本套系統采用了ATMEL公司的AT89S52系列單片機，結合DHT11數字溫濕度傳感器和FC-28土壤濕度傳感器，形成了一套多功能低成本的溫濕度監測控制系統。主要包括了硬件電路設計和系統軟件設計。硬件設計包括了單片機核心控制單元，溫濕度傳感器，土壤濕度傳感器，LCD液晶顯示屏，鍵盤電路，蜂鳴器報警，繼電器驅動等各部分。由兩個傳感器對當前植物生長的實時環境參數進行采集，隨后通過放大器將信號放大，再通過模數轉換器，將原來測得的模擬量轉化為數字信號電壓。本套系統的核心控制單元為AT89S52，它控制著模數轉換器進行模擬量和數字量的轉化，同時，它能將測得的環境參數傳輸到上位機和LCD上，并且通過驅動繼電器進行增溫降溫增濕降濕的調節方式，自動使植物保持在一個適合生長的環境。
本套系統的軟件設計通過C語言對整套系統的正常運行起控制功能。因為C語言自身的語言優勢，是整套系統的軟件控制方面結構緊湊，編程靈活，可靠便捷，功能強大。能很好的滿足當今社會的生產及科研要求。整套系統結合了溫度采集與控制，濕度的采集和控制，其采集過程將和單片機與上位機進行數據通信。整套系統已AT89S52為核心控制單元，通過全面感知，可靠傳輸，智能處理三方面。將測得的環境參數傳輸到上位機和LCD上，并且通過驅動繼電器進行增溫降溫增濕降濕的調節方式，自動使植物保持在一個適合生長的環境。整個編程過程中涉及模數轉換，顯示部分，設定溫濕度閥值，更改溫濕度閥值，復位電路，時鐘電路，鍵盤電路，報警電路，串口通信等各部分。
在溫濕度測量采集方面，國外較于我國而言，一直處于領先的地位，且存在著較大的差距。國外發達國家起步早，發展快。早在上世紀的70年代，就已經率先開始了對于精確測量溫濕度的研究及發展，后來隨主技術的日益成熟，部分發到國家已經在全面實現自動化控制的基礎上向無人化的方向發展。 相對于發達國家，我們國家在這一領域的起步較晚，在上世紀一直處于摸索狀態，科研人員吸取學習國外該行業的先進經驗技術，實現了室內溫濕度檢測控制，但該項技術致使限于對溫度的單項控制，與國外已經實現的自動化無人化還有很大的差距。但隨著科研人員的努力，這種差距在逐漸縮小，我國的溫濕度測量采集技術也在飛速發展。 1.3課題主要內容本文主要對本套基于單片機的盆栽助長器系統進行全面論述，共六章，分別為緒論，系統總體設計方案，系統硬件設計，系統軟件設計，系統調試，總結與展望。 （1）緒論：概述課題背景及研發現狀。 （2） 系統總體設計方案：本套系統所能實現的基本功能和在完成過程中對于各方案的選擇。 （3）硬件設計：包括硬件整體框圖設計，各模塊概述以及用到的基本電路介紹。 （4）軟件設計：軟件流程圖介紹以及軟件模塊化設計方法。 （5）系統調試：所用輔助軟件介紹和實物照片。 （6）總結與展望：對本套系統的全面總結。
2.系統總體設計方案2.1系統基本功能中國是著名的園林國家，在江南地方有許多聞名中外的園林。而中國的文人雅士也喜歡寄托山水之間，留下了許多游園賞景的名句。后來對于園林的喜愛漸漸變為了小規模的盆栽種植。隨著社會發展，人們的精神文化需求越來越高，有人寄情與山水之間，有人則熱衷于親近自然。現在許多人都喜歡種植盆栽，但卻因為各種原因無法時刻照顧花草。本套系統基于AT89S52，采用DHT11和FC-28兩個傳感器，可對植物生長的環境參數進行實時的檢測及控制，能將測得的環境參數傳輸到上位機和LCD上，并且通過驅動繼電器進行增溫降溫增濕降濕的調節方式，自動使植物保持在一個適合生長的環境。真正實現自動化，無人化，對于盆栽種植有很多便利的幫助，通過科學智能的控制，讓植物一直處于適宜生長的環境中，可謂是事半功倍。 其具體功能如下： （1）檢測溫濕度及土壤濕度 （2）自由調節溫濕度閥值 （3）實時溫濕度高于或低于閥值報警 （4）自動增降溫濕度 2.2方案選擇為了保證系統能持續，可靠，高效的運行，本著減少成本，方便快捷的宗旨和高效化，無人化，便捷化，智能化的設計要求下。對于系統的各模塊進行反復認真的比較選擇，以下列舉幾種器件選擇的緣由： 1. 單片機選擇 上個世紀ATMEL公司發布了其高性價比產品AT89S52，該單片機采用高密度非易失性存儲器技術制造，具有高性能低功耗，兼容性強的優點，并且能完美兼容工業上單片機的產品指令和引腳。該單片機擁有復雜指令集，端口的結構類型特殊，并且配置有外部并行總線，使該款單片機的擴展性能非常之強大，適用于各種復雜艱苦的工作環境，能滿足日常科研生產中對單片機的大部分要求。在單芯片上，其擁有靈巧的8 位CPU，使得AT89S52能為眾多的嵌入式控制系統提供高便捷、高效率的解決方案。故我們選擇AT89S52芯片作為本套系統的MCU。 2. 溫濕度傳感器選擇 溫濕度與人類的日常科研與生活密切相關，濕度測量技術來由已久。隨著現代科學技術的飛速發展，溫濕度測量控制技術也有很大的發展。溫度測量方法從原理上劃分有20多種，測量方式的多樣化，也是市面上有了形形色色的各類型傳感器。因為本套系統是對盆栽進行溫濕度檢測控制，所以選擇量程貼近植物生長所需環境的DHT11。常見的溫濕度傳感器一般如HS1101，DS18B20，DHT11等。 （1）HS1101：基于獨特工藝設計的電容元件，這些相對濕度傳感器可以大批量生產。在辦公自動化，車廂，家電，工業生產控制系統中有很廣泛的應用。其擁有全交互性，在正常室溫環境下不需要校正很長的時間。 （2）DS18B20：最通用的一款溫濕度傳感器，體積小，成本低，精度高，相應速度快，但其單總線的測溫方式并不適合于本套系統。 （3）DHT11：DHT11是一款具備校準數字信號輸出的溫濕度傳感器，具有性能卓越、快速響應、抗干擾能力強、性價比高等優點，這些優點使它成為該類傳感器中，在實際應用場合的最好選擇。 因為本套系統是對于盆栽的環境檢測控制，所以選擇量程與植物生長所需環境相似的DHT11. 3.土壤濕度傳感器選擇 由于涉及到土壤中工作，環境不可預測性較多，測量控制難度較大，因此土壤濕度傳感器的選擇尤為重要。FC-28土壤濕度傳感器傳感元件及信號處理并進行集成，輸入預先標定的數字信號，使產品具有了很高的可靠性和長期穩定性。該款傳感器工藝復雜，設計精妙，采用了高效的測溫元件，并且將模數轉換器和串行接口在同一塊芯片上無縫連接。從而使該產品具有響應速度快，剛干擾能力強性價比高的優點。微小的體積和低功耗，使之成為了各類應用的首選。傳感器與對應引線鍵采用了更人性化的連接方式，更有利于更換。綜上，選擇FC-28土壤濕度傳感器。
4. 液晶顯示屏選擇 通過傳感器測得的環境參數，經由單片機處理后，會顯示在液晶顯示屏上，因此液晶顯示屏的選擇尤為重要。LCD1602為字符型液晶，顯示數字和字母較為方便，以其性能卓越、快速響應、抗干擾能力強、性價比高諸多優點，在實際科研工作中中得到了越來越普遍的應用。由于本套系統只顯示實時溫度和濕度，而LCD1602在字母數字顯示方面表現最為良好。所以選擇LCD1602. 5.模/數,數/模轉換器選擇 FC-28土壤濕度傳感器所直接測得的為模擬量，所以我們需要一款模數轉換器將模擬量轉換為數字量傳輸到單片機中來實現具體功能。常見的模/數，數/模轉換器有PCF8591，AD0832，AD0809，LTC2460，TLC7135等。一般常用的為AD0832和PCF8591兩種，比較這兩款ADC，ADC0832為并行雙緩沖的8位ADC，而PCF8591功能上比它更強大，為多通道的8位ADC，更為重要的是它采用了I2C通訊方式，使用起來更加快捷，功耗更低，可以有效節約IO口資源。綜上所述，我們選擇PCF8591作為本套系統的模數轉換器。 6.報警電路選擇 報警電路采用聲光報警，LED等發光，蜂鳴器發聲報警，蜂鳴器主要分為壓電式和壓磁式兩種，在接入上分為有源和無源兩種，無源蜂鳴器的聲音頻率是可控的，可發出七個聲調，而且價格低廉，有源蜂鳴器內部自帶一個振蕩源，只要有電源輸入，就可發出聲音，而且在具體應用中控制方便。 本套系統只需在環境超出閥值時采用簡單發聲報警，不需要復雜的聲音變換，所以選擇蜂鳴器進行報警工作。
3.系統硬件設計3.1硬件框圖設計
    
 圖3.1-1 硬件系統框圖 如圖3.1-1所示，單片機AT89S52為核心控制單元，DHT11溫濕度傳感器和FC-28土壤濕度傳感器將測得的實時數據傳入單片機里，由AT89S52進行數據處理，然后將測量值傳到上位機與LCD1602中，此時，測量值在LCD上顯示出來。當測量值高于貨低于預先設定的環境參數閥值（即利于植物生長的環境）時，LED燈亮，蜂鳴器發出警報，同時系統驅動繼電器進行增濕或者降濕來改善環境。當溫度高于閥值，繼電器驅動風扇進行降溫；當溫度低于閥值，繼電器驅動發熱板進行加溫；當濕度高于閥值，繼電器驅動除濕器進行降濕；當濕度低于閥值，繼電器驅動加濕器進行增濕。如果當前環境參數沒有超出設定閥值，則系統繼續測量，重復工作。 3.2 AT89S52單片機圖3.2-1 AT89S52原理圖
上個世紀ATMEL公司發布了其高性價比產品AT89S52，該單片機采用高密度非易失性存儲器技術制造，具有高性能低功耗，兼容性強的優點，并且能完美兼容工業上單片機的產品指令和引腳。該單片機擁有復雜指令集，端口的結構類型特殊，并且配置有外部并行總線，使該款單片機的擴展性能非常之強大，適用于各種復雜艱苦的工作環境，能滿足日常科研生產中對單片機的大部分要求。在單芯片上，其擁有靈巧的8 位CPU，使得AT89S52能為眾多的嵌入式控制系統提供高便捷、高效率的解決方案。 AT89S52采用40管腳雙列直插dip封裝，其引腳說明如下： VCC：40引腳，系統正常運行時供電。 GND：20引腳，系統正常運行時接地。 RST：復位輸入 3.3 LCD1602液晶顯示屏圖3.3-1 LCD1602實物圖
通過傳感器測得的環境參數，經由單片機處理后，會顯示在液晶顯示屏上。LCD1602為字符型液晶，顯示數字和字母較為方便，LCD1602為字符型液晶，顯示數字和字母較為方便，以其性能卓越、快速響應、抗干擾能力強、性價比高諸多優點，在實際科研工作中中得到了越來越普遍的應用。
圖3.3-2 LCD1602原理圖
如圖3.3-2所示，LCD1602分為帶背光和不帶背光兩種，其中不帶背光的為14腳接口，帶背光的為16腳接口。
| | | | | |
| | | |
| | | |
| | | | | | | | | | | | | 使能信號，1時讀取信息， 1-0時（下降沿）執行指令 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | | |
圖3.3-3 LCD1602引腳圖
3.4 溫濕度傳感器DHT11
圖3.4-1 DHT11實物圖
DHT11是一款備受使用者好評的溫濕度傳感器，具有性能卓越、快速響應、抗干擾能力強、性價比高等優點，這些優點使它成為該類傳感器中，在實際應用場合的最好選擇。而在本套系統中，因為其量程與植物生長所需的環境參數相差不多，所以我們采用了該款實用性強，價格低廉的溫濕度傳感器。
圖3.4-2 DHT11原理圖
DHT11引腳結構簡單，采用單總線接線方式，只有一個數據口，在VCC電源接口加一個4.7K的電阻，來保護模塊正常使用。
圖3.4-3 DHT11引腳圖
3.5 FC-28土壤濕度傳感器
圖3.5-1 FC-28土壤濕度傳感器實物圖
FC-28土壤濕度傳感器傳感元件及信號處理并進行集成，輸入預先標定的數字信號，使產品具有了很高的可靠性和長期穩定性。在傳感器加一個上拉電阻，再利用ADC將其測得的模擬量轉換為數字量，從而將所測數據傳入單片機中進行下一步的處理，該款傳感器工藝復雜，設計精妙，采用了高效的測溫元件，并且將模數轉換器和串行接口在同一塊芯片上無縫連接。從而使該產品具有響應速度快，剛干擾能力強性價比高的優點。微小的體積和低功耗，使之成為了各類應用的首選。傳感器與對應引線采用了更人性化的連接方式，更有利于更換。
圖3.5-2 FC-28原理圖
土壤濕度傳感器在電路設計上由濕度檢測電路和報警電路兩部分組成。其大致的工作原理如下： 預先設定X、Y兩個濕度上下限值，利用兩個探頭1、2和比較器a、b，探頭深入土壤內，當探頭1、2間的土壤電阻值處于閥值范圍內，上下限值處的滑動變阻器輸出相應的高低電平，對應的綠燈紅燈均不放光。當土壤電阻值超過上限值，即土壤濕度過高，1、2探頭間電阻變小，分壓減小，比較器b輸出低電平，綠燈發光；當土壤電阻值低于下限值，及土壤濕度過低，1、2探頭間電阻變大，分壓增大，比較器a輸出高電平，紅燈發光。通過以上作用，土壤濕度隨時監測，是植物處于適宜生長的狀態。 3.6 PCF8591模數轉換器
圖3.6-1 PCF8591實物圖 PCF8591為一款常用的逐次逼近型模數轉換器，多通道的8位ADC，更為重要的是它采用了I2C通訊方式，使用起來更加快捷，功耗更低，可以有效節約IO口資源。可將FC-28土壤濕度傳感器所直接測得的模擬量轉換為數字量傳輸到單片機上來實現具體功能。 圖3.6-2 PCF8591原理圖
圖3.6-3 PCF8591引腳圖
PCF8591采用dip16封裝，其引腳各功能如下：
4.系統軟件設計4.1 軟件流程圖
如圖2.2-1所示，該系統采用模塊化設計方法，主要包括以下幾個模塊： - 主程序的初始化：先進行清除看門狗的輸入，隨后對定時器和系統中斷處理操作初始化。
- 鍵盤掃描子程序：實現人對系統的控制，可以手動設定溫室度的閥值以及LCD上環境參數的顯示。
- 溫度和濕度測量子程序：在系統中，定時器T0的溫濕度環境參數測量程序中斷服務程序。
（4） 溫度和濕度控制子程序：單片機的溫度和濕度的設定值和實際值的大小，從而產生起動和各種電氣設備的信號停止。 程序初期準備各參數及傳感器子程序的初始化，同時將測得到的數據通過串口上傳到上位機上，將各項數據與預先設定的閥值進行比較，如果超過閥值則啟用水泵，蜂鳴器報警，當溫度高于閥值，繼電器驅動風扇進行降溫；當溫度低于閥值，繼電器驅動發熱板進行加溫；當濕度高于閥值，繼電器驅動除濕器進行降濕；當濕度低于閥值，繼電器驅動加濕器進行增濕。未超出則繼續檢測，并將檢測到的數據送到AT89S52中進行處理，處理之后將結果顯示到 LCD上。 4.2 溫濕度傳感器部分
圖4.2-1 DHT11時序圖
當程序初始化完畢，溫濕度傳感器開始工作。主機MCU對DHT11發出信號，DHT11轉換工作模式，轉換到高速模式，當主機發出的開始信號結束，DHT11進行響應，送出40字節的數據，并開始信號采集，這是我們可以選擇是否讀取數。如果DHT11沒有接受到主機的發送開始信號，則不會主動進行采集數據。當采集全部結束后，DHT11自動轉入低速模式。最后將所得到的5個字節數據放入數組中。當傳感器采集到當前環境參數后，將所測數據送入單片機中，此時，系統半段所測數據是否正常，隨后將所測數據送入LCD中，分行顯示。 DHT11測量部分偽代碼： void read_value() { uchar i; DHT=0; delay_1ms(20); DHT=1; DHT11處理數據偽代碼： void pro_value() { read_value(); temp=read_data[0]+read_data[1]+read_data[2]+read_data[3]; if(read_data[4]==temp) { shiZ=read_data[0]; wenZ=read_data[2]; }
4.3 PCF8591轉換部分圖4.3-1 PCF8591時序圖 PCF8591為一款常用的逐次逼近型模數轉換器，多通道的8位ADC，更為重要的是它采用了I2C通訊方式，使用起來更加快捷，功耗更低，可以有效節約IO口資源。可將FC-28土壤濕度傳感器所直接測得的模擬量轉換為數字量傳輸到單片機上來實現具體功能。 進行數據操作時，使用片上的DA轉換器和高增益比較器，每個轉換周期發送一個模式給PCF8591后，轉換周期在時鐘脈沖的后沿觸發，同時輸入電壓被轉換為8為二進制碼保存在芯片中。 4.4 LCD1602部分圖4.4-1 LCD1602時序圖 LCD1602為字符型液晶，顯示數字和字母較為方便，LCD1602為字符型液晶，顯示數字和字母較為方便，以其性能卓越、快速響應、抗干擾能力強、性價比高諸多優點，在實際科研工作中中得到了越來越普遍的應用。 其部分偽代碼如下： void display2() { write_1602com(yh+2); for(a=0;a<2;a++) { write_1602dat(tate[a]+0x30); } write_1602com(er+3); for(a=2;a<4;a++) { write_1602dat(tate[a]+0x30); } }
5.系統調試
5.1 輔助軟件介紹本次設計硬件模擬部分所用的軟件為由英國公司出版的Proteus，作為同類仿真軟件中的佼佼者，該軟件從原理圖的布圖，代碼調試和實物電路仿真聯系在一起，可以一鍵實現PCB設計，真正意義上實現了從概念想法到實物產品的完整設計。完美支持市面上大部分處理器模型。 代碼調試所用的軟件為美國公司研發的KEIL軟件，KEIL作為一款單片機C語言的開發系統，在各個方面有很大的優勢，其方便快捷的集成環境，功能強大的仿真調試功能通常讓使用者事半功倍。 5.2 實物圖 | 
QQ好友和群
QQ空間
騰訊微博
騰訊朋友
收藏
淘帖
頂
踩
