基于单片机的温室智能灌溉系统设计开题报告

1.1 系统开发的背景及目的

众所周知，水是一切生命过程中不可替代的基本要素，水资源是国民经济和社会发展的重要基础资源。我国是世界上13个贫水国之一，人均水资源占有量只有世界人均水平的l/4，所以如何节约用水是我国经济可持续发展的重要影响因素。本系统就是基于这一背景下设计的温室智能灌溉系统，该系统是采用软硬件结合的设计方法，以单片机STC89C52单片机作为控制核心，所涉及模块与电路有单片机最小系统、土壤湿度传感器、AD转换模块、液晶显示模块、声光报警电路、继电器补偿电路和阀值调整电路等。

1.2 系统开发的意义

自上20世纪中后期以来，随着微电子技术，计算机技术，自动控制技术，通信与信息处理技术，多媒体技术等先进技术的发展，以科学技术为基础，依靠先进的设备和科学管理来实现对温室农作物的灌溉的智能化已成为可能。智能灌溉系统的根本目的是实时获取温室农作物的土壤湿度的相关信息，并进行处理，达到及时准确报警和智能打开电磁阀浇水的目的；通过本系统的设计解决温室农作物灌溉用水的问题，对于缓解水资源的紧缺是非常重要的。在灌溉领域合理地推广自动化控制，不仅可以提高资源利用率，缓解水资源日趋紧张的矛盾，还可以增加农作物的产量，降低农产品的成本。灌溉系统的自动化水平较低，这也是制约我国高效农业发展的主要原因。以色列、日本、美国等一些国家已采用先进节水灌溉制度。由传统的充分灌溉向非充分灌溉发展，对灌区用水进行监测预报，实际动态管理。采用传感器来监测土壤的情况和农作物的生长，实现水管理的自动化。高效农业和精细农业要求我们必须提高水资源的利用率。要真正实现水资源的高效，仅凭单向节水灌溉是不可能实现的。必须将水源开发、输配水、灌水技术和降雨、蒸发、土壤情况和农作物需水规律等方面统一考虑。做到降水、灌溉水、土壤水和地下水联合调用，实现按期、按需、按量自动供水。自动灌溉技术在发达国家，特别是大面积种植或缺水地区极其适用。按灌溉方式分为喷灌、地面灌、微灌等。微灌又分为滴灌、微喷灌、涌泉灌、地下渗灌。自动灌溉将充分发挥现有的节水设备的作用，优化调度，提高效益；通过自动控制节水技术的应用，更加节水节能，降低灌溉成本，提高灌溉质量；使灌溉更加科学、方便，提高管理水平；研制和推广节水灌溉控制新技术是实现农业现代化的需要。

2.1主要内容：

本课题主要是设计一个温室的智能灌溉系统，主要是实现温室农作物的土壤采集与自灌溉功能和报警及阀值调整功能。其基本任务如下：

（1）构建一个型号为STC89C52RC的单片机系统（内含串口通信电路，单片机最小系统），作为系统的主控模块，负责数据的采集、处理与分析、执行部件的控制等；

（2）检测功能：实时检测温室农作物的土壤湿度值；实时扫描检测按键是否按下，根据其键值执行相应操作；

（3）显示功能：通过液晶屏1602对系统的参数及系统状态进行指示；

（4）执行部件：继电器模块和蜂鸣器模块，接收单片机的控制，当土壤湿度值过低超限时，蜂鸣器响应，继电器吸合，开始给植物进行灌溉，直到检测的湿度大于设置的湿度值上限，蜂鸣器停止响应，继电器断开，停止灌溉。

（5）调整电路：系统设置4路独立按键用于对系统预设的湿度的上下限值进行调整；

（6）程序编写：使用KEIL C软件编译环境，使用C语言进行系统程序的编写，并在程序中对采集到的数据进行分析、处理和显示。

2.2 预期目标：

（1）实现对温室农作物土壤湿度的实时采集并通过液晶屏进行实时显示；

（2）系统预置湿度的上下限值，且该值可根据不同农作物对土壤湿度的要求不通的需求，用独立按键进行设置和调整；

（3）系统设置声光报警电路和自动灌溉电路，当检测到农作物土壤湿度过低时，声光报警电路工作，即蜂鸣器响应，相应的报警指示灯点亮，此时，控制电磁阀的继电器吸合，电磁阀工作，对缺水的农作物进行自动灌溉；直到检测到农作物土壤湿度等于或者刚大于系统设置的湿度值上限值时，蜂鸣器停止响应，响应的指示灯熄灭，控制电磁阀的继电器断开，停止对农作物进行灌溉。

3．本课题拟采用的研究方案及功能概述

3.1 方案论证：

温室智能灌溉系统的电路原理及外围电路结构简单，易懂，比较试用于初学者学习单片机与传感器并学习软件编程和硬件搭接。

3.1.1 显示方案选择

在单片机应用系统中，常用的显示设备有数码管、1602液晶屏、12864液晶屏；根据系统需求，要求对温室农作物土壤湿度进行实时显示，并对该农作物对湿度的需求的上下限值进行显示；若选用3个4位一体的数码管作为显示设备，可采用动态显示的方式实现对每个功能数据进行实时显示，但是，在显示内容上只能显示单一的数据，不能对当前数据属于什么功能数据进行指示，在界面显示上数据容易混淆，不利于开发者的观察；另外从控制角度来说，通常在不外加扩展电路的情况下，3个4位一体的数码管共需要20个I/O（8个数据口和12个控制口）来对数码管的显示进行控制，不仅大大的占用单片机的资源，还在控制时序上给编程带来很大的麻烦，因此系统方案设计时首先淘汰以数码管作为显示设备。再看液晶屏1602和12864，2种液晶屏均可实现系统的上述功能，但是12864液晶屏价格昂贵，基本上是液晶屏1602的3-4倍，从系统的实用性、经济性和性价比的角度考虑，决定选用1602液晶屏作为本系统的显示设备。

3.1.2 AD采集芯片的选择

在51单片机应用系统中常见的AD转换芯片有PCF8591和ADC0809。

PCF8591是一个单片集成、单独供电、低功耗、8-bit CMOS数据获取器件。PCF8591具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行Isup2;C总线接口。PCF8591的3个地址引脚A0,A1和A2可用于硬件地址编程，允许在同个I2C总线上接入8个PCF8591器件，而无需额外的硬件。在PCF8591器件上输入输出的地址、控制和数据信号都是通过双线双向I2C总线以串行的方式进行传输。

ADC0809是美国国家半导体公司生产的CMOS工艺8通道，8位逐次逼近式A/D模数转换器。其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。

在本系统，仅需要一路AD对二氧化碳传感器采集的二氧化碳浓度值输出的模拟量进行数字转换输出单片机即可，在功能上，2种芯片均可完成转换任务；但是对于ADC0809芯片,芯片在进行AD转换时除了控制引脚需要通过单片机的I/O进行控制，其8位数据口也同样需要连接到单片机的8位I/O口，大大的占用了单片机的引脚资源，且电路复杂，增加了设计的难度；而AD芯片PCF8591采用的是IIC接口，即只需要将IIC接口的地址线和数据线与单片机的2位I/O口相连即可完成转换的控制与数据传输，电路简单，因此本系统中采用PCF8591作为系统的AD转换芯片。

3.1.3 单片机的选择

首先确定本系统采用51单片机作为控制核心，而在51单片机应用系统中较为常见的单片机为STC公司的STC单片机和ATMEL公司的AT单片机，在这里对比STC89C52RC单片机和AT89C52单片机。

STC89C52RC是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K字节系统可编程Flash存储器。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，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。

AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出(I/O)端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2 个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash存储器可有效地降低开发成本。

在功能和资源上，这2款单片机均可以满足系统的功能需求，但从程序下载角度而言STC89C52可以支持串口直接下载程序，而AT公司的89C系列单片机需要价格昂贵的专业编程器才可烧写程序；而且从单片机单片芯片价格上来说，一般AT的单片机是STC单片机的1.5倍到2倍，因此，从实用性、经济性角度考虑，本系统中采用STC89C52单片机作为系统的控制核心。

3.2 系统功能概述

本设计以STC89C52RC单片机系统作为主控，集成土壤湿度传感器、AD转换模块、蜂鸣器模块、继电器模块、液晶屏显示模块、调整电路等，控制原理如下2-1所示。

图2-1 系统控制框图

1张满栋，杨胜强，高伟卫 报警监控图形系统开发实例北京机械工业出版社，2006.7

2沙占发，梦志永，王彦朋 单片机外围电路设计北京电子工业出版社 2006.6

3杨将新，李华军，刘东骏 单片机程序设计及应用从基础到实践北京电子工业出版社 2005

4肖玲妮 Protel 99 SE 印刷电路板设计教程 北京清华大学出版社 2003

5雷丽文 等 微机原理与接口技术。 北京：电子工业出版社，1997.2

6蒋万君 在论循环时序电路的简便设计。 机电一体化，2005第5期

7胡汉才 单片机原理及其接口技术。 北京：清华大学出版，1996

88康光华 电子技术基础 模拟部分 高等教育出版社 2003

9 9赵负图 传感器集成电路手册 化学工业出版社 2004

1010 楼然苗 51系列单片机设计实例 北京航空出版社 2006

1111 何立民 单片机应用系统设计 北京航空航天大学出版社 2004

1212 张毅刚 新编MCS-51单片机应用设计实例 第一版 哈尔冰工业大学出版社