目录

1 绪论........................................................... 6
1.1 选题背景.........................................................................................................................6
1.1.1 社会背景.............................................................................................................6
1.1.2 环境背景.............................................................................................................7
1.1.3 经济背景.............................................................................................................7
1.2 选题意义.........................................................................................................................8
1.3 自动浇花装置的国内外发展现状.................................................................................8
1.4 文献综述.........................................................................................................................9
1.5 课题研究的内容及要求...............................................................................................10
2 方案论证...................................................... 12
2.1 总体方案设计...............................................................................................................12
2.2 主控模块选型...............................................................................................................12
2.2.1 51单片机............................................................................................................12
2.2.2 FPGA.................................................................................................................14
2.2.3 STM32单片机...................................................................................................15
2.3 显示模块的选择...........................................................................................................16
2.4 编程语言的选择...........................................................................................................19
2.4.1 汇编语言...........................................................................................................19
2.4.2 C语言.................................................................................................................19
3 电路的设计.................................................... 20
3.1 系统总体描述...............................................................................................................20
3.2 单片机...........................................................................................................................20
3.3 温湿度传感器...............................................................................................................21
3.3.1 温湿度采集模块电路图...................................................................................23
3.4 3.5 LCD液晶显示模块..................................................................................................23
3.4.1 LCD1602简介....................................................................................................23
3.4.2 液晶显示电路...................................................................................................24
3.5 按键设置模块...............................................................................................................25
3.6 报警模块.......................................................................................................................26
4 系统硬件的设计................................................ 28
4.1 电路原理图绘制...........................................................................................................28

	4.2 软件设计.......................................................................................................................29
	4.2.1 Keil软件的简介.................................................................................................29
	4.3 主函数流程图...............................................................................................................30
5	系统调试...................................................... 32
总	结.......................................................... 36
致	谢.......................................................... 37
参	考文献........................................................ 38

摘要

伴随着人们生活水平以及现在科学技术的急速发展，越来越多的人喜欢 在家庭栽培一些绿植 。 可是当代生活节奏过快，导致绿植大多数都不能得到 很好的补充水分和阳光照射，从而导致绿植的生活周期变短 。 如何利用现代 电子技术设计一种可自动浇水的花盆成为当前都市人群所迫切需求的 。

本课题基于此目的设计一种家庭绿植自动浇水系统，通过对土壤温湿度 的检测来判断是否需要对绿植进行浇水或除湿，土壤湿度的阈值范围可以通 过手动进行调节，另外还可以根据对温度的检测决定是否需要加热或降温 。 且通过LCD显示屏显示当前土壤温湿度信息 。 当土壤湿度低于设定的阈值 时，启动水泵进行抽水浇水，当浇水后的阈值在设定的湿度范围内时，停止 浇水 。 当湿度过高时启动除湿，直到湿度在设定的湿度范围内停止除湿，当 检测到温度低于设定的温湿度进行加热，当检测到温度高于设定的温度时进 行降温 。 本设计可以分为主控模块 、 LCD显示模块 、 按键调控模块 、 湿度检 测模块 、 水泵模块 、 除湿模块 、 加热模块 、 降温模块 。 通过上述模块的组合 设计出家居盆花自动浇水系统 。

关键词：

花盆； 单片机； 土壤湿度检测； 自动浇水； 自动降温； 自动除湿； 自 动加温

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Abstract

With the rapid development of people's living standard and modern science and technology, more and more people like to grow some green plants at home. But the pace of contemporary life is too fast, leading to the majority of green plants can not get a good replacement of water and sunlight, resulting in a shorter life cycle of green plants. How to use modern electronic technology to design a flowerpot that can automatically water has become the urgent demand of the current urban population.

Based on this purpose, this paper designs an automatic watering system for household green plants. Through the detection of soil temperature and humidity, it can judge whether green plants need to be watered or dehumidified. The threshold range of soil moisture can be adjusted manually. And display the current soil temperature and humidity information through the LCD screen. When the soil moisture is below the set threshold, start the pump to pump water, when the threshold after watering in the set humidity range, stop watering. Start dehumidification when the humidity is too high, and stop dehumidification until the humidity is within the set humidity range. Heat it when the temperature is lower than the set temperature and humidity, and cool it when the temperature is higher than the set temperature. The design can be divided into the main control module, LCD display module, key control module, humidity detection module, water pump module, dehumidification module, heating module, cooling module. Through the combination of the above modules, the automatic watering system of household potted flowers is designed.

Keywords:

Flower POTS; Single chip microcomputer; Soil moisture detection; Automatic watering

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1 绪论

1.1 选题背景

1.1.1 社会背景

随着社会的不断发展，人们的生活水平在稳步提升，人们已经解决温饱 问题，消费观念已经逐渐从如何解决温饱问题像精神消费层次转变 。 特别是 都市青年，经过一天的劳累总喜欢回家后能看到家中也拥有一片绿色，所以 很多人喜欢在家中培养绿植，绿植除了能够缓解人们回到家中的疲劳感^[1] ， 在白天也能够进行光合作用，净化家中的空气，而且在花木生产的地方空中 的负离子相对较多，空气也较新鲜 。 而且绿植的种类繁多，具有的功能也各 不相同，大多数家养绿植除了净化空气还可以吸收空气中的有毒物质 。 例 如：甲醛 、 一氧化碳等，这些有害物质会严重影响我们的身体健康 。

喜欢养花是一种精神层次的追求，可并不是每个人都适合，有些上班族 被所谓的 996 压迫的已经没有更多的时间去照顾花朵，但是这些人又想在家 中培养绿植成了一大问题 。 在以往的经验中，这种情况往往伴随着经常需要 购买绿植代替死去的绿植 。 绿植在家庭种植中死亡的原因无外乎是缺少水 分 。 如果绿植生产态势不好自身都岌岌可危了，不仅让人看着垂头丧气，而 且净化空气以及吸收有害气体的能力几乎丧失 。 如何更好的种植这些绿植已 经让其生存的更长久成为了很多人比较烦恼的事情 。

所以急需一种能够对土壤湿度并且在低于设定的阈值时进行浇水的装 置，由于现代智能产品已经非常繁多，所以为何不能设计一种这样的装置 呢 。 该装置不仅能减轻人们种植绿植的繁琐程度，也能及时的对需要浇水的 绿植进行自动浇水，有效的保护了绿植的生存环境 。 让人们在无暇照顾绿植 时也不会因为缺水而导致植物的枯萎 。

1.1.2 环境背景

当前的大环境处于环境污染较为严重的状态，空气质量也越来越差，所 以每个城市都在大力建设绿化，包括很多小区也明确规定了绿化面积不能小 于整体面积的百分之多少，还有很多城市绿化工程，这些都表示着绿色的思

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想逐渐深入人心 。 以前人们对于绿化的概念没有那么强烈，所以导致城市的 绿化面积以及个人家居生活对绿化的关注度没有那么高 。 而且由于现代经济 的发展很多人开始购买了新房，在对新房装修后需要对新房内的甲醛进行去 除，虽然有专门的去甲醛公司，但是每次的费用都会很高，所以越来越多的 人开始在家庭种植绿萝等吸收甲醛的绿植 。 绿色植物不仅能对空气进行净化 而且还能够对家庭起到装饰作用 。 但是事实上很多人在家庭种植的绿植没时 间或者没精力去照顾，这也就造成绿植长势不好，反而会影响人的心情 。 1.1.3 经济背景

随着经济的快速发展，人们的生活水平也越来越富裕，人们对于生活的 追求也不仅限于温饱问题，更多的开始考虑自身的精神消费，所以现在鲜花 店 、 绿植店也越来越多，虽然并不是每个人都喜欢在家庭种植绿植，但是从 市场经济的角度来分析，因为有需求所以才有市场，所以鲜花店 、 绿植店的 增多就代表着社会的需求量增多，而且随着每年都有众多的购房者，许多的 购房者在装修完成后也都会放一些绿植在新房中，这也就使得针对绿植的市 场进一步扩大 。 根据查阅的相关数据显示至 2019 年，全国的花卉市场规模以 达到几十亿美元，同比增长了 13.2%。 预计 2020 全年能够增长至 15%。 根据目 前查询到的信息为 2014 年的数据，当时全国大约有 4.3 亿户家庭，平均每户买 一盆绿植，以市场价一盆滤波 10~20 不等的价格来算，每年绿植的销售量也 达到 40 亿人民币 。 综上所述，绿植的市场是毋庸置疑的 。

1.2 选题意义

从 1.1 节可以看出，对于当代都市生活，绿植已经成为了家庭的一部分， 但是多数情况下，绿植不能得到很好的照顾，所以针对于绿植的生长和发育 设计了一款可以自动照顾绿植的装置是非常有意义的 。 本文旨在通过对温湿 度信息的检测来实现对绿植升温 、 降温 、 浇水 、 除湿四种功能，让绿植能够 更好的生长 。

1.3 自动浇花装置的国内外发展现状

目前比较先进的灌溉设施主要是微喷系统，该系统能够在植物需要水分

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滋养时通过微小漏孔喷洒少量水雾，不仅起到了提供水源的目的，也能非常 有效的节约水资源 。 但是由于该装置的复杂程度已经适应场合并不能胜任家 庭栽培的灌溉系统，而且该系统只是一种喷淋装置，并不自带检测土壤湿度 的功能 。 从该装置的里面种我们可以学到很多东西，通过对其相应的改造， 完全可以胜任家庭绿植浇水工作 。

国外针对此项研究较国内要早很多，特别是欧洲国家 。 由于他们进入工 业革命的时间比中国要早很多年，包括现在很多自动浇水装置也都是从国外 进口来的，虽然质量和款式很好，但是由于价格过于昂贵，不适合国内行 情 。 因此，国内很多科研学者和相关研究机构开始进行了相关的设计和研 发，虽然国内起步较晚，但是由于国内科研学者和相关研究机构的不懈努力 进步很快，且该领域并非顶尖领域，国内的传统行业与现代电子技术结合， 在该领域已经赶超其他发达国家 。 目前，这类产品主要生产及销售地分布在 广东 、 上海 、 浙江一带 。 且加入中国元素的该类产品以陶瓷 、 玻璃产品居 多 。

1.4 文献综述

国内对于智能花盆的设计并不少见，朱鑫乐等人通过使用 STC89C51 单 片机作为主控制器 , 通过温湿度传感器对植物生长环境进行检测 , 将采集的数 据信号与系统数值进行比较 , 从而实现了智能花盆的自动或手动浇水功能^[2] 。 杨吉云设计并实现一套基于 Python 和 Arduino 的智能花盆系统 。 依靠 Arduino 获取传感器采集数据并发送给树莓派进行处理 , 树莓派通过 Socket 通信传输给 服务器后台的数据库 , 基于 Python 的 Django web 框架网页获取数据库中的数据 使其可视化 。 用户可通过网页登录账号 , 远程控制花盆配置各类参数^[3] 。 张田 泽针对盆栽养花不同环境下土壤湿度变化大 、 浇水把控不准确的问题 , 研制了 自动浇水 、 科学调控的智能养花系统 。 系统由用户手机进行设置养植信息 , 通 过监测环境及土壤湿度数据 , 结合建立的不同花种生长养植特性数据库进行决 策 , 实施自动浇水控制 ; 采用多点采集数据拟合优化土壤水分分布 , 并与环境信 息融合 , 为用户提供科学养花数据^[4] 。 江连海基于微信平台设计了一款智能浇

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花系统 。 该系统由控制器端 、 服务器端和微信终端组成 , 硬件平台以开源硬件 Arduino 为核心进行开发 ; 服务器平台基于微信公众平台的 API 使用 PHP 进行开 发 ; 采用无线网连接 , 通过微信的 AirKiss 技术为系统一键配网 。 该系统可通过 微信公众号 , 根据用户的设置自动控制浇灌的时间与用量 , 实现了智能浇花功 能^[5] 。 赵立军针对传统人工养殖花卉不方便 、 不卫生的弊端 , 设计了一款可以 应用于室内的全自动智能营养液培植花盆 。 该花盆由光照强度检测与补光灯 控制系统 、 自动补水系统 、 太阳能储电系统及自动旋转系统 4 个部分构成 。 光照强度的检测由光照传感器感应 , 单片机输出控制 LED 灯的开关及盆体是否 旋转等信息 ; 太阳能储电系统由太阳能电池板转换电能用于提供整个系统的部 分电能 ; 自动补水系统和自动旋转系统是借助于时钟芯片 , 通过软件程序设定 定时喷洒营养液及向光旋转 。 绿植无土栽培试验表明 : 植株在后期生长的形态 指标要优于传统土培与基质养植^[6] 。 杨宏斌为使智能花盆发挥更好作用 , 以绿 萝植物为研究对象 , 基于 Arduino 和 STM32 平台 , 设计出智能花盆系统 。 该系统 利用多传感器采集植物生长环境变化数据 , 实现智能花盆基本参数的实时监 控 、 危害气体的预警以及植物图像的实时采集处理等功能 。 该系统的设计 , 使 居家花卉培育更加简便 、 精确和智能 , 节省了照顾花卉的时间^[7] 。 1.5 课题研究的内容及要求

本设计所采用的芯片是 STM32 ，在基于该芯片的基础上对智能浇花系统 进行设计，并且能够实现对土壤温湿度的检测，若土壤湿度低于设定的阈值 则自动启动浇水功能对土壤进行灌溉，若土壤湿度高于设定阈值则自动启动 除湿模式对土壤进行除湿，若土壤温度高于设定阈值则自动启动降温模式对 土壤进行降温，若土壤温度低于设定阈值则自动启动加热模式对土壤进行加 热 。 该系统的设计要求以单片机为核心，并通过外部各个模块传送过来的信 息进行分析决策，并采取相应的应对措施^[8-10] 。 其控制器所包含的主要电路 模块如下：

主控模块 、 电源模块 、LCD 显示模块 、 按键调控模块 、 湿度检测模块 、 水泵模块 、 加热模块 、 降温模块 、 除湿模块 。 上述功能实现的设计指标如

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下：

通电后，系统进入初始化状态，我们通过按键可以设置土壤温湿度的阈 值范围，随后系统通过土壤温度传感器对土壤的温度进行检测，当检测到温 度不在设定范围内时，根据系统设定对其进行升温或降温^[11] ，于此同时系统 也对土壤的湿度信息进行检测，当系统检测到土壤湿度不在设定的阈值范围 内时，系统根据设定对其进行浇水或除湿^[12-14] ，上述过程当处于阈值设定范 围内时自动停止 。 上述过程我们可以通过 LCD 显示屏观察设定的阈值范围以 及当前土壤温湿度值 。

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2 方案论证

2.1 总体方案设计

本设计是基于单片机的智能浇花系统的设计，该设计我们可以分为几个 模块进行分别的介绍，模块分别为：主控模块 、 电源模块 、LCD 显示模块 、 按键调控模块 、 湿度检测模块 、 水泵模块 。 下面开始陈述每个模块需要实现 的功能 。

主控模块顾名思义就是对整个系统进行控制，其负责接收和发送整个系 统的命令，电源模块主要是为整个系统提供电能^[15-17] ，并且为水泵模块提供 电能来让电机实现抽水功能 。LCD 显示模块用来显示当前土壤湿度以及在进 行阈值设定时更直观的看到设定的阈值数 。 按键模块用来调节阈值，通过加 减来设定阈值的范围和数值 。 温度检测模块就是检测当前土壤中的水分含量 并以电信号的形式展现出来^[18] 。 其系统框图如图 1 所示：

图1 系统框图

2.2 主控模块选型

2.2.1 51 单片机

51 单片机作为每个学习单片机的入门芯片，在电子类学科中几乎都会开 设这门学科，由于本科专业学习的 C 语言可以用于对 51 单片机进行编程，所 以对于 51 系列单片机的学习变得更加简单， 51 单片机最早是由 intel 公司发布 的，但是随着时间的推移已经渐渐的从一线退居之现在仅用于做低端类的消 费电子，正是由于其价格低廉，性价比高，所以才能在电子行业长盛不衰 。

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