论文总字数：16290字

摘 要

我国农业的浇灌由于存在众多问题，已成为国家非常关注的重点，我国通过引进国外的浇灌设备，来解决这些问题，但是由于国外的浇灌设备价格昂贵，安装复杂，并不适合我国农业情况。本设计是基于单片机的温室自动浇灌系统设计，实现了农作物根系处土壤湿度的监测与自动控制。该系统以STC89C51单片机为主控制器，主要由5个模块组成，主要包含数据采集模块，人机交互模块，控制驱动模块，信息通讯模块以及单片机处理模块。实验结果表明，用户可自行设置土壤湿度范围，当湿度低于预设最低湿度时，自动灌溉。当高于预设最高湿度时，停止浇灌。验证了本设计的可行性。

关键词： STC89C51，LCD1602 液晶, 湿度传感器

Abstract: In our country ，because of many problems.，irrigation of agriculture has become the focus of our country Our country solves these problems by introducing foreign irrigation equipment. However, because of the expensive price and complex installation of foreign irrigation equipment, it is not suitable for our agricultural situation. This design is based on the design of greenhouse automatic irrigation system with single-chip computer, which realizes the monitoring and automatic control of soil moisture at crop root. The system is mainly composed of five modules, including data acquisition module, human-computer interaction module, control driver module, information communication module and MCU processing module. The experimental results show that the user can set the range of soil moisture by himself and irrigation automatically when the humidity is lower than the preset minimum humidity. When it is higher than the preset maximum humidity, stop irrigation. The feasibility of the design is verified.

Key words: STC89C51, LCD1602，Humidity sensor

目 录

1 绪论 3

1.1 研究背景 3

1.2 研究现状 3

1.3 研究目的 4

1.4 研究意义 4

2 设计方案与器件选择 5

2.1总体方案 5

2.2土壤湿度测量方案 5

2.3 A/D芯片选择方案 6

3 硬件电路设计 7

3.1 单片机最小系统 7

3.2 按键电路 9

3.3 报警电路 9

3.4 显示电路 10

3.5 ADC0832 11

4 软件设计 12

4.1 主程序设计 12

4.2 显示器流程图设计 12

4.3 报警电路流程图设计 13

4.4 按键流程图设计 14

4.5 AD转换程序设计 15

5 系统调试与运行 16

5.1 实物概述 16

5.2 实物调试 16

结 论 20

致 谢 22

附 录 23

1 绪论

1.1 研究背景

农业是我国的主要产业之一。人类的衣食住行都离不开农业，它是一切生产的必要条件。它为国名经济提供了自己独特的价值。但我国农业生产效率低下，劳动成本相当高。城镇化、工业化大量征用土地引发土地失控风险，伴随着农业生产效率比较低，且农业利润低下，导致农民生产积极性下降，年轻人不愿意再从事农业，选择出去打工，而妇女和老年人身体素质不如青年人，从而不能种地，导致大片土地荒废。国家为了解决这类问题，从而选择了把科技与农业相结合的措施，温室就成了解决措施的重要的组成部分之一。大力推广温室产业，对于我国来说有着非比寻常的现实意义。温室，也称暖房，具有防寒、加温、透光等特点，主要用来培育喜温植物。为那些不是这个季节的植物，营造适合他的环境。目前，我国的温室面积已处于世界领先位置，但温室管理能力相对落后，大多控制方式较落后。在浇灌方面，通常存在浇灌不及时、浇灌过量、浇灌不足、不均等问题^[1]。

自动浇灌系统通过对植物根周边的土壤湿度进行实时监测，其湿度值作为是否进行浇灌的依据。温室自动浇灌系统可以实现对作物根系水分的平衡，从而使作物更好的生长，其是保证农作物优质生长保持高产的重要举措之一。与此同时，伴随着科技的不断发展，人们生活水平的不断提升，温室的自动浇灌系统产生了质的飞跃，通过控制可以实现定时定量进行浇灌，本设计在提高农作物产量，节省劳动力，提高了水的利用率等方面取得了一定的成果^[2]。

本设计涉及的温室自动浇灌系统，优点在于简单化，精确度较高，成本低，在保证植物生长状态的良好的同时，还能做到节约劳动力，对于温室浇灌以及整个农业有重要意义。

1.2 研究现状

在国外，早在20世纪50年代，科技与农业相结合的浇灌系统获得了很大的发展，国外的设计相对复杂，相关研究是依靠气象情况，通过本地区的蒸发量和浇灌量，再自动分析植物的种类以及植物的土壤，还有植物附近的地形，从而自动制定浇灌方案，这个方案在一些发达国家得到了广泛的推广。

国内在此方面的研发虽然起步较晚，但还是获得了一些的成果，如北京农业工程大学研制的以8031单片机为核心的自动浇灌系统，以及张建峰等研发的多功能自动浇灌方法及其设备，实现了按时定量，依据土壤湿度，预先制订浇灌计划。但整体上，国内浇灌的自动化水平不高，相关设施比较落后，依旧需要发展^[3]。

国内外专家在这领域的确有相当大的成就，这一点是不可否认的。但是这些浇灌的设计方案造价高，很难得到最大范围的推广，本文设计的方案通过实时监控植物根系周围的湿度，从而达到定时的浇灌，不但可以做到精准浇灌，还响应了国家关于节约用水的号召，主要其使用方法简单，学习能力不强的人也可以轻松掌握，而且开发成本相比于国外的设备要低很多，因此便于推广，广大农民也愿意接受。

1.3 研究目的

由于国内外的自动浇灌系统专业性强，设备价格比较昂贵，适用于专业领域，并不适用于普通用户使用。所以设计适合我国农业情况的自动浇灌系统对于我国的经济发展有着至关重要的作用。本设计给出了一个基于单片机的温室自动浇灌系统，再加以适当的硬件电路与软件相结合，具有成本低，灵活性强，扩展容易，简单易操作等特点，更适合我国现在的农业发展状况。

1.4 研究意义

温室是我国农业发展的重要组成部分，自动浇灌作为农作物浇灌的手段之一，开发出符合我国实际需求的温室自动浇灌系统，对于我国农业的发展有着非比寻常的意义，采用单片机设计的温室自动浇灌系统相对功能较为强大，并且具有自动化，简单化，平民化等优点。本设计的温室浇灌系统，根据作物在生长进程当中，根系会从土壤中吸收水分，通过作物根系附近的土壤湿度检测结果从而知道作物是否需要浇灌，这种浇灌方法更加及时，更为均匀，也不会造成浇灌不足或者过量等问题，并且设备的成本低，可维护性强，可靠性高，其应用和推广将提高温室浇灌的自动化程度，从而减轻农民劳作的强度，提高产量，更加节约能源^[4]。

2 设计方案与器件选择

2.1总体方案

本次设计是基于单片机控制的温室自动浇灌系统。该系统可根据对土壤湿度监控结果，从而决定是否需要对作物进行浇灌。本系统以单片机、显示电路以及浇灌驱动电路等为核心。单片机选用STC89C51单片机，采用C51语言编程。其工作原理为：湿度传感器先采集湿度，然后经过转换电路，将采集到的模拟量转变成数据量，从而显示在LCD显示屏上，通过与预先设定的湿度进行比较，从而决定是否要启动水泵进行浇灌，若需浇灌，则单片机系统发出浇灌信号，开始浇灌，若不需要浇灌，则进行下一次循环检测。其原理框图如图2-1所示。

图2-1 原理框图

2.2土壤湿度测量方案

对于土壤湿度的测试方案有3种。

第一种：烘干称重法测量。所谓称重法就是人工对所要测试的土壤进行取样，然后将土壤放在100摄氏度下进行烘干，此时土壤中的水分由于高温而蒸发，为了计算准确，这个过程通常要进行2~3次。称其烘干前的质量和烘干后的质量，经过计算从而得到其湿度。称重法耗时耗人力，还需要特殊器材，例如干燥器，称量盒子，温度计等，并且对土壤有一定的破坏性，故不适合本设计。

第二种：TDR土壤水分测量仪，又叫做非接触式土壤水分测量仪，这种方法是一种类似于雷达的系统，可以针对不同土层进行动态测量，其工作方式是往土壤中埋一根空心塑料管，然后将传感器放在里面，通过移动传感器从而测得不同土层的湿度，此方法具有一定的独立性，因其并没有与土壤直接接触，所以对土壤有一定的保护作用，并且测量的结果也较为准确，但是其价格昂贵，不适合农民使用，故不适合本设计方案。

第三种：电阻法，即使用电阻式湿度传感器。他利用的是湿敏元件的物理特性，即当水蒸气吸附在湿度传感器时，其电阻值发生变化，利用这一点从而可测得湿度，因其稳定性强，耐湿性强，使用寿命长，测量精度较为准确，因此这个方案被广泛应用在食品安全和环境检测领域。

比较以上三种方案，因第三种方案简单，价格合适，精度准确，故选择此方案。

2.3 A/D芯片选择方案

对于A/D芯片的选择有2种。

第一种：选择ADC0809芯片， 采用CMOS工艺，8通道多路开关，有28个引脚，采用双列直插式封装，具有转换启停控制端，由 5V电源供电。

第二种：选择ADC0832芯片，双通道8位转换芯片，有8个引脚，采用 5V电源供电，功耗仅仅为15mv，具有多种封装方式。

本设计选择使用第二种方案，因为其引脚相对较少，且引脚足够本设计使用，并且其结构比较简单且体积小，兼容性好 ，价钱相对比较便宜。

3 硬件电路设计

温室自动浇灌系统由五个模块组成，分别是数据采集模块，包含湿度传感器电路和模数转换电路2个部分。人机交互模块，包含报警电路和显示电路。控制驱动模块，包括电机驱动电路等。信息通讯模块，包括通讯接口等电路，除此之外还包含单片机处理模块。其中，数据采集模块主要用来检测土壤湿度，再进行模数转换，转换后的数据信号作为输入信号，单片机上传这些输入信号到上位机，根据与预先设置的湿度值的对比情况进行浇灌参数的控制，控制驱动模块接收单片机发出的控制参数，从而控制抽水电机的启动或者关闭。包含声光报警和LED显示屏的人机交互模块主要用来显示工作状态。

硬件系统电路图如图3-1所示，单片机的P0.0-P0.7与LCD显示屏的接口相接，E、R/W、RS分别与P1.2、P1.1、P1.0连接。

图 3-1 硬件系统电路图

3.1 单片机最小系统

作为本设计控制大脑的单片机的最小系统，是由晶振电路，复位电路，电源三部分组成，本设计采用 USB 端口供电^[5]。

3.1.1 晶振电路

在STC89C51芯片内部，有一个振荡电路和时钟发生器。内部时钟方式是将晶体振荡器和电容接入引脚XTAL1和XTAL2之间。若使用外部振荡器，其加载到振荡器的输入端的信号是由外部振荡器产生的，若使用这个信号作为CPU的时钟源，则构成了外部时钟方式^[6]。倘若采用这种方式，外部振荡器的输出信号是接至XTAL1的，而XTAL2悬空。绝大多数的单片机采用内部时钟方式，本次设计亦然。本设计方案的时钟源采用的是12M 的晶振，因为外部信号对振荡电路会有一些影响，所以在晶振的 XTAL1 脚和 XTAL2 脚各并联一只滤波电容，这些滤波电容可以有效的降低这个影响，常用的滤波电容在 15-50pf之间，这里选用20pf 的瓷片电容。晶振电路如图 3-2 所示。

图 3-2 晶振电路

3.1.2 复位电路

复位就是让系统回到初始状态，系统开始工作都是需要复位的。复位信号只有对高电平才有效果，所以系统开始自动复位时，需要RST引脚产生高电平，并且高电平至少要存在2个周期。复位电路大概分为上电复位和手动按键复位两类^[7]。实现单片机的上电自动复位，只需要单片机芯片上的 RST 引脚，上接电容，下接电阻即可。手动按键复位，一般是在上电自动复位电路的基础上，并联一个开关在电容两端，即可实现手动复位。这种方法既可以上电复位，也可以按键复位。复位电路图如图 3-3 所示。

图 3-3 复位电路

3.2 按键电路

独立式键盘是本系统采用的方案，其特点是：每个键只与一根I/O接口输入线连接，彼此之间互不影响^[8]。按键电路图如3-4所示。其中S2为湿度减少键，S3为湿度增加键，S4为 湿度设置键。其工作原理是：当没有按键被按下时，每一个I/O接口输入线的状态均是高电平，当其中有一个按键被按下去时，这个按键所连接的I/O接口的状态就会变成低电平。独立键盘的优点是：组成机构相对简单，使用比较方便。缺点是：按键越多，占用的I/O接口就越多。

图3-4 按键电路

3.3 报警电路

为了预防或者防止某些特殊情况所造成的后果，系统设计通常会设计报警电路，报警电路分为三种，第一种闪光报警，第二种鸣音报警，第三种语音报警^[9]。本设计采用的是声光报警。报警电路图如图3-5所示。

图3-5 报警电路

3.4 显示电路

3.4.1 LCD1602 的基本介绍

LCD1602 与其他显示器相比较，具有显示质量高，数字式接口简单可靠、显示操作简单、 体积小、重量轻、功耗低等优点，且能显示多种字符，在低功耗系统中应用十分普遍。 LCD1602 主要分为两类：带背光和不带背光^[10]。大部分基本控制器都是 HD44780，两者尺寸如图3-6所示。

图 3-6 LCD1602 尺寸图

LCD1602 的16 个引脚的具体名称与功能如表 3-1 所示。

表 3-1 引脚接口说明

序号	名称	功能
1	VSS	电源地
2	VDD	电源正极
3	VEE	液晶显示器对比度调整
4	RS	寄存器选择控制信号
5	R/W	读/写控制信号
6	E	使能信号
7～14	D0～D7	8 位双向数据线
15	BLA	背光源正极
16	BLK	背光源负极

3.4.2 LCD1602 显示电路

LCD1602 是一种字符型液晶，通过对液晶物理特性的应用，即对指定的区域的液晶分子进行电压刺激，从而构成图形。

LCD1602 的数据端引脚与 P0 端口连接，写入内容。RS端，RW端，E端三个端口分别与P1.0，P1.1，P1.2三个端口连接， RS作为寄存器选择控制信号，高电平时，选择数据寄存器，反之选择指令寄存器。同理，RW作为读写信号线，当其为低电平时，进行写操作。反之进行读操作。VO端接上拉电阻，从而达到控制屏幕对比度的目的。LCD1602 显示电路如图 3-7 所示。

图 3-7 LCD1602 显示电路

3.5 ADC0832

3.5.1 ADC0832 简介

ADC0832是由美国国家半导体公司生产的8位分辨率，工作频率为250Khz的 A/D模数转换器中的一种。它可以根据地址码锁存译码后的信号，继而只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。是目前使用最广泛的的8位通用A/D芯片^[11]。

3.5.2 ADC0832与单片机的接口电路

CLK，， DI ，DO作为ADC0832模数转换器的4条数据线，电路设计时通常把DI和DO连在一起作为一根线使用^[12]。本设计亦如此。的状态与模数转换器是否工作有密切关系，当模数转换器工作时，端为低电平，其低电平的状态一直持续到模数转换结束，当模数转换器不使用时，为高电平，此时的芯片处于禁用状态^[13]。本设计的ADC0832模数转换器接口电路如图3-8所示。

图 3-8 接口电路

4 软件设计

4.1 主程序设计

如图4-1主程序所示。首先设置好湿度上下限值，然后采集土壤湿度，经过模数转换，从而与预设值的湿度进行比对，从而决定是否浇灌，若需要浇灌，则开始报警，继而启动水泵进行浇灌。若不需要浇灌，则会回到检测土壤湿度那一步。程序一旦开始就处于一遍又一遍的循环当中，不断检测土壤湿度值。低于设定的下限时，报警并启动电机开始浇灌，当高于上限时，关闭电机，停止浇灌。

图 4-1 主程序

4.2 显示器流程图设计

LCD1602液晶显示器是利用其物理特性来实现显示的，湿度传感器检测时钟芯片输出时间，然后将信号发送给单片机，单片机再将信号输送到液晶显示器。从而，当电路通电时，LCD便可以显示出来数字、图像等^[14]。LCD1602液晶显示流程图如图4-2所示。

图 4-2 显示器流程图

4.3 报警电路流程图设计

在某些紧急情况或者异常情况下，为了提醒人们及时发现问题并及时解决，系统设计通常会设计报警电路^[15]。当所测的湿度低于湿度下限时，蜂鸣器开始报警，发光二极管开始闪。若不低于湿度下限，则蜂鸣器不报警，发光二极管不亮。就这样一直在不停的循环检测中。其设计流程图如图4-4所示。

图 4-4 报警电路流程图

4.4 按键流程图设计

按键的种类多种多样，本设计采用的是机械式开关，机械式的开关造价相对比较低，但是其存在一个问题：机械式开关在按下与松开的过程中，由于机械弹性的影响存在着机械抖动，这种抖动我们感受不出来，但他确实是存在的，如果不对这种情况进行处理，系统会认为这个按键被按下多次，从而会对系统产生一定的影响。通常在进行按键电路设计时，有2种方法可以解决这个问题，分别是软件消除抖动和硬件消抖。本设计采用的是第一种方法，即软件消除抖动。为了避开这个抖动时间，根据机械的弹性，这段时间通常在5ms~10ms之间。其流程图如图4-3所示。

图4-3 按键流程图

4.5 AD转换程序设计

温室自动浇灌系统启动ADC0832对湿度传感器采集到的湿度模拟信号进行转换，当为高电平时，转换结束。反之，转换未结束，继续转换。AD转换流程图如4-4所示。

图4-4 AD转换流程图

5 系统调试与运行

5.1 实物概述

如图5-1为温室自动浇灌系统的实物图，主要由5个部分组成，分别是LCD1602液晶显示器，STC89C51单片机，按键，电源开关等。总共五个按键，复位键位于最上面。下面一行，最左边的是湿度减小键，第二个是湿度减小键，第三个是湿度设置键，白色的是开关键。主板与湿度传感器以及水泵相连。

图 5-1 实物图

5.2 实物调试

5.2.1 预设值参数设置

完成设计后，通电，按下开关键，设备显示初始状态，如图5-2所示，LCD屏幕第一行显示的是当前湿度值，第二行左边显示的是预设的湿度上限值（SH），右边显示的预设湿度下限值（SL）。

图 5-2 构成图

可以通过减小键和增加键以及设置键三个按键配合从而调整预设值。具体调整方法如下：在通电状态下，若想调整湿度上限值，应先按下设置键，这个时候湿度上限值（SH）处开始闪烁，如图5-3所示，此时即可通过减小键和增加键对湿度上限值进行调整。

图 5-3 设置上限

同理，若想调整若想调整湿度下限值，应再按一次设置键，这个时候湿度下限（SL）处开始闪烁，如图5-4所示，此时即可通过减小键和增加键对湿度下限值进行调整。

图 5-4 设置下限

5.2.2 调试过程

系统硬件图实物如图5-5所示。将湿度传感器放入土壤中，检测一下其可行性，当湿度低于下限值，为78% 时，此时蜂鸣器报警，发光二极管闪烁，水泵开始工作。

图 5-5 低于下限

当湿度在预设范围内时，如图5-6所示，此时湿度为81%，此时发光二极管停止闪烁，蜂鸣器不报警，水泵关闭。

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