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基于单片机的家庭智能浇花器设计毕业论文.docx

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基于单片机的家庭智能浇花器设计毕业论文.docx

基于单片机的家庭智能浇花器设计摘要随着社会生活的进步,人们的生活质量越来越高,家养盆花也被越来越多的人所喜爱,而盆花浇水量是否能做到适时适量,是养花成败的关键。但是在生活中人们总是会有无暇顾及的时候,比如工作太忙或者出差、旅游等,那么如何解决家庭养花自动浇水问题是一大课题。本论文提出根据土壤湿度进行浇花的设想,选用sht1x温湿度传感器(加防护套)测量湿度,采用湿敏电阻、单片机、进水电磁阀进行控制浇水(也可选用微型水泵)。具体做法是,首先进行湿度测量,获取到合适湿度值,然后调节湿敏电阻模块根据需要进行控制浇水。实验证明,该方案选用湿敏电阻可控制多个花盆进行独立浇水,并可与水管连接,节约了成本,也可根据阳光控制决定是否需要浇水,如在阳光强烈时可不浇水,具有一定的实用价值。关键词单片机;sht1x温湿度传感器;光敏电阻;湿敏电阻ateringmicrocontroller‐basedintelligenthomedesignAbstractwiththeprogressofsociallife,thequalityoflifeofpeoplemoreandmorehigh,domesticpottedplantislovedbymoreandmorepeople,andpottedwaterquantitycannotdoitproperlyisthekeytothesuccessoftheflowers.Butinlifethereisalwaysatimetoattendto,suchastoomuchworkortravel,tourism,thenhowtosolvefamilyflowersautomaticwateringproblemisabigproblem.Thispaperputforwardsomeideasforwateringtheplantsaccordingtothesoilmoisture,thesht1xtemperatureandhumiditysensorslaggedmeasurementofhumidity,thehumidityresistance,singlechipmicrocomputer,awaterinletelectromagneticvalvetocontrolthewateringalsousedmicropump.Inpractice,firstly,humiditymeasurement,accesstotheappropriatehumidityvalue,andthenadjustthehumiditysensitiveresistormoduletocontrolwateraccordingtoneed.Experimentsshowthat,theschemeselectionofhumiditysensitiveresistorcancontrolapluralityofindependentwateringflowerpot,andcanbeconnectedwithawaterpipe,savingcost,alsocanaccordingtosuncontroltodecidewhethertoneedtobewatered,suchasinthestrongsunlightcannotwatered,andhasacertainpracticalvalue.Keywordssinglechipmicrocomputer;sht1xtemperatureandhumiditysensor;photosensitiveresistance;humiditysensitiveresistor目录1绪论........................................................................................................................................................................21.1选题的目的和意义..............................................................................................................................................21.2课题的国内外发展现状......................................................................................................................................21.3课题的主要研究内容..........................................................................................................................................22相关基础知识.........................................................................................................................................................42.1单片机..................................................................................................................................................................42.2温湿度传感器......................................................................................................................................................52.2.1SHT-11概述.......................................................................................................................................................52.2.2SHT-11传感器性能..................................................................................................................................62.2.3保护膜...............................................................................................................................................................82.2.4接口定义...........................................................................................................................................................92.2.5传感器的通讯................................................................................................................................................103硬件电路设计......................................................................................................................................................143.1系统总体设计思路...........................................................................................................................................143.2系统硬件电路设计...........................................................................................................................................143.2.1控制电路........................................................................................................................................................153.2.2显示电路........................................................................................................................................................153.2.3按键中断........................................................................................................................................................163.2.4电阻式土壤湿度测量电路............................................................................................................................173.3常见的土壤测量方法.......................................................................................................................................184软件系统设计......................................................................................................................................................204.1总程序流程图...................................................................................................................................................204.2sht10测试程序设计...................................................................................................................................214.3按键程序设计...................................................................................................................................................224.4液晶显示程序的设计.......................................................................................................................................235实验结果..............................................................................................................................................................24参考文献................................................................................................................................................................29附录总程序............................................................................................................................................................311绪论1.1选题的目的和意义随着社会生活的进步,人们的生活质量越来越高。在家里养盆花可以陶冶情操、丰富生活。同时,盆花通过光合作用可吸收二氧化碳,净化室内空气,在有花木的地方空气中阴离子聚积较多,所以空气也特别清新,而且有许多花木还可吸收空气中的有害气体,因此,养盆花如今被许多的人所喜爱。盆花浇水量是否能做到适时适量,是养花成败的关键。但是,在生活中人们总是会有无暇顾及的时候,比如工作太忙或者出差、旅游等。花草生长问题80以上是由花儿浇灌问题引起;好不容易种植几个月的花草,因为浇水不及时,长势不好,用来美化家园的花草几乎成了‚鸡肋‛;不种植了吧,家中没有绿色衬托感觉没有生机;保留吧,花草长得不够旺盛,还影响家庭装饰效果。虽然目前市面上有卖盆花自动浇水器的,但价格十分的昂贵,并且大多只能设定一个定时浇水的时间,很难做到给盆花适时适量浇水。也有较经济的盆花缺水报警器,可以提醒人们及时的给盆花浇水。可是这种报警器只能报警,浇水还是需要人们亲自动手。当家里无人时,即使报警也无人浇水,就起不到应有的作用了。因此,我想通过设计一种集盆花土壤湿度检测,自动浇水以及蓄水箱自动供水于一体的盆花自动浇水系统。让盆花在人们无暇照顾时也能得到及时的浇灌。1.2课题的国内外发展现状经过本人网上查询发现,现在外出大都是使用虹吸原理制成的自动浇花。使用大水瓶放到花盆上方,但是水用完就没有了,对于出差时间长久的人花还是会枯萎旱死。也有的用水笼头开的很小做个传送装臵进行浇水的,但是这样子的缺陷是可能会把水流的到处都是,而且浪费水严重。也有的做定时器浇水的,但是并不能进行多个分开浇水,对于家里养的品种多且差别大的不适合。1.3课题的主要研究内容设计一种单片机控制的自动浇水系统,是实现自动浇水的自动化系统。该系统可对土壤的温湿度进行监控,并对作物进行适时、适量的浇水。其核心是单片机和湿度传感器以及浇水驱动电路构成的检测控制部分。主要研究土壤湿度与浇水量之间的关系、浇灌控制技术及设备系统的硬件、软件编程各个部分。检测部分,单片机选用stc12c5a60s2单片机,温湿度传感器选用SHT-10温湿度传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件,并在同一芯片上,与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。土壤温湿度传感器可将检测到的土壤温湿度模拟量放大转换成数字量通过单片机内程序控制精确的将温度与湿度分别显示,同时通过单片机内的服务程序判断是否要给花浇水,若需浇水则单片机系统发出浇水信号并经放大驱动设备开启电磁阀进行浇水若不需浇水则进行下一次循环检测。2相关基础知识2.1单片机单片机也被称为微控制器(Microcontroler),是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中,使计算机系统更小,更容易集成进复杂的而对提及要求严格的控制设备当中。INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器,从此以后,单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上,但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件CPU、内存、内部和外部总线系统,目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器,实时时钟等外围设备。而现在最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。51单片机是对所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机,后来随着Flashrom技术的发展,8031单片机取得了长足的进展,成为应用最广泛的8位单片机之一,其代表型号是ATMEL公司的AT89系列,它广泛应用于工业测控系统之中。很多公司都有51系列的兼容机型推出,今后很长的一段时间内将占有大量市场。51单片机是基础入门的一个单片机,还是应用最广泛的一种。需要注意的是52系列的单片机一般不具备自编程能力。常用的51系列单片机有Intel的80C31、80C51、87C51,80C32、80C52、87C52等;ATMEL的89C51、89C52、89C2051等;Philips、华邦、Dallas、SiemensInfineon等公司的许多产品,国产宏晶STC单片机以其低功耗、廉价、稳定性能,占据着国内51单片机较大市场。图2-1为8051单片机内部结构。图2-18051内部结构功能特点如下8位CPU〃4kbytes程序存储器ROM52为8K;〃128bytes的数据存储器RAM(52有256bytes的RAM);〃32条I/O口线〃111条指令,大部分为单字节指令;〃21个专用寄存器;〃2个可编程定时/计数器〃5个中断源,2个优先级(52有6个);〃一个全双工串行通信口;〃外部数据存储器寻址空间为64kB〃外部程序存储器寻址空间为64kB;〃逻辑操作位寻址功能〃双列直插40PinDIP封装〃单一5V电源供电;CPU由运算和控制逻辑组成,同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器;RAM用以存放可以读写的数据,如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据;ROM用以存放程序、一些原始数据和表格;I/O口四个8位并行I/O口,既可用作输入,也可用作输出;T/C两个定时/记数器,既可以工作在定时模式,也可以工作在记数模式;五个中断源的中断控制系统;一个全双工UART(通用异步接收发送器)的串行I/O口,用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信;片内振荡器和时钟产生电路,石英晶体和微调电容需要外接。最佳振荡频率为6M12M。2.2温湿度传感器现在研发的温湿度的传感器种类很多,由于有一体化的传感器,就比如SHT-11,SHT-10,DHT10等,选用温湿度传感器要从精度和长期稳定性、温度系数、湿度系数、温湿度传感器的供电、互换性、温湿度校正、根据对以上几个型号的传感器参数的对比,我决定选用SHT-11的传感器,这个传感器既能满足设计的要求,也不浪费资源,也适合初学者学习。2.2.1SHT-11概述SHT1x包括SHT10,SHT11和SHT15属于Sensirion温湿度传感器家族中的贴片封装系列。传感器将传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上,输出完全标定的数字信号。传感器采用专利的CMOSens技术,确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件,并在同一芯片上,与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。因此,该产品具有品质卓越、响应迅速、抗干扰能力强、性价比高等优点。每个传感器芯片都在极为精确的湿度腔室中进行标定,校准系数以程序形式储存在OTP内存中,用于内部的信号校准。两线制的串行接口与内部的电压调整,使外围系统集成变得快速而简单。微小的体积、极低的功耗,使SHT1x成为各类应用的首选。SHT1X提供表贴LCC封装,可以使用标准回流焊接。同样性能的传感器还有插针型封装(SHT7X)和柔性PCB封装(SHTA1)。2.2.2SHT-11传感器性能相对湿度见表2-1。相对温度见表2-2。表2-1相对湿度表2-2相对温度相对湿度最大误差(25C时)见图2-2。温度最大误差见图2-3。电气特性表2-3。图2-2相对湿度最大误差(25C时)图2-3温度最大误差表3-3电气特性2.2.3保护膜SHT1x的敏感元件部位直接与空气接触,没有保护膜。如果在外面加保护膜可防止灰尘和水滴进入以保护传感器,同时会降低渗入传感器内部的化学蒸汽的浓度。为了避免加保护膜对响应时间的影响,保护膜后面的空气体积应尽可能减小。对于SHT1X封装系列,盛世瑞恩推荐使用配套的SF1型过滤罩,达到IP54保护等级。(若需要更高的防护等级,如IP67,SF1必须用环氧树脂封装在PCB板上)。见图2-4。图2-4环氧树脂封装2.2.4接口定义图2-5引脚图1电源引脚VDD,GNDSHT1x的供电电压范围为2.4-5.5V,建议供电电压为3.3V。在电源引脚(VDD,GND)之间须加一个100nF的电容,用以去耦滤波。SHT1x的串行接口,在传感器信号的读取及电源损耗方面,都做了优化处理;传感器不能按照I2C协议编址,但是,如果I2C总线上没有挂接别的元件,传感器可以连接到I2C总线上,但单片机必须按照传感器的协议工作。典型应用电路见图2-6。2串行时钟输入SCK图2-6典型应用电路SCK用于微处理器与SHT1x之间的通讯同步。由于接口包含了完全静态逻辑,因而不存在最小SCK频率。3串行数据DATADATA引脚为三态结构,用于读取传感器数据.当向传感器发送命令时,DATA在SCK上升沿有效且在SCK高电平时必须保持稳定。DATA在SCK下降沿之后改变。为确保通讯安全,DATA的有效时间在SCK上升沿之前和下降沿之后应该分别延长至TSUandTHO–参见图11。当从传感器读取数据时,DATATV在SCK变低以后有效,且维持到下一个SCK的下降沿。为避免信号冲突,微处理器应驱动DATA在低电平。需要一个外部的上拉电阻(例如10kΩ)将信号提拉至高电平。上拉电阻通常已包含在微处理器的I/O电路中。详细的I/O特性,参见表3-4。表2-4I/O特性2.2.5传感器的通讯1启动传感器首先,选择供电电压后将传感器通电,上电速率不能低于1V/ms。通电后传感器需要11ms进入休眠状态,在此之前不允许对传感器发送任何命令。2发送命令用一组‚启动传输‛时序,来完成数据传输的初始化。它包括当SCK时钟高电平时DATA翻转为低电平,紧接着SCK变为低电平,随后是在SCK时钟高电平时DATA翻转为高电平。参见图2-7。图2-7启动时序图后续命令包含三个地址位(目前只支持000‛),和五个命令位。SHT1x会以下述方式表示已正确地接收到指令在第8个SCK时钟的下降沿之后,将DATA下拉为低电平(ACK位)。在第9个SCK时钟的下降沿之后,释放DATA(恢复高电平)。命令集见表2-5。3温湿度测量表2-5常见命令集发布一组测量命令(‘00000101’表示相对湿度RH,‘00000011’表示温度T)后,控制器要等待测量结束。这个过程需要大约20/80/320ms,分别对应8/12/14bit测量。确切的时间随内部晶振速度,最多可能有-30的变化。SHT1x通过下拉DATA至低电平并进入空闲模式,表示测量的结束。控制器在再次触发SCK时钟前,必须等待这个‚数据备妥‛信号来读出数据。检测数据可以先被存储,这样控制器可以继续执行其它任务在需要时再读出数据。接着传输2个字节的测量数据和1个字节的CRC奇偶校验(可选择读取)。uC需要通过下拉DATA为低电平,以确认每个字节。所有的数据从MSB开始,右值有效(例如对于12bit数据,从第5个SCK时钟起算作MSB;而对于8bit数据,首字节则无意义)。在收到CRC的确认位之后,表明通讯结束。如果不使用CRC-8校验,控制器可以在测量值LSB后,通过保在测量和通讯结束后,SHT1x自动转入休眠模式。图2-8时序图湿度的非线性补偿请参阅图2-9为获得精确的测量数据,建议用以下公式进行信号转换。公式中的参数见表2-6图2-9湿度的非线性补偿表2-6湿度的非线性补偿公式4湿度信号的温度补偿由于实际温度与测试参考温度25℃77℉的显著不同,湿度信号需要温度补偿。温度校正粗略对应于0.12RH/℃50RH,温度补偿系数请参阅表2-7。表2-7温度补偿系数3硬件电路设计3.1系统总体设计思路先通过按键设定湿度,这里选用的是温湿度传感器是SHT-11湿度传感器,SHT-11是一款专门为用户设计自身产品而提供的数字化温湿度探头,其湿度测量量程为1%~99%RH,分辨率为0.4%RH,测量精度为4.5%RH典型值;温度测量范围为-25~60℃,分辨率为0.0625℃,测量精度为0.5℃;响应时间典型值为5s;工作电压范围为4.5~5.5V。测量结果直接输出为数字信号,通过‚一线式总线‛串行传送给单片机,不需要进行模数转换,减少了元件,简单方便。利用SHT-11温湿度传感器检测到温湿度,传送到单片机进行处理,温湿度显示,当湿度低于设定值时,给单片机一个指令,继电器线圈有电流经过,对应的常开触点闭合,使电磁阀线圈得电,此时电磁阀门由闭合变成断开,进行浇花,当等于或高于设定值时,继电器线圈失电,对应常开触点断开,电磁阀线圈失电,阀门闭合,水无法流过,停止浇花。系统框图如图3-1所示。图3-1系统框图3.2系统硬件电路设计电路图如图(3-2)所示。温湿度传感器采集温湿度与设定对比进行控制浇水,浇水时间可设臵。按键接口为P1,按键1是模式键,按一下就是待时间。按键2是调节浇水时间加按键修,按键3是调节浇水时间减按键,按键4是确认浇水按键,按键按下就浇水,同时连接了电阻式湿度测量模块(如图2-5),使用电阻式湿度模块的原因是因为实际运用中sht10测量的不稳定。RL1是继电键盘单片机电源显示电路最小系统驱动电路湿度传感器器由单片机控制、RL2是进水电磁阀(如图5-4),sht10连接单片机P3.0和3.1(如图5-5)。图3-2电路图3.2.1控制电路单片机高电平控制三极管导通将电压送给继电器吸合然后进水电磁阀通电进水、进水电磁阀接的是继电器的常开。图3-3控制电路3.2.2显示电路显示采用1602液晶屏幕。液晶显示电路如图(3-4)。1602液晶简介(http// x06//00000110defineSTATUS_REG_R0 x07//00000111defineMEASURE_TEMP0 x03//00000011defineMEASURE_HUMI0 x05//00000101defineRESET0 x1e//00011110写温湿度读判断是都错误否修正温湿度输出图4-1流程图4.3按键程序设计按键部分如图4-2,模式是用来转换设臵时间的控制,按下即可显示设臵时间。按键加减是修改浇水时间,浇水时间设臵范围是099秒。1、2、3、4代表的是湿敏电阻每个可以用来控制一个花盆,但是需要控制电路四个和进水电磁阀四个。由于器材有限本人只制作了一个。图4-2按键流程图模式加减1234结束判断编码消抖是否有键按下中断初始化4.4液晶显示程序的设计LCD液晶显示是通过调用初始化程序,写数据子程序,写指令子程序,地址转换子程序,读忙状态子程序以及延时子程序组合。程序流程图如图4-3和4-4所示。LCD液晶显示是通过调用初始化程序,写数据子程序,写指令子程序,地址转换子程序,读忙状态子程序以及延时子程序组合。首先调用延时子程序,然后调用LCD写指令子程序、清屏、LCD写指令子程序、调用延时子程序、设定方向及位移、LCD写指令子程序、调用延时子程序、调用忙子程序、启动写数据、读写线臵0、启动使能控制线、传输数据、调用延时子程序、返回,。具体见程序注释。图4-4写数据子程序流程图图4-3写指令子程序流程图返回返回LCD写指令子程序设定方向及位移调用延时子程序启动使能控制线调用延时子程序读写线臵0LCD写指令子程序启动写数据调用忙子程序调用延时子程序LCD写指令子程序清屏传输数据调用延时子程序5实验结果实物图详解说明图5-1和5-2所示为按键部分,按下之后其他的发光二极管亮,同时给相对应的I/O口低电平。图5-3为单片机开发板加上模块图,图5-4为进水电磁阀图,这是我选用的可以和家用的全自动洗衣机同类型的进水电磁阀(220v交流电压供电),当外出时可以使用洗衣机上的进水管连接。图5-5为SHT10湿度传感器加上防护套的实物图。图5-6为电阻式湿敏加上电压比较器。图5-7为测量乱码,图5-8测量土壤湿度全图。关于乱码说明测量值中的乱码原因是因为数据线和时钟线的干扰(裸露在外的的线没有加屏蔽),当乱码时需要调整两根线,不能让其平行。然后从新上电测量。使用事项说明湿敏电阻可以尽量往下插,但是不能将白色区域以上的部分插入,SHT10由于最上面的白色盖子没有做防水处理,所以不能插入超过铜区域。进水电磁阀经过防水处理不用担心。第一次使用要根据显示湿度调节湿敏电阻对比的电位器。实验结果能通过SHT10测量土壤湿度,通过湿敏电阻进行电压比较输出低电平控制浇水。优势能控制多个花盆且能进行分开浇水(同种类的花盆可以一起控制)。劣势使用更多的控制装臵,而且第一次使用对照湿度调节湿敏电阻麻烦。图5-1按键图5-2按键图5-3总体图图5-4进水电磁阀图5-5sht10传感器图5-6电阻式土壤湿度模块图5-7不稳定时候的状况乱码图5-8测量土壤湿度时图参考文献[1]李泉溪.单片机原理与应用实例仿真[M].北京北京航空航天大学出版社,2009.8.[2]曾光宇等.现代传感器技术与应用基础[M].北京北京理工大学出版社,2006.3.[3]李敏,孟臣.数字式温/湿度传感器及其应用技术[J].电子元器件应用,2004,11.[4]杨永杰,冯军.数字式温湿度传感器SHT11在尘埃检测仪中的应用[J].电子工程师,2005,0

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