51單片機(jī)的自動(dòng)澆花系統(tǒng)

上海工程技術(shù)大學(xué) 馬宇喆 李恒鋒 李 斐

隨著經(jīng)濟(jì)與社會(huì)的發(fā)展，人們的生活水平也越來(lái)越高。大多數(shù)人開始在家培養(yǎng)盆花來(lái)達(dá)到凈化空氣、豐富生活、增添景色、陶冶情操等目的。然而培養(yǎng)盆花需要一定的專業(yè)知識(shí)儲(chǔ)備和足夠充分的時(shí)間進(jìn)行培養(yǎng)維護(hù)。因此市場(chǎng)上對(duì)花草的智能監(jiān)控，智能培養(yǎng)的需求也越來(lái)越大。為滿足人們對(duì)各種盆花的養(yǎng)殖需求，市場(chǎng)上出現(xiàn)了各種自動(dòng)澆花系統(tǒng)（如圖1）。如今市場(chǎng)上的自動(dòng)澆花系統(tǒng)大多能做到的只是定時(shí)澆灌，好一點(diǎn)的也只是以土壤濕度作為唯一標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆灌的功能的。本文在原有的基于土壤濕度監(jiān)控的情況下新增光照強(qiáng)度和溫度兩個(gè)監(jiān)控指標(biāo)。由于考慮到更多的外界因素，該澆花系統(tǒng)將為所養(yǎng)植物提供更準(zhǔn)確的生存環(huán)境，在一定程度上擴(kuò)展了產(chǎn)品的適用范圍。

圖1 市面上常見的自動(dòng)澆灌裝置（圖片來(lái)源：淘寶）

1 自動(dòng)澆花系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理

本文所涉及的自動(dòng)澆花系統(tǒng)基于AT89C51單片機(jī)。該單片機(jī)的使用功耗低，芯片采用高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，集成了8KBytes ISP Flash存儲(chǔ)單元，可反復(fù)擦寫1000次，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS－51指令系統(tǒng)。要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆花系統(tǒng)，就要著重做好兩部分的工作，其一，深入了解AT89C51單片機(jī)的各個(gè)引腳的功能，明確程序控制指令的控制方式。其二，確定智能化自動(dòng)澆花系統(tǒng)的控制程序以及各構(gòu)件的作用順序。在本設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)“自動(dòng)澆花”功能除了基于51單片機(jī)設(shè)置相應(yīng)的控制程序之外，還需將“澆花裝置”與單片機(jī)控制系統(tǒng)相連接（即相應(yīng)的硬件連接）。該裝置的構(gòu)成及運(yùn)行方式如下：

是否執(zhí)行澆花操作除需土壤干旱程度之外，還取決于作物外界的光照強(qiáng)度和溫度。需要借助溫度以及光照傳感器。在自然情況下，人類澆花遵循的原則為：①規(guī)律性，根據(jù)所養(yǎng)花的對(duì)水分的需求度，定時(shí)定量地澆水。②補(bǔ)償性，如果“定時(shí)定量”這一原則無(wú)法執(zhí)行，則每間隔一段時(shí)間后，人們會(huì)觀察花的生長(zhǎng)情況、土壤的干旱情況以及外界環(huán)境因素，進(jìn)行“補(bǔ)償性”澆水，即干旱程度越大，澆水越多。自動(dòng)澆花系統(tǒng)不同于上述兩種人類澆灌模式，而是更具“智能化”，將植物生長(zhǎng)環(huán)境的光照強(qiáng)度和溫度也測(cè)試在內(nèi)，即當(dāng)光照強(qiáng)度和溫度超常時(shí)，也會(huì)啟動(dòng)專用控制的子系統(tǒng)。它采用“隨時(shí)監(jiān)控，按需澆灌”的原則。具體而言，系統(tǒng)中各個(gè)傳感器維持不間斷運(yùn)行模式，能夠持續(xù)將代表土壤干旱程度以及外界溫度濕度的數(shù)值傳遞至51單片機(jī)的控制中樞?？刂葡到y(tǒng)讀取該數(shù)值后，與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫(kù)中預(yù)設(shè)的溫濕度“臨界值”進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而決定是否開始澆水。如要區(qū)分自動(dòng)澆水系統(tǒng)的智能度，可在此處額外設(shè)置“比對(duì)控制程序”。首先，簡(jiǎn)單化的自動(dòng)澆水模式。傳感器數(shù)值與控制程序預(yù)設(shè)臨界值進(jìn)行對(duì)比，達(dá)到或超過(guò)臨界值，立刻澆水；未達(dá)到臨界值，不澆水。其次，分級(jí)智能自動(dòng)澆水模式。傳感器數(shù)值尚未達(dá)到或超過(guò)臨界值，但與之的差距較小（“小”的范圍可自行決定），說(shuō)明土壤中的水分已經(jīng)相對(duì)不足，可少量澆水（同樣，對(duì)“少”的定義由設(shè)計(jì)人員根據(jù)需求自行決定），如果超出臨界值，則按標(biāo)準(zhǔn)值澆水。

2 自動(dòng)澆花系統(tǒng)軟件實(shí)施過(guò)程

2.1 土壤及外界光照強(qiáng)度和溫度的檢測(cè)及自動(dòng)澆水功能實(shí)現(xiàn)

上文介紹了基于AT89C51單片機(jī)的自動(dòng)澆花系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理，接下來(lái)主要闡述具體實(shí)現(xiàn)的過(guò)程。

（1）光照檢測(cè)電路為準(zhǔn)確采集不同時(shí)段的光照強(qiáng)度信號(hào)，將光敏電阻組成光照信號(hào)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，正對(duì)陽(yáng)光的光敏電阻將采集到最大信號(hào)。光強(qiáng)信號(hào)經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換進(jìn)入單片機(jī)，AD轉(zhuǎn)換采用ADC0809，同時(shí)設(shè)定為8位。當(dāng)太陽(yáng)的光照強(qiáng)度在正常范圍時(shí)，土壤水分蒸發(fā)正常，澆灌器按正常程序澆灌；當(dāng)光照強(qiáng)度高于或低于正常范圍時(shí)，澆灌器按特別的程序控制澆水量的增加或減少。光照強(qiáng)度的正常范圍隨季節(jié)變化，控制參數(shù)一般根據(jù)實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)確定。

（2）濕度傳感器使用YL-69傳感器，該傳感器數(shù)字量輸出簡(jiǎn)單，模擬量輸出精確，可以將濕度傳感器檢測(cè)到的數(shù)據(jù)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后輸出給單片機(jī)。

（3）將濕度傳感器與單片機(jī)相連時(shí)，為了保證傳輸結(jié)果的準(zhǔn)確性，還需額外設(shè)置一個(gè)LM393比較器。實(shí)現(xiàn)的過(guò)程為：通過(guò)R1設(shè)置一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值，如果土壤濕度大（AC電壓值減?。?，則輸出低電平；反之則輸出高電平?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)輸出信號(hào)，可粗略估計(jì)土壤當(dāng)前的濕度處于何種范圍。相關(guān)數(shù)據(jù)信息首先通過(guò)模擬電子信號(hào)的形式傳遞至控制電路中，經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)之后，可直接讀取。

（4）上文所述的“是否澆水”原理基于51單片機(jī)的實(shí)現(xiàn)流程為。單片機(jī)的輸入/輸出（I/O）口會(huì)與ADC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器相連，當(dāng)帶有土壤濕度具體值的信號(hào)通過(guò)I/O口進(jìn)入單片機(jī)后，具體數(shù)值會(huì)實(shí)時(shí)顯示在與單片機(jī)相連的LCD顯示屏中。此時(shí)，系統(tǒng)會(huì)判定該數(shù)值與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)庫(kù)中預(yù)設(shè)“臨界值”之間的大小，符合澆水條件時(shí)，系統(tǒng)會(huì)發(fā)出澆水指令，澆水裝置會(huì)進(jìn)入澆水狀態(tài)。由于土壤濕度傳感器處于不間斷的工作狀態(tài)，土壤濕度數(shù)值也會(huì)不停地傳遞至控制系統(tǒng)。當(dāng)濕度具體值與臨界值之間的比對(duì)結(jié)果符合另一項(xiàng)預(yù)設(shè)指令時(shí)，表明土壤中的水分已經(jīng)足夠，無(wú)需繼續(xù)澆水。此時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)發(fā)出“停止”指令，控制水泵停止運(yùn)行。

2.2 模塊功能及主程序流程圖

（1）模塊運(yùn)行流程

以上所述功能的實(shí)現(xiàn)必須建立在多個(gè)模塊協(xié)同配合的基礎(chǔ)上，具體如下：①控制程序的主函數(shù)成功設(shè)定之后，啟動(dòng)系統(tǒng)，執(zhí)行函數(shù)初始化操作；②通過(guò)按鍵或不間斷控制的方式，向濕度數(shù)據(jù)采集模塊下達(dá)指令，可人工按鍵控制或完全自動(dòng)控制；③數(shù)據(jù)處理程序模塊，負(fù)責(zé)將土壤濕度傳感器、溫度傳感器及光照傳感器傳遞而來(lái)的信號(hào)進(jìn)行處理，完成模擬信號(hào)向數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)化后，通過(guò)I/O口送入單片機(jī)；④電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序模塊（水泵控制）接到控制系統(tǒng)發(fā)布的“澆水/停水”指令后，啟動(dòng)或關(guān)閉開關(guān)，完成相應(yīng)的操作。

（2）主程序運(yùn)行流程

單片機(jī)成功連接所有裝置后：①上電復(fù)位，行初始化作業(yè)；②向土壤濕度傳感器下達(dá)指令，采集相應(yīng)的數(shù)值；③根據(jù)需要，通過(guò)按鍵的方式進(jìn)行控制；④根據(jù)反饋的光照強(qiáng)度、土壤濕度以及外界溫度的具體值，判斷是否需要澆水。若滿足，則發(fā)布澆水指令，程序執(zhí)行至終點(diǎn)，間隔一段時(shí)間后循環(huán)啟動(dòng)。若不滿足，則程序返回至“采集土壤濕度以及外界光照強(qiáng)度和溫度”環(huán)節(jié)，執(zhí)行相應(yīng)的流程。整個(gè)系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖2 澆花系統(tǒng)流程圖

結(jié)語(yǔ)：本文所述自動(dòng)澆花系統(tǒng)考慮到土壤濕度、光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度這些影響植物水分需求的外界因素，從而通過(guò)單片機(jī)控制電機(jī)、水泵完成對(duì)植物的智能澆灌，相對(duì)于市場(chǎng)上已有的自動(dòng)澆花系統(tǒng)。由于實(shí)際生活中人們所養(yǎng)殖的花卉種類繁多，單通過(guò)機(jī)器無(wú)法對(duì)植物的照顧做到像人工養(yǎng)殖那樣至微至善，但由于機(jī)器對(duì)環(huán)境變化的察覺比人類更加敏銳，所以可以通過(guò)不斷地增加監(jiān)管因素以提高自動(dòng)澆花系統(tǒng)的養(yǎng)殖水平。