基于單片機和傳感器的智能澆花器設計

丁維麗 王雪妍 王天龍 陳秀艷

摘 要：為了解決出差、旅游、工作繁忙等因素造成的不能對花草及時澆水的問題，文章基于單片器、傳感器等器件設計了定時系統、水位監測系統和溫度控制系統。并在此基礎上設計完成了一款智能澆花器，實現了對植物生長環境的智能監測，根據植物生長需求條件進行器件設置，實現及時澆水的功能。

關鍵詞：單片機；壓力傳感器；濕度傳感器；定時開關；澆花器

隨著人類社會的經濟發展，人們越來越不滿足于物質條件的充裕，紛紛開始追求有質感的生活，一個典型的例子就是在家里種植花花草草。但忙碌也是當代人的一大特點，沒有太多的時間和精力來照顧花草，導致花草死亡。為了幫助沒有時間照顧花草的人們解決問題，市面上出現了幾種澆花器，例如：2014年，吳平[1]利用溫濕度傳感器和單片機設計了一款澆花器，考慮到了溫濕度對植物生長的影響，通過讀取時鐘芯片的時間來判斷處于哪個季節，從而實現澆水時間段的選擇，并沒有對溫度進行實時的精確監測，且室內不同于室外，四季溫差變化不明顯而濕度卻會有明顯變化，因此，先判斷時間段是否適合再判斷濕度值進行澆水有其不可取之處，比方說冬天室內干燥，暖氣、空調等的存在加快土壤水分蒸發，應優先考慮濕度的影響。2017年，崔彥彬等[2]設計的澆花器也用到了溫濕度傳感器及單片機，還利用了水位傳感器解決了供水問題，溫度設計同樣存在上述弊端。此外，上述裝置還存在以下不足之處：（1）水無法直接到達植物根部，完全靠滲透的話澆水量不好控制，（2）不同功能模塊結合緊密反而未能達到滿足不同植物澆灌需求這一預期效果，一種植物配備一臺澆花器未免繁瑣又浪費資源。

根據上述澆花系統存在的弊端，本文基于以AT89SC52單片機為控制芯片組成的最小系統以及濕度傳感器和壓力傳感器的巧妙應用，設計了一個具有定時澆水、濕度控制、水位控制綜合功能的智能澆花器，而且本設計各個功能既可獨立工作，又可同時工作，可根據不同植物的灌溉需求自由地對各個功能進行組合使用，功能強大[3]。

1 實驗器材

本實驗的核心器材包括STC89C52單片機、壓力傳感器、電壓比較器等。

1.1 STC89C52單片機

STC89C52RC是宏晶科技推出的新一代超強抗干擾、高速、低功耗的單片機，基于Intel標準的8052，指令代碼完全兼容傳統的8051系列單片機，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可任意選擇。

1.2 壓力傳感器

工作電壓：4.2～6.2 V；壓力范圍：0～1 000 mm水柱，0～0.1 kg/cm2；電壓輸出：0.23～4.9 V；線性度0.2%；外型：30 mm ×30 mm×20 mm。

1.3 ADC0832

ADC0832為8位分辨率A/D轉換芯片，其最高分辨可達256級，可以適應一般的模擬量轉換要求。芯片轉換時間僅為32 μs，據有雙數據輸出可作為數據校驗，以減少數據誤差，轉換速度快且穩定性能強。正常情況下，ADC0832與單片機的接口應為4條數據線，分別是CS，CLK，DO，DI。但由于DO端與DI端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的，所以電路設計時可以將DO和DI并聯在一根數據線上使用。

當ADC0832未工作時其CS輸入端應為高電平，此時芯片禁用，CLK和DO/DI的電平可任意。當要進行A/D轉換時，須先將CS使能端置于低電平并且保持低電平直到轉換完全結束。此時芯片開始轉換工作，同時由處理器向芯片時鐘輸入端CLK輸入時鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數據信號[4-6]。

1.4 1602工業字符型液晶顯示器

工業字符型液晶，能夠同時顯示16×02即32個字符（16列2行）。

1602字符型LCD通常有14條引腳線或16條引腳線的LCD，多出來的2條線是背光電源線VCC（15腳）和地線GND（16腳），其控制原理與14腳的LCD完全一樣。

1.5 繼電器的繼電特性

繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統（又稱輸入回路）和被控制系統（又稱輸出回路），通常應用于自動控制電路中，它實際上是用較小的電流去控制較大電流的一種“自動開關”。故在電路中起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用。

繼電器的輸入信號x從0連續增加達到銜鐵開始吸合時的動作值xx，繼電器的輸出信號立刻繼續增大，輸出信號y將不再起變化。當輸入量x從某一大于xx值下降到xf，繼電器開始釋放，常開觸點斷開[7]。

1.6 濕度傳感器

YL-69濕度傳感器，插入土壤即可；將其與電壓比較器連接；順時針調節比較器，控制的濕度會變。

1.7 電壓比較器

它可用于報警器電路、自動控制電路、測量技術，也可用于V/F變換電路、A/D變換電路、高速采樣電路、電源電壓監測電路、振蕩器及壓控振蕩器電路、過零檢測電路等。本器件主要用于比較傳感器檢測到的濕度值轉化而來的電壓值與預設電壓值的高低[8]。

2 智能澆花器系統設計與實驗研究

智能澆花器包含三大功能模塊，分別為定時模塊、濕度檢測模塊、水位檢測模塊；均可單獨實現澆水功能，也可組合起來使用，且均實現了USB供電[9]。

2.1 水位檢測模塊

水位檢測模塊主要包括采用STC89C52單片機作為主控芯片的單片機最小系統、1602液晶顯示模塊、按鍵模塊、壓力傳感器模塊、水泵、ADC0832—8位分辨率A/D轉換芯片。ADC0832芯片將壓力傳感器輸出的電壓轉化為數字信號交給單片機處理后，在液晶屏上顯示當前液位；手動設置液位的上下限，當液位低于預設值時水泵工作開始抽水，達到液位上限后水泵停止工作。此模塊不僅可以用于水培植物的種植，還可用來給其余兩大模塊供水，還可以在蓄水池內調配營養液，既為植物提供了水分，又實現了營養的供給[10]。

2.2 定時模塊

定時模塊采用STC89SC52單片機為核心元件，還包括水泵、1602工業字符型液晶、電磁繼電器、鍵盤電路，采用DS1302時鐘芯片來實現時鐘。此模塊可手動設置澆水起始時間，可設置20組時間，每組均從周一到周五，一天24小時均可設置澆水，還可控制每次澆水的持續時間以及連續兩次澆水的間隔時長。實際上此模塊類似于一個定時開關的作用，當時鐘走到定時開始時間時，繼電器接通，開關打開給水泵供電；時鐘走到定時結束時間時繼電器斷開，開關關閉，小水泵斷電不再工作；在水泵的出水端，接有軟管，軟管可按需求接上分流原件實現多路澆水。另外，軟管末端皆有錐狀物可以深深插入土壤中，使得澆水更透徹[11]。

2.3 濕度檢測澆水模塊

濕度檢測澆水模塊包括繼電器、濕度傳感器、比較器、水泵。通過調節繼電器模塊上的電位器來調節靈敏度，比較器將濕度傳感器輸出電壓與預設電壓相比較，若低于預設電壓，則表示此時土壤濕度低于預設值，繼電器吸合，小水泵工作對植物進行澆水；此模塊結構簡單，材料價格低廉，接線快捷，可分接多個支路以滿足不同種類植物的灌溉需求；軟管的設計與定時模塊一致[12]。

3 結語

本澆花器占地面積小，易于操作，人機交互界面的建立拓展了可自主控制的空間，其多功能性完全能滿足家庭綠植澆灌需求。

[參考文獻]

[1]吳平.多路智能家庭實用澆花器設計[J].價值工程，2014（12）：23-25.

[2]崔彥彬，馬浩坤.基于單片機的自動澆花裝置[J].內燃機與配件，2017（9）：140-141.

[3]李全利.單片機原理及接口技術[M].2版.北京：高等教育出版社，2009.

[4]張曉光.用PIC單片機制作的電源定時插座[J].電子世界，2010（3）：41-44.

[5]譚浩強.C語言程序設計[M].3版.北京：清華大學出版社，2005.

[6]徐慧芳，何雨陽，易棟霖.基于單片機的室內智能澆花系統設計[J].洛陽師范學院學報，2018（2）：7-9.

[7]沈俊慧.基于AT89C52單片機的智能澆花系統總體設計[J].福建廣播電視大學學報，2017（6）：18-21.

[8]曾耀瑩.一種帶音樂的家用智能澆花器的設計與制作[J].電子世界，2016（21）：80.

[9]覃光峰.根據濕度進行智能澆花的硬件設計[J].裝備制造技術，2016（9）：54-57.

[10]卞云松，張國祥，任佳豪，等.基于Arduino單片機的智能澆花器[J].內燃機與配件，2017（7）：119-120.

[11]張紅月.基于單片機控制的自動澆花器的設計[J].電子世界，2017（6）：178.

[12]劉攀.基于單片機的智能澆花器硬件系統設計[J].產業與科技論壇，2016（6）：56.

Abstract：In order to solve the problem that flowers and plants could not be watered in time caused by a business travel， busy work and other factors， this paper designed a timing system， water level monitoring system and temperature control system based on MCU， sensors and other devices. On this basis， an intelligent watering device was designed and completed， which realized the intelligent monitoring of plant growth environment， set up devices according to plant growth requirements， and realized the function of timely watering.

Key words：MCU； pressure sensor； humidity sensor； timing switch； watering device