一種基于YL-69溫濕度傳感器的自動(dòng)澆花系統(tǒng)設(shè)計(jì)

杜浩博　馬騰飛　卜文嘉　王凱　呂楊

摘 要：設(shè)計(jì)一種基于YL-69溫濕度傳感器的自動(dòng)澆花系統(tǒng)，選用8位STC89C52芯片作為主控制芯片。系統(tǒng)主要由溫濕度傳感器YL69模塊、液晶顯示器LCD1602模塊、單片機(jī)STC89C52控制模塊、執(zhí)行模塊、時(shí)鐘及復(fù)位模塊、報(bào)警模塊以及水泵控制電路組成。溫濕度傳感器檢測(cè)土壤的濕度，結(jié)合預(yù)先設(shè)置好濕度的上限值和下限值判斷土壤是否需要澆水。此系統(tǒng)可以改變預(yù)先設(shè)定好的濕度值，能夠適應(yīng)四季的變化，使花卉更好的生長(zhǎng)。整個(gè)澆花過程無需人為的操作，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制，解放了澆花的人。系統(tǒng)具有擴(kuò)展性好，操作簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：YL69;STC89C52;LCD1602;自動(dòng)澆花; 濕度; 自動(dòng)控制

中圖分類號(hào)：TN219文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2095-1302（2020）03-0-03

0 引 言

伴隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的物質(zhì)生活水平也在快速提高，越來越多的人開始在家里或者辦公室養(yǎng)一些花卉盆景。養(yǎng)花不僅可以使人心情得到舒展，還可以凈化空氣，有益健康[1]。但是由于現(xiàn)在的快節(jié)奏生活，很多人都是有心養(yǎng)花，無心澆花，導(dǎo)致買回來的盆景沒過多久就由于缺水干枯而死。目前，國(guó)內(nèi)外澆花系統(tǒng)種類繁多，有關(guān)家庭自動(dòng)澆花系統(tǒng)的專利也很多。其中有的是根據(jù)光照變化來澆水的，有的是根據(jù)四季不同時(shí)間來澆花的，還有的是根據(jù)土壤濕度來決定澆花的[2]。國(guó)外的設(shè)計(jì)突出的特點(diǎn)是設(shè)計(jì)思維靈活、巧妙。例如：有人設(shè)計(jì)了一個(gè)系統(tǒng)可以在家里四處跑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)給家里的所有花卉進(jìn)行澆水;有的是比較人性化，設(shè)計(jì)者給系統(tǒng)增加了語音功能，這樣就能實(shí)現(xiàn)花朵與主人的對(duì)話，可以用于在家里孤單的老人的家庭，讓他們可以感受到花朵給他們帶來的一絲陪伴;還有的是具有托運(yùn)功能的澆花系統(tǒng)，這種澆花系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)澆水，還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋找陽光的功能，將花盆托運(yùn)到陽光充足的地方，使花卉更適宜的生長(zhǎng)[3]。我國(guó)的自動(dòng)澆花系統(tǒng)在南方城市發(fā)展得較早，大多數(shù)都是噴灑式系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)思路清晰，雖然功能較簡(jiǎn)單，但是實(shí)用性強(qiáng)，且價(jià)格低廉，所以也得到了市場(chǎng)的認(rèn)可[4-6]。

為此，本文借助溫濕度傳感器YL69和單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種可以根據(jù)土壤濕度及適應(yīng)四季變化的自動(dòng)澆花系統(tǒng)。它可以用于家庭和小型辦公場(chǎng)所，可以為一些愛好花卉而沒有時(shí)間照看的人群帶來便利。這款自動(dòng)澆花系統(tǒng)省時(shí)省心，不用人們特意留心給花澆水。其次，在人們不能待在家里或者辦公室沒法給花澆水時(shí)，這款澆花系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆水，從而避免了花沒人澆的尷尬情況。如果在家或者辦公室時(shí)也可以斷開澆花器，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)澆花，享受澆花的樂趣。同時(shí)，在LCD上也會(huì)實(shí)時(shí)顯示土壤的濕度。在檢測(cè)到濕度過低時(shí)，控制進(jìn)水的開關(guān)打開，實(shí)現(xiàn)澆花;在檢測(cè)到濕度足夠時(shí)，控制進(jìn)水的開關(guān)關(guān)閉，停止?jié)菜?。此外，還增加了報(bào)警功能，給用戶提醒花卉生長(zhǎng)情況。因此，這款自動(dòng)澆花系統(tǒng)實(shí)用性強(qiáng)，對(duì)于處于快節(jié)奏生活的人們養(yǎng)花很有幫助。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本思路是首先濕度檢測(cè)模塊檢測(cè)土壤濕度，然后傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)控制模塊，由單片機(jī)控制模塊控制顯示模塊顯示當(dāng)前濕度值，同時(shí)單片機(jī)判斷土壤濕度是否符合要求，如果不符合，則驅(qū)動(dòng)模塊報(bào)警，并且澆水。同時(shí)按鍵模塊可以設(shè)置濕度的上限和下限，以更好促進(jìn)花卉生長(zhǎng)。設(shè)計(jì)分為硬件部分和軟件部分兩個(gè)部分。其中硬件部分采用單片機(jī)作為主控制芯片，再結(jié)合傳感器模塊電路、顯示電路、報(bào)警電路、時(shí)鐘電路和按鍵電路，系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)如下功能：

（1）系統(tǒng)經(jīng)過濕度模塊電路對(duì)土壤進(jìn)行濕度是否達(dá)標(biāo)的檢測(cè);

（2）系統(tǒng)通過單片機(jī)對(duì)得到的濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析;

（3）若濕度小于理想的濕度則澆水，若大于理想的濕度則停止?jié)菜?/p>

系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案框圖如圖1所示。這里使用單片機(jī)來控制濕度傳感器對(duì)土壤的濕度進(jìn)行檢測(cè)，然后將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過單片機(jī)進(jìn)行處理用LCD顯示。鍵盤部分電路可以設(shè)置濕度的上限和下限，當(dāng)?shù)陀陬A(yù)設(shè)濕度時(shí)蜂鳴器報(bào)警，并且水泵開始工作，直至濕度大于濕度上限[7]。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

自動(dòng)澆花系統(tǒng)硬件電路由濕度傳感器以及振蕩、復(fù)位等外圍電路還有報(bào)警電路、液晶顯示電路構(gòu)成。硬件設(shè)計(jì)原理如圖2所示。左上角為報(bào)警電路，主要由蜂鳴器和晶體管組成，通過控制P15端口來控制蜂鳴器工作與否。

2.1 選擇傳感器

本設(shè)計(jì)所使用型號(hào)為YL-69的溫濕度傳感器。YL-69是一個(gè)簡(jiǎn)單的土壤濕度傳感器，其原理為濕敏電容，當(dāng)環(huán)境的濕度發(fā)生改變時(shí)，會(huì)使得濕敏電容存在的環(huán)境中的介質(zhì)發(fā)生改變，導(dǎo)致濕敏電容中的電容數(shù)值產(chǎn)生變化，電容的數(shù)值正比于濕度值[8]。由于濕敏電容的靈敏度高、響應(yīng)速度快、滯后量小，此外微小的體積、極低的功耗，使得濕敏電容很容易小型化和集成化。YL-69采用CMOS工藝，可以確保其低功耗，同時(shí)還具有很高的可靠性和穩(wěn)定性。傳感器內(nèi)部含有一個(gè)電容性聚合體濕度敏感元件和一個(gè)用能隙材料做成的溫度傳感器，在同一芯片上，與A/D轉(zhuǎn)換器及串行接口電路實(shí)現(xiàn)連接。每個(gè)傳感器芯片都在非常精確的溫濕度腔室中進(jìn)行標(biāo)定，以鏡面冷凝式濕度計(jì)為參照。校準(zhǔn)系數(shù)以程序形式存儲(chǔ)在OTP內(nèi)存中，在校正的過程中使用。其在系統(tǒng)中電路原理圖如圖2中JP2為YL-69探頭。

2.2 報(bào)警電路

在控制系統(tǒng)中，都會(huì)給其加一些報(bào)警電路，在一些參數(shù)或者是硬件出錯(cuò)時(shí)，就會(huì)發(fā)生報(bào)警，這樣就可以提醒操作人員，從而防止了一些不可控狀況的發(fā)生。其基本思想就是通過計(jì)算機(jī)把采集的數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)定好的上限和下限進(jìn)行比較，來判斷是否正常[9]。在缺水需報(bào)警時(shí)，系統(tǒng)采用蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，主要由一個(gè)蜂鳴器，一個(gè)PNP型晶體管，兩個(gè)電阻組成，當(dāng)P15輸出低電平時(shí)，則蜂鳴器報(bào)警。

2.3 顯示電路

液晶顯示器LCD1602具有低電耗、低成本、顯示靈活、輕巧等特點(diǎn)，市場(chǎng)上使用相當(dāng)廣泛，因此本文采用LCD1602進(jìn)行顯示。LCD1602液晶顯示器每行可以顯示16個(gè)字符，可以顯示2行，有8位數(shù)據(jù)總線和3個(gè)控制端口，工作電壓為5 V，并可以調(diào)節(jié)對(duì)比度和背光。

3 軟件設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)采用的控制芯片是STC89C52。預(yù)先寫入控制程序就可以實(shí)現(xiàn)智能控制效果?；具^程如下：在整個(gè)系統(tǒng)接電后，芯片進(jìn)入工作狀態(tài)，首先會(huì)對(duì)各端口進(jìn)行初始化;此時(shí)開始檢測(cè)是否有按鍵按下，如果有，則實(shí)行進(jìn)行對(duì)應(yīng)按鍵功能，主要是對(duì)濕度上下限的設(shè)置;當(dāng)沒有按鍵按下時(shí)，系統(tǒng)將采集傳感器的數(shù)據(jù)然后顯示在LCD上，并且控制水泵和蜂鳴器進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作[10]。主流程如圖3所示。

即首先進(jìn)行初始化，然后燒寫程序到單片機(jī)里面，然后采集傳感器的數(shù)據(jù)通過單片機(jī)的控制在LCD上顯示出來。這時(shí)就需要比較當(dāng)前濕度與預(yù)先設(shè)置好的濕度值進(jìn)行比較，若低于設(shè)置的濕度下限，則開啟水泵并且報(bào)警，直到檢測(cè)到濕度大于設(shè)置的濕度上限，然后停止?jié)菜?/p>

4 調(diào) 試

軟件設(shè)計(jì)完成之后，需要結(jié)合硬件電路圖對(duì)硬件電路和軟件程序進(jìn)行調(diào)試。在這個(gè)過程中，不僅要確保系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)功能，還要盡可能的提高系統(tǒng)工作效率，減小系統(tǒng)出錯(cuò)率，所以需要耗費(fèi)較多的時(shí)間。在這里，選用電路仿真軟件Proteus對(duì)系統(tǒng)電路進(jìn)行仿真。通過仿真軟件，可以模擬出整個(gè)硬件系統(tǒng)，可以提前發(fā)現(xiàn)硬件設(shè)計(jì)中的缺陷，以節(jié)省大量的時(shí)間和資源。系統(tǒng)軟件使用C語言編寫，然后用Keil軟件生成.HEX格式的文件，之后導(dǎo)入Proteus電路圖的單片機(jī)中，從而查看電路是否達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，進(jìn)行調(diào)試[11]。經(jīng)過軟件硬件測(cè)試，本系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)預(yù)想的功能，經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行，系統(tǒng)仍然正常運(yùn)行，說明本系統(tǒng)的穩(wěn)定性良好。其次，本系統(tǒng)可以在不同的土壤濕度下正常測(cè)試并正常動(dòng)作，表明系統(tǒng)的軟件硬件設(shè)計(jì)符合要求。

5 結(jié) 語

設(shè)計(jì)的基于自動(dòng)澆花系統(tǒng)，成本較低，操作方便，并且其設(shè)計(jì)思路，和設(shè)計(jì)方向還具有很好的拓展性，比如可以將按鍵控制的升級(jí)為紅外遙控控制，再進(jìn)一步，可以將此系統(tǒng)進(jìn)行連網(wǎng)，這樣，在主人長(zhǎng)期出差的情況下，可以根據(jù)四季的不同，主人就可以在遠(yuǎn)方上網(wǎng)對(duì)其進(jìn)行濕度上下限的設(shè)定，使花卉更舒適的成長(zhǎng)。這些方案可以在以后的工作學(xué)習(xí)中繼續(xù)完善。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]高珊.基于單片機(jī)的智能噴灑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2015.

[2]張娜，吳文福，杜吉山，等.智能花盆的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2016，36（1）：174-176.

[3]畢維峰.自動(dòng)澆花控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù)，2018，38

（1）：42-44.

[4]張曉光.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能澆花系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].無線互聯(lián)科技，2017（23）：23-25.

[5]云建華，張揚(yáng)，曹流，等.紅外遙控自動(dòng)澆花裝置的設(shè)計(jì)[J].科技資訊，2017，15（3）：4-5.

[6]李國(guó)珊.基于單片機(jī)控制的按需按時(shí)智能自動(dòng)澆水系統(tǒng)[J].智慧工廠，2018（6）：55-58.

[7]張富春，邵婷婷，楊延寧.一種基于DHT11的家用自動(dòng)澆花電路的設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)試，2014（16）：35-36.

[8]姜天華.基于單片機(jī)原里的可定時(shí)自動(dòng)澆花器[J].硅谷，2012（13）：31-33.

[9]馬靖凱.簡(jiǎn)易虹吸式自動(dòng)澆花裝置[J].山西科技，2015，30（6）：104-105.

[10]王林生，王臻卓.基于單片機(jī)的盆栽澆花機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].軟件工程，2016，19（5）：45-46.

[11]石斐.基于Keil的永磁減速步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2015.