家庭智能微型灌溉系統(tǒng)的設(shè)計

張興超

（昆明理工大學(xué)津橋?qū)W院電氣與信息工程學(xué)院，云南昆明 650106）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，人民生活水平日益提高，人們對生活質(zhì)量及家居環(huán)境也不斷提出更高要求。家庭種植花卉、瓜果蔬菜等已成為日常家居生活的組成部分，可以凈化空氣、美化環(huán)境，但植物的灌溉卻是一項長期并繁瑣的工作[1]。傳統(tǒng)植物灌溉依賴人憑借經(jīng)驗根據(jù)不同植物的生長特性把握時機控制澆灌量，這種灌溉方式的缺點：①如果控制不好時間和灌溉量，容易影響植物生長，甚至導(dǎo)致死亡；②必須由人現(xiàn)場操作，不能長期無人看管；③一旦家中人員出差或長期外出，植物灌溉就成了問題。

鑒于此，利用STC89S52 單片機設(shè)計一種家庭智能微型灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠檢測土壤和空氣溫濕度，與控制器設(shè)定值進行比較，自行判斷植物是否需要灌溉以及澆灌量的多少。實踐表明，家庭智能微型灌溉系統(tǒng)能夠避免傳統(tǒng)灌溉方式的缺點，有利于植物的生長，具有一定的實用價值和良好的市場前景。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

家庭智能微型灌溉系統(tǒng)能夠根據(jù)空氣溫度、土壤濕度等情況，依照系統(tǒng)技術(shù)要求，在無人看管的情況下通過控制水泵實現(xiàn)自動澆灌，調(diào)節(jié)植物的生長環(huán)境[2]。系統(tǒng)采用STC89S52 單片機作為控制器的主控芯片與數(shù)據(jù)處理核心，由軟、硬件兩部分組成，包含CPU 信息處理、YL-69 溫濕度信息采集、ADC0832信號轉(zhuǎn)換、LCD 顯示以及水泵控制等功能，其總體設(shè)計方案如圖1 所示。

系統(tǒng)利用單片機完成各子模塊之間的協(xié)調(diào)工作。通過YL-69 溫濕度傳感器監(jiān)測植物周圍空氣溫度、土壤濕度，獲取相關(guān)溫濕度信息，送至單片機中處理并由LCD 顯示。同時中央處理模塊根據(jù)其自身控制算法，利用執(zhí)行機構(gòu)中的可控硅控制水泵開、關(guān)，滿足及時準(zhǔn)確、定量高效的植物智能灌溉需求[3]。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)家庭智能微型灌溉系統(tǒng)的功能需求，采用模塊化設(shè)計思想設(shè)計系統(tǒng)硬件電路，包括中央處理模塊、YL-69 溫濕度信息采集模塊、ADC0832 信號轉(zhuǎn)換模塊、LCD 顯示模塊以及水泵控制模塊等。

中央處理模塊采用STC89S52 單片機作為控制器的主控芯片，該芯片具有低電壓、高性能、價格低廉、使用方便等優(yōu)點，同時很好兼容其他系列芯片。A/D 信號轉(zhuǎn)換模塊采用的ADC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器，是一種雙通道、8 位分辨率的高轉(zhuǎn)換率、小體積的轉(zhuǎn)換芯片，其性能穩(wěn)定、兼容性好。

人機交互功能包括鍵盤輸入、LCD 顯示和報警電路三部分。其中鍵盤輸入用于設(shè)置家庭智能微型灌溉系統(tǒng)的空氣溫度、土壤濕度等閾值。LCD 選用LCD1602 液晶顯示器，直觀顯示溫濕度、灌溉量、灌溉時間等相關(guān)參數(shù)。當(dāng)植物周圍空氣溫度和土壤濕度等實際值低于系統(tǒng)設(shè)定閾值時，系統(tǒng)自動啟動水泵控制模塊進行植物灌溉，同時報警電路向用戶發(fā)出短暫報警信號起到提示作用。

溫濕度信息采集模塊是家庭智能微型灌溉系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，只有精準(zhǔn)地獲取溫濕度信息，才能保證控制器對植物智能灌溉的有效實施。模塊利用YL-69 傳感器采集植物周圍空氣溫度、土壤的含水率等信息，送至單片機運算處理并判斷是否需要灌溉。

水泵控制模塊屬家庭智能微型灌溉系統(tǒng)的執(zhí)行設(shè)備，對植物智能灌溉起重要作用，主要包括可控硅和抽水水泵兩部分。當(dāng)YL-69 傳感器檢測到空氣溫度、土壤濕度等參數(shù)低于系統(tǒng)設(shè)定閾值時，單片機根據(jù)內(nèi)部控制算法發(fā)出信號控制驅(qū)動模塊，使可控硅處于導(dǎo)通狀態(tài)，并開啟水泵完成自動灌溉任務(wù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

家庭智能微型灌溉系統(tǒng)的功能實現(xiàn)最終依賴于控制器內(nèi)部程序來完成。結(jié)合系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計及智能灌溉要求，采用C語言進行軟件編程，包括主程序和子程序兩部分。系統(tǒng)軟件功能流程如圖2 所示。

為保證系統(tǒng)的運行效率和可靠性，家庭智能微型灌溉系統(tǒng)具有以下功能[4]：①能夠利用溫濕度信息采集模塊準(zhǔn)確獲取空氣溫度、土壤含水率等相關(guān)參數(shù)信息，通過A/D 轉(zhuǎn)換器完成信號轉(zhuǎn)換，并經(jīng)LCD1602 液晶顯示器進行顯示；②單片機能夠根據(jù)其自身內(nèi)部控制算法控制水泵控制模塊，自動完成灌溉任務(wù)；③系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計小巧、便于安放，且運行穩(wěn)定；軟件設(shè)計中的多個程序能夠相互調(diào)用，互不干擾。

4 結(jié)論

圖2 系統(tǒng)軟件功能流程

經(jīng)濟社會的快速發(fā)展使得人們對家居環(huán)境和生活質(zhì)量提出了更高要求。利用STC89S52 單片機設(shè)計的家庭智能微型灌溉系統(tǒng)，旨在解決家庭種植作物的灌溉問題。系統(tǒng)總體采用模塊化設(shè)計思想對系統(tǒng)硬件電路進行設(shè)計，可根據(jù)不同植物的生長需要設(shè)定溫濕度、灌溉量等相關(guān)參數(shù)。功能擴展之后也可廣泛用于溫室大棚灌溉、農(nóng)田灌溉、公園綠化植物灌溉等多種場景，滿足不同植物的灌溉需求。本設(shè)計在實現(xiàn)智能灌溉的同時也可提高灌溉效率、節(jié)約用水、節(jié)省人力物力資源，具有一定的實用價值和良好的市場前景。