《土壤湿度检测及自动浇水系统设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《土壤湿度检测及自动浇水系统设计（29页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、word土壤湿度检测与自动浇水系统设计1 设计主要内容与要求1.1 设计目的：随着人们生活水平的提高花卉逐渐受到人们的青睐，本设计要求利用单片机设计一 款 家庭智能浇花器，实现自动浇花，节省人力，方便人们出差的时候不至于影响花卉的生长，如果在家也可以关断浇花器 。 1了解土壤湿度检测的根本知识以与电工电子学、单片机、传感器等相关技术。 2初步掌握常用土壤湿度检测传感器的特点和应用场合，并选择恰当方法应用于本设计。1.2 根本要求1通过c8051f020单片机编程来实现土壤湿度的实时显示，并具有超量程报警装置。2要求设计相关传感器系统和控制系统实现自动浇水功能。 3要求设计相关的硬件电路，包括传
2、感器的选型、控制系统和显示系统的硬件电路设计。1.3 发挥局部 自由发挥2 设计过程与论文的根本要求：2.1 设计过程的根本要求1根本局部必须完成，发挥局部可任选；2符合设计要求的报告一份，其中包括总体设计框图、电路原理图各一份；3报告的电子档需全班统一存盘上交。2.2 课程设计论文的根本要求1参照毕业设计论文规X打印，包括附录中的图纸。项目齐全、不许涂改，不少于4000字。图纸为A4，所有插图不允许复印。2装订顺序：封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要、关键词、目录、正文设计题目、设计任务、设计思路、设计框图、各局部电路与相应的详细的功能分析和重要的参数计算、工作过程分析、元器件清单、主要
3、器件介绍、小结、参考文献、附录总体设计框图与电路原理图。3 时间进度安排顺序阶段日期计 划 完 成 内 容备注1讲解主要设计内容，安排学生查阅资料打分2检查任务框图的设计情况打分3检查整个设计理论方面的准备情况打分4指导学生进展传感器的选择打分5进程传感器与测量电路的硬件电路设计打分6讲解原理图的绘制要求打分7检查原理图完成情况，讲解与纠正错误打分8检查流程图的绘制与报告的书写要求打分9布置辩论打分10辩论、写报告打分一 设计任务描述1.1 设计题目：土壤湿度检测与自动浇水系统设计1.2 设计要求1.2.1 设计目的：随着人们生活水平的提高花卉逐渐受到人们的青睐，本设计要求利用单片机设计一 款
4、家庭智能浇花器，实现自动浇花，节省人力，方便人们出差的时候不至于影响花卉的生长，如果在家也可以关断浇花器 。 1了解土壤湿度检测的根本知识以与电工电子学、单片机、传感器等相关技术。 2初步掌握常用土壤湿度检测传感器的特点和应用场合，并选择恰当方法应用于本设计。1.2.2 根本要求：1通过C8051F020单片机编程来实现土壤湿度的实时显示，并具有超量程报警装置。2要求设计相关传感器系统和控制系统实现自动浇水功能。3要求设计相关的硬件电路，包括传感器的选型、控制系统和显示系统的硬件电路设计。二 设计思路我所设计的土壤湿度检测与自动浇水系统主要由七局部组成。第一局部：精细对称方波发生器。用于驱动湿
5、敏电阻，因为直流电流通过湿敏电阻时会产生电化学迁移现象而损坏湿敏电阻，所以在这里我选择了具有稳幅作用的精细对称方波发生器作为信号源。第二局部：湿敏电阻传感器。由于湿敏电阻是最常见，价格也最低廉的一种湿度传感器所以我选择了湿敏电阻作为本设计的核心传感器。我选择的是PCRC-55这款湿敏传感器。他是一种经过化学方法处理的聚苯乙烯聚合物。其电阻值R与相对湿度RH的曲线近似指数曲线，即电阻值随相对湿度的增大为减小。第三局部：对数放大器。为解决湿敏电阻自身的非线性问题，我选择了由晶体管和运算放大器组成的对数放大电路来对湿敏电阻的指数型特性曲线进展线性化。第四局部：相对湿度校准电路。利用湿度校准电路对40
6、%RH、100%RH两点进展校准，再通过滤波器产生一个代表相对湿度的直流输出电压，输出电压X围是0+10V，所对应的相对湿度变化X围是0100%RH。第五局部：断点放大器。由于湿敏电阻在RH40%时的非线性失真最为显著，我真对这一情况采用断点放大器再做一次局部的线性化处理，即再进展一次线性补偿。第六局部：温度补偿电路。利用集成恒流源的正温度系数去补偿湿敏电阻的负温度系数，大大降低了温漂。当环境温度发生变化时，必然导致组成对数放大器的晶体管的直流工作点发生改变，而这也终究会影响到对数放大器的输出特性。因此我对组成对数放大器的晶体管采取一定的温度补偿措施，即用一片廉价的集成音频放大器对其补偿，以防
7、止这种情况的发生。第七局部：数据处理与自动浇水系统。利用单片机对湿敏电阻这一传感器所采集的代表土壤湿度的电压信号进展处理、分析，并对土壤湿度进展实时显示、超X围报警以与自动浇水。对这以上就是我所设计的土壤湿度检测与自动浇水系统的设计思路。基于此设计思路设计的土壤湿度检测与自动浇水系统的相对湿度测量X围为0100%,测量精度为2%，分辨力可达0.01%。三 设计方框图精细对称方波发生器稳压电源湿敏电阻稳压温度补偿电路恒温器对数放大器兼半波整流湿度校准电路与滤波器断点补偿电路输出放大器湿度显示、超量程报警自动浇水C8051F020单片机四 设计原理4.1 精细对称方波发生器湿敏电阻只能用交流的，直
8、流会导致湿敏失效，因为直流的电场会导致高分子材料中的带电粒子偏向两极，一定时间以后湿敏电阻就会失效。所以必须用交流维持其平衡，这也是为什么测湿敏电阻阻值要用电桥而不能用普通万用表的原因。水分子是极性分子，在直流电厂中会分解为H2和O2, 影响测量，并且在湿敏传感器中存在导电离子，在高湿情况下，如采用直流电会漂移造成电导率漂移，影像传感器的使用寿命。综上所述：鉴于当直流电流通过湿敏电阻会产生电化学迁移现象而损坏湿敏电阻，因此必须采用交流信号或对称方波信号来驱动湿敏电阻。这里选用具有稳幅作用的精细对称方波发生器作为信号源，其输出信号中不包含直流分量。 湿敏电阻传感器湿敏电阻是利用湿敏材料吸收空气中
9、的水分而导致本身电阻值发生变化这一原理而制成的。工业上流行的湿敏电阻主要有：半导体陶瓷湿敏电阻、氯化锂湿敏电阻、有机高分子膜湿敏电阻。湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时元件的电阻率和电阻值都发生变化。PCRC-55型湿敏电阻是用经过化学方法处理的聚苯乙烯聚合物制成的。其电阻值R与相对湿度RH的影响曲线如图4.2.1湿敏电阻特性曲线所示。该曲线近似为指数曲线。当湿度从20%变化到100%时，电阻值就从100M迅速减小到35K，电阻变化量超过了4个数量级。因此，构成相对湿度测量仪时必须进展线性化，才能获得线性输出电压。PCRC-55的温度系数为0.
10、36%RH/，精度为1% 。湿敏电阻特性曲线 对数放大器为解决湿敏电阻的非线性问题，由晶体管和运算放大器构成对数放大器，对湿敏电阻的指数型特性曲线进展线性化。利用湿度校准电路对40%RH、100%RH两点进展校准，再通过滤波器产生一个代表相对湿度的直流输出电压，输出电压X围是0+10V，所对应的相对湿度变化X围是0100%RH。所谓“断点就是指40%RH这一点，由图4.2.1湿敏电阻特性曲线可见，PCRC-55型湿敏电阻在RH40%时的非线性失真最为显著，针对这种情况可通过断点放大器再做一次局部线性化处理。4.6.1 湿敏电阻的温度补偿由于湿敏电阻具有负温度系数，因此要对其负温度系数进展一定的
11、温度补偿，这里我采用集成恒流源的正温度系数去补偿湿敏电阻的负温度系数。4.6.2 对数放大电路中晶体管的温度补偿当环境温度发生变化时，必然导致组成对数放大器的晶体管的直流工作点也发生变化，而这也终究会影响到对数放大器的输出特性。因此要对组成对数放大器的晶体管采取一定的温度补偿措施，即用一片廉价的集成音频放大器对其进展补偿。利用单片机对湿敏电阻这一传感器所采集的代表土壤湿度的电压信号进展处理、分析，并对土壤湿度进展实时显示、超X围报警与自动浇水五 电路设计精细对称方波发生器5.1.1 电路图电路图如图5.1.1精细对称方波发生器所示。5.1.2 原理精细对称方波发生器由集成运放IC-1aLF34
12、7、三端可调电流源IC2LM334、和二极管桥路VD1VD4组成。利用二极管桥路和电阻R2、R3构成的正反应电路使IC-1a产生振荡。该方波发生器具有对称输出、限流和稳幅的特性。R1为设定电阻RSET，取R1=15时可将LM334的输出电流限定在5mA左右。利用二极管桥路的正、反向钳位作用，能把输出方波电压U01的幅度限制在8V。谐振频率约为100HZ。随着振荡电容C1不断的进展充、放电，在U01端便形成了以零伏为对称轴的方波信号，其直流分量为零。R2、R3组成分压器，用于设定IC1的阈值电压即门限电压，进而控制IC-1a的翻转状态。对称方波发生器输出的U01信号通过缓冲器IC-1b驱动湿敏电
13、阻。 湿敏电阻传感器5.2.1 电路图电路图如图5.2.1湿敏电阻传感器所示。5.2.2 原理PCRC-55型湿敏电阻是用经过化学方法处理的聚苯乙烯聚合物制成的。其电阻值R与相对湿度RH的影响曲线如图5.2.2湿敏电阻特性曲线所示。当相对湿度从20%变化到100%时，电阻值就从100M迅速减小到35K电阻变化量超过4个数量级。湿敏电阻特性曲线在方波信号的正半周期，VD5截止，在负半周期，VD5导通。5.3 对数放大器5.3.1 电路图电路图如图5.3.1对数放大器所示。5.3.2 原理对数放大器由晶体管VT1和运放IC-1c构成。将VT1的基极接地、集电极接A点虚地时，相当于把集电极与基极短接
14、，VT1就等效于硅二极管。此对数放大器用来补偿湿敏电阻的指数曲线，使之近似于线性关系。实现对湿敏电阻的线性化。在方波信号的正周期，IC-1c作为反相放大器使用，输出的是负向方波信号，在负半周期，对数放大器不工作。因此对数放大器兼有半波整流作用。5.4 相对湿度校准电路5.4.1 电路图电路图如图5.4.1相对湿度校准电路所示。相对湿度校准电路5.4.2 原理相对湿度校准电路由IC-1d和电位器RP1、RP2组成。RP1用以校准40%RH的刻度，RP2用来校准100%RH的刻度。5.5 断点放大器5.5.1 电路图电路图如图5.5.1断点放大器电路所示。5.5.2 原理所谓“断点就是指40%RH这一点。PCRC-55型湿敏电阻在RH40%时的非线性失真最为显著，针对这种情况断点放大器再做一次局部的线性化处理。断电放大器IC-3b就并联在输出放大器IC-3a的两端。当RH40%
