智能花盆自动浇水系统的设计

盆花自动浇水系统的设计

测控07级2班指导老师：

摘要：本次设计的盆花自动浇水系统包括土壤温湿度的检测与控制和蓄水箱自动上水及水位报警两大部分。土壤温湿度的检测与控制部分又包括了土壤温湿度的检测和显示、自动浇水系统。土壤温湿度的检测和显示以温湿度传感器SHT-11为感应部件，将检测到的土壤温湿度值送入AT89C51单片机，再由其输出到LCD屏进行显示。自动浇水系统设计为智能和手动两个部分：智能浇水部分是通过单片机程序设定浇水的上下限值与SHT-11送入单片机的土壤湿度值相比较，当低于下限值时，单片机输出一个信号控制电磁阀打开，开始浇水，高于上限值时再由单片机输出一个信号控制电磁阀关闭，停止浇水；手动部分是由单片机从时钟芯片DS1302读入月份与每天的实时时刻，通过软件程序设定定时浇水的时间与浇水的量。蓄水箱自动上水及水位报警采用纯硬件电路控制，实现水箱水位实时监测、自动上水以及水位上下限报警的功能。

关键词：AT89C51单片机 SHT-11温湿度传感器 LCD DS1302时钟芯片 C51程序数字电路

Design of potted flowers automatic watering system Abstract：The design of the automatic watering system includes soil pot humidity detection and display, automatic watering and storage box automatic water and water level alarm three parts. S- oil testing and display of temperature and humidity system takes Temperature and humidity sen- sor SHT - 11 as inductive components, it will detect the soil temperature and humidity value and input the value to the AT89C51 microcontroller,then the temperature and humidity value will be output to LCD screen displayed. Automatic watering system design for intelligence and manual two parts.Intelligent watering part through the microcontroller program setting the upper and lo- wer water attained,then comparing this upper and lower water attained with the vale that throug -hing SHT-11 inputting to the microcontroller. When below the limit SCM outputs a signal to o- pening the Electromagnetic valve ,and Start watering .if Above the upper limit value,the SCM will output another signal to Turnning off the Electromagnetic valve ,and Stop watering. Manual part read the time from the clock chip DS1302 by microcomputer. Through software program to setting the regular watering'time and Watering amount.Storage box Water level control system u- ses Pure hardware control. Realizing real-time monitoring water tank, Automatic water supply and Level alarming function.

Keywords: AT89C51 microcontroller; SHT - 11 temperature and humidity sensor; LCD; clock chip DS1302;C51 program; Digital circuit

目录

1、绪论 (1)

1.1 选题的目的和意义 (1)

1.2自动浇花器的诞生背景及国内外发展现状 (1)

1.3毕业设计所采用的研究方法和手段 (2)

2、AT89C51单片机 (4)

2.1 AT89C51单片机的基本组成 (4)

2.2 AT89C51主要特性 (5)

2.3管脚说明 (5)

2.4 AT89C51单片机的存储器 (7)

2.4.1 程序存储器 (7)

2.4.2 数据存储器 (8)

2.5 振荡电路和时钟 (9)

2.6 AT89C51的中断系统 (10)

2.6.1 中断系统结构和中断控制 (10)

2.6.2 中断响应过程 (12)

2.7 定时器/计数器 (12)

2.7.1定时器/计数器0和1简介 (12)

2.7.2 与定时器/计数器0和1相关的特殊功能寄存器 (13)

3、温湿度传感器 (14)

3.1 数字温湿度传感器SHT-11 (15)

3.2 SHT-11的传感器输出 (16)

3.2.1 湿度值输出 (17)

3.2.2 温度值输出 (17)

3.2.3 露点计算 (18)

3.2.4 非线性校正及温度补偿 (18)

3.3 SHT-11的特性 (19)

3.3.1 SHT-11的特点 (19)

3.3.2 SHT的详细规格 (19)

3.4 SHT-11的引脚 (20)

3.5 SHT-11的的内部命令与接口时序 (21)

3.5.1 SHT-11的内部命令 (21)

3.5.2 SHT-11的命令顺序及命令时序 (21)

3.5.3 SHT-11的状态寄存器 (22)

3.6 硬件接口 (23)

3.7 恢复处理 (23)

3.8 SHT-11的相关程序 (24)

4、DS1302时钟芯片 (30)

4.1 DS1302时钟芯片的简介 (30)

4.2 引脚 (30)

4.3 命令字节 (31)

4.4 DS1302的相关程序 (34)

5、液晶显示器LCD (38)

5.1 液晶显示器的分类 (38)

5.2 AMPIRE 128×64 (38)

5.2.1 LCD 128×64引脚功能 (39)

5.2.2 KS0108控制器指令功能 (40)

5.2.3 应用说明 (42)

5.2.4 LCD相关程序 (42)

6、盆花自动浇水系统的设计 (49)

6.1 土壤温湿度检测与控制 (49)

6.1.1 硬件电路设计 (49)

6.1.2 系统软件设计 (53)

6.2 蓄水箱自动供水系统 (65)

6.2.1基本的导电理论 (66)

6.2.2系统工作原理 (67)

6.2.3 系统硬件组成 (66)

6.2.4 系统电路连接 (70)

6.2.5 参数计算 (71)

6.2.6 水箱水位控制系统检测 (71)

7、总结 (73)

8、致谢 (74)

参考文献 (75)

1、绪论

1.1选题的目的和意义

随着社会生活的进步，人们的生活质量越来越高。在家里养盆花可以陶冶情操、丰富生活。同时，盆花通过光合作用可吸收二氧化碳，净化室内空气，在有花木的地方空气中阴离子聚积较多，所以空气也特别清新，而且有许多花木还可吸收空气中的有害气体，因此，养盆花如今被许多的人所喜爱。

盆花浇水量是否能做到适时适量，是养花成败的关键。但是，在生活中人们总是会有无暇顾及的时候，比如工作太忙或者出差、旅游等。花草生长问题80%以上是由花儿浇灌问题引起；好不容易种植几个月的花草,因为浇水不及时，长势不好，用来美化家园的花草几乎成了“鸡肋”；不种植了吧，家中没有绿色衬托感觉没有生机；保留吧，花草长得不够旺盛，还影响家庭装饰效果。虽然目前市面上有卖盆花自动浇水器的，但价格十分的昂贵，并且大多只能设定一个定时浇水的时间，很难做到给盆花适时适量浇水。也有较经济的盆花缺水报警器，可以提醒人们及时的给盆花浇水。可是这种报警器只能报警，浇水还是需要人们亲自动手。当家里无人时，即使报警也无人浇水，就起不到应有的作用了。因此，我想通过设计一种集盆花土壤湿度检测，自动浇水以及蓄水箱自动供水于一体的盆花自动浇水系统。让盆花在人们无暇照顾时也能得到及时的浇灌。

1.2自动浇花器的诞生背景及国内外发展现状

微喷系统是近几年利用国内外先进技术组装的新型灌溉设施，主要是利用水流通过低压管道系统以一定速度从特制的喷头喷出，在空气中分散成细小的水滴，着落在花草植物、作物及周围的地面上，从而达到及时补充水分的目的。该系统具有用水量少、冲击力小的灌溉特性，适用于栽培密度大、植株柔软细嫩的植物。自动浇花器的诞生是随着人们生活水平的提高和生活节奏的加快而诞生的一种懒人园艺用品。它把微喷的概念应用于家庭盆花浇灌中，通过相应的改进，达到合理给盆花自动浇水的目的。

早在很多年前，国外就已经开始普及，国内使用的电子类自动浇花器多数从国外进口的，价格昂贵，但质量比较可靠。不过这并不太适用于国内，目前国内外比较流行的是玻璃制作的自动浇花器。这种类型的浇花器多数在我国山西和浙江一带加工生产的，价格比较低廉，实用性没有电子类自动浇花器好。随着国内居民消费水平和生活质量的提高，居家园艺市场异常火爆，但是由于生活节奏加快，种花容易养花难的问题暴露出

来，而养花最重要的问题就是浇水问题，研究表明花草80%以上的死亡由于浇水不及时引起，因此国内商家已经看到了这种需求潜力。目前这类小居家用品的厂家主要集中在广东，上海，浙江一带。现在市面上所出售的自动浇花器主要有以下几类：

⑴电子类自动浇花器

电子类自动浇花器又叫时控喷淋装置，系统构成为：主机（或者控制器）、主管（可以是花园管也可以是4/7mm的微喷淋管）、分水接头(3通、4通、5通、6通、分水器）、副管(3/5mm)喷淋管（雾化喷头、旋转喷头、折射雾化喷头等）。

电子类自动浇花器根据电源的不同分为交流电自动浇花器和电池自动浇花器两种。控制器的一般性能有：电磁阀控制；智能时控电路?微电脑芯片控制；适用电源为

AC220V/50H Z；最适宜水压0.3-0.6Mpa；待机功率（4VA，浇水时＜12VA）；可控制连续作业时间是1分钟至168个小时；可每天自动完成十次以上浇水作业，可每天、隔天、隔多天自动循环进行浇水，手动自动两用；每天计时误差小于正负3秒；电器适应环境温度为-10～50℃；相对湿度＜90%RH。

⑵玻璃、陶瓷类自动浇花器

玻璃、陶瓷类自动浇花器又叫自动渗水装置，它由本身材质的物理结构构成，根据器具的物理渗水原理完成自动浇灌，当自动浇水器内部存水，自身形成一定的压力，当遇到干燥的土壤，水就会自上而下的流出，当土壤湿润以后，会形成一个堵塞压力，从而导致水流速度变慢或者停止。器具工艺不同，效果也不一样，当然也因土壤的疏松情况决定器具内水流的速度。

当前传感器技术与单片机技术发展迅速，其应用逐步由工业、军事等领域向其他领域渗透，已经和我们的日常生活息息相关。而且智能家居概念也越来越受人们的推崇，因此，微电脑控制的电子类自动浇花系统有很好的发展前景。

1.3毕业设计所采用的研究方法和手段

本次毕业设计是设计一种单片机控制的自动浇水系统,实现室内盆花浇水的自动化系统。该系统可对土壤的温湿度进行监控,并对作物进行适时、适量的浇水。其核心是单片机和温湿度传感器以及浇水驱动电路构成的检测控制部分。主要研究土壤湿度与浇水量之间的关系、浇灌控制技术及设备系统的硬件、软件编程各个部分。检测部分，单片机选用AT89C51单片机，温湿度传感器选用SHT11温湿度传感器。SHT-11采用COMSens 专利传感器技术将温度湿度传感器、A/D转换器、数字接口、校准数据存储器、标准I2C

总线等电路全部集成在一个芯片内。软件选用C51语言编程。土壤温湿度传感器可将检测到的土壤温湿度模拟量放大转换成数字量通过单片机内程序控制精确的将温度与湿度分别显示在LCD显示屏上，同时通过单片机内的中断服务程序判断是否要给盆花浇水,若需浇水,则单片机系统发出浇水信号,并经放大驱动设备,开启电磁阀进行浇水,若不需浇水,则进行下一次循环检测。在浇水系统中也同时设计一个手动浇水部分，系统工作时通过设置键的按下与否来选择浇水系统的工作方式。土壤浇水驱动电路采用继电器开关电路，蓄水箱水位报警以及自动上水部分采用纯硬件控制。

2、AT89C51单片机

AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

2.1 AT89C51单片机的基本组成

AT89C51由一个8位的微处理器，128KB片内数据存储器RAM，21个特殊功能寄存器SFR，4KB片内程序存储器Flash ROM，64KB可寻址片内外统一编址的ROM，64KB可寻址片外的RAM， 4个8位并行I/O接口（P0—P3），一个全双工通用异步串行接口UART，两个16位的定时器/计数器，具有位操作功能的布尔处理机及位寻址功能的五个中断源、两个优先级的中断控制系统以及片内振荡器和时钟产生电路。其基本组成框图如图2-1所示。

图2-1 AT89C51的基本组成

2.2AT89C51主要特性

AT89C51主要特性有：

·与MCS-51 兼容

·4K字节可编程闪烁存储器

·寿命：1000写/擦循环

·数据保留时间：10年

·全静态工作：0Hz-24Hz

·三级程序存储器锁定

·128*8位内部RAM

·32可编程I/O线

·两个16位定时器/计数器

·5个中断源

·可编程串行通道

·低功耗的闲置和掉电模式

·片内振荡器和时钟电路

2.3管脚说明

AT89C51的引脚图如图2-2所示。各引脚的具体说明如下：

VCC：供电电压。

GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4

个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

图2-2 A T89C51引脚图

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入口。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如表2-1所示。同时，P3口为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

表2-1 P3口的特殊功能

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位

字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC 指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE 禁止，置位无效。

PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，EA将内部锁定为RESET；当EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：来自反向振荡器的输出。

2.4 AT89C51单片机的存储器

在单片机中，存储器分为程序存储器ROM和数据存储器RAM，并且两个存储器是独立编址的。

AT89C51单片机芯片内配置有8KB（0000H～1FFFH）的Flash程序存储器和256字节（00H～FFH）的数据存储器RAM，根据需要可外扩到最大64KB的程序存储器和64KB 的数据存储器，因此AT89C51的存储器结构可分为4部分：片内程序存储器、片外程序存储器、片内数据存储器和片外数据存储器。如果以最小系统使用单片机，即不扩展，则AT89C51的存储器结构就较简单：只有单片机自身提供的8KB Flash程序存储器和256字节数据存储器RAM。

图2-3给出了AT89C51单片机的存储器分布空间。左侧线框中为单片机自身提供的8KB Flash程序存储器和256字节数据存储器RAM。右侧为可扩展的64KB的程序存储器ROM和64KB的数据存储器RAM。

2.4.1 程序存储器

AT89C51单片机出厂时片内已带有8KB的Flash程序存储器，使用时，引脚EA要

按高电平（5V），这时，复位后CPU从片内ROM区的0000H单元开始读取指令代码，一直运行到1FFFH单元，如果外部扩展有程序存储器ROM，则CPU会自动转移到片外ROM空间2000H～FFFFH读取指令代码。

图2-3 存储器空间分布图

2.4.2 数据存储器

AT89C51单片机出厂时片内已带有256字节的数据存储器RAM，如果不够用，可以在片外扩展，最多可扩展64KB RAM。

图2-4 片内数据存储器的结构

单片机自带的数据存储器RAM结构如图2-4所示，此256字节单元（00H～FFH）的低128字节（00H～7FH）单元为用户使用区，高128字节（80H～FFH）单元为特殊功能寄存器SFR区。

片内数据存储器的00H～7FH单元又划分为3块：00H～1FH块是工作寄存器所用；20H～2FH块是位寻址功能的单元区；30H～3FH是普通RAM区。工作寄存器又分为4组，在当前的运行程序中只有一组是被激活的，谁被激活有程序状态寄存器PSW的RS1，RS0两位决定。

2.5 振荡电路和时钟

在AT89C51芯片内部，有一个振荡电路和时钟发生器，引脚XTAL1和XTAL2之间接入晶体振荡器和电容后构成内部时钟方式。也可以使用外部振荡器，由外部振荡器产生的信号直接加载到振荡器的输入端，作为CPU的时钟源，称为外部时钟方式。采用外部时钟方式时，外部振荡器的输出信号接至XTAL1，XTAL2悬空。两种方式的电路连接如图2-5所示。大多数的单片机采用内部时钟方式，本次设计亦然。

（a）使用片内振荡器接法（b）使用片外振荡器接法

图2-5 AT89C51振荡器的连接方式

在AT89C51单片机内部，引脚XTAL2和引脚XTAL1连接着一个高增益反相放大器，XTAL1引脚是反相放大器的输入端，XTAL2引脚是反相放大器的输出端。

芯片内部的时钟发生器是一个二分频触发器，振荡器的输出

f为其输入，输出为

osc

两相的时钟信号（状态时钟信号），频率为振荡器输出信号频率

f的1/2。状态时钟

osc

各控制位定义如下：

各控制位定义如下：

EA：中断总控制为。EA=1，CPU开中断，它是CPU是否响应中断的前提，在此前提下，如果某中断源的中断允许位置1，才能响应该中断源的中断请求。如果EA=0，无论哪个中断源有请求，CPU都不予回应。

ET2：定时器/计数器T2中断控制位，ET2=1，允许T2计数溢出中断；ET2=0，禁止T2中断。

ES：串行口中断控制位，ES=1，允许串行口发送/接收中断；ES=0禁止串行口中断。

ET1：定时器/计数器T1中断控制位，ET1=1，允许T1计数溢出中断；ET1=0，禁止T1中断。

EX1：外部中断1控制位，EX1=1，允许中断；EX1=0，禁止外部中断1中断。

ET0：定时器/计数器T0中断控制位，ET0=1，允许T0计数溢出中断；ET0=0，禁止T0中断。

EX0：外部中断0控制位，EX0=1，允许中断；EX0=0，禁止外部中断0中断[1]。2.6.2 中断响应过程

CPU中断处理从响应中断、控制程序转向对应的中断矢量地址入口处执行中断服务程序，到执行返回（RETI）指令为止。中断响应可分为以下几个步骤：

①保护断点，即保存下一个将要执行的指令的地址，把这个地址送入堆栈。

②寻找中断入口，根据6个不同的中断源所产生的中断，中断系统必须能够正确地识别中断源，查找6个不同的入口地址。以上工作是由单片机自动完成的，与编程者无关。在6个入口地址处存放有中断处理程序。

③执行中断处理程序。

④中断返回：执行完中断指令后，从中断处返回到主程序，继续执行[2]。

2.7 定时器/计数器

AT89C51单片机内部设有两个16位可编程定时器/计数器，即定时器/计数器0和定时器/计数器1。除此之外还有一个可编程定时器/计数器2。

2.7.1定时器/计数器0和1简介

定时器/计数器0和1内部有一个计数寄存器（THx和TLx），它实际上是一个累加寄存器进行加1计数。定时器和计数器共用这个寄存器，但定时器/计数器同一时刻只能工作在其中一种方式下，不可能既工作在定时器方式，同时又工作在计数器方式。这两个工作方式的根本区别是在于计数脉冲的来源不同。工作在定时器方式时，对振荡源12分频的脉冲计数，即每过一个机器周期（1个机器周期在时间上和12个振荡周期

的时间相等），计数寄存器中的值就加1。工作在计数器方式时，计数脉冲不是来自内部的机器周期，而是来自外部输入。对定时器/计数器0、定时器/计数器1，计数脉冲分别来自T0、T1引脚。当这些引脚上输入的信号产生高电平至低电平的负跳变时，计数寄存器的值就加1。单片机每个机器周期都要对对外部输入进行采样，如果在第一个周期采得的外部信号为高电平，在下一个周期采得的信号为低电平，则在再下一个机器周期，即第三个机器周期计数寄存器的值才增加1[1]。

2.7.2 与定时器/计数器0和1相关的特殊功能寄存器

①计数寄存器TH0、TL0和TH1、TL1

计数寄存器是16位的，再启动定时器时需要对它设定初始值。THx是计数寄存器的高8位，TLx是计数寄存器的低8位。TH0、TL0对应T/C0，TH1、TL1对应T/C1。

②定时器/计数器控制寄存器TCON

定时器/计数器控制寄存器TCON的格式如下：

TF1为T/C1的溢出标志，溢出时由硬件置1，进入中断后又由硬件自动清0。

TR1为T/C1的启动和停止位，由软件控制。置1时启动T/C1；清0时停止T/C1。

TF0和TR0的功能和使用方法以TF1、TR1类似，只是它们针对的是T/C0。

③定时器/计数器方式控制寄存器TMOD

定时器/计数器方式控制寄存器TMOD的格式如下所示。它的控制位都是由软件控制的，其中高4位是针对T/C1的，低4位是针对T/C0的，其功能和使用方法相似。

3、温湿度传感器

传统的模拟式湿度传感器需设计信号调理电路并要经过复杂的校准、标定过程,测量精度难以得到保证,且在线性度、重复性、互换性、一致性等方面往往不尽人意。为解决这些问题，瑞士Sensirion 公司推出了新一代基于CMOSensTM技术的数字式温湿度传感器。它很好地解决了温湿度传感器存在的上述问题,实现了数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换功能[3]。

3.1数字温湿度传感器SHT-11

数字温湿度传感器SHT—11采用COMSens专利传感器技术将温度湿度传感器、A/D 转换器、数字接口、校准数据存储器、标准I2C总线等电路全部集成在一个芯片内（其内部结构如图3-1所示）[4]。

图3-1 数字温湿度传感器SHT—11的内部结构图

由它的内部结构可看出SHT-11具有不同保护的“微型结构”检测电极系统与聚合物覆盖层组成了传感器芯片的电容,这样除保持了电容式湿敏器件的原有特性外还可抵御来自其它方面的影响。将温度传感器与湿度传感器结合在一起构成了一个单一的个体,这就使得测量精度提高并且可以精确得出露点,而不会产生由于温度与湿度传感器之间随温度梯度变化而引起的误差。而且将传感器元件、信号放大器、模/ 数转换器、OTP 校准数据存储器、I2C 工业标准串行总线等，电路功能部件全部采用CMOS 技术与温湿度传感器一起放置在一个芯片内。这不仅使信号强度增加,更重要的是长期稳定性也得到增强,这对传感器系统是极为重要的。同时,模/ 数转换也在一个芯片内同时完成,这可使信号对噪声不敏感,尤其重要的是,在传感器芯片数据存储器内装载的针对每一只传感