基于52單片機的智能澆灌系統設計

郭非凡

摘要：論文主要介紹了智能澆灌系統的設計原理、硬件設計和軟件設計三個方面的內容，詳細地論述了系統的測量和澆灌功能。本設計的最終成品是一臺能夠較為精確測量和顯示溫、濕度數據，并且能準確執行澆灌任務的智能電子設備。

關鍵詞：555定時器；52單片機；液晶顯示

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）10-0020-03

隨著社會經濟的不斷發展，人們生活條件的不斷改善，室內花卉、樹木等綠色植物也漸漸受到了人們的青睞，人們可以通過種植花卉來陶冶情操，凈化空氣，美化家庭環境。

人們往往憑借經驗和主觀認識對盆栽進行澆灌，隨著生活節奏的加快，經常忘記或者過量澆灌，導致盆栽容易出現生長不佳等狀況，也造成水的浪費。

當前相關的自動澆灌系統通常規模較大、結構復雜，價格昂貴、易用性不強，使其在家庭環境下難以使用。近來，市場上出現了利用傳感技術進行自動澆灌的系統，但它們更多是一種土壤濕度和含水量的信息采集和展現系統，并未對何時澆灌以及澆灌量給予科學指導，不方便很多對盆栽缺乏種植經驗的家庭用戶使用[1-3]。

家庭盆栽的自動化管理受到大家的廣泛關注，特別是如何進行科學澆灌成為研究的重點，市場上也存在著一些自動澆灌的器件，澆灌器件只能對植物進行整體性澆灌， 而對于多點獨立澆灌并不多見，這是本次設計的特點。

1 基于52單片機的智能澆灌系統

本文設計的智能澆灌系統考慮到家庭種植的植物多是用盆栽種植或是小型綠化帶種滿不同植物的情況，而每種植物的生長環境都有所差異，故設計的特點是多點檢測濕度。用戶可通過3個按鍵對溫度傳感器和濕度傳感器的閥值進行自行設定。設計設有3路測濕模塊，將濕度傳感器分別插入不同的植物板塊中，555定時器振蕩電路測量土壤濕度，DS18B20溫度傳感器測量空氣溫度。單片機讀取數據與用戶設定的值比較，決定水泵是否運作對植物進行澆灌。用戶設置閥值時數字會在液晶顯示頁面上顯示，設置完成后液晶屏上不顯示用戶的設定值，只顯示所測得的溫度和各路濕度數據。若用戶想重新設置溫、濕度閥值，則按設置鍵即可重新設定。

2 智能澆灌系統硬件設計

本次研究選擇AT89S52單片機為系統的主控芯片，以555定時器構成的多諧振蕩電路對土壤濕度檢測和DS18B20溫度檢測作為系統信息采集終端，讀取所測得環境的溫度和土壤的濕度，判斷是否高于或低于用戶設定的數值。通過所測得的值與用戶設定值的比對，決定智能澆灌系統是否對植物進行澆水活動。設計中的溫度傳感器是用于測量環境溫度的值，故只需要一個DS18B20來進行測量；而土壤濕度的測量分為三路，故需要三個555定時器構成的振蕩電路，以對三種不同的植物進行智能澆灌。

本系統主要是通過AT89S52單片機控制水泵的運作決定是否對缺水植物進行澆水活動。水泵置入水源當中，另一端連接外置水管，將水管固定在需澆水的植物周圍，當滿足澆灌條件即可對植物進行澆水活動。水泵的工作由單片機控制，單片機接受到溫度傳感器和濕度傳感器的信號，判斷植物是否缺水，然后對植物進行澆灌或停止澆灌行為。整體硬件主要是由溫度測量模塊、濕度測量模塊、液晶顯示模塊、按鍵模塊、水泵模塊和電源模塊構成。系統方框圖如圖1所示。

2.1 溫、濕度傳感模塊

2.1.1 溫度傳感器DS18B20

溫度傳感器DS18B20是一種常用的改進型智能溫度傳感器，它與普通的測溫元件相比較，它可以直接讀出被測量的溫度并且可以通過編程實現9～12位的數字值讀數方式[4]，其轉換時間為750ms。在-10℃至+85℃范圍內的測量精度為±0.5℃，因為它是一條口線通信，故中央微處理器AT89S52與DS18B20只需一條口線直接相連。DS18B20直接接入單片機，VCC輸入電源為+5V，GND口接地。

2.1.2 555定時器濕度檢測

本設計有三路濕度測量點，實物外接三個YL-69土壤濕度檢測探頭。接線原理圖如圖2所示，三路555定時器濕度測量分別接一個與非門7408芯片且分別接單片機6～8引腳口，再通過一個或非門74LS27，接單片機14引腳口。通過比較所測濕度與所設濕度百分比來判斷是否激活水泵工作。設置單片機T0定時器50ms中斷一次，1秒中斷20次。每當T0發生50ms中斷時，就讀取6、7和8口的計數脈沖個數，則各路讀取的脈沖個數乘以20即為各路555定時器的輸出頻率，再按照濕度與輸出頻率的關系，簡化計算得出所測濕度。

2.2 按鍵、液晶顯示模塊

本設計設置了四個按鍵，分別是復位（電源）鍵、溫濕度設置切換鍵和加、減鍵。一按設置鍵設置允許澆水情況下的最高溫度；二按設置鍵設置一路的濕度百分比（測得低于該百分比則進行澆水活動）；三按設置鍵設置二路；四按設置鍵設置三路；五按設置鍵回到溫、濕度顯示頁面。液晶顯示屏為LCD1602，也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來顯示符號、字母和數字等的點陣式液晶模塊。LCD1602是指顯示的內容為16×2，即可以顯示兩行字符或數字，每行16個字符液晶模塊。液晶屏上顯示的溫度為測得的環境溫度，顯示的濕度為所測三路土壤的濕度值，用戶設定的溫濕度數值不在液晶屏上顯示。

2.3 水泵模塊

本設計采用的水泵為直流5V的立臥式電動小潛水泵。將此潛水泵接水管置于水箱中，當555定時器振蕩電路檢測到土壤濕度低于用戶設定值，同時環境溫度也低于用戶設定值時，系統激活潛水泵葉輪工作，抽吸水箱中的水，通過外置水管流至綠化帶中，達到智能澆灌植物的目的。

3 智能澆灌系統軟件設計

軟件設計部分主要由五大部分構成：溫度檢測部分；濕度檢測部分；液晶顯示部分；鍵盤輸入部分；水泵工作模塊。單片機對檢測的溫濕度與設定的溫濕度數據進行比較，判斷水泵是否進行植物澆灌工作，以此來達到智能澆灌的目的。endprint

3.1 主程序流程圖（圖3）

3.2 調試及分析

設計初步完成后，首先在Proteus上仿真實現想要的效果，根據仿真連線圖焊接萬用板，對萬用板進行調試。單片機系統的硬件調試和軟件調試是不能分開的，許多硬件錯誤是在軟件調試中被發現和糾正的。但通常是先排除明顯的硬件故障后，再和軟件結合起來調試以進一步排除故障。

3.2.1 硬件調試

對于硬件的調試，首先排除邏輯故障，例如接線錯誤或接線短路及斷路情況，再者排除元件故障和電源故障，最后排除軟件燒錄錯誤。

3.2.2 軟件調試

軟件調試在仿真電路圖中進行。首先對LCD1602液晶屏進行調試，當仿真啟動時，觀察仿真液晶屏上是否顯示空氣溫度和3路濕度值。然后對溫度檢測程序進行調試，主要檢查溫度轉換公式是否編寫正確，在仿真電路圖上是否能顯示所測得的溫度。再者對3路濕度檢測，因土壤濕度在仿真中無法檢測，所以這部分調試是在實物上進行調試的，通過液晶顯示器觀察檢測的濕度百分比是否準確，若發現數據不準確則檢查濕度與輸出頻率的關系式在程序編寫中是否正確。之后是對于四個按鍵的檢測，打開電源開關時，液晶顯示屏也同時啟動，按一次設置鍵，實現溫度值的設定；之后每按一次設置鍵，實現1、2、3路濕度值的設定，設置好3路濕度后再按一次設置鍵回到空氣溫度和3路濕度檢測值的顯示頁面。最后通過實物來調試水泵工作程序，在滿足水泵工作條件時，觀察實物水泵是否工作，若不工作則需要檢查程序中的條件語句是否編寫錯誤。

經過軟件和硬件調試后，實物最后實現對空氣的溫度的檢測和對不同土壤濕度的檢測，測量的溫度與實際溫度相差無幾，但由于計算濕度的方式是通過簡化算法來計算的，所以在所測試值與精準機器測的值存在誤差，但是誤差在可接受的范圍內。通過所設值與所測的比較，實物成功實現對土壤濕度不滿足設定值的區域進行澆灌活動。

4 結語

本次設計能夠很好的解決無人照料的情況下仍然保證室內盆栽植物的健康生長和提高水資源的利用率的問題，可讓普通家庭一鍵操控家庭植物帶的澆灌工作，不用擔心植物因缺水而干枯致死。

參考文獻

[1]何偉才.地下滴灌技術及應用[J].科技創新與應用，2012，（1）：56-58.

[2]李剛蔬菜溫室智能測控系統關鍵技術研究與應用[J].硅谷，2011，（18）：94-95.

[3]蘇娜.基于物聯網技術的智能家居系統設計[J].科技尚品，2016，（7）：129-130.

[4]張萍，黃增雙.基于555定時器的數字化測試方法的研究[J].自動化技術與應用，2007，（9）：106-107.endprint