基于單片機的智能澆水花架設(shè)計與實踐

錢磊 葉金輝

摘? ?要：為了方便居家花卉養(yǎng)殖，文章設(shè)計了一款智能澆水花架，能根據(jù)土壤的干濕程度和植物的需水程度智能澆水。在土壤內(nèi)放置的濕度傳感器感會將采集到的土壤濕度值送入MSP430單片機，當土壤濕度低于理想濕度，水閥打開，實現(xiàn)智能灌澆。水箱里放置水位傳感器，當水位低于設(shè)定值時，聲光報警裝置啟動。

關(guān)鍵詞：智能;自動澆灌;傳感器

隨著社會的進步，人們的生活質(zhì)量越來越高。在家里養(yǎng)盆栽可以陶冶情操、豐富生活，同時，花木可以通過光合作用吸收二氧化碳、凈化室內(nèi)空氣、吸收空氣中的有害氣體，因此，養(yǎng)盆栽如今被許多人所喜愛。

盆栽澆水量是否能做到適時適量，是養(yǎng)花成敗的關(guān)鍵，花草生長問題80%以上是由花卉澆灌不合理引起的。但是在生活中人們總是會有無暇顧及的時候，比如工作太忙，或者出差、旅游等，精心種植了幾個月的花草，很可能會因為澆水不及時、長勢不好，導(dǎo)致用來美化環(huán)境的花草幾乎成了“雞肋”。因此，本文設(shè)計了一種集盆栽土壤濕度檢測和自動澆水為一體的盆栽自動澆花系統(tǒng)，讓人們在無暇顧及時花草也能得到及時澆灌。

1? ? 智能澆水花架的原理

本設(shè)計的智能澆水花架原理是：通過對土壤干濕程度和根部的需水程度進行智能感應(yīng)，自動按需澆水。在土壤內(nèi)放入干濕傳感器采集土壤的濕度，將采集到的數(shù)據(jù)與設(shè)置的理想濕度進行對比，若低于理想濕度，則控制水閥開啟，開啟時間長度為設(shè)定的時間值。將水箱放置在花架頂端，與花架上的花盆有一個高度差，所以只要水閥開啟，水箱中的水就能沿著水管流入到花盆中，實現(xiàn)了自動灌澆。在水箱中也會放一個水位傳感器，在水箱水位過低時，發(fā)出報警信號，如圖1所示。

2? ? 智能澆水花架的硬件模塊設(shè)計

2.1? 濕度傳感器模塊

土壤濕度的檢測選用DHT11濕度傳感器，在被單片機驅(qū)動時，進行以下的步驟：首先，單片機向濕度傳感器發(fā)出開始信號，要先設(shè)置成低電平并維持18 ms以上，以便濕度傳感器能夠感應(yīng)到，如果DHT11能夠檢測到開始信號，就會回應(yīng)一個80 ms的低電平信號作為響應(yīng)信號，此時濕度傳感器開始傳送數(shù)據(jù)[1]。當濕度傳感器檢測到濕度低于設(shè)置的理想濕度，閥門就會自動打開，對該盆栽進行澆灌。

2.2? 顯示模塊設(shè)計

本次設(shè)計選用的是LCD1602顯示器，在3.3 V或5 V工作電壓下，對比度可調(diào);內(nèi)含復(fù)位電路;提供各種控制命令，如清屏、字符閃爍、光標閃爍、顯示移位等多種功能;有80字節(jié)顯示數(shù)據(jù)存儲器DDRAM;內(nèi)建有192個5×7點陣的字型的字符發(fā)生器CGROM;8個可由用戶自定義的5×7的字符發(fā)生器CGRAM[2]。顯示器上會以百分數(shù)的形式顯示濕度傳感器檢測到的濕度，以便進行人工監(jiān)控[3]。

2.3? 主控制模塊設(shè)計

本設(shè)計的主控模塊采用MSP430F149，MSP430類型的芯片是美國TI公司在1996年開發(fā)的具備精簡指令集的16位總線、帶Flash的處理器[4]，由于其具有超低功耗的優(yōu)點，多被使用于小型的、便于攜帶的儀器儀表中，使用電池便能夠供電[5]。

復(fù)位電路采用RC復(fù)位電路，實際就是一個一介的充電、放電電路。當閉合開關(guān)時，電源為電容器C1充電，為電路提供一個有效的上升沿復(fù)位信號，直到電容被充滿;當開關(guān)打開時，電容又重新放電，為電路提供一個下降沿信號，撤銷復(fù)位信號。在現(xiàn)實使用過程中，其電容器通常使用10 uF以上，而電阻經(jīng)常為10 kΩ大小。在系統(tǒng)調(diào)試中表明，倘若電阻取值太小，會造成高電平信號驅(qū)動能力變?nèi)?，不能夠形成非常有效果的?fù)位信號。

2.4? 水箱水位聲光報警模塊

為了確保水箱中水量的充足，本文設(shè)計了智能水位報警系統(tǒng)，該水位報警系統(tǒng)由MSP430單片機、水位傳感器、揚聲器和發(fā)光二極管組成。在水箱中放置水位傳感器，當水箱中水位過低時，水位傳感器會發(fā)送一個信號給單片機，單片機會立刻給揚聲器，發(fā)光二極管一個高電平，則揚聲器會響，同時發(fā)光二極管會亮起。

3? ? 仿真實驗

本次仿真用可調(diào)電阻RV1，RV2模擬濕度感應(yīng)器，二極管D1，D2模擬閥門。通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻RV1，RV2的電阻值來改變電壓，以此模擬濕度傳感器在不同濕度下的輸出電壓，如圖2所示。電壓信號輸入到單片機，經(jīng)過其內(nèi)部的A/D模塊處理變成數(shù)字信號，在顯示器顯示并做出判斷，當電壓低于設(shè)定的值時，即土壤濕度低于設(shè)定的最低濕度，二極管D1，D2發(fā)光，表示閥門打開，水從水箱流出，開始灌溉;當電壓達到設(shè)定的最大電壓時，二極管D1，D2不亮，意為閥門關(guān)閉，水流被阻隔停止灌溉。以可調(diào)電阻RV3模擬水位傳感器，當檢測到水箱水位過低時，二極管D3亮并且揚聲器LS1發(fā)出聲音。

4? ? 結(jié)語

本次設(shè)計的自動澆水花架是以電子類的自動澆花器的工作原理作為參考，運用濕度傳感器及單片機控制技術(shù)構(gòu)成一個土壤濕度采集與控制系統(tǒng)。濕度傳感器將采集到的濕度值送入MSP430單片機，再由單片機的I/O口輸出到LCD1602液晶顯示屏進行顯示。單片機再對濕度傳感器采集到的濕度值進行判斷處理，實現(xiàn)自動澆水。水位報警系統(tǒng)，是由水位傳感器進行采集水箱中水位的高度值，將采集到的數(shù)據(jù)送入單片機，再由單片機對水位傳感器采集到的高度值進行判斷處理，實現(xiàn)自動報警。

[參考文獻]

[1]梅榮.基于單片機的溫濕度檢測與控制系統(tǒng)研究[J].農(nóng)化機研究，2012（1）：132-134.

[2]郭曉科.“智能化”電子產(chǎn)品中單片機技術(shù)的應(yīng)用[J].通信電源術(shù)，2018（1）：177-178.

[3]蔣建方.智能化電子產(chǎn)品中單片機技術(shù)的應(yīng)用[J].現(xiàn)代信息科技，2018（8）：45-46，49.

[4]胡大可.MSP430系列超低功耗16位單片機原理與應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2000.

[5]沈建華.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與實踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.