智能自動(dòng)澆花系統(tǒng)的控制設(shè)計(jì)研究

劉 川 張小成 高進(jìn)淵 馬金剛 和曉雲(yún) 李曉勤

（塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，新疆 阿拉爾843300）

0 引言

隨著生活水平的提高，喜歡養(yǎng)花的人也越來越多，但當(dāng)人們出差旅行或者放假的時(shí)候，花卉的澆水成為人們比較犯難的問題。而且現(xiàn)在市面上的澆花裝置比較少，其采用的技術(shù)往往是如下的兩種，一是基于簡單的物理原理，如利用虹吸原理對植物進(jìn)行澆水；二是利用簡單的定時(shí)控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對植物的定時(shí)定量澆水。依據(jù)這兩種原理制成的裝置無法根據(jù)土壤濕度實(shí)時(shí)澆水，后果嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致花卉干枯或者過澇死亡?；谝陨媳尘?，我們設(shè)計(jì)的智能自動(dòng)澆花系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)在不同環(huán)境下對植物的精確自動(dòng)澆水。

本文就是由濕度傳感器實(shí)現(xiàn)對花盆土壤濕度的信號采集，由單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對信號的數(shù)字化處理輸出，并將輸入濕度值與設(shè)定濕度值進(jìn)行對比分析，然后確定澆水系統(tǒng)的工作情況。

1 材料與研究過程

1.1 材料與軟件平臺

系統(tǒng)使用電子器件：STC89c52單片機(jī)、ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換、LCD1602液晶顯示屏、YL-69土壤濕度傳感器、存儲芯片24C02、水泵、排阻電容等其它常用元器件。

設(shè)計(jì)使用軟件平臺：程序編輯、編譯、調(diào)試軟件keil、電路模擬仿真軟件proteus、程序燒寫軟件STC-ISP、USB串口調(diào)試軟件。

1.2 實(shí)驗(yàn)研究對象

以常見花盆花卉為實(shí)驗(yàn)對象進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究。

1.3 設(shè)計(jì)流程

設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)流程圖

2 電路設(shè)計(jì)方案

2.1 智能主控電路

主控電路是整個(gè)系統(tǒng)的核心，主要由STC89C52單片機(jī)為主。單片機(jī)是單片微型計(jì)算機(jī)的簡稱,通俗來講，就是把中央處理器CPU、存儲器、定時(shí)器、I/O接口電路等一些計(jì)算機(jī)的主要功能部件集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。單片機(jī)特別適合控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器MCU，單片機(jī)只要和適當(dāng)?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)，由此我們構(gòu)建單片機(jī)最小系統(tǒng)。單片機(jī)最小系統(tǒng)由時(shí)鐘電路和復(fù)位電路組成。

2.1.1 單片機(jī)的時(shí)鐘電路

時(shí)鐘電路用于生產(chǎn)單片機(jī)工作所需要的時(shí)鐘信號，而時(shí)序所研究的是指令執(zhí)行中各地址信號之間的相互關(guān)系。單片機(jī)本身就如一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為了保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)，電路應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號控制下嚴(yán)格地按時(shí)序進(jìn)行工作。

2.1.2 單片機(jī)的復(fù)位電路

單片機(jī)復(fù)位是使CPU和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。無論是單片機(jī)剛開始接上電源時(shí)，還是斷電后或者發(fā)生故障后都要復(fù)位，單片機(jī)復(fù)位的條件是：必須使RES/Vpd或者RST引腳加上持續(xù)兩個(gè)周期以上的高電平。

在proteus中畫電路圖，如總電路圖中圖2.1所示。

2.2 獨(dú)立鍵盤輸入電路

獨(dú)立式按鍵是指直接用一根I/O口線構(gòu)成的單個(gè)按鍵電路。每個(gè)獨(dú)立式按鍵單獨(dú)占有一根I/O口線，每根I/O口線上的按鍵的工作狀態(tài)不會影響其他I/O口線的工作狀態(tài)。獨(dú)立式按鍵接口電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單，但每個(gè)按鍵必須占用一根I/O口線，在按鍵數(shù)量較多時(shí)，I/O口線浪費(fèi)較大。故在按鍵數(shù)量不多時(shí)，常采用這種按鍵結(jié)構(gòu)。獨(dú)立式按鍵電路如圖3所示。上拉電阻保證了按鍵斷開時(shí)，I/O口線上有確定的高電平。本設(shè)計(jì)外圍電路接有四個(gè)獨(dú)立按鍵，其中兩個(gè)作為濕度下限增減的設(shè)置按鍵，另外兩個(gè)作為濕度上限增減的設(shè)置按鍵。

因?yàn)楸狙b置所用的I/O口不是很多，而且需要的按鍵數(shù)目不多，故選用獨(dú)立式鍵盤。

在proteus中畫電路圖，如總電路圖中圖2.2所示。

2.3 濕度傳感器輸入電路

本設(shè)計(jì)用土壤濕度傳感器YL-69檢測土壤濕度，YL-69傳感器有4個(gè)引腳分別為：1 VCC（外接3.3V-5V）、2 GND（外接GND）、3 DO（小板數(shù)字量輸出接口）、4 AO（小板模擬量輸出接口）。本傳感器模塊具有雙輸出模式，DO數(shù)字量輸出簡單，AO模擬量輸出更精確。當(dāng)使用數(shù)字量輸出接口時(shí)，通過電位計(jì)調(diào)節(jié)設(shè)定值，在土壤濕度達(dá)不到設(shè)定閾值時(shí)，DO口輸出高電平，當(dāng)土壤濕度超過設(shè)定閾值時(shí)，模塊D0輸出低電平。所以小板數(shù)字量輸出D0可以與單片機(jī)直接相連，通過單片機(jī)來檢測高低電平，由此來檢測土壤濕度。當(dāng)使用模擬量輸出接口時(shí)輸出AO可以和AD模塊相連，通過AD轉(zhuǎn)換，可以獲得土壤濕度更精確的數(shù)值。所以我們選用AO接口與ADC0832轉(zhuǎn)換模塊等一些元器件組成濕度傳感器輸入電路。

在proteus中畫電路圖，如總電路圖中圖2.3所示。

有研究指出，植物葉片的N、P含量在不同時(shí)期往往展現(xiàn)出較大的差異[31]。胡耀升等[32]對長白山森林植物功能性狀的研究表明，LNC與LPC呈極顯著正相關(guān)，而趙光偉[33]則發(fā)現(xiàn)烤煙葉片總氮含量隨葉齡的增大逐漸降低，本研究結(jié)果與之一致。長柄雙花木的LNC和LPC在植株的不同發(fā)育階段表現(xiàn)出顯著的差異，LNC和LPC均隨著植株的發(fā)育而下降。這可能是由于在幼苗時(shí)期葉片代謝頻繁，需要較多的蛋白質(zhì)和核酸來滿足葉片生長的需求，提升了N、P濃度；而到了幼樹和成樹時(shí)期，植物獲取的大部分養(yǎng)分被輸送到其他器官用于開花等，相應(yīng)地植物葉片中的N、P含量有所下降[32]。

2.4 蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路

蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路主要實(shí)現(xiàn)當(dāng)測的土壤濕度低于設(shè)定下限濕度或高于設(shè)定上限濕度時(shí)進(jìn)行明示。該電路使用蜂鳴器，然后經(jīng)過單片機(jī)的一根口線驅(qū)動(dòng)。由于單片機(jī)的I/O口驅(qū)動(dòng)能力有限，無法驅(qū)動(dòng)蜂鳴器鳴響，這里用到一個(gè)PNP型的三極管作為驅(qū)動(dòng)器，來驅(qū)動(dòng)蜂鳴器。

在proteus中畫電路圖，如總電路圖中圖2.4所示。

2.5 水泵驅(qū)動(dòng)電路

水泵驅(qū)動(dòng)電路是本設(shè)計(jì)的控制末端。通過判斷單片機(jī)口線P32的高低電位確定PNP型三極管的工作狀態(tài)以此作為驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)繼電器。然后決定是否開啟水泵澆水。

在proteus中畫電路圖，如總電路圖中圖2.5所示。

2.6 液晶顯示電路

LCD1602為兼容的液晶顯示模塊，本設(shè)計(jì)中采用兩行16字符型的模式，顯示亮度可調(diào)，是一種使用較方便、價(jià)格較便宜的液晶顯示器件。他有液晶顯示屏和驅(qū)動(dòng)器兩部分組成，單片機(jī)通過寫控制字方式訪問驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)對液晶顯示屏的控制，系統(tǒng)是利用液晶顯示屏來顯示設(shè)定濕度范圍和檢測到的土壤濕度。它的外圍器件可以裝一個(gè)精密電位器，來實(shí)現(xiàn)液晶顯示屏亮度的調(diào)節(jié)。

在proteus中畫電路圖，如總電路圖中圖2.6所示。

2.7 其它常見電路

在一些電路系統(tǒng)中我們常會用到一些其它輔助性的電路，如電源濾波電路等。濾波電容用在電源整流電路中，用來濾除交流成分。使輸出的直流更平滑。去耦電容用在放大電路中不需要交流的地方，用來消除自激，使系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

此外在本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中還有一個(gè)不可缺少的電路部分用來存儲設(shè)定濕度值。它是使用儲存芯片24C02為主要器件組成的電路。

在proteus中畫電路圖，如總電路圖中圖2.8所示。

2.8 總電路系統(tǒng)

將上述分電路整合，搭建成最終的自動(dòng)澆花系統(tǒng)電路。在proteus中輸入程序進(jìn)行仿真。如圖2所示。并設(shè)計(jì)PCB板，最后在PCB板上焊接相應(yīng)電路元器件，并在花盆中完成系統(tǒng)調(diào)試與優(yōu)化確保完成設(shè)計(jì)研究。

圖2 總電路

3 系統(tǒng)工作流程

本系統(tǒng)先通過傳感器將對土壤中含水量的物理量進(jìn)行采集，然后通過信號轉(zhuǎn)換部分將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，交給單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理。通過與設(shè)定濕度的對比來智能控制是否澆水，在需要時(shí)驅(qū)動(dòng)相關(guān)外設(shè)，進(jìn)行自動(dòng)精確定位地灌溉。系統(tǒng)具體工作流程如圖3所示。

4 研究結(jié)果分析

本智能澆花系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，自動(dòng)化程度高，方便升級改造，可實(shí)現(xiàn)智能化澆花的需要，能很好解決現(xiàn)在及將來一段時(shí)間內(nèi)家庭澆花的問題。當(dāng)然本系統(tǒng)也存在一定紕漏，由于一些干擾因素的影響可能會出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)偏差。比如理論與實(shí)驗(yàn)之間的誤差，它主要來源于試驗(yàn)中存在電路連線阻值變化等一些其它的偶然誤差。

5 結(jié)論

隨著智能家具的發(fā)展，人們對智能化控制的渴望越加劇烈，“智能自動(dòng)澆花系統(tǒng)”也就隨之而來；而今信息技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，我們完全可以采取電子智能化控制的手段來解決以上問題。本文基于單片機(jī)對土壤濕度傳感器信號的采集與處理的設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究開發(fā)，實(shí)現(xiàn)在proteus軟件平臺下的仿真與程序調(diào)試，將調(diào)試成功的程序燒寫到單片機(jī)中，將系統(tǒng)電子器件集成在PCB板上，成功完成了智能自動(dòng)澆花系統(tǒng)的設(shè)計(jì)制作。本文的設(shè)計(jì)思想可以應(yīng)用在其它自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的采集與處理設(shè)計(jì)中，為相關(guān)的設(shè)計(jì)研究提供了有價(jià)值的參考。

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