智能自動澆花系統的控制設計研究

劉 川 張小成 高進淵 馬金剛 和曉雲 李曉勤

（塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾843300）

0 引言

隨著生活水平的提高，喜歡養花的人也越來越多，但當人們出差旅行或者放假的時候，花卉的澆水成為人們比較犯難的問題。而且現在市面上的澆花裝置比較少，其采用的技術往往是如下的兩種，一是基于簡單的物理原理，如利用虹吸原理對植物進行澆水；二是利用簡單的定時控制技術，實現對植物的定時定量澆水。依據這兩種原理制成的裝置無法根據土壤濕度實時澆水，后果嚴重時可能導致花卉干枯或者過澇死亡。基于以上背景，我們設計的智能自動澆花系統以實現在不同環境下對植物的精確自動澆水。

本文就是由濕度傳感器實現對花盆土壤濕度的信號采集，由單片機實現對信號的數字化處理輸出，并將輸入濕度值與設定濕度值進行對比分析，然后確定澆水系統的工作情況。

1 材料與研究過程

1.1 材料與軟件平臺

系統使用電子器件：STC89c52單片機、ADC0832模數轉換、LCD1602液晶顯示屏、YL-69土壤濕度傳感器、存儲芯片24C02、水泵、排阻電容等其它常用元器件。

設計使用軟件平臺：程序編輯、編譯、調試軟件keil、電路模擬仿真軟件proteus、程序燒寫軟件STC-ISP、USB串口調試軟件。

1.2 實驗研究對象

以常見花盆花卉為實驗對象進行設計與研究。

1.3 設計流程

設計流程如圖1所示。

圖1 設計流程圖

2 電路設計方案

2.1 智能主控電路

主控電路是整個系統的核心，主要由STC89C52單片機為主。單片機是單片微型計算機的簡稱,通俗來講，就是把中央處理器CPU、存儲器、定時器、I/O接口電路等一些計算機的主要功能部件集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機。單片機特別適合控制領域，故又稱為微控制器MCU，單片機只要和適當的軟件及外部設備相結合，便可成為一個單片機控制系統，由此我們構建單片機最小系統。單片機最小系統由時鐘電路和復位電路組成。

2.1.1 單片機的時鐘電路

時鐘電路用于生產單片機工作所需要的時鐘信號，而時序所研究的是指令執行中各地址信號之間的相互關系。單片機本身就如一個復雜的同步時序電路，為了保證同步工作方式的實現，電路應在唯一的時鐘信號控制下嚴格地按時序進行工作。

2.1.2 單片機的復位電路

單片機復位是使CPU和系統中的其他功能部件都處在一個確定的初始狀態，并從這個狀態開始工作。無論是單片機剛開始接上電源時，還是斷電后或者發生故障后都要復位，單片機復位的條件是：必須使RES/Vpd或者RST引腳加上持續兩個周期以上的高電平。

在proteus中畫電路圖，如總電路圖中圖2.1所示。

2.2 獨立鍵盤輸入電路

獨立式按鍵是指直接用一根I/O口線構成的單個按鍵電路。每個獨立式按鍵單獨占有一根I/O口線，每根I/O口線上的按鍵的工作狀態不會影響其他I/O口線的工作狀態。獨立式按鍵接口電路配置靈活，軟件結構簡單，但每個按鍵必須占用一根I/O口線，在按鍵數量較多時，I/O口線浪費較大。故在按鍵數量不多時，常采用這種按鍵結構。獨立式按鍵電路如圖3所示。上拉電阻保證了按鍵斷開時，I/O口線上有確定的高電平。本設計外圍電路接有四個獨立按鍵，其中兩個作為濕度下限增減的設置按鍵，另外兩個作為濕度上限增減的設置按鍵。

因為本裝置所用的I/O口不是很多，而且需要的按鍵數目不多，故選用獨立式鍵盤。

在proteus中畫電路圖，如總電路圖中圖2.2所示。

2.3 濕度傳感器輸入電路

本設計用土壤濕度傳感器YL-69檢測土壤濕度，YL-69傳感器有4個引腳分別為：1 VCC（外接3.3V-5V）、2 GND（外接GND）、3 DO（小板數字量輸出接口）、4 AO（小板模擬量輸出接口）。本傳感器模塊具有雙輸出模式，DO數字量輸出簡單，AO模擬量輸出更精確。當使用數字量輸出接口時，通過電位計調節設定值，在土壤濕度達不到設定閾值時，DO口輸出高電平，當土壤濕度超過設定閾值時，模塊D0輸出低電平。所以小板數字量輸出D0可以與單片機直接相連，通過單片機來檢測高低電平，由此來檢測土壤濕度。當使用模擬量輸出接口時輸出AO可以和AD模塊相連，通過AD轉換，可以獲得土壤濕度更精確的數值。所以我們選用AO接口與ADC0832轉換模塊等一些元器件組成濕度傳感器輸入電路。

在proteus中畫電路圖，如總電路圖中圖2.3所示。

有研究指出，植物葉片的N、P含量在不同時期往往展現出較大的差異[31]。胡耀升等[32]對長白山森林植物功能性狀的研究表明，LNC與LPC呈極顯著正相關，而趙光偉[33]則發現烤煙葉片總氮含量隨葉齡的增大逐漸降低，本研究結果與之一致。長柄雙花木的LNC和LPC在植株的不同發育階段表現出顯著的差異，LNC和LPC均隨著植株的發育而下降。這可能是由于在幼苗時期葉片代謝頻繁，需要較多的蛋白質和核酸來滿足葉片生長的需求，提升了N、P濃度；而到了幼樹和成樹時期，植物獲取的大部分養分被輸送到其他器官用于開花等，相應地植物葉片中的N、P含量有所下降[32]。

2.4 蜂鳴器驅動電路

蜂鳴器驅動電路主要實現當測的土壤濕度低于設定下限濕度或高于設定上限濕度時進行明示。該電路使用蜂鳴器，然后經過單片機的一根口線驅動。由于單片機的I/O口驅動能力有限，無法驅動蜂鳴器鳴響，這里用到一個PNP型的三極管作為驅動器，來驅動蜂鳴器。

在proteus中畫電路圖，如總電路圖中圖2.4所示。

2.5 水泵驅動電路

水泵驅動電路是本設計的控制末端。通過判斷單片機口線P32的高低電位確定PNP型三極管的工作狀態以此作為驅動器來驅動繼電器。然后決定是否開啟水泵澆水。

在proteus中畫電路圖，如總電路圖中圖2.5所示。

2.6 液晶顯示電路

LCD1602為兼容的液晶顯示模塊，本設計中采用兩行16字符型的模式，顯示亮度可調，是一種使用較方便、價格較便宜的液晶顯示器件。他有液晶顯示屏和驅動器兩部分組成，單片機通過寫控制字方式訪問驅動器來實現對液晶顯示屏的控制，系統是利用液晶顯示屏來顯示設定濕度范圍和檢測到的土壤濕度。它的外圍器件可以裝一個精密電位器，來實現液晶顯示屏亮度的調節。

在proteus中畫電路圖，如總電路圖中圖2.6所示。

2.7 其它常見電路

在一些電路系統中我們常會用到一些其它輔助性的電路，如電源濾波電路等。濾波電容用在電源整流電路中，用來濾除交流成分。使輸出的直流更平滑。去耦電容用在放大電路中不需要交流的地方，用來消除自激，使系統穩定工作。

此外在本設計系統中還有一個不可缺少的電路部分用來存儲設定濕度值。它是使用儲存芯片24C02為主要器件組成的電路。

在proteus中畫電路圖，如總電路圖中圖2.8所示。

2.8 總電路系統

將上述分電路整合，搭建成最終的自動澆花系統電路。在proteus中輸入程序進行仿真。如圖2所示。并設計PCB板，最后在PCB板上焊接相應電路元器件，并在花盆中完成系統調試與優化確保完成設計研究。

圖2 總電路

3 系統工作流程

本系統先通過傳感器將對土壤中含水量的物理量進行采集，然后通過信號轉換部分將其轉化為數字信號，交給單片機系統進行處理。通過與設定濕度的對比來智能控制是否澆水，在需要時驅動相關外設，進行自動精確定位地灌溉。系統具體工作流程如圖3所示。

4 研究結果分析

本智能澆花系統設計結構簡單，成本較低，自動化程度高，方便升級改造，可實現智能化澆花的需要，能很好解決現在及將來一段時間內家庭澆花的問題。當然本系統也存在一定紕漏，由于一些干擾因素的影響可能會出現實驗偏差。比如理論與實驗之間的誤差，它主要來源于試驗中存在電路連線阻值變化等一些其它的偶然誤差。

5 結論

隨著智能家具的發展，人們對智能化控制的渴望越加劇烈，“智能自動澆花系統”也就隨之而來；而今信息技術和單片機技術的發展，我們完全可以采取電子智能化控制的手段來解決以上問題。本文基于單片機對土壤濕度傳感器信號的采集與處理的設計進行了研究開發，實現在proteus軟件平臺下的仿真與程序調試，將調試成功的程序燒寫到單片機中，將系統電子器件集成在PCB板上，成功完成了智能自動澆花系統的設計制作。本文的設計思想可以應用在其它自動灌溉系統的采集與處理設計中，為相關的設計研究提供了有價值的參考。

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