单片机的自动灌溉系统
摘 要本文以自动灌溉为研究核心，经过了资料查阅、器件对比选择、软硬件设计以及调试等过程，最终设计了一款能够准确检测土壤湿度并且快速制定出灌溉计划等功能的智能灌溉控制系统，本系统突破了目前市面上相关产品高价格这一弊端，在主控上使用了51单片机来担任主控核心，这不但使成本大大降低，更是将系统的功耗特性以及使用性能得到大大提升。在软硬件设计上，本文先搭建了硬件系统，然后进行了软件程序代码编写，通过Protel、Keil以及Visio等软件平台的辅助，大大加快了毕业设计的进程，最终经过了大量的试验验证，本系统实现了预期拟设的所有功能指标。
目录
一、 引言 1
（一） 智能灌溉技术的发展背景 1
（二） 土壤湿度检测的国内外发展现状 1
（三） 本文主要研究内容 2
二、 方案选择及元器件介绍 3
（一） 主控器的选取 3
（二） AT89C51单片机介绍 4
（三） 土壤湿度传感器 5
（四） ADC0832模数转换器介绍 5
（五） LCD1602显示器介绍 6
三、 硬件系统设计 8
（一） 自动灌溉系统的硬件结构框图设计 8
（二） 最小系统设计 8
1. 时钟电路设计 9
2. 复位电路设计 9
（三） 土壤湿度传感器电路设计 10
（四） ADC0832模数转换器电路设计 11
（五） 水泵开关电路设计 12
（六） 显示器电路设计 12
（七） 蜂鸣器报警电路设计 13
四、 软件系统设计 14
（一） 自动灌溉系统的主程序流程图设计 14
（二） ADC0832模数转换器工作流程设计 15
（三） 显示器工作流程设计 16
（四） 水泵开关控制流程图设计 17
五、 Proteus软件仿真 19
（一） Proteus软件仿真 19
（二） 系统仿真 21
总 结 23
参考文献 24
致 谢 25
附
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
录一 原理图 26
附录二 程序 28
一、引言
智能灌溉技术的发展背景
本文通过单片机控制系统来实现一个智能灌溉，在此之前需要对这种控制系统的发展背景以及发展现状进行详细的介绍。通过在互联网以及图书馆中查阅的资料显示，灌溉技术在人类历史上经历了一段很长时间的发展和演变，从最开始的人工灌溉到如今的智能灌溉，这期间蕴含了人类巨大的智慧。早在很久以前的古代中国，由于重农抑商思想的影响，农业在中华五千年文明中得到了不断地发展，逐渐地演变为成熟。伴随着农业的发展，传统农业灌溉浇水技术在这过程中也实现了自身的不断发展，虽然该技术在不断发展，但是传统灌溉技术仍旧停留在人工浇水阶段，随着科学技术的不断发展，这种传统的灌溉技术逐渐的退出了历史的舞台。十九世纪后半叶，电子技术以及单片机应用技术发展后，产生了一些简易自动灌溉控制系统的雏形，在这时传感器技术已经进入了人类世界，所谓传感器就是一种能够实现非电量转换为电量的电子模块，这种传感器中往往包含了一片特性能够随土壤湿度发生变化的半导体材料，这块材料在接触到土壤中的水分后，电阻值大小迅速发生线性变化，通过后续的电路网路的作用，将这种变化转换成电压量的变化，从而就制成了土壤湿度传感器。在单片机技术成熟后，通过土壤湿度传感器与单片机的合理搭配，设计者就设计出了很多不同性能的自动灌溉系统，由于土壤湿度传感器能够自动快速地实现对土地含水量的检测，通过微处理器的处理作用能够计算出农作物对水的需求量，从而快速制定出浇水计划，这一整套过程几乎可以不受人的干预，大大节省了人力物力，并且灌溉效果远比传统灌溉方法好，因此实现了快速地普及和发展。本文就选用了AT89C51单片机作为主控单片机，设计了一款能够实现自动灌溉的单片机控制系统。
土壤湿度检测的国内外发展现状
前不久英国肯特大学的一个实验研究小组在互联网上发布了他们的最新研究成果——能够实现土壤湿度检测的片上系统，也就是说他们能够将庞大的土壤湿度检测探头部分与控制器等重要部分集成到一块半导体芯片中，并且在使用时也无需担心探头的发热问题，设计者在芯片底部设计了一款大面积的低沉散热片，通过该散热片，探头所产生的热量能够被快速耗散，不会对检测结果进行影响。而国内对于湿度的检测则主要是将研究重心放在了检测精度上，足够高的精度能够满足航天领域等高科技场所的严格要求。
本文主要研究内容
本文在自动灌溉发展背景的基础上选择了自动灌溉作为研究课题，考虑到这种控制系统目前的生产成本处于一种较高的位置，使得相关产品的性价比一直上不去，这种现象的关键在于其内部主控芯片、其他模块的造价昂贵以及开发成本高，因此本文选用了具有超高性价比以及较低功耗的51单片机作为控制系统的主控器件，并结合其他的低价模块，设计一款能够实现自动控制功能的自动灌溉系统，并实现以下功能指标。
1、快速测量土壤中的湿度，通过51单片机对SHT11温度度传感器的灵活驱动，实现对土壤中水分的准确检测，并通过液晶屏对该参数进行显示；
2、具有湿度阀值可设定功能，当土壤中实际湿度低于阀值时，立即启动浇水系统。用户可通过按键实现湿度阀值的设定，在运行过程中51单片机根据实际湿度与阀值的比较，对浇水系统进行启闭，从而实现浇水自动化。
3、具有报警功能，当土壤中实际湿度低于阀值时，系统发出报警信号。该部分主要通过有源蜂鸣器以及蜂鸣器驱动器实现，单片机输出相应的电平实现对蜂鸣器启闭的控制，从而实现报警信号的发出。
4、采用C51单片机作为主控器件，并通过C语言进行程序开发。
5、使用价格低并且显示效果良好的LCD1602液晶屏作为显示模块。
6、采用+5V直流电压进行系统供电。
方案选择及元器件介绍
主控器的选取
对于主控器的选择主要结合了主控芯片性能、成本以及自身的使用经历等多方面因素，通过这些因素的权衡最终来决定本系统选用的主控器芯片，经过了预期的筛选和对比后，最终选出了ATMEL公司的AT89C51单片机和德州仪器公司的TMS320F28335型DSP作为最终的考虑对象，由于这两款主控器芯片对于本文所设计的系统来说都具有足够的适合性，因此下面对这两款芯片分别作介绍分析。
如果选用ATMEL公司的AT89C51单片机来作为本文所设计系统的主控器芯片，那么将为本系统引入三大优势，首先在单片机的性能方面，由于这款单片机推向市场的时间较TMS320系列DSP来说要早三十年左右的时间，无论是学校图书馆还是网络上都遍布着大量的关于AT89C51单片机的学习资料以及各种开发过程中容易遇到的问题的解决方法，因此如果选用AT89C51单片机来作为主控器，那么能够在本次毕业设计的道路铲除很大的障碍，对毕业设计的顺利完成能够起到保驾护航的重大作用；而第二大优势更加重要，由于目前市面能够很容易买到直插封装的AT89C51单片机，这对于实物电路的PCB电路布局非常方便，不用担心紧密的贴片形式引脚带来的难于焊接以及电路绘制等难题，而TMS320F28335芯片全是贴片封装，紧密排列的贴片引脚在100Pin以上，这需要耗费巨大的经历以及耐心才能绘制无误，非常不利于短暂的毕业设计的顺利完成；第三大优势是AT89C51单片机相对于TMS320F28335来说在成本上至少是后者的二十分之一，目前市面上AT89C51单片机的平均价格在3元每片左右，而TMS320F28335每片在60元以上，因此这对于构建高性价比的设计目标来说是非常不利的。
目录
一、 引言 1
（一） 智能灌溉技术的发展背景 1
（二） 土壤湿度检测的国内外发展现状 1
（三） 本文主要研究内容 2
二、 方案选择及元器件介绍 3
（一） 主控器的选取 3
（二） AT89C51单片机介绍 4
（三） 土壤湿度传感器 5
（四） ADC0832模数转换器介绍 5
（五） LCD1602显示器介绍 6
三、 硬件系统设计 8
（一） 自动灌溉系统的硬件结构框图设计 8
（二） 最小系统设计 8
1. 时钟电路设计 9
2. 复位电路设计 9
（三） 土壤湿度传感器电路设计 10
（四） ADC0832模数转换器电路设计 11
（五） 水泵开关电路设计 12
（六） 显示器电路设计 12
（七） 蜂鸣器报警电路设计 13
四、 软件系统设计 14
（一） 自动灌溉系统的主程序流程图设计 14
（二） ADC0832模数转换器工作流程设计 15
（三） 显示器工作流程设计 16
（四） 水泵开关控制流程图设计 17
五、 Proteus软件仿真 19
（一） Proteus软件仿真 19
（二） 系统仿真 21
总 结 23
参考文献 24
致 谢 25
附
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
录一 原理图 26
附录二 程序 28
一、引言
智能灌溉技术的发展背景
本文通过单片机控制系统来实现一个智能灌溉，在此之前需要对这种控制系统的发展背景以及发展现状进行详细的介绍。通过在互联网以及图书馆中查阅的资料显示，灌溉技术在人类历史上经历了一段很长时间的发展和演变，从最开始的人工灌溉到如今的智能灌溉，这期间蕴含了人类巨大的智慧。早在很久以前的古代中国，由于重农抑商思想的影响，农业在中华五千年文明中得到了不断地发展，逐渐地演变为成熟。伴随着农业的发展，传统农业灌溉浇水技术在这过程中也实现了自身的不断发展，虽然该技术在不断发展，但是传统灌溉技术仍旧停留在人工浇水阶段，随着科学技术的不断发展，这种传统的灌溉技术逐渐的退出了历史的舞台。十九世纪后半叶，电子技术以及单片机应用技术发展后，产生了一些简易自动灌溉控制系统的雏形，在这时传感器技术已经进入了人类世界，所谓传感器就是一种能够实现非电量转换为电量的电子模块，这种传感器中往往包含了一片特性能够随土壤湿度发生变化的半导体材料，这块材料在接触到土壤中的水分后，电阻值大小迅速发生线性变化，通过后续的电路网路的作用，将这种变化转换成电压量的变化，从而就制成了土壤湿度传感器。在单片机技术成熟后，通过土壤湿度传感器与单片机的合理搭配，设计者就设计出了很多不同性能的自动灌溉系统，由于土壤湿度传感器能够自动快速地实现对土地含水量的检测，通过微处理器的处理作用能够计算出农作物对水的需求量，从而快速制定出浇水计划，这一整套过程几乎可以不受人的干预，大大节省了人力物力，并且灌溉效果远比传统灌溉方法好，因此实现了快速地普及和发展。本文就选用了AT89C51单片机作为主控单片机，设计了一款能够实现自动灌溉的单片机控制系统。
土壤湿度检测的国内外发展现状
前不久英国肯特大学的一个实验研究小组在互联网上发布了他们的最新研究成果——能够实现土壤湿度检测的片上系统，也就是说他们能够将庞大的土壤湿度检测探头部分与控制器等重要部分集成到一块半导体芯片中，并且在使用时也无需担心探头的发热问题，设计者在芯片底部设计了一款大面积的低沉散热片，通过该散热片，探头所产生的热量能够被快速耗散，不会对检测结果进行影响。而国内对于湿度的检测则主要是将研究重心放在了检测精度上，足够高的精度能够满足航天领域等高科技场所的严格要求。
本文主要研究内容
本文在自动灌溉发展背景的基础上选择了自动灌溉作为研究课题，考虑到这种控制系统目前的生产成本处于一种较高的位置，使得相关产品的性价比一直上不去，这种现象的关键在于其内部主控芯片、其他模块的造价昂贵以及开发成本高，因此本文选用了具有超高性价比以及较低功耗的51单片机作为控制系统的主控器件，并结合其他的低价模块，设计一款能够实现自动控制功能的自动灌溉系统，并实现以下功能指标。
1、快速测量土壤中的湿度，通过51单片机对SHT11温度度传感器的灵活驱动，实现对土壤中水分的准确检测，并通过液晶屏对该参数进行显示；
2、具有湿度阀值可设定功能，当土壤中实际湿度低于阀值时，立即启动浇水系统。用户可通过按键实现湿度阀值的设定，在运行过程中51单片机根据实际湿度与阀值的比较，对浇水系统进行启闭，从而实现浇水自动化。
3、具有报警功能，当土壤中实际湿度低于阀值时，系统发出报警信号。该部分主要通过有源蜂鸣器以及蜂鸣器驱动器实现，单片机输出相应的电平实现对蜂鸣器启闭的控制，从而实现报警信号的发出。
4、采用C51单片机作为主控器件，并通过C语言进行程序开发。
5、使用价格低并且显示效果良好的LCD1602液晶屏作为显示模块。
6、采用+5V直流电压进行系统供电。
方案选择及元器件介绍
主控器的选取
对于主控器的选择主要结合了主控芯片性能、成本以及自身的使用经历等多方面因素，通过这些因素的权衡最终来决定本系统选用的主控器芯片，经过了预期的筛选和对比后，最终选出了ATMEL公司的AT89C51单片机和德州仪器公司的TMS320F28335型DSP作为最终的考虑对象，由于这两款主控器芯片对于本文所设计的系统来说都具有足够的适合性，因此下面对这两款芯片分别作介绍分析。
如果选用ATMEL公司的AT89C51单片机来作为本文所设计系统的主控器芯片，那么将为本系统引入三大优势，首先在单片机的性能方面，由于这款单片机推向市场的时间较TMS320系列DSP来说要早三十年左右的时间，无论是学校图书馆还是网络上都遍布着大量的关于AT89C51单片机的学习资料以及各种开发过程中容易遇到的问题的解决方法，因此如果选用AT89C51单片机来作为主控器，那么能够在本次毕业设计的道路铲除很大的障碍，对毕业设计的顺利完成能够起到保驾护航的重大作用；而第二大优势更加重要，由于目前市面能够很容易买到直插封装的AT89C51单片机，这对于实物电路的PCB电路布局非常方便，不用担心紧密的贴片形式引脚带来的难于焊接以及电路绘制等难题，而TMS320F28335芯片全是贴片封装，紧密排列的贴片引脚在100Pin以上，这需要耗费巨大的经历以及耐心才能绘制无误，非常不利于短暂的毕业设计的顺利完成；第三大优势是AT89C51单片机相对于TMS320F28335来说在成本上至少是后者的二十分之一，目前市面上AT89C51单片机的平均价格在3元每片左右，而TMS320F28335每片在60元以上，因此这对于构建高性价比的设计目标来说是非常不利的。
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