【文章內(nèi)容簡介】 澆花。當(dāng)檢測濕度足夠，就不需要澆花。 因此， 設(shè)計(jì)家庭智能花卉澆灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)對現(xiàn)在的生活是非常必要的。 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 第一章 單片機(jī)的概述 我們學(xué)習(xí)單片機(jī)就要求我們更好的掌握它的歷史和未來的發(fā)展情況，以及其學(xué)術(shù)背景和理論與實(shí)際的情況。 基于 51 系列單片機(jī)設(shè)計(jì)的 家庭自動澆花系統(tǒng) 可以說是單片機(jī)的一個(gè)很小的應(yīng)用，但是它卻可以映射到單 片機(jī)很多方面的知識，既是基本的應(yīng)用，又可以通過設(shè)計(jì)來更好的開發(fā)單片機(jī)，使之更好的為我們的生活和學(xué)習(xí)服務(wù)。 綜觀我們現(xiàn)在生活的各個(gè)領(lǐng)域，從導(dǎo)彈的導(dǎo)航裝置，到飛機(jī)上各種儀表的控制，從計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，到工業(yè)自動化過程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)處理，以及我們生活中廣泛使用的各種智能 IC 卡、電子寵物等，這些都離不開單片機(jī)。以前沒有單片機(jī)時(shí)，這些東西也能做，但是只能使用復(fù)雜的模擬電路，然而這樣做出來的產(chǎn)品不僅體積大，而且成本高，并且由于長期使用，元器件不斷老化，控制的精度自然也會達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。在單片機(jī)產(chǎn)生后，我們就將控 制這些東西變?yōu)橹悄芑耍覀冎恍枰趩纹瑱C(jī)外圍接一點(diǎn)簡單的接口電路，核心部分只是由人為的寫入程序來完成。這樣產(chǎn)品的體積變小了，成本也降低了，長期使用也不會擔(dān)心精度達(dá)不到了。所以，它的魔力不僅是在現(xiàn)在，在將來將會有更多的人來接受它、使用它。 第一節(jié) 單片機(jī)的發(fā)展歷史 電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展經(jīng)歷了從電子管，晶體管集成電路到大（超大）規(guī)模集成電路共四個(gè)階段，即通常所說的第一代 、 第二代 、 第三代和第四代計(jì)算機(jī)?，F(xiàn)在廣泛使用的微型計(jì)算機(jī)是大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，因此它屬于第四代計(jì)算機(jī)，而單片機(jī)則是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)分支。從 1971 年微型計(jì)算機(jī)問世以來，由于實(shí)際應(yīng)用的需要，微型計(jì)算機(jī)向著兩個(gè)不同的方向發(fā)展；一個(gè)是向高速度 、 大容量 、 高性能的高檔微機(jī)方向發(fā)展；而另一個(gè)則是向穩(wěn)定可靠、體積小和價(jià)格廉價(jià)的單片機(jī)方向發(fā)展。但是兩者在原理和技術(shù)上是緊密聯(lián)系的 [2]。 1971 年微處理器的研制成功不久，就出現(xiàn)了單片的微型計(jì)算機(jī)即單片機(jī)，但最早出現(xiàn)的單片機(jī)是一位的， 1976 年 Intel公司推出了 8 位的 MCS48 系列單片機(jī)，它以體積小、控制功能全、價(jià)格低等特點(diǎn)，贏得了廣泛的應(yīng)用和好評，為單片機(jī)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，成為重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 單片機(jī)發(fā)展 史上一個(gè)重要階段，其后，在 MCS48 成功的刺激下，許多半導(dǎo)體芯片在生產(chǎn)廠商競相研制和發(fā)展自己的單片機(jī)系列。 80 年代末，世界各地已相繼研制出大約 50 個(gè)系列 300 多個(gè)品種的單片機(jī)產(chǎn)品，其中包括 Motorola 公司的 6801， 6802， Zilog 公司的 Z8 系列， Rockwell公司的 6501， 6502 等，此外，日本的 NEC 公司，日立公司等也不甘落后，相繼推出了各自的單片機(jī)品種。盡管目前單片機(jī)的品種很多，但是我過使用最多的是 Intel公司的 MCS51 單片機(jī)系列。 MCS51 系列是在 MCS48 的基礎(chǔ)上于 20 世紀(jì) 80 年代初發(fā)展起來的，雖然它是 8 位的單片機(jī)，但其功能較MCS48 有很大的增強(qiáng)。此外，它還具有品種全，兼容性強(qiáng)，軟硬件資料豐富等特點(diǎn)，因此應(yīng)用愈加廣泛，成為比 MCS48 更重要的單片機(jī)品種，直到現(xiàn)在， MCS51 仍不失為單片機(jī)的主流系列。繼 8 位單片機(jī)之后，又出現(xiàn)了 16 位單片機(jī)， 1983 年 Intel公司推出的 MCS96 系列單片機(jī)就是其中的典型代表。與 MCS51 相比， MCS96 不但字長增加一倍，而且在其他性能方面也有很大的提高，特別是芯片內(nèi)還增加了一個(gè) 4 路或 8 路的 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，使其具有 A/D 轉(zhuǎn)換 的功能。縱觀單片機(jī) 近 30 年的發(fā)展歷程，單片機(jī)今后將向多功能、高性能、高速度、低電壓、低功耗、低價(jià)格、外圍電路簡單化以及片內(nèi)存儲器容量增加的方向發(fā)展。但其位數(shù)不一定會繼續(xù)增加，盡管現(xiàn)在已經(jīng)有了 32 位單片機(jī)，但使用的并不多 [1]。 第二節(jié) 單片機(jī) 未來的發(fā)展 自單片機(jī)出現(xiàn)至今，單片機(jī)技術(shù)已走過了近 20 年的發(fā)展路程。縱觀 20 年來單片機(jī)發(fā)展里程可以看出，單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展以微處理器（ MPU）技術(shù)及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展為先導(dǎo)，以廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域拉動，表現(xiàn)出較微處理器更具個(gè)性的發(fā)展趨勢。 可以預(yù)言，今后的單 片機(jī)將是功能更強(qiáng)，集成度和可靠性更高而功耗更低，以及使用更方便等特點(diǎn)。此外，專用化也是單片機(jī)的一個(gè)發(fā)展方向，針對單一用途的專用單片機(jī)將會越來越多?，F(xiàn)在單片機(jī)的應(yīng)用已經(jīng)很廣泛：工業(yè)自動化方面自動化能使工業(yè)系統(tǒng)處于最佳狀態(tài)，提高經(jīng)濟(jì)效益，改善產(chǎn)品質(zhì)量和減輕勞動強(qiáng)度。因此，自動化技術(shù)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、電力、石油、化工、紡織、食品等輕重工業(yè)領(lǐng)域中，而在工業(yè)自動化技術(shù)中，無論是過程控制技術(shù)，數(shù)據(jù)采集和測控技術(shù)，還是生產(chǎn)線上的機(jī)器人技術(shù)，都需要要有單片機(jī)的參與 [1]。 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 第二章 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案 第一節(jié) 設(shè) 計(jì)內(nèi)容及基本要求 一、設(shè)計(jì)內(nèi)容 本次設(shè)計(jì)分為兩個(gè)內(nèi)容：硬件部份和軟件部份。 硬件以單片機(jī)為核心，配以濕度模塊電路、按鍵電路、顯示電路、報(bào)警電路、電磁閥驅(qū)動電路和時(shí)鐘電路。主要實(shí)現(xiàn)以下功能： ① 通過濕度模塊電路對土壤進(jìn)行的濕度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集； ② 通過單片機(jī)對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理； ③ 當(dāng)土壤的濕度低于或高于設(shè)置的溫度時(shí)啟動報(bào)警。 濕度檢測系統(tǒng)是一個(gè)智能化的系統(tǒng)，它的軟件主要實(shí)現(xiàn)功能： ① 單片機(jī)能夠控制濕度模塊對土壤進(jìn)行采樣； ② 把采集來的數(shù)據(jù)通過單片機(jī)處理，再以十進(jìn)制的形顯示出來； ③ 按鍵和顯示電路可對設(shè)置的定時(shí) 時(shí)間進(jìn)行更改，并通過顯示電路顯示出來。 二、基本要求 對本次設(shè)計(jì)的主要要求有以下幾點(diǎn)： ① 熟悉單片機(jī)的編程語言和相關(guān)傳感器的使用； ② 完成自動澆水控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)； ③ 系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)基本的定時(shí)澆水功能 ； ④ 設(shè)置相應(yīng)按鍵能夠調(diào)整定時(shí)時(shí)間。 第 二 節(jié) 系統(tǒng)框圖 本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖見圖 1。解析：單片機(jī)控制傳感器模塊對土壤的濕度進(jìn)行檢測并通過單片機(jī)進(jìn)行處理用 LCD 顯示出來，鍵盤電路可設(shè)置報(bào)警的上下限， 當(dāng)土壤的濕度低于或高重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 于設(shè)置的濕度時(shí)啟動報(bào)警，即蜂鳴器響。 A T 8 9 C 5 1 單 片 機(jī) 控 制模 塊顯 示 模 塊時(shí) 鐘 和 復(fù) 位 模 塊按 鍵 模 塊傳 感 器 模 塊報(bào) 警 電 路 模 塊驅(qū) 動 電 路電 磁 閥電 源 模 塊 圖 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方框圖 第 三 節(jié) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 本系統(tǒng)主要由電源模塊、單片機(jī)控制模塊、時(shí)鐘模塊、電磁閥驅(qū)動模塊、土壤濕度采集模塊和按鍵顯示模塊六大模塊組成。整體的設(shè)計(jì)思想是：由電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供電源，由時(shí)鐘模塊提供具體土壤濕度檢測時(shí)間，通過土壤濕度測量模塊測量當(dāng)前土壤的濕度，其中時(shí)鐘模塊外部可調(diào)，當(dāng)前時(shí)間由顯示模塊 LCD 顯示，通過結(jié)合考慮所測得的土壤的濕度和花卉及植物喜濕性差異，來決定是否對它們進(jìn)行澆水及澆水量的控制。通過數(shù)據(jù)采集模塊對土壤濕度進(jìn)行采集，經(jīng)信號調(diào)理電路處理后輸入單片機(jī)。當(dāng)土壤濕度滿足設(shè)定的澆水標(biāo)準(zhǔn)，單片機(jī)通 過電磁閥驅(qū)動電路來驅(qū)動電磁閥工作，從而對花卉、植物進(jìn)行澆水作業(yè)，澆水量達(dá)到設(shè)定要求時(shí)，電磁閥關(guān)閉，停止?jié)菜?。?dāng)濕度不滿足設(shè)定的澆水標(biāo)準(zhǔn)電磁閥保持關(guān)閉狀態(tài)（即不澆水狀態(tài)），進(jìn)而使土壤濕度達(dá)到適宜花卉、植物生長需要的最佳狀態(tài) [2]。 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 第 四 節(jié) 系統(tǒng)完成的技術(shù)指標(biāo) 本系統(tǒng)需要完成以下 5 點(diǎn)基本技術(shù)指示： ① 實(shí)時(shí)顯示絕對濕度，系統(tǒng)的精度為 10mg/L； ② 采用 LCD 燈進(jìn)行濕度顯示； ③ 顯示報(bào)警上限值為 80mg/L,下限值為 20mg/L； ④ 濕度超過上下限濕度時(shí)進(jìn)行報(bào)警并用 LED 燈顯示； ⑤ 傳感器要求達(dá)到的技術(shù)指 標(biāo)： 濕度測量范圍 ： 0 to 100％ RH； 濕度測量精度： 177。3 ％ RH（ 20到 80％ RH）； 濕度測量復(fù)現(xiàn)性 ： 177。％ RH； 濕度測量分辨率 ： ％ RH； 溫度測量范圍： 40～ +℃ ； 溫度測量精度 ： 177。℃ 在 25℃ 時(shí)； 溫度響應(yīng)時(shí)間 ： ≤20秒； 溫度測量重復(fù)性 ： 177?！?； 溫度測量分辨率 ： ℃ 。 第 五 節(jié) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則 要求單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)具有可靠性高、操作維護(hù)方便、性價(jià)比高等特點(diǎn)。 一、可靠性 高可靠性是單片機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用的前提，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的每一個(gè)環(huán)節(jié)， 都應(yīng)該將可靠性作為首要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。提高系統(tǒng)的可靠性通常從以下幾個(gè)方面考慮：使用可靠性高的元器件；設(shè)計(jì)電路板時(shí)布線和接地要合理；對供電電源采用抗干擾措施；輸入輸出通道抗干擾措施；進(jìn)行軟硬件濾波；系統(tǒng)自診判斷功能等。 二、操作維護(hù)方便 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 在系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從操作者的角度考慮操作和維護(hù)方便，盡量減少對操作人員專用知識的要求，以利于系統(tǒng)的推廣。因此在設(shè)計(jì)時(shí)，要盡可能減少人機(jī)交換接口，多采用操作內(nèi)置或簡化的方法。同時(shí)系統(tǒng)應(yīng)配有現(xiàn)場故障自動診斷程序，一旦發(fā)生故障能保證有效地對故障進(jìn)行定位，以便進(jìn)行維修。 三、性 價(jià)比 單片機(jī)除體積小、功耗低等特點(diǎn)外，最大的優(yōu)勢在于高性能價(jià)格比。一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)能否被廣泛使用，性價(jià)比是其中一個(gè)關(guān)鍵因素。因此，再設(shè)計(jì)時(shí)，除了保持高性能外，盡可能降低成本，如簡化外圍硬件電路，在系統(tǒng)性能和速度允許的情況下盡可能使用軟件功能取代硬件功能等 [3]。 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 第三章 硬件電路設(shè)計(jì) 基于土壤定時(shí)檢測的家庭自動澆花系統(tǒng)設(shè)計(jì)由 AT89C51 單片機(jī)以及相應(yīng)的振蕩、復(fù)位等外圍電路模塊和按鍵設(shè)置、報(bào)警電路與 LCD1602 液晶顯示電路構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)的核心。 第一節(jié) 控制電路模塊 一、單片機(jī)的基本概念 單片機(jī) 是把微型計(jì)算機(jī)中的微處理器、存儲器、 I/O 接口、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串行接口、中斷系統(tǒng)等電路集成到一片集成電路芯片上形成的微型計(jì)算機(jī)。因而被稱為單片微型計(jì)算機(jī)，簡稱單片機(jī)。 單片機(jī) 按照用途可分為通用型和專用型兩大類。 ① 通用型單片機(jī)的內(nèi)部資源豐富，性能全面，適應(yīng)能力強(qiáng)。用戶可以根據(jù)不同的需要設(shè)計(jì)各種不同的應(yīng)用系統(tǒng)。 ② 專用型單片機(jī)是針對各種特殊場合專門設(shè)計(jì)的芯片。這種單片機(jī)的針對性強(qiáng)，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)需要來設(shè)計(jì)部件。因此，它能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的最簡化和資源的最優(yōu)化，可靠性高、成本低，在應(yīng)用中有 很明顯的優(yōu)勢。 在單片機(jī)使用上注意以下幾個(gè)既有相同點(diǎn)也有區(qū)別的概念。 ① 單板機(jī)：將微處理器（ CPU）、存儲器、 I/O 接口以及簡單的輸入 /輸出設(shè)備組裝在一塊電路板上的微型計(jì)算機(jī)，稱為單板機(jī)。 ② 單片機(jī)：將微處理器（ CPU）、存儲器、 I/O 接口和相應(yīng)的控制部件集成在一塊芯片上形成的微型計(jì)算機(jī)，稱為單片機(jī)。 ③ 多板機(jī)：在計(jì)算機(jī)組成中，如果組成計(jì)算機(jī)的各個(gè)功能部件是由多塊電路板連接而成的，那么這樣的計(jì)算機(jī)稱為多板機(jī) [4]。 二、 MS51 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 所示： 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 C P U時(shí) 鐘 電 路P 0P 3 P 2 P 1T X DR X DI N T 0I N T 1并 行 接 口串 行 接 口中 斷 系 統(tǒng)定 時(shí) / 計(jì) 數(shù) 器R A M R O MT 0T 1 圖 內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 三、 MS51 單片機(jī)的引腳及功能 P0 口： P0 口是一個(gè)三態(tài)雙向口，可作為地址 /數(shù)據(jù)分時(shí)復(fù)用接口，也可作為通用的 I/O 接口。 P1 口： P1 口是準(zhǔn)雙向口，它只能作通用的 I/O 口使用。 P2 口： P2 口也是準(zhǔn)雙向口，它的用途有兩個(gè)：通用 I/O 接口和高 8 位地址線。 P3 口： P3 口是準(zhǔn)雙向口以外每個(gè)口都還具有第二種功能，如表 所示。 表 P3 口功能引腳 RXD 串行輸入端 TXD 串行輸出地 INT0 外部中斷 0 低電平有效 INT1 外部中斷 1 低電平有效 T0 定時(shí)計(jì)數(shù)器 0 外輸入端 T1 定時(shí)計(jì)數(shù)器 1 輸入端 WR 外部存儲器寫信號 0 有效 RD 外部存儲器讀信號 0 有效 ALE：地址鎖存控制信號。在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)， ALE 用控制把 P0 口輸出的低 8 位址鎖存，以 現(xiàn)低住地址和數(shù)據(jù)的隔離。 PSEN： 外部程序存儲器讀選通信號。在讀外部 ROM 時(shí)，有效 (