一種智能家庭盆栽植物澆灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

鄒林陽 羅玉蘭

湖南工學(xué)院 湖南衡陽 421200

由于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，智能家居的推廣已經(jīng)勢(shì)不可當(dāng)。伴隨著人們生活水平的不斷提高，在家中陽臺(tái)種植觀賞型植物已經(jīng)成為追求高雅的生活方式，既可以陶冶情操、豐富生活，又可以美化環(huán)境、凈化空氣。為植物澆灌是一件長(zhǎng)期而煩瑣的工作，對(duì)于有些名貴的植物，按需澆灌非常重要，否則會(huì)影響植物的正常生長(zhǎng)甚至引起植物的死亡。傳統(tǒng)的澆灌方式是人為地根據(jù)經(jīng)驗(yàn)手動(dòng)澆灌，不僅無法準(zhǔn)確控制澆灌時(shí)機(jī)，也無法控制澆灌量。在快節(jié)奏的生活中，當(dāng)人們長(zhǎng)時(shí)間出差或者外出旅游的時(shí)候，植物的澆灌就成了問題。因此，一種可以自動(dòng)控制的智能澆灌系統(tǒng)對(duì)于喜愛植物的人們來說就顯得十分重要。

本設(shè)計(jì)主要針對(duì)經(jīng)常出差或外出旅游的人們?cè)O(shè)計(jì)的一套以單片機(jī)為控制核心,能夠根據(jù)土壤溫濕度變化實(shí)現(xiàn)對(duì)植物進(jìn)行自動(dòng)微噴澆灌的系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)、溫度傳感器、濕度傳感器、繼電器、水泵、風(fēng)扇、微噴頭、蜂鳴器、電源、按鍵、液晶顯示屏等主要部分組成。傳感器采集土壤溫濕度信號(hào)數(shù)據(jù),通過軟件與事先設(shè)定的參數(shù)比較,并根據(jù)結(jié)果選擇水泵、風(fēng)扇是否啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)智能化澆灌。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用性高、價(jià)格低廉、使用方便等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)兼具節(jié)約用水的功能，可廣泛應(yīng)用在家庭花草栽培的澆灌過程中。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

智能澆灌系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如下圖1所示。系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為主控核心，將通過DS18B20溫度傳感器和YL-69濕度傳感器采集土壤溫濕度數(shù)據(jù)模擬量信號(hào)值通過A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)值，與系統(tǒng)提前設(shè)定的溫濕度值進(jìn)行比較，如超出闕值則由主控單元發(fā)出控制指令控制三極管放大電路驅(qū)動(dòng)電磁閥完成澆水動(dòng)作，同時(shí)啟動(dòng)風(fēng)扇輔助系統(tǒng)降溫，從而實(shí)現(xiàn)智能化澆灌；同時(shí)蜂鳴器報(bào)警模塊啟動(dòng)報(bào)警程序和液晶顯示屏LCD上實(shí)時(shí)顯示出當(dāng)前溫濕度值。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括硬件的選型及硬件電路的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)硬件主要包括主控單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、溫濕度傳感器檢測(cè)模塊、繼電器執(zhí)行模塊、按鍵輸入模塊、報(bào)警模塊、顯示模塊、電源模塊等。檢測(cè)模塊選擇濕度傳感器YL-69、溫度傳感器DS18B20來實(shí)現(xiàn)土壤溫濕度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，主控模塊選擇單片機(jī)最小系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)控制，顯示模塊選用LCD1602顯示屏，執(zhí)行器采用電磁繼電器來控制水泵和風(fēng)扇的開關(guān)，電源模塊采用5V開關(guān)電源供電，按鍵部分設(shè)置四個(gè)獨(dú)立按鍵來控制溫濕度閾值的增減。

2.1 主控單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊

本設(shè)計(jì)采用AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)作為主控模塊如下圖2所示。AT89C51單片機(jī)自帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器，是一種低電壓，高性能COMS8位微處理器。

圖2 AT89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)

2.2 檢測(cè)模塊與轉(zhuǎn)換模塊

土壤溫、濕度數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換電路如下圖3所示。采用YL-69濕度傳感器、DS18B20溫度傳感器、光敏電阻、ADC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器構(gòu)成系統(tǒng)土壤溫濕度、環(huán)境光照強(qiáng)度檢測(cè)模塊和轉(zhuǎn)換模塊。DS18B20溫度傳感器的VCC端外接3.3～5V電壓，GND外接地，DQ端口將輸出的溫度值數(shù)字量信號(hào)直接輸送到單片機(jī)P3.7口，其測(cè)溫分辨率高，測(cè)溫范圍為-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范圍內(nèi)，精度為0.5℃。YL-69濕度傳感器的測(cè)量精度為5%，從其引腳AO獲取直流電壓模擬量信號(hào)，經(jīng)過ADC0832轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號(hào)后再送入單片機(jī)，DO引腳可用于接收數(shù)據(jù)輸入。在傳感器和光敏電阻上各串聯(lián)一個(gè)R為10KΩ的電阻以減小測(cè)量誤差。

圖3 土壤溫、濕度數(shù)據(jù)采集與轉(zhuǎn)換電路

2.3 執(zhí)行器模塊

澆灌系統(tǒng)執(zhí)行器模塊體電路連接見系統(tǒng)硬件電路原理總圖7。通過單片機(jī)的P2.0口和P2.1口分別控制電磁繼電器，從而控制水泵/風(fēng)扇的啟停。當(dāng)濕度傳感器檢測(cè)值相比低于單片機(jī)內(nèi)部設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)P2.0口輸出為低電平，晶體管導(dǎo)通，繼電器上電時(shí)，電磁閥通電，水泵啟動(dòng)；當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)值低于單片機(jī)內(nèi)部設(shè)定值，單片機(jī)P2.1口輸出為高電平，晶體管導(dǎo)通，繼電器上電時(shí)，電磁閥通電，風(fēng)扇啟動(dòng)。同時(shí)繼電器在電路中還起調(diào)節(jié)、保護(hù)等作用，系統(tǒng)選用5V電源作為供電模塊。

2.4 按鍵輸入電路模塊和報(bào)警電路模塊

按鍵電路模塊如下圖5所示。四個(gè)獨(dú)立按鍵分別用于指定溫濕度閾值，S1位復(fù)位鍵、S2位設(shè)置溫濕度值的按鍵、S3溫濕度值調(diào)整加鍵、S4溫濕度值調(diào)整減鍵。蜂鳴器報(bào)警系統(tǒng)模塊電路圖如下圖6所示。報(bào)警電路的蜂鳴器采用單片機(jī)的P1.3和P1.5口來控制，當(dāng)檢測(cè)濕度值低于15%，P1.5口變?yōu)榈碗娖?，使三極管8050導(dǎo)通，蜂鳴器工作。當(dāng)檢測(cè)值恢復(fù)正常時(shí)，P1.5口恢復(fù)高電平，三極管8050斷開，蜂鳴器停止工作。同理，P1.3口輸出高低電平控制溫度超限報(bào)警。

2.5 顯示模塊

本設(shè)計(jì)選用可同時(shí)顯示32種字符的LCD1602作為顯示模塊，LCD1602共有16個(gè)引腳，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將D0～D7引腳對(duì)應(yīng)地連接到單片機(jī)的P0～P7引腳，同時(shí)給單片機(jī)P0口加一個(gè)限流上拉排阻，液晶顯示器與單片機(jī)的連接如下圖6所示。

圖6 LCD1602顯示器與單片機(jī)連接電路

整個(gè)智能澆灌控制系統(tǒng)硬件電路原理如下圖7所示。

圖7 硬件系統(tǒng)電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)包括土壤溫濕度檢測(cè)程序、溫濕度數(shù)據(jù)處理程序、設(shè)置溫濕度上下限的程序、顯示溫濕度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)程序、水泵澆灌控制程序、風(fēng)扇降溫控制程序、蜂鳴器報(bào)警程序等。系統(tǒng)啟動(dòng)后先進(jìn)行初始化，然后通過按鍵設(shè)置溫濕度的上、下限值。濕度傳感器采集土壤實(shí)時(shí)濕度數(shù)據(jù)，與系統(tǒng)提前設(shè)定的濕度闕值進(jìn)行比較，低于下限值則由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)水泵實(shí)施澆灌，同時(shí)啟動(dòng)蜂鳴器報(bào)警程序，高于上限值則停止?jié)补?。溫度傳感器采集土壤?shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，高于溫度上限值則啟動(dòng)風(fēng)扇，低于溫度下限值風(fēng)扇停止。同時(shí)，采集的溫濕度值通過ADC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字量同步顯示在LCD屏上。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主程序流程圖如下圖8所示。

圖8 主程序流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試及實(shí)現(xiàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)的電路原理圖及軟件程序完成實(shí)物的制作并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。調(diào)試結(jié)果:環(huán)境光照強(qiáng)度為60，當(dāng)土壤濕度、溫度傳感器置于空氣中，檢測(cè)濕度值為14%，低于設(shè)定下限15%，蜂鳴器鳴響，指示燈亮，水泵開始抽水工作啟動(dòng)澆水功能，同時(shí)環(huán)境溫度31℃高于設(shè)定值26℃，風(fēng)扇啟動(dòng)，如下圖9所示。當(dāng)將當(dāng)土壤濕度傳感器插入水中，濕度上升至99%，超出濕度上限值85%，水泵停止工作，指示燈滅。同時(shí)溫度傳感器檢測(cè)到環(huán)境溫度為25℃，低于溫度設(shè)定下限值26℃，風(fēng)扇停止工作，如圖10所示。測(cè)試結(jié)果表明，本設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆灌功能要求。

圖9 濕度小于設(shè)定值，溫度高于設(shè)定值，智能澆灌系統(tǒng)工作

圖10 濕度大于設(shè)定值，溫度低于設(shè)定值，智能澆灌系統(tǒng)停止工作

結(jié)語

本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了土壤溫濕度數(shù)據(jù)采集、控制、實(shí)時(shí)顯示、報(bào)警指示等功能，將單片機(jī)技術(shù)與現(xiàn)代傳感器技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用于家庭盆栽植物自動(dòng)澆灌系統(tǒng)。利用單片機(jī)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，方便用戶進(jìn)行系統(tǒng)功能拓展和更新。所開發(fā)的系統(tǒng)具有成本低廉、實(shí)用性強(qiáng)、易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，具有較廣的推廣應(yīng)用價(jià)值。若能將該設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步拓展，將使得設(shè)計(jì)更智能化。