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基于单片机的自动浇花系统的设计与实现

基于单片机的自动浇花系统的设计与实现
摘要：随着信息化时代的高速发展，人们对环境的质量也越来越注重。在家养花就成为了人们的第一个选择的东西，在家里养花不仅能够使生活更加丰富，还可以使情操得到陶冶。并且养殖的植物能够通过植物绿色光合作用，在释放氧气的同时吸收二氧化碳，在这种情况下空气也就能够得到净化，从而变得更加清新，并且，绿色植物能吸收因为装修而产生的有害物质，比如甲醛和苯等。由于植物的这些优点，越来越多的人，对在家养花情有独钟。这篇文章设计了一种智能湿度感应浇花系统。系统以单片机AT89S52为控制芯片，启动浇花之前先有蜂鸣器报警，然后按照每天的定量供水为限，在固定的时间内，自己启动浇花系统，然后按照各种植物需要的不同水量，来进行浇水，其中会有一个装置来控制，供水的时间也就是电磁阀开启和闭合的时间。在学校供水的时候水棒会进行运转，其他时间停止工作，也就不会有补水，按照温度和湿度来严格控制供给水量，主要用到的是SLHT5-1土壤温度湿度传感器，如果没有呃，检测到温度和湿度达到要求，传感器就会机控智能开始，给花浇水。在达到了固定的温度，湿度之后关机就会停止给花浇水，这个系统不仅能够使植物得到按时按量的水量，并且还可以为节约水资源做出贡献，然后在这种情况下植物就能够得到更好的生长。
关键词:单片机;自动浇花系统;传感器;

Abstract
With the development of society, people pay more and more attention to environmental quality. Farming flowers has become the first choice. Farming at home can enrich people’s life. At the same time, flowers can absorb carbon dioxide through photosynthesis to release oxygen and purify air, and flowers can also absorb toxic substances such as benzene and formaldehyde in newly decorated houses. So more and more people like to breed flowers. This paper designs an intelligent humidity induction watering system. The system uses single chip AT89S52 as control chip, buzzer alarm before starting watering, water supply on time and quantity is to automatically start pumping watering at a limited time every day. According to the difference of water requirement of various flowers, a button device is used to control the time of water supply, that is, the time of opening and closing of solenoid valve. The pump will not turn and there will be no water flow in the rest of the time. The main purpose of strictly controlling water supply according to temperature and humidity is SLHT5-1 soil temperature and humidity sensor. If the temperature and humidity of the sensor can not meet the specified requirements, it will start watering flowers and stop watering flowers when the temperature and humidity meet the specified requirements. The system can not only water flowers on time and in quantity, but also save water resources, so that flowers can grow better.
Key words: single chip computer; intelligent watering system; sensor

一、绪论 1
1.1选题目的及意义 2
1.2国内市场发展现状 3
1.3研究方法和手段 3
1.4植物、植物的一般生长习性 4
1.5单片机介绍 4
二、基于单片机的智能浇花系统 4
2.1系统的总体设计 4
2.2系统组成部分 5
2.3系统工作原理 5
三、系统硬件设计 6
3.1AT89S52型单片机 6
3.2 STM32最小单片机系统 6
3.3土壤湿度检测电路 7
3.4键盘及液晶显示电路 8
3.5水泵调节 8
3.6报警电路和系统 9
3.7单片机最小系统 9
3.7.1晶振电路设计 9
3.7.2复位电路 10
3.7.3按键消抖方法 10
3.8系统的功能设计与实现 10
四、基于物联网的智能植物养护系统的研究 11
4.1系统设计 11
4.1.1系统结构 11
4.1.2系统工作原理与功能 12
4.2系统实现 12
4.3显示界面 12
五、系统功能调试 13
六、系统软件设计 14
七、总结 16
致谢 16
参考文献 16
附录 17

一、绪论
实际上国内国外像这种机控智能浇花系统实际上都在现实都得到了运用，但是很大一部分的机控智能供水灌溉系统都采用虹吸的方式，也就是利用渗透来实现补水浇花，这种方式的补水过程连续不间断，但是这样的方法只能够保证花不会因为缺水而感到干枯，这样的方式不是根据花实际需要多少来给它供水的。而还有一小部分的机控智能浇水系统，能够在一定的时间内给花浇水，及时前后这两种方法基本上差不多，都不是按照花期实际需要多少水来进行补水的。并且还有一小部分的机控智能浇水系统，他们主要使用单片机控制，根据温度湿度传感器来得到温度、湿度到底是多少，然后再根据之前设定的值来进行自由的补水，给花浇水，但是这样的方式有一种缺点，就是在外部环境要能够有水龙头的情况下，才能够使用。而通常情况下，家里种花种草，都大部分放在阳台或其他地方，但是阳台这个地方基本上不会用到水龙头，所以这样的灌溉系统用用起来不太方便。这篇文章的设计是根据单片机智能浇花系统能够在实际上得到运用，也就是阳台上能够使用，并且它能够做到在固定的时间内，给花浇固定的水，这是十分简便而高效的。

1.1选题目的及意义
随着生活水平的提高，许多城乡居民为了美化环境，净化空气，喜欢在家中阳台上种植一些花草。但现代人的生活节奏越来越快，事情越来越多。植物是离不开水的，需经常浇灌。很多人有时忘了定时、适量给植物浇水。而人们出差或有事不在家时，植物的供水就会中断，植物面临干枯。花草生长的问题80%以上由花儿浇灌问题引起，好不容易养的植物浇水，因为浇水问题而长势不好或更严重的出现枯萎甚至凋亡。有些植物对湿度的要求很高，人为的过度浇水，植物的根茎容易腐烂，从而影响到植物的正常生长。
生活水平越来越高，生活质量也越来越好，很多城镇的居民为了能够使环境更加的好，空气更加清新，喜欢在家里的阳台上种一些花花草草。但是由于现代生活的高节奏，人们日常的事情也越来越多。作为植物，它们必须要经常得到浇灌，不能够离开水。由于事情多，很多人有时候就会忘记定时给花浇水，那在这种情况下植物就很难得到适时的水量。当人们有事或者不在家的时候，植物就可能会缺少供水，甚至面临干枯死亡。80%以上植物生长的问题是由植物浇灌的问题引起的。养了很久的花，因为它们缺乏浇水。或者浇水不足而长得不太好，或者更严重的是，因为缺水而死亡。有些花会对温度和湿度要有很高的要求。如果浇水太多，那些植物的根部会出现腐烂的情况，植物也就不能够得到正常的生长。
虽然市面上也有卖浇花的装备但昂贵的价格和其性价比让人望而却步。那种浇花装置大部分只能是指定时浇水时间，很难做到给植物适时、适量浇水。还有植物缺水报警器但其只能报警并不能适时、适量的浇水。其效果可想而知。为了解决按时、适量浇水问题，所以我设计机控智能浇花体统，通过传感器感知土壤湿度、光照强度、温度并传达单片机，由单片机判断植物是否缺水并最终传达给电磁水阀，从而达到适时机控智能浇水。
其实在市场上已经出现了买浇花的装备，但是它基本上价格很高，而且性价比也不高。养花的人基本上不会选择这样的浇花系统，那些浇花系统，大部分只能在固定的时间内给花浇水，很难做到给花做到适时适量的浇水。而且，那些装置没有植物传感器，也就不能够在植物缺水的时候发出警报。所以它的效果可能并不会很好。为了解决使植物得到，按时适量的水源，所以我设计了这个机控智能浇花系统。通过系统上的传感器能够知道土壤的温度是多少，光照强度是多少。湿度是多少，并且传达给单片机，然后单片机自主的判断植物缺不缺水，并且在最后传达给电磁水阀，然后能够给花适时适量的机控智能浇水。

1.2国内市场发展现状
这几年来，国内外应用的机控智能浇水系统基本上都是以微喷和微灌为主。微喷主要组成部分是微喷带，它的工作原理是使用水压力后交付和微喷嘴带领域通过排水洞，微风在重力和空气阻力的作用下，产生细雨的喷涂效果。绝大部分的微喷带的出水孔是按照一定规律和一定距离进行排列和布置的，比方说:斜三通、斜五孔、左右孔、横三孔和无空等，那些出水孔大部分用的都是机械钻孔、启动打孔和激光打孔，孔径大概0.1-0.2毫米，孔形是圆的。它们大部分在花卉植物和果园这些地方使用。微灌是利用微灌设备组成微灌系统，用压力将水分配到田间，通过灌水去以微小的流量湿润作物根部附近土壤的一种局部灌水技术。
使用微灌技术的优点，就是能够比较方便地把水给到每一个植物的土壤。能够适当的保持水压很低的状况，能够让作物生长的比较好。但是这种微灌系统通常需要比较高的投资，它远远高出地面灌溉，而且它会有一些缺点，比方说出水口比较小，容易发生堵塞，也就会不满足过滤系统的要求。
国外在多年之前已经开始普及电子机控智能设备，而国内在这方面的技术还不成熟，因此国内使用的电子机控智能浇花大部分只能从国外进口。虽然进口的价格很高昂，但是进口设备的质量很好。不过这些先进的设备不太适合国内使用。国内外流行的玻璃机控智能浇花。这种类型的灌溉设备大多数在中国山西和浙江地区进行加工生产,虽然价格很便宜,但是灌溉效果是没有电子机控智能浇花是好的。我们常说种花简单浇花难，这也让很多商家关注了这块市场。目前这种机器设备制造商主要集中在广东、上海、浙江等地区。如今市场上主要有以下几类机控智能浇花设备：
玻璃、陶瓷类机控智能浇花器玻璃、陶瓷类机控智能浇花器又叫机控智能渗水装置，它主要的组成部分是由自身的物理结构决定的。主要根据材料的物理渗水原理来进行机控智能浇灌在自动控制智能型浇水器的内部，有水的情况下，他自己能形成适当的压力。在遇到土壤比较干的情况下，它的水就会从上面往下面流出来，然后浸湿土壤，之后就会有一个堵塞压力，然后就会使水流速度变慢，甚至停止。事实上，因为制作的工艺不一样，它产生的效果也会不一样。与此同时土壤的疏松情况，也会对器具里面滴水流的速度快慢产生一定的影响。目前为止，传感器车技术和单片机技术已经发发展的比较快。他们的应用从工业等方面向其他方面扩展，并且开始和人们的平常的生活有很大的关联。而且人们也越来越接受智能家居这个想法。可以看出来，微电脑控制的电子类机控智能浇花系统会有很光明的发展。
1.3研究方法和手段
本毕业设计是设计单片机控制的机控智能浇花系统。所有节点按照在网络中的功能不同可以分为协调器节点、传感器节点和控制器节点。在每个网络中有且只有一个协调器节点,整个网络的中心就是这个节点，它不单单起到存放所有的控制策略的作用，它还能接收传感器节点向其发送的数据,并对数据进行识别然后通过智能判断后,再把灌溉命令发送给控制器节点;在灌区的各个地方都有传感器的节点，还配有各种传感器,比方有测量温度、空气湿度、光照度等的传感器，负责采集灌区的环境参数,通过对获得参数研究来了解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。节点会按固定的时间发送给协调器节点;每一个分灌区的灌溉作业都由一个控制器节点控制，这个控制器节点直接与灌溉的阀门、水泵等设备连接，当控制器节点接收到协调器节点发送的灌溉命令后就会执行灌溉的任务。土壤温度和湿度传感器可将检测到的土壤温湿度进行转换分析从而转变成数字量，通过单片机内程序控制精确的将温度与湿度分别显示在LCD显示屏上，同时通过单片机内的中断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。

1.4植物、植物的一般生长习性
不难发现，自然界因为有了各种各样的植物而变得色彩斑斓，富有生机。其实也就跟人一样，植物和植物也有自己特有的生存方式。也就是说，植物不一样，他们的生长习性也可能不一样。虽然是这样，但其实我们也能够从中找到植物之间的一些很普遍的生存习性。其一，不管是在什么样种类的植物，它们的生存要素都包含阳光，空气，水之类的。其二，如果植物的种类不一样，那么他们对土壤的温度高低，湿度高低，还有养分的多少的要求也是不一样的。其三，就是要明确给植物浇水一般情况下，水土温度要在五摄氏度左右的差距，这样才不会使植物的根部出现腐烂的情况。季节不一样，给植物的浇水时间也会出现不一样。一般来说，春夏秋在上午五点到下午四点之后的时间都可以给植物浇花，并且效果会比较好。夏天因为比较炎热，植物比较容易进行蒸腾作用，上述提到的时间就不太合适给植物浇水。如果进行不合理的浇水植物就可能会感到干旱甚至枯死。实际上，夏天给植物浇水，大概要在早上七点之前和下午五点之后。
1.5单片机介绍
在近代有许多集成电路的问世，并随着科技的发展的更新，现在只要把计算机的 CPU、RAM、ROM、定时器、定数器等设备以及多个接口安装在一 个小小的芯片上，就组成了芯片级计算机，所以对于单片机发 展初期的定义是单片微型计算机，简称为单片机。单片机有以下几个特点 ：①性价比十分高；②体积小方便易携带又可靠；③操控能力比较强；④电压低、 能耗低。
二、基于单片机的智能浇花系统
2.1系统的总体设计
智能植物浇水系统的核心是单片机芯片系统。该系统采用AT89S52型单片机。AT89S52是一种低功耗、高性能控制能力强CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，也适用于常规编程器。该单片机芯片中拥有灵活的8位CPU和在系统可编程Flash，从而使AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供很好的性能、很好的灵活性，也因此该单片芯片可以准确高效的解决问题。智能植物浇水系统的温湿度检测电路则是通过温湿度传感器对培养土壤进行信息采集，接着经过A/D转换器将所采集的信息进行下一步数据处理，然后传输到单片机内部进行数据处理之后再将信息转变为数字信号发送到LCD显示屏中显示出来，通过这样简单的操作养殖者便可以轻松的对植物养殖的土壤温湿度变化进行实时观测，养殖者也能够设置温度的范围，并且进行自由控制。智能植物浇水系统的硬件电路大部分是由单片机系统电路、电源的电路、温湿度传感器电路、LCD显示屏电路和控制按键的电路等电路构成。智能植物浇水系统的软件程序可以选用C语言编程。该系统不仅灵活可靠，操作简单，而且制作成本相对比较低，有较高的性价比。该系统在日常植物浇水中的应用比较广泛，能够减少养植物的浇水问题。
2.2系统组成部分
这个系统主要由土壤湿度检测电路、键盘、LCD液晶显示电路、报警电路、水泵控制电路等组成。具体结构如图1所示。土壤湿度传感器测量出土壤湿度信号，单片机采集土壤湿度信号并进行分析和处理，然后输出控制信号，让水泵工作或者不工作，就可以做到按照需求给花浇水。

图1智能浇花系统组成框图
2.3系统工作原理
因为植物不一样，它们需要的水量可能也不一样，所以在给植物浇花的时候要根据他们的实际需求。所以这个系统使用模糊控制的方式来做到精确的浇花。一方面，单片机收集土壤湿度信号，然后进行计算判断要不要给花浇水;另一方面，单片机使用查表的方式从而达到浇水多少的模糊控制。在软件设计时，根据那些植物要多少水，来把它们的土壤湿度值允许的范围放进表格里面，也就是模糊控制响应表，应用的这些数值都是大家通过长期的经验得到的，并将表格提前放在ROM存储区的某个位置中供查表使用。比方说:对仙人掌进行机控智能浇水，单片机会把得出的湿度信号跟表格里的仙人掌最小湿度值比较，如果得出的湿度值比表格里最小湿度值小，就给花浇水;在收集的湿度值大于表格里仙人掌的最大湿度值的情况下，停止浇花，这样就能对浇水的时机和浇多少水把控。
在单片机控制系统里面能够给到数据、命令。键盘是由一组特定的按键组成，各个按键表示不同的代码，叫做键码。键码包括编码键盘和非编码键盘。编码键盘利用编码电路识别闭合键的键码，非编码键盘利用软件来识别键码。由于非编码键盘的硬件电路并不复杂，使用者能够快捷的改变键的数量，所以它在单片机系统中有很多应用。
三、系统硬件设计
3.1AT89S52型单片机
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用的是Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，也可以用于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52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。AT89S52广泛应用在众多嵌入式控制应用系统中，AT89S52具有以下标准功能:8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52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停止工作，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内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
该系统采用AT89S52型号单片机。采用12MHz高精度的晶振，来获取较稳定的时钟频率，减小测量产生的误差。单片机连接LCD显示屏按键电路，结合相对应的辅助电路，通过程序控制电磁阀来实现智能控制浇水。主要是通过单片机采集土壤温湿度的信息，通过程序来测算并判断该植物现在的土壤湿度和温度是否适合其生长，然后进行智能的调节温度或浇水。在软件设计时，可以根据不同植物生长适宜温度和需水量，将其适宜生长的土壤温湿度范围区间信息输入到程序中，然后通过程序对单片机采集的信息进行分析自行计算判断是否需要调节温度和浇水。单片机控制系统是由键盘输入数据或命令。键盘是由一组常开的按键组成，每个按键都对应了一个代码，称之为键码。键码分为编码键盘和非编码键盘。编码键盘是由一个编码电路识别闭合键的键码，非编码键盘是由软件来识别键码。在两种键码中非编码键盘的硬件电路更加简单，所以更便于养殖者改变键的数量，因此非编码键盘在单片机系统中使用的更广泛。更好的实现了监测智能化、机控智能化。
3.2 STM32最小单片机系统
核心控制芯片STM32F103C8T6、电源供电模块、启动模式、下载电路和复位电路组成STM32最小单片机系统。核心控制芯片STM32F103C8T6是32位ARM