基于STC89C52單片機的花卉自動澆灌系統研究

任玲 戚玉強 李騰飛 龐效琦

摘要 以STC89C52單片機為控制核心，設計一種能夠根據土壤濕度變化實現對花卉進行自動微噴澆灌的系統。整個系統由STC89C52RC單片機、溫濕度傳感器SHT10、繼電器、水泵、微噴頭、蜂鳴器、電源、按鍵、1602液晶顯示屏等主要部分組成。單片機采集溫濕度信號，通過軟件與事先設定的參數比較，并根據結果選擇水泵是否啟動，實現智能化灌溉。該系統結構簡單、成本低、使用方便，可廣泛應用在家庭花草栽培的澆灌過程中。

關鍵詞 STC89C52RC單片機；SHT10傳感器；水泵；自動澆灌

中圖分類號 TP29 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2016）09-293-03

Abstract With the STC89C52 single chip microcomputer （SCM） as the control core， we designed a kind of automatic micro irrigation based on the soil moisture change. The whole system was composed of STC89C52RC microcontroller， temperature and humidity sensor SHT10， relay， water pump， micro nozzle， buzzer， power， button， 1602 LCD screen and other major parts. SCM temperature and humidity signal achieved intelligent irrigation through the comparison of the parameters of the software with the prior setting， according to the results of the choice of whether to start the pump. This system had simple structure， low cost and convenient use.

Key words STC89C52RC single chip microcomputer；SHT10 sensor； Water pump； Intelligent irrigation

隨著人們生活水平的提高，家庭養殖花卉、樹木等觀賞植物的越來越多，然而由于現代快速的生活節奏，人們往往忙于工作而忘記及時地為花木補充水分，導致花木枯萎或死亡。目前市場上已有的澆水器需要人工控制進行定時澆灌[1-4]，其缺點是不能根據植物正常生長所需要的水分、溫度來實時調節植物生長環境的參數，會出現澆水過多或不足的問題[5]，不利于花木的成長；而且用戶使用時要反復調節時間，操作繁瑣。

基于以上原因，筆者設計了一種單片機控制的花卉自動澆水系統，實現室內盆花澆水的自動化。該系統可對土壤的溫濕度進行監測，并可根據植物實際需要的濕度適時、適量的澆水，同時具有結構簡單、使用方便、成本低的特點。

1 總體設計

花卉和樹木的正常生長要求溫度和濕度穩定在一定范圍內，高于或低于這個范圍將影響它們的正常生長。該系統采用STC89C52RC單片機為測控核心，溫濕度傳感器實現花卉生長環境因子信息數據的實時采集，經單片機處理，輸出信號控制執行機構水泵，以實現對土壤溫濕度的測控，系統原理框圖如圖1所示。該系統的功能主要通過軟件實現，軟件開發采用C51語言編程和模塊化設計。

2 硬件電路設計

2.1 單片機控制系統設計

STC89C52RC單片機是STC的新一代高速、低功耗、超強抗干擾的單片機，指令代碼完全兼容傳統8051單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可任意選擇；工作電壓范圍為3.3～5.5 V；工作頻率范圍0～40 MHz；片內含有8 kB Flash ROM和512B RAM[6]。在STC89C52RC芯片內部有一個振蕩電路和時鐘發生器，引腳XTAL1（18腳）和XTAL2（19腳）之間接入晶體振蕩器和電容后構成內部時鐘方式。單片機每次上電時，都要進行復位操作，復位后的單片機PC=0000H，CPU從程序存儲器的0000H開始取值。EA引腳接高電平，代表用內部存儲器。單片機最小控制系統電路如圖2所示。

2.2 溫濕度傳感器電路

SHT10系列產品是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，提供全標定的數字輸出。它包括一個電容性聚合體測濕敏感元件、一個用能隙材料制成的測溫元件，并在同一芯片上，與 14 位的 A/D 轉換器以及串行接口電路實現無縫連接[7-8]。因此，該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比高等優點。SHT10采用單線制的串行通信接口，DATA引腳用于單片機與SHT10之間的通訊，一次通訊需要4 ms左右時間。該電路中采用2個SHT10采集兩點的溫濕度，其第1片SHT10的DATA和SCLK腳分別連接至STC89C52RC單片機的P1.1和P1.2腳，第2片STH10的DATA和SCLK腳分別連接至STC89C52RC單片機的P3.5和P3.4腳，其與單片機連接電路如圖3所示。

2.3 LED液晶顯示模塊 LCD1602是一款字符型液晶顯示器，專門用來顯示各種符號、字母和數字，能夠同時顯示2行，每行16個字符。LCD1602與單片機的連接電路如圖4所示。其中，STC89C52RC單片機的P0口P0.0～P0.7與LCD1602的數據腳D0～D7連接，P2口P2.5～P2.7與1602的控制腳RS、R/W、EN連接。

2.4 輸出控制電路設計

輸出控制選用繼電器作為控制開關，繼電器是一種通斷型電子開關，其特點在于抗干擾性能好、負載效應穩定。因此，采用繼電器控制，電路簡單安全可靠。單片機的P1.3引腳控制繼電器，其電路如圖5所示。

2.5 按鍵電路的設計

鍵盤電路的設計是采用按鍵開關經上拉電阻分別接P1.0、P1.5、P3.3口上，按鍵一端接地，3個按鍵分別起到選擇、上調和下調的作用。選擇好設定值后，每按一次上調和下調鍵，設定相應的數值增1或減1，電路如圖6所示。

2.6 蜂鳴器電路設計

蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼組成[2]。單片機驅動蜂鳴器的方式有2種：一種是PWM 輸出口直接驅動，另一種是利用I/O 口翻轉產生高低電平對蜂鳴器進行驅動。蜂鳴器驅動需要一定的電流才能實現，由于單片機I/O引腳輸出的電流較小，輸出的TTL電平基本上驅動不了蜂鳴器，因此需要增加一個電流放大的電路。通過一個三極管S8550來放大驅動蜂鳴器，蜂鳴器的正極接到三極管的集電極C上面，蜂鳴器的負極接到電源GND，三極管的發射極E接到電源+5 V，三極管的基級B經過限流電阻R后接到單片機的控制I/O口，當控制I/O口輸出高電平時，三極管Q截止，沒有電流流過線圈，蜂鳴器不發聲；當控制I/O口輸出低電平時，三極管導通，這樣蜂鳴器的電流形成回路，蜂鳴器發聲。因此，可以通過程序控制I/O口的電平來使蜂鳴器發出聲音和關閉。單片機控制蜂鳴器的電路圖如圖7所示。

3 軟件設計

該設計選用可移植性強、適時性強的C語言作為編程語言，系統軟件的開發全部采用KeiluVision 4進行，系統程序的設計采用流行的模塊化設計方法。在程序設計中，根據系統功能，將整個軟件劃分為若干個功能相對獨立易于解決的模塊，每個模塊是一個結構完整的子程序，能完成某一特定的任務，實現某個具體的功能。模塊化程序結構清晰、組合靈活、可讀性好、易于驗證、可靠性高、便于功能擴充和版本升級，程序的修改可局部進行，還可建立頻繁調用的子程序。

系統軟件的設計，主要由如下程序模塊組成：SHT10溫濕度采集、LCD液晶顯示屏控制、繼電器控制、按鍵和蜂鳴器發聲控制子程序。整個系統的主程序流程圖如圖8所示。

系統在上電初始化后將對土壤溫度和濕度進行細致的判斷，當土壤溫度合適且濕度過低，進行灌溉加濕。通過上述主體流程控制，即可達到有效的控制，使得室內環境基本處于花卉植物所需的最佳狀態。

4 實驗結果

基于土壤溫度、濕度因子的自動噴灌控制系統，以STC89C52RC單片機為核心的控制電路、傳感器電路和執行器件等組成，能夠根據溫度和濕度的設定值，達到實時澆灌控制，其監測界面效果圖如圖9所示。

由圖9可見，該系統能夠實時在不同位置監測土壤濕度，并可設置濕度的上下限值，若監測濕度值低于設定的下限值，則水泵自動啟動給花木澆水，直到其高于設定的下限值，停止澆水。

5 結論

該研究設計的基于STC89C52單片機的花卉自動澆灌系統能夠做到給花木實時適量地澆水，既有利于花木生長，又可達到節能的目的。系統硬件電路簡單，經過實驗調試，系統設計基本可以滿足預期功能要求，電路穩定，抗干擾力強，性價比較高，應用前景廣闊。

參考文獻

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[4]李騰.自動濕控、溫控、光控、太陽能植物澆灌系統[J/OL].中國科技論文在線，[2016-01-05].http：//www.paper.edu.cn.

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