基于單片機(jī)的家庭盆栽生長監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要隨著人們生活質(zhì)量的快速提高，人們對家庭種植植物的熱情也越來越高，但是忙于平時(shí)工作，很少有時(shí)間和精力去管理盆栽，所以本次設(shè)計(jì)是基于人們?nèi)粘Ｉ顚Υ擞行枰ピO(shè)計(jì)的盆栽植物智能補(bǔ)水控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)是基于STC89C52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的，它有土壤濕度、光照強(qiáng)度、溫度高低的檢測與控制模塊，通過YL-69傳感器、BH1750傳感器、DS18B20傳感器進(jìn)行檢測獲得數(shù)據(jù)，再把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)內(nèi)進(jìn)行判斷，實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。本次設(shè)計(jì)的家庭盆栽生長智能監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的功能：對盆栽土壤檢測補(bǔ)水，對環(huán)境溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，對光照進(jìn)行模擬補(bǔ)光以及警示提醒功能。此系統(tǒng)通過對51單片機(jī)進(jìn)行編程設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)可以對土壤濕度、環(huán)境溫度以及光照程度進(jìn)行預(yù)設(shè)，再通過各個(gè)模塊的檢測設(shè)備進(jìn)行實(shí)際環(huán)境的檢測，將檢測到的值傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)內(nèi)，進(jìn)行與預(yù)設(shè)值判斷比較，確定單片機(jī)輸出何種信號(hào)驅(qū)動(dòng)各模塊進(jìn)行工作。如溫度檢測模塊，它是通過溫度傳感器進(jìn)行檢測盆栽周圍環(huán)境的溫度，將檢測到的數(shù)據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳輸進(jìn)單片機(jī)內(nèi)作判斷，若檢測值低于預(yù)設(shè)溫度的下限值，則加熱片進(jìn)行加熱工作，若高于預(yù)設(shè)溫度的上限值，則風(fēng)扇工作，開始散熱。其他模塊與上述工作原理相同，系統(tǒng)就是通過這種方式使盆栽具有一個(gè)良好的生長環(huán)境。關(guān)鍵詞：STC89C52單片機(jī)，DS18B20溫度傳感器，BH1750光照傳感器，YL-69濕度傳感器目錄1前言 前言1.1選題的目的和意義隨著最近這些年國家的快速發(fā)展，人民的生活水平也得到了極大的改善，上升到了新的高度，人們對日常生活的品質(zhì)也愈來愈重視，特別是家居生活環(huán)境改善方面。然而在裝飾家庭，生活環(huán)境改善方面，盆栽無疑很受歡迎，在大城市家庭面積有限的情況下，更能顯現(xiàn)。盆栽植物，不僅可以吸收家庭里的二氧化碳，產(chǎn)生新鮮空氣，還可以吸收空氣中的有害氣體，來凈化空氣，因此盆栽近些年很受歡迎。盆栽有很多優(yōu)點(diǎn)，但是前提是要好好養(yǎng)護(hù)，能否做到及時(shí)適時(shí)澆水，這很關(guān)鍵。比如人們出去游玩，外派出差等沒時(shí)間顧及的時(shí)候，這時(shí)候?qū)ε柙允侵旅模柙陨L的大部分問題，都是由于澆灌不及時(shí)照成的，這時(shí)候盆栽長勢不好，對家庭裝飾反而是一種影響，扔掉可惜，不扔又影響家庭裝飾。這時(shí)候人們就會(huì)開始在網(wǎng)上找自動(dòng)澆水的設(shè)備，目前網(wǎng)上有賣盆栽自動(dòng)澆水設(shè)備的，但是價(jià)格卻讓人望而生畏，而且功能比較單一，例如有的產(chǎn)品只可以設(shè)置每周或每天的某個(gè)確定的時(shí)間進(jìn)行澆水，不能做到適時(shí)補(bǔ)水，這樣也有可能影響到盆栽植物的正常生長。當(dāng)然，也有一些比較廉價(jià)的設(shè)備，同價(jià)格低一樣，設(shè)備的功能也更加簡單，只有報(bào)警提示功能，不能自動(dòng)給盆栽植物補(bǔ)水，這時(shí)候如果家里沒有人，也是不能夠給盆栽及時(shí)澆水的，這同樣會(huì)影響盆栽的生長，影響家庭的裝飾效果。所以，此次設(shè)計(jì)想要做出一個(gè)能夠檢測盆栽土壤溫濕度，自動(dòng)控制澆水的一體化盆栽智能澆水系統(tǒng)，讓人們沒有時(shí)間和精力時(shí)照顧盆栽時(shí)，也能體驗(yàn)盆栽帶來的生活樂趣。目前，大多數(shù)地方都使用微型噴灑系統(tǒng)，這一種新的噴水裝置，是用了國內(nèi)外的先進(jìn)技術(shù)組裝起來的，利用水在低壓管道中，并以一定速度分散到特殊噴頭上，達(dá)成“天女散花”般的效果，不僅補(bǔ)充了水分，還美觀。由于這樣的澆灌方式用水量少，補(bǔ)水效果更佳，植物能夠更好的生長，所以很是受國內(nèi)外的歡迎，比如花園澆水、草坪澆水，以及農(nóng)作物的澆水等，大多采用此方式來補(bǔ)充水分。此作品，家庭盆栽生長智能監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于上述系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，采用了更加智能的方式來為盆栽澆水，同時(shí)也能節(jié)省很多人力物力。此次設(shè)計(jì)把上述的微噴系統(tǒng)，減小化，在加上程序的智能檢測，就能很好的應(yīng)用到家庭的盆栽中去，可以很好的達(dá)到給盆栽補(bǔ)水供水作用，使盆栽更好的生長。1.2家庭盆栽生長智能監(jiān)測系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r關(guān)于植物生長的智能監(jiān)測控制方向的研究，國外的技術(shù)比國內(nèi)的要好，國外是在上世紀(jì)七十年代就已經(jīng)開始智能灌溉方向的研究了，然而國內(nèi)是從九十年代開始研究的，比國外整整晚起步二十多年的時(shí)間，現(xiàn)在國外的植物生長智能監(jiān)測控制系統(tǒng)已經(jīng)趨向成熟，而我國卻還沒有一個(gè)完整的體系與技術(shù)指標(biāo)?，F(xiàn)在在國外那些發(fā)達(dá)國家或者缺水的地區(qū)，此項(xiàng)技術(shù)發(fā)展的非常的先進(jìn)，比如以色列的大棚滴灌技術(shù)，對植物的生長監(jiān)測是很出名的，對濕度，溫度等檢測，進(jìn)行營造一個(gè)最優(yōu)的植物生長環(huán)境。而然我國對此項(xiàng)技術(shù)有很大的空白之處，是因?yàn)槲覈笈锝ㄔO(shè)較少，而且用戶很少愿意花費(fèi)更多的費(fèi)用去安裝相關(guān)設(shè)備，所以研究的人員就很少，相關(guān)技術(shù)發(fā)展沒有經(jīng)費(fèi)支持，就被擱置。近些年國家開始重視此方面的研究，開始大力投入研究植物生長智能監(jiān)測系統(tǒng)，國內(nèi)的研究正在邁向正途。在盆栽生長智能檢測控制系統(tǒng)方面，國內(nèi)比國外發(fā)展落后很多年，目前國內(nèi)的這類產(chǎn)品，大多數(shù)還是進(jìn)口的居多，相較而言，國外的產(chǎn)品質(zhì)量更好，功能更齊全，但是價(jià)格太貴，不親民。在現(xiàn)在人們對生活中的樂趣愈來重視情況下，家庭里養(yǎng)些盆栽來提高樂趣，愈來愈受到歡迎，但有時(shí)候家庭又養(yǎng)不好這些盆栽，所以，深入研究智能澆花很有必要，這不僅是生活的需要，也是一種商機(jī)所在?；趩纹瑱C(jī)的智能澆花控制系統(tǒng)，由于它的成本不高且實(shí)用性較強(qiáng)，所以會(huì)有很好的發(fā)展前景。1.3論文結(jié)構(gòu)安排本篇論文講述了當(dāng)前情況下家庭盆栽生長智能監(jiān)測控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程。文章第一章節(jié)描述了此次設(shè)計(jì)的目的和選題意義，還描述了國內(nèi)外關(guān)于此作品的發(fā)展?fàn)顩r文章第二章描述了對家庭盆栽生長智能監(jiān)測控制設(shè)計(jì)的要求以及設(shè)計(jì)方案文章第三章描述整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計(jì)以及相關(guān)芯片的介紹文章第四章描述的是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件部分，對各個(gè)模塊的軟件部分進(jìn)行敘述分析文章第五章是對系統(tǒng)進(jìn)行檢測，對系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行展示文章第六章是對整篇設(shè)計(jì)進(jìn)行了總結(jié)2家庭盆栽生長智能監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.1盆栽濕度、溫度、光照檢測與控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)此節(jié)對系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹2.1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求由于家庭盆栽和田地間農(nóng)作物不一樣，得不到大自然的自然調(diào)節(jié)，所以盆栽植物對生長環(huán)境要求更為嚴(yán)格，所以在設(shè)計(jì)此系統(tǒng)時(shí)，有如下要求：（1）需要有溫度、濕度，光照的檢測模塊。（2）需要智能控制系統(tǒng)進(jìn)行生長環(huán)境改善。（3）需要報(bào)警系統(tǒng)，提醒人們注意盆栽生長環(huán)境。有了上述三個(gè)要求，盆栽的生長環(huán)境可以得到較好的改善，為盆栽營造一個(gè)較好的生長環(huán)境，達(dá)到本次設(shè)計(jì)的目的。2.1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案盆栽土壤溫度濕度檢測與控制系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為控制系統(tǒng)核心，經(jīng)過編寫的程序軟件去設(shè)置上下限值，通過傳感器檢測到的值和設(shè)置的上下限值進(jìn)行比較，決定是否驅(qū)動(dòng)繼電器來實(shí)現(xiàn)具體功能。盆栽土壤的濕度和周圍環(huán)境的溫度以及光照，是由各個(gè)模塊的相關(guān)傳感器設(shè)備進(jìn)行檢測的[1]。檢測數(shù)據(jù)通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器，把檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換后，再把數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)單片機(jī)內(nèi)部，單片機(jī)經(jīng)過讀取數(shù)據(jù)，再通過I/O口把數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)LCD1602內(nèi)，LCD1602經(jīng)過內(nèi)部芯片讀取數(shù)據(jù)，把各項(xiàng)數(shù)據(jù)給顯示在屏幕上。智能控制系統(tǒng)工作時(shí)，若進(jìn)行補(bǔ)水工作，此刻的工作原理是：通過傳感器檢測到的濕度值進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換之后再把數(shù)據(jù)輸入進(jìn)單片機(jī)內(nèi)部，在經(jīng)過控制程序進(jìn)行與系統(tǒng)初始預(yù)設(shè)值的比較，如檢測到的數(shù)據(jù)值小于系統(tǒng)初始預(yù)設(shè)的下限值，則單片機(jī)會(huì)向繼電器輸出一個(gè)信號(hào)（此時(shí)為高電平信號(hào)）進(jìn)行控制，驅(qū)動(dòng)繼電器使繼電器進(jìn)行工作，通過繼電器控制打開水泵進(jìn)行補(bǔ)水工作，等待補(bǔ)水濕度達(dá)到了系統(tǒng)初始預(yù)設(shè)的上限值，則單片機(jī)也會(huì)給繼電器發(fā)送一個(gè)控制信號(hào)（此時(shí)為低電平信號(hào)），停止補(bǔ)水工作。溫度和光照的實(shí)現(xiàn)過程和上述相似，同樣是單片機(jī)輸出相關(guān)的控制信號(hào)進(jìn)行控制繼電器進(jìn)行工作，差別在于溫度相關(guān)功能實(shí)現(xiàn)時(shí)是加熱片和風(fēng)扇進(jìn)行工作，光照相關(guān)功能實(shí)現(xiàn)時(shí)，是LED燈進(jìn)行模擬補(bǔ)光工作。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的框圖如下圖2-1所示。圖2-1自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖2.2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能本次畢業(yè)設(shè)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)是基于單片機(jī)自動(dòng)控制的自動(dòng)補(bǔ)水系統(tǒng)，軟硬件結(jié)合實(shí)現(xiàn)的盆栽智能澆水系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)的。本作品設(shè)計(jì)的系統(tǒng)通過對盆栽的溫度、濕度，光照進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，將檢測出的值與設(shè)定的值進(jìn)行比較，決定是否進(jìn)行澆水、補(bǔ)光、升溫降溫操作。這個(gè)設(shè)計(jì)作品的主要控制芯片是單片機(jī)，其他部分的傳感器和控制電路是重要的配置部分。該系統(tǒng)重點(diǎn)研究探索的是補(bǔ)水控制電路和傳感器檢測到盆栽濕度之間的關(guān)系，以及軟件代碼編寫部分和控制電路之間的關(guān)系。系統(tǒng)中核心芯片選用的是STC89C52型號(hào)的單片機(jī)，土壤檢測部分選用的是YL-69設(shè)備進(jìn)行檢測濕度，溫度檢測部分選用的是DS18B20設(shè)備進(jìn)行檢測溫度，光照檢測部分用的是BH1750設(shè)備進(jìn)行光照檢測。STC89C52單片機(jī)它是具有帶8K字節(jié)閃爍可編程可擦除（可以反復(fù)擦除1千次）的低電壓只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—FalshProgrammableandErasableReadOnlyMemory）和高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)[2]。YL-69傳感器是一個(gè)簡單的水分測量傳感器，用于本次設(shè)計(jì)中可用來檢測盆栽的土壤水分，當(dāng)檢測到土壤水分不充足的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)輸出一個(gè)信號(hào)（此時(shí)這個(gè)信號(hào)是高電平），不缺水時(shí)也輸出一個(gè)信號(hào)（此時(shí)這個(gè)信號(hào)是低電平），在這個(gè)設(shè)計(jì)中DS18B20傳感器、數(shù)字接口傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器以及校準(zhǔn)數(shù)據(jù)傳感器、標(biāo)準(zhǔn)I2C總線等，這些電路全部集成在了一個(gè)芯片里邊；編程采用的是C51單片機(jī)語言。在本作品實(shí)現(xiàn)功能時(shí)，盆栽的濕度、溫度、光照相關(guān)的檢測設(shè)備將檢測到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)侥?shù)轉(zhuǎn)換器，把檢測得到的模擬值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再傳輸進(jìn)單片機(jī)內(nèi)，通過單片機(jī)相關(guān)程序的精確控制，將數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)LCD，數(shù)據(jù)被LCD內(nèi)部相關(guān)芯片讀取顯示在LCD屏幕上，再經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)的程序判斷是否需要給盆栽補(bǔ)水，如果需要補(bǔ)水，單片機(jī)系統(tǒng)就及時(shí)發(fā)出補(bǔ)水信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過放大驅(qū)動(dòng)繼電器設(shè)備，開始進(jìn)行補(bǔ)水工作，而且會(huì)開啟聲光報(bào)警器進(jìn)行提醒，如果不需要補(bǔ)水，就繼續(xù)進(jìn)行檢測監(jiān)控。監(jiān)測溫度時(shí)，若檢測到的溫度小于初始時(shí)設(shè)定的下限值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)繼電器開始工作，加熱片開始加熱，而且會(huì)開啟聲光報(bào)警器進(jìn)行提醒，若檢測到的溫度高于設(shè)定的上限值時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)繼電器工作，風(fēng)扇開啟開始散熱工作，而且開啟聲光報(bào)警器進(jìn)行提醒。光照檢測時(shí)，若傳感器檢測到的光照小于初始時(shí)設(shè)定的下限值時(shí)，LED燈打開，開始進(jìn)行LED燈模擬給植物補(bǔ)光工作，同時(shí)會(huì)開啟聲光報(bào)警器進(jìn)行提醒（因?yàn)長ED是進(jìn)行模擬補(bǔ)光，不能真正的給植物進(jìn)行補(bǔ)光工作，這時(shí)就需要報(bào)警提醒，及時(shí)把盆栽移到光照充足的地方進(jìn)行補(bǔ)光）。各個(gè)模塊的工作流程圖如下圖2-2所示圖2-2各個(gè)模塊工作流程圖3硬件電路設(shè)計(jì)本次作品設(shè)計(jì)，采用的是Proteus軟件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)仿真[3-4]。硬件電路設(shè)計(jì)是非常重要的，它是整個(gè)盆栽智能控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能的前提基礎(chǔ)，以下將從芯片、傳感器以及各個(gè)模塊電路講解分析硬件電路的設(shè)計(jì)。3.1盆栽智能控制系統(tǒng)的整體電路圖如下圖3-1所示。圖3-1盆栽智能控制系統(tǒng)的整體電路圖3.2單片機(jī)最小系統(tǒng)單片機(jī)的最小系統(tǒng)是使系統(tǒng)處于正常狀態(tài)，它是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)正常工作的必要條件，它包括復(fù)位電路，時(shí)鐘電路和電源電路，如下圖3-2所示圖3-2單片機(jī)最小系統(tǒng)其中，供電電路是保障單片機(jī)系統(tǒng)正常工作的前提，不通電所有設(shè)計(jì)都是沒有用的。復(fù)位電路是使該系統(tǒng)進(jìn)行工作前的初始化的電路，按下K0鍵，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，使其處于初始的工作狀態(tài)，再進(jìn)行工作。時(shí)鐘電路，它是通過產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)即脈沖信號(hào)，讓單片機(jī)有規(guī)律的按照時(shí)間進(jìn)行一步步的工作。3.351單片機(jī)核心芯片說明在上述電路圖的整體設(shè)計(jì)中可以看出，芯片的重要性，整個(gè)電路全是圍繞著芯片布置的，功能的實(shí)現(xiàn)也都是芯片發(fā)出的信號(hào)，下面將從芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和功能部件，引腳圖展開說明。3.3.151單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)介紹本作品設(shè)計(jì)中51單片機(jī)指的都是MCS-51單片機(jī)，這個(gè)型號(hào)的單片機(jī)可能會(huì)出自不同的廠家生產(chǎn)，以致使他們表面和內(nèi)部資源有些許的不同，但是他們的芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是相同的，全部都是采用的是8051的內(nèi)核。本設(shè)計(jì)中采用的STC89C52單片機(jī)屬于51單片機(jī)系列，但STC89C52的功能更加強(qiáng)大，內(nèi)部包含了很多模塊。由中央處理器模塊（CPU）、存儲(chǔ)器模塊（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是RAM、程序存儲(chǔ)是ROM）、并行的I/o口、串行的通信口、定時(shí)計(jì)數(shù)器、中斷控制系統(tǒng)等功能部件組成[5]。它們內(nèi)部之間的鏈接通過總線來連接的，單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如下圖3-3所示。圖3-3單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖單片機(jī)STC89C52有一個(gè)八位的微處理器，，8KB的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器FlashROM和64KB的可尋址片內(nèi)外統(tǒng)一編制的ROM，以及64KB可尋址片外的RAM和4個(gè)8位并行的I/O接口。[6-7]。51系列單片機(jī)還有許多其它的功能特性和部件，如果想要了解其他的相關(guān)功能，可查找相關(guān)資料得知。在這里選用該種單片機(jī)是因它內(nèi)部含有最小系統(tǒng)，不需要專門的編碼軟件和仿真軟件，還可以利用異步串行口，在系統(tǒng)中就能進(jìn)行編程，并能從串口將程序直接下載下來。3.3.2單片機(jī)引腳功能介紹通過用引腳的功能定義，才可以對單片機(jī)進(jìn)行電路的硬件設(shè)計(jì)。51單片機(jī)系列大多都是采用四十個(gè)引腳，四十個(gè)引腳為雙列直插式封裝的，在這四十個(gè)引腳中又可以把這它分為四類：電源類引腳、控制類引腳、I/O端口類引腳，時(shí)鐘類引腳[8]。引腳排布圖如下圖3-4所示。圖3-451單片機(jī)的引腳排布圖上述將單片機(jī)的40個(gè)引腳分為四個(gè)大類別，下面逐一介紹：電源引腳類，在這四十個(gè)引腳中，只有兩個(gè)是電源引腳，一個(gè)是40引腳的VCC，它是供電的引腳，供的電壓為5V，另一個(gè)是20引腳的GND，它是接地的引腳。I/O端口類的引腳，在這40個(gè)引腳中，一共有32個(gè)引腳屬于此類引腳，且可編程應(yīng)用。這32個(gè)引腳分別是P0口八個(gè)、P1口八個(gè)、P2口八個(gè)、P3口八個(gè)（注：這32個(gè)引腳的詳細(xì)功能，不在此詳細(xì)論述，想要詳細(xì)了解，可查閱相關(guān)資料得知）?？刂祁愐_，在這40個(gè)引腳中，其中有四個(gè)是控制類的引腳，它們分別是復(fù)位引腳RST、ALE/PROG以及PSEN和EA/VPP，并且在這四個(gè)中，ALE/PROG以及PSEN和EA/VPP可以復(fù)用，具有兩種功能。（注：這四個(gè)引腳的詳細(xì)功能，不在此詳細(xì)論述，想要詳細(xì)了解，可查閱相關(guān)資料得知）。時(shí)鐘類引腳，在這40個(gè)引腳中，有兩個(gè)是時(shí)鐘類引腳，分別是XTAL1和XTAL2，其中電路設(shè)計(jì)的時(shí)候大多數(shù)采用振蕩方式來產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)（在這采用的是內(nèi)部振蕩方式）。XTAL1是接內(nèi)部時(shí)鐘工作電路輸入，XTAL2是接內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸出[9]。3.4傳感器介紹及電路設(shè)計(jì)分析3.4.1YL-69土壤濕度傳感器YL-69土壤濕度傳感器是這次作品設(shè)計(jì)中用來檢測盆栽水分的設(shè)備，此設(shè)備相較而言是一個(gè)比較簡易的設(shè)備，但是簡易而不簡陋，它輸出的模擬量更加精確，因?yàn)樗褂玫氖悄K雙輸出模式讓設(shè)備輸出的數(shù)字更加簡單?；谝陨纤_的檢測，當(dāng)檢測到盆栽水分不足時(shí)，它就會(huì)輸出一個(gè)信號(hào)，若檢測到盆栽不缺水時(shí)，它仍然會(huì)輸出電平，此時(shí)是一個(gè)低電平。3.0V-5V是這個(gè)檢測設(shè)備的工作時(shí)的電壓，用電量比較小，所以用這款檢測設(shè)備來檢測盆栽土壤水分時(shí)，是非常經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的，非常適合制作成自動(dòng)澆花裝置。其中YL-69與數(shù)模轉(zhuǎn)換器鏈接，把測到的數(shù)據(jù)通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器變換再通入到單片機(jī)的芯片里，其中YL-69有兩條線，一條接地，另一條接向數(shù)模轉(zhuǎn)換器的CH0接口，然后數(shù)模轉(zhuǎn)換器在這有四個(gè)接口與單片機(jī)相連接，即CS/CLK/DO/DI這四個(gè)接口，其中DO和DI在工作時(shí)，它們兩個(gè)接口不是同時(shí)有效的，可以把它倆并聯(lián)接入單片機(jī)接口。在這里，cs與系統(tǒng)的p10接口相連接，clk與系統(tǒng)的p11接口相連接，DO,DI并聯(lián)之后與單片機(jī)p12接口相連接[10]。YL-69的電路圖如下圖3-5所示。圖3-5YL-69電路圖3.4.2數(shù)字溫度傳感器DS18B20本次設(shè)計(jì)溫度檢測時(shí)可以選擇兩種方法，一個(gè)是用熱敏電阻檢測，另一個(gè)是用DS18B20檢測。通過比較分析，由于熱敏電阻時(shí)分辨率較低，在進(jìn)行溫度采集時(shí)也會(huì)產(chǎn)生失真現(xiàn)象，而且熱敏電阻的阻值和特性會(huì)隨著溫度的變化隨時(shí)發(fā)生著變化，二者不成線性變化，會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，然而本設(shè)計(jì)中，要求檢測的設(shè)備要具有靈敏且準(zhǔn)確的檢測能力，所以選擇DS18B20來作為本次設(shè)計(jì)的溫度檢測傳感器，通過比較該溫度傳感器具有高度的集成化，很大程度上降低誤差，使檢測的值較為準(zhǔn)確。DS18B20的溫度傳感器具有較強(qiáng)的溫度分辨率，更符合此次系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，該溫度傳感器還具有可以在芯片內(nèi)部將測量到的溫度模擬量直接轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，比較方便。通過以上的對比，可以確定選擇DS18B20是這次設(shè)計(jì)的最佳選擇，它具有高度集成、同等干擾的情況下抗干擾能力比其他設(shè)備比較強(qiáng)、而且還有低能耗、高性能，容易調(diào)整配置等優(yōu)點(diǎn)，可以直接將檢測到的溫度轉(zhuǎn)換成數(shù)值傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)內(nèi)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理工作，方便簡潔，非常符合本次設(shè)計(jì)的要求。上述已經(jīng)了解到傳感器DS18B20能夠?qū)z測到的模擬量值在其內(nèi)部直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字量值，所以傳感器外邊不需要再外接數(shù)模轉(zhuǎn)換器，它可以直接與單片機(jī)的接口相連接。如下圖3-6所示，為DS18B20設(shè)備接口硬件電路的接線示意圖，其中接電源的接口在接電源時(shí)，在外邊必須要接一個(gè)電阻，稱為上拉電阻，這個(gè)電阻的值在4.7K-10K之間，在這，采用的是接10K的電阻，如果不接，會(huì)產(chǎn)生因高電平不穩(wěn)定，通電后先正常顯示，后會(huì)發(fā)生值亂跳的現(xiàn)象，這個(gè)電阻起分壓作用，提高電平的穩(wěn)定性。在連接單片機(jī)時(shí)，把OUT接口和VCC接口并聯(lián)之后接入到P17接口。圖3-6DS18B20接線電路3.4.3數(shù)字光照傳感器BH1750BH1750傳感器在此設(shè)計(jì)中用于檢測環(huán)境光的光照強(qiáng)度，還有一種方法是用光敏電阻，但是光敏電阻的阻值和特性會(huì)隨著光照強(qiáng)度的隨時(shí)變化而隨時(shí)改變的，二者不是線性關(guān)系，測出來的值不理想，而且光敏電阻檢測出來的值需要數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，使設(shè)計(jì)的電路變得更加復(fù)雜，所以選用了BH1750數(shù)字光照傳感器，BH1750還可以稱其全稱BH1750FVI傳感器,該設(shè)備是一個(gè)數(shù)字型光照強(qiáng)度的傳感器集成芯片，在這，把它和外圍電路做在一個(gè)電路板上面，成為GY30模塊，這個(gè)模塊把BH1750的通信引腳引出來了，方便單片機(jī)控制。BH1750的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如下圖3-7所示。圖3-7BH1750內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖從結(jié)構(gòu)中可以看出它的組成和工作原理。該芯片內(nèi)部由光敏二極管、運(yùn)算放大器、ADC采集、晶振組成，工作原理是PD二極管通過光伏效應(yīng)把光照強(qiáng)度信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)，然后通過運(yùn)算放大電路之后由ADC采集電信號(hào)，采集的電信號(hào)通過轉(zhuǎn)換成為數(shù)值，然后接入單片機(jī)內(nèi)。在連接硬件電路時(shí)，VCC接口接電源，SCL接口與單片機(jī)的P22接口相連接，SDA接口與單片機(jī)的P23接口相連接，ADDR和GND都接地。其中SCL和SDA接口外接的電阻是為了防止因高電平引起測量值不穩(wěn)定的情況，起到了分壓作用，提高電平的穩(wěn)定性。BH1750的硬件電路如下圖3-8所示.圖3-8BH1750硬件電路連接圖3.5數(shù)據(jù)顯示模塊介紹在本設(shè)計(jì)中，可以采用兩種顯示方式，第一種方式是數(shù)碼管顯示，第二種方式是LCD液晶顯示[11-12]。經(jīng)過對比，若采用LED數(shù)碼管顯示的話，顯示的時(shí)候無法顯示此刻顯示的是何項(xiàng)數(shù)據(jù)，只能靠自己去記憶顯示順序，才能知道各項(xiàng)的顯示數(shù)據(jù)，而且本次設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)顯示比較多且麻煩，這樣實(shí)際應(yīng)用起來很不方便；在設(shè)計(jì)系統(tǒng)方面，若是使用數(shù)碼管顯示的話，在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)，會(huì)使電路設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜，同樣在程序設(shè)計(jì)時(shí)，也會(huì)帶來好多復(fù)雜的內(nèi)容編寫，這就極大的不方便，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來更多的麻煩。但是使用LCD液晶顯示，就會(huì)省掉這些不必要的麻煩。LCD液晶顯示屏它是需要由驅(qū)動(dòng)芯片控制顯示的，，而且控制芯片已經(jīng)在顯示器中集成，顯示器可直接拿來用，而且在顯示的時(shí)候會(huì)直接表明顯示的是什么模塊，然后后面顯示該模塊的數(shù)據(jù)內(nèi)容，比較方便。經(jīng)過查找發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在經(jīng)常用的LCD屏是1602型號(hào)，此次設(shè)計(jì)也是采用的1602型號(hào)的顯示屏。其中1602LCD顯示屏框圖如下圖3-9所示:圖3-91602LCD顯示屏框圖各引腳功能說明如下：編號(hào)符號(hào)引腳說明編號(hào)符號(hào)引腳說明1VSS電源地9DB2DataI/O2VCC電源正極10DB3DataI/O3V0液晶顯示偏壓信號(hào)11DB4DataI/O4RS數(shù)據(jù)/命令選則端12DB5DataI/O5R/W讀/寫選擇端13DB6DataI/O6E使能信號(hào)14DB7DataI/O7DB0DataI/O15BLA背光源正極8DB1DataI/O16BLK背光源負(fù)極所以，由以上的1602LCD顯示屏的各個(gè)引腳功能，可以進(jìn)行它的電路設(shè)計(jì)如下：把顯示屏上的GND接口即1和16接口接地，把VCC接口即2和15接口連接電源，使顯示屏得到通電，VO接口是LCD顯示亮度的調(diào)整接口，在此設(shè)計(jì)中將此接口外邊再接一個(gè)電位器，并且讓它接地。因?yàn)檫@個(gè)調(diào)整接口接電源正極的時(shí)候?qū)Ρ榷容^低，接電源負(fù)極的時(shí)候?qū)Ρ榷容^高，然而對比度高的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生顯示屏顯示不理想的結(jié)果[12]。所以在外邊再連接一個(gè)電位器，使它顯示較穩(wěn)定，這個(gè)電位器一般為10KΩ到20KΩ。RS接口是寄存器的選擇接口，此接口輸入為高電平時(shí)，則選擇數(shù)據(jù)寄存器，輸入為低電平時(shí)，則選擇指令寄存器，此接口在這與單片機(jī)的P25數(shù)據(jù)接口連接。R/W是數(shù)據(jù)讀寫的接口，輸入為高電平則進(jìn)行讀操作，為低電平的時(shí)候，進(jìn)行寫操作，與單片機(jī)P26接口相連。E為使能接口，當(dāng)電頻由高變低時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令，與單片機(jī)P27接口相連。D0-D7八個(gè)接口，是數(shù)據(jù)傳輸接口，與單片機(jī)的P00-P07八個(gè)接口相連接。連接圖如下與3-10所示 圖3-10顯示屏電路連接圖3.6按鍵電路本次設(shè)計(jì)中，是通過鍵盤向系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)設(shè)值的設(shè)定的，鍵盤都被賦予一個(gè)代碼，稱為鍵碼，然而鍵碼可以被分為編碼鍵碼和非編碼鍵碼，非編碼鍵盤的電路設(shè)計(jì)比較簡單，方便改變鍵碼的數(shù)量，所以應(yīng)用較多，然而非編碼鍵盤又可以分為兩種模式，即非獨(dú)立式鍵盤模式和獨(dú)立的鍵盤模式，在這用的是獨(dú)立式鍵盤。在本次設(shè)計(jì)中，有一個(gè)按鍵是復(fù)位碼按鍵，還有獨(dú)立鍵盤在電路設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)了三個(gè)鍵碼，分別為K1/K2/K3,K1是控制預(yù)設(shè)模式的按鍵，它按下一次兩次三次四次五次分別對應(yīng)的功能的是，預(yù)設(shè)溫度上限、預(yù)設(shè)溫度下限、預(yù)設(shè)濕度上限、預(yù)設(shè)濕度下限、預(yù)設(shè)光照下限。K2、K3是為控制預(yù)設(shè)的加減鍵，K2為加，K3為減。當(dāng)需要提高預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)時(shí)，可以按K2實(shí)現(xiàn)，當(dāng)需要降低預(yù)設(shè)的數(shù)據(jù)時(shí)，可以按K3來實(shí)現(xiàn)。K1、K2、K3按鍵分別和P32、P33、P34系統(tǒng)單片機(jī)的接口相連接，這三個(gè)按鍵的另外一端接地[13]。當(dāng)按下時(shí)它們時(shí)，P3接口讀取的低電平有效。當(dāng)給系統(tǒng)通上點(diǎn)的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)運(yùn)行按鍵的掃描子程序，通過查詢的方法，確定各個(gè)按鍵以及各個(gè)模式的預(yù)設(shè)值。在設(shè)計(jì)此電路時(shí)，要注意按鍵的電壓抖動(dòng)問題，電壓抖動(dòng)如下圖3-11，這是由機(jī)械接觸點(diǎn)的彈性作用引起的，一般抖動(dòng)的時(shí)長是5-10ms，這樣就會(huì)引起單片機(jī)多次處理的問題，為解決此問題，要進(jìn)行消抖工作。消抖工作在這可以采用兩種方法，硬件消抖或軟件消抖這兩個(gè)方式實(shí)現(xiàn)，用雙穩(wěn)態(tài)電路去除抖動(dòng)，這個(gè)是硬件消抖常用的方式，軟件去除抖動(dòng)是用CPU來處理的[13]。當(dāng)系統(tǒng)檢測這三個(gè)按鍵的任何一個(gè)按鍵有按下，就讓電平延時(shí)10-20ms的時(shí)間，當(dāng)延時(shí)進(jìn)行完畢后再進(jìn)行檢測該按鍵的電平是否保持閉合狀態(tài)，若是閉合的，就認(rèn)為按鍵按下，否則從頭進(jìn)行檢測。在這，由于按鍵數(shù)量較少，為使電路不復(fù)雜，所以采用軟件消抖。按鍵連接電路圖，如下圖3-12圖3-11按鍵抖動(dòng)圖3-12按鍵電路連接圖3.7各個(gè)控制模塊驅(qū)動(dòng)電路溫度檢測驅(qū)動(dòng)模塊，濕度檢測驅(qū)動(dòng)模塊，光照檢測驅(qū)動(dòng)模塊的電路連接如下圖所示。溫度檢測模塊電路，圖3-13為驅(qū)動(dòng)加熱片電路，圖3-14為驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇電路圖3-13驅(qū)動(dòng)加熱片電路圖3-14驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇電路濕度檢測模塊控制電路，驅(qū)動(dòng)抽水泵電路，如下圖3-15圖3-15抽水泵電路光照檢測控制模塊電路圖如下，圖3-16為模擬補(bǔ)光。圖3-16模擬補(bǔ)光電路蜂鳴器報(bào)警電路，在系統(tǒng)檢測到任何一項(xiàng)低于下限值時(shí)，蜂鳴器便會(huì)工作，圖3-17是報(bào)警電路。圖3-17報(bào)警電路4軟件設(shè)計(jì)本次軟件編碼設(shè)計(jì)用的軟件是KeiluVision5，Keil公司是一家在業(yè)界都領(lǐng)先的微控制器軟件開發(fā)工具的獨(dú)立供應(yīng)商[14]。KeiluVision5系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)與單片機(jī)的匯編語言相比較，C語言具有簡單靈活，編寫函數(shù)的模塊可移植性強(qiáng)的特點(diǎn)，簡單易學(xué)，比較容易上手。4.1溫度模塊程序設(shè)計(jì)溫度模塊的子程序設(shè)計(jì)思路是先經(jīng)過相關(guān)的傳感器檢測，由于傳感器內(nèi)部自帶有模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所以檢測到的數(shù)據(jù)可以直接傳輸進(jìn)入單片機(jī)內(nèi)部。單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)之后，先進(jìn)行讀取顯示操作，再通過和溫度設(shè)定的預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較進(jìn)行判斷，如小于系統(tǒng)初始狀態(tài)預(yù)設(shè)的下限值，則系統(tǒng)就發(fā)出一個(gè)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)繼電器，使加熱片進(jìn)行工作，如大于系統(tǒng)初始狀態(tài)預(yù)設(shè)的上限值，系統(tǒng)也會(huì)發(fā)出一個(gè)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇進(jìn)行散熱工作，若恰好在預(yù)設(shè)上限值和下限值之間，則重新開始一輪檢測工作。子程序工作流程圖如下圖4-1：4-1溫度模塊子程序工作流程圖4.2濕度模塊程序設(shè)計(jì)濕度模塊的子程序設(shè)計(jì)思路是先經(jīng)過濕度傳感器檢測，檢測到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸DC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器里邊，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)內(nèi)部，單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)之后，先進(jìn)行讀取顯示操作，再通過和濕度設(shè)定的預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較進(jìn)行判斷，如小于系統(tǒng)初始狀態(tài)預(yù)設(shè)的下限值，則系統(tǒng)會(huì)發(fā)出一個(gè)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)繼電器，使抽水泵進(jìn)行工作，若恰好在預(yù)設(shè)上限值和下限值之間，則重新開始一輪檢測工作。子程序工作流程圖如下圖4-2：圖4-2濕度模塊子程序工作流程圖4.3光照模塊程序設(shè)計(jì)光照模塊的子程序設(shè)計(jì)思路是先經(jīng)過光照傳感器檢測，由于傳感器內(nèi)部自帶有模數(shù)轉(zhuǎn)換器，所以檢測到的數(shù)據(jù)可以直接傳輸進(jìn)入單片機(jī)內(nèi)部。單片機(jī)接收到數(shù)據(jù)之后，先進(jìn)行讀取顯示操作，再通過和光照設(shè)定的預(yù)設(shè)值進(jìn)行比較進(jìn)行判斷，如果檢測的值小于系統(tǒng)初始狀態(tài)時(shí)設(shè)定的下限值，則系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)信號(hào)，使LED燈亮起，進(jìn)行模擬補(bǔ)光工作，報(bào)警。若高于下限值，則重新開始一輪檢測工作。子程序工作流程圖如下圖4-3：圖4-3光照模塊子程序流程圖4.4LCD顯示模塊子程序設(shè)計(jì)通過使用手冊可知，LCD1602分別有讀狀態(tài)，讀數(shù)據(jù)，寫指令，寫數(shù)據(jù)這4個(gè)基本操作時(shí)序，在這里使用寫指令和寫數(shù)據(jù)兩個(gè)函數(shù)。下面是該顯示屏讀寫指令的程序流程圖，圖4-4所示圖4-4LCD1602讀寫指令子程序流程圖系統(tǒng)初始化后，同時(shí)也對LCD1602進(jìn)行顯示的初始化，并顯示開機(jī)界面，如圖4-5所示，其實(shí)顯示子程序的調(diào)用在整個(gè)系統(tǒng)工作過程中是隨時(shí)發(fā)生，下面以初始化時(shí)的程序調(diào)用為例進(jìn)行說明。圖4-5LCD1602初始化流程圖4.5按鍵模塊子程序設(shè)計(jì)在本作品中，設(shè)計(jì)三個(gè)按鍵對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，下面是在程序設(shè)計(jì)中，對按鍵模塊子程序設(shè)計(jì)的流程圖，圖4-6所示圖4-6按鍵模塊子程序流程圖5系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)經(jīng)過老師的指導(dǎo)，在老師和同學(xué)們以及自己搜尋資料的情況下，做出的實(shí)物圖如下圖5-1和5-2所示。圖5-1實(shí)物圖的正面圖5-2實(shí)物圖反面5.1系統(tǒng)正常狀態(tài)工作此時(shí)設(shè)置的溫度預(yù)設(shè)值是10-30之間，濕度的預(yù)設(shè)值是6-66之間，光照的預(yù)設(shè)最小值是100。用燈光模擬太陽光進(jìn)行照射，用濕面巾紙模擬土壤，此時(shí)檢測出來的數(shù)據(jù)濕度、溫度和光照分別是25、65和119，所以此時(shí)系統(tǒng)正常狀態(tài)工作。如圖5-3所示圖5-3正常工作狀態(tài)5.2系統(tǒng)的報(bào)警工作狀態(tài)如下圖5-4所示圖5-4系統(tǒng)的報(bào)警工作狀態(tài) 此時(shí)設(shè)置的溫度預(yù)設(shè)值是10-30之間，濕度的預(yù)設(shè)值是6-66之間，光照的預(yù)設(shè)最小值是100。用燈光模擬太陽光進(jìn)行照射，用濕面巾紙模擬土壤，此時(shí)檢測出來的數(shù)據(jù)濕度、溫度和光照分別是25、59和22，所以此時(shí)系統(tǒng)是報(bào)警狀態(tài)工作，此時(shí)是因光照不足進(jìn)行報(bào)警狀態(tài)進(jìn)行工作，LED警示燈亮起，蜂鳴器開始報(bào)警，光照模擬補(bǔ)光的LED燈亮起，開始進(jìn)行模擬補(bǔ)光工作。6總結(jié)本系統(tǒng)在進(jìn)行測試時(shí)，把YL-69土壤濕度傳感器插入土壤之中，再把加熱片和風(fēng)扇放到檢測周圍，把水泵相關(guān)工作也準(zhǔn)備好，接通電源，開機(jī)，開機(jī)之后對溫度、濕度、光照模塊的進(jìn)行預(yù)設(shè)值的設(shè)置，設(shè)置完成之后，系統(tǒng)開始進(jìn)行工作。當(dāng)各個(gè)模塊的傳感器檢測到的值，都在每個(gè)模塊的預(yù)設(shè)值的范圍內(nèi)，系統(tǒng)正常狀態(tài)進(jìn)行工作，一直進(jìn)行檢測，如上圖5-3就是正常狀態(tài)進(jìn)行工作的。如果檢測到一個(gè)或多個(gè)模塊的值不在預(yù)設(shè)值的范圍內(nèi)，系統(tǒng)對應(yīng)的模塊進(jìn)行工作，同時(shí)蜂鳴器和LED警示燈亮起。如上圖5-4就是在光照不足的情況下工作的，對應(yīng)的LED燈亮起，進(jìn)行模擬補(bǔ)光工作，同蜂鳴器和警示燈開始工作，進(jìn)行報(bào)警，當(dāng)對其進(jìn)行補(bǔ)光，使光照能達(dá)到一百以上（此時(shí)設(shè)置的光照下限值是100），此時(shí)蜂鳴器和警示燈不再進(jìn)行工作，同時(shí)LED模擬補(bǔ)光燈也關(guān)閉，系統(tǒng)進(jìn)行正常工作狀態(tài)。在測試其他模塊，原理與上述相同，如進(jìn)行溫度模塊檢測時(shí)，如果檢測到的溫度值不在系統(tǒng)初始化時(shí)預(yù)設(shè)值的范圍內(nèi)，系統(tǒng)就會(huì)進(jìn)行報(bào)警工作，同時(shí)，如果大于系統(tǒng)初始化預(yù)設(shè)值的上限值，風(fēng)扇就會(huì)進(jìn)行工作，開始散熱，直到溫度達(dá)到預(yù)設(shè)值的范圍內(nèi)，如果小于系統(tǒng)初始化預(yù)設(shè)值，加熱片就會(huì)進(jìn)行工作，直到加熱至預(yù)設(shè)的范圍內(nèi)，系統(tǒng)再進(jìn)行正常狀態(tài)進(jìn)行工作。濕度模塊是檢測到土壤的濕度不在預(yù)設(shè)值的范圍內(nèi)，系統(tǒng)進(jìn)行警示，如果小于系統(tǒng)初始時(shí)