畢業(yè)設(shè)計（論文）-基于單片機(jī)的陽臺花卉自動養(yǎng)護(hù)系統(tǒng).docVIP

摘要本次設(shè)計的盆花自動養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)經(jīng)過對土壤溫度，濕度與光照的檢測，從而控制電磁閥，步進(jìn)電機(jī)，窗戶的開關(guān)來達(dá)到花卉生長所需要的條件。土壤溫濕度的檢測與控制部分包括了土壤溫濕度的檢測和自動澆水系統(tǒng)。土壤溫濕度的檢測和顯示以溫濕度傳感器為感應(yīng)部件，將檢測到的土壤溫濕度值送入at89c52單片機(jī)，再由其控制電磁閥工作。自動澆水系統(tǒng)智能澆水部分是通過單片機(jī)程序設(shè)定澆水的上下限值與送入單片機(jī)的土壤濕度值相比較，當(dāng)?shù)陀谙孪拗禃r，單片機(jī)輸出一個信號控制電磁閥打開，開始澆水，高于上限值時再由單片機(jī)輸出一個信號控制電磁閥關(guān)閉，停止?jié)菜?；?dāng)光照較強(qiáng)時，由單片機(jī)控制電機(jī)將窗簾拉下，遮擋陽光。溫度較高時，打開窗戶進(jìn)行散熱。 本文為陽臺自動養(yǎng)花進(jìn)行了初步探索和實驗，取得了一些對開發(fā)設(shè)計新產(chǎn)品有益的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗。關(guān)鍵詞：at89c51單片機(jī) 溫濕度傳感器 光照傳感器 c52程序 數(shù)字電路 abstractthe design of automatic maintenance system is based on pot soil temperature, humidity and light detection. it can control the electromagnetic valve, step motor and the window switch to achieve flowers who require conditions. soil temperature and humidity measurement and control of parts of the temperature and humidity includes test and automatic water system. soil temperature and humidity in the detection take the temperature and humidity sensor for inductive components. detect soil temperature and humidity value to single chip microcomputer at89c52, then it control the electromagnetic valve working. automatic watering water system intelligence part compares the limit that micro controller program set up for the water. when it lower the limit, scm outputs a open signal electromagnetic valve control ,then starting watering. when it is higher than the upper limit value, the single chip microcomputer output a signal control electromagnetic valve, closeing and stoping water; when light is stronger, the single chip microcomputer control motors will pull the curtain and shade from the sun. if higher temperature, open the window to cool. this article for the balcony to be automatic flowers were discussed , making some useful data and experience to develop the new products .key words: at89c52 , micro controller temperature and humidity sensor, clock chip ds1302, c51 program, digital circuit 43 目 錄第一章緒論.61.1 選題的目的與意義.61.2自動澆花器的誕生背景及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀.61.3本論文的主要研究內(nèi)容.8第二章系統(tǒng)的總體設(shè)計.92.1應(yīng)用場合與工作環(huán)境.92.2 系統(tǒng)預(yù)期功能與技術(shù)指標(biāo).102.3系統(tǒng)設(shè)計總體方案.102.4系統(tǒng)的工作原理.11第三章系統(tǒng)的硬件設(shè)計.123.1單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計.12 3.1.1單片機(jī)的選擇.123.1.2 at89s52簡介.123.1.3存儲器的配置.163.1.4時鐘電路和復(fù)位電路的設(shè)計.163.2 數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計.173.3 太陽能電池板充電電路.。233.4 輸出控制電路的設(shè)計第四章軟件系統(tǒng)的設(shè)計.314.1總體的設(shè)計思想.314.2傳感器控制模塊的設(shè)計.32第五章結(jié)論.345.1總結(jié).355.2展望.36附表.37第一章 緒論1.1 選題的目的和意義隨著現(xiàn)代社會的進(jìn)步，人民的生活水平越來越好。在家里養(yǎng)盆花能夠陶冶情操，使生活多姿多彩。而且，盆花通過光合作用能吸收二氧化碳，凈化空氣，在有花草的地方空氣中陰離子聚積較多，所以空氣也會特別清新，另外，有許多花木還可吸收空氣中的有害氣體，因此，如今許多的人喜愛養(yǎng)盆花。盆花澆水能否能做到適時適量，對養(yǎng)花成敗非常關(guān)鍵。但是，生活中人們經(jīng)常會有無暇顧及的時候，例如出差、旅游等。花草生長問題大部分是由花兒澆灌問題引起；好不容易種植幾個月的花草,如果澆水不及時，會長勢不好，美化家園的花草幾乎都成了“雞肋”；如果不種植了，家中沒有綠色的襯托，感覺會沒有生機(jī)；保留吧，花草長得不夠旺盛，會影響家庭的裝飾效果。雖然現(xiàn)在市面上有賣自動澆水器的，但價格十分的昂貴不說，并且大多都只能設(shè)定一個定時澆水的時間，不能做到給盆花適時適量澆水。較經(jīng)濟(jì)的盆花缺水報警器可以提醒人們及時的給盆花澆水，可是它只能報警，澆水還得需要人們親自動手，無法解決出差等出現(xiàn)的問題。當(dāng)家里沒人時，即使報警也會無人澆水，就起不到任何作用了。因此，我想通過設(shè)計一種集盆花土壤濕度檢測，溫度檢測，光照檢測以及自動澆水于一體的盆花自動澆水系統(tǒng)。讓盆花在人們無暇照顧時也能得到及時的澆灌。1.2自動澆花器的誕生背景及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 自動澆花器是隨著人們生活水平的提高和生活節(jié)奏的加快而誕生的一種園藝用品。它把微噴的概念用于家庭盆花澆灌中，通過一定的改進(jìn)，達(dá)到了給盆花合理自動澆水的目的。早在多年以前，國外就已經(jīng)開始普及電子類自動澆花器，國內(nèi)使用的多數(shù)是從國外進(jìn)口的，雖然價格昂貴，但質(zhì)量比較可靠。不過這不太適用于國內(nèi)，現(xiàn)在國內(nèi)比較流行的是用玻璃制作的自動澆花器。這種類型的澆花器大多數(shù)在我國山西和浙江一帶加工生產(chǎn)，價格比較低廉，但實用性沒有電子類自動澆花器好。目前，隨著國內(nèi)居民消費(fèi)水平和生活質(zhì)量的不斷提高，居家園藝市場非?；鸨墒怯捎谏罟?jié)奏的加快，種花容易養(yǎng)花難的問題也暴露出來了，而養(yǎng)花最重要的問題就是適量澆水問題。研究表明，花草80%以上的死亡是由于澆水不及時引起的，因此國內(nèi)的商家已經(jīng)看到了這種市場的需求潛力。目前這類產(chǎn)品的廠家主要集中在廣東，上海，浙江一帶，所出售的自動澆花器分為以下幾類： 電子類自動澆花器電子類自動澆花器也叫時控噴淋裝置，系統(tǒng)的主要構(gòu)成為：主機(jī)（控制器）、主管（可以是花園管，或者是4/7mm的微噴淋管）、分水接頭(6通、5通、4通、3通、分水器）、副管(3/5mm)、噴淋管（旋轉(zhuǎn)噴頭、折射霧化噴頭）等。電子類自動澆花器由于電源的不同，分為交流電自動澆花器和電池自動澆花器?？刂破鞯囊话阈阅馨ǎ弘姶砰y的控制；智能時控電路微電腦芯片的控制；適用的電源為ac220v/50hz；最適宜的水壓0.3-0.6mpa；待機(jī)功率（4va，澆水時12va）；可控制連續(xù)作業(yè)的時間是1分鐘至168個小時；能每天自動完成十次以上澆水作業(yè)，能每天、隔天、隔多天自動循環(huán)進(jìn)行澆水；每天計時的誤差小于正負(fù)3秒；電器的適應(yīng)環(huán)境溫度為-1050；相對濕度90%rh。 玻璃、陶瓷類自動澆花器玻璃、陶瓷類自動澆花器也叫自動滲水裝置，它是由本身材質(zhì)的物理結(jié)構(gòu)構(gòu)成，根據(jù)器具的物理滲水原理，完成自動澆灌。由于自動澆水器內(nèi)部存水，自身形成一定壓力，當(dāng)遇到干燥的土壤時，水會自上而下的流出，當(dāng)土壤濕潤之后，就會形成一個堵塞壓力，將導(dǎo)致水流速度變慢，甚至停止。器具工藝的不同，效果也會不一樣。當(dāng)然，土壤疏松情況也會決定水流速度。目前，由于傳感器與單片機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，其應(yīng)用逐漸從工業(yè)、軍事等領(lǐng)域滲透到其他領(lǐng)域，已經(jīng)與人們的日常生活息息相關(guān)。而且，智能家居的概念也越來越受人們的青睞，因此，單片機(jī)控制的電子類自動澆花器會有很好的發(fā)展前景。 隨著現(xiàn)代高科技的發(fā)展，各種智能家電與數(shù)碼產(chǎn)品已走進(jìn)人們的生活，網(wǎng)絡(luò)成為人們在現(xiàn)代生活中人際交往和獲取知識不可或缺的平臺。鑒于高科技的迅速發(fā)展，未來自動澆水控制系統(tǒng)也有望朝智能化、網(wǎng)絡(luò)化、綜合環(huán)境調(diào)控和高移植性方面發(fā)展。綜合環(huán)境調(diào)控 綜合環(huán)境調(diào)節(jié)，是以實現(xiàn)花卉的正常生長為目標(biāo)，讓影響花卉生長的多種環(huán)境參數(shù)(如光照、濕度、溫度等)都處于適宜花卉生長的狀態(tài)，并要盡可量使用最少量的環(huán)境調(diào)節(jié)裝置(遮光、采光、通風(fēng)、加溫、保溫、施用c02等)。 智能無人操作將是未來各種行業(yè)的發(fā)展趨勢，因為這不僅能大量節(jié)省人們的寶貴時間，而且還能更好的控制各種成分的細(xì)微比例，達(dá)到人們自己動手所不能做到的效果。高移植性 高移植性，是指修改系統(tǒng)的參數(shù)及設(shè)備后，即可應(yīng)用于其他的的環(huán)境下，省時省力，節(jié)省大量資金及研發(fā)成本。 在不久的將來，科技發(fā)展不僅可以實現(xiàn)對陽臺花卉的自動控制，而且能夠?qū)崿F(xiàn)其他公共場所花草樹木的自動灌溉，甚至可以加入視頻控制，遠(yuǎn)程控制，以便可以更大限度的節(jié)省人力物力，這將成為澆灌系統(tǒng)未來的發(fā)展趨勢。1.3畢業(yè)設(shè)計所采用的研究方法和手段 本次畢業(yè)設(shè)計是設(shè)計一種由單片機(jī)控制的自動澆水裝置，可實現(xiàn)陽臺盆花自動澆水的系統(tǒng)。該系統(tǒng)可通過土壤的溫濕度進(jìn)行監(jiān)控,對作物進(jìn)行適時、適量的澆水。其核心是單片機(jī)和溫濕度傳感器以及控制執(zhí)行電路構(gòu)成。主要研究土壤濕度與澆水量之間的關(guān)系、室內(nèi)溫度和光照及澆灌控制技術(shù)硬件、軟件編程各個部分。控制部分，單片機(jī)選用at89c52單片機(jī)；數(shù)據(jù)采集部分，溫度傳感器選用ds18b20溫度傳感器，濕度傳感器采用線性輸出濕度檢測模塊，光照傳感器lm324比較器。ds18b20采用comsens專利傳感器技術(shù)將溫度傳感器、a/d轉(zhuǎn)換器、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲器、標(biāo)準(zhǔn)i2c、數(shù)字接口、總線等電路全部集成在一個芯片內(nèi)。土壤濕度傳感器可將檢測到的土壤溫濕度模擬量進(jìn)行放大，然后轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸入單片機(jī)，通過單片機(jī)內(nèi)的中斷服務(wù)程序，判斷是否要給盆花澆水。若需澆水時,則單片機(jī)發(fā)出澆水信號，經(jīng)放大驅(qū)動設(shè)備,開啟電磁閥進(jìn)行澆水；若不需澆水,則進(jìn)行下一次循環(huán)檢測。溫度與光照也是經(jīng)數(shù)據(jù)采集部分，傳遞給控制部分，也就是單片機(jī)，然后驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)。第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計2.1應(yīng)用場合和工作環(huán)境 該單片片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)主要應(yīng)用于家庭陽臺或辦公室，價格低廉，而且操作方便。主要面向喜愛花卉，但沒有時間管理的人群。其工作環(huán)境溫度為040c。2.2 系統(tǒng)的預(yù)期功能和技術(shù)指標(biāo)2.2.1課題研究預(yù)期功能 現(xiàn)實生活中很多花卉的生長條件需要濕度、溫度和光照保持在一定的范圍內(nèi)，超出或者低于這個范圍將對花卉的生長產(chǎn)生不利影響。該單片機(jī)測控系統(tǒng)對花卉生長環(huán)境因子進(jìn)行實時信息數(shù)據(jù)采集、處理，而后單片機(jī)輸出命令，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)對環(huán)境溫度、濕度和光照強(qiáng)度的測控，達(dá)到花卉生長所需要的條件，并且有省時省工，節(jié)水節(jié)能的效果。具體功能如下:1、實現(xiàn)花卉按需灌溉功能。按照花卉對水分的需求，開啟和關(guān)閉灌溉系統(tǒng)，實現(xiàn)智能控制。具有成本低，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便等優(yōu)點(diǎn)。2、通過傳感器，對花卉生長的土壤濕度、環(huán)境溫度和光照強(qiáng)度進(jìn)行檢測，依據(jù)設(shè)定的植物生長要求所需的濕度、溫度和光照強(qiáng)度的上下限值，由單片機(jī)來控制電磁閥、開關(guān)窗戶和窗簾，從而調(diào)節(jié)濕度、溫度和光照。室內(nèi)溫度高于設(shè)定上限值時，自動打開窗戶進(jìn)行自然降溫；達(dá)到要求值時，則自動關(guān)閉。3、土壤濕度是室內(nèi)環(huán)境中的重要因子。當(dāng)土壤含水量過低，已不能滿足花卉生長最低需求時，就打開電磁閥進(jìn)行灌溉；當(dāng)濕度滿足要求時，關(guān)閉電磁閥。4、光照強(qiáng)度控制因子由于考慮到生產(chǎn)成本問題，本系統(tǒng)不足之處是沒有設(shè)計人工增光設(shè)備。只考慮到夏天光照強(qiáng)度高于設(shè)定上限值時，通過關(guān)閉窗簾，來降低光照。2.2.2系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)（夏天）要求具體見表2-1所示，其控制范圍也可以根據(jù)具體作物的生長需要來設(shè)定，%rh(relative humidity)為相對百分?jǐn)?shù) ，其中硬件成本單個制作會比批量生產(chǎn)大很多，因此盡量選取批量生產(chǎn)的硬件。 表2-1系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)控制參數(shù)土壤濕度%rh溫度光照強(qiáng)度lx太陽能電池板硬件總成本控制范圍6080203035萬尺寸112mm*65mm*4mm，開路6v，短路電流150ma50702.3系統(tǒng)設(shè)計總體方案2.3.1系統(tǒng)測控原理 在自動控制技術(shù)方面，有諸如開環(huán)、閉環(huán)反饋控制，自適應(yīng)控制，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等現(xiàn)代控制技術(shù)。其中，模糊控制技術(shù)雖然當(dāng)前應(yīng)用最廣泛，但一般用于有上、下位機(jī)的單片機(jī)控制系統(tǒng)。因此，本系統(tǒng)仍采用經(jīng)典的閉環(huán)控制技術(shù)，系統(tǒng)控制原理邏輯框圖，見圖2-2所示：電磁閥、電動機(jī)、步進(jìn)電機(jī) 溫度濕度光照花卉參數(shù)at89s52 給定值溫度濕度光照傳感器圖2-2閉環(huán)控制邏輯原理框圖2.3.2系統(tǒng)總體設(shè)計 （1）本文針對客觀需要，設(shè)計了一套濕度、溫度和光照信息采集與控制系統(tǒng)，確?；ɑ茉谏L的過程中有最適宜的生長環(huán)境。整個測控系統(tǒng)，包括傳感器、控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分構(gòu)成。整個系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，如圖所示：穩(wěn)壓濾波太陽能電池板電池充電集成電路放大電路濕度傳感器繼電器電磁閥溫度傳感器 單片機(jī) at89s52光照傳感器 （2）硬件電路中，控制器以at89s52單片機(jī)為核心，系統(tǒng)輸入由土壤水分傳感器、溫度傳感器和光照傳感器及傳感器信號處理電路組成，輸出執(zhí)行機(jī)構(gòu)由繼電器、執(zhí)行器構(gòu)成。（3）系統(tǒng)軟件用c語言作為編程語言，采用模塊式結(jié)構(gòu)設(shè)計。2.4系統(tǒng)的工作原理 在系統(tǒng)工作中，利用太陽能給電池充電，電池為整個系統(tǒng)提供電能，但電池輸出要經(jīng)過穩(wěn)壓模塊，防止電壓出現(xiàn)較大變化。首先，傳感器對濕度、溫度及光照進(jìn)行信息采集，轉(zhuǎn)換成電壓信號，即轉(zhuǎn)換為0-1數(shù)字信號后送入單片機(jī)中，與設(shè)定的所需要控制的濕度、溫度、光照值進(jìn)行比較，根據(jù)單片機(jī) at89s52中設(shè)置的參數(shù)，輸出相應(yīng)溫度、濕度、光照值對應(yīng)的被控對象電機(jī)和電磁閥的值，帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)作相應(yīng)的運(yùn)動，不斷接近單片機(jī)中的設(shè)置值。溫度過高時，單片機(jī)通過控制直流電機(jī)驅(qū)動器打開窗戶，進(jìn)行自然散熱；溫度適合時，則關(guān)閉窗戶。當(dāng)土壤濕度較低時，單片機(jī)通過繼電器控制電磁閥進(jìn)行澆水，澆水到濕度適中時，關(guān)閉電磁閥。光照檢測電路，將光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成電壓信號，輸入單片機(jī)，當(dāng)光照過強(qiáng)時，單片機(jī)控制關(guān)閉窗簾，光照適合時，打開窗簾。溫度、濕度和光照通過不斷地檢測與控制，使環(huán)境因子達(dá)到適宜花卉生長的動態(tài)平衡。第三章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計 3.1.1單片機(jī)的選擇 由于電子技術(shù)的迅速發(fā)展，使得計算機(jī)在不斷更新?lián)Q代。其中單片機(jī)技術(shù)更是一枝獨(dú)秀，在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，大大提高了自動化程度。 單片機(jī)由于具有體積小，價格低廉，穩(wěn)定可靠，功能強(qiáng)大，運(yùn)算速度快，擴(kuò)展容易，功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，使用方便靈活，系列齊全等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制、智能儀器儀表、自動監(jiān)測、家用電器等領(lǐng)域。單片機(jī)成為當(dāng)今世界上應(yīng)用面最廣、銷售量最大、價格最便宜的微型計算機(jī)產(chǎn)品。 目前，世界上最具實力的單片機(jī)開發(fā)公司有:美國的intel，atmel，德國的siemens，荷蘭的philips等。其中intel公司一直處于領(lǐng)先地位，主要有mcs-51、mcs-46和mcs-96三大系列，其中mcs-51系列是在 1980年推出的8位高檔單片機(jī)，代表了單片機(jī)的未來發(fā)展方向，并迅速成為單片機(jī)領(lǐng)域中的主流產(chǎn)品。atmel公司的89系列flash單片機(jī)用 intel80c51/52作為內(nèi)核，采用可重復(fù)編程flashrom技術(shù)，是一種源于8051，而又優(yōu)于8051的單片機(jī)，已成為廣大mcs-51用戶進(jìn)行電子設(shè)計與開發(fā)的優(yōu)選單片機(jī)品種。根據(jù)客觀情況與要求，本系統(tǒng)選用了atmel公司89系列標(biāo)準(zhǔn)型單片機(jī)at89s52，其價格適中，功能強(qiáng)大，適合本系統(tǒng)的設(shè)計。3.1.2 at89s52簡介at89s52是一個高性能，低功耗cmos 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k bytes isp(in-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的flash只讀程序存儲器。3.1.2.1單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖與基本特征 at89s52內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3-1所示： 1、基本特征 與mcs-51單片機(jī)產(chǎn)品能夠兼容 8k字節(jié)在系統(tǒng)，可編程flash存儲器，256字節(jié)ram 可反復(fù)擦寫至少1000次 三級加密程序存儲器 全靜態(tài)操作：0hz33hz 32個可編程i/o口線 八個中斷源 三個16位定時器/計數(shù)器 全雙工uart串行通道 低功耗空閑和掉電模式 掉電后中斷可喚醒 雙數(shù)據(jù)指針 看門狗定時器 掉電標(biāo)識符 圖3-1at89s52外部引腳3.1.2.2引腳配置及功能 at89s52單片機(jī)共有40個引腳，排列是cmos工藝雙列直插封裝(dip)，其引腳配置見圖3-1所示，各引腳的功能簡述如下: 1、主電源引腳vcc: 電源端，+5v 。gnd: 接地 2、4個8位i/o端口：p0、p1、p2和p3 p0口：po口是一個8位漏級開路雙向工i/0口，每個引腳能吸收8個ttl門電流。 p1口：p1口為一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向i/0口，p1口緩沖器可接收和輸出4個ttl門電流。 p2口：p2口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向i/0口。 p3口：p3口管腳是帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/0口。當(dāng)p3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，用作輸入電流使用。當(dāng)外部下拉為低電平時，p3口將輸出電流(ill)，這是由于上拉所致。p3口同時也可作為at89s52的一些特殊功能口，如下表1所示: 口管腳 備選功能 p3.0 rxd 串行輸入口 p3.1 txd 并行輸入口 p3.2 /int0 外部中斷0 p3.3 /int1 外部中斷1 p3.4 t0 計時器0外部輸入 p3.5 t1 計時器1外部輸入 p3.6 / 外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通 p3.7 / 外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通 表1 p3口的特殊功能3、控制信號引腳 rst：復(fù)位輸入。在振蕩器器件復(fù)位時，要保持rst腳兩個機(jī)器周期為高電平時間。 ale：低電平有效，當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用來鎖存地址的低位字節(jié)。 psen：低電平有效，外部程序存儲器的選通信號。 ea/v: ea處于低電平時，外部程序存儲器(0000h-fffh)，不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式為1時，都將內(nèi)部鎖定為reset；當(dāng)ea端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在flash編程期間，此引腳也用于施加12v編程電源(vpp)。 4、時間振蕩電路 xtal1：反向振蕩放大器的輸入及其內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 xtal2：來自反向振蕩器的輸出。3.1.3存儲器的配置 at89系列單片機(jī)的存儲器采用的數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器分開編址的，它們有各自的控制信號、尋址系統(tǒng)和特定功能。數(shù)據(jù)和程序存儲器在物理和邏輯上均分為兩個地址空間:外部存儲空間和內(nèi)部存儲空間。由于本系統(tǒng)的代碼程序不太大，at89s521片內(nèi)的8kb rom與閃速存儲器256字節(jié)的ram即可滿足要求，所以無需擴(kuò)展片外rom跟ram。3.1.4時鐘電路與復(fù)位電路的設(shè)計1、時鐘電路設(shè)計 at89s52單片機(jī)內(nèi)部含有振蕩器，可以作為cpu的時鐘源。本系統(tǒng)時鐘選用內(nèi)部方式。at89s52內(nèi)部有一個高增益的反相放大器，通過xtal1(輸入端)、xtal2(輸出端)外接，作為反饋元件的片外石英晶體(或陶瓷諧振器)和電容c1、c2組成并聯(lián)諧振電路后，便構(gòu)成片內(nèi)自激振蕩器，從而利用它內(nèi)部的振蕩器產(chǎn)生時鐘。連接方法見圖3-2所示，其中晶體呈感性，其決定著振蕩器的振蕩頻率；電容cl，c2對有微調(diào)頻率的作用。電路中的反饋元件選用石英晶體，電容cl和c2均為22pf，晶體與電容的安裝位置應(yīng)盡量靠近單片機(jī)。圖3-2時鐘電路2、復(fù)位電路設(shè)計 89系列單片機(jī)在啟動時也需要復(fù)位，使cpu及系統(tǒng)各部件處于一定的初始狀態(tài)，并從初始態(tài)開始工作。按下sw鍵，電源對電容充電，使rst端快速到達(dá)高電平；松開按鍵，電容向芯片內(nèi)阻放電，rst恢復(fù)為低電平，從而使單片機(jī)迅速可靠復(fù)位，一般電阻r1選470，電阻r2選8.2k，電容選22uf。at89s52的按鍵復(fù)位電路見圖3-3，電路簡單可靠。圖3-3 按鍵復(fù)位電路3.2太陽能電池板充電電路3.2.1 充電芯片的選擇cn3068是可以對單節(jié)可充電鋰電池進(jìn)行恒流/恒壓充電的充電器電路。該器件內(nèi)部包括功率晶體管，應(yīng)用時不需要外部的電流檢測電阻和阻流二極管。cn3068只需要極少的外圍元器件，熱調(diào)制電路可以在器件的功耗比較大或者環(huán)境溫度比較高的時將芯片溫度控制在安全范圍內(nèi)。內(nèi)部固定的恒壓充電電壓為4.2v，也可以通過一個外部的電阻調(diào)節(jié)。充電電流通過一個外部電阻設(shè)置。當(dāng)輸入電壓掉電時，cn3068自動進(jìn)入低功耗的睡眠模式，此時電池的電流消耗小于3微安。其它功能包括輸入電壓過低鎖存，自動再充電，電池溫度監(jiān)控以及充電狀態(tài)/充電結(jié)束狀態(tài)指示等功能。3.2.1.1詳細(xì)描述 cn3068是專門為一節(jié)鋰電池而設(shè)計的線性充電器電路，利用芯片內(nèi)部的功率晶體管對電池進(jìn)行恒流和恒壓充電。充電電流可以用外部電阻編程設(shè)定，最大持續(xù)充電電流可達(dá)500ma，不需要另加阻流二極管和電流檢測電阻。cn3068包含兩個漏極開路輸出的狀態(tài)指示輸出端，充電狀態(tài)指示端stat2和充電結(jié)束指示輸出端stat1。芯片內(nèi)部的功率管理電路在芯片的結(jié)溫超過115時自動降低充電電流，這個功能可以使用戶最大限度的利用芯片的功率處理能力，不用擔(dān)心芯片過熱而損壞芯片或者外部元器件。這樣，用戶在設(shè)計充電電流時，可以不用考慮最壞情況，而只是根據(jù)典型情況進(jìn)行設(shè)計就可以了，因為在最壞情況下，cn3068會自動減小充電電流。 當(dāng)輸入電壓大于電源低電壓檢測閾值和電池端電壓時，cn3068開始對電池充電，stat2管腳輸出低電平，表示充電正在進(jìn)行。如果電池電壓kelvin檢測輸入端(fb)的電壓低于3v，充電器用小電流對電池進(jìn)行預(yù)充電。當(dāng)電池電壓kelvin檢測輸入端(fb)的電壓超過3v時，充電器采用恒流模式對電池充電，充電電流由ir管腳和gnd之間的電阻rir.確定。當(dāng)電池電壓kelvin檢測輸入端(fb)的電壓接近電池端調(diào)制電壓時，充電電流逐漸減小，cn3068進(jìn)入恒壓充電模式。當(dāng)充電電流減小到充電結(jié)束閾值時，充電周期結(jié)束，stat2端輸出高阻態(tài)，stat1端輸出低電平，表示充電周期結(jié)束，充電結(jié)束閾值是恒流充電電流的10%。如果要開始新的充電周期，只要將輸入電壓斷電，然后再上電就可以了。當(dāng)電池電壓kelvin檢測輸入端(fb)的電壓降到再充電閾值以下時，自動開始新的充電周期。芯片內(nèi)部的高精度的電壓基準(zhǔn)源，誤差放大器和電阻分壓網(wǎng)絡(luò)確保電池端調(diào)制電壓的誤差在1%以內(nèi)，滿足了電池的要求。當(dāng)輸入電壓掉電或者輸入電壓低于電池電壓時，充電器進(jìn)入低功耗的睡眠模式，電池端消耗的電流小于3ua，從而增加了待機(jī)時間。cn3068的管腳排列如圖3-4所示：cn3068 11fbtemp irstat2 gndstat1 vccbat 圖3-4cn3068的管腳排列 3.2.1.2 cn3068特點(diǎn)：（1）輸入電壓范圍：4.35v 到 6v （2）不需要外部阻流二極管和電流檢測電阻 （3）恒壓充電電壓 4.2v，也可外接電阻調(diào)整恒壓充電電壓（4）可設(shè)置的持續(xù)恒流充電電流可達(dá) 500ma （5）采用恒流/恒壓/恒溫模式充電，既可以使充電電流最大化，又可以防止芯 片過熱 （6）電源電壓掉電時自動進(jìn)入低功耗的睡眠模式 （7）充電狀態(tài)和充電結(jié)束狀態(tài)雙指示輸出（8）封裝形式sop8 (9)無鉛產(chǎn)品 3.2.2穩(wěn)壓電路的選擇 穩(wěn)壓電源電路采用lm7805系列集成穩(wěn)壓器，可以輸出正5v直流電壓。c7、c8分別為輸入端和輸出端采用濾波電容，輸出端接一個齊納二極管進(jìn)一步穩(wěn)定輸出電壓。3.2.3 過充保護(hù)電路 為了防止把電池充壞，本系統(tǒng)還采用了簡單自己設(shè)計的過沖保護(hù)電路，本電路還需以后的實驗驗證。在不發(fā)生過充時，由于二極管d1的阻隔三極管不導(dǎo)電。當(dāng)充電電壓升到5v左右時，三極管（2n3055）開始導(dǎo)通，它對電池進(jìn)行分流，以防止過充。q1應(yīng)裝在中等尺的散熱板上。q1選用低電壓的齊納管。 太陽能電池板充電的電路圖如圖3-5所示： 圖3-5太陽能電池板充電的電路圖 電池正極的恒壓充電電壓為： vbat 4.23.0410-6rx 其中，vbat的單位是伏特 rx的單位是歐姆 太陽能電池板采用尺寸112mm*65mm*4mm，開路6v，短路電流150ma。充電池采用四節(jié)鎳鎘電池。3.3數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計3.3.1傳感器的選擇3.3.1.1傳感器基本概念 傳感器技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和通信計算機(jī)機(jī)技術(shù)構(gòu)成了現(xiàn)代信息技術(shù)，迅速成為信息時代的三大支柱產(chǎn)業(yè)。后兩者得到了迅速發(fā)展，但傳感器技術(shù)卻發(fā)展滯后。傳感器技術(shù)的發(fā)展是衡量一個國家科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志。 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)(gb/t7665-1987傳感器通用術(shù)語)規(guī)定了傳感器的定義為：“能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置”，通常由轉(zhuǎn)換元件和敏感元件組成。其中敏感元件是指傳感器中能直接感受(或響應(yīng))被測量的部分，被測量一般是非電量；轉(zhuǎn)換元件是指傳感器中能將敏感元件感受(或響應(yīng))的被測量轉(zhuǎn)換成適于測量或傳輸?shù)碾娦盘柌糠帧?傳感器技術(shù)在我國的設(shè)施農(nóng)業(yè)中已發(fā)揮著重要的作用，主要用于對環(huán)境參數(shù)的獲取。根據(jù)檢測的對象，可分為土壤環(huán)境和空氣環(huán)境。前者包括土壤溫度、土壤ph值、土壤含水量；后者包括溫度、濕度、光照度、二氧化碳等。傳感器的原理如圖3-6所示：被測敏感元件接口電路轉(zhuǎn)換元件量電信號輔助電源圖3-6傳感器的原理3.3.1.2溫度傳感器的選擇 溫度是一個同人類的生活和工作息息相關(guān)的物理量，也是科學(xué)技術(shù)中最重要和常出現(xiàn)的物理量。常用的溫度傳感器有熱敏電阻、集成溫度傳感器、熱電偶、熱電阻等。 (1)熱敏電阻:利用半導(dǎo)體電阻隨溫度變化而明顯變化的特性制成的半導(dǎo)體測溫元件。目前使用最多的是陶瓷熱敏電阻。它的優(yōu)點(diǎn)是:靈敏度高，穩(wěn)定性好，工作溫度范圍大，體積小，過載能力強(qiáng)。它的不足之處是非線性，且互換性較差。 (2)熱電偶:利用物理學(xué)中金屬熱電效應(yīng)制成的溫度傳感器。具有結(jié)構(gòu)簡單、互換性好的優(yōu)點(diǎn)，是500-800溫區(qū)的首選最優(yōu)溫度傳感器。 (3)pn結(jié)溫度傳感器:實質(zhì)是利用晶體二極管、三極管的pn結(jié)電壓隨溫度變化而變化的原理制成的溫度傳感器。具有線性度好、熱慣性小、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是互換性差。 (4)集成溫度傳感器:是將濕敏元件、偏置電路、放大電路及線形化電路集成在同一芯片上的測溫元件。與其它傳感器相比較，線性度和一致性較好，而且體積小，使用方便。據(jù)據(jù)實際情況，溫室內(nèi)溫度變化范圍為0-40，變化范圍較小，并且變化速度較慢，因而傳感器的反應(yīng)速度不需要太高。通過分析比較上述幾種溫度傳感器的性能與實際情況的聯(lián)系，選擇使用集成溫度傳感器ds18b20。它具有結(jié)構(gòu)簡單，不需要外接電路，故只需使用一根 i/0 數(shù)據(jù)線，就能既供電又傳輸數(shù)據(jù)；具有體積小，轉(zhuǎn)換快，分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于需測量和控制溫度的領(lǐng)域。所測溫度經(jīng)p2.7口輸入單片機(jī)，與設(shè)定溫度進(jìn)行比較。如溫度大于給定溫度時，控制步進(jìn)電機(jī)，打開窗戶；當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度時，控制步進(jìn)電機(jī)，關(guān)閉窗戶。ds18b20簡介dallas半導(dǎo)體公司研發(fā)的數(shù)字化溫度傳感器ds18b20成為世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器。由于一線總線獨(dú)特經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶能輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為構(gòu)建測量系統(tǒng)引入了全新的概念?，F(xiàn)在，新一代ds18b20體積更小、更靈活、更經(jīng)濟(jì)。ds18b20與ds1820一樣，ds18b20也支持“一線總線接口”，測量溫度范圍是-55c +125c，在-10c 85c范圍內(nèi)精度是0.5c?，F(xiàn)場的溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式進(jìn)行傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性能。該測溫類電子產(chǎn)品適用于惡劣環(huán)境下的現(xiàn)場溫度測量，例如設(shè)備、環(huán)境控制或過程控制。與前代產(chǎn)品不同的是，新一代產(chǎn)品支持的電壓范圍為3v5v，使系統(tǒng)設(shè)計更方便靈活，而且新一代產(chǎn)品不但體積更小，而且性價比越高。ds18b20的特征獨(dú)特的單線接口，一個端口引腳即可進(jìn)行通訊每個器件存儲在內(nèi)部存儲器的序列號中有64位多點(diǎn)分布式的測溫應(yīng)用簡單方便測溫范圍是-55c +125c（-67 +257f），在-10c 85c范圍內(nèi)的精度為0.5c使用者選擇為912位數(shù)字的溫度計分辨率將溫度轉(zhuǎn)換為12位數(shù)字最多需75毫秒用戶可自定義非易失性溫度報警裝置報警搜索命令能夠識別并標(biāo)志超過程序所限定溫度（溫度報警條件）的器件應(yīng)用包括溫度控制、消費(fèi)品、工業(yè)系統(tǒng)、溫度計或任何熱感測系統(tǒng)ds18b20同測溫軟件ad590相比較而言，其外圍的硬件電路更加簡單，它可通過一個單線接口接受或發(fā)送信息，也就是說僅需一條連接線即可與單片機(jī)連接，無需外部電源和ad轉(zhuǎn)換電路，安裝使用起來特別方便，節(jié)省了大量的成本。ds18b20的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-7所示：存儲器和控制邏輯64位rom和單線接口高速緩存存儲器溫度靈敏器件內(nèi)部vdd低溫觸發(fā)器tl高溫觸發(fā)器th電源探測配置寄存器8位crc生成器圖3-7ds18b20內(nèi)部結(jié)構(gòu)ds18b20的引腳如圖所示：dallasds18b20 gnddqvcc圖 ds18b20外部引腳引腳說明：gnd 接地，vcc接電源， dq 是數(shù)據(jù)io口。 ds18b20構(gòu)成的測溫系統(tǒng)，只需要外接一個上拉電阻就能實現(xiàn)與單片機(jī)之間的通訊。簡單的溫度檢測電路如圖3-8所示： 圖3-8溫度檢測電路3.3.1.3濕度傳感器的選擇 濕度是表征空氣中所含水蒸氣含量的物理量，常用相對濕度和絕對濕度來表示。影響植物生長的濕度用相對濕度來表示。準(zhǔn)確快速采集花卉生長環(huán)境的濕度信息，對于植物生長環(huán)境是否為最佳狀態(tài)極為重要。 針對室內(nèi)環(huán)境的具體情況，對濕度傳感器應(yīng)有以下的要求：可應(yīng)用在線監(jiān)測，容易實現(xiàn)自動化，有良好的精確度和靈敏度、量程寬，測濕的范圍為0-100%rh，檢測的壽命長，穩(wěn)定性高，可靠性好，傳感器輸出濕度檢測是線性的。 土壤濕度是最重要和最常用的土壤信息，它能夠科學(xué)地控制和調(diào)節(jié)土壤水分狀況，進(jìn)行合理的節(jié)水灌溉，實現(xiàn)科學(xué)用水。植物的生長環(huán)境一般要求土壤水分占土壤持水量的60%80%最適宜。因此，準(zhǔn)確迅速地測出土壤含水量，能夠適時作出灌溉施肥決策或排水措施，使植物生長發(fā)育期內(nèi)保持最適宜的土壤水分。 目前，直接測定土壤水分的方法主要有烘干法、電容法、間接測量可用石膏電阻塊、時域反射儀 (tdr)、中子儀和張力計等。 考慮到電路的復(fù)雜程度及成本問題，本系統(tǒng)可采用簡單電路，控制土壤濕度保持在60%80%之間。 土壤水分檢測電路是由兩個三極管v1、v2及部分外圍元件組成的。石墨電極的電阻隨濕度變化而改變，土壤濕度變大時，其體電阻也隨之增大， v1因其基極電位增高而截止，從而造成v2也截止，使其集電極的輸出為低電平。當(dāng)土壤含水量降低到規(guī)定值以下時，v1由于其基極電位降低而導(dǎo)通，于是v2也導(dǎo)通，從而v 2 集電極輸出的是高電平，使單片機(jī)控制電磁閥打開，開始澆水；當(dāng)土壤含水量達(dá)到規(guī)定值時，檢測電路的v2管輸出的高電平，由反向器u6反向后，輸出低電平，經(jīng)p2.5端輸入單片機(jī)，從而控制電磁閥關(guān)閉。調(diào)節(jié)res的阻值，能夠控制土壤濕度的范圍在60%-80%之間，具體的阻值經(jīng)后期實驗測定。土壤濕度傳感器的工作原理，如圖3-9所示：圖3-9濕度傳感器電路組成3.3.1.4光照檢測電路的選擇 花卉生長的需要光照。光照是植物制造營養(yǎng)物質(zhì)的源泉，是進(jìn)行光合作用的必要條件。沒有光照或光照較弱時，花卉的生長發(fā)育就會受到明顯的影響。準(zhǔn)確快速地測出花卉生長環(huán)境的光照強(qiáng)度，才能及時做出調(diào)控，確保作物生長的光照環(huán)境狀態(tài)最佳。 光電傳感器是在光電檢測系統(tǒng)中，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的重要器件。它是用光電元件作為轉(zhuǎn)換器件的傳感器，是把光信號(可見、紅外及紫外光輻射)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕脑?。能夠檢測直接引起光量變化的各種非電量，如光強(qiáng)、氣體成分、輻射測溫等;也被用來檢測轉(zhuǎn)換成光量的其他各種非電量。光電式傳感器具有性能可靠、非接觸、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。 本系統(tǒng)設(shè)計的光照檢測電路采用了lm324作為比較器，光電三極管作為感光器件。光照強(qiáng)度較弱時，光電三極管導(dǎo)通，使lm324輸出低電平，單片機(jī)接受低電平信號后，從而控制步進(jìn)電機(jī)工作，拉開窗簾，達(dá)到補(bǔ)充光照的目的。光照檢測電路，如圖3-10所示：圖3-10光照檢測電路3.4輸出控制電路的設(shè)計 自動控制系統(tǒng)，利用傳感器對受控對象進(jìn)行信息數(shù)據(jù)的實時采集轉(zhuǎn)化，輸入單片機(jī)的cpu進(jìn)行處理，而后輸出控制驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)或器件的命令，使其產(chǎn)生相應(yīng)的動作，通過改變被控對象來調(diào)整被測參量，使被測參量始終處于所要求的范圍之內(nèi)。 單片機(jī)完成在信息處理后，通過數(shù)據(jù)總線或i/o口線輸出命令，控制被控對象。驅(qū)動受控設(shè)備時，一般采用數(shù)字量或模擬量兩種驅(qū)動方式。數(shù)字量輸出控制由于自身獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，已廣泛地被應(yīng)用于單片機(jī)控制的測控系統(tǒng)中，特別是開關(guān)量輸出控制和驅(qū)動。目前，由于單片機(jī)i/0口線和與cpu直接接口的cmos電路或ttl電路的驅(qū)動能力很有限，還不足以驅(qū)動某些功率開關(guān)(如繼電器、電磁開關(guān)、電機(jī)等)和大功率負(fù)載。另外，由于工作環(huán)境惡劣，控制對象及周圍的電磁干擾現(xiàn)象嚴(yán)重，輸出控制電路的設(shè)計主要是為了解決功率驅(qū)動和干擾防治問題。其邏輯原理框圖，如圖3-11所示:光耦單片機(jī)輸出驅(qū)動開關(guān)量執(zhí)行器件繼電器圖3-11輸出通道控制示意圖 本系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)和器件只存在開啟和關(guān)閉兩種狀態(tài)，采用了開關(guān)量輸出控制，通過i/0口傳遞到受控對象，再通過輸出功率放大電路后，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接推動被控對象。 由于單片機(jī)與功率放大電路容易受到電磁干擾，故系統(tǒng)采用光電耦合器、輸出隔離等來抗電磁干擾。在整個的開關(guān)量輸出電路中，動力設(shè)備在啟停時的沖擊干擾是最大的。開關(guān)量輸出隔離是隔斷執(zhí)行機(jī)構(gòu)與單片機(jī)之間的電氣聯(lián)系，防止外界電磁場、電位差等干擾因素造成執(zhí)行器件的錯誤動作，甚至損壞智能儀器。 目前，開關(guān)量輸出驅(qū)動常用的隔離器件主要有：功率晶體管、繼電器和光電耦合器等。功率晶體管主要應(yīng)用于電流不需太大的電路中，常被用來驅(qū)動led顯示、微型繼電器等。繼電器是通過改變金屬的觸點(diǎn)位置，使定觸點(diǎn)和動觸點(diǎn)分開與閉合。繼電器的優(yōu)點(diǎn)是接觸電阻小，高耐壓、流過電流大，能夠直接控制強(qiáng)電回路，可靈活安排外電路，且能夠放大電流，是一種性能優(yōu)良的開關(guān)量輸出器件。光電耦合器件的輸入信號與輸出信號在電氣上完全隔離，且隔離電壓可達(dá)千伏以上，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高。除具有無觸點(diǎn)，響應(yīng)速度快，壽命長，與ttl電路容易配合使用等優(yōu)點(diǎn)外，兼有隔離驅(qū)動功能。不過，光電耦合的負(fù)載能力不如繼電器強(qiáng)。 本系統(tǒng)中受控對象都需要用到功率驅(qū)動元件，其中電磁閥5v/個、天窗電機(jī)10w/臺。直流電磁閥由于具有使用方便，高效節(jié)能，高靈敏度，壽命長，可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，適用小型自動供水，被應(yīng)用于系統(tǒng)中。天窗電機(jī)選用日本/think系列/直流馬達(dá)/dc24v/小齒輪減速電機(jī)。前置隔離功放驅(qū)動電路采用繼電