廣東科學(xué)中心　高志軍

基于單片機(jī)控制的花草自動(dòng)澆水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

廣東科學(xué)中心高志軍

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們的生活也開(kāi)始變得更加智能化。在花草管理方面，設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)控制的花草自動(dòng)澆水系統(tǒng)，就能夠?qū)崿F(xiàn)植物的智能化養(yǎng)殖，從而為人們的生活提供便利?；谶@種認(rèn)識(shí)，本文利用單片機(jī)設(shè)計(jì)了一個(gè)花草自動(dòng)澆水系統(tǒng)，以便為關(guān)注這一話題的人們提供參考。

單片機(jī)；花草自動(dòng)澆水系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

0　引言

隨著人們物質(zhì)生活水平的不斷提升，越來(lái)越多的人習(xí)慣于在家中養(yǎng)殖一些花草。然而，由于工作較忙和需要出差等問(wèn)題的存在，人們也常常會(huì)忘記給花草澆水。而這些花草通常對(duì)土壤有著較高的濕度要求，一旦土壤濕度不足，就會(huì)導(dǎo)致花草枯萎或死亡。為解決這一問(wèn)題，則可以利用單片機(jī)設(shè)計(jì)一種花草自動(dòng)澆水系統(tǒng)，然后利用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)植物的智能澆灌，繼而使植物得到更好的照料。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

設(shè)計(jì)花草自動(dòng)澆水系統(tǒng)，目的是為了按照用戶設(shè)定方案實(shí)現(xiàn)定時(shí)定量澆花。利用系統(tǒng)屏幕，用戶則可以了解土壤實(shí)時(shí)濕度和系統(tǒng)設(shè)定信息，從而合理完成系統(tǒng)設(shè)置。而達(dá)到用戶設(shè)定的時(shí)間，系統(tǒng)就可以為植物澆水。所以，分析系統(tǒng)功能可以發(fā)現(xiàn)，基于單片機(jī)控制的花草自動(dòng)澆水系統(tǒng)應(yīng)該由單片機(jī)控制模塊、檢測(cè)模塊、澆水模塊、液位控制模塊和顯示模塊等多個(gè)模塊構(gòu)成。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定時(shí)間，系統(tǒng)將定時(shí)進(jìn)行澆花，而澆水量則會(huì)達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的具體值。但是，考慮到植物澆水會(huì)受到天氣等因素的影響，所以系統(tǒng)還要利用檢測(cè)模塊進(jìn)行土壤濕度的檢測(cè)。如果土壤濕度低于濕度上限，系統(tǒng)才會(huì)按照設(shè)定澆水［1］。如果土壤濕度高于濕度上限，系統(tǒng)則不會(huì)執(zhí)行澆水操作。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1單片機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)

單片機(jī)控制模塊為系統(tǒng)核心組成部分，可以選擇STC12C5A60S2單片機(jī)為控制元件。而為該單片機(jī)配置相應(yīng)的外圍電路，則能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)功能。作為增強(qiáng)型的8051單片機(jī)，該單片機(jī)的速度為普通單片機(jī)8-12倍，配有外部晶振。由于芯片內(nèi)部含有16位定時(shí)器，所以系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確計(jì)時(shí)。同時(shí)，芯片內(nèi)部帶有8路10位精度模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，因此系統(tǒng)無(wú)需進(jìn)行外部模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的配置，就可以實(shí)現(xiàn)濕度傳感器信號(hào)的采集。此外，芯片可以在低功耗模式下工作，所以能夠降低系統(tǒng)能耗。

2.2檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

在土壤濕度檢測(cè)上，可以使用HM1500濕度傳感器進(jìn)行濕度檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)。該傳感器可以利用5V直流電源供電，利用其能夠完成0-100%的土壤相對(duì)濕度的檢測(cè)，輸出電壓信號(hào)在1-4V之間。單片機(jī)在接收該信號(hào)后，可以計(jì)算出土壤實(shí)際濕度大小，并且判斷是否需要執(zhí)行澆水操作和澆水所需時(shí)間。通常的情況下，土壤相對(duì)濕度不能超出60%，所以系統(tǒng)濕度上限將設(shè)定為60%。

2.3澆水模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的澆水模塊將由兩部分組成，即繼電器和電磁閥。利用單片機(jī)控制模塊，系統(tǒng)能夠?qū)^電器的開(kāi)關(guān)進(jìn)行控制，從而對(duì)電磁閥的通斷進(jìn)行控制。由于需要使用24V直流電壓為電磁閥供電，所以還要為該模塊配備220V交流轉(zhuǎn)24V直流的開(kāi)關(guān)電源。在此基礎(chǔ)上，將繼電器、開(kāi)關(guān)電源和電磁串聯(lián)起來(lái)，則能夠利用繼電器控制電磁閥開(kāi)關(guān)。而由于單片機(jī)的IO口的驅(qū)動(dòng)電流不足以驅(qū)動(dòng)繼電器，所以還要在單片機(jī)與繼電器之間設(shè)置一個(gè)ULN2003芯片。該芯片輸入電壓為5V，可提供驅(qū)動(dòng)電流最高能夠達(dá)到500mA。

2.4液位控制模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)液位控制模塊時(shí)，需要進(jìn)行水箱液位檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)。為實(shí)現(xiàn)水箱液位檢測(cè)，需要使用星儀CYW11投入式靜壓液位變送器。利用該設(shè)備，能夠?qū)?-1m水位轉(zhuǎn)換成0-5V電壓信號(hào)。由于該設(shè)備為三線制形式，供電電壓與電磁閥相同，所以可以使用同一電源供電。在檢測(cè)的過(guò)程中，變送器將輸出0-5V電壓信號(hào)，可以將水箱水位控制在60%-80%之間。將水位超出這一范圍，單片機(jī)將控制繼電器給水箱加水或停止加水，從而實(shí)現(xiàn)水位的調(diào)整。

2.5顯示模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的顯示模塊負(fù)責(zé)顯示土壤濕度，同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)調(diào)節(jié)過(guò)程的顯示。在設(shè)計(jì)該模塊時(shí)，可以使用LCD5110屏幕。該屏幕為液晶顯示模塊，本身體積較小，工作電壓在3.3V-5V之間。而由于該模塊的速度較快，并且成本較低，所以能夠在自動(dòng)澆花系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方面，主要需要完成單片機(jī)模塊的程序編寫。從系統(tǒng)工作流程上來(lái)看，在系統(tǒng)啟動(dòng)后，單片機(jī)控制模塊會(huì)對(duì)其他模塊進(jìn)行初始化處理，然后進(jìn)行定時(shí)器中斷和外部終端的啟動(dòng)。此時(shí)，系統(tǒng)將不斷進(jìn)行屏幕信息的刷新，并且等待中斷事件發(fā)生。利用外部中斷，可以進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)定值輸入。在這些設(shè)定參數(shù)中，可以修改的設(shè)定參數(shù)包含設(shè)定時(shí)間、濕度上限、澆水量。系統(tǒng)時(shí)間的積累，則需要利用定時(shí)器中斷實(shí)現(xiàn)［2］。在中斷事件發(fā)生后，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行時(shí)間的累計(jì)，然后對(duì)土壤濕度進(jìn)行定期檢測(cè)，以判斷是否需要對(duì)植物澆水。如果時(shí)間已經(jīng)達(dá)到設(shè)定時(shí)間，但是土壤濕度不大于濕度上限，系統(tǒng)將不會(huì)執(zhí)行澆水操作。在澆花模式上，系統(tǒng)可以為用戶提供兩種選擇，即手動(dòng)澆花和智能澆花。利用軟件設(shè)計(jì)，可以通過(guò)設(shè)置按鍵次數(shù)進(jìn)行澆花方式的選擇。具體來(lái)講，就是在用戶按鍵次數(shù)為奇數(shù)時(shí)，則選擇智能澆花。如果按鍵次數(shù)為偶數(shù)，系統(tǒng)將啟動(dòng)手動(dòng)澆花模式。在智能澆花模式啟動(dòng)后，單片機(jī)會(huì)利用DHT11濕度傳感器采集到的信號(hào)進(jìn)行土壤濕度計(jì)算，然后在LCD液晶屏上顯示土壤濕度值［3］。最終，根據(jù)設(shè)定澆花時(shí)間，然后將檢測(cè)值與設(shè)定濕度上限相比較，系統(tǒng)將會(huì)決定是否執(zhí)行澆花操作。

4　結(jié)論

總之，設(shè)計(jì)基于單片機(jī)控制的花草自動(dòng)澆水系統(tǒng)，可以根據(jù)土壤溫度和用戶需求實(shí)現(xiàn)花草自動(dòng)澆水，從而為用戶管理植物提供便利。同時(shí)，由于系統(tǒng)能夠根據(jù)土壤濕度進(jìn)行澆水控制，所以能夠避免用戶因缺乏花草養(yǎng)殖經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)致花草因澆水過(guò)多而死亡。此外，該系統(tǒng)的制作成本較低，因此能夠在普通家庭得到應(yīng)用。

［1］李克訥，韋昌勇，徐劍琴.基于AVR單片機(jī)的盆栽自動(dòng)澆水系統(tǒng)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2015，06：213-216+220.

［2］馮筱，秦文華，于欣，周子力.基于控制土壤濕度的智能花卉澆水系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，07：110-113.

［3］方澤鵬，黃雙萍，陳仲濤.基于單片機(jī)的花盆土壤濕度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備，2013，04：41-45.