基于太陽能供電的智能數(shù)字化花盆設(shè)計(jì)

路成輝等

摘 要：本系統(tǒng)是基于太陽能供電，綜合運(yùn)用了AT89C51系列單片機(jī)，土壤溫度檢測模塊，DS18B20濕度檢測模塊和LCD1602液晶顯示模塊等實(shí)現(xiàn)花盆智能化管理的一套裝置。系統(tǒng)可以對花卉生長環(huán)境實(shí)時(shí)檢測和顯示，并能實(shí)現(xiàn)對花盆的智能澆水功能。

關(guān)鍵詞：太陽能；自動(dòng)澆花；AT89C51單片機(jī)；溫度檢測；濕度檢測

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對生活質(zhì)量的要求顯著提高，如今很多家庭把植物當(dāng)做裝飾物，這些美麗的裝飾物不同于普遍工藝品，它們有生命，可以美化環(huán)境和凈化空氣，但隨著社會(huì)生活節(jié)奏的加快，大多數(shù)人沒有時(shí)間去照顧花卉。而植物的生長對環(huán)境的要求很高，因此，如何使植物種植簡單化是每一個(gè)養(yǎng)花者所關(guān)心的問題。

目前國內(nèi)外對智能花盆的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，大多數(shù)只設(shè)計(jì)了應(yīng)用濕度傳感器進(jìn)行檢測，對花盆的澆灌系統(tǒng)利用的是虹吸原理，即利用滲透的方式澆花，雖然具有自動(dòng)澆水的功能，但是不能根據(jù)植物的特征以及植物當(dāng)前的生長環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)澆水。本設(shè)計(jì)創(chuàng)新之處是利用太陽能光電池收集儲存的光能轉(zhuǎn)化為電能作為該智能花盆的能量來源，并與單片機(jī)技術(shù)結(jié)合起來，設(shè)計(jì)了一個(gè)不但能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)測花盆土壤溫濕度，并根據(jù)土壤溫濕度情況進(jìn)行自動(dòng)澆水的功能，而且可以實(shí)現(xiàn)太陽能自動(dòng)供電并提醒種植者進(jìn)行日常管理。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)作為控制的核心，考慮到其I/O口輸出電流較小，一般不能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，必須配有驅(qū)動(dòng)電路，這里采用ULN2003驅(qū)動(dòng)芯片控制自動(dòng)澆水的功能，通過DS18B20溫度傳感器模塊和濕度傳感器模塊采集花盆的溫濕度，利用AT89C51單片機(jī)內(nèi)部集成的AD轉(zhuǎn)換模塊對濕度感測器采集到的模擬信號進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理。控制器通過溫濕度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測花盆溫濕度的變化，并在LCD1602液晶顯示屏上同步顯示土壤的溫濕度值，并與設(shè)定的智能花盆的溫濕度初始值進(jìn)行比較，當(dāng)測量值與初始值有較大偏差時(shí)，則相應(yīng)的指示燈閃亮并發(fā)出響聲提醒種植者。同時(shí)系統(tǒng)采用太陽能供電，利用蓄電池將太陽能電池極轉(zhuǎn)換的電能儲存起來，保證系統(tǒng)在沒有太陽能時(shí)的供電運(yùn)行。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路設(shè)計(jì)主要包括土壤濕度檢測電路設(shè)計(jì)，溫度檢測電路設(shè)計(jì)，報(bào)警電路設(shè)計(jì)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，太陽能充電電路設(shè)計(jì)和蓄電池放電電路設(shè)計(jì)等組成。

2.1 土壤濕度檢測電路設(shè)計(jì)

土壤濕度檢測電路采用土壤濕度傳感器SLHT5-1。該傳感器采用全量程標(biāo)定，兩線數(shù)字輸出，可直接與單片機(jī)連接使用，具有非常高的一致性，濕度測量范圍可達(dá)0～100%RH。可將探頭直接埋入土壤中。

2.2 溫度檢測電路設(shè)計(jì)

測溫檢測電路（圖1）利用單片機(jī)AT89C51控制DS18B20溫度傳感器，執(zhí)行程序時(shí)，分別調(diào)節(jié)十位設(shè)置按鍵和個(gè)位設(shè)置按鍵來預(yù)設(shè)初始時(shí)刻溫度值，當(dāng)DS18B20的溫度低于預(yù)設(shè)值時(shí)，紅色二極管點(diǎn)亮，調(diào)節(jié)DS18B20元件上的按鈕可以人為模擬實(shí)際溫度的升高和下降。檢測電路如圖1所示。

2.3 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

報(bào)警電路設(shè)計(jì)采用AT89C51的P2.5腳輸出矩形波驅(qū)動(dòng)晶體管Q1做開關(guān)用，使蜂鳴器輸出矩形波，發(fā)出聲音。為了實(shí)現(xiàn)缺水和低電壓兩種報(bào)警，可以通過編程實(shí)現(xiàn)輸入兩種不同頻率的矩形波，發(fā)出兩種不同的聲音。

2.4 太陽能充電電路設(shè)計(jì)

為了提高控制器的可靠性能，延長蓄電池的工作壽命以及提高充電速度，本設(shè)計(jì)采用UC3906芯片進(jìn)行充電控制，UC3906內(nèi)部的邏輯電路提供了三種充電狀態(tài)，并對溫度進(jìn)行了精確的跟充補(bǔ)償，該芯片內(nèi)部含有限流放大器和電壓控制電路，可以控制UC3906內(nèi)部的驅(qū)動(dòng)電器并直接驅(qū)動(dòng)串聯(lián)在外部的三極管，進(jìn)而調(diào)整電路的輸出電壓及電流，芯片內(nèi)部的電壓檢測比較器和電流檢測比較器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測蓄電池的充電狀態(tài)。太陽能充電電路如圖2所示。

2.5 蓄電池放電電路設(shè)計(jì)

為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，本設(shè)計(jì)采用雙電源為系統(tǒng)供電，K1、K2分別連接單片機(jī)兩個(gè)IO口，分別控制兩種電源開關(guān)。初始狀態(tài)，系統(tǒng)是由蓄電池供電，當(dāng)連續(xù)的陰天超過兩天或者蓄電池電壓低時(shí)，單片機(jī)通過改變K1端電平來改變系統(tǒng)供電電源。當(dāng)檢測蓄電池電充滿時(shí)，K1電平改變，系統(tǒng)由蓄電池供電，當(dāng)單片機(jī)檢測到電量低于某值時(shí)，單片機(jī)改變K2電平電源來供電。

2.6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

控制芯片采用AT89C51單片機(jī)，考慮到其I/O口輸出電流較小，一般不能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，必須配有驅(qū)動(dòng)電路，這里采用ULN2003驅(qū)動(dòng)芯片。單片機(jī)直接控制電機(jī)的電路原理圖，如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)部分以AT89C51為核心，采用keil CS2[2]軟件編寫C語言程序，在proteus內(nèi)搭建仿真環(huán)境，軟件系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)初始化，時(shí)鐘時(shí)序，端口控制等，從而實(shí)現(xiàn)利用單片機(jī)對外圍電路的自動(dòng)控制。程序流程圖如圖4所示。

4 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)證明，以環(huán)境溫度，土壤濕度等外界環(huán)境為控制器的輸入?yún)?shù)比單純依靠主人觀察更合理，具有實(shí)用、省心、省時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，還可以實(shí)現(xiàn)短期無人看管花盆而自動(dòng)灌溉，實(shí)現(xiàn)太陽能的供電，使種植靈活性更大。通過數(shù)字化智能花盆的設(shè)計(jì)，將自然與科技融為一體，為忙碌生活的人們提供方便、快捷的了解植物的生長情況，輕松的擁有一個(gè)便捷的、舒適的綠色環(huán)境。

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作者簡介：路成輝，學(xué)生，黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，農(nóng)業(yè)電氣化專業(yè)。

劉超（1980-），男，講師，研究方向：智能檢測與監(jiān)控。