基于单片机的自动浇花系统设计开题报告

研究背景：

自从世界上第1幢智能建筑1984年在美国出现后，美国、加拿大、欧洲、澳大利亚和东南亚等经济比较发达的国家先后提出了各种智能家居的方案。智能家居在美国、德国、新加坡、日本等国都有广泛的应用。新加坡模式的家庭智能化系统包括三表抄送功能、安防报警功能、可视对讲功能、监控中心功能、家电控制功能、有线电视接入、住户信息留言功能、家庭智能控制面板、智能布线箱、宽带网接入和系统软件配置等。几年前一些经济比较发达的国家提出了“智能住宅”的概念，住宅智能化是智能家居的先导，智能家居是住宅智能化的核心。美国电子工业协会于1988年编制了第1个适用于家庭住宅的电气设计标准，即《家庭自动化系统与通讯标准》也有称之为家庭总线系标准（HBS）；我国也从1997年初开始制定《小康住宅电气设计（标准）导则》（讨论稿）在《导则》中规定了小康住宅小区电气设计总体上应满足以下要求：高度的安全性，舒适的生活环境，便利的通讯方式，综合的信息服务，家庭智能化系统。同时也对小康住宅与小区建设在安全防范、家庭设备自动化和通讯与网络配置等方面提出了三级设计标准，即：第一级为“理想目标”，第二级为“普及目标”，第三级为“最低目标”。

智能家居最终目的是让家庭更舒适，更方便，更安全，更符合环保。随着人类消费需求和住宅智能化的不断发展，今天的智能家居系统将拥有更加丰富的内容，系统配置也越来越复杂。智能家居包括网络接入系统、防盗报警系统、消防报警系统、电视对讲门禁区系统、煤气泄露探测系统、远程抄表（水表、电表、煤气表）系统、紧急求助系统、远程医疗诊断及护理系统、室内电器自动控制管理及开发系统、集中供冷热系统、网上购物系统、语音与传真（电子邮件）服务系统、网上教育系统、股票操作系统、视频点播、付费电视系统、有线电视系统等.现今，很多生活在城市中的人们纷纷在家中或办公室种植各种绿色植物，用于净化空气，改善生活、工作环境，享受田园生活，陶冶情操。但是人们往往忙于工作而忘记给花草定期浇水，尤其到了夏天因无人浇水或者使用不恰当的方法浇水导致植物不能很好地生长甚至干死的事情时有发生。自动浇花系统就给这种忘记浇花或者使用不恰当的方式浇花的人提供了方便，这种设计可以在没人的情况下对植物进行合理的灌溉。对于中国而言，已然出现了许多供植物浇水的器具，然而这些都是传统的浇水设施，在智能机械方面的研究成果较少。目前，在中国市场上普遍存在大量的自动浇水装置，可是这些浇水的器材都是传统的定量浇水，很难根据植物的自身需要进行适当适量的浇水施肥，这也导致了大面积的水资源浪费，不仅没有使得植物得到很好的生长，相反却让植物的成长起到了副作用。

由于全球技术的高速传播，如今的中国也有许多关于智能花盆方面的研究。杨守建等人于2011年，开始了相关方面的工作，他们研究的主要任务是利用装置检测土地的湿度及温度，参照检测装置反馈的数据对植物进行适当适量的浇水，整个科研的经费花费较少，且后期维护的花销也不高。与此同时，王薇等学者在2011年也开始了相关智能花盆上的研究，此种智能花盆由多个部分组成，其中包括：放大电路、比较电路、驱动电路、继电器、电磁阀等等。工作原理也是能够自主检测植物土壤周围的湿度，从而根据实际情况进行浇水。 学者张兆朋在此方面也有着自己的发面，他一人设计创造了小型的职能家庭浇水仪器，同时更够依据植物的不同种类，运行不同的控制程序。在工作原理上也是参照上述几种智能仪器，实现自主职能浇水。学者赵丽也发明了一类高效智能的植物浇水装置，在仪器底部装有传感装置，用以检测相关环境的温度、湿度，在借助单片机展开数据分析，下达相关的执行指令，对浇水器进行控制，完成相关的浇水任务。随着科技的发展，家用电器的智能化也得到了广大国民的青睐，所以，对于智能花盆的相关研究还是十分有必要的。本次设计的主要内容就是小区内家中基于STC89C52RC单片机的自动浇花系统。

研究目的：

随着现代人生活水平的提高和生活节奏的加快 , 为了追求高质量的生活 , 同时净化空气、美化环境 , 很多人喜欢在家中或办公室种植一些花草, 为了保证植物的健康生长，必须付出一定的时间和精力进行精心照料，这无疑是一项琐碎的工作，因此，设计一种能够在无人管理的情况下的自动控制浇花系统，能够有效的防止花木在上述情况枯死。这个自动浇花系统可以根据土壤干湿程度，对植物的浇水进行自动控制。单片机STC89C52RC是此方案的控制中心，通过土壤湿度检测仪展开相关信息的传递，继而使用智能系统规定其湿度的最大及最小值，然后再借助单片机将传输来的相关信息展开分析与整理，从而评估外界环境的湿度。一旦反馈的湿度值明显小于规定的湿度最小值，那么单片机将下达指令至控制水泵，让其进行浇水行为，当湿度到达设定的最大值时停止浇水，这就是整个浇花的工作原理。

研究意义：

自动浇花系统是进行智能浇花室内管理的有效手段和工具，它可提高操作准确性，有利于无人浇灌过程的科学管理，降低对操作者本身时间和空间的要求。除了能大大减少用户的时间，更重要的是它能准确、定时、定量、高效地给花卉自动补充水分，以提花卉的成活率，并且节水、节能。我国自己的自动浇花系统的研制和使用尚处于起步阶段，因此，中国研究开发自己的先进的低成本、使用维护方便、系统功能强且扩展容易的国产化自动浇花系统是一项极有意义的工作。随着计算机技术和传感器技术的迅猛发展，计算机和传感器的价格日益降低，可靠性日益提高，用信息技术改造智能居家生活不仅是可能的而且是必要的。用高新技术改造室内花卉栽培，实施节水自动浇花己成为我国当代提高人民生活水准，为人民减轻生活压力的一项事情。

主要研究内容：

1.设计并实现自动浇花系统；

2.采用STC89C52RC单片机实现系统方案设计；

3.显示检测的实际湿度数据和设置的上、下限湿度值；

4.借助湿度传感器采集土壤湿度的相关信息；

预期目标：

1：基于采用STC89C52RC单片机；

2：检测到土壤湿度后自动进行浇花；

3：系统正常工作；

4：将浇灌信息发送给用户。

研究方法：

本次毕业设计是设计一种单片机控制的自动浇水系统，它可以实现室内盆花浇水的自动化系统。该系统可对土壤的湿度进行实时监控，并对盆花进行适时适量的浇水。其核心是STC89C52RC单片机、湿度采集、显示电路以及浇水驱动电路构成的检测以及控制部分。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。该设计的检测部分单片机选用STC89C52RC单片机，软件部分选用C语言编程。土壤湿度采集模块于显示电路可将检测到的土壤湿度模拟量放大转换成数字量并且通过单片机内程序控制精确的将湿度分显示在LCD显示屏上，通过STC89C52RC单片机内的程序判断是否要给盆花浇水，如果需要浇水，则单片机系统就会发出浇水信号，带动水泵开始浇水，若不需要浇水，则进行下一次循环检测。并且在基础系统设计之上，加上了ESP8266WIFI模块，能有效的将数据传输到手机，让用户一目了然。

图1 系统工作框图 如图1，自动浇水系统操作方法为当开启系统后进入主函数，初始化化函数变量及初始化传感器模块，进入按键扫描函数，通过按键选择系统的工作模式，在自动控制模式下，调用土壤湿度数据采集函数，采集当前土壤湿度值，并通过数据处理程序对湿度值进行分析，当湿度值小于预设值时，进入水泵电机驱动函数，开启灌溉功能，直到达到湿度预设值，停止灌溉。并且同时将数据通过WIFI传输到用户手机上。

图2 系统工作流程

方案选择：

1.主控中央控制器选择

本系统MCU主控芯片STC89C52RC6是基于ARM Cortex-M3内核系列的微控制器，程序存储器容量是64KB，需要电压2~3.6V，工作温度为-40℃~85℃。最高72Mhz的工作频率，内置512K字节容量存储器以及高速SRAM，轻易满足电力无线网络系统所需要的空间，同时STM32F103C8T6具有睡眠、停止、以及待机3种低功耗的工作模式，具有优越的计算性能和中断响应系统。

2.ESP8266WIFI模块选择

ESP8266EX 的工作温度范围大，且能够保持稳定的性能，能适应各种操作环境。ESP8266EX 集成了 32 位 Tensilica 处理器、标准数字外设接口、天线开关、射频 balun、功率放大器、低噪放大器、过滤器和电源管理模块等，仅需很少的外围电路，可将所占 PCB 空间降低。ESP8266EX 专为移动设备、可穿戴电子产品和物联网应用而设计，通过多项专有技术实现了超低功耗。ESP8266EX 具有的省电模式适用于各种低功耗应用场景。ESP8266EX 内置超低功耗 Tensilica L106 32 位 RISC 处理器，CPU 时钟速度最高可达 160 MHz，支持实时操作系统 (RTOS) 和 Wi-Fi 协议栈，可将高达 80% 的处理能力留给应用编程和开发。

3.土壤湿度传感器模块的选择

鉴于本次设计主要针对家庭中的使用，所以在选择土壤湿度传感器模块时，我选择较为灵巧轻便的传感器，土壤湿度传感器由湿度检测电路等部分组成，它主要具有以下几种特点：

1.传感器体积小巧化设计，携带方便，安装、操作及维护简单。

2.结构设计合理，不绣钢探针保证使用寿命。

3.外部以环氧树脂纯胶体封装，密封性好，可直接埋入土壤中使用，且不受腐蚀。

4.测量精度高，性能可靠，确保正常工作。

5.响应速度快，数据传输效率高。

研究步骤：

1、模块连通性的测试

测试这部分电路，需要测试每一个主要模块之间的连通性，STC89C52RC单片机的其中一个A/D口与土壤湿度传感器的连接，另外将.ESP8266WIFI模块与单片机相连，在调试系统的连通性时间内，利用LED将每一个模块进行代替，将一个发光的二级管在外面接上，对连接的每一个端口进行控制，直到每一个接口的灯都亮了，调试连通性完成。

2、土壤湿度传感器模块的检测

将土壤湿度信号进行采集，是该模块的主要功能，土壤湿度传感器就是监测土壤的湿度，将其的硬件控制电路埋在作物根部的土壤水分传感器监测根部土壤的水分，该传感器经检测电路将“湿度过高”和“湿度过低”信号经编码器传至主控制器，由主控制器决定控制状态。“湿度过高”则停止灌溉;“湿度过低”则通过光电隔离、继电器控制接在水源的电磁阀。

3、测试串口通信模块

接线调试USB 转 TLL 模块，将 UTXD,GND,VCC,URXD 连上 USB-TTL(两者的 TXD和RXD 交叉接)，CH-PD 接 3.3 V，即可进行测试。3.模块上电，打开串口调试工具，选择相对应串口，波特率115200，打开串口即可。

4、测试系统软硬件综合性能

测试系统综合性能，即将系统至于不同土壤湿度环境下，观察系统是否正常工作。如果在规定土壤湿度不正常情况下，系统发送短信给手机并且进行浇水操作，则系统性能正常；当土壤中的水分低时，若系统发送短信给手机，或者土壤湿度较高时，系统没有发送短信给手机，则说明系统出错，不能正常工作。我们缓慢减少系统环境中的土壤湿度，来进行系统软硬件综合性能测试。

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