单片机的无线遥控智能节水灌溉系统设计
摘 要课题以AT89C51单片机作为主要控制芯片，结合YL-69土壤湿度传感器，完成了一款智能节水灌溉系统的设计。整个系统通过硬件电路的模块化设计、软件程序设计，实现了对土壤湿度的准确检测，并能够根据检测结果快速制定出灌溉计划。系统内嵌入了蓝牙控模块，用户可以通过手机或电脑蓝牙功能实现对灌溉参数的遥控设置，提高了系统的灵活性和实用性。经过仿真测试验证，整个系统具有检测速度快，设计成本低，实用性能强的优势。
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） 本次毕业论文主要研究内容 2
二、 方案选择及元器件介绍 3
（一） 主控器件的选择 3
（二） AT89C51型控制器介绍 4
（三） 土壤湿度传感器 5
（四） HC05主从一体式蓝牙模块介绍 5
（五） LCD1602型液晶简介 6
三、 硬件系统设计 7
（一） 智能节水灌溉系统的硬件结构框图设计 7
（二） 单片机最小系统设计 8
1. 复位电路的设计 8
2. 时钟电路的设计 8
（三） 土壤湿度传感器电路设计 9
（四） ADC0832模数转换器电路设计 10
（五） 水泵开关电路设计 10
（六） HC05蓝牙模块电路设计 11
（七） 液晶电路设计 12
（八） 蜂鸣器报警电路设计 13
四、 软件系统设计 14
（一） 智能节水灌溉系统的软件工作流程设计 14
（二） ADC0832模数转换器工作流程设计 15
（三） HC05蓝牙模块收发信息流程设计 16
（四） 液晶显示流程设计 17
（五） 水泵开关控制流程图设计 18
五、 功能仿真测试 19
总 结 23
参考文献 24
致 谢 25
附录一 原理图 26
附录二 元件列表 27 引言
智能灌溉
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
技术的发展背景
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。在很久以前的古代中国，农业五千年文明中得到不断地发展和成熟，伴随着农业的发展，传统农业灌溉浇水技术在这过程中得到了不断发展。传统灌溉技术大多数依赖人工经验判断灌溉频率，不能根据土壤的实际情况来有计划的灌溉，往往造成水资源的浪费。随着现在农业中的灌溉技术的不断成熟，和科学技术的不断发展，传统的灌溉技术将逐渐退出历史的舞台。
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，设计出了很多不同性能的自动灌溉系统。其主要工作过程是依靠土壤湿度传感器自动快速的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。这类灌溉系统，既能实现自动灌溉，还能实现对土壤实时情况的监测，并根据实际测试数据来灌溉。这类灌溉系统既由于大大提高了灌溉的效果，节省了水资源，因此得到了快速地普及和发展。
本文拟选用单片机作为主控单片机，设计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。无论是国内还是国外的调研数据显示，目前较为流行的土壤湿度检测技术大部分都具有低电压低功耗特性。
本次毕业论文主要研究内容
对上述调研数据，本课题将完成一款能实现智能节水灌溉功能的节水灌溉控制系统设计，拟实现以下预期目标：
1、快速测量土壤中的湿度，通过51单片机对YL69土壤湿度传感器的驱动，实现对土壤中水分的准确检测，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；
4、具有较高性能的蓝牙无线遥控功能，通过手机或者电脑端的蓝牙功能与本系统进行通信，实现对湿度参数的设置。
5、使用显示效果良好的LCD1602液晶屏实时显示相关信息。
方案选择及元器件介绍
主控器件的选择
考虑到本次的设计目标，调研目前市场上控制芯片，本次设计考虑采用AT89C51单片机和FPGA来作为主控器件。我们列表（见表1）来简单分析两器件的特点。
表1 51单片机与FPGA器件特点对比表
名称
AT89C51芯片
FGPA器件
1
具有8位数据处理能力
数据处理能力强
2
时钟频率最高达到40M
IO管脚数量一般能达到100以上
3
4K字节的储存能力
灵活性强，性能高
4
数据处理能力相对较慢
功耗比较低
如果采用单片机芯片来作为主控器件，那么首选当然是AT89C51芯片，51单片机都具有8位数据处理能力。51单片机的开发成本在目前的微处理器届来说相对是属于最低的一个款式，在51单片机的处理性能方面，相对于FPGA来说处于劣势状态，51单片机目前最高的时钟频率能够达到40M，并且其内部具有机器周期的概念，即为了提高51单片机的工作稳定性能，必须将时钟频率除以12，才能在此速度下执行指令，因此对于数据的处理能力来说相对较慢。在内置功能模块方面，它内部集成了常用的定时器、串口以及中断等功能，并且具有32个相互独立的GPIO管脚可供用户使用。
而如果采用Altera公司或者赛灵思等公司推出的高性能FGPA器件来作为控制系统的核心处理器，那么将能够实现系统更高的集成度，许多硬件结构以及软件结构都能够通过程序的配置而在FPGA芯片内部实现，尤其是一些逻辑器件，FPGA在这方面最强。FPGA芯片在内部资源模块上相对于51单片机来说具有更多的功能，内置的IP核以及DSP处理核，能够辅助用户大大提高数字信号的处理能力，是51单片机所不能相提并论的，另外FPGA的IO管脚数量一般都能够达到100以上，是51单片机的数倍。
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） 本次毕业论文主要研究内容 2
二、 方案选择及元器件介绍 3
（一） 主控器件的选择 3
（二） AT89C51型控制器介绍 4
（三） 土壤湿度传感器 5
（四） HC05主从一体式蓝牙模块介绍 5
（五） LCD1602型液晶简介 6
三、 硬件系统设计 7
（一） 智能节水灌溉系统的硬件结构框图设计 7
（二） 单片机最小系统设计 8
1. 复位电路的设计 8
2. 时钟电路的设计 8
（三） 土壤湿度传感器电路设计 9
（四） ADC0832模数转换器电路设计 10
（五） 水泵开关电路设计 10
（六） HC05蓝牙模块电路设计 11
（七） 液晶电路设计 12
（八） 蜂鸣器报警电路设计 13
四、 软件系统设计 14
（一） 智能节水灌溉系统的软件工作流程设计 14
（二） ADC0832模数转换器工作流程设计 15
（三） HC05蓝牙模块收发信息流程设计 16
（四） 液晶显示流程设计 17
（五） 水泵开关控制流程图设计 18
五、 功能仿真测试 19
总 结 23
参考文献 24
致 谢 25
附录一 原理图 26
附录二 元件列表 27 引言
智能灌溉
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
技术的发展背景
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。在很久以前的古代中国，农业五千年文明中得到不断地发展和成熟，伴随着农业的发展，传统农业灌溉浇水技术在这过程中得到了不断发展。传统灌溉技术大多数依赖人工经验判断灌溉频率，不能根据土壤的实际情况来有计划的灌溉，往往造成水资源的浪费。随着现在农业中的灌溉技术的不断成熟，和科学技术的不断发展，传统的灌溉技术将逐渐退出历史的舞台。
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，设计出了很多不同性能的自动灌溉系统。其主要工作过程是依靠土壤湿度传感器自动快速的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。这类灌溉系统，既能实现自动灌溉，还能实现对土壤实时情况的监测，并根据实际测试数据来灌溉。这类灌溉系统既由于大大提高了灌溉的效果，节省了水资源，因此得到了快速地普及和发展。
本文拟选用单片机作为主控单片机，设计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。无论是国内还是国外的调研数据显示，目前较为流行的土壤湿度检测技术大部分都具有低电压低功耗特性。
本次毕业论文主要研究内容
对上述调研数据，本课题将完成一款能实现智能节水灌溉功能的节水灌溉控制系统设计，拟实现以下预期目标：
1、快速测量土壤中的湿度，通过51单片机对YL69土壤湿度传感器的驱动，实现对土壤中水分的准确检测，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；
4、具有较高性能的蓝牙无线遥控功能，通过手机或者电脑端的蓝牙功能与本系统进行通信，实现对湿度参数的设置。
5、使用显示效果良好的LCD1602液晶屏实时显示相关信息。
方案选择及元器件介绍
主控器件的选择
考虑到本次的设计目标，调研目前市场上控制芯片，本次设计考虑采用AT89C51单片机和FPGA来作为主控器件。我们列表（见表1）来简单分析两器件的特点。
表1 51单片机与FPGA器件特点对比表
名称
AT89C51芯片
FGPA器件
1
具有8位数据处理能力
数据处理能力强
2
时钟频率最高达到40M
IO管脚数量一般能达到100以上
3
4K字节的储存能力
灵活性强，性能高
4
数据处理能力相对较慢
功耗比较低
如果采用单片机芯片来作为主控器件，那么首选当然是AT89C51芯片，51单片机都具有8位数据处理能力。51单片机的开发成本在目前的微处理器届来说相对是属于最低的一个款式，在51单片机的处理性能方面，相对于FPGA来说处于劣势状态，51单片机目前最高的时钟频率能够达到40M，并且其内部具有机器周期的概念，即为了提高51单片机的工作稳定性能，必须将时钟频率除以12，才能在此速度下执行指令，因此对于数据的处理能力来说相对较慢。在内置功能模块方面，它内部集成了常用的定时器、串口以及中断等功能，并且具有32个相互独立的GPIO管脚可供用户使用。
而如果采用Altera公司或者赛灵思等公司推出的高性能FGPA器件来作为控制系统的核心处理器，那么将能够实现系统更高的集成度，许多硬件结构以及软件结构都能够通过程序的配置而在FPGA芯片内部实现，尤其是一些逻辑器件，FPGA在这方面最强。FPGA芯片在内部资源模块上相对于51单片机来说具有更多的功能，内置的IP核以及DSP处理核，能够辅助用户大大提高数字信号的处理能力，是51单片机所不能相提并论的，另外FPGA的IO管脚数量一般都能够达到100以上，是51单片机的数倍。
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