王子權(quán)，張恒，黃陽(yáng)，陳穎，楊萬(wàn)輝，林偉安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

基于單片機(jī)的智能澆花系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王子權(quán)，張恒，黃陽(yáng)，陳穎，楊萬(wàn)輝，林偉安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

基于單片機(jī)的智能澆花系統(tǒng)以AT89S52單片機(jī)為控制器，通過(guò)溫度、濕度檢測(cè)，由單片機(jī)分析處理溫度傳感器檢測(cè)的溫度數(shù)據(jù)和土壤濕度傳感器檢測(cè)的濕度信息，并與預(yù)先設(shè)置的溫度值和土壤濕度值進(jìn)行比較，當(dāng)達(dá)到澆水條件時(shí)，單片機(jī)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊供電，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的澆水量，使水泵運(yùn)轉(zhuǎn)相應(yīng)的時(shí)間。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使用獨(dú)立電源供電，集成八路水泵通道。A/D轉(zhuǎn)換模塊集成四塊PCF8591芯片，占用2個(gè)單片機(jī)引腳。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)八種不同花卉的土壤濕度檢測(cè)，并能夠?qū)γ恳环N花卉獨(dú)立澆水。

AT89S52單片機(jī)；繼電器；LCD12864A；DS18B20；PCF8591

項(xiàng)目編號(hào)：201510361031。

引言

花卉幾乎已進(jìn)入每一個(gè)家庭里，由于緊張的工作等原因，有些家庭照看花卉的時(shí)間很少。目前市場(chǎng)上已有智能澆花系統(tǒng)的應(yīng)用，如定時(shí)定量澆水或根據(jù)土壤濕度自動(dòng)澆水【1-4】,但能同時(shí)照看的花卉數(shù)目較少，且水泵和主控芯片共用一個(gè)電源，當(dāng)水泵工作時(shí)將消耗大量功率，導(dǎo)致主控芯片上部分元器件欠壓或無(wú)法在額定功率下工作，如顯示器亮度會(huì)下降很多，水泵啟動(dòng)力矩不夠等。本系統(tǒng)根據(jù)花卉的不同人為設(shè)置溫度值、土壤濕度值和澆水量來(lái)自動(dòng)判斷澆水條件并實(shí)現(xiàn)定量澆水，單片機(jī)將檢測(cè)得到的溫度信號(hào)和土壤濕度信號(hào)與預(yù)先設(shè)置的溫度值和土壤濕度值進(jìn)行分析比較判斷是否達(dá)到澆水條件，當(dāng)判斷要澆水時(shí)，單片機(jī)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊提供弱電，致使電磁鐵吸合，開(kāi)關(guān)打開(kāi)，水泵的電源給水泵供電，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的澆水量，驅(qū)動(dòng)水泵運(yùn)行相應(yīng)的時(shí)間。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊共八路水泵通道，并使用獨(dú)立電源供電，從而大量減少主控芯片的功率消耗，使得主控芯片工作與水泵驅(qū)動(dòng)相對(duì)獨(dú)立。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的控制核心為AT89S52單片機(jī)，包括土壤濕度傳感器、A∕D模塊、按鍵模塊、電源模塊、復(fù)位模塊、溫度傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊、串行輸入轉(zhuǎn)并行輸出模塊。

2 系統(tǒng)的工作原理

接通電源，通過(guò)按鍵人為輸入預(yù)設(shè)溫度值及選擇檢測(cè)通道，并輸入預(yù)設(shè)土壤濕度值和澆水量，按下確認(rèn)按鍵，此時(shí)系統(tǒng)正式開(kāi)始工作。單片機(jī)實(shí)時(shí)采集由溫度傳感器傳送的信號(hào)，判斷溫度是否達(dá)到預(yù)設(shè)溫度值，當(dāng)滿足要求時(shí)，單片機(jī)接收A∕D芯片傳來(lái)的土壤濕度數(shù)字量，并與預(yù)先設(shè)置的土壤濕度值進(jìn)行分析比較，當(dāng)判斷為澆水時(shí)，單片機(jī)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊供電，電磁鐵吸合，水泵電源驅(qū)動(dòng)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)水泵的性能參數(shù)可知水泵的流量值（L∕h），從而可構(gòu)建流量-時(shí)間數(shù)學(xué)模型【5】，通過(guò)單片機(jī)對(duì)模型進(jìn)行運(yùn)算處理可得出驅(qū)動(dòng)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)了預(yù)設(shè)澆水量和定量澆水。系統(tǒng)的預(yù)設(shè)土壤濕度值、預(yù)設(shè)澆水量值、檢測(cè)的土壤濕度值、溫度數(shù)值均顯示在液晶顯示器上。

時(shí)間-流量數(shù)學(xué)模型：

公式（2-1）中t-澆水時(shí)間（ms）

V-預(yù)設(shè)澆水量(ml)

Q-水泵每小時(shí)的流量（L∕h）

根據(jù)時(shí)間-流量數(shù)學(xué)模型，可以得出預(yù)設(shè)澆水量對(duì)應(yīng)的澆水時(shí)間（ms），從而可以通過(guò)軟件定時(shí)進(jìn)行定時(shí)澆水，驅(qū)動(dòng)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)相應(yīng)的時(shí)間，達(dá)到定量澆水的目的。

3 硬件設(shè)計(jì)

電路設(shè)計(jì)如圖1所示，圖1表明了各個(gè)子模塊與AT89S52單片機(jī)的連接關(guān)系，水泵驅(qū)動(dòng)模塊由8個(gè)繼電器，8個(gè)8550三極管及8個(gè)1kΩ限流電阻組成。

3.1 A∕D模塊

A∕D轉(zhuǎn)換芯片采用PCF8591，使用IIC總線。飛利浦公司規(guī)定了A∕D器件地址為1001，本連接方案使用引腳地址A0、A1、A2為分別為000、100、110、111，四個(gè)PCF8591共同使用同一個(gè)IIC總線，占用單片機(jī)2個(gè)引腳。圖1中AIN0、AIN1、AIN2、AIN3為土壤濕度傳感器模擬信號(hào)接入腳，本連接方案可連接16個(gè)土壤濕度傳感器。

3.2 顯示器

本系統(tǒng)使用LCD12864A液晶顯示器，系統(tǒng)的預(yù)設(shè)土壤濕度值、預(yù)設(shè)澆水量值、檢測(cè)的土壤濕度值、溫度數(shù)值均顯示在該顯示器上。顯示器使用74HC595芯片驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)串行輸入轉(zhuǎn)并行輸出功能，從而減少單片機(jī)引腳使用數(shù)量【6】。

3.3 按鍵設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)共8個(gè)獨(dú)立鍵盤,其中一個(gè)為復(fù)位按鍵。在使用按鍵時(shí)，選擇檢測(cè)通道進(jìn)行通道選擇，選擇輸入溫度進(jìn)行預(yù)設(shè)溫度值輸入，選擇輸入濕度進(jìn)行預(yù)設(shè)濕度的輸入，選擇輸入水量進(jìn)行預(yù)設(shè)水量的輸入，數(shù)值按鍵*10、*1表示每按下一次數(shù)值加10和加1【5】10，最后按下確認(rèn)按鍵。

3.4 溫度傳感器

選擇DS18B20溫度傳感器，使用單總線結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的溫度數(shù)據(jù)顯示在顯示器上。

3.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使用獨(dú)立電源供電，通過(guò)繼電器實(shí)現(xiàn)弱電與強(qiáng)電的轉(zhuǎn)換，繼電器型號(hào)：N4100 S3∕5VDC 3A∕125VAC∕24VDC。選擇5V直流水泵,水泵型號(hào)：YG-180，流量180L∕h。使用USB總線提供內(nèi)置電源。PNP型三極管8550與1kΩ或2kΩ電阻組合保護(hù)單片機(jī)。

3.6 土壤濕度傳感器

使用YL-69型土壤濕度傳感器，其靈敏度可調(diào)，模塊雙輸出，數(shù)字量輸出簡(jiǎn)單，模擬量輸出精確，比較器采用LM393芯片，工作穩(wěn)定。OUT腳是數(shù)字量輸出接口，輸出0和1。AC腳是模擬量輸出接口，可與A∕D芯片的模擬量輸入腳連接進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換【5】10。

圖1 系統(tǒng)總圖

圖2 程序流程圖

4 軟件設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)包括硬件初始化、顯示程序、按鍵程序、土壤濕度檢測(cè)與A∕D轉(zhuǎn)換程序、溫度檢測(cè)程序、PCF8591服務(wù)程序、電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序。流程圖如圖2。

5 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)以AT89S52單片機(jī)為控制核心，在研發(fā)前期以面包板為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)水泵啟動(dòng)力矩不足的現(xiàn)象，即使將水泵運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)，也無(wú)法使其工作在額定功率狀態(tài)，并且顯示器的屏幕亮度也會(huì)下降很多。為了解決上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)采用了給予水泵模塊獨(dú)立的電源，以保證使其在額定功率下工作?？紤]到應(yīng)增加系統(tǒng)可照看花卉的數(shù)量，本系統(tǒng)集成了A∕D轉(zhuǎn)換模塊，根據(jù)PCF8591芯片的特性，集成了4塊PCF8591芯片，并只占用單片機(jī)的兩個(gè)引腳。本系統(tǒng)通過(guò)溫度、濕度等環(huán)境量，借助單片機(jī)控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理判斷，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的溫度值、濕度值和澆水量來(lái)判斷澆水條件和實(shí)現(xiàn)定量澆水。在對(duì)產(chǎn)品調(diào)試時(shí)，各元器件工作正常，驅(qū)動(dòng)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間精確，無(wú)水泵啟動(dòng)力矩不足和顯示器亮度下降的現(xiàn)象。

[1]何偉宏，鄭首易，毛錦庚，陳美金.基于單片機(jī)的智能澆花系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子制作，2016（2）：20-21.

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[5]王子權(quán).基于單片機(jī)的斷電記憶智能澆花系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科學(xué)中國(guó)人，2016（21）：9-10，11.

[6]何韋青.詳解74HC595以及它的級(jí)聯(lián)用法[N].電子報(bào)，2013（011）.

王子權(quán)(1996-)，男，安徽省亳州市人，本科，就讀院校：安徽理工大學(xué)。