如何制作一个基于单片机的自动浇花系统

陈RQING 2021-06-12 15139

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描述

生活中，人工浇灌花木要耗费大量时间，而且土壤湿度不好控制，有时候由于主人长时间外出，家里的花木会因无人浇水而枯死。为了解决上述问题，本文利用单片机，设计了自动和手动浇花系统（如图1所示）。

图1 自动浇花系统

一、功能描述

系统有自动和手动两种工作模式，两种工作模式由手自动切换按键切换。系统开机进行自检，如果系统有故障则报警，若系统工作正常则进入自动状态，初始设定值为25%。当土壤湿度小于设定值时水泵工作浇水，当高于设定值加上偏移量（偏移量可根据实际确定，本文设为2）时系统停止加水。在自动工作模式下，如果由于缺水、加水不能停止或是测量信号不正常，则系统报警，水泵停止加水。在手动工作模式下，可按加水键和停止键实现手动加水和停止。背光按键控制液晶背光的开关。电路成品如图2所示。

图2 自动浇花系统电路板

二、硬件系统设计

（一）硬件系统构成

系统选择的各种元器件都是目前市面上常见的，系统核心控制器件采用应用广泛的STC公司的STC89C52RC单片机。除了单片机外，还包括土壤湿度传感器、AD转化器、LCD1602液晶显示器、按键、指示灯、蜂鸣器、继电器及水泵等。

（二）电路工作原理

电路原理图见图3，包括电源电路、晶振和复位电路、检测电路、按键和显示电路、报警电路、输出控制电路。

1.电源电路

系统所需5V电源由外部直接提供，可由常见的各种手机充电器提供，留有USB电源端子和圆形端子跟外部电源连接，使用时连接其中之一，另外一个可以向外提供5V电源，方便系统电源连接。

2.晶振和复位电路

电容器C6、C7和晶振Y1构成振荡电路，给单片机提供所需的时钟。C8、R13和按键RST1构成单片机复位电路，实现上电复位和手动复位。

3.检测电路

检测电路由土壤湿度传感器和AD转换器组成，选择价格便宜且使用方便的土壤湿度传感器模块和AD转换器PCF8591模块（见图4）。该模块有4路输入、1路输出，可满足系统扩展需要。此电路把土壤湿度转换成模拟量，经AD转换后转换成单片机可以识别的对应数字量。

图4 土壤湿度传感器和AD转换模块

4.按键和显示电路

按键和显示电路由四个独立按键、LED指示灯和LCD1602构成，用于人机操作和系统各种工作状态的信息显示。

5.报警电路

报警电路由蜂鸣器和LED指示灯构成，实现声光报警。声音报警15次后停止，LED指示灯一直闪烁报警。

6.输出控制电路

单片机引脚输出信号通过驱动电路驱动继电器，控制继电器的通断，用以驱动执行元件（文中为5V直流水泵）的通断，LED指示灯显示输出状态。

三、软件系统设计

（一）系统流程图（见图5）

（二）系统软件设计

系统采用项目化多文件，模块化编程，便于程序编写和程序移植。由main.c，I2C.c，KEYBOARD.C，Lcd1602.c文件和对应头文件以及配置文件config.h组成。Lcd1602.c主要负责液晶的底层显示驱动。I2C.c主要负责AD转化器的底层功能驱动。KEYBOARD.C责按键处理，main.c负责系统初始化，自检，土壤湿度检测，中值滤波和信号线性化处理，手动自动程序运行。中断程序负责，系统运行时的故障处理和报警，程序较短，也放在main.c中。整个项目，软件按流程图编写，结构清晰，流程也比较清楚。为方便读者学习和参考，把所有文件和程序都列了出来，并做了详细的注释。

整个项目的软件按流程图编写即可，程序代码如下（注意报纸因为版面原因，无法全部刊登，这里可以看到完整的代码）。

参考程序

/***************************************

config.h

**************************************/

#ifndef _CONFIG_H

#define _CONFIG_H

/*通用头文件*/

#include《reg52.h》

#include《intrins.h》

#define ON 0

#define OFF 1

#define OFFSET 2 //上下限偏差

/*数据类型定义*/

typedef unsigned char uchar ;//8位无符号数

typedef unsigned int uint ;//8位无符号数

/*IO引脚分配定义*/

sbit AK_KEY=P1^0;//背光控制

sbit UP_KEY=P1^1; //增加_启动

sbit DN_KEY=P1^2;//减小_停止

sbit MA_KEY=P1^3;//手动_自动

sbit ALARM_LED=P1^4;//故障指示

sbit PUMP_LED=P1^5;//抽水指示

sbit MANUAL_LED=P1^6;//手动指示

sbit AUTO_LED=P1^7;//自动指示

sbit PUMP=P2^2;//水泵控制

sbit BUZZER=P2^3;//蜂鸣器报警

#define LCD1602_DB P0 //1602液晶数据口

sbit LCD1602_RS=P2^7; //1602液晶数据_指令选择

sbit LCD1602_RW=P2^6; //1602液晶读写选择

sbit LCD1602_E=P2^5; //1602液晶使能信号

sbit LCD1602_AK=P2^4; //1602液晶背光信号

sbit I2C_SCL=P2^1;//AD转换器

sbit I2C_SDA=P2^0;

#endif

/***************************************

MAIN.H

***************************************/

#ifndef _MAIN_H

#define _MAIN_H

enum eStaSystem //系统运行状态枚举

{

E_AUTO，E_MANUAL，E_ALARM

}; //设置，自动，手动，故障报警

#ifndef _MAIN_C

extern enum eStaSystem staSystem;

#endif

void delayms（unsigned int t）;//延时函数

void SysInit（）;//系统初始化

void SelfCheck（）;//系统自检

void AutoWork（）;//系统自动运行

void ShowLcd1602（）;//测量、状态显示

void Humidity（）;//土壤湿度检测

unsigned char GetADCValue（unsigned char chn）; //AD转换

void ConfigTimer0（unsigned int ms）; //T0 配置函数

#endif

/***************************************

main.c

***************************************/

#define _MAIN_C

#include“config.h”

#include “main.h”

#include “Keyboard.h”

#include “I2C.h”

#include “Lcd1602.h”

#define N 3 //AD采样次数

#define OFFSET 2//上限偏移量

enum eStaSystem staSystem=E_AUTO;//初始为自动状态

unsigned char T0RH=0; //定时器T0载值

unsigned char T0RL=0;

unsigned char TestVal;//测量值

unsigned char cnt; //蜂鸣器报警15次

//----------------------------------------------------------------------------------

void main （）

{

SysInit（）;

SelfCheck（）;

while（1）

{

KeyAction（）;

AutoWork（）;

}

/****************************************

函数功能：系统初始化

入口参数：无

*****************************************/

void SysInit（）

{

AK_KEY=OFF;//按键IO口初始化

UP_KEY=OFF;//

DN_KEY=OFF;

MA_KEY=OFF;

ALARM_LED=OFF;//指示灯熄灭

PUMP_LED=OFF;

MANUAL_LED=OFF;

AUTO_LED=OFF;

BUZZER=OFF;//关蜂鸣器

PUMP=OFF;//关水泵

LcdInit（）; // 初始化液晶

LcdShowStr（0，0， “-Auto watering- ”）; // 显示系统自检

LcdShowStr（1，1， “system testing”）; //

ConfigTimer0（10）; // 配置T0 定时10ms

EA=0;// 关中断

}

/****************************************

函数功能：系统自动运行，故障报警

入口参数：无

*****************************************/

void AutoWork（）

{

if（staSystem==E_AUTO）

{

Humidity（）;

AUTO_LED=ON;

MANUAL_LED=OFF;

if（TestVal》96||TestVal《5）

{

staSystem=E_ALARM;

cnt=30;

EA=1;

}//故障

elseif（TestVal《SetVal）

{

PUMP=ON;

PUMP_LED=ON;

}

elseif（TestVal》（SetVal+OFFSET））

{

PUMP=OFF;PUMP_LED=OFF;

}

ShowLcd1602（）;//更新显示

}

/****************************************

函数功能：系统自检，故障报警

入口参数：无

*****************************************/

void SelfCheck（）

{

unsignedchar i，k，n;

unsignedchar temp;

for（i=0;i《3;i++）

{

ALARM_LED=ON;

PUMP_LED=ON;//抽水指示

MANUAL_LED=ON;//手动指示

AUTO_LED=ON;//自动指示

delayms（500）;

ALARM_LED=OFF;

PUMP_LED=OFF;//抽水指示

MANUAL_LED=OFF;//手动指示

AUTO_LED=OFF;//自动指示

delayms（500）;

}

BUZZER=ON;

delayms（500）;

BUZZER=OFF;

LcdClearScreen（）;

LcdShowStr（0，0，“Test Results：”）;

for（i=0;i《4;i++）//读取3次测量结果，过高故障报警

{

temp=GetADCValue（3）;//直接读取0通道

if（temp》240||temp《10）k++;

}

if（k》2）//自检故障

{

EA=0;//关中断

while（1）

{

ALARM_LED=ON;

LcdShowStr（1，10，“ERROR！”）;

delayms（550）;

LcdShowStr（1，10，“ ”）;

ALARM_LED=OFF;

delayms（250）;

if（n++《3）BUZZER=！BUZZER;

elseBUZZER=OFF;

}

LcdClearScreen（）;

}

/****************************************

函数功能：测量、状态显示

入口参数：无

*****************************************/

void ShowLcd1602（）

{

LcdShowStr（0，0，“PV：”）;

ShowNum（0，3，TestVal）;//显示实测值

LcdShowStr（0，6，“%RH”）;

LcdShowStr（0，10，“State：”）;

LcdShowStr（1，0，“SV：”）;

ShowNum（1，3，SetVal）;//显示设定值

LcdShowStr（1，6，“%RH”）;

if（staSystem==E_AUTO）LcdShowStr（1，10，“ Auto ”）;

elseif（staSystem==E_MANUAL） LcdShowStr（1，10，“Manual”）;

}

/**********************************************

函数功能：读取当前的ADC 转换值

入口参数：chn，AD通道号0-3

**********************************************/

unsigned char GetADCValue（unsigned charchn）

{

ucharval;

I2CStart（）;

if（！I2CWrite（0x48《《1）） // 寻址PCF8591 PCF8591，如未应答，则停止操作并返回，00

{

I2CStop（）;

return0;

}

I2CWrite（0x40|chn）;// 写入控制字节，选择转换通道

I2CStart（）;

I2CWrite（（0x48《《1）|0x01）;// 寻址PCF8591 PCF8591，指定后续为读操作

I2CReadACK（）;// 先空读一个字节，提供采样转换时间

val= I2CReadNAK（）; // 读取刚刚转换完的值

I2CStop（）;

returnval;

}

/****************************************

函数功能：按升序排列数组元素

入口参数：数组及数组长度

*****************************************/

void SortArray（unsigned char a［］，unsignedchar a_len）

{

unsignedchar i，temp;

for（i=1;i《a_len;i++）

{

if（a［i-1］》a［i］）

{

temp=a［i-1］;

a［i-1］=a［i］;

a［i］=temp;

i=0;

}

/****************************************

函数功能：中值滤波，线性转换后，获得土

壤湿度0-100%

入口参数：无

*****************************************/

void Humidity（）

{

unsigned char i， tmp;

unsigned char adBuf［N］;

for（i=0;i《N;i++）adBuf［i］=GetADCValue（1）;//读取湿度

SortArray（adBuf，sizeof（adBuf））;

tmp=adBuf［N/2］;

tmp=GetADCValue（3）;

TestVal=100-100.*tmp/255;

}

/****************************************

函数功能：配置定时器0，定时时间

壤湿度0-100

入口参数：ms，定时时间（毫秒）

****************************************/

void ConfigTimer0（unsigned int ms）

{

unsigned long tmp;

tmp = 11059200 /12; // 定时器计数频率

tmp = （tmp * ms） /1000; // 计算所需的计数值

tmp = 65536 - tmp; // 计算定时器重载值

tmp = tmp + 12; // 修正中断响应延时造成的误差

T0RH = （unsigned char）（tmp 》》 8）; // 定时器重载值拆分为高低字节

T0RL = （unsigned char）tmp;

TMOD &= 0xF0; // 清零T0 的控制位

TMOD |= 0x01; // 配置T0 为模式11

TH0 = T0RH; // 加载T0 重载值

TL0 = T0RL;

ET0 = 1; // 使能T0 中断

TR0 = 1; // 启动T0

}

/****************************************

函数功能：延时函数

入口参数：t，延时约t毫秒

****************************************/

//---------延时----------------

void delayms（uint t）

{

uchari;

while（t--）

for（i=0;i《123;i++）;

}

/****************************************

函数功能：T0 中断服务函数

入口参数：无

****************************************/

void InterruptTimer0（） interrupt 1

{

static unsigned char tmrms=0;

static unsigned char tmr=0;

TH0 = T0RH; // 定时器重新加载重载值

TL0 = T0RL;

tmrms++;

tmr=（tmr+1）%100;

if（staSystem==E_ALARM） //故障液晶报警显示

{

if（tmr《50）LcdShowStr（1，11， “ALARM ”）;

elseLcdShowStr（1，11， “ ”）;

if（tmrms》=50） // 定时0.5s

{

tmrms=0;

ALARM_LED=！ALARM_LED;

if（cnt》0）{cnt--;BUZZER=！BUZZER;}

else{BUZZER=OFF;}

}

else

{

ALARM_LED=OFF;

BUZZER=OFF;

}

/***************************************

Lcd1602.h

***************************************/

#ifndef _LCD1602_H

#define _LCD1602_H

#ifndef _LCD1602_C

#endif

void LcdWaitReady（）; //读取“忙”表示，等待液晶准备好

void LcdWriteCmd（unsigned char cmd）;//给液晶发送命令cmd

void LcdWriteDat（unsigned char dat）; //写入数据函数

void LcdClearScreen（）;//液晶清屏

void LcdInit（）; //液晶初始化函数

void CursorPos（unsigned char row，unsignedchar col）;//光标定位

void ShowNum（unsigned char row，unsignedchar col，unsigned char Num）;//显示3位数

void LcdShowStr（unsigned char row， unsignedchar col，unsigned char code *str）; //显示字符串

#endif

/***************************************

Lcd1602.c

***************************************/

#define _LCD1602_C

#include“config.h”

#include“Lcd1602.h”

/********************************************

函数功能：判断液晶模块忙碌状态。忙，等待。

入口参数：无。

********************************************/

void LcdWaitReady（） //读取“忙”表示，等待液晶准备好

{

unsigned char sta;

LCD1602_DB = 0xFF;

LCD1602_RS = 0;

LCD1602_RW = 1;

do// do.。.while 循环语句

{

LCD1602_E= 1;

sta= LCD1602_DB; //读取状态字

LCD1602_E= 0; //读完了要关闭使能，防止液晶输出数据干扰总线

}while （sta & 0x80）; //bit7 等于1 表示液晶正忙，重复检测直到其等于0 为止

}

/************************************************

函数功能：给液晶发送命令

入口参数：cmd

**************************************************/

void LcdWriteCmd（unsigned char cmd）

{

LcdWaitReady（）;

LCD1602_RS = 0;

LCD1602_RW = 0;

LCD1602_DB = cmd;

LCD1602_E = 1;

LCD1602_E = 0;

}

/************************************************

函数功能：给液晶发送数据

入口参数：dat

**************************************************/

void LcdWriteDat（unsigned char dat） //写入数据函数

{

LcdWaitReady（）;

LCD1602_RS = 1;

LCD1602_RW = 0;

LCD1602_DB = dat;

LCD1602_E = 1;

LCD1602_E = 0;

}

/************************************************

函数功能：清屏

入口参数：无

**************************************************/

void LcdClearScreen（）

{

LcdWriteCmd（0x01）;

}

/************************************************

函数功能：液晶初始化

入口参数：无

**************************************************/

void LcdInit（） //液晶初始化函数

{

LcdWriteCmd（0x38）; //16*2 显示，5*7 点阵，8 位数据接口

LcdWriteCmd（0x0C）; //显示器开，光标关闭

LcdWriteCmd（0x06）; //文字不动，地址自动加1

LcdWriteCmd（0x01）; //清屏

}

/************************************************

函数功能：定位光标

入口参数：row行位置，col列位置

**************************************************/

void CursorPos（unsigned char row，unsignedchar col）

{

row%=2; col%=40; //防止越界

if（row）LcdWriteCmd（0xC0+col）; //第2行

elseLcdWriteCmd（0x80+col）; //第1行

}

/************************************************

函数功能：显示3位数

入口参数：row行位置，col列位置，Num显示数据

**************************************************/

void ShowNum（unsigned char row，unsignedchar col，unsigned char Num）

{

row%=2; col%=40; //防止越界

LcdWriteCmd（0x80+row*0x40+col）;//光标定位

if（Num《10）

{

LcdWriteDat（‘’）; //百位

LcdWriteDat（‘’）;//十位

LcdWriteDat（Num%10+‘0’）;//个位

}

elseif（Num《100）

{

LcdWriteDat（‘’）; //百位

LcdWriteDat（Num/10%10+‘0’）; //十位

LcdWriteDat（Num%10+‘0’）; //个位

}

else

{

LcdWriteDat（Num/100+‘0’）; //百位

LcdWriteDat（Num/10%10+‘0’）; //十位

LcdWriteDat（Num%10+‘0’）; //个位

}

/************************************************

函数功能：在给定位置显示字符串

入口参数：row行位置，col列位置，str字符串

**************************************************/

void LcdShowStr（unsigned char row， unsignedchar col， unsigned char code *str） //显示字符

{

uchari=0;

row%=2;col%=40; //防止越界

LcdWriteCmd（0x80+row*0x40+col）;//光标定位

for（;col《40&&str［i］！=0;i++，col++）{LcdWriteDat（str［i］）;}

}

/***************************************

I2C.h

***************************************/

#ifndef _I2C_H

#define _I2C_H

#ifndef _I2C_C

#endif

void I2CStart（）; // 产生总线起始信号

void I2CStop（）; // 产生总线停止信号

bit I2CWrite（unsigned char dat）; //I2C 总线写操作，待写入字节dat dat，返回值为应答状态

unsigned char I2CReadACK（）; //I2C 总线读操作，并发送应答信号，返回值为读到的字节

unsigned char I2CReadNAK（）;

#endif

/***************************************

I2C.c

***************************************/

#define _I2C_C

#include “config.h”

#include “I2C.h”

#define I2CDelay（）{_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;}

/********************************************

函数功能：产生总线起始信号。

入口参数：无。

********************************************/

void I2CStart（）

{

I2C_SDA = 1; //首先确保SDA、SCL 都是高电平

I2C_SCL = 1;

I2CDelay（）;

I2C_SDA = 0; //先拉低SDA

I2CDelay（）;

I2C_SCL = 0; //再拉低SCL

}

/********************************************

函数功能：产生总线停止信号。

入口参数：无。

********************************************/

voidI2CStop（）

{

I2C_SCL = 0; //首先确保SDA、SCL 都是低电平

I2C_SDA = 0;

I2CDelay（）;

I2C_SCL = 1; //先拉高SCL

I2CDelay（）;

I2C_SDA = 1; //再拉高SDA

I2CDelay（）;

}

/********************************************

函数功能：I2C 总线写操作，返回值为应答状态。

入口参数：待写入字节dat。

********************************************/

bit I2CWrite（unsigned char dat）

{

bit ack; //用于暂存应答位的值

unsigned char mask; //用于探测字节内某一位值的掩码变量

for （mask=0x80; mask！=0; mask》》=1） //从高位到低位依次进行

{

if （（mask&dat） == 0） //该位的值输出到SDA 上

I2C_SDA = 0;

else

I2C_SDA = 1;

I2CDelay（）;

I2C_SCL = 1; //拉高SCL

I2CDelay（）;

I2C_SCL = 0; //再拉低SCL，完成一个位周期

}

I2C_SDA = 1; //8 位数据发送完后，主机释放SDA，以检测从机应答

I2CDelay（）;

I2C_SCL = 1; //拉高SCL

ack = I2C_SDA; //读取此时的SDA 值，即为从机的应答值

I2CDelay（）;

I2C_SCL = 0; //再拉低SCL 完成应答位，并保持住总线

return （~ack）; //应答值取反以符合通常的逻辑：0=不存在或忙或写入失败，1=存在且空闲或写入成功

}

/********************************************

函数功能：I2C 总线读操作，并发送非应答信号，

返回值为读到的字节。

入口参数：无。

********************************************/

unsigned char I2CReadNAK（）

{

unsigned char mask;

unsigned char dat;

I2C_SDA = 1; //首先确保主机释放SDA

for （mask=0x80; mask！=0; mask》》=1） //从高位到低位依次进行

{

I2CDelay（）;

I2C_SCL = 1; //拉高SCL

if（I2C_SDA == 0） //读取SDA 的值

dat &= ~mask; //为0 时，dat 中对应位清零

else

dat |= mask; //为1 时，dat 中对应位置1

I2CDelay（）;

I2C_SCL = 0; //再拉低SCL，以使从机发送出下一位

}

I2C_SDA = 1; //8 位数据发送完后，拉高SDA，发送非应答信号

I2CDelay（）;

I2C_SCL = 1; //拉高SCL

I2CDelay（）;

I2C_SCL = 0; //再拉低SCL 完成非应答位，并保持住总线

return dat;

}

/********************************************

函数功能：I2C 总线读操作，并发送应答信号，

返回值为读到的字节。

入口参数：无。

********************************************/

unsigned char I2CReadACK（）

{

unsigned char mask;

unsigned char dat;

I2C_SDA = 1; //首先确保主机释放SDA

for （mask=0x80; mask！=0; mask》》=1） //从高位到低位依次进行

{

I2CDelay（）;

I2C_SCL = 1; //拉高SCL

if（I2C_SDA == 0） //读取SDA 的值

dat &= ~mask; //为0 时，dat 中对应位清零

else

dat |= mask; //为1 时，dat 中对应位置1

I2CDelay（）;

I2C_SCL = 0; //再拉低SCL，以使从机发送出下一位

}

I2C_SDA = 0; //8 位数据发送完后，拉低SDA，发送应答信号

I2CDelay（）;

I2C_SCL = 1; //拉高SCL

I2CDelay（）;

I2C_SCL = 0; //再拉低SCL 完成应答位，并保持住总线

return dat;

}/***************************************

Keyboard.h

***************************************/

#ifndef _KEY_BOARD_H

#define _KEY_BOARD_H

#ifndef _KEY_BOARD_C

extern unsigned char SetVal;

#endif

void KeyAction（）;//按键处理，手动运行

#endif

/***************************************

KEYBOARD.C

***************************************/

#define _KEY_BOARD_C

#include “config.h”

#include “keyboard.h”

#include “Lcd1602.h”

#include “main.h”

unsigned char SetVal=25;//设定初始值

/****************************************

函数功能：按键处理，手动运行

入口参数：无

*****************************************/

void KeyAction（）

{

if（AK_KEY==0）//LCD1602背光控制

{

delayms（10）;

if（AK_KEY==0）

{

LCD1602_AK=！LCD1602_AK;

while（！AK_KEY）;

}

if（MA_KEY==0）

{

delayms（10）;

if（MA_KEY==0）

{

if（staSystem==E_AUTO）

{

staSystem=E_MANUAL;

AUTO_LED=OFF;

MANUAL_LED=ON;

}

elseif（staSystem==E_MANUAL）

{

staSystem=E_AUTO;

AUTO_LED=ON;

MANUAL_LED=OFF;

}

while（！MA_KEY）;

}

if（staSystem==E_MANUAL）//手动工作状态

{

if（UP_KEY==0）{PUMP=ON;PUMP_LED=ON;}//手动开

elseif（DN_KEY==0）{PUMP=OFF;PUMP_LED=OFF;}//手动关}

}

elseif（staSystem==E_AUTO）//自动状态

{

if（UP_KEY==0）

{

delayms（10）;

if（UP_KEY==0）

{

if（SetVal《100） SetVal++; //设置+

while（！UP_KEY）;

}

if（DN_KEY==0）

{

delayms（10）;

if（DN_KEY==0）

{

if（SetVal》0） SetVal--; //设置-

while（！DN_KEY）;

}

}
责任编辑人：CC

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