自动浇水花盆设计.doc

研究生课程论文/研究报告 课程名称： 嵌入式系统软件 任课教师： 论文/研究报告题目：自动浇水花盆设计 完成日期： 年 月 日学 科： 学 号： 姓 名： 成 绩： 目 录1.绪论12.系统的总体设计12.1 应用场所12.2 系统预期功能12.3 系统总体设计方案13.系统的核心器件33.1 STC89C51单片机33.2 DHT11数字温湿度传感器53.3 DS1320时钟芯片53.4 LCD1602液晶显示屏64.系统的硬件电路设计94.1空气式温度的采集于显示94.2 定时器部分94.3 系统原理图95.总结10参考文献111.绪论随着社会生活的进步，人们对生活品质追求越来越高。在家里养盆花不但可以陶冶高尚情操、增添生活情趣，激发对生活的情感。还可以装点空间，舒缓人们紧张的情绪。绿色植物不但可以吸收二氧化碳释放氧气，许多植物还可以吸收空气中的有害气体，使人健康生活改善人们居住的生活环境。因此，养盆花被许多的人所青睐。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。大多数的花草生长问题是由花儿浇灌问题引起，因此，我想通过设计一种采集空气湿度检测智能浇水和实时时间显示手动浇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。2.系统的总体设计2.1 应用场所该设计主要应用于家庭或办公室，主要针对种植了盆栽但没时间管理的人群。其价格低廉，易于操作。2.2 系统预期功能每种植物对其周围环境的湿度、温度要求多有一定的范围，一旦高于或低于这个范围其生长就会受到影响。本设计有两种浇水模式进行选择。若是选择智能模式浇花，则是通过对植物周围空气的湿温度进行检测，来进行判定是否浇水。当周围空气过于干热燥时可以进行喷水对环境进行降温加湿。若是选择手动模式浇花，则是定时定量的浇水，就在规定的时间按照浇水时间的长短对植物进行定量浇水。2.3 系统总体设计方案2.3.1主题分类本设计主要分为两种浇花方式：智能浇花和手动浇花。1、智能浇花：包括了空气湿温度的监测和显示、智能浇水系统。空气湿温度的检测和显示以湿温度传感器DHT11为感应部件，将检测的空气湿温度值送入STC89C51单片机，再由其输入到LCD屏上进行显示。并通过单片机程序设定浇水的上下线值与DHT11送入单片机的空气湿温度值相比较，当低于下线值时，单片机输出一个信号控制电磁阀打开，开始浇水，高于上限时与上线值时再由单片机输出一个信号控制电磁阀关闭，停止浇水。2、手动浇花：是由单片机从时钟芯片DS1302读入月份与每天的实时时刻，通过软件程序设定定时浇水的时间与浇水的量，已达到定时定量浇水。2.3.2.流程图本设计的主题流程图如图2-1所示：模式1模式2是是开始选择模式智能浇花手动浇花开始浇水开始浇水低于设置湿度设置时间到？停止浇水否否图2-1 主题流程图3.系统的核心器件3.1 STC89C51单片机STC89C51是由美国设计、深圳宏晶科技在国内最新推出的一种新型51内核单片机。其片内含有Flash程序存储器、SRAM、UART、SPI、A/D、PWM等模块。该器件基本功能与普通的51单片机完全兼容。3.1.1 STC89C51的内部结构STC89C51单片机的基本结构如图3-1所示。Vss串行通信P0 P1 P2 P3外中断ALERSTVccXTAL1时钟电路总线控制逻辑数据存储器RAM128B SFR21B定时器/计数器 T0 T1中断控制系统5个中断源2个优先级可编程并行I/O接口4个串行I/O接口全双工1个程序计数器PC4KB程序存储器ROM/EPROM/FlashCPU内中断XTAL2图3-1 STC89C51单片机的基本结构由图可知，是STC89C51单片机有以下几部分组成。1.CPU系统（1）8位CPU，能够进行布尔处理。（2）内部时钟电路。（3）总线控制逻辑。2.内部存储器系统（1）4KB程序存储器（ROM/EPROM/Flash），可外扩至64KB。（2）128B的数据存储器(RAM，可外扩至64KB)。（3）21个特殊功能寄存器（SFR）。3.I/O接口及中断、定时部件（1）4个8位并行I/O接口。（2）5个中断源的系统，2个优先级。（3）2个16位定时器/计数器。（4）1个全双工的串行I/O口。3.1.2 STC89C51单片机引脚功能STC89C51器引脚排列和逻辑符号如图3-2所示。图3-2 STC89C51的引脚图其引脚功能如下。1.电源及时钟引脚（1）Vcc：接5V电源。（2）GND：接地。（3）XTAL1：外接晶振输入端（采用外部时钟时，此引脚接地）。（4）XTAL2：外接晶振输入端（采用外部时钟时，此引脚作为外部时钟信号输入端）。2.并行I/O接口引脚（32个，分成4个8位并行口）（1）P0.0P0.7：通用I/O口引脚或数据/低8位地址总线复用引脚。（2）P1.0P1.7：通用I/O口引脚。（3）P2.0P2.7：通用I/O口引脚或高8位地址总线引脚。（4）P3.0P3.7：一般I/O口引脚或第二功能引脚。3.控制信号引脚（1）RST/VPD：复位信号引脚/备用电源输入引脚。（2）ALE/：地址锁存信号引脚/编程脉冲输入引脚。（3）/VPP：内外程序存储器选择信号引脚/编程电压输入引脚。（4）：外部程序存储器选通信号输出引脚。3.2 DHT11数字温湿度传感器DHT11传感器是一款含有以校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它的数字模块采集技术以及温湿度传感技术确保了DHT11传感器的可靠性与稳定性。其内部含有一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并且与一个高性能的8位单片机相连。因而DHT11具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高的优点。3.2.1 DHT11的性能指标和特性DHT11低功耗，5V电源电压下，工作平均最大电流0.5mA。其性能指标和特性如下： 工作电压范围：35.5V 工作电流：平均0.5mV 湿度测量范围：2090%RH 温度测量范围：050 湿度分辨率：1%RH 8位 温度分辨率：1 8位 采样周期：1S 单总线结构 与TTL兼容（5V）3.2.2 DHT11的引脚说明DHT11为四针单排引脚。1.引脚1：（VDD）电源引脚。2.引脚2：（DATA）串行数据，单总线。3.引脚3：（NC）空脚，悬浮。4.引脚4：（GND）接地。3.3 DS1320时钟芯片DS1302是一款美国DALLAS公司推出的涓流充电式的时钟芯片，其片内含有一个实时时钟/日历和31字节静态数据存储器，可通过简单的串行接口与单片机进行通信。3.3.1 DS1302的性能指标和特性DS1302是一款高性能，低功耗的时钟芯片，其主要性能有如下几点： 工作电压范围：25.5V。 工作电流2V时，小于300nA。 可对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时，并且具有闰年补偿等功能。 读/写时钟或RAM数据时，有两种传送方式：单字节传送和多字节传送（字符组方式） 与TTL兼容（5V）3.3.2 DS1302的引脚说明DS1302含有8针双排引脚。1.引脚1：（VCC1）主电源。2.引脚2、3：（X1、X2）震荡源，外接32768Hz晶振。3.引脚4：（GND）地线。4.引脚5：（）复位/片选端。5.引脚6：（I/O）串行数据输入/输出（双向）。6.引脚7：（SCLK）串行数据输入端。7.引脚8：（VCC2）后备电源。3.3.3 DS1302的控制字节DS1302控制字节的高有效位（位7）必须是逻辑1，如果它为0，则不能把数据写入DS1302中，位6如果为0，则表示存取日历时钟数据，为1表示存取RAM数据；位5至位1指示操作单元的地址；最低有效位（位0）如果为0表示要进行写操作，为1表示进行读操作，控制字节总是从最低位开始输出。3.4 LCD1602液晶显示屏3.4.1 LCD液晶显示器简介LCD1602液晶显示器是目前广泛使用的一种字符型液晶显示模块。它是由字符型液晶显示屏（LCD），控制驱动主电路HD44780及其扩展驱动电路HD44100，以及少量电阻，电容原件和结构件等装配在PCB板上而组成。不同厂家生产的LCD1602芯片可能有所不同，但使用方法都是一样的。为了降低成本，现在绝大多数制造商都直接将裸片做到板子上。它是一种字符型液晶显示器，目前国际上已经对字符型液晶显示模块进行了规范，使得无论显示屏规格如何变化，其电特性和接口形式都是统一的。因此，只要设计出一种型号的接口电路，并在指令设置上稍加改动即可使用各种规格的字符型液晶显示模块。3.4.2 液晶显示的主要技术参数1、 液晶显示屏是由若干58或511点阵块组成的显示字符群。每个点阵块为一个字符位，字符间距和行间距都为一个点的宽度。2、 控制驱动电路为HD44780（HITACHI公司）及与其他公司全兼容的电路，如SED1278(SEIKO公司，EPSON公司)，KS0066(SAMSUNG公司)和NJU6408(NER JAPANRADIO公司)。3、 具有字符发生器ROM，可显示192种字符（160个57点阵字符和32个510点阵字符）。4、 具有64字节的自定义字符RAM，可定义8个58点阵字符或4个511点阵字符。5、 具有80字节的RAM。6、 标准的接口特性。7、 模块结构紧凑，轻巧，装配容易。8、 单5v电源供电。9、 低功耗长，寿命高，可靠性。3.4.3 LCD1602的引脚说明LCD1602的引脚按功能可分为三类：数据类，电源类和编程控制类。如表3-1 所示为LCD1602液晶显示器的引脚功能。表3-1 LCD1602液晶显示器的引脚功能表引脚号符 号状 态功 能1VSS电源地2Vdd5V逻辑电源3VO液晶驱动电源4RS输入寄存器选择，1：数据；0：指令5R/W输入读，写操作选择，1：读；0：写6E输入使能信号7DB0三态数据总线（LSB）8DB1三态数据总线9DB2三态数据总线10DB3三态数据总线11DB4三态数据总线12DB5三态数据总线13DB6三态数据总线14DB7三态数据总线（MSB）15LEDA输入背光5V16LEDK输入背光低1.数据类引脚引脚714为数据线，选择直接控制方式时8根线全用。四线制时只用DB7DB4四根高位线2.电源类引脚电源类引脚包括：（1）引脚1、2为负、正电源线。（2）引脚3 VO为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最低，接（3）电源地时对比度最高，对比度过高是会产生“鬼影”，这是可使用的电位器来调整。（4）引脚15、16为背光电源，接5V电源时应串入适当的限流电阻。3.编程控制类引脚编程控制类引脚包括：（1）E端为使能端，当E端由高电平跳变为低电平时，液晶模块执行命令。（2）RW为读写信号，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。（3）RS为寄存器选择端，高电平时选择数据寄存器，低电平时选择指令寄存器。4.系统的硬件电路设计该系统包括空气湿温度的采集与显示系统和定时器的设置与显示系统两个系统。4.1空气式温度的采集于显示空气式是温度采集于显示系统是以STC89C51单片机为核心控制，通过软件设置已完成动作。DHT11湿温度传感器将检测的空气湿温度数据通过单片机的I/O接口传送到LCD上显示出来。同时，当系统处于智能浇水状态下，传感器所检测到的值将于设定的湿温度上下线值进行比较，若低于下限值，则单片机发出一个控制信号，开始浇水。若高于上限值，则停止浇水。具体系统设计框图如图4-1所示。单片机AT89C51电源传感器LCD屏显示驱动部件阀门图4-1 智能浇水框图4.2 定时器部分定时器部分是以STC89C51单片机为控制核心通过软件设置达到目的要求。通过按键开关对当前时间以及浇水时间进行设置，单片机从时钟芯片DS1302读入时间与每天的实时时间，当时间处在所设置的浇水时间内时，单片机发出一个控制信号，开始浇水。否则停止浇水。4.3 系统原理图本设计系统原理图如图4-2所示：图4-2 系统原理图5.总结本设计参考电子类自动浇花器工作原理，运用单片机控制技术并配合传感器技术已达到集空气湿度采集控制与定时控制于一体的自动浇水系统。在用数字电路控制自动给水系统及时的给浇水系统供水。整个设计包括空气湿度的检测与控制和实时时间的显示与定时控制。空气湿度的检测和显示以SHT11温湿度传感器为感应部件，将检测到的空气湿度值送给STC89C51单片机，再由单片机的I/O口输出到LCD液晶屏中进行显示。当传感器检测到的湿度低于所设定的湿度值时，单片机输出一个信号进行浇水，高于设定的给定值时停止浇水。实时时间的显示与定时控制是由单片机从时钟芯片DS1302读入年月日与每天的实时时刻，通过软件程序设定定时浇水的时间与浇水时长，来进行定时定量的浇水。通过本次设计，让我进一步了解了微电脑控制的智能系统。也使我真正接触到了检测控制系统的设计，这虽然是一个日常生活的小系统，但也让我明白了在设计中应该注意的问题，比如实用性、经济性以及安装条件等。参考文献1 李海滨，片春媛，许瑞雪.单片机技术课程设计与项目实例M.北京：中国电力出版社，20092 许文斌，曾全胜.单片机技术应用与实践M.北京：清华大学出版社，20123 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,20064 韩英梅，赵建平，白慧静.基于DHT11的无线湿温度传感器网络节点的设计J.井冈山大学学报，2010，31(5)：67-705 唐继贤.51单片机工程应用实例M. 北京：北京航空航天大学出版社，20096 刘灿军.实用传感器M.北京:国防工业出版社,20047 黄鸿,吴石增.传感器及其应用技术M.北京:北京理工大学出版社,2008.8 王芳琴.单片机控制的节水灌溉系统的研究J.华中农业大学.9 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,200510 艾永乐,付子仪.数字电子技术基础M.北京:中国电力出版社,2008.