單片機(jī)自動(dòng)澆菜系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u6547單片機(jī)自動(dòng)澆菜系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)案例 1544第1章系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)與理論基礎(chǔ) 1317611.1自動(dòng)澆菜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 1240381.2系統(tǒng)硬件元器件的選擇 2189731.1.1STC89C52單片機(jī)與AT89C51單片機(jī) 236511.1.2ADC0832芯片 5116781.1.3DS18B20溫度傳感器 7147441.1.4LCD12864液晶顯示器 83900第2章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 9149882.1單片機(jī)控制單元 9105212.2時(shí)鐘電路單元 12277522.3溫度傳感器電路單元 1351872.4LCD12864電路單元 14110812.5ADC0832芯片電路單元 15201312.6繼電器電路單元 15119752.7按鍵電路單元 16第1章系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)與理論基礎(chǔ)1.1自動(dòng)澆菜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案此系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為控制單元核心，通過(guò)12864帶字庫(kù)的液晶顯示器為顯示單元進(jìn)行顯示，設(shè)置了五個(gè)獨(dú)立的按鍵進(jìn)行相關(guān)操作，五個(gè)獨(dú)立按鍵的功能分別具有查看歷史24組實(shí)時(shí)溫濕度數(shù)據(jù)、進(jìn)入設(shè)置頁(yè)面、選中數(shù)據(jù)增加一、選中數(shù)據(jù)減少一、退出查看數(shù)據(jù)頁(yè)面或退出設(shè)置頁(yè)面并保存設(shè)置的功能，其中增加鍵還具有開(kāi)關(guān)定時(shí)灌溉的功能，在顯示頁(yè)面按下增加鍵即可對(duì)定時(shí)灌溉進(jìn)行開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)狀態(tài)可以在顯示頁(yè)面右上角進(jìn)行顯示。并且該系統(tǒng)能通過(guò)DS18B20溫度傳感器和土壤濕度傳感器偵測(cè)采集當(dāng)前環(huán)境的實(shí)時(shí)溫度和濕度，通過(guò)12864顯示器顯示出來(lái)。當(dāng)前溫度和濕度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳遞給單片機(jī)后，STC89C52單片機(jī)會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，若濕度低于設(shè)定的下限值或者達(dá)到指定灌溉時(shí)間，繼電器電路的LED燈會(huì)亮起并且繼電器啟動(dòng)帶動(dòng)水泵進(jìn)行澆水。若實(shí)時(shí)溫度超過(guò)通過(guò)按鍵設(shè)定的溫度范圍，則會(huì)在液晶顯示器上顯示防寒防暑提醒，提醒用戶注意農(nóng)作物的照看保養(yǎng)。STC89CSTC89C52濕度傳感器溫度傳感器獨(dú)立按鍵晶振繼電器模塊12864顯示器DS1302時(shí)鐘ADC0832模塊圖2-1：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.2系統(tǒng)硬件元器件的選擇1.1.1STC89C52單片機(jī)與AT89C51單片機(jī)STC89C52單片機(jī)為低功耗、低電壓、高性能的控制器，它的內(nèi)部分別有8位高性能中央處理器（又稱CPU）、8K字節(jié)的Flash閃存、512字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、32個(gè)I/O口、三個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、一個(gè)七向量四級(jí)中斷結(jié)構(gòu)、一個(gè)全雙工串行通信口、片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路[1]。AT89C51單片機(jī)同樣是一種低電壓、低功耗、高性能的控制器，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與STC89C52單片機(jī)相似，是一種帶有4k字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用了ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造能與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容[2]。但是，AT89C51單片機(jī)它的內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器僅僅為256字節(jié)，無(wú)法滿足存儲(chǔ)24組實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的特殊功能需求，并且STC89C52單片機(jī)兼容MCS51指令系統(tǒng)。因此在選擇單片機(jī)時(shí)，選擇了與AT單片機(jī)同樣經(jīng)濟(jì)實(shí)惠并且極具性價(jià)比的STC89C52單片機(jī)，它可以靈活的運(yùn)用在各種嵌入式控制系統(tǒng)之中，在各種環(huán)境下均可以發(fā)揮穩(wěn)定高效的性能。STC89C52單片機(jī)的主要性能參數(shù)如下：（1）8K字節(jié)程序存儲(chǔ)空間（Flash）（2）512字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（3）32個(gè)可編程的I/O口（4）3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（5）4個(gè)外部中斷源（6）支持2種軟件可選擇節(jié)電模式（7）兼容MCS51指令系統(tǒng)STC89C52單片機(jī)的兩種節(jié)電模式均具有低功耗的特點(diǎn)，它們分別為空閑模式以及掉電模式。在單片機(jī)的模式為空閑模式的時(shí)候，高性能中央處理器（CPU）會(huì)中斷運(yùn)行，RAM（又稱隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）以及定時(shí)器計(jì)數(shù)器、中斷和串口繼續(xù)進(jìn)行運(yùn)作。而節(jié)電模式在一種掉電保護(hù)的模式下，隨機(jī)存取的存儲(chǔ)器（RAM）里面的內(nèi)容被保存了下來(lái)，并且振蕩器會(huì)被凍結(jié)，單片機(jī)所有的運(yùn)行工作會(huì)停止，一直至下一個(gè)中斷或者硬件復(fù)位為止。STC89C52單片機(jī)引腳的說(shuō)明如下所示：（1）VCC（40號(hào)引腳）：接電源電壓（2）VSS（20號(hào)引腳）：接地（3）P0：P0口為8位漏極開(kāi)路雙向I/O口，其輸出緩沖級(jí)可以輸出或吸收電流來(lái)驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門電路。當(dāng)P0端口寫(xiě)“1”時(shí)，這個(gè)引腳會(huì)被用作高阻抗輸入。P0口用于外部程序的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，可被作為數(shù)據(jù)/地址的低八位復(fù)用，在程序進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，外部上拉電阻需要被激活。（4）P1：這是一組有著內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，它的輸出緩沖級(jí)，可吸收或輸出電流以驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯門電路。當(dāng)該端口寫(xiě)“1”的時(shí)候，端口被其內(nèi)部的上拉電阻拉到高電平，因此可以用作輸入口。此時(shí)的引腳由于被外部拉低，會(huì)因?yàn)樗鼉?nèi)部電阻的原因，它將會(huì)輸出的電流為IIL。在進(jìn)行編程以及校驗(yàn)時(shí)，此引腳接受低8位地址。（5）P2：有著內(nèi)部上拉電路的8位雙向I/O口，其輸出緩沖級(jí)可通過(guò)吸收或輸出電流的形式驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL邏輯門電路。當(dāng)它的端口被寫(xiě)“1”時(shí)，與P1口比較相像，P2端口會(huì)被它的內(nèi)部電阻拉到高電平，以做為輸入來(lái)使用。這時(shí)P2會(huì)與P1類似，輸出一個(gè)電流IIL。（6）P3：與P1、P2類似，也是一個(gè)有著內(nèi)部上拉電路的雙向I/O口，構(gòu)成與原理相似。除上述功能以外，P3口在進(jìn)行flash編程以及校驗(yàn)的時(shí)候，它還會(huì)接受控制信號(hào)。除此之外，P3口的特殊復(fù)用功能如下：P2.0（RXD）：串行輸入、P2.1（TXD）：串行輸出、P2.2以及P2.3：外部中斷0以及1、P2.4（T0）：定時(shí)器0外部輸入、P2.5（T1）：定時(shí)器1外部輸入、P2.6(WR):外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通、P2.7（RD）：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通（7）RST（9號(hào)引腳）：復(fù)位輸入。（8）XTAL2（18號(hào)引腳）：來(lái)自反向振蕩器的輸出。（9）XTAL1（19號(hào)引腳）：反相振蕩器放大器還有內(nèi)部時(shí)鐘的電路的輸入。（10）EA/VPP（31號(hào)引腳）：當(dāng)EA狀態(tài)保持在低電平之時(shí)，執(zhí)行外部存儲(chǔ)器之內(nèi)的程序。當(dāng)EA狀態(tài)位高電平時(shí)，執(zhí)行內(nèi)部存儲(chǔ)器之內(nèi)的程序。在進(jìn)行flash編程的時(shí)候，它的第二功能VPP會(huì)用于釋放12V的編程電源。STC89C52單片機(jī)的引腳圖如下圖（圖2-2）所示：圖2-2：STC89C52單片機(jī)引腳1.1.2ADC0832芯片系統(tǒng)中的濕度檢測(cè)模塊收集到的實(shí)時(shí)濕度量是模擬量信號(hào)，在經(jīng)由轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)化后的電壓信號(hào)輸出也還是模擬量信號(hào)，所以就需要使用到AD芯片將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)，使其能被單片機(jī)所識(shí)別。ADC0832芯片是由總部位于加利福尼亞州的美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司制造生產(chǎn)的A/D轉(zhuǎn)換芯片，為雙通道輸入，具有八位分辨率。它的體積小、兼容性強(qiáng)、性價(jià)比高、穩(wěn)定性好。它的1號(hào)引腳CS被單片機(jī)的P1.2端口控制。ADC0832芯片具有以下特點(diǎn)：（1）與TTL/CMOS的輸入輸出電平兼容（2）當(dāng)其被5V電源供電時(shí)，輸入電壓在0V至5V之間（3）工作頻率高（250Khz），轉(zhuǎn)換時(shí)間少（32微秒）（4）低功耗（15毫瓦），高溫寬，能適應(yīng)大部分惡劣的溫度條件（5）具有多種封裝模式，兼容性強(qiáng)ADC0832芯片引腳功能說(shuō)明如下：（1）CS：片選使能，低電平芯片使能。（2）CH0：模擬輸入通道0，或作為IN+/-使用。（3）CH1：模擬輸入通道1，或作為IN+/-使用。（4）GND：接地（5）DI：數(shù)據(jù)信號(hào)輸入，選擇通道控制。（6）DO：數(shù)據(jù)信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。（7）CLK：芯片時(shí)鐘輸入。（8）Vcc/Vref：電源電壓輸入，復(fù)用功能Vref用于參考電壓輸入ADC0832芯片引腳圖如圖（圖2-3所示）：圖2-3：ADC0832芯片引腳1.1.3DS18B20溫度傳感器DS18B20是單片機(jī)中常見(jiàn)的數(shù)字溫度傳感器，它可以直接將測(cè)量到的溫度以數(shù)字信號(hào)的形式輸出。它的成本低、精度高、在復(fù)雜的環(huán)境下抗干擾的能力強(qiáng)并且封裝后有多種型號(hào)，可以用于多數(shù)不同場(chǎng)景的使用。它的轉(zhuǎn)換輸出速度高，測(cè)量溫度范圍廣。DS18B20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖（圖2-4）所示：圖2-4：DS18B20內(nèi)部結(jié)構(gòu)DS18B20常見(jiàn)封裝主要有兩種，分別為PR-35封裝以及SOSI封裝，此次設(shè)計(jì)用到的是PR-35封裝。這兩種封裝模式如下圖（圖2-5）所示。圖2-5：PR-35封裝（左）以及SOSI封裝（右）DS18B20溫度傳感器引腳功能如下：(1)DQ：數(shù)字信號(hào)的輸入還有輸出。(2)GND：接地(3)VDD：外接電源輸入DS18B20溫度傳感器的引腳圖如圖（圖2-6）所示：圖2-6：DS18B20溫度傳感器引腳1.1.4LCD12864液晶顯示器LCD12864是有著四位或者八位并行、二線或者三線串行多種接口方式，內(nèi)部?jī)?nèi)置漢字字庫(kù)，可提供8192個(gè)16x16的點(diǎn)陣漢字，分辨率為128x64的點(diǎn)陣式圖形液晶顯示器。此模塊接口靈活、操作方式簡(jiǎn)單便捷，具有低電壓、低功耗、低成本等特點(diǎn)。LCD12864液晶顯示器的引腳圖如圖2-7所示：圖2-7：LCD12864引腳圖LCD12864的部分引腳功能如下：（1）VSS（1號(hào)引腳）：電源負(fù)極（2）VDD（2號(hào)引腳）：電源正極（3）VO（3號(hào)引腳）：可調(diào)整屏幕亮度（4）BLA（19號(hào)引腳）：背光源電壓正端（5）BLK（20號(hào)引腳）：背光源電源負(fù)端第2章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)在本次設(shè)計(jì)中，我將系統(tǒng)的硬件電路分為了七大組成部分。分別為：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制單元、時(shí)鐘電路單元、溫度傳感器電路單元、LCD12864電路單元、ADC0832芯片電路單元、繼電器電路單元以及按鍵電路單元。2.1單片機(jī)控制單元單片機(jī)控制單元是整個(gè)系統(tǒng)電路的主控核心部分，它的主體核心是STC89C52單片機(jī)，該芯片的內(nèi)部具有8位高性能中央處理器（又稱CPU）、8K字節(jié)的Flash閃存、512字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、32個(gè)I/O口。并且它還兼容MCS51指令系統(tǒng)，方便編程，其大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可以實(shí)現(xiàn)本次設(shè)計(jì)中存儲(chǔ)24組實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的功能需求。單片機(jī)控制單元電路主要分為三大部分，分別是作為主體的STC89C52芯片、復(fù)位電路以及時(shí)鐘電路。STC89C52芯片作為主體，是整個(gè)系統(tǒng)核心，它需要接受溫度傳感器以及ADC0832芯片轉(zhuǎn)換來(lái)自濕度傳感器的信號(hào)后輸出的溫度、濕度的數(shù)字量信號(hào)，并且輸出到LCD12864進(jìn)行顯示。還需要判斷這二個(gè)數(shù)字量信號(hào)，是否滿足溫度報(bào)警以及濕度報(bào)警的閾值。若達(dá)到條件，則控制LCD液晶顯示器顯示防寒防暑提醒或者控制繼電器電路單元接通，驅(qū)動(dòng)水泵進(jìn)行澆水。它需要承擔(dān)上述功能等一系列運(yùn)作，是自動(dòng)澆菜系統(tǒng)的運(yùn)作核心。單片機(jī)控制單元的電路圖如下圖（圖3-1）所示：圖3-1單片機(jī)控制單元電路STC89C52芯片：如上圖所示，單片機(jī)控制單元電路主體部分STC89C52芯片的21、22、23號(hào)引腳會(huì)鏈接DS1302時(shí)鐘芯片，會(huì)接受來(lái)自它的信號(hào)，并輸出到液晶顯示器上顯示出當(dāng)前的年、月、日、時(shí)、分、秒、星期等數(shù)據(jù)。單片機(jī)的5號(hào)引腳會(huì)鏈接到DS18B20溫度傳感器。其2號(hào)引腳會(huì)鏈接ADC0832芯片的數(shù)據(jù)輸出引腳，接受當(dāng)前濕度值的數(shù)字信號(hào)。它的4號(hào)引腳會(huì)鏈接繼電器電路單元控制繼電器的啟停。除此之外，它的其他引腳也都連接了整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)部分，由此可見(jiàn)它是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作的核心。復(fù)位電路：?jiǎn)纹瑱C(jī)的復(fù)位有兩種主要的方式，分別為手動(dòng)復(fù)位以及上電復(fù)位。如上圖所示，本次設(shè)計(jì)采用的是上電復(fù)位的方式。時(shí)鐘電路：它又被稱為震蕩電路，如上圖是由STC89C52的18號(hào)引腳（XTAL2）以及19號(hào)引腳（XTAL1）鏈接一個(gè)11.0591Mhz的晶振以及電容所構(gòu)成。它具有為單片機(jī)的工作運(yùn)行提供時(shí)間基準(zhǔn)的作用。2.2時(shí)鐘電路單元系統(tǒng)的時(shí)鐘電路單元由DS1302芯片與一個(gè)頻率為31.768Khz的晶振以及數(shù)個(gè)電阻相連接構(gòu)成，其主體部分為DS1302時(shí)鐘芯片。芯片的X1腳（2號(hào)引腳）以及X2腳（3號(hào)引腳）與晶振相連構(gòu)成時(shí)鐘電路單元。另外，芯片的SLK腳（7號(hào)引腳）、I/O腳（6號(hào)引腳）以及CE腳（5號(hào)引腳）分別和STC89C52芯片的２１、２２、２３號(hào)引腳（P２.０、P２.１、P２.２）相聯(lián)接。通過(guò)這個(gè)連接，時(shí)鐘電路單元會(huì)向STC89C52芯片精準(zhǔn)的輸出當(dāng)前的年、月、日、時(shí)、分、秒、星期等時(shí)間信息，并通過(guò)STC89C52芯片的處理，由LCD12864液晶顯示器顯示出該信息。在該電路中，31.768Khz的晶振會(huì)由于其頻率，能在進(jìn)行分頻以后精準(zhǔn)的輸出秒的脈沖信號(hào)。其原因?yàn)?1.768Khz為32768hz，是二的十五次方，符合二進(jìn)制的計(jì)算規(guī)則。所以32768經(jīng)過(guò)十六次的二分頻后正好得到1，能正好得到輸出一秒的脈沖信號(hào)。因此，時(shí)鐘電路單元的晶振會(huì)選擇頻率為31.768Khz的晶振。時(shí)鐘電路單元的電路圖如圖3-2所示：圖3-2時(shí)鐘電路單元電路圖其中VCC1引腳（8號(hào)引腳）連接了一枚3v的紐扣電池作為電源，這樣能在系統(tǒng)斷電后讓時(shí)鐘電路單元仍然能夠運(yùn)行，避免時(shí)鐘丟失。而三個(gè)信息引腳接上電阻是上拉電阻，其作用是減少時(shí)鐘的誤差、避免時(shí)鐘讀取不正常。DS1302芯片引腳圖在圖3-2中就可知，它們的作用如下：（1）VCC2、VCC1：電源供電，VCC2為主電源，VCC1為備用電源（2）X1、X2：晶振管腳（3）GND：接地（4）I/O：數(shù)據(jù)輸入以及輸出（5）SCLK：串行時(shí)鐘，同步時(shí)鐘輸入2.3溫度傳感器電路單元溫度傳感器電路單元由DS18B20芯片構(gòu)成，DS18B20芯片能直接輸出采集到的溫度的數(shù)字信號(hào)，不需要經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換，直接連接單片機(jī)即可。DS18B20芯片接線方式便捷，只需要一個(gè)接口與單片機(jī)相連就可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與DS18B20芯片的雙向信息傳輸[3]。具有低開(kāi)銷、小體積、高精度、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，能大大的簡(jiǎn)化電路結(jié)構(gòu)。溫度傳感器電路單元如圖3-3所示：圖3-3：溫度傳感器電路單元其中，DS18B20的DQ腳與STC89C52芯片的５號(hào)引腳（P1.4）鏈接，負(fù)責(zé)輸入輸出數(shù)字量信號(hào)。DQ腳接一個(gè)上拉電阻是為了使總線保持為高電平，不然會(huì)因?yàn)殡娏鞑蛔愣荒苷Ｗx出溫度，是芯片設(shè)計(jì)的問(wèn)題。2.4LCD12864電路單元LCD12864電路單元由帶漢字字庫(kù)的LCD12864液晶顯示器構(gòu)成，這個(gè)單元負(fù)責(zé)了設(shè)計(jì)系統(tǒng)中時(shí)間信息、溫濕度信息等各項(xiàng)信息的顯示功能，是系統(tǒng)中重要的組成部分之一。LCD12864液晶顯示器操作簡(jiǎn)單、開(kāi)銷低、功耗低，能十分靈活便捷的運(yùn)用在單片機(jī)設(shè)計(jì)中。LCD12864電路單元的電路圖如圖3-4所示：圖3-4：LCD12864電路單元由圖可見(jiàn)，此單元電路簡(jiǎn)單，其中LCD12864液晶顯示器的３號(hào)引腳具有亮度調(diào)節(jié)的作用，它連接了一個(gè)103藍(lán)白電位器，通過(guò)調(diào)整電位器的阻值即可對(duì)液晶顯示器的亮度進(jìn)行調(diào)整。2.5ADC0832芯片電路單元 ADC0832芯片電路單元就是模數(shù)轉(zhuǎn)換電路單元，它由ADC0832芯片與濕度傳感器構(gòu)成，其中濕度傳感器偵測(cè)到的實(shí)時(shí)濕度值為模擬量，它會(huì)經(jīng)過(guò)ADC0832芯片的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為微處理器能夠識(shí)別到的數(shù)字量，從而才能進(jìn)行顯示或判斷等一系列操作。它的電路圖如圖3-5所示：圖3-5：AD