基于單片機的智能澆花系統設計與實現

何偉宏 鄭首易 毛錦庚 陳美金 中山大學南方學院 廣東廣州 510970

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基于單片機的智能澆花系統設計與實現

何偉宏 鄭首易 毛錦庚 陳美金 中山大學南方學院 廣東廣州 510970

【文章摘要】

本文基于STC12C5A60S2單片機和傳感器技術設計實現了一款智能澆花系統，它的主要功能是為植物定時定量地澆水，通過濕度傳感器實時監控土壤濕度，基于單片機系統控制水泵自動進行澆水，全天候為用戶“托管”植物。通過軟硬件設計和系統實物測試，表明該系統功能完備、性能優良，在實際生活中具有很好的應用價值。

【關鍵詞】

STC12C5A60S2單片機;土壤濕度檢測;智能澆花

0 引言

隨著社會的飛速發展，人們對生活質量要求越來越高。很多人會選擇在家里種植一些花卉以陶冶情操。但當人們忙于學習工作時,或者是碰上出差、旅游等不在家的情況時，因無暇照顧那些嬌嫩的花兒以至于植物很快枯死。智能澆花系統能輕松排除人們的這些顧慮，讓植物們可以通過系統的個性化設置達到智能灌溉的目的。

1 系統總體方案設計

系統的總體方案設計如圖1所示，自動澆花系統主要由電源模塊、單片機控制模塊、水泵驅動模塊、土壤濕度測量模塊和按鍵顯示模塊五大模塊組成。

系統實現的主要功能是，可以按照用戶設定的具體方案進行定時定量澆花，用戶可以通過屏幕了解系統具體的設定信息和土壤實時濕度。當到達所設定的澆花時間，系統會通過驅動模塊控制水泵為植物澆水，當澆水量達到所設定的具體值時，水泵又會停止工作。通過這樣的方法，系統便可以定時定量地會進行澆花。然而固定的澆花方式有時候無法應對多變的天氣。時而驟雨，時而暴曬的天氣或許會傷害到一些柔嫩的植物，因此系統還具有濕度監控的功能，濕度傳感器會為系統采集土壤的實時濕度，當土壤濕度低于濕度下限時，系統會立即為植物澆水，當土壤濕度高于濕度上限時，即使到了所設定的澆花時間，自動澆花器也不會澆花。這樣，植物的土壤濕度就可以穩定在一個適宜的范圍，有助于植物的生長。

圖1　系統總體設計框圖

圖2　濕度傳感器模塊電路

2 系統硬件電路設計

2.1控制核心

系統以STC12C5A60S2單片機為控制核心，配合外圍電路實現相應的功能。STC12C5A60S2是一款增強型的8051單片機，速度相當于普通單片機的8-12倍，配合外部的晶振，其16位的定時器可以為系統提供高精度的時鐘。因為芯片自帶8路10位精度A/D轉換，所以系統不需要添加外部的AD模塊，就可以十分方便地采集到濕度傳感器輸出的模擬量信號。而且STC12C5A60S2可以處于低功耗的模式進行工作。

2.2濕度傳感器

濕度傳感器模塊的電路如圖2所示，考慮到系統對土壤濕度測量的精度要求不高，為了降低系統的成本，采用了普通的電阻式土壤濕度探頭對濕度進行檢測。濕度不同，濕度探頭的電阻值也不同，電路也會輸出不同的電壓值，將該電壓值使用STC12C5A60S2自帶的A/D轉換進行采集，系統就可以檢測到土壤的實時濕度。

2.3屏幕LCD5110

LCD5110的屏幕是NOKIA 公司生產的液晶顯示模塊，該模塊的體積非常小。它的工作電壓為3.3V-5V，而且成本低廉，速度快，是LCD12864的20倍，是LCD1602的40倍，因此相對于Lcd1602和Lcd12864等液晶模塊來說，性價比十分高。因為其體積小和性價比高的特點，自動澆花系統采用了LCD5110作為顯示模塊。

2.4水泵驅動模塊

水泵驅動模塊采用L298N驅動模塊。該模塊內含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動器，十分適合用于驅動水泵這類型感性負載。使用該電路來驅動水泵的電機，不僅干擾能力強，而且具有過壓保護和過流保護。

3 系統軟件程序設計

系統軟件設計主要以STC12C5A60S2的程序編寫為主。系統程序流程圖如圖3所示。系統剛啟動時，STC12C5A60S2對各個模塊進行初始化，然后啟動定時器中斷和外部中斷，系統不斷刷新屏幕信息且等待中斷事件的發生。

按鍵輸入功能通過外部中斷實現，系統具有一些可以修改的設定參數，如設定時間的天、時、分、澆水量、濕度上限和濕度下限等，我們可以通過按鍵1選定需要修改的設定參數，然后使用按鍵2進行修改。

時間的積累通過定時器中斷實現。當中斷事件發生時，系統不僅會累計時間，還會定期采集土壤濕度進行分析，判斷是否需要立即對植物澆水。但累計時間達到設定澆水時間時，若土壤濕度不大于濕度上限則進行澆花操作，直到澆水量到達設定值為止，才退出定時器中斷。

圖3　系統程序流程圖

4 系統功能測試

系統設計完成后，分別對硬件電路和軟件程序進行測試，達到了預期目標。重點對定時定量澆花功能和濕度檢測功能進行了測試，在定量澆花功能測試中，選取了250mL、500mL和750mL三個參數進行多次的實驗測試，澆水量的實際輸出的絕對誤差不大于25mL。系統實際使用結果表明，運行穩定，功能良好。

5 結語

本文設計實現了以STC12C5A60S2單片機為控制核心的智能澆花系統，進行了硬件設計和軟件程序設計，并對系統實物進行測試使用。該系統不僅可以根據用戶的設置進行定時定量的澆花，而且可以根據土壤濕度來控制水泵的驅動，以避免用戶養殖經驗不足而導致花卉死亡的情況。本系統硬件設備成本較低，適用于普通家庭，使得人們的生活更為便利和舒適。

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何偉宏（1988年），男，湖南臨武，研究實習員，學士，主要從事嵌入式系統、智能家居等方面的研究工作。

【作者簡介】

中圖分類號：TP

文獻標識碼：A

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