智能控制澆花系統(tǒng)設(shè)計(jì)

衡 蜓

（晉中信息學(xué)院，山西 太谷 030800）

生活中，人工澆灌花木要耗費(fèi)大量時(shí)間，而且土壤濕度不好控制。有時(shí)由于長時(shí)間外出，家里的花木會(huì)因無人澆水而枯死。為了解決上述問題，結(jié)合自動(dòng)控制技術(shù)與傳感器技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)澆花系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測花盆里土壤的含水量，必要時(shí)進(jìn)行澆水灌溉。濕度傳感器用來采集土壤濕度，傳送到單片機(jī)進(jìn)行分析處理。單片機(jī)根據(jù)分析結(jié)果驅(qū)動(dòng)繼電器工作，同時(shí)液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示土壤濕度。當(dāng)檢測濕度值小于設(shè)定濕度值時(shí)，單片機(jī)控制繼電器線圈吸合，開啟水泵抽水澆花，土壤含水量增加，當(dāng)含水量達(dá)到預(yù)定數(shù)值時(shí)，繼電器線圈斷開，水泵停止工作。該系統(tǒng)的應(yīng)用可以有效節(jié)約水資源。

1 整體方案

本次設(shè)計(jì)采用的是AT89C51 單片機(jī)，利用單片機(jī)編程靈活的特性實(shí)現(xiàn)噴灌功能。電源、時(shí)鐘搭建單片機(jī)最小系統(tǒng)，按鍵用于設(shè)定噴灌的濕度值，共3 個(gè)按鍵，分別是加鍵、減鍵和設(shè)置鍵?？梢栽O(shè)置濕度報(bào)警范圍。外接LCD1602 顯示器用于顯示設(shè)置濕度及實(shí)時(shí)濕度。液晶第一行顯示實(shí)際濕度，液晶第二行顯示濕度上限值和濕度下限值。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The overall structure

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選擇的各種元器件都是目前市面上常見的，需要的元器件有單片機(jī)，型號為AT89C51；型號為YL-69 的土壤濕度傳感器；AD 轉(zhuǎn)換器，型號為ADC0832；LCD1602 液晶顯示器、按鍵、發(fā)光二極管、蜂鳴器、繼電器及水泵等。具體電路模塊有電源電路，作用是給整個(gè)系統(tǒng)供電，晶振和復(fù)位電路，屬于單片機(jī)的最小系統(tǒng)，由傳感器和AD 轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的前端檢測電路、按鍵和顯示電路，作用是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，報(bào)警電路、驅(qū)動(dòng)電路，用來控制水泵的開啟和關(guān)斷。

2.1 檢測電路

檢測電路由YL-69 土壤濕度傳感器和AD 轉(zhuǎn)換器ADC0832 組成，YL-69 是一個(gè)常用的檢測土壤濕度的濕度傳感器，其原理是采用對濕度敏感的電容器，當(dāng)土壤的濕度發(fā)生改變時(shí)，會(huì)使?jié)衩綦娙荽嬖诘沫h(huán)境中的介質(zhì)發(fā)生改變，導(dǎo)致濕敏電容中的電容值大小改變，電容的數(shù)值與土壤濕度值成正比關(guān)系。根據(jù)電容量的大小來判斷土壤的濕度值，由于濕敏電容有很高的靈敏度、響應(yīng)速度快、滯后量小，所以濕敏電容的特點(diǎn)是小型化和集成化。

AD 轉(zhuǎn)換器用的是ADC0832型轉(zhuǎn)換器。因?yàn)闈穸葌鞲衅鬏敵龅哪M信號，無法將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺仄髦?，所以要使用A/D 轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再將數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺刂破髦?。ADC0809 轉(zhuǎn)換器雖然可以對八路信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，但是其外圍電路較為復(fù)雜，價(jià)格也相對昂貴，而ADC0832占用量小、可以多個(gè)使用且價(jià)格實(shí)惠。

ADC0832 與單片機(jī)之間主要采用了串行通信，主要使用的是CS、CLK、DO、DI 4 個(gè)引腳，因?yàn)閭鞲衅鞯囊_DI 和DO可能只有一個(gè)引腳有效，所以DI 和DO 的引腳接在單片機(jī)的同一個(gè)引腳，到時(shí)候任何一個(gè)引腳有效都能達(dá)到效果，也節(jié)約了單片機(jī)的接口數(shù)量。

2.2 按鍵電路

按鍵是比較常用的人機(jī)交互操作，實(shí)際是一個(gè)非自鎖的輕觸開關(guān)，按下時(shí)觸點(diǎn)會(huì)閉合，松開時(shí)觸點(diǎn)斷開。單片機(jī)通過檢測按鍵的高低電平變化，來判斷按鍵是否按下，通過程序的控制，就可以實(shí)現(xiàn)不同功能的選擇與設(shè)置。單片機(jī)與3個(gè)獨(dú)立的按鍵K1、K2 和K4 以及3 個(gè)電阻形成了一個(gè)獨(dú)立的鍵盤系統(tǒng)，3 個(gè)按鍵依次連接單片機(jī)的P3.0 到P3.2 引腳。在手動(dòng)模式中，K1和K2分別作為減少和增加鍵，可以對設(shè)定的濕度值進(jìn)行修改，而K3為設(shè)置鍵。

2.3 液晶顯示電路

該設(shè)計(jì)選用的是LCD1602 液晶顯示器，顯示的內(nèi)容為單片機(jī)監(jiān)測到的數(shù)據(jù)和設(shè)定的閾值，將LCD1602的D0-D7引腳分別接入單片機(jī)的P0.0-P0.7 引腳，為了讓顯示器正常運(yùn)行，在每個(gè)引腳處接入一個(gè)上拉電阻；VDD 和VSS 分別接電源和地；VEE連接滑動(dòng)變阻器，控制液晶顯示器的背光亮度；RS和E分別連接單片機(jī)P2.6和P2.7引腳。

2.4 報(bào)警電路

報(bào)警電路由蜂鳴器和發(fā)光二極管構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。聲音報(bào)警15次后停止，發(fā)光二極管一直閃爍報(bào)警。當(dāng)濕度低于設(shè)置下限時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)出警報(bào)，系統(tǒng)采用有源蜂鳴器來實(shí)現(xiàn)該功能。有源蜂鳴器的理想工作信號是直流電，因?yàn)槠鋬?nèi)置振蕩電路，就可以將恒定的直流電變成一定頻率的脈沖信號，從而來使鉬片振動(dòng)。操作簡單，使用靈活，適合本系統(tǒng)的開發(fā)。由于單片機(jī)的輸出能力較弱，無法滿足驅(qū)動(dòng)蜂鳴器的要求，所以需要放大單片機(jī)的輸出信號。

三極管是典型的放大電路設(shè)計(jì)元件，其可以通過內(nèi)部的PN 結(jié)原理完成小電流驅(qū)動(dòng)大電流效果，目前三極管根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)被分為NPN 與PNP 2 種，系統(tǒng)使用NPN 型三極管進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)NPN 型三極管的基極流過一定的電流時(shí)，此時(shí)其內(nèi)部的PN 結(jié)耗盡區(qū)減小，集電極與發(fā)射極導(dǎo)通，把NPN 三極管的發(fā)射極接地，集電極接電源輸入端，基極流過一定電流時(shí)，三極管開始導(dǎo)通，電源通過三極管流向地，實(shí)現(xiàn)小電流驅(qū)動(dòng)大電流功能，利用此特點(diǎn)進(jìn)行蜂鳴器的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。當(dāng)三極管導(dǎo)通時(shí)，蜂鳴器電路接通，蜂鳴器工作，當(dāng)三極管截止時(shí)，蜂鳴器電路斷開，蜂鳴器不工作。

2.5 輸出控制電路

繼電器常被用在輸出驅(qū)動(dòng)電路中，可以看做是弱電控制強(qiáng)電工作的一類“自動(dòng)開關(guān)”。單片機(jī)引腳P1.6 通過輸出高低電平來控制驅(qū)動(dòng)電路是否接通，控制繼電器的通斷，進(jìn)而控制水泵電路的接通或關(guān)斷，同時(shí)利用發(fā)光二極管顯示輸出狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)電路由電阻和三極管組成。三極管和單片機(jī)的P1.6 引腳相連。當(dāng)引腳被置成高電平的時(shí)候，繼電器工作。繼電器相當(dāng)于一種開關(guān)元件，通過某些特定的物理量來開通或關(guān)斷電路。在本設(shè)計(jì)中，當(dāng)濕度低于設(shè)置值時(shí)，P1.6 引腳輸出高電平，三極管導(dǎo)通，繼電器線圈得電，接通電源，開啟水泵澆水。當(dāng)濕度達(dá)到設(shè)置值時(shí)，P1.6 引腳輸出低電平，三極管截止，繼電器線圈斷電，關(guān)閉水泵。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用模塊化編程，整個(gè)系統(tǒng)包括6個(gè)模塊，分別是主程序模塊，土壤濕度檢測程序模塊，模數(shù)轉(zhuǎn)換程序模塊，按鍵掃描子程序模塊，液晶顯示器工作模塊及蜂鳴器報(bào)警程序模塊。

該智能控制澆花系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)以單片機(jī)AT89C51 為設(shè)計(jì)中心，開始整個(gè)系統(tǒng)會(huì)初始化，系統(tǒng)啟動(dòng)后最先啟動(dòng)的是YL-69 土壤濕度傳感器，對待測土壤中的含水量進(jìn)行檢測分析，并將檢測收集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)? 個(gè)電壓模擬信號隨之輸出。這時(shí)AT89C51 單片機(jī)動(dòng)作并啟動(dòng)A/D 轉(zhuǎn)換模塊對所采集到的這2個(gè)電壓模擬信號進(jìn)行采集分析并快速響應(yīng)轉(zhuǎn)換為與之對應(yīng)的數(shù)字信號，數(shù)據(jù)會(huì)被送入到單片機(jī)，使智能控制澆花系統(tǒng)能夠獲得實(shí)時(shí)檢測到的土壤濕度數(shù)據(jù)，并將獲得的數(shù)字信號傳輸至單片機(jī)，能夠?qū)⑦@次循環(huán)所檢測到的土壤濕度信息數(shù)據(jù)顯示于顯示屏LCD1602。LCD1602 液晶屏顯示時(shí)首先顯示屏系統(tǒng)初始化，并在顯示屏上確定顯示的位置，判斷顯示屏能否顯示檢測出的數(shù)據(jù)。如果能夠顯示，則程序結(jié)束，不能則需要寫入字符來顯示數(shù)據(jù)，并指向下一個(gè)寫入數(shù)據(jù)。主程序模塊是水污染檢測系統(tǒng)軟件部分主體核心，單片機(jī)能夠?qū)⒛?shù)轉(zhuǎn)換芯片所輸出的數(shù)值跟設(shè)置的閾值相比較，同時(shí)判斷濕度值是不是在設(shè)定值范圍內(nèi)，如果高于設(shè)定濕度值，繼電器線圈斷電，關(guān)閉水泵停止灌溉，如低于設(shè)定濕度值，繼電器線圈接通，開啟水泵灌溉，返回到濕度采樣，再次判斷濕度值，直到達(dá)到設(shè)定濕度值，程序結(jié)束。主程序流程見圖2。

4 系統(tǒng)調(diào)試

本設(shè)計(jì)中的所有硬件和軟件都是在PROTEUS 軟件中仿真實(shí)現(xiàn)的，仿真時(shí)，利用滑動(dòng)變阻器模擬濕度傳感器，使得LCD 顯示相應(yīng)的數(shù)值。再通過按鍵模塊輸入相應(yīng)的濕度上下限，當(dāng)濕度低于設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)控制蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)控制繼電器線圈吸合，打開水泵進(jìn)行澆水。當(dāng)濕度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)控制繼電器線圈斷開，關(guān)閉水泵停止?jié)菜?/p>