樊溶

（鄭州外國(guó)語(yǔ)學(xué)校，河南 鄭州 450000）

一、引言

土壤濕度表示一定深度土層的土壤干濕程度的物理量，又稱土壤水分含量。土壤濕度的高低受水分平衡各個(gè)分量的影響，比如注入水量、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、土壤成份密度、植物葉面積等，但起決定作用的是注入水量。土壤濕度決定植物的水分供應(yīng)狀況。土壤濕度過(guò)高，土壤通氣性變差，影響土壤中微生物的活動(dòng)，使植物根系的呼吸、生長(zhǎng)等生命活動(dòng)受到阻礙，造成爛根、滋生病害，從而影響植物地上部分的正常生長(zhǎng)。土壤水分含量過(guò)低，形成土壤干結(jié)，植物的水分?jǐn)z入不足，造成光合作用不能正常進(jìn)行，影響植物的生長(zhǎng)，嚴(yán)重缺水導(dǎo)致作物凋萎和死亡。

在中小學(xué)校植物種植的科普活動(dòng)中，土壤的濕度狀況決定了植物的生長(zhǎng)狀況，對(duì)土壤濕度的控制顯得尤為重要，中小學(xué)科普用植物澆水控制器通過(guò)單片機(jī)的引入，可以實(shí)時(shí)顯示土壤濕度狀況，通過(guò)參與者的表決，自動(dòng)控制對(duì)植物水分的補(bǔ)充。YL-69土壤濕度傳感器感應(yīng)土壤濕度信息，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后由單片計(jì)算機(jī)控制實(shí)時(shí)顯示，參與同學(xué)根據(jù)土壤濕度狀況，結(jié)合自己的經(jīng)驗(yàn)判斷，通過(guò)設(shè)置的投票鍵盤，投票表決是否澆水，最后由單片計(jì)算機(jī)根據(jù)投票情況判斷澆水與否。第二天通過(guò)觀察植物的生長(zhǎng)情況，結(jié)合實(shí)時(shí)顯示的土壤濕度，興趣小組的每位成員再進(jìn)行新的一輪判斷。以此提升同學(xué)們的興趣，同時(shí)也通過(guò)單片計(jì)算機(jī)的引入、應(yīng)用，使同學(xué)們學(xué)習(xí)掌握計(jì)算機(jī)知識(shí)、電器原理知識(shí)等，以豐富其知識(shí)面。

二、系統(tǒng)組成及工作原理

該系統(tǒng)組成如圖1所示，包括STC89C52單片機(jī)、復(fù)位及時(shí)鐘電路、濕度傳感器模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、鍵盤輸入模塊、繼電器控制水泵模塊與LCD顯示模塊。

該系統(tǒng)的工作過(guò)程為：土壤濕度傳感器（YL-69）將濕度信號(hào)送至A/D轉(zhuǎn)換模塊，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后，所得數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將得出的結(jié)果發(fā)送到液晶顯示器進(jìn)行顯示，供興趣小組成員直觀了解目前的土壤濕度狀況。興趣小組成員結(jié)合植物長(zhǎng)勢(shì)、光照等條件綜合做出是否同意澆水的意見(jiàn)，通過(guò)S2（同意澆水）、S3（不同意澆水）進(jìn)行投票。LCD屏幕上實(shí)時(shí)顯示已經(jīng)投票同學(xué)的意見(jiàn)結(jié)果，全部同學(xué)表決結(jié)束后，按S1鍵（結(jié)束），由單片機(jī)判斷控制，如同意票數(shù)大于不同意票數(shù)，單片機(jī)輸出信號(hào)控制繼電器電源進(jìn)行澆水，同時(shí)點(diǎn)亮LED1指示澆水狀態(tài)，單片機(jī)自動(dòng)延遲10秒（根據(jù)種植的容器大小進(jìn)行設(shè)置）后停止，完成一個(gè)澆水過(guò)程。

圖1

三、各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計(jì)

1.傳感器部分

測(cè)量土壤濕度的方式很多,其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從土壤中吸收水分后引起的物理或化學(xué)性質(zhì)的變化,間接地獲得該物質(zhì)的濕度。電容式、電阻式和濕漲式濕敏元件等是根據(jù)其介質(zhì)材料吸濕后的介電常數(shù)、電阻率和體積隨之發(fā)生變化而進(jìn)行濕度測(cè)量的。

YL－69是一個(gè)簡(jiǎn)單的土壤濕度傳感器，感應(yīng)部分為濕敏電容，當(dāng)環(huán)境的濕度發(fā)生改變時(shí)，會(huì)使得濕敏電容存在的環(huán)境中的介質(zhì)發(fā)生改變，通過(guò)該部件外圍電路將電容的變化轉(zhuǎn)換為模擬電壓值。該系統(tǒng)供電電壓為5V，當(dāng)溫度值為0%－100%時(shí)，模擬輸出端電壓變化在4.75V－1.45V之間，與所測(cè)濕度值成反比。

2.A/D轉(zhuǎn)換模塊

ADC0832是8位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片，最高分辨可達(dá)256級(jí)，可以滿足模擬量轉(zhuǎn)換要求。芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為32μS，具有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)或有效減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。將YL－69輸出的模擬電壓信號(hào)輸入DI數(shù)據(jù)輸入端，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，輸入單片計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

3.STC89C52單片機(jī)模塊

（1）功能特征描述

單片機(jī)采用廣泛使用的STC89C52，為通用單片機(jī)，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，通過(guò)Keil編程軟件可將C語(yǔ)言程序進(jìn)行編譯、仿真、寫入。

（2）硬件端口連接

P0端口：是一個(gè)8位漏極開(kāi)路的雙向I/O口，作為輸出口與LCD1602的數(shù)據(jù)輸入端D0－D7相連接。

P1端口：P1端口的 0、1、2分別連接模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC083的CLK、DIO和CS端口，控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器并讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果。

P2端口：系統(tǒng)中使用P2的5－7端口與LCD1602的RS、RW和EN口相連接，控制LCD顯示。P2的0端口作為輸出輸出控制端口，低電平有效。控制輸出通過(guò)三極管控制繼電器，驅(qū)動(dòng)水泵進(jìn)行澆水，延遲10秒后置P2的0端口高電平停止。在啟動(dòng)水泵澆水的同時(shí)置LED2燈控制端低電平，發(fā)光，指示澆水狀態(tài)。

P3端口：是一個(gè)有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，利用P3的0、1和2端口通過(guò)S1、S2 S3與地連接，捕捉開(kāi)關(guān)有觸發(fā)輸入。

（3）時(shí)鐘與復(fù)位電路

根據(jù)STC89C52的要求，要使內(nèi)部振蕩電路啟振，形成時(shí)鐘，必須外接晶振以及電容C1和C2，構(gòu)成了并聯(lián)諧振電路接在放大器的反饋回路中。外接電容的大小會(huì)影響振蕩頻率的高低和振蕩器的穩(wěn)定性。晶振的頻率可在1.2MHZ～12MHZ之間任選，電容C1和C2的典型值在20pf～100pf之間選擇，由于本系統(tǒng)用到定時(shí)器，為便于計(jì)算，采用12MHZ的晶振，電容選擇30pf。

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上對(duì)復(fù)位電路設(shè)計(jì)成上電復(fù)位加手動(dòng)復(fù)位，方便使用。在程序“跑飛”時(shí)，可以手動(dòng)復(fù)位，不用再重起單片機(jī)電源。單片機(jī)加電瞬間，時(shí)鐘電路產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖，控制器按照指令的功能產(chǎn)生一系列在時(shí)間上有一定次序的信號(hào)，控制相關(guān)的邏輯電路工作，實(shí)現(xiàn)執(zhí)行指令的功能。

4.鍵盤輸入模塊

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)3個(gè)鍵盤輸入端，分別為按鍵S1、S2和S3。S2為同意澆水按鍵，每按1次，同意寄存器數(shù)據(jù)增加1；S2為不同意澆水按鍵，每按1次，不同意寄存器數(shù)據(jù)增加1。S1為結(jié)束按鍵，按下后啟動(dòng)比較程序，比較兩個(gè)寄存器數(shù)據(jù)大小，執(zhí)行不同的指令。

5.LCD顯示模塊

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求能同時(shí)顯示實(shí)事監(jiān)測(cè)的土壤濕度值，還要同步顯示兩組投票的數(shù)據(jù)，顯示內(nèi)容較多，而且需要同屏顯示，數(shù)碼管不能滿足需要，選用能夠同時(shí)顯示較多信息的LCD1602。1602字符型液晶顯示器是一種專門用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊，可同時(shí)顯示兩行，每行8個(gè)字符。第一行顯示實(shí)時(shí)土壤濕度值，第二行為狀態(tài)行，投票時(shí)顯示同意和不同意兩組數(shù)據(jù)，表決后顯示執(zhí)行的動(dòng)作，執(zhí)行澆水動(dòng)作時(shí)顯示 “STARTING WATER”，不執(zhí)行則顯示“STOPED OVER...”。

在LCD1602顯示濕度值、投票情況和澆水狀態(tài)的同時(shí)，設(shè)計(jì)了2個(gè)LED和1個(gè)蜂鳴器，進(jìn)行輔助狀態(tài)提示，當(dāng)土壤濕度值大于50%時(shí)，LED1點(diǎn)亮，警示土壤濕度值較高。當(dāng)啟動(dòng)澆水時(shí)LED2指示正在澆水，同時(shí)蜂鳴器響起，指示正在澆水中。

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.主程序流程圖（見(jiàn)圖2）

圖2

2.軟件設(shè)計(jì)原理

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言編寫，軟件設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化和模塊化設(shè)計(jì)方法，便于功能擴(kuò)展。系統(tǒng)上電以后初始化，同意票數(shù)和不同意票數(shù)置零，濕度傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳送給單片機(jī)，單片機(jī)將采樣芯片送來(lái)的數(shù)據(jù)送到液晶顯示器（LCD1602）顯示，LCD602的第一行顯示“Humidity”和土壤濕度值，LCD1602的第二行顯示“YES：0 NO：0”。進(jìn)入主循環(huán)程序，對(duì)按鍵是否觸發(fā)進(jìn)行判斷，如有按鍵觸發(fā)則進(jìn)入判斷程序，若S2按下，則為同意票數(shù)增加1票，送LCD602顯示；若S3按下，則不同意票數(shù)增加1票，送LCD602顯示；若為S1按下，則啟動(dòng)判斷程序，比較同意票數(shù)和不同意票數(shù)的大小，若同意票數(shù)＞不同意票數(shù)，啟動(dòng)繼電器為水泵加電澆水，同時(shí)在LCD602第二行顯示“STARTING WATER”，若同意票數(shù)＜=不同意票數(shù)，則顯示“STOPED OVER...”。

3.軟件設(shè)計(jì)所用工具

完成該設(shè)計(jì)的軟件編程主要是利用單片機(jī)的外部接口電路和單片機(jī)編程軟件實(shí)現(xiàn)的，所以程序的正確可行是實(shí)現(xiàn)該方案的必要條件，編寫程序時(shí)主要利用的軟件是Keil編程軟件。 Keil C51是美國(guó)Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語(yǔ)言軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語(yǔ)言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而易學(xué)易用。Keil則為其提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開(kāi)發(fā)方案，通過(guò)一個(gè)集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（uVision）將這些部分組合在一起。

4.程序代碼

五、結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)通過(guò)一塊STC89C52單片計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)了土壤溫度的采集、顯示，表決投票的輸入、顯示，同時(shí)可對(duì)輸入結(jié)果進(jìn)行比較，以控制繼電器，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)水泵對(duì)植物進(jìn)行澆水。將投票表決和植物種植澆水有機(jī)結(jié)合起來(lái)，增強(qiáng)了科普的興趣性。本系統(tǒng)具有硬件電路簡(jiǎn)單、外圍元器件少、成本低的特點(diǎn)，軟件一次性寫入固化，并且具有可升級(jí)性能，在硬件電路不變的情況下，通過(guò)控制程序簡(jiǎn)單修改即可增加其它功能，比如可以固定設(shè)置興趣小組總?cè)藬?shù)，全部投票后自動(dòng)比較判斷，還可以增加濕度超過(guò)設(shè)置值（如70%）屏蔽灌水功能等，以供參與的同學(xué)們拓展和開(kāi)發(fā)。

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