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1、 智能自动培植控制系统设计与仿真（智能自动培植系统的研制）学 院： 工业自动化学院专 业： 姓 名： 指导老师： 机械工程 文洪 学 号： 职 称： 160406102814 杨立斌副教授中国珠海二一九 年 五 月北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计诚信承诺书本人郑重承诺：本人承诺呈交的毕业设计智能自动培植控制系统设计与仿真是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。本人签名： 文 洪 日期： 2020 年 5 月 17 日智能自动培植控制系统设计与仿真摘 要智能自动培植（Intelligent Auto
2、matic Cultivation，简称IAC）是一种智能化培植系统。其能够自动满足盆栽植物所需要的生存条件，将光照、水分，肥料、通风、湿度、温度等作为可控的闭环控制系统，并随着植物的生长需求变化以及环境条件进行系统闭环自我维护保养等。极大满足了人们足不出户，即可以在家中进行植被的培植，又可以在日常工作时充分地给予植被相应的生长条件。帮助人们从植物培育的复杂程序中解脱出来，能保持植物的持续最佳生长状态，这是对植物生态资源的合理高效利用。智能自动培植系统将采用STC89C52RC单片机作为该栽培系统的控制芯片，与此同时使用与设计需求相关感知外界环境的传感器，将温度、湿度、光照等外界环境因素进行采
3、集及输入，并通过单片机控制及输出到各个机械结构动力位置相应电机的启动、正转、反转及停止动作。由此来实现趋光运动、自动施肥、自动浇水、自动散热等基本功能。针对于硬件层面的设计，将使用Proteus软件对智能自动栽培系统的电路原理图进行设计，按照设想实现的功能对硬件选型设计。针对软件层面的设计，将使用Keil软件对目的功能程序进行编程。最后制作智能自动栽培系统的实物模型的进行仿真，以此来验证智能自动栽培系统控制系统从理论到现实的可行性。关键词：智能自动栽培；单片机；控制系统；程序编程Design and Simulation of Intelligent Automatic Cultivation
4、 Control SystemAbstractIntelligent Automatic Cultivation (IAC) is an intelligent cultivation system. It can automatically meet the living conditions required by potted plants, use light, moisture, fertilizer, ventilation, humidity, temperature, etc. as a controllable closed-loop control system, and
5、perform system closed-loop self-maintenance as the plant growth needs change and environmental conditions Wait. It greatly meets peoples need to leave the house, that is, they can cultivate vegetation at home, and can give vegetation the corresponding growth conditions in daily work. To help people
6、get rid of the complex procedures of plant cultivation, and to maintain the continuous optimal growth of plants, this is the rational and efficient use of plant ecological resources.The intelligent automatic cultivation system will use the STC89C52RC single-chip microcomputer as the control chip of
7、the cultivation system, and at the same time use sensors that sense the external environment related to the design requirements, collect and input external environmental factors such as temperature, humidity, and light, and control and The start, forward, reverse and stop actions of the correspondin
8、g motor output to the power position of each mechanical structure. In this way, basic functions such as phototaxis, automatic fertilization, automatic watering, and automatic heat dissipation are realized. For the design of the hardware level, Proteus software will be used to design the circuit sche
9、matic diagram of the intelligent automatic cultivation system, and the hardware selection design will be based on the functions realized. For the design of the software level, Keil software will be used to program the target function program. Finally, make a physical model of the intelligent automat
10、ic cultivation system for simulation to verify the feasibility of the intelligent automatic cultivation system control system from theory to reality.Keywords: Intelligent automatic cultivation; Single chip microcomputer; Control system; Program programming目录1 前言11.1本设计的研究背景11.2本设计的发展现状及存在问题11.3本设计的内
11、容11.4本设计的意义22整体设计方案32.1方案的目的32.2方案的思路32.3方案的机械简述42.3.1送风板运动方式分析42.3.2施肥装置运动方式分析52.3.4双层转换运动方式分析52.3.5栽培控制系统分析62.4方案的整体简介62.5小结63智能自动培植系统的硬件选型与电路原理图设计73.1控制系统的硬件选型73.1.1微控制器的选型73.1.2降压稳压电源模块的选型83.1.3光敏传感器的选型83.1.4温湿度电路系统选型93.1.5显示屏模块的选型93.1.6灌溉泵体的选型103.1.7电机的选型113.2控制系统的硬件电路原理图设计113.2.1单片机最小系统电路原理图设计
12、113.2.2稳压电路原理图设计133.2.3感光电路原理图设计143.2.4温湿度传感器电路原理图设计143.2.5显示屏电路原理图设计153.2.6电机电路原理图设计163.2.7按键电路原理图设计173.3小结174智能自动培植系统的软件程序设计184.1主程序设计184.2子程序设计194.2.1显示屏子程序设计194.2.2按键子程序设计194.2.3光照子程序设计204.2.4温湿度子程序设计214.3软件调试224.4软件与硬件的综合结合调试224.5小结235结论24参考文献25谢 辞26附 录271 前言1.1本设计的研究背景2015年，在十八届五中全会中，党提出了“共享、开
13、放、绿色、协调、创新”五个大的发展理念1。2020年已到来，我国全面小康社会已基本建成，同时随着我国国民整体生活水平有显著提高，生态文明建设方针、绿色健康发展理念也已经深入我国国民生活的方方面面。 绿色植物的培养是人们茶余饭后的一项重要休闲活动，除了中老年群体，越来越多的年轻人也加入到室内植物的养殖中来，这不仅是对自己心性的一种锻炼，更是生活中的另一番情趣所在。但随着生活压力越来越大，人们很难在复杂的工作之余有充足的时间对植物进行培育和维护，对于一些名贵的植物更是如此。室内植物的生长状态不仅影响着我们的心情，由于缺乏照料而频繁地对养殖植物进行更换更是一种对生态资源的浪费。因此，一种新型的植物培
14、植系统的研究的需求就显现出来，它既能够帮助人们从植物培育的复杂程序中解脱出来，又能保持植物的持续最佳生长状态，这既是对植物生态资源的合理高效利用，也是对五大发展理念的积极响应。1.2本设计的发展现状及存在问题目前市场上普通的盆栽价格便宜，但是不具备任何功能，底部只有一个排水口，容易流失水分。而懒人盆栽，只能储备水分，容易让土质水分过多。而人们平时白天忙于工作，无法对盆栽进行及时的搭理，如：浇水，控制温度，调节光照等。增设了自动控制模块的盆栽，功能依然单一，只能解决单个因素的控制问题。太阳灯培育盆栽，有提示浇水功能，但是不能自动浇水。而增加了自动浇水功能的盆栽结构，又无法控制温度和湿度并加以显示
15、反馈。总结以上问题，目前市面上并没有可以集合监控、培育，护理为一体的培植系统。我们需要设计出一款可以满足盆栽植物所需要的生存条件，将光照、水分，肥料、通风、湿度、温度等作为可控的控制系统，随着植物的生长需求变化环境条件以及进行系统自我维护保养等功能。因此，在栽培领域的智能自动控制及生产中的运用应该有一个颠覆性革新，打开空白市场，树立全新品牌，迎接栽培市场春天。1.3本设计的内容现在农业智能化栽培正在逐步成为解决各种植物栽培问题关键技术，在本系统中将进行机械的简述，并对环境信息反馈控制进行详细设计。 内容包括光照装置、温度湿度监控装置、报警与显示系统以及相关控制系统等的设计与实现。进行自动浇水滴
16、灌、通风、监控、报警等功能，可以充分利用空间，节省土地面积及水资源与人力物力。智能自动培植系统具体设计思路的主要内容如就下：（1）硬件设计层面：单片机最小系统电路、温湿度检测电路、LCD1602液晶显示屏电路、电机驱动电路、光照检测电路、电源降压整流滤波稳压5V电路、按键切换模拟电路、紧急制动电路等。（2）软件设计层面：主程序、串口子程序、定时器子程序、数据反馈显示屏子程序、按键切换子程序、光照检测子程序、温湿度检测子程序等。（3）软硬件结合调试及仿真：结合植物设计生长环境需求，设定合适环境条件，当超过预设值时便可反馈输入，再又输入控制输出，这便形成一个封闭的闭环控制系统。通过软硬件结合综合调
17、试出最理想的效果，使得该系统能够实现自动修复调整植物生长所需要的环境条件。1.4本设计的意义（1）该培植系统可以自动灌溉同时精准监控土壤湿度，避免有溺死烂根的情况出现或植物缺水枯萎而死的现象。（2）根据不同植物的最佳培育温度，精确监控控制温度，保证植物的健康生长。（3）具有搬运装置，远程操控盆栽位置，确保有太阳光照覆盖。（4）该作品具有浇灌，搬运，温度湿度监控，远程操控，通风和控温等功能，是一种智能综合的监控，培育，护理为一体的培植系统。（5）所有操作可以远程控制，不需要人工控制，只需要设置参数就能精准控制。（6）目前市面上尚未存在该功能一体化完整的智能栽培系统，具有广阔的市场前景。2整体设计
18、方案2.1方案的目的本设计针对市场上现有培植系统功能单一、结构简单的问题，提出了集培育、护理、监控于一体的智能培植系统，可全面实现无人操作、远程控制、智能栽培。在植物在生长过程中，温度、湿度、肥料等因素都对植物的生长与繁殖具有重要的影响，因此，装置应充分考虑上述关键因素的调节与控制，使植物的生存环境保持最为适宜的状态。此外，考虑到居家盆栽植物的多样性，装置还考虑了以植物向光型和避光性为区分的搬运结构，可根据光照条件实时调整不同光照需求的植物的受光，确保光照得到最充分的利用。2.2方案的思路控制系统的总体设计应综合考虑植物生长历程中各类环境因素对植物的影响，本控制系统的设计思路主要考虑以下内容。
19、（1）光照强度的影响。光照对于植物的光合作用于植物光形态的建成都有着至关重要的作用。植物在光照条件下，由叶绿素吸收光能并将之转化为植物生长的必需营养物质。植物种子的发芽、叶的展开等生命活动，也离不开光照的作用，因此装置应对植物的光照做出合理的调节与控制。装置拟设置双层结构，两层可分别放置两类对光强需求不同的植物，即向光性植物与避光性植物。通过光照传感器检测室内光照强度的大小，并针对植物对光照的不同需求设置不同阈值，在室内光强达到向光性植物的光照需求区间时，如正午时分，由电机带动将向光性植物转至顶层，以保证接收到更多的光照；若室内光强位于避光性植物的光照区间，则避光性植物将转至顶层，以此保证室内
20、光照达到最大程度的利用，促进节能减排理念在生活中的深化与推广。（2）室内温度的影响。温度是植物生长的另一重要因素。一般植物对温度的需求大致在同一区间，若室内温度高于区间的最高值，可设计一定机械结构对装置进行送风，从而实现对植物的降温；若室内温度低于区间的最低值，则通过预埋在盆栽下方的加热电阻，对植物进行加热。通过上述控制，确保室内温度始终保持在适合植物生长的温度条件下，为植物提供最佳生长环境。（3）水分的供应。植物在生长过程中，其生长必需物质的吸收和运输、光合作用、蒸腾作用等维持植物持续生长的必要生理活动，这些植物的生存需求全部都需要在充足水分条件的情况下才能够进行，水是植物生长的必需物质，因
21、此水分的供应也是装置所重点设计的关键环节。对于水分的检测主要通过预埋在土壤中的湿度传感器进行。此处只考虑植物土壤湿度较低，土壤状态干燥的情况，即当环境湿度低于植物生长所需湿度时，水泵开启向植物浇水，直至湿度达到预设要求。（4）肥料的供应。肥料能够为植物提供丰富的养分，以保证植物的良好发育，并积极改善土壤环境，维持土壤中养分的多样性。装置中对于肥料的供应考虑人工远程操作进行，只需按动开关，即可自动对植物进行施肥。2.3方案的机械简述机械部分由同小组负责机械设计的同学负责设计，该系统将采用由偏心机构组成的双层培植架，每层各两个承载板对植物进行摆放，其结构如图2-1所示。每个承载板上设置对应的感应系
22、统，实现对植物生存环境的精准调控。1-送风板 2-施肥装置 3-双层转换驱动 4-下陷保护 5-机架 6-挡板图 2-1 装置总体结构2.3.1送风板运动方式分析送风板设计在整个装置的顶部。当温度过高时，通过四杆机构实现送风板的绕轴运动，进而对顶层植物进行送风。顶板采用镂空装置，用以加装小风扇预留使用。其结构如图2-2所示。图 2-2 送风装置的四杆机构2.3.2施肥装置运动方式分析肥料的储存在安装在后侧挡板上的肥料盒完成，当需要施肥时，电机带动挡板左侧安装的摆动导杆机构的主动杆，导杆通过连接杆带动两个肥料盒的送料通道摆动，实现肥料向土壤的运送，其结构如图2-3所示。图 2-3 摆动导杆机构实
23、现肥料运送2.3.4双层转换运动方式分析由于装置只区分两类植物，即向光性与避光性植物。而装置共有四个承载板，因此必须保证装置静止状态下需要针对上下两层进行区分，而不是四个承载板停在任意位置，故装置采用具有间歇运动功能的槽轮机构，以此保证装置每次的到位停止，防止停留在任意位置而造成对光照吸收不均等问题。其在机架上的安装如图2-4所示。图 2-4 槽轮装置到位停止2.3.5栽培控制系统分析由光照模块检测环境光照情况，反馈与植物进行调试，实现植物光照自动化。由温湿度传感器检测环境温湿度，温度过高则进行通风，温度过低则进行电阻丝加热，湿度过低则进行灌溉浇水。施肥则可以根据人工意愿进行施肥。2.4方案的
24、整体简介本智能自动栽培系统的设计由以下几部分组成：机械结构系统、电子控制系统等组成。自动栽培系统的工作逻辑如下：（1）物放置在对应位置的盆栽位，栽培机器处于启动待机状态；（2）由光照传感器检测光线位置，将植物盆栽位移至光线强的区域接受光照，实现初步光照效果；（3）由温湿度传感器检测环境温湿度，若此时温湿度不满足设定植物生长条件则进行自动通风及灌溉操作，实现其次的温湿度补充条件；（4）若土壤肥料不充足，则可以通过人工指令控制，再进行肥料的自动施肥，实现施肥操作；（5）系统进行闭环操作，反复检测环境条件，补足该系统所需要的生长条件。2.5小结本章首先根据装置的总体功能确定了装置的设计思路，即根据环
25、境变化对植物的生长环境进行自动调节，具体包括对光照、温度、湿度、肥料等的控制。其次结合各部分功能对各结构进行方案的设计，给出了装置的机械与电控设计方案。3智能自动培植系统的硬件选型与电路原理图设计3.1控制系统的硬件选型3.1.1微控制器的选型单片微型计算机(Single Chip Microcomputer)简称为MCU。本次MCU的主要选择型号为STC89C52RC单片机。该单片机内部由中央处理器、RAM（随机存储内存）、ROM（只读内存）、计数器、并行I/O端口以及中断系统等等组成。STC89C52RC单片机的工作原理为其可以不断地读取执行指令，再在寄存器中进行译码功能，最后通过其他部件
26、完成执行指令。STC89C52RC单片机的编程相对比较简单简洁、同时也易学易懂，并且硬件设计方便，操作也很方便，再加上它价格实惠，易于购买，所以用它作为本次设计项目的主体控制部分很合适。STC89C52RC型号单片机如图3-1所示。在众多单片机型号中，采用该单片机的原因如下：（1）完全兼容 MCS-51 系列产品，同时程序也可以完全兼容。 （2）针对电机的控制，具有强的抗干扰性能。 （3）具有高灵活、高运算的特点。（4）针对电机的控制，具有强的抗干扰性能。 （5）价格低廉、运用场景广泛。（6）作者习惯性使用该型号单片机，使用操作存在熟悉性。图 3-1 STC89C52RC单片机3.1.2降压稳
27、压电源模块的选型降压稳压电源模块的作用是对单片机、相关的传感器以及电机进行已经经过的降压整流滤波好的稳定直流电的进行供电。本设计中采用5A大功率75W带电压表显示的降压稳压电源模块，通过按下按键，能够实现切换测量输入或输出电压，LED显示屏可以显示正在测量的是哪路电压值，并可以自行保存并记忆当前显示的哪路电压，长按键可关闭电压表显示。这就极大地方便了对系统输入的电压有一个即时的反馈，对于系统的电压安全性有很大的保障。降压稳压电源模块如图3-2所示。图 3-2 带电压表显示的降压稳压电源模块3.1.3光敏传感器的选型光照感光探测部分主要是采用光敏传感器来设计的，从而实现通过外界光照的改变而自动控
28、制两个电机的转动，使得植物在有光照的情况的下永远向着光照进行光合作用。光敏电阻其工作原理是主要基于内光电效应，其内部是用硫化镉或者硒化镉等半导体材料制作而成的。光敏电阻受到光线照射的时候，电流会随着光照强度的增大而变大，从而实现光电转换。当其在无光照时，几乎就呈现出高电阻的状态，暗电阻很大。光敏传感器模块的组成主要由光敏电阻、LM393比较器和可调电位器等组成的一个模块，使用的时候只需要用杜邦线与单片机连接即可，操作便捷。光敏电阻传感器模块如图3-3所示。图3-3 光敏电阻传感器模块3.1.4温湿度电路系统选型温湿度传感器方面，打算采用型号为DHT11的数字温湿度传感器。这是一款含有已校准数字
29、信号输出的温湿度复合传感器。该模块应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，使其具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。该传感器包括一个电阻式的感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该模块具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比高等优点2。该传感器温度测量范围为050，温度测量误差：2。湿度测量范围：20%-95%（0度-50度范围），湿度测量误差：+-5%。该探测温湿度范围已满足植物基本生长需求的环境条件探测。DHT11温湿度传感器模块如图3-4所示。图3-4 DHT11温湿度传感器3.1.5显示屏模块的选型环境数据反馈的显示屏采用LCD1602显示屏。用该显示
30、屏实现温度、湿度以及光照强度信息的显示反馈。LCD1602是工业字符型液晶，用来显示字母和数字也比较方便。其显示质量比较高，由于LCD1602显示屏每一个花光点收到信号一直保持恒定，能够保持原来的色彩以及亮度，使得画质高不会闪烁。该模块的功耗也低，主要的消耗主要是在内部电极以及驱动上，因而耗电量要比其他显示屏小得多3。综合以上考虑因素，选择LCD1602作为该系统的数据输出反馈显示屏非常合适。LCD1602显示屏如图3-5所示。图3-5 LCD1602显示屏3.1.6灌溉泵体的选型浇灌装置采用温湿度传感器来控制水泵的启动和关闭，进而实现对植物的供水与否。水泵是输送流体或者液体的机械驱动器，主要
31、是通过启动水泵，通过泵底下面的阀和吸入软管将液体吸入泵内，再从泵壳上的液体排出口连接的软管排出到其他的目的位置。本系统需只需要缓慢的水流的供给，所以对水泵的硬件要求不高。水流量稳定且可灵活控制的水泵即可。即选择普通工作额定电压为5V的小型抽水泵即可实现目的。灌溉水泵如图3-6所示。图 3-6 5V水泵3.1.7电机的选型步进电机是一种将电脉冲信号，转化为机械角位移的控制电机。电脉冲信号就像脉搏，有高电平、低电平。当有电流通过的时候，步进电机转动。当没有电流通过的时候，步进电机停止。步进电机可分为反应式、永磁式以及混合式。当步进点击接收到一个电脉冲信号，相应转动一个步进角度，转动的最小角度，就是
32、步距角4。步进电机靠脉冲数 量转动，需要转动多少圈，就给多少个脉冲。控制脉冲频率来控制电机的转动速度和加速度。 由于本设计对旋转体整体的转速和转矩要求都不是特别高，而且步进电机抗干扰能力强，启动、停止、正反转在少数脉冲内就可以完成，为此选择步进电机控制整个机构的转动。选定的步进电机如图3-7所示。图 3-7 步进电机3.2控制系统的硬件电路原理图设计3.2.1单片机最小系统电路原理图设计STC89C52RC单片机是双列直插式的40引脚封装，其中的40个信号引脚大致可以分为四类：电源引脚、时钟引脚、控制引脚和I/O引脚。电源引脚的作用主要是为该单片机提供电源来源，其中VCC可接芯片电源，工作额定
33、电压为5V，即接正极；VSS或GND为接地端，即接负极。时钟引脚主要是连接晶振，晶振的主要作用是为该电路产生像时钟一样准确计时的震荡电路，告诉单片机运算的时间以及起到准确计时等作用。控制引脚一共有4根，ALE/PROG：地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲、PSEM:外ROM读选通信号、RST/VPD：复位信号、EA/VPP：内外ROM选择/片内EPROM编程电源功能5。I/O引脚包括4个8位并行I/O端口，大体上可以分为P0、P1、P2、P3口，一共32个引脚。基本上32个引脚可以实现大部分外设传感器的控制以及对电机正转反转停止等动作的控制。STC89C52RC单片机的引脚图如图3-8所示。
34、图 3-8 单片机引脚图单片机最小系统包括单片机、时钟电路以及复位电路。这三个部分是构成一个单片机基本工作的最下单位，不可或缺。只需要有三个部分再供给单片机电源，单片机方可进行工作。复位电路是用于将单片机内部各个部分的电路状态恢复到一个确定的初始值，并从这个初始状态再开始工作。复位时使用按键复位的方式使其RST引脚上持续出现两个（或以上）机器周期的高电平。主要作用是当程序或操作有误时，可能导致系统崩溃甚至死机结果，这时便需要通过复位操作使其重新开始工作。时钟电路的工作原理是单片机外部接上振荡器（也可以是内部振荡器）提供高频脉冲经过分频处理后，成为单片机内部时钟信号，作为片内各部件协调工作的控制
35、信号。作用是来配合外部晶体实现振荡的电路，这样可以为单片机提供运行时钟。本设计的时钟电路是采用11.05926MHz的晶振，因为11.05926MHz能够准确地划分成时钟频率。用11.05926MHz晶振的原因是51单片机的定时器导致的,用51单片机的定时器做波特率发生器时，如果用11.05926MHz的晶振，根据公式算下来需要定时器设置的值都是整数；如果用12MHz晶振，则波特率都是有偏差的6。单片机最小系统的电路原理图如图3-9所示。图 3-9 单片机最小系统电路原理图3.2.2稳压电路原理图设计对接入的220V交流电我们需要对这个电源进行处理，这个时候就涉及到对220V交流电的降压整流滤
36、波稳压等处理。整个设计方案如图3-10所示。我们在电路设计上就考虑先采用降压线圈，使220V交流电降压为14V交流电，其次通过电桥对电流进行整流使其电流方向一致成为直流电，再通过7812降压芯片和7805降压芯片到把电压降到单片机工作需求的直流点，即直流5V电源。从而实现220V交流电转变成5V直流稳压的单片机工作电源。图 3-20 稳压模块电路原理图未来方便显示仿真效果，在该稳压模块电路中还加入了四个电压表，分别测量220V交流电电压，降压后的交流电电压，经过稳压模块7812后的电压，以及经过稳压模块7805后的最终输出电压。仿真测量效果如图3-11所示。图 3-31 通电时稳压模块电路仿真
37、效果图3.2.3感光电路原理图设计感光电路由光敏传感器模块组成，光敏传感器是由光敏电阻以及可调电位器等组成。通过光敏元件直接感受光照被并测量强度，因为输出与被测量有物理或者化学信号关系，即可通过此来检测环境情况。转换元件将敏感元件输出的物理量或化学信号转换为电信号，转换电路负责对转换元件输出的电信号进行放大调制。感知光照情况，由此可以来实现对环境特定的光照进行调整智能培植系统上面植物的趋光位置。光敏传感器模块电路原理图如图3-12所示。图 3-42 光敏传感器模块电路原理图3.2.4温湿度传感器电路原理图设计温控系统的作用是使得装置能够根据环境温度的变化自动为植物进行升温或降温。根据植物的最佳
38、生长条件，设定植物的生长温度区间，若环境温度低于区间最低值，则系统将启动预先埋设的加热电路，为环境升温；反之，则控制系统顶板上的电机转动，带动安装在顶板上的送风板转动实现送风。温度系统电路设计是通过STC89C52RC单片机与ADC0832作为主控制部分，并带有温度检测模块、显示模块以及处理模块进而实现温度系统的自动调节。送风板的转动是通过四杆机构实现的，当温度过高时，由旋转电机带动原动杆件，送风板的输出杆件实现绕轴运动或者启动顶部四个风扇进行散热，或者通过顶部风扇进行散热。湿度控制系统的作用是调控植物的土壤湿度环境。检测到环境湿度较低时，启动水泵控制，通过小型泵体对植物进行供水，保证植物的湿
39、度。浇灌部分系统采用DHT11温湿度传感器于抽水泵结合来设计，从而实现通过外界湿度的改变而自动控制电机的转动。温控感知系统，采用STC89C52RC单片机和DHT11温湿度传感器，两类电子元器件设计温湿度感知系统，从而实现对植物生长环境的自动调节，以保证植物的最佳生长状态。温控系统通过DHT11传感器，控制电机的转动，通过上述四杆机构，带动送风板进行绕轴摆动，实现送风，从而降低环境温度。湿度控制系统，通过控制小型水泵的启闭，实现对植物的浇灌。其功能模块主要包括温度检测模块、显示模块以及处理模块。温湿度传感器模块电路图如图3-13所示。图 3-53 温湿度传感器模块电路原理图3.2.5显示屏电路
40、原理图设计LCD1602 字符型液晶显示屏，能够提供多种控制命令，比如字符闪烁，显示移位， 清屏等多种功能，总共能显示32个字符。内部有复位电路，电压为正 5V，对比度可调， 体积小、耗电少、显示多种多样7。RS 端连接单片机的 P10 引脚，数据命令选择端。 E 连接单片机 P11 引脚，使能信号端。在偏压 VO 引脚中接入 10K 的电阻来调节 LCD 的对比度，背光电源接入一个 1K的电阻来进行限流，防止电流过大而烧坏背光 LED。LCD1602显示屏电路的电路原理图设计图如图3-14所示。图 3-64 LCD1602显示屏模块电路原理图LCD1602的主要功能于下行是显示预设的温度值、
41、湿度值以及光照值，然后于上行显示实时传感器探测的温度值、湿度值以及光照值。这样子就能够达到一个非常简单反馈的实时环境信息给操作者。LCD1602显示屏的设计仿真效果图如图3-13所示。图 3-73 LCD1602显示屏仿真效果3.2.6电机电路原理图设计通过温湿度传感器的环境探测，设定一个温度预定值，若实际温度超过预定温度则表示温度过高，这个时候触发条件使温度对应的电机驱动，驱动散风板以及顶部风扇进行散热功能。同理湿度也有一个预定值，若是低于这个预定值则说明空气突然过于干燥，需要增加湿度，遇上触发条件驱动水泵开启灌溉功能。温湿度反馈输出的电机电路原理图如图3-14所示。图 3-84温度散热及湿
42、度灌溉电机电路原理图光照条件也同理，在程序中会预定设置一个参数，如果光照强度超过该预定值，则说明该处光照强度足以提供植物光合作用，同时也驱动电机运动将培植唯一至目的位置接受光照进行光合作用。光照反馈输出的电机电路原理图如图3-15所示。图 3-95 光照驱动主电机电路原理图3.2.7按键电路原理图设计由于该系统需要有一个可设定的温度值、湿度值以及光照值，所以需要通过按键来进行反馈输入作用，给予系统知道一个临界值，到了多少温度湿度光照就执行反馈调整。在按键功能上面就分别设置了7个按键，分别是温度加、温度减、湿度加、湿度减、光照加、光照减、手动控制电机运动按键。图 3-106 按键电路原理图3.3
43、小结本章节通过阅读大量的文献资料、相关单片机控制的知识以及传感器特性等来确定最终的单片机型号，各类传感器以及电机的选型。同时也用PROTEUS软件绘制出了相关的电路原理图，说明了单片机以及各个传感器电机的用途以及使用逻辑。这更有简洁有力的陈述了我们的制作的该产品的各个重要因素。4智能自动培植系统的软件程序设计4.1主程序设计按照设计的功能要求，控制主程序设计的流程如下。智能自动培植系统通上电源之后，对定时器初始化、LCD1602 液晶显示屏初始化、电机初始化等。然后，光照传感器模块和温湿度传感器模块检测模块开始检测工作，检测栽培空间环境的光线和温湿度。当光照传感器检测到光照之后，系统自动调整光
44、照角度。当温度过高就进行系统通风散热。当环境湿度过于干燥，就进行灌溉浇水。执行完毕之后整个系统根据环境，闭环检测数据反馈循环执行工作。达到智能闭环控制的目的。主程序的流程图如图4.1所示。图 4-1 主程序流程图4.2子程序设计子程序的设计内容包括：显示屏子程序设计、 按键程序设计、光照程序设计以及温湿度程序设计等。4.2.1显示屏子程序设计显示屏采用LCD1602，显示屏功能上可实现光线传感器以及温湿度传感器对环境的检测，然后把数据实时反馈在LCD1602显示屏上面，作为一个数据输出反馈的设备可方便告诉人们现阶段系统状态。其次通过按键调节的光照温湿度设定值也可以反馈在显示屏上面方便人工查看以
45、及操作。显示屏子程序流程图如图4-2所示。图 4-2 显示屏子程序流程图4.2.2按键子程序设计按键模块主要是用于调整环境设定范围参数使用，按键模块有光照+、光照-、温度+、温度-、湿度+、湿度-及手动控制电机运动功能。以手动按钮的形式进行设置温湿度光照的临界范围。按键子程序流程图如图4-3所示。图 4-3 显示屏子程序流程图4.2.3光照子程序设计光照传感器主要用于接受探测环境光线情况，光敏传感器主要放置于系统的顶部四个角，接受空间的光线强度，由光线位置以及强弱决定整个系统的运动趋向。如果没有光线则系统保持原来状态不运动，如果一侧有光线则可以将盆栽位移至光线存在所在的位置接受阳光进行光合作用
46、，增加对植物的光合作用的需求，使植物生长更佳。光照子程序流程图如图4-4所示。图 4-4 显示屏子程序流程图4.2.4温湿度子程序设计为了智能自动培植系统的使用场景更广泛，而且不会因为温度湿度过高或者过低影响植物的生长，所以设立温度检测模块。当温度传感器检测到温度高于设定温度的时候，则通过送风板或风扇进行通风散热。当湿度传感器检测到湿度低于设定湿度的时候，则通过送抽水泵进行灌溉。温湿度子程序流程图如图4-5，图4-6所示。图 4-5 温湿度（温度）子程序流程图图 4-6 温湿度（湿度）子程序流程图4.3软件调试程序编写完成之后，我们要在 Keil 平台上编译。首先，对各个单独的子程序进行编译，每个子程序没有出现语法错误之后，再对各个模块合并进行编译，没有错误则为编译成功。常见的软件调试错误如下： （1）使用中断的时候，注意中断的优先级别。 （2）在使用循环的时候，要加上时间限制，否则很可能会出现无条件死循环。 （3）在调试中，没有开启看门狗。导致有些问题被掩盖，不利于调试。 本设计中曾出现引脚定义错误这种低级错误，也出现过死循环的问题。图4-7为程序完整编译结果图。图 4-7 程序成功编译图4.4软件与硬件的综合结合调试软硬件的综合结合调试是一整个系统调试的最极为重要的部分，软硬件综合结合调试经常遇到困难的问题有： （1） 软件和硬件部分是