中小學(xué)科普用植物澆水控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

樊溶

摘 要：目前，許多中小學(xué)校都成立了植物種植科普興趣小組，在興趣小組開展活動時(shí)，在關(guān)鍵的節(jié)點(diǎn)，比如澆水、加熱、喂食喂水等環(huán)節(jié)，由于參與人員意見往往不能夠完全一致，引起爭執(zhí)甚至沖突。特別是城市中的中小學(xué)生，從小生活在城市，對植物生長規(guī)律、水分條件等都缺少直觀的認(rèn)知。中小學(xué)科普用植物澆水控制器通過引入單片機(jī)，通過采集所關(guān)注的物理量（如濕度、溫度、水位等），由興趣小組成員進(jìn)行判斷，投票表決，由單片機(jī)根據(jù)投票結(jié)果進(jìn)行判斷，自動啟動控制繼電器，來執(zhí)行是否進(jìn)行澆水的意見，解決了傳統(tǒng)植物種植興趣小組只是觀察記錄、缺少互動的弊端，以達(dá)到興趣小組成員集體參與、共同表決、提升興趣的目的。

關(guān)鍵詞：單片機(jī)；科普；投票；控制

中圖分類號：TP23 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-8454（2018）04-0080-06

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。土壤濕度過高，土壤通氣性變差，影響土壤中微生物的活動，使植物根系的呼吸、生長等生命活動受到阻礙，造成爛根、滋生病害，從而影響植物地上部分的正常生長。土壤水分含量過低，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，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中，土壤的濕度狀況決定了植物的生長狀況，對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單片機(jī)的引入，可以實(shí)時(shí)顯示土壤濕度狀況，通過參與者的表決，自動控制對植物水分的補(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。第二天通過觀察植物的生長情況，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、電器原理知識等，以豐富其知識面。

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)的工作過程為：土壤濕度傳感器（YL-69）將濕度信號送至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)合植物長勢、光照等條件綜合做出是否同意澆水的意見，通過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)澆水過程。

三、各單元模塊功能介紹及電路設(shè)計(jì)

1.傳感器部分

測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)行濕度測量的。

YL-69是一個(gè)簡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)，會使得濕敏電容存在的環(huán)境中的介質(zhì)發(fā)生改變，通過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，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輸入DI 數(shù)據(jù)輸入端，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，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Keil 編程軟件可將C語言程序進(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?？刂戚敵鐾ㄟ^三極管控制繼電器，驅(qū)動水泵進(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S1、 S2 S3與地連接，捕捉開關(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。endprint

本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上對復(fù)位電路設(shè)計(jì)成上電復(fù)位加手動復(fù)位，方便使用。在程序“跑飛”時(shí)，可以手動復(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，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顯示字母、數(shù)字、符號等的點(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)行的動作，執(zhí)行澆水動作時(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Keil Software公司出品的51系列兼容單片機(jī)C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護(hù)性上有明顯的優(yōu)勢，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)的完整開發(fā)方案，通過一個(gè)集成開發(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

本系統(tǒng)通過一塊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)可對輸入結(jié)果進(jìn)行比較，以控制繼電器，進(jìn)而驅(qū)動水泵對植物進(jìn)行澆水。將投票表決和植物種植澆水有機(jī)結(jié)合起來，增強(qiáng)了科普的興趣性。本系統(tǒng)具有硬件電路簡單、外圍元器件少、成本低的特點(diǎn)，軟件一次性寫入固化，并且具有可升級性能，在硬件電路不變的情況下，通過控制程序簡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)，全部投票后自動比較判斷，還可以增加濕度超過設(shè)置值（如70%）屏蔽灌水功能等，以供參與的同學(xué)們拓展和開發(fā)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張毅剛，彭喜元編.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2010.

[2]楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]來清民.傳感器與單片機(jī)接口及實(shí)例[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[4]林志琦.基于Proteus的單片機(jī)可視化軟硬件仿真[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[5]孟立凡等.傳感器原理及技術(shù)[M].北京：國防工藝出版社，2005.

[6]陳有卿，張曉東.報(bào)警集成電路和報(bào)警器制作實(shí)例[M].北京：北京人民郵電出版社，2001.

[7]何立民.單片機(jī)高級教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2001.

[8]郭天祥.51單片機(jī)C語言教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[9]史軍勇，冀捐灶，楊寶強(qiáng).基于AT89C2051的溫濕度控制儀[J].電子技術(shù)，2004（1）.

[10]周旭.現(xiàn)代傳感器技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[11]肖洪兵.跟我學(xué)用單片機(jī)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2002.8.（編輯：魯利瑞）endprint