农田灌溉节水自动控制系统设计

-本科毕业论文农田灌溉节水自动控制系统设计Design of automatic control system of water saving irrigation学院名称： 电子信息与电气工程学院 专业班级： 电子信息工程2021级2班 学生：学 号：指导教师：指导教师职称：2021年5月. z-毕业设计论文原创性声明和使用授权说明原创性声明本人重承诺：所呈交的毕业设计论文，是我个人在指导教师的指导下进展的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得工学院及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过奉献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了意。作 者 签 名： 日 期：指导教师签名： 日期：使用授权说明本人完全了解工学院关于收集、保存、使用毕业设计论文的规定，即：按照学校要求提交毕业设计论文的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览效劳；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的局部或全部容。作者签名： 日 期：目 录摘要IAbstractII引 言1第一章 绪论21.1研究的背景21.2课题研究的意义31.3课题研究主要任务和实现目标4第二章 系统总体设计52.1系统硬件设计框架52.2 系统总体电路设计6第三章 硬件电路的设计73.1 湿度传感器的设计73.2单片机的设计83.3 无线模块的设计113.4 显示模块的设计123.5 电源电路设计133.6 数码管显示电路设计14第四章 系统软件设计164.1初始化模块164.2 无线模块存放器配置164.3 DHT11测量流程174.4 系统整体程序设计18第五章 系统的安装和调试215.1 系统硬件的安装215.2 系统单元调试电路215.3 系统的调试过程22结 论23致 24参考文献25附 录26附录A26附录B28附录C46. z-农田灌溉节水自动控制系统设计摘要：本文设计了一种农田灌溉节水自动控制系统，该系统分为两大局部：发射端和接收端。发射端通过DHT11采集湿度值，经单片机处理后，湿度值在数码管上显示，并经过无线模块将湿度值传输到接收端。接收端接收到湿度值进展处理，与设定的值比较，并显示。假设湿度值低于预设值，则继电器翻开水阀，对农田进展灌溉；假设湿度值高于预设值，则继电器关闭水阀，停顿灌溉。本设计以单片机为中心控制单元，软硬件结合。软件局部采用C语言编写，keil仿真，硬件电路采用Proteus仿真，使用Altium Designer导入相关元器件的封装，然后进展系统PCB的绘制，完成电路板的制作，并进展元器件的安装以及电路板单元电路的调试和系统的总体调试，最终实现了系统设计的根本功能。关键词：单片机；无线模块；湿度传感器；继电器Irrigation Water-saving Design of Automatic Control SystemAbstract:Irrigationwater-saving controlproblemismon in our life, the traditional irrigation fee water, time consuming. With the development of science and technology of water resources and poor gradually, drip irrigation, sprinkler irrigation and other new irrigation technology rapid development, and the control technology of form a plete set of the new requirements. Using the humidity automatic control system of farmland irrigation is being more and more mon, not only can greatly save the cost, also can enhance the level of Peoples Daily life. Irrigation water automatic control system design, mainly divided into two parts: the transmitter and the receiver. Information transmitted by DHT11 acquisition of farmland in humidity, through single chip processing, according to the information on the digital tube, through the wireless module to transmit information to the receiving end. The receiver by receiving module will launch the wireless transmission module of humidity information processing, and setting value parison of humidity, and display on the Nokia5110LCD, if the humidity of the humidity value is lower than the preset value, through the relay to open the water valve, the farmland irrigation. If the humidity of humidity value is higher than the preset value, the closed by a relay water valve, stop the irrigation. This design with the single chip processor as the center control unit, the hardware and software. Software part written using C language, using keil simulation, hardware circuit USES Proteus simulation, circuit principle in the system design is pleted, use Altium Designer import related ponents encapsulation, and then systematically PCB drawing, according to the PCB layout, plete the production of circuit boards, and ponents of the installation and debugging of the circuit board and system overall debugging, finally realized the function of irrigation system.Key words: single chip microputer;Wireless module; The humidity sensor; relay. z-引 言随着社会的开展，水资源的短缺到达前所未有的程度，这一状况还将随着时间的推移和社会的开展继续恶化。水资源危机已成为全球性的突出问题，利用科技手段缓解这一危机，将是人类主要的出路。研究和开发灌溉节水系统，使农田得到正常灌溉并能节约水资源。本系统通过主控制器采用8位单片机STC89C52作为主控芯片，三个按键控制上限的设置，nokia5110作为显示电路，利用nRF24L01无线模块进展数据传输，并将采集到的湿度与设定值进展比照，进而决定继电器的开关，判断农田是否需要灌溉。同时接收端通过无线模块向发射端发送湿度采集信号，发射端采用STC12C2052单片机作为主控芯片，通过DHT11采集湿度，显示在数码管上，利用nRF24L01无线模块进展数据传输。预期结果是能实现其根本功能，能够正确的判断农田是否需要灌溉。既能够节省水资源，又能够正常灌溉。第一章 绪论1.1研究的背景1.1.1课题研究目的水作为人类的生命之源，没有水，地球上的生命将会枯竭。随着21世纪的到来，水资源的短缺到达前所未有的程度，这一状况还将随着时间的推移和社会的开展继续恶化。水资源危机已成为全球性的突出问题，利用科技手段缓解这一危机，将是人类主要的出路。研制与开发无线遥控节水灌溉自动控制系统，是寻找客观的节水的一种方法，不但改善水资源紧缺的条件，对提高水资源的利用率起一定的作用，而且还可以增加农作物的产量，降低农产品的本钱。随着计算机技术和传感器技术的迅猛开展，计算机和传感器的价格日益降低，可靠性日益提高，用信息技术改造农业不仅是可能的而且是必要的。用高新技术改造农业产业，实施节水灌溉已成为我国农业乃至国民经济持续开展带战略性的根本大事。本文旨在设计一套能对作物生长的土壤湿度进展自动监控的系统，它能对作物进展适时、适量的灌水，起到高效灌溉，节水、节能、高产的作用。1.1.2国外相关研究现状近三、四十年科技的开展，拉开了新的农业技术革命的序幕。灌溉水管理技术的应用可以减少水在渠系调配过程中的损失，到达节水的目的。该技术还可以使水量分配合理，增加水量分布的均匀性，因此也是使作物增产增效的有效途径。以色列、美国、荷兰等国家对不同作物的灌溉制度进展了深入的研究，己取得了丰富的成果，主要表达在农业信息的获取和及时处理、农业系统模拟、农业生产管理、农业专家系统、农业决策支持系统、农业计算机网络应用和农产品贸易信息化等。节水灌溉兴旺国家已普遍采用计算机控制灌溉系统，用埋在地下的湿度传感器可以测得土壤湿度信息，还有的智能系统能通过检测植物茎、果的直径变化，来决定对作物的灌溉方案和灌溉量。在温室等设施较多使用小型灌溉控制器，这种设备通常能控制几路或十几路电磁阀，有假设干套灌溉管理程序，可预先设定灌水开场、完毕时间和灌水时间隔时间，操作方便，自动化、智能化控制运行精细、可靠，节省人力，对灌溉过程的控制可到达相当精度。以色列已出现了在家利用电脑对灌溉过程进展全部控制的农场主，其中还有无线控制。以色列开发出了多种系列的自动灌溉配套设备，如电动和水动遥控电磁阀、减压阀、调压阀、平安阀和流量控制阀等。兴旺国家为满足对灌溉系统管理的灵活、准确、快捷的要求，非常重视空间信息技术、计算机技术和网络技术等高新技术的应用。我国的节水灌溉技术和设备自20世纪50年代从国外引进后，在很长一段时间，主要是示应用，再加上设计、管理及设备上的一些问题，没有得到大面积的应用，相配套的自动控制系统就更少了。到20世纪80年代，特别是90年代后，随着经济的开展、水资源的紧及国家的重视，节水灌溉得到了迅猛地开展，同时电子技术也日新月异，其它行业中的自动控制技术也逐步地在节水灌溉中得到应用。但是我国目前自动控制系统从国外进口的居多，国自行研制的还很少，虽然从简易型到中央计算机型均有产品并得到应用，但大多还是单板机和小型控制器，与国外产品相比，在技术上还比较落后，有些方面设计还不太合理，制造也比较粗糙，使用不太方便，仍需进一步完善。1.1.3开展趋势 加速开发适合我国国情的成套、适用、可靠、低本钱、高效率、先进的智能节水灌溉控制系统是十分必要和紧迫的，也是我国今后节水灌溉设备开展的主要方向。1.2课题研究的意义我国是一个农业大国，建国50年来，农业得到了很大开展，取得了以占世界7%的耕地养活了世界22%的人口的举世瞩目的成就。但也付出了巨大代价:地下水位下降、河湖枯槁、季节性缺水、江河污染、水土流失和生态环境恶化等。当前，制约我国农业开展的主要因素是水资源严重缺乏。而且随着经济建立、生态环境建立步伐的加快，人们生活水平的提高，对水的需求量将更大。 我国农业用水面临资源短缺的同时，农业用水浪费现象却非常严重。我国农业用水量约占总用水量的80%左右，由于农田灌溉用水的利用率普遍低下，水的利用率仅为45%，而水资源利用率高的国家为70%-80%。在水资源紧的情况下，解决农业用水短缺问题的主要方法是开展节水灌溉。节水灌溉是遵循作物不同生长发育阶段的需求规律而进展的适时灌溉，利用尽可能少的水取得尽可能多的农作物产出的一种灌溉模式。在灌溉系统合理地推广自动化控制，不仅可以提高水资源的利用率，缓解水资源日趋紧的矛盾，还可以增加农作物的产量，降低农产品的本钱。研制与开发无线遥控节水灌溉自动控制系统，是寻找客观的节水的一种方法，不但改善水资源紧缺的条件，对提高水资源的利用率起一定的作用，而且还可以增加农作物的产量，降低农产品的本钱。随着计算机技术和传感器技术的迅猛开展，计算机和传感器的价格日益降低，可靠性日益提高，用信息技术改造农业不仅是可能的而且是必要的。用高新技术改造农业产业，实施节水灌溉已成为我国农业乃至国民经济持续开展带战略性的根本大事。本文旨在设计一套能对作物生长的土壤湿度进展自动监控的系统，它能对作物进展适时、适量的灌水，起到高效灌溉，节水、节能、高产的作用。1.3课题研究主要任务和实现目标本课题研究的主要容是设计一种基于单片机和无线模块的湿度检测系统，自动检测和控制农田的湿度值，使农田的湿度处于适宜农作物生长的最正确湿度环境，并具有无线传输、实时显示、自动灌溉的功能。当湿度越限时，功能执行模块根据主控芯片发出的当前指令执行相应的操作，通过自动灌溉来实现最正确控制。基于以上需求与当前技术实现，方案设计一款以单片机为控制核心的湿度采集系统。人性化的设计：根据植物的生活需求，把湿度值控制在一定的围，能够实时、准确的显示采样农田里的湿度值。通过采集的湿度值，准确的判断标准值与当前值之间的差异，判断是否供水或停水。系统通过继电器在控制阀门的开关，到达对农田湿度的控制。第二章 系统总体设计2.1系统硬件设计框架通过查阅资料及文献确定节水灌溉自动控制系统的总体框架构造分为两局部：发射端和接收端。发射模块如图2.1所示和接收模块如图2.2所示，用无线模块在发射端与接收端之间传递数据信息。湿度显示无线模块 单片机湿度数字传感器供电电路电源电路 液晶显示图2.1 发射端 单片机电源电路 无线模块继电器键盘 供电电路图2.2 接收端发射端的根本功能是通过湿度传感器，采集湿度信息，通过单片机微控制器处理在数码管上面显示湿度信息，再通过无线收发模块，把处理好的湿度数据发送到接收端。接收端的电源电路向主控制器提供工作电压，5110液晶显示局部显示的是发射端端在农田里所测湿度，通过和键盘设置的湿度值上限比照，从而决定继电器的开关。无线模块的功能是发送数据和接收湿度信息，3.3v稳压电路是向无线模块提供正常工作的电压。2.2 系统总体电路设计通过对电子元器件的选择和电路的分析与设计，根本的电路已经确定各局部的电路功能也根本确定。本次设计主控制端的微控制器用的是AT89C52，无线模块确定为nRF24L01无线通信模块，显示电路为Nokia5110显示，湿度传感器选择的是具有单总线构造的数字湿度传感器DHT11，还有两个稳压电路和键盘控制电路和一个继电器电路控制阀门的开关。根据具体的实际应用情况设计的接收端电路原理图见附录A图1，发射端的实际设计电路原理图见附录A图2。第三章 硬件电路的设计3.1 湿度传感器的设计湿度传感器主要有湿敏元件，HS1101湿度传感器，数字温湿度传感器DHT11。湿敏元件其主要分为电阻式和电容式。湿敏电阻的种类多，灵敏度高，但是其线性和产品的互换性差。湿敏元件需时刻在检测环境中，很容易受到环境污染进而影响其测量精度和持续稳定性。HS1101湿度传感器在电路构成上等效于一个电容器件，将HS1101的电容量的变化量准确地转变为单片机易承受的信号需要一个振荡电路来实现，电路设计较复杂。因此，我使用DHT11湿度传感器。其输出信号全数字化。DHT11数字湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用数字模块采集技术和湿度传感技术，产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。由一个NTC测温元件和一个电阻式感湿元件构成的传感器可以连接于一个高性能的8位单片机，因此使该产品具有优良的品质、超快的响应、极强的抗干扰能力和较高的性价比等优点。系统集成采用简易方便的单线制串行接口。传感器以其超小的体积、极低的功耗。元件的封装是4针单排引脚，连接方便，调试电路简单。DHT11实物图如图3.1所示。传感器连接电路如图3.2所示。图3.1 DHT11实物图图3.6 DHT11典型电路及连接电路 DHT11引脚说明如表3.1和测量参数如表3.2所示。表3.1 DHT11引脚功能Pin名称注释1VDD供电35.5V2DATA串行数据，单总线3NC空脚4GND接地，电源负极表3.2 DHT11测量参数型号测量围测湿精度测温精度分辨力封装DHT1120-90%RH 0-505%RH214针单排直插3.2单片机的设计接收端主要有MSP430作控制器，AT89C51单片机，STC89C52八位单片机。通过比照STC89C52是自由度大的软件编程，各种各样的算术算法和逻辑控制可通过单片机编程来实现。而且较小的体积，容易实现的硬件，可以方便地安装。能对多片DHT11进展单独的控制，通过远程控制从而构建湿度测量系统。另外STC89C52单片机也广泛应用于工业控制上，编程技术通过配合外围功能电路形成比较成熟的技术。单片机的选取方面，在湿度测量和实时监控这些方面，应该着重考虑它的稳定性和准确性。同时在性能和资源进展比照，STC89C52能够也到达一个最正确的状态，防止MSP430不必要的资源浪费。而AT89C51需要专用下载线，所以选用STC89C52八位单片机。STC89C52是一种低功耗、高性能8位微控制器，具有8k在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，置4KB EEPROM，MA*810复位电路，3个16位定时器/计数器，4个外部中断，1个7向量4级中断构造兼容传统51的5向量2级中断构造，全双工串行口。另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停顿工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停顿，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHz，6T/12T可选。STC89C52八位单片机的引脚图如图3.3所示。STC89C52的单片机电路如图3.4所示。图3.3 STC89C52RC引脚图图3.4 STC89C52单片机电路 发射端主控芯片的主要作用是：对土壤湿度进展采集，通过无线模块发送至控制终端，并在测量点处显示该点湿度。完成的任务量相对较少，在选择40引脚的单片机时，会造成引脚的大量浪费，因此从功能以及经济实用的角度，选用了最小的单片机STC12C2052具有20引脚可以测量系统所需。STC12C2052引脚图如图3.5所示。STC12C2052最小系统如图3.6所示。图3.5 STC12C2052引脚图图3.6 STC12C2052单片机电路单片机系统都有晶振，在单片机系统中晶振的作用非常大，全称叫做晶体振荡器，它结合单片机部电路产生所需时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，则单片机的运行速度就会越快，单片机的一切指令执行都是建立在单片机晶振所提供的时钟频率。外部晶振电路如图3.7所示。图3.7 外部晶振电路复位是单片机的初始化操作，STC89C52单片机的复位通过外部复位电路来产生，当向复位引脚RET加上大于两个机器周期的高电平时单片机执行复位操作。上电复位是通过外部复位电路给电容C充电加至RST引脚一个短的高电平信号，次信号随着VCC对电容C的充电过程而逐渐回落，即RST引脚上的高电平持续时间取决于电容C的充电时间。因此为保证系统能可靠地复位，EST引脚上的高电平必须维持足够长的时间。按键手动复位有电平和脉冲两种形式。电路图如图3.8所示。图3.8 复位电路3.3 无线模块的设计 无线模块主要有 nRF24L01，CC1100 。本次方案的设计无线通信选用的全球通用的频段：2.42.5GHz频率，而且需要的实用性很好，价格合理，易于开发的无线模块，显然nRF24L01更符合我的要求。nRF24L01 无线收发芯片组成智能家庭平安系统的自适应无线传感和控制网络，nRF24L01 是一款新型单片射频收发器件。工作于2.4 GHz2.5 GHz ISM 频段。置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型 ShockBurst 技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进展配置。nRF24L01 功耗低，在以- 6 dBm的功率发射时，工作电流也只有9 mA；接收时，工作电流只有12.3 mA，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便，无线模块与单片机的P1口连接。nRF24L01无线收发模块的实物图如图3.9所示。nRF24L01集成模块与单片机相连引脚电气编号如图3.10所示。图3.9 nRF24L01无线收发模块图 3.10nRF24L01集成模块与单片机相连引脚电气编号3.4 显示模块的设计 主要有数码管，Nokia5110LCD。数码管是现在电子设计中使用相当普遍的一种显示设备，每个数码管由7个发光二极管按照一定的排列构造组成，根据七个发光二极管的正负极连接不同，又分为共阴极数码管和共阳极数码管两种，选择的数码管不同，程序设计上也有一定的差异。数码管显示的数据容比较直观，通常显示从0到9中的任意一个数字，一个数码管可以显示一位，多个数码管就可以显示多位，在显示位数比较少的电路中，程序编写，外围电路设计都十分简单，但是当要显示的位数相对多的时候，数码管操作起来十分繁琐，显示的速度受到限制。并且当硬件电路设计好之后，系统显示能力根本也被确定，系统显示能力的扩展受到了限制。本次设计中测量终端需要显示的只有该点的湿度值，即只用显示数字，数码管就可以满足要求。Nokia5110LCD是一款经典机型，可能由于经典的缘故，旧机器很多，所以很多电子工程师就把旧机器的屏幕拆下来，自己驱动Nokia5110LCD，用于开发的设备显示，取代LCD1602。使用Nokia5110LCD的四由：1性价比高，LCD1602可以显示32个字符，而Nokia5110LCD可以显示15个汉字，30个字符。Nokia 5110裸屏仅8.8元，LCD1602一般15元左右，LCD12864一般5070元。2接口简单，仅四根I/O线即可驱动，LCD1602需11根I/O线，LCD12864需12根。3速度快，是LCD12864的20倍，是LCD1602的40倍。4Nokia5110LCD工作电压3.3V，正常显示时工作电流200uA以下，具有掉电模式，适合电池供电的便 携式移动设备。本次设计中控制终端需要显示多点的湿度信息和测试点标号，用用字和字母的组合可以满足显示要求，所以我选用Nokia5110LCD作为控制终端的显示模块。液晶显示电路如图3.11所示。图3.11 NOKIA液晶显示电路3.5 电源电路设计本设计要用到USB来对这个系统供电，系统才可以正常的工作。提供单片机所需的5V电压。电源电路如图3.12所示。 图3.12 电源电路系统中单片机的供电电压是4.5v-5.0v，用7805完全可以到达单片机的工作电压，系统可以正常工作。无线模块中nRF24L01的工作电压是在3.3v左右，我们还要在电路中加一个3.3v的稳压电路，把VCC的电压转换到3.3v，所以在电路的设计中我们用到了ASM1117-3.3的稳压芯片。稳压电路如图3.13和ASM117芯片如图3.14所示。图3.13 3.3V稳压电路ASM117芯片 图3.14 ASM117芯片ASM1117-3.3的特点：三端可调或固定电压3.3V输出电流为1A线路调整率：0.2%最大；负载调整率：0.4%最大；电气特性：输出电压：3.2673.333V0 IOUT1A , 4.75VVIN12V；线路调整最大：10mV4.75VVIN12V；负载调节最大：15mVVIN=5V，0IOUT1A；电压差最大：1.3V电流限制：9001500mA；静态电流最大：10mA纹波抑制最小：60dB。3.6 数码管显示电路设计74HC595是具有8位移位存放器和一个存储器，三态输出功能。移位存放器和存储器是分别的时钟。数据在SHCP的上升沿输入，在STCP的上升沿进入到存储存放器中去。如果两个时钟连在一起，则移位存放器总是比存储存放器早一个脉冲。移位存放器有一个串行移位输入DS，和一个串行输出Q7，和一个异步的低电平复位MR，存储存放器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能OE时为低电平，存储存放器的数据输出到总线。74595的控制端说明：(10脚)：低点平时将移位存放器的数据清零。通常我将它接Vcc。SCK(11脚)：上升沿时数据存放器的数据移位QA-QB-QC-QH；下降沿移位存放器数据不变。脉冲宽度：5V时，大于几十纳秒就行了。RCK(12脚)：上升沿时移位存放器的数据进入数据存储存放器，下降沿时存储存放器数据不变。通常我将RCK置为低点平，当移位完毕后，在RCK端产生一个正脉冲，更新显示数据。(13脚)：高电平时制止输出高阻态。如果单片机的引脚不紧，用一个引脚控制它，可以方便地产生闪烁和熄灭效果。比通过数据端移位控制要省时省力。电路原理图如图3.15所示。图3.15 数码管显示电路原理图分析原理图，需要仔细考虑元器件的布局与走线，合理的布局会减少走线的难度。本设计为了方便走线，数码管和74HC595采用自由连接方式，而没有采用顺序连接方式，这大大降低了走线难度。第四章 系统软件设计4.1初始化模块系统初始化模块的主要功能是完成系统的初始化以及设定系统的工作状态，初始化局部包括以下方面的容：单片机初始化以及各种引脚定义、NOKIA5110液晶初始化及工作方式、系统进入正常工作状态。4.2 无线模块存放器配置无线收发模块的主芯片是nRF24L01，在系统进展无线数据通信时，首先要将芯片的存放器配置成接收模式或者发送模式，然后才能将要发送的数据或者要承受的数据通过无线模块的天线，发送出去或者承受到。要发送数据时，在初始化完，其他器件后，要对nRF24L01进展初始化，使之进入发送T*模式。T* 模式初始化过程：1写 T* 节点的地址 T*_ADDR 。配置发送存放器的地址，发送地址一定要和接收节点的地址一样。 2写R*节点的地址主要是为了使能Auto AckR*_ADDR_P0。自动应答通道的地址一定要和发送地址一样，自动应答通道一般都为通道0.3使能 AUTO ACK EN_AA 。允许自动应答设置，自动应答默认是通道04使能 PIPE 0 EN_R*ADDR .5配置自动重发次数 SETUP_RETR。可以自己设置自动重发的次数，当发送失败后自动进入重发模式，直到到达自动重发最大值，停顿并产生中断信号。6选择通信频率 RF_CH。确定通信频率，发送频率分为1M或者2M。7配置发射参数低噪放大器增益、发射功率、无线速率RF_SETUP ，配置发送频道，发送端和接收端的频道必须一样。8选择通道0 有效数据宽度 R*_Pw_P0 ，设置通道0允许承受的字节长度，最大为32个字节。9配置 24L01 的根本参数以及切换工作模式 CONFIG。当被设置为接收端时，也要对nRF24L01进展初始化，使之进入接收R*模式。 R* 模式初始化过程： 1写 R* 节点的地址 R*_ADDR_P0，接收端的地址一定要和发送端的地址一样，否则两者之间不能进展无线通信。2使能 AUTO ACK EN_AA 3使能 PIPE 0 EN_R*ADDR 4选择通信频率 RF_CH 5选择通道0 有效数据宽度 R*_Pw_P0 6配置发射参数低噪放大器增益、发射功率、无线速率RF_SETUP 7配置 24L01 的根本参数以及切换工作模式 CONFIG4.3 DHT11测量流程DHT11湿度传感器是本设计中也是比较重要的局部，发射端需要DHT11检测湿度。DHT11的DATA管脚用于和单片机之间的通讯和同步，采用单总数据格式，一次通讯时间4ms左右。DHT11上电后DHT11上电后要等待1s以越过不稳定状态在此期间不能发送任何指令，开场测试环境温湿度数据，并记录数据。与此同时DHT11的DATA数据线由上拉电阻拉高一直保持高电平，此时DHT11的 DATA 引脚处于输入状态，时刻检测外部信号。单片机的I/O设置为输出状态同时输出低电平开场信号，且低电平保持时间不能小于18ms。然后单片机的I/O设置为输入状态，由于上拉电阻，单片机的I/O即DHT11的DATA数据线也随之变高，等待DHT11作出答复信号。DHT11的DATA引脚检测到单片机发送的低电平开场信号时，等待开场信号完毕。延迟后DHT11的DATA引脚处于输出状态，输出80us的低电平作为应答信号，紧接着输出80us的高电平通知外设准备接收数据。单片机延时等待2040us后，检测到I/O有低电平DHT1回应信号后，等待80us的高电平后的数据接收通知。由DHT11的DATA引脚输出40bit数据，单片机根据I/O电平的变化接收40bit数据。位数据“0的格式为： 50us的低电平和2628us的高电平，位数据“1的格式为：50us的低电平加70us的高电平。DHT11的DATA引脚输出40bit数据后，继续输出低电平50us后由上拉电阻拉高转为输入状态。但DHT11部重测环境温湿度数据，并记录数据，等待外部信号的到来。工作流程如图4.1所示。主机发出信号 完毕DHT11是否响应.等开场信号完毕DHT11发送低电平应答信号DHT11发送湿度和CRC数据 单片机接收数据CRC校准是否正确 完毕图4.1 DHT11工作流程图4.4 系统整体程序设计系统的总体程序设计分为两个主要的局部：接收端和发射端。系统的接收模块上电复位后，首先初始化系统，然后发射模块的DHT11进展测湿，测出该点农田的湿度的温度，并在数码管上显示出来。然后初始化无线模块，进入发送模式，发送命令，接着进入接收模式，准备承受数据信息，承受到有效数据后，通过Nokia5110显示出湿度来。并将接收数据进展处理，得出农田的湿度与设定的下限比照，判断是否进展灌溉，假设低于下限值则翻开阀门防水，开场灌溉。假设到达上限值则关闭阀门，停顿灌溉。系统接收端的软件流程如图4.2所示：图4.2 系统接收端的软件流程图发射端上电后，初始化无线模块使之进入接收模式，等待接收密码命令，承受到有效数据后，读取接收到的密码命令，判断是否该发射端的密码命令，假设是则开启DHT11进展湿度测量，然后配置无线模块使之进入发送模式，将检测到的湿度信息发送到承受端。系统的发射端的软件流程如图4.3所示。图4.3 系统发射端的软件流程图第五章 系统的安装和调试5.1 系统硬件的安装 在系统进展安装、焊接元器件之前，首先要对加工好的PCB板进展检测，目测电路板是否有明显的短路，使用万用表检测可能出现短路和断路的地方。在检测电路板正常后，要对进展安装的元器件进展检测，判断元件是否能够使用。在确定元器件一切正常后，就要对元器件进展焊接，一般遵循先低后高，一个方向的原则。根据本实验板实际情况，就要先焊贴元件接着电阻、管座、晶振、瓷片电容，后焊LED、电解电容，稳压芯片等。5.2 系统单元调试电路系统在安装完成后，要对硬件电路进展调试，调试原则是先对电路的各个模块进展调试，各个模块电路经过调试后能够正常工作后，在进展整个系统的调试。上电前先检查各个芯片是否安装正确，确认无误后开场上电。上电后先查看电源指示灯，然后查看电路的电流是否出现异常情况，比方电流太小或者太大的情况，电流太小可能是有*个地方出现断路或者*个点虚焊；电流太大可能是有地方出短路或者是芯片接反，芯片接反后会有发热的现象，温度过高是会烧坏芯片。这些一定要认真检查，否则可能会损坏芯片，致使电路无常工作。在电压、电流一切正常，芯片也无发热迹象后，说明电路无短路，可以进展单元电路调试。单元电路调试的时，为比较方便的查找可能出现的问题，我选择使用Keil仿真器进展辅助调试，这样可以及时的查找问题的所在，观察存变化等。后期在进展无线通行测试的时候，要进展接收端和发射端的数据通信，我们采用的89C52单片机支持在线编程，可直接进展测试。系统发射端，主要的测湿器件是湿度传感器DHT11，它采用的是单总线数据传输模式，单总线的时序中延时是个比较重要的局部，尤其是在检测存在的是延时一点要准确，还有读和写的时序也很重要，否则你在转换湿度和读取湿度时，会出现采集不到湿度的现象。无线测试的时候需要两个局部同时工作，用仿真器比较麻烦，虽然在程序改进上有很大的优越性，但是在无线测试时，不方便同时使用两个仿真器，在无线通信模块测试的时候，STC89C52系列的芯片在线编程下载比较方便的,可直接测试无线局部的传输误码率。5.3 系统的调试过程在对单元电路调试完成后，系统各局部的电路都可以正常工作，然后要进展的是对整个系统的调试。系统的调试过程是要把各个模块有机的结合起来，形成一个具有可行性好，稳定性好的工作系统。接收端与发射端的通信测试，采用的不同地址通信测试。发射端的接收地址不同，接收端发送密码命令字，由发射端接收，并检测是否为该终端的密码，假设是则进展测湿，并将测到的湿度信息发送到接收端并显示出湿度值。结 论本系统通过发射端传递的湿度信息，通过接收端对农田湿度进展调节，以到达节水灌溉的自动控制为目的。整个系统的方案分析设计，我通过查阅相关的资料和教师的细心指导，最终确定了系统硬件设计方案，通过对硬件电路的相关参数分析和调整和对相关芯片的选型以及对其接口电路的学习，加上必要的扩展电路，最终完成硬件电路的设计。并利用实验室现有的条件，利用已学过的PCB幅员设计进展系统硬件的电路设计，并腐蚀制作出硬件电路实验板。鉴于设计测湿单元的关系，我选择了单片机芯片STC89C52系列。并采用的是单片机C语言编程，对于计算公式的软件程序编程简单，经测试发现在传感器可测湿度围，通过改变外界湿度能有效控制继电器的开关。在一定程度上实现了实验目的。因此本设计不但能够满足毕业设计的需求，锻炼考核学生的软硬件设计能力，而且具有一定的实用价值。系统方案制定后，将自己编写的程序结合硬件电路进展调试。在调试的过程中，不断地进展分析、调整与补充，从各个单元实验到总体调试，综合到一起，遇到问题，找出原因，进而调整程序的构造，找到了可行的解决方案，并完成了本次设计。通过本次设计，使我系统学习了课题的设计整个过程。不仅将课本上学到的知识用于实践中，而且还学会了通过图书馆和网络查阅学习相关容，对该课题相关容有了深刻的理解。明白了程序调试的方法，以及如何去设计一个系统，从一个设计方案的提出到产品的形成。更重要的是，学会了发现问题和解决问题的能力，这对我以后的工作会后很大的帮助。在设计过程中也发现了自己在动手能力和知识体系中存在缺乏，我会努力弥补自己缺乏。这次课题设计不仅让我学到了很多理论知识，也锻炼了我动手实践能力。致 感院系为我们提供了良好的环境，方便我们对软硬件的学习与实践，从对这方面一片空白到能单独设计出一个工程，让我们能实现自己所需的功能。感院系在毕业设计期间提供给我们优越的实验条件，工学院对我们毕业设计的重视。正是院系和教师的理解和支持，让我们充满信心和动力，能够抑制成长路上的种种困难，顺利的完成大学学业。 感许许多多的朋友，感你们的支持和帮助。最后希望我的母校明天更加灿烂辉煌。参考文献1文龙.单片机原理及应用M.:电子科技大学，2006. 2吴乾，田庆吉.C语言在现代计算机教学中的地位及开展趋势J.中国科技纵横，2021.3蔡菲娜.单片微型计算机原理与应用M.:大学，2003. 4王剑，朱涛，冬.protel 99se电路仿真在电子实验教学中的应用J.2021.5吕泉.现代传感器原理及应用M.:清华大学，2006. 6王国防.基于nRF24E1的数据采集及无线传输系统的研究D.科技大学，2021.7冬林，鑫，戴梅.基于DHT11的低本钱蚕室温湿度自动控制系统设计J.现代农业科技，2021.8*春河.浅谈AT89S51J.制造业自动化，2021.9吴汉清.常用的典型单片机资料J.无线电，2007.10叶健斌.基于单片机嵌入式系统的GPS应用J.电子质量，2021.11宝元，玉虹，旭，段存丽.基于单片机的温湿度监控系统设计J.国外电子测量技术，2021.12王静.通用库房温湿度测控系统D.中国海洋大学，2021.13学海.标准51单片机根底教程M.:航空航天大学，2006.14乐善.微型计算机接口技术及应用M.:华中科技大学，2004.15炳权，曾庆六EDA技术实用教程M.:大学，2021.16薛玲，曼，志会，夏莉丽，希文.基于单片机AT89S51的温湿度控制仪J.2021.17吴普特.节水灌溉与自动控制技术J，化学工业，2003，10.18汤广民、涛，平原农田灌溉的根本特征J，农业科学，2003(4).19令梅、亚红，新技术在节水农业中的应用J，水利科技与经济,2004(6).20文仲、段朝玉，短距离无线数据通信入门与实战M，航空航天大学，2006.21兵.智能化节水灌溉控制系统的设计与研究D.:大学,2003.附 录附录A接收端原理图图A1发射端原理图图A2附录B主控板程序/*主函数*/*include nokia5110.h*include key.h*include wireless.huchar count10ms = 0; /10ms定时uchar flag3s = 0; /3s时间到标志uchar keynum = 0; /按键次数uchar keyflag = 0; /按键按下标志uchar keyadd = 0; /按键加标志uchar keysub = 0; /按键减标志uchar Rup = 50; /上电默认上限参数uchar Lastkeynum = 0; /上次按键次数保存值*define RSETUP 99 /调节上限最大值*define RSETDOWN 30 /调节下限最小值uchar LastR = 0; /比较好的最小的湿度值bit SetFlag = 0; /按键设置参数时不开阀门标志/10ms定时初始化void InitTimer0(void) TMOD = 0*01; TH0 = 0*0DC; TL0 = 0*00; EA = 1; ET0 = 1; TR0 = 1;/控制阀门开关函数void TurnFamen() if(SetFlag = 0) if(LastR = Rup) JDQ = 0; else JDQ = 1; void main(void) /定义比较临时变量 uchar temp0 = 0;uchar temp1 = 0; init_NRF24L01();/* 输入参数：*、Y ：显示汉字的起始*、Y坐标； ch_with ：汉字点阵的宽度 num ：显示汉字的个数； line ：汉字点阵数组中的起始行数 row ：汉字显示的行间距*/LCD_init(); /初始化液晶 LCD_clear();InitTimer0();BL = 1; LCD_write_chinese_string(0,0,12,6,0,2,write_chinese0);LCD_write_chinese_string(0,2,12,6,0,2,write_chinese1);LCD_write_chinese_string(0,4,12,6,0,2,write_chinese2);while(!flag3s);flag3s = 0;LCD_clear();/上电后先显示作者，指导教师while(1) keyscan(); /键盘扫描if (keyflag = 0) LCD_write_chinese_string(8,0,12,3,0,2,Hzk0); LCD_3NUM(35,0,1,R*Buf00,R*Buf01); /35行 0列 结点1 RH，RL LCD_write_chinese_string(8,2,12,3,0,2,Hzk0); LCD_3NUM(35,2,2,R*Buf10,R*Buf11); /35行 2列 结点2 RH，RL keynum = 0; Lastkeynum = 0;/数据处理temp1 = R*Buf00;LastR = temp1;TurnFamen(); /控制继电器开关if (keynum = 0) keyflag = 0;if(keyadd = 1)/按键加调节 SetFlag = 1; if (keynum = 1) Rup+;if(Rup = RSETUP)/设置调节上限 Rup = RSETUP; keyadd = 0;if(keysub = 1)/按键减调节 SetFlag = 1; if(keynum = 1) Rup-;if(Rup = 255) count10ms = 0; flag3s = 1;