基于單片機(jī)和傳感器的智能澆花器設(shè)計(jì)

丁維麗 王雪妍 王天龍 陳秀艷

摘 要：為了解決出差、旅游、工作繁忙等因素造成的不能對(duì)花草及時(shí)澆水的問題，文章基于單片器、傳感器等器件設(shè)計(jì)了定時(shí)系統(tǒng)、水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)。并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)完成了一款智能澆花器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)植物生長(zhǎng)環(huán)境的智能監(jiān)測(cè)，根據(jù)植物生長(zhǎng)需求條件進(jìn)行器件設(shè)置，實(shí)現(xiàn)及時(shí)澆水的功能。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；壓力傳感器；濕度傳感器；定時(shí)開關(guān)；澆花器

隨著人類社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，人們?cè)絹碓讲粷M足于物質(zhì)條件的充裕，紛紛開始追求有質(zhì)感的生活，一個(gè)典型的例子就是在家里種植花花草草。但忙碌也是當(dāng)代人的一大特點(diǎn)，沒有太多的時(shí)間和精力來照顧花草，導(dǎo)致花草死亡。為了幫助沒有時(shí)間照顧花草的人們解決問題，市面上出現(xiàn)了幾種澆花器，例如：2014年，吳平[1]利用溫濕度傳感器和單片機(jī)設(shè)計(jì)了一款澆花器，考慮到了溫濕度對(duì)植物生長(zhǎng)的影響，通過讀取時(shí)鐘芯片的時(shí)間來判斷處于哪個(gè)季節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)澆水時(shí)間段的選擇，并沒有對(duì)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)的精確監(jiān)測(cè)，且室內(nèi)不同于室外，四季溫差變化不明顯而濕度卻會(huì)有明顯變化，因此，先判斷時(shí)間段是否適合再判斷濕度值進(jìn)行澆水有其不可取之處，比方說冬天室內(nèi)干燥，暖氣、空調(diào)等的存在加快土壤水分蒸發(fā)，應(yīng)優(yōu)先考慮濕度的影響。2017年，崔彥彬等[2]設(shè)計(jì)的澆花器也用到了溫濕度傳感器及單片機(jī)，還利用了水位傳感器解決了供水問題，溫度設(shè)計(jì)同樣存在上述弊端。此外，上述裝置還存在以下不足之處：（1）水無法直接到達(dá)植物根部，完全靠滲透的話澆水量不好控制，（2）不同功能模塊結(jié)合緊密反而未能達(dá)到滿足不同植物澆灌需求這一預(yù)期效果，一種植物配備一臺(tái)澆花器未免繁瑣又浪費(fèi)資源。

根據(jù)上述澆花系統(tǒng)存在的弊端，本文基于以AT89SC52單片機(jī)為控制芯片組成的最小系統(tǒng)以及濕度傳感器和壓力傳感器的巧妙應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一個(gè)具有定時(shí)澆水、濕度控制、水位控制綜合功能的智能澆花器，而且本設(shè)計(jì)各個(gè)功能既可獨(dú)立工作，又可同時(shí)工作，可根據(jù)不同植物的灌溉需求自由地對(duì)各個(gè)功能進(jìn)行組合使用，功能強(qiáng)大[3]。

1 實(shí)驗(yàn)器材

本實(shí)驗(yàn)的核心器材包括STC89C52單片機(jī)、壓力傳感器、電壓比較器等。

1.1 STC89C52單片機(jī)

STC89C52RC是宏晶科技推出的新一代超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗的單片機(jī)，基于Intel標(biāo)準(zhǔn)的8052，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051系列單片機(jī)，12時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘/機(jī)器周期可任意選擇。

1.2 壓力傳感器

工作電壓：4.2～6.2 V；壓力范圍：0～1 000 mm水柱，0～0.1 kg/cm2；電壓輸出：0.23～4.9 V；線性度0.2%；外型：30 mm ×30 mm×20 mm。

1.3 ADC0832

ADC0832為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá)256級(jí)，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為32 μs，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。正常情況下，ADC0832與單片機(jī)的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線，分別是CS，CLK，DO，DI。但由于DO端與DI端在通信時(shí)并未同時(shí)有效并與單片機(jī)的接口是雙向的，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)可以將DO和DI并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。

當(dāng)ADC0832未工作時(shí)其CS輸入端應(yīng)為高電平，此時(shí)芯片禁用，CLK和DO/DI的電平可任意。當(dāng)要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，須先將CS使能端置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時(shí)芯片開始轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)由處理器向芯片時(shí)鐘輸入端CLK輸入時(shí)鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號(hào)[4-6]。

1.4 1602工業(yè)字符型液晶顯示器

工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示16×02即32個(gè)字符（16列2行）。

1602字符型LCD通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來的2條線是背光電源線VCC（15腳）和地線GND（16腳），其控制原理與14腳的LCD完全一樣。

1.5 繼電器的繼電特性

繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱輸出回路），通常應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中，它實(shí)際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動(dòng)開關(guān)”。故在電路中起著自動(dòng)調(diào)節(jié)、安全保護(hù)、轉(zhuǎn)換電路等作用。

繼電器的輸入信號(hào)x從0連續(xù)增加達(dá)到銜鐵開始吸合時(shí)的動(dòng)作值xx，繼電器的輸出信號(hào)立刻繼續(xù)增大，輸出信號(hào)y將不再起變化。當(dāng)輸入量x從某一大于xx值下降到xf，繼電器開始釋放，常開觸點(diǎn)斷開[7]。

1.6 濕度傳感器

YL-69濕度傳感器，插入土壤即可；將其與電壓比較器連接；順時(shí)針調(diào)節(jié)比較器，控制的濕度會(huì)變。

1.7 電壓比較器

它可用于報(bào)警器電路、自動(dòng)控制電路、測(cè)量技術(shù)，也可用于V/F變換電路、A/D變換電路、高速采樣電路、電源電壓監(jiān)測(cè)電路、振蕩器及壓控振蕩器電路、過零檢測(cè)電路等。本器件主要用于比較傳感器檢測(cè)到的濕度值轉(zhuǎn)化而來的電壓值與預(yù)設(shè)電壓值的高低[8]。

2 智能澆花器系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

智能澆花器包含三大功能模塊，分別為定時(shí)模塊、濕度檢測(cè)模塊、水位檢測(cè)模塊；均可單獨(dú)實(shí)現(xiàn)澆水功能，也可組合起來使用，且均實(shí)現(xiàn)了USB供電[9]。

2.1 水位檢測(cè)模塊

水位檢測(cè)模塊主要包括采用STC89C52單片機(jī)作為主控芯片的單片機(jī)最小系統(tǒng)、1602液晶顯示模塊、按鍵模塊、壓力傳感器模塊、水泵、ADC0832—8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片。ADC0832芯片將壓力傳感器輸出的電壓轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)交給單片機(jī)處理后，在液晶屏上顯示當(dāng)前液位；手動(dòng)設(shè)置液位的上下限，當(dāng)液位低于預(yù)設(shè)值時(shí)水泵工作開始抽水，達(dá)到液位上限后水泵停止工作。此模塊不僅可以用于水培植物的種植，還可用來給其余兩大模塊供水，還可以在蓄水池內(nèi)調(diào)配營(yíng)養(yǎng)液，既為植物提供了水分，又實(shí)現(xiàn)了營(yíng)養(yǎng)的供給[10]。

2.2 定時(shí)模塊

定時(shí)模塊采用STC89SC52單片機(jī)為核心元件，還包括水泵、1602工業(yè)字符型液晶、電磁繼電器、鍵盤電路，采用DS1302時(shí)鐘芯片來實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘。此模塊可手動(dòng)設(shè)置澆水起始時(shí)間，可設(shè)置20組時(shí)間，每組均從周一到周五，一天24小時(shí)均可設(shè)置澆水，還可控制每次澆水的持續(xù)時(shí)間以及連續(xù)兩次澆水的間隔時(shí)長(zhǎng)。實(shí)際上此模塊類似于一個(gè)定時(shí)開關(guān)的作用，當(dāng)時(shí)鐘走到定時(shí)開始時(shí)間時(shí)，繼電器接通，開關(guān)打開給水泵供電；時(shí)鐘走到定時(shí)結(jié)束時(shí)間時(shí)繼電器斷開，開關(guān)關(guān)閉，小水泵斷電不再工作；在水泵的出水端，接有軟管，軟管可按需求接上分流原件實(shí)現(xiàn)多路澆水。另外，軟管末端皆有錐狀物可以深深插入土壤中，使得澆水更透徹[11]。

2.3 濕度檢測(cè)澆水模塊

濕度檢測(cè)澆水模塊包括繼電器、濕度傳感器、比較器、水泵。通過調(diào)節(jié)繼電器模塊上的電位器來調(diào)節(jié)靈敏度，比較器將濕度傳感器輸出電壓與預(yù)設(shè)電壓相比較，若低于預(yù)設(shè)電壓，則表示此時(shí)土壤濕度低于預(yù)設(shè)值，繼電器吸合，小水泵工作對(duì)植物進(jìn)行澆水；此模塊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，材料價(jià)格低廉，接線快捷，可分接多個(gè)支路以滿足不同種類植物的灌溉需求；軟管的設(shè)計(jì)與定時(shí)模塊一致[12]。

3 結(jié)語

本澆花器占地面積小，易于操作，人機(jī)交互界面的建立拓展了可自主控制的空間，其多功能性完全能滿足家庭綠植澆灌需求。

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Abstract：In order to solve the problem that flowers and plants could not be watered in time caused by a business travel， busy work and other factors， this paper designed a timing system， water level monitoring system and temperature control system based on MCU， sensors and other devices. On this basis， an intelligent watering device was designed and completed， which realized the intelligent monitoring of plant growth environment， set up devices according to plant growth requirements， and realized the function of timely watering.

Key words：MCU； pressure sensor； humidity sensor； timing switch； watering device