太陽能庭院自動澆花系統(tǒng)_戴曉康

1、畢業(yè)設(shè)計題目： 太陽能庭院自動澆灌系統(tǒng)設(shè)計 學院（部）： 電氣工程學院 專業(yè)班級： 電氣13-2 姓 名： 戴曉康 學 號： 201325072 指導教師： 萬軍 2016年 5月 21日浙江水利水電學院畢業(yè)論文（設(shè)計）摘要 本設(shè)計主要的內(nèi)容是土壤濕度檢測電路控制自動澆花系統(tǒng)的設(shè)計與制作。此次設(shè)計采用STC89C52 單片機外接濕度傳感器、顯示模塊、電機驅(qū)動模塊、按鍵模塊，組成太陽能庭院自動澆花系統(tǒng)。在控制器的控制下，探測器檢測土壤溫濕度，將檢測值傳送回來。 經(jīng)控制器判斷該值是否在正常溫濕度范圍內(nèi)，若低于溫濕度的最小值，發(fā)出澆水指令，讓水泵自動出水；若高于最大值，發(fā)出終止?jié)?/p>

2、水指令，讓水泵停止?jié)菜?。本次設(shè)計的意義就是實現(xiàn)了庭院植物能夠在不一樣的環(huán)境中也能夠保持正常生長的狀態(tài)，因為植物生長是離不開一個濕度適宜的土壤環(huán)境的，自動澆水系統(tǒng)能夠很精準的檢測出來土壤的水分含量，能夠智能化的在惡劣環(huán)境或者無人管理的情況下幫助植物正常生長。關(guān)鍵詞單片機；自動澆花；濕度檢測；濕度傳感器。目錄摘要1關(guān)鍵詞1目錄2第一章 緒論41.1 選題的目的和意義41.2 自動澆水器的誕生背景及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀41.3 設(shè)計任務(wù)5第二章 系統(tǒng)設(shè)計62.1 整體方案設(shè)計思想62.2 結(jié)構(gòu)圖72.3 主要器件選擇與說明82.3.1 輸水灌水設(shè)備82.3.2 電磁閥的選擇8第三章 數(shù)據(jù)計算93.1 負載

3、計算93.1.1 灌溉地概況93.1.2 需水量93.1.3 平均每天日照93.1.4 負載的日均最少消耗量Ql93-2 蓄電池容量計算選取103.2.1 計算103.2.2 蓄電池容量選取10第四章 控制電路114.1 主電路114.2 模塊說明124.2.1 最小系統(tǒng)124.2.2 輸出電路144.2.3 電源電路154.2.4 顯示電路164.2.5 鍵盤電路194.2.6 濕度檢測模塊20第五章 控制流程圖21第六章 總結(jié)22第七章 致謝23第八章 參考文獻24附錄25附錄A 原理圖25第一章 緒論1.1 選題的目的和意義隨著社會的進步，人們的生活質(zhì)量越來越高。在庭院養(yǎng)殖可以陶冶情操，

4、豐富生活。同時盆花可以通過光合作用吸收二氧化碳，凈化室內(nèi)空氣，在有花木的地方空氣中陰離子聚集較多，所以空氣也特別清新，而且許多花木還可以吸收空氣中的有害氣體，因此，養(yǎng)殖如今被許多人喜愛。澆水量是否能做到適時適量，是養(yǎng)殖成敗的關(guān)鍵?；ú萆L問題大部分是由花兒澆灌問題引起的；好不容易種植幾個月的花草，因為澆水不及時，長勢不好，用來美化環(huán)境的花草幾乎成了無用功，不種植吧，庭院沒有綠色襯托，感覺沒有生機；保留吧，花草長得不夠旺盛，還影響庭院裝飾效果。雖然市場上有賣小型庭院自動澆水器，但價格十分昂貴，并且大多只能設(shè)定一個定時澆水的時間，很難做到給植物自動適時適量澆水。夜有較經(jīng)濟的植物缺水報警器，可以提醒

5、人們及時的給植物澆水?？墒沁@種報警器只能報警，澆水還需要人們親自動手。當家里無人時，即使報警也無人澆水，就起不到應(yīng)有的作用了。因此，我想設(shè)計一種集庭院土壤濕度檢測，自動澆水以及蓄水箱自動供水于一體的庭院自動澆水系統(tǒng)。讓人們無暇顧及時也能得到及時的澆灌。1.2 自動澆水器的誕生背景及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀微噴系統(tǒng)是近幾年利用國內(nèi)外先進技術(shù)組裝的新型灌溉設(shè)施，主要是利用水流通過管道系統(tǒng)以一定速度從特制的噴頭噴出，在空氣中分散成細小的水滴著落在花草植物。作物及周圍的地面上，從而達到及時補充水分的目的。該系統(tǒng)具有用水量少、沖擊力小的灌溉特性，適用于栽培密度大、植被柔軟細嫩的植物。自動澆水器的誕生時隨著人們生活

6、水平的提高和生活節(jié)奏的加快而誕生的一種懶人園藝用品。它把微噴的概念應(yīng)有庭院澆灌中，通過相應(yīng)地改進，達到合理給庭院自動澆水的目的。 1.3 設(shè)計任務(wù)本次畢業(yè)設(shè)計任務(wù)是設(shè)計一種單片機控制的自動澆水系統(tǒng)，實現(xiàn)太陽能庭院澆水的自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對土壤的濕度進行監(jiān)控，并對作物進行適時適量的澆水。其核心是單片機和溫濕度采集和顯示電路以及澆水驅(qū)動電路構(gòu)成的檢測控制部分。主要研究土壤濕度與澆水量之間的關(guān)系、澆灌控制技術(shù)及設(shè)備系統(tǒng)的硬件、軟件編程各個部分。檢測部分，單片機選用STC89C52單片機，軟件選用C51語言編程。土壤溫濕度采集于顯示電路可將檢測到的土壤溫濕度模擬量放大轉(zhuǎn)換成數(shù)字量通過單片機內(nèi)程序控制

7、精確的將溫度與濕度分別顯示在LCD顯示屏上，同時把程序發(fā)給另外一塊單片機，通過單片機內(nèi)的中斷服務(wù)程序判斷是否要給盆花澆水，若需澆水，則單片機系統(tǒng)發(fā)出澆水信號，開始澆水，若不需要澆水，則進行下一次循環(huán)檢測。在澆水系統(tǒng)中也同時設(shè)計一個定時澆水部分，通過按鍵開關(guān)設(shè)置不同的澆水時間段，在時間段以內(nèi)時，單片機驅(qū)動澆水系統(tǒng)，開始澆水，如不在時間段內(nèi)，則不澆水。第二章 系統(tǒng)設(shè)計2.1 整體方案設(shè)計思想 本次畢業(yè)設(shè)計是設(shè)計一種單片機控制的自動澆水系統(tǒng)，實現(xiàn)庭院澆水的自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)可對土壤的濕度進行監(jiān)控，并對作物進行適時適量的澆水。其核心是單片機和溫濕度采集和顯示電路以及澆水驅(qū)動電路構(gòu)成的檢測控制

8、部分。主要研究土壤濕度與澆水量之間的關(guān)系、澆灌控制技術(shù)及設(shè)備系統(tǒng)的硬件、軟件編程各個部分。檢測部分，單片機選用STC89C52單片機，軟件選用C51語言編程。土壤溫濕度采集于顯示電路可將檢測到的土壤溫濕度模擬量放大轉(zhuǎn)換成數(shù)字量通過單片機內(nèi)程序控制精確的將溫度與濕度分別顯示在LCD顯示屏上，同時把程序發(fā)給另外一塊單片機，通過單片機內(nèi)的中斷服務(wù)程序判斷是否要給植物澆水，若需澆水，則單片機系統(tǒng)發(fā)出澆水信號，開始澆水，若不需要澆水，則進行下一次循環(huán)檢測。在澆水系統(tǒng)中也同時設(shè)計一個定時澆水部分，通過按鍵開關(guān)設(shè)置不同的澆水時間段，在時間段以內(nèi)時，單片機驅(qū)動澆水系統(tǒng)，開始澆水，如不在時間段內(nèi)，則不澆水。2.

9、2 結(jié)構(gòu)圖供電系統(tǒng)圖2-1自動澆花系統(tǒng)是由電源部分、檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及澆水運輸部分組成的。電源部分是直接使用蓄電池；控制部分通過檢測土壤濕度傳單器將信號傳到計算機，然后啟動抽水機以及水路灌溉部分的多路分水閥門，電磁閥門控制的噴頭就開始工作。圖2-1 水路灌溉系統(tǒng)示意圖2.3 主要器件選擇與說明 2.3.1 輸水灌水設(shè)備 （1）給水管道的選擇以及說明:選用給水用PE管材是傳統(tǒng)的鋼鐵管材、聚氯乙烯飲用水管的換代產(chǎn)品。給水管必須承受一定的壓力，通常要選用分子量大、機械性能較好的PE樹脂，如HDPE樹脂。LDPE樹脂的拉伸強度低，耐壓差，剛性差，成型加工時尺寸穩(wěn)定性差，并且連接困難，不適宜作為給水

10、壓力管的材料。但由于其衛(wèi)生指標較高，PE特別是HDPE樹脂已成為生產(chǎn)飲用水管的常用材料。HDPE 樹脂的熔融粘度小，流動性好，易加工，因而對其熔體指數(shù)的選擇范圍也較寬，通常MI在0.3-3g/10min之間。（2） 噴頭的選擇以及說明:1. 大射程地埋式旋轉(zhuǎn)噴頭：全圓以及扇形可調(diào)融為一體，適用于大面積草坪。2. 中等射程地埋式旋轉(zhuǎn)噴頭：全圓以及扇形可調(diào)融為一體，適用于中等面積草坪。3. 搖臂噴頭：具有全圓和角度可調(diào)特性，適用于坡地以及大面積草坪或者非草坪地帶。4. 散射噴頭：適用于小面積草坪和灌木區(qū)域，有多種型號和彈出高度可供選擇。5. 涌泉噴頭：具有植被、灌木和樹木灌水，具有可調(diào)和壓力補償功

11、能。2.3.2 電磁閥的選擇噴水的出于安全考慮線圈電壓用12V，24V，36V的。水用有ZCST型的，根據(jù)流量匹配通徑，線圈電壓用12V，24V，36V的。我選用雙穩(wěn)態(tài)電磁閥，雙穩(wěn)態(tài)電磁閥主要應(yīng)用于水、液體或可燃性所在液體管路中的自動控制系統(tǒng)或IC卡水表使用。雙穩(wěn)態(tài)電磁閥采用先進的脈沖和永磁技術(shù)，只需通過控制器切換脈沖的電極觸點來改變閥的開、關(guān)狀態(tài)，當控制器發(fā)出電脈沖時，驅(qū)動磁芯帶動閥瓣克服永磁力產(chǎn)生上下位移、閥瓣到位后永磁作用下處于自保持狀態(tài)。他的好處就是響應(yīng)迅速、使用簡便、高效節(jié)能等優(yōu)點。第三章 數(shù)據(jù)計算 3.1 負載計算 3.1.1 灌溉地概況我們實驗選取的是杭州臨安某養(yǎng)殖場由喬木、灌木

12、、花卉、等多種植物組成的區(qū)域，水源由室內(nèi)自來水提供灌溉，所需的灌溉的面積為1畝，若每個生長季每畝用水80平方米。3.1.2 需水量具體分析 所需用水量：m³/年3.1.3 平均每天日照根據(jù)省內(nèi)的氣象公報，取得杭州本地的日照時長T=1800h/年，若取60%即1080h為標準輻射時，則平均每天在日照時數(shù)為：T(每天)=1080/365=2.96h/天，即平均每天 的標準輻射日照最少2.96h。則流量：（1000L=m³）3.1.4 負載的日均最少消耗量Ql 每臺電磁閥DC20W，共需要3臺，共60瓦。 3.2 蓄電池容量計算選取3.2.1 計算 計算蓄電池容量 Q 考慮前面算

13、出的負載日平均最少耗電量及最長連續(xù)陰雨天數(shù)可求出所需的蓄電池容量。 Å ： 安全系數(shù):一般取 1.1-1.4Q ：負載的日平均耗電量 ；Nl：最長連續(xù)陰雨天數(shù)；T0：溫度修正系數(shù) ;一般0以上取 1 ，10。C 以上取 1 .1 ，-10以下取 1 2 . C 蓄電池放電深度 ；鉛酸蓄電池取 0. 75 ，堿性鎳鎘蓄電池取 0 85 . 若現(xiàn)在選擇固定式鉛酸蓄電池 ，Cc為 0 7.5 , Nl為 3 天 ( 考慮到雨天沒有灌溉的問題 ，這里主要是陰天的影響 所以取值相對較小) ，T0取1.1. 3.2.2 蓄電池容量選取全密封鉛酸蓄電池選用 上海鴻貝電源系統(tǒng)有限公司B B 12V

14、33A H 。 12V , 33Ah 兩節(jié)串聯(lián)使用 ，電壓 24V , 容量66Ah。滿足上訴就算結(jié)果的要求。蓄電池組并聯(lián)于負載電路，保證不中斷負載供電。第四章 控制電路4.1 主電路圖 4 -1 主電路圖 整個花園自動澆花系統(tǒng)控制電路由最小系統(tǒng)、輸出電路、電源電路、顯示電路、鍵盤電路、濕度檢測模塊6個部分組成，4.2 模塊說明4.2.1 最小系統(tǒng)圖 4 -2 最小系統(tǒng)該圖為最小系統(tǒng)，采用 8052作為控制微機 ，最小系統(tǒng)主要可以分為時鐘電路和復(fù)位電路。時鐘電路有個晶振和兩個小電容組成 提高了單片機的工作時間的精度。 復(fù)位電路由電容和電阻組成，是使得系統(tǒng)正常的初始化，當由于程序運行出錯或操作錯

15、誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時也可按復(fù)位鍵以重新啟動 。（1） STC89C52的簡介STC89C52是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集合輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ALMEL的STC89C52是一種高效微控制器，STC89C52單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且廉價的方案。（2）振蕩電路和時鐘在STC89C52芯片內(nèi)部，有一個振蕩電路和時鐘發(fā)生器，引腳XTAL1和X

16、TAL2之間接入晶體振蕩器和電容后構(gòu)成內(nèi)部時鐘方式。也可以使用外部振蕩器，由外部振蕩器產(chǎn)生的信號直接加載到振蕩器的輸入端，作為CPU的時鐘源，稱為外部時鐘方式。采用外部時鐘方式時，外部振蕩器的輸出信號接至XTAL1，XTAL2懸空。 在STC89C52單片機內(nèi)部，引腳XTAL2和引腳XTAL1連接著一個高增益反相放大器，XTAL1引腳是反相放大器的輸入端，XTAL2引腳是反相放大器的輸出端。（3）STC89C52的中斷系統(tǒng)為了提高系統(tǒng)的工作效率，STC89C52單片機設(shè)置了中斷系統(tǒng)，采用中斷方式與外設(shè)進行數(shù)據(jù)傳送。所謂“中斷”，是指單片機在執(zhí)行某一段程序的過程中，由于某種原因（如異常情況或特殊

17、請求），單片機暫時中止正在執(zhí)行的程序，而去執(zhí)行相應(yīng)的處理程序，待處理結(jié)束后，再返回到被打斷的程序除，繼續(xù)執(zhí)行原程序的過程。4.2.2 輸出電路圖 4- 3 輸出電路該輸出電路中電磁閥驅(qū)動電路接在單片機p1.6口上，1.6引腳輸出低電平，三極管導通，電磁閥是由自來水管口接出控制噴頭，電路中三極管的作用是低電平導通。4.2.3 電源電路圖4-4電源電路該電路是提供整個系統(tǒng)的電源，p2是DC（5V直流電源接口），DC接自鎖開關(guān)，2，3腳接地，給整個電路供電。4.2.4 顯示電路圖4-5顯示電路該顯示電路有八個 74八LS06 集電極高壓輸出的六反相緩沖器 ，8個電阻起限流作用 ，共陽極顯示器接著四個

18、與非門， 分別來控制顯示的數(shù)字。LCD1602顯示1602LCD分為帶背光和不帶背光兩種，基控制器大部分為HD44780，帶背光的比不帶背光的厚，是否帶背光在應(yīng)用中并無差別，兩者尺寸差別如圖16所示。 圖16 LM016L結(jié)構(gòu)圖LCD1602主要技術(shù)參數(shù)： 容量:16×2個字符芯片工作電壓:4.55.5V工作電流:2.0mA(5.0V)模塊最佳工作電壓:5.0V字符尺寸:2.95×4.35(W×H)mm引腳功能說明：1602LCD采用標準的14腳（無背光）或16腳（帶背光）接口，各引腳接口說明如表1所示：表7引腳接口說明表編號符號引腳說明編號符號引腳說明

19、1VSS電源地9D2數(shù)據(jù)2VDD電源正極10D3數(shù)據(jù)3VL液晶顯示偏壓11D4數(shù)據(jù)4RS數(shù)據(jù)/命令選擇12D5數(shù)據(jù)5R/W讀/寫選擇13D6數(shù)據(jù)6E使能信號14D7數(shù)據(jù)7D0數(shù)據(jù)15BLA背光源正極8D1數(shù)據(jù)16BLK背光源負極第1腳：VSS為地電源。第2腳：VDD接5V正電源。第3腳：VL為液晶顯示器對比度調(diào)整端，接正電源時對比度最弱，接地時對比度最高，對比度過高時會產(chǎn)生“鬼影”，使用時可以通過一個10K的電位器調(diào)整對比度。第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時選擇指令寄存器。第5腳：R/W為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和R/W共同為低電平時

20、可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平R/W為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平R/W為低電平時可以寫入數(shù)據(jù)。第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執(zhí)行命令。第714腳：D0D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。第15腳：背光源正極。第16腳：背光源負極。 4.2.5 鍵盤電路圖4-6鍵盤電路該電路有三個按鍵 ，分別是 S2 遞增按鍵 、 S3移位按鍵 、 S4切換 ( 確認 ) 按鍵。 通過 S2 遞增按鍵設(shè)定時間值, S3移位按鍵是三個按鍵的轉(zhuǎn)換設(shè)定, 最后按 S4切換鍵即確認就可以設(shè)定所需的時間 。 天根據(jù)天氣的情況設(shè)定不同的值就能更合理的澆灌植物 。4.2.6 濕度檢測接口圖

21、4-7濕度檢測模塊土壤溫濕度采集與顯示系統(tǒng)以單片機STC89C52為控制核心，通過軟件設(shè)置達到具體動作實現(xiàn)。土壤的溫濕度是由ADC0832和兩個點位器進行模擬并送入單片機，通過單片機的I/O口把檢測到的土壤溫濕度值用LCD顯示出來。同時，如果系統(tǒng)在智能澆水設(shè)置情況下，則該值與設(shè)定的澆水上下限值相比較，若低于下限值，則單片機發(fā)出一個控制信號，開始澆水。若高于上限值時，單片機再發(fā)出一個控制信號控制，停止?jié)菜?。如果系統(tǒng)設(shè)置在手動澆水情況下，則按照設(shè)定好的定時澆水時間進行澆水，溫濕度檢測電路把檢測到的土壤溫濕度值顯示在LCD上，以達到對土壤溫濕度實時監(jiān)測的目的。第五章 控制流程圖設(shè)置土壤濕度初始值最低

22、值，最高值，土壤濕度檢測裝置檢測濕度，將信號模數(shù)轉(zhuǎn)化經(jīng)過數(shù)據(jù)處理在顯示屏上顯示當前濕度，與設(shè)定初始值進行對比，當濕度小于初始值最低值時，則單片機發(fā)出一個控制信號，開始澆水。若高于上限值時，單片機再發(fā)出一個控制信號控制，停止?jié)菜?。第六?總結(jié)本次設(shè)計的庭院自動澆水系統(tǒng)以電子類的自動澆花器的工作原理為參考，運用溫濕度采集電路及單片機控制技術(shù)構(gòu)成一個土壤溫濕度采集與控制系統(tǒng)。再用數(shù)字電路控制自動給水系統(tǒng)及時的澆水系統(tǒng)供水。整個庭院自動澆水系統(tǒng)包括土壤溫濕度的采集和顯示、計數(shù)器的設(shè)置與顯示兩個個部分。土壤溫濕度的采集和顯示以ADC0832配合兩個電位器為感應(yīng)電路，將檢測到的土壤溫濕度值送入STC89C

23、52單片機，再由單片機的I/O口輸出到LCD液晶顯示屏進行顯。同時此濕度值也是是否給盆花澆水的參考值。它設(shè)計為智能和手動兩個部分：智能澆水系統(tǒng)是通過單片機程序設(shè)定澆水的上下限值并與溫濕度采集電路送入單片機的土壤濕度值相比較，當傳感器檢測到的濕度值低于設(shè)定的下限值時，單片機輸出一個信號，開始澆水，高于設(shè)定的上限值時再由單片機輸出一個信號，停止?jié)菜?；手動部分是由單片機從數(shù)碼管讀入月份與每天的實時時刻，通過軟件程序設(shè)定定時澆水的時間。通過按鍵開關(guān)對當前時間以及定時澆水時間進行設(shè)置，共陰數(shù)碼管顯示，當時間處在所設(shè)置的澆水時間內(nèi)時，單片機發(fā)出控制信號，開始澆水。否則，停止?jié)菜?。過本次畢業(yè)設(shè)計，讓我進一步熟悉了一些元器件的功能和屬性。也使我真正接觸到了控制系統(tǒng)的設(shè)計，雖然是一個人們?nèi)粘Ｉ畹男∠到y(tǒng)，但也讓我明白了很多設(shè)計上應(yīng)該注意的問題。比如實用性。經(jīng)濟性以及安裝條件等。第七章 致謝本畢業(yè)論文是在我的導師萬軍副院長老師的親切關(guān)懷和悉心指導下完成的。他嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹?shù)闹螌W精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到項目的最終完成，萬軍老師都始終給予我細心的指導和不懈的支持。在課題的整個研究工作期間，我曾遇到