基于51單片機(jī)智能噴灑系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊桐

摘 要：本系統(tǒng)采用STC89C51單片機(jī)為主控制核心，搭配風(fēng)速傳感器和溫濕度傳感器，設(shè)計(jì)了一款智能噴灑系統(tǒng)。通過(guò)三杯風(fēng)風(fēng)速傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)速的實(shí)時(shí)檢測(cè)，當(dāng)風(fēng)速大于所設(shè)定的閾值，調(diào)節(jié)噴頭模式為水柱狀噴灑模式，具有較強(qiáng)抗風(fēng)速干擾能力；反之則為默認(rèn)噴頭模式為霧狀噴灑模式，具有均勻噴灑的特點(diǎn)。同時(shí)，溫濕度傳感器能夠?qū)崟r(shí)采集土壤的溫度和濕度，系統(tǒng)根據(jù)特定花草對(duì)水分的需求，進(jìn)行智能化的控制噴灑的時(shí)間以及調(diào)節(jié)噴頭的噴灑半徑。基于此，不僅充分地滿足了花草的需求，而且節(jié)省寶貴的水資源。

關(guān)鍵詞：51單片機(jī)；智能灌溉；風(fēng)速傳感器；溫濕度傳感器

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0.引言

每當(dāng)夏季來(lái)臨，學(xué)校草坪上，公園草地上等地方總能看到許多噴頭不停地轉(zhuǎn)圈，噴灑出水霧，滋潤(rùn)著花草。然而，市面上應(yīng)用的噴灑系統(tǒng)存在著很多的不足之處。大體上存在三方面的缺陷。首先，市面上的噴灑系統(tǒng)噴水覆蓋的半徑是固定的。這將嚴(yán)重導(dǎo)致土壤水分的不均勻。其次，噴灌系統(tǒng)的噴灌時(shí)間一般為系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定好的固定時(shí)間段，或人為控制噴灑時(shí)間。人們只能靠經(jīng)驗(yàn)滿足花草相應(yīng)的水分需求。一方面，這導(dǎo)致花草的水分需求未能得到合適的供給，另一方面，這很可能造成水資源的浪費(fèi)或人力的浪費(fèi)。最后，市面上噴灌系統(tǒng)所噴灑的水的形態(tài)一般分為霧狀或者水柱狀。霧狀水，能夠均勻地灑落在噴灌區(qū)域，更好地讓花草吸收，然而卻受風(fēng)力影響比較大，容易被吹散；柱狀水，單位體積的水量較大，不容易受風(fēng)的干擾，其缺點(diǎn)是，噴灑水的區(qū)域相對(duì)集中。

為了克服以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于51單片機(jī)的智能噴灑系統(tǒng)，能夠根據(jù)土壤濕度的實(shí)時(shí)情況動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)噴頭噴水的半徑；根據(jù)環(huán)境風(fēng)速的大小，動(dòng)態(tài)選擇采用霧狀噴灑還是柱狀噴灑的方式進(jìn)行噴灌；當(dāng)土壤的濕度達(dá)到預(yù)先設(shè)定的閾值條件下，噴灌系統(tǒng)能夠自動(dòng)關(guān)閉，不需要人工干預(yù)。

1.系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于51單片機(jī)的智能噴灑系統(tǒng)。選用型號(hào)為STC89C51的單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的核心，采用DHT11溫濕度傳感器獲取土壤的濕度和溫度，風(fēng)速的大小值則是由BCQ-FS-TTL8三杯風(fēng)風(fēng)速傳感器采集。同時(shí)，噴頭電機(jī)由普通直流電機(jī)構(gòu)成，并搭配L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)單片機(jī)輸出PWM波控制電機(jī)的方向及轉(zhuǎn)向。整個(gè)系統(tǒng)的框架圖如圖1所示。

2.硬件設(shè)計(jì)

2.1 DHT11溫濕度傳感器

DHT11傳感器采用單總線結(jié)構(gòu)（電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所需總線單元較少），與51單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信和同步。該傳感器濕度的測(cè)量范圍為：20%～90%RH，測(cè)濕精度為±5%RH；同時(shí)，溫度的測(cè)量范圍為：0～50℃，測(cè)溫精度為±2℃。

單片機(jī)采集一次DHT11傳感器數(shù)據(jù)的時(shí)間大約為4ms，每次傳輸40bit的數(shù)據(jù)。40bit的數(shù)據(jù)格式包括8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗(yàn)和。其中，8位校驗(yàn)和的數(shù)據(jù)為8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)所得結(jié)果的末8位，用于檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的傳輸是否正確。

2.2 BCQ-FS-TTL8三杯風(fēng)風(fēng)速傳感器

三杯風(fēng)傳感器結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，通過(guò)3片小碗狀口來(lái)捕獲風(fēng)速的強(qiáng)弱，風(fēng)速越大，3片小碗狀口轉(zhuǎn)速越快，反之，其轉(zhuǎn)速越慢。工作原理大致如下：每轉(zhuǎn)一圈，信號(hào)引腳輸出8個(gè)脈沖，單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的脈沖個(gè)數(shù)除以6，即為對(duì)應(yīng)的風(fēng)速值（單位是m/s）。啟動(dòng)風(fēng)力為：0.2m/s，即風(fēng)速超過(guò)閾值0.2m/s，信號(hào)引腳才會(huì)有脈沖輸出。

該傳感器共3根引腳，一根電源線接VCC（+5V），一根地線接GND，（與單片機(jī)共地），另外一個(gè)信號(hào)線接單片機(jī)的P3.2（INT0外部中斷），目的是為了通過(guò)外部INT0中斷測(cè)量風(fēng)速所對(duì)應(yīng)的脈沖個(gè)數(shù)。

此外，為了增加傳輸?shù)木嚯x，需要上拉一個(gè)10K左右的電阻，電阻的一端接在VCC電源線上，另外一端接在信號(hào)引腳上，目的是為了增大驅(qū)動(dòng)電流。

2.3 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)

L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)為2路H橋驅(qū)動(dòng)，可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)（即可同時(shí)控制兩個(gè)噴頭，若想要控制多個(gè)噴頭，可以采用并聯(lián)的方式，把多個(gè)噴頭分成2組）。

該驅(qū)動(dòng)模塊共有4根控制引腳，與51單片機(jī)分別相連。其中，IN1和IN2控制電機(jī)A，IN3和IN4控制電機(jī)B。值得注意的是L298N驅(qū)動(dòng)需要較高的外接電源（+12V～+24V）進(jìn)行供電。

該驅(qū)動(dòng)具有兩種工作模式，一方面，當(dāng)使能ENA（控制電機(jī)A）、ENB（控制電機(jī)B）時(shí)，可以分別從IN1、IN2輸入PWM（Pulse Width Modulation）信號(hào)來(lái)控制電機(jī)A的轉(zhuǎn)速和方向。同時(shí)，可以分別從IN3、IN4輸入相同PWM脈沖信號(hào)來(lái)控制電機(jī)B的轉(zhuǎn)速和方向。另一方面，若禁止ENA和ENB使能時(shí)，即可通過(guò)單片機(jī)向IN1、IN2、IN3、IN4四個(gè)引腳輸入邏輯1和邏輯0電平來(lái)控制電機(jī)A和電機(jī)B，其中，IN1（IN3）輸入為邏輯1，IN2（IN4）輸入為邏輯0，電機(jī)A（B）正轉(zhuǎn)，IN1（IN3）輸入為邏輯0，IN2（IN4）輸入為邏輯1，電機(jī)A（B）反轉(zhuǎn)，其他方式下，電機(jī)A（B）均不轉(zhuǎn)。

2.4 直流電機(jī)

直流電機(jī)具有兩個(gè)引腳，分正極引腳和負(fù)極引腳。其中，若正極引腳接恒定邏輯高電平，負(fù)極引腳接恒定邏輯低電平，電機(jī)正轉(zhuǎn)；若正極引腳接恒定邏輯低電平，負(fù)極引腳接恒定邏輯高電平，電機(jī)反轉(zhuǎn)；若正負(fù)極均接恒定邏輯高電平或者恒定邏輯低電平，電機(jī)不轉(zhuǎn)。

當(dāng)然，也可以往正負(fù)極輸入PWM信號(hào)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。PWM（Pulse Width Modulation），簡(jiǎn)稱脈寬調(diào)制，信號(hào)頻率不變，脈沖高電平的寬度可以調(diào)節(jié)，不同占空比（高電平的時(shí)間占整個(gè)周期T的比重）的脈沖信號(hào)作用于直流電機(jī)，單位時(shí)間內(nèi)等效的電壓（電流）值大小不同，電機(jī)的轉(zhuǎn)速正比于電壓（電流）值的大小，因此，單片機(jī)產(chǎn)生的PWM脈沖信號(hào)，可以控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

3.軟件設(shè)計(jì)

軟件部分的設(shè)計(jì)可以采用模塊化的思路，采用C語(yǔ)言進(jìn)行程序的編寫。主要包含定時(shí)器模塊，風(fēng)速傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊、L298N驅(qū)動(dòng)+直流電機(jī)模塊。基于51單片機(jī)智能噴灑系統(tǒng)的流程圖如圖2所示。

圖2展示了整個(gè)系統(tǒng)軟件的流程。在主函數(shù)Main中循環(huán)執(zhí)行整個(gè)系統(tǒng)的操作。其中，采用定時(shí)器0中斷完成精確的定時(shí)操作，每隔5min（人為設(shè)定參數(shù)）讀取DHT11溫濕度傳感器的數(shù)據(jù)，定時(shí)器0工作在模式1，為16位定時(shí)計(jì)數(shù)器，單片機(jī)接收到濕度數(shù)據(jù)，并與預(yù)先設(shè)定好的濕度閾值進(jìn)行比較，若濕度低于閾值，控制L298N驅(qū)動(dòng)，使電機(jī)繼續(xù)維持轉(zhuǎn)速，若接收的數(shù)據(jù)大于濕度閾值，則控制L298N驅(qū)動(dòng)，即單片機(jī)往L298N驅(qū)動(dòng)控制引腳（控制電機(jī)的引腳）輸入PWM脈波，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得噴頭噴灑的水覆蓋不到相對(duì)于的土壤面積。

同時(shí)，采用定時(shí)器1完成10min的定時(shí)（工作方式同定時(shí)器0），系統(tǒng)讀取三杯風(fēng)風(fēng)速傳感器的風(fēng)速值，然后與預(yù)先設(shè)定好的風(fēng)速閾值（例如，6級(jí)風(fēng)速，10m/s）進(jìn)行比較，若風(fēng)速大于閾值，則控制繼電器，使其工作在水柱狀噴灑模式，反之，則工作在默認(rèn)工作模式，即水霧狀工作模式。

結(jié)語(yǔ)

基于51單片機(jī)的智能噴灑系統(tǒng)克服了市面上傳統(tǒng)噴灑系統(tǒng)的諸多弊端，在充分滿足花草水分需求的條件下，節(jié)約了寶貴的水資源。同時(shí)，系統(tǒng)一旦初始化完畢（人們提前設(shè)定好參數(shù)，如風(fēng)速的上限閾值，土壤濕度的下限閾值，每隔多長(zhǎng)時(shí)間讀取傳感器的數(shù)值，即設(shè)定相應(yīng)的定時(shí)器參數(shù)等等參數(shù)），就不需要人為干擾，提供了極大的便捷式服務(wù)。

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