，以期达到最佳控制效果。

2、系统硬件设计，完毕硬件原理图。

硬件将通过调研对比分析，选用高性价比元件，采用某些成熟电路设计，达到提高系统稳定性、可靠性与精度，减少成本，提高市场竟争力目的。

3、程序设计流程与程序清单。

软件设计将采用C语言设计，提高系统修改、
调试与升级（增长控制因子)能力。

1.3.3使用自动控制系统带来便利
1、依照花园大小和植物种类自主设定每周、每日灌溉次数和时间使您外出度假也不用紧张花草无人照顾。

2、实现科学养护，避免普通漫灌导致植物死亡和病虫害滋生。

3、不必拖着水管满院转，挣脱繁琐劳动，节约宝贵时间。

4、节约宝贵水资源，使用本产品可节约水80%左右。

5、低能耗，保证家人安全。

6、不必专门维护，可长期使用，安装、调试以便。

7、性能先进、可靠，售价为国外同类产品40%如下；
8、普通4分出口自来水龙头就可以轻松安装上控制器，家用水压便可以实现正常喷淋，如果水压不够，在控制器前端增长一种增压泵就可以了。

第二章系统总体设计
2.1系统应用范畴
该单片片机应用系统重要应用于办公室、家庭内，系统操作简朴、价格低廉、实用性高，操作以便。

其工作环境温度为0～40°C。

2.2系统预期功能和技术指标
2.2.1课题研究预期功能
现实生活中诸多花卉温度、湿度和光照需要保持在一种既定值上，超过或者低于这个预定值将对花卉生长产生影响。

该系统规定用单片机测控来实现花卉生长环境因子信息数据实时采集、解决，而后输出控制执行机构，以实现环境湿度、温度和光照强度测控，达到节水节能，省时省工效果。

详细功能如下:
1、实现按需灌溉功能。

按照花卉需求启动和关闭灌溉系统，实现普通控制。

具备构造简朴，成本低，操作以便。

2、通过传感器检测花卉生长环境温度、土壤湿度和光照强度，根据设定植物规定温度、湿度和光照强度上下限值，由单片机来控制开关窗户、电磁阀和窗
帘，从而调节温度、湿度和光照。

当空气温度高于上限值时，自动打开窗户进行自然降温，达到规定值时则自动关闭。

3、室内环境中土壤湿度是重要因子，规定当土壤含水量过低己不能满足花卉最低需求时，就打开电磁阀进行灌溉，当湿度满足规定是关闭电磁阀。

4、光照强度控制因子考虑到生产成本问题，但是本系统局限性之处是未考虑人工增光设备，如果光照强度高于上限值时，关闭窗帘减少光照，如果光照强度低，打开窗帘网。

2.2.2课题技术指标
表2-1系统技术指标
系统技术指标（夏天）规定详细见表2-1所示，其控制范畴亦可据详细作物需要来设定，%RH(Relative Humidity)为相对百分数，其中硬件成本由于单个制作跟批量生产有一定差值。

2.3系统设计总体方案
2.3.1系统控制原理
在控制技术方面，有诸如开环、闭环反馈控制，模糊控制，自适应控制，神经网络控制等当代控制技术。

模糊控制技术当前应用最广泛，普通用于有上、下位机单片机控制系统。

本系统采用老式闭环控制技术，系统控制原理逻辑框图见
图2-2所示：
温度湿度光照
图2-2闭环控制逻辑原理框图
2.3.2系统总体设计
图 2-3 系统硬件构造图
（1）本文针对实际需要，设计了一套温度、湿度和光照检测与控制系统，保证花卉在生长各个时期有适当生长环境，整个测控系统由传感器、控制器和执行机构三某些构成。

整个系统硬件构造如图2-3所示
（2）硬件电路以AT89S52单片机为核心，系统输入由采集土壤水分传感器、光照传感器和温度传感器及传感器信号解决电路构成，输出控制由继电器、执行AT89S52
电磁阀、电动
温度湿度
花卉各种参数
器构成。

（3）软件用C语言作为编程语言，采用模块式构造设计。

2.4系统工作原理
系统工作中，有太阳能电池给电池充电，电池输出通过稳压模块，避免电压较大变化，电池为整个系统提供电能。

通过温度、湿度及光照检测传感器把被测对象温度、湿度光照转换成电压信号，转换为0-1数字信号后送入单片机中，与给定所要控制温度、湿度值进行比较，依照单片机 AT89S52中设立参数，输出相应温度、湿度值相应被控对象电机和电磁阀值，带动动力系统作相应运动，不断减少与单片机中设立值差值，温度过高时，单片机控制直流电机驱动器打开窗户，进行自然散热，温度适合时关闭窗户。

当土壤湿度过低时，单片机通过继电器控制电磁阀使其打开进行浇水，浇水后湿度适中时关闭电磁阀。

光照检测电路将光照强度转换成0-1代码，输入单片机，当光照过强时关闭窗帘，光照适合时打开窗帘。

温度湿度不断地检测、控制，使之达到一种动态平衡。

第三章系统硬件设计
3.1单片机控制系统设计
3.1.1单片机选取
电子技术飞速发展，使得计算机不断更新换代。

其中单片机更是一枝独秀，广泛应用于各个领域，使其自动化限度大提高。

单片机具备体积小，价格低廉，功能强大，稳定可靠，运算速度快，功耗低，扩展容易，抗干扰能力强，系列齐全，使用以便灵活等长处，广泛应用于工业过程控制、自动监测、智能仪器仪表、家用电器等领域。

单片机成为当今世界上销售量最大、应用面最广、价格最便宜微型计算机产品。

当前世界上最具实力单片机开发公司有:美国Intel，ATMEL，荷兰PhilipS，德国SiemenS等。

其中Intel公司始终处在领先地位，重要有MCS-48、MCS-51和MCS-96三大系列，其中MCS-51系列是 1980年推出高档8位单片机，代表着单片机发展方向，成为单片机领域中主流产品。

ATMEL公司89系列Flash单片机以
Intel80C51/52作为内核，并采用可重复编程FlashROM技术，是一种源于8051而
又优于8051单片机，己成为广大MCS-51顾客进行电子设计与开发优选单片机品种。

依照实际状况与规定，本系统选用ATMEL公司89系列原则型单片机AT89S52，其价格适中功能强大，这应当是比较符合国内国情选取。

3.1.2 AT89S52简介
AT89S52是一种低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含8K Bytes
ISP(In-system programmable)可重复擦写1000次Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司高密度、非易失性存储技术制造，兼容原则MCS -51指令系统及80C51引脚构造，芯片内集成了通用8位中央解决器和ISP Flash存储单元，功能强大微型计算机AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比解决方案。

1.单片机内部构造图与基本特性
AT89S52内部构造图如图3-1所示
AT89S52基本特性
与MCS-51单片机产品兼容
8K字节在系统可编程Flash存储器，256字节RAM
可重复擦写>1000次
全静态操作：0Hz～33Hz
三级加密程序存储器
2个可编程I/O口线
三个16位定期器/计数器
八个中断源
全双工UART串行通道
低功耗空闲和掉电模式
掉电后中断可唤醒
看门狗定期器
双数据指针
掉电标记符
图3-1 AT89S52外部引脚
2.引脚配备及功能
AT89S52单片机有40个引脚，为CMOS工艺双列直插封装(DIP)，其引脚配备见图3-1所示，各引脚功能简述如下:
1.主电源引脚 VSS和 VCC
VCC（40引脚）——电源端，+5V
VSS（20引脚）——接地
2.4个8位I/O端口P0、P1、P2和P3
P0口(32——39)：P0口为一种8位漏级开路双向工/0口，每个引脚可吸取8个TTL门电流。

P0可以用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址第八位。

在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，
此时P0外部必要被拉高。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0不具备内部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接受指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

P1口(1——8)：P1口是一种内部提供上拉电阻8位双向I/0口，P1口缓冲器能接受输出4个TTL门电流。

Pl口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉缘故。

在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接受。

P2口（21——28）：P2口为一种内部上拉电阻8位双向I/0口，P2口缓冲器可接受输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。

并因而作为输入时，P2口管脚被外部拉低，将输出电流。

这是由于内部上拉缘故。

P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址高八位。

在给出地址"1"时，它运用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器内容。

P2口在FLASH 编程和校验时接受高八位地址信号和控制信号。

P3口（10——17）：P3口管脚是8个带内部上拉电阻双向I/0口，可接受输出4个TTL
门电流。

当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉缘故。

P3口也可作为AT89S52某些特殊功能口，如下表3-2所示:
表3-2 P3口特殊功能
3.控制信号引脚
RST（9脚）：复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期高电平时间。

ALE（30脚）：低电平有效，当访问外部存储器时，地址锁存容许输出电平用于锁存地址低位字节。

在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率1/6。

因而它可用作对外部输出脉冲或用于定期目。

然而要注意是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一种 ALE脉冲。

如想禁止ALE输出可在SFRSEH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX、MOVC指令是ALE才起作用。

此外，该引脚被略微拉高。

如果微解决器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

PSEN（29脚）：低电平有效，外部程序存储器选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效PSEN信号将不浮现。

EA/V（31脚）:当EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFH)，不论与否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，丽将内部锁定为RESET；当EA 端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。

4.时间振荡电路
XTAL1（19脚）：反向振荡放大器输入及内部时钟工作电路输入。

XTAL2（18脚）：来自反向振荡器输出。

3.1.3存储器配备
AT89系列单片机存储器采用程序存储器和数据存储器分开编址，它们有各自寻址系统、控制信号和特定功能。

程序和数据存储器在物理和逻辑上均分为两个地址空间:内部存储空间和外部存储空间。

本系统代码程序不太大，AT89S521片内8KB ROM 闪速存储器256字节RAM 即可满足规定，无需扩展片外ROM 跟RAM 。

3.1.4时钟电路与复位电路设计 1.时钟电路设计
AT89S52单片机内部有个振荡器，可以用作CPU 时钟源。

本系统时钟选用内部方式。

AT89S52内部具有一种高增益反相放大器，通过XTAL1(输入端)、XTAL2(输出端)外接作为反馈元件片外石英晶体(或陶瓷谐振器)和电容C1，C2构成并联谐振电路后便构成片内自激振荡器，从而运用它内部振荡器产生时钟。

连接办法见图3-3所示，其中晶体呈感性，其决定着振荡器振荡频率；电容Cl ，C2对频率有微调作用。

电路中反馈元件选用石英晶体，电容Cl 和C2均为30pF ，电容与晶体安装位置应尽量接近单片机。

图3-3 时钟电路
11.0592MHZ
2.复位电路设计
89系列单片机在启动时也需要复位使CPU及系统各部件处在拟定初始状态，并从初始态开始工作。

按下SW，电源对C充电，使RST端迅速到达高电平；松开按键，C向芯片内阻放电，恢复为低电平，从而使单片机可靠复位，普通R1选470Ω，R2选8.2kΩ，C选22uF。

AT89S52按键复位电路见图3-4，电路简朴可靠。

图3-4 按键复位电路
3.2太阳能电池板充电电路
3.2.1 充电芯片选取
CN3068是可以对单节可充电锂电池进行恒流/恒压充电充电器电路。

该器件内部涉及功率晶体管，应用时不需要外部电流检测电阻和阻流二极管。

CN3068只需要很少外围元器件，热调制电路可以在器件功耗比较大或者环境温度比较高时将芯片温度控制在安全范畴内。

内部固定恒压充电电压为4.2V，也可以通过一种外部电阻调节。

充电电流通过一种外部电阻设立。

当输入电压掉电时，CN3068自动进入低功耗睡眠模式，此时电池电流消耗不大于3微安。

其他功能涉及输入电压过低锁存，自动再充电，电池温度监控以及充电状态/充电结束状态批示等功能。

CN3068管脚排列如图3-5所示：
图3-5 CN3068管脚排列
3.2.1.1详细描述
CN3068是专门为一节锂电池而设计线性充电器电路，运用芯片内部功率晶体管对电池进行恒流和恒压充电。

充电电流可以用外部电阻编程设定，最大持续充电电流可达500mA，不需要另加阻流二极管和电流检测电阻。

CN3068包括两个漏极开路输出状态批示输出端，充电状态批示端STAT2和充电结束批示输出端STAT1。

芯片内部功率管理电路在芯片结温超过115℃时自动减少充电电流，这个功能可以使顾客最大限度运用芯片功率解决能力，不用紧张芯片过热而损坏芯片或者外部元器件。

这样，顾客在设计充电电流时，可以不用考虑最坏状况，而只是依照典型状况进行设计就可以了，由于在最坏状况下，CN3068会自动减小充电电流。

当输入电压不不大于电源低电压检测阈值和电池端电压时，CN3068开始对电池充电，STAT2管脚输出低电平，表达充电正在进行。

如果电池电压Kelvin检测输入端(FB)电压低于3V，充电器用小电流对电池进行预充电。

当电池电压Kelvin 检测输入端(FB)电压超过3V时，充电器采用恒流模式对电池充电，充电电流由IR 管脚和GND之间电阻RIR.拟定。

当电池电压Kelvin检测输入端(FB)电压接近电池端调制电压时，充电电流逐渐减小，CN3068进入恒压充电模式。

当充电电流减小。