簡(jiǎn)易自動(dòng)澆花機(jī)的設(shè)計(jì)

王薇，祖靜，張瑜

（中北大學(xué)測(cè)試計(jì)量技術(shù)與儀器，太原 030051 ）

0 引言

隨著生活水平的提高，許多的城鄉(xiāng)居民為了美化環(huán)境，凈化空氣，喜歡在家中種植一些花草。而植物是離不開(kāi)水的，需要常常澆灌。而人們出差或有事不在家時(shí)，植物的供水就會(huì)中斷，植物面臨干枯[1]，從而影響到植物的正常生長(zhǎng)。而本文介紹的自動(dòng)澆花機(jī)都會(huì)根據(jù)花草對(duì)于土壤濕度的需求，而自動(dòng)進(jìn)行澆花，即可靠、方便也適用于實(shí)際生活。

1 簡(jiǎn)易自動(dòng)澆花機(jī)的工作原理

在本設(shè)計(jì)中利用濕敏傳感器感應(yīng)土壤濕度[2]從而控制后面的裝置，達(dá)到自動(dòng)澆花的目的。整個(gè)裝置由電源電路、濕度傳感器、放大電路、比較電路、繼電器、電磁閥和儲(chǔ)水澆灌裝置構(gòu)成。圖1即為自動(dòng)澆花機(jī)的系統(tǒng)組成部分。

圖1 自動(dòng)澆花機(jī)的系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)是利用電容式濕敏傳感器[3]感應(yīng)土壤濕度，當(dāng)土壤的濕度發(fā)生變化時(shí)，其電容值也發(fā)生相應(yīng)的變化，經(jīng)過(guò)電容濕敏傳感器轉(zhuǎn)換電路后，輸出電壓也發(fā)生了相應(yīng)的變化。由于輸出電壓較小，不易測(cè)量，因而要經(jīng)過(guò)一個(gè)放大電路把電壓放大。放大的電壓作為比較電路的輸入電壓，與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。該基準(zhǔn)電壓即為土壤的標(biāo)準(zhǔn)濕度對(duì)應(yīng)的電壓值。當(dāng)土壤的濕度小于規(guī)定濕度時(shí)，即轉(zhuǎn)換的電壓值小于基準(zhǔn)電壓，輸出端為高電平，從而使電磁繼電器閉合，控制電磁閥打開(kāi)，使儲(chǔ)水澆灌裝置對(duì)植物進(jìn)行澆灌。當(dāng)水澆灌到一定量時(shí)，土壤的濕度大于規(guī)定濕度，即轉(zhuǎn)換的電壓值會(huì)大于基準(zhǔn)電壓，此時(shí)，比較器的輸出端為低電平，繼電器打開(kāi)，電磁閥關(guān)閉，澆灌裝置停止?jié)补唷?/p>

2 系統(tǒng)各部分組成及工作原理

2.1 濕敏傳感器

土壤濕度表示一定深度土層的土壤干濕程度的物理量，過(guò)低或過(guò)高都會(huì)影響植物的正常生長(zhǎng)[4]。所以為了使植物正常生長(zhǎng)，必須提供給土壤適當(dāng)?shù)乃諿5]。為了達(dá)到自動(dòng)澆花的目的，在設(shè)計(jì)中必須測(cè)量土壤的濕度。

考慮到設(shè)計(jì)成本以及簡(jiǎn)易程度和實(shí)現(xiàn)的可能性，本文利用濕度傳感器對(duì)土壤濕度進(jìn)行測(cè)量。在選擇濕度傳感器時(shí)，理想情況下應(yīng)當(dāng)選擇能夠插在土壤中，與理想土壤接觸可以隨時(shí)感應(yīng)土壤的濕度變化的傳感器。在本文中我們使用的是HS1101相對(duì)濕度傳感器（電容傳感器）。HS1101相對(duì)濕度傳感器實(shí)物圖如圖2所示，濕度傳感器的參數(shù)如表1所示[6]。

表1 濕度傳感器的參數(shù)

圖2 HS1101相對(duì)濕度傳感器

HS1101電容傳感器輸出電容值與濕度的關(guān)系如式（1）所示：

式中：C、C0分別為不同的濕度對(duì)應(yīng)的電容值和濕度為55%RH時(shí)對(duì)應(yīng)的電容值；N為濕度的值。

2.2 電容式濕敏電阻HS1101的轉(zhuǎn)換電路

由電容式濕敏電阻HS1101的線(xiàn)性電壓輸出回路內(nèi)部電路方塊圖如圖3所示[6]，它可將濕度傳感器的電容變化轉(zhuǎn)換為電壓變化。

圖3 電容式濕敏電阻HS1101的線(xiàn)性電壓輸出回路內(nèi)部電路方塊圖

當(dāng)環(huán)境溫度為25℃，電源電壓為5V時(shí)，電壓輸出方程式為：

式中： Vout、Vcc分別為電路輸出電壓和5V的電源電壓；N為濕度的值。

輸出的電壓與濕度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2所示。

表2 濕度傳感器轉(zhuǎn)換電路輸出電壓

2.3 放大電路設(shè)計(jì)

將濕敏電阻放在一個(gè)簡(jiǎn)單電路中，當(dāng)土壤濕度發(fā)生變化后，濕敏電阻兩端的電壓也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，通過(guò)測(cè)量電阻兩端的電壓可以測(cè)量濕敏電阻的變化值。由于產(chǎn)生的電壓值較小，因而需要一個(gè)放大電路將電壓值進(jìn)行放大，在本文中由于在濕度范圍為10%RH~100%RH對(duì)應(yīng)的電壓為1.41~3.55V，用電壓表測(cè)量不很準(zhǔn)確，因而將其放大。在該文中運(yùn)用反相串聯(lián)結(jié)構(gòu)型的雙運(yùn)放高共模抑制比放大電路，如圖4所示[7]。

圖4 反相串聯(lián)結(jié)構(gòu)型的雙運(yùn)放高共模抑制比放大電路

放大電路的輸出電壓uo為：

當(dāng)R2/R1= R4/R5，ui1= ui2時(shí)，輸出電壓為零，共模信號(hào)得到了抑制。由此可見(jiàn)，這種電路的共模抑制能力只與外接電阻對(duì)稱(chēng)精度有關(guān)，但電路的輸入阻抗低。通常，為了使ui1、ui2負(fù)載相同，取R2=R1，R2=R4。

2.4 比較電路設(shè)計(jì)

為了使系統(tǒng)達(dá)到自動(dòng)控制的目的，需要將放大電路的輸出電壓接入比較電路與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較。它是重要的接口電路。它分為：電平比較電路、滯回比較電路和窗口比較電路。

本系統(tǒng)中利用差動(dòng)型電平比較器。所設(shè)定進(jìn)行檢測(cè)的門(mén)限電平VREF，又稱(chēng)基準(zhǔn)電壓（即為土壤的標(biāo)準(zhǔn)濕度轉(zhuǎn)換

為的電壓值）接至比較器的一個(gè)輸入端，用來(lái)和輸入電壓進(jìn)行比較，系統(tǒng)比較電路的設(shè)計(jì)如圖5所示。當(dāng)Vs

圖5 系統(tǒng)比較電路設(shè)計(jì)

不同植物需要的濕度不同，從而對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)電壓也不同。一般植物對(duì)濕度要求不高，基本在50%RH左右即可，因而我們可以將基準(zhǔn)電壓設(shè)定為50%RH所對(duì)應(yīng)的電壓值為2.36V。由于傳感器的轉(zhuǎn)換電路輸出的電壓經(jīng)放大電路放大，因而這里的基準(zhǔn)電壓為12V即可。

2.5 電源電路的設(shè)計(jì)

圖6 7812的恒流穩(wěn)壓電路

在設(shè)計(jì)中，濕敏傳感器、電磁繼電器、電磁閥都需要電源供電。因而選用電源電壓必須穩(wěn)定而且減少消耗。因而在設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)有電源管理電路。電源管理電路可以減少電路無(wú)效操作時(shí)功耗的比例的目的，它采用的是獨(dú)立供電的方式。設(shè)計(jì)中使用7812電源管理芯片實(shí)現(xiàn)電壓的節(jié)能穩(wěn)定。7812的恒流穩(wěn)壓電路[8]設(shè)計(jì)如圖6所示。

其中濕敏傳感器的工作電壓為5V，基準(zhǔn)電壓、電磁繼電器和電磁閥的工作電壓為12V。

圖7 系統(tǒng)測(cè)試電路圖

2.6 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

將比較電路的基準(zhǔn)電壓設(shè)定為5V，系統(tǒng)測(cè)試電路圖如圖7所示。

實(shí)驗(yàn)觀察，土壤濕度較干時(shí)，即土壤濕度低于50%RH，自動(dòng)澆花機(jī)的電磁閥打開(kāi)，控制儲(chǔ)水澆灌裝置進(jìn)行澆灌，當(dāng)澆灌到一定量后，電磁閥關(guān)閉，儲(chǔ)水澆灌裝置停止?jié)补?。?shí)現(xiàn)自動(dòng)澆花的目的。

3 結(jié)論

基于比較電路的簡(jiǎn)易澆花機(jī)設(shè)計(jì)全部由電路實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)思路簡(jiǎn)單，成本低，不需要繁瑣的編程即可實(shí)現(xiàn)，選用最基本的電子器件進(jìn)行連接即可實(shí)現(xiàn)放大及比較的功能，為人們的日常生活提供方便。

[1] 王峰，馬妍霞。用8051單片機(jī)實(shí)現(xiàn)智能澆花[J].電子世界,2005(10).

[2] 楊緒業(yè).濕度測(cè)量自動(dòng)澆花機(jī)[J].無(wú)線(xiàn)電，2007(06).

[3] 強(qiáng)錫富.傳感器[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

[4] 張帆,蔣茜.自主澆花機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,6( 22).

[5] 陳家宙,陳明亮,何圓球.各具特色的當(dāng)代土壤水分測(cè)量技術(shù)[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2001(3).

[6] HUMIREL.Relative Humidity Sensor HS1101 [Z]. HUMILEL 2002.

[7] 張國(guó)雄.測(cè)控電路[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[8] http://www.ic-jiazhi.com/BookPic/products/X7812.pdf 2005.9.9 V1.2