基于單片機(jī)的土壤濕度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吉成芳，陳高麗

（鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，河南鄭州，450000）

0　引言

濕度是衡量土壤濕度最基本的單位，在空氣中一定體積的含水量是一個(gè)衡量濕度的基本單位，空氣中含水分越少，則表明環(huán)境中的空氣越干燥，同時(shí)如果環(huán)境空氣中的水分越多則表明空氣越潮濕。隨著科技的進(jìn)步，人們研發(fā)出了低功耗、高性能的土壤檢測(cè)控制系統(tǒng)，通過(guò)這個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)控土壤的濕度情況，同時(shí)為農(nóng)戶解決土壤濕度監(jiān)控問(wèn)題，并且實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉，方便高效。因此濕度檢測(cè)控制系統(tǒng)的研究越來(lái)越受到重視，本設(shè)計(jì)也考慮這個(gè)原因，進(jìn)一步學(xué)習(xí)研究濕度控制系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

土壤濕度檢測(cè)主要分為三部分：軟件設(shè)計(jì)、仿真設(shè)計(jì)以及實(shí)物設(shè)計(jì)。最終三部分統(tǒng)一結(jié)合完成土壤濕度檢測(cè)和控制，通過(guò)多次調(diào)試、測(cè)試最終實(shí)現(xiàn)土壤濕度檢測(cè)和控制的各個(gè)功能。同時(shí)實(shí)現(xiàn)LCD1602顯示、按鍵調(diào)節(jié)、報(bào)警、LED指示。其中下圖左邊代表輸入單元，將信號(hào)輸入到單片機(jī)中，后面輸出單元，單片機(jī)對(duì)不同的功能或者單元實(shí)現(xiàn)不同的控制過(guò)程。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)框圖

本文以STC89C52為核心，用于控制濕度測(cè)控系統(tǒng)，以達(dá)到其性能目標(biāo)。該系統(tǒng)的關(guān)鍵在于土壤濕度的自動(dòng)控制，在這方面單片機(jī)有自己的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，價(jià)格便宜、控制方面、易于編程、具有較好的穩(wěn)定性。

單片機(jī)最小系統(tǒng)包括電源、復(fù)位電路、震蕩電路。MCU復(fù)位是為了使CPU和其他系統(tǒng)特性在系統(tǒng)中返回到一個(gè)確定的初始狀態(tài)并運(yùn)行從初始狀態(tài)到啟動(dòng)工作，例如當(dāng)MCU復(fù)位PC0000H時(shí)，SCM系統(tǒng)單元從開(kāi)始取指令。主控制最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2　最小系統(tǒng)電路圖

2　系統(tǒng)仿真

圖3　系統(tǒng)濕度正常工作狀態(tài)

圖4　仿真圖加水狀態(tài)

土壤濕度檢測(cè)控制系統(tǒng)的控制單元為單片機(jī)，本設(shè)計(jì)采用STC89C52為MCU單元，軟件編程方面采用keil軟件進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，編程語(yǔ)言為C語(yǔ)言，Protues7.5進(jìn)行系統(tǒng)的仿真測(cè)試實(shí)驗(yàn)，Protel99SE作為PCB原理圖和PCB硬件設(shè)計(jì)的工具。在系統(tǒng)的編程方面，A/D的轉(zhuǎn)換過(guò)程是本次設(shè)計(jì)編程的重點(diǎn)和難點(diǎn)單元，并且按鍵的控制在編程設(shè)計(jì)中也是重點(diǎn)和難點(diǎn)，為了方便進(jìn)行觀察和控制系統(tǒng)的濕度信息和設(shè)置的上下限信息通過(guò)LCD1602顯示。程序的邏輯順序，在 main里面是從上到下無(wú)限循環(huán)運(yùn)行，當(dāng)遇到中斷或者按鍵變化時(shí)，保存斷點(diǎn)，響應(yīng)順序有一個(gè)優(yōu)先級(jí)，先調(diào)用中斷，然后調(diào)用按鍵，當(dāng)中斷和按鍵執(zhí)行過(guò)后繼續(xù)返回?cái)帱c(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行。當(dāng)所有的編程調(diào)試通過(guò)編譯之后生成hex文件，手動(dòng)通過(guò)Protues7.5軟件將hex文件添加到MCU里面。在仿真軟件里面對(duì)濕度控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。

2.1　系統(tǒng)的濕度正常仿真階段

系統(tǒng)濕度正常工作的仿真如圖3所示。RH_L顯示當(dāng)前的按鍵調(diào)節(jié)的值，此時(shí)RH大于RH_L，即測(cè)得的土壤濕度值大于設(shè)定值，可以看到蜂鳴器報(bào)警指示燈關(guān)閉，模擬LED加水指示燈關(guān)閉。表示土壤濕度值在正常狀態(tài)。

2.2　系統(tǒng)報(bào)警仿真階段

土壤濕度檢測(cè)控制系統(tǒng)以單片機(jī)作為CPU單元，土壤濕度傳感器采集土壤的濕度，將采集的數(shù)據(jù)傳送給送給ADC0832轉(zhuǎn)換芯片，將轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)送給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)分析當(dāng)前的濕度，如果RH小于RH_L，即采集的土壤濕度小于當(dāng)前設(shè)定的濕度，單片機(jī)給蜂鳴器發(fā)送指令、蜂鳴器報(bào)警同時(shí)LED點(diǎn)亮。同時(shí)單片機(jī)給繼電器發(fā)送控制直流，通過(guò)繼電器吸合模擬給土壤加水，同時(shí)LED指示燈點(diǎn)亮。當(dāng)前的土壤濕度、設(shè)定的土壤濕度通過(guò)LCD1602顯示。在任意過(guò)程中都可以通過(guò)按鍵對(duì)濕度值進(jìn)行連加和連減的功能。系統(tǒng)仿真如圖4所示。

3　系統(tǒng)實(shí)物演示

系統(tǒng)實(shí)物，通過(guò)USB接口供電，將濕度傳感器插入土壤，測(cè)量土壤濕度。實(shí)驗(yàn)時(shí)我們不斷向土壤里面加水，可以看到上面顯示系統(tǒng)界面，下面顯示當(dāng)前的濕度值。以及濕度上限值，濕度的上限值可以通過(guò)按鍵進(jìn)行調(diào)整。如果采集的土壤濕度小于當(dāng)前設(shè)定的濕度，單片機(jī)給蜂鳴器發(fā)送指令、蜂鳴器報(bào)警同時(shí)LED點(diǎn)亮。通過(guò)繼電器模擬加水。

圖5　實(shí)物加水狀態(tài)圖

隨著土壤中水分的增加，濕度傳感器將新測(cè)得的數(shù)據(jù)傳到A/D模塊，在A/D模塊中進(jìn)行轉(zhuǎn)換后發(fā)送給單片機(jī)，直到檢測(cè)值達(dá)到設(shè)定值蜂鳴器停止報(bào)警LED燈熄滅，繼電器停止工作。此時(shí)，土壤濕度值已經(jīng)達(dá)到預(yù)定值。

圖6　土壤濕度正常圖

4　總結(jié)

本文通過(guò)仿真和實(shí)物對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)正常階段與警報(bào)階段的過(guò)程的對(duì)比，實(shí)現(xiàn)了對(duì)土壤濕度的檢測(cè)和控制。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，可以設(shè)定不同的濕度來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，這對(duì)今后對(duì)土壤濕度的研究具有一定的參考價(jià)值。