基于單片機(jī)的土壤濕度檢測系統(tǒng)設(shè)計

吉成芳，陳高麗

（鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，河南鄭州，450000）

0　引言

濕度是衡量土壤濕度最基本的單位，在空氣中一定體積的含水量是一個衡量濕度的基本單位，空氣中含水分越少，則表明環(huán)境中的空氣越干燥，同時如果環(huán)境空氣中的水分越多則表明空氣越潮濕。隨著科技的進(jìn)步，人們研發(fā)出了低功耗、高性能的土壤檢測控制系統(tǒng)，通過這個系統(tǒng)可以實時監(jiān)控土壤的濕度情況，同時為農(nóng)戶解決土壤濕度監(jiān)控問題，并且實現(xiàn)自動灌溉，方便高效。因此濕度檢測控制系統(tǒng)的研究越來越受到重視，本設(shè)計也考慮這個原因，進(jìn)一步學(xué)習(xí)研究濕度控制系統(tǒng)。

1　系統(tǒng)設(shè)計方案

土壤濕度檢測主要分為三部分：軟件設(shè)計、仿真設(shè)計以及實物設(shè)計。最終三部分統(tǒng)一結(jié)合完成土壤濕度檢測和控制，通過多次調(diào)試、測試最終實現(xiàn)土壤濕度檢測和控制的各個功能。同時實現(xiàn)LCD1602顯示、按鍵調(diào)節(jié)、報警、LED指示。其中下圖左邊代表輸入單元，將信號輸入到單片機(jī)中，后面輸出單元，單片機(jī)對不同的功能或者單元實現(xiàn)不同的控制過程。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)框圖

本文以STC89C52為核心，用于控制濕度測控系統(tǒng)，以達(dá)到其性能目標(biāo)。該系統(tǒng)的關(guān)鍵在于土壤濕度的自動控制，在這方面單片機(jī)有自己的獨特優(yōu)勢，價格便宜、控制方面、易于編程、具有較好的穩(wěn)定性。

單片機(jī)最小系統(tǒng)包括電源、復(fù)位電路、震蕩電路。MCU復(fù)位是為了使CPU和其他系統(tǒng)特性在系統(tǒng)中返回到一個確定的初始狀態(tài)并運行從初始狀態(tài)到啟動工作，例如當(dāng)MCU復(fù)位PC0000H時，SCM系統(tǒng)單元從開始取指令。主控制最小系統(tǒng)電路如圖2所示。

圖2　最小系統(tǒng)電路圖

2　系統(tǒng)仿真

圖3　系統(tǒng)濕度正常工作狀態(tài)

圖4　仿真圖加水狀態(tài)

土壤濕度檢測控制系統(tǒng)的控制單元為單片機(jī)，本設(shè)計采用STC89C52為MCU單元，軟件編程方面采用keil軟件進(jìn)行程序設(shè)計，編程語言為C語言，Protues7.5進(jìn)行系統(tǒng)的仿真測試實驗，Protel99SE作為PCB原理圖和PCB硬件設(shè)計的工具。在系統(tǒng)的編程方面，A/D的轉(zhuǎn)換過程是本次設(shè)計編程的重點和難點單元，并且按鍵的控制在編程設(shè)計中也是重點和難點，為了方便進(jìn)行觀察和控制系統(tǒng)的濕度信息和設(shè)置的上下限信息通過LCD1602顯示。程序的邏輯順序，在 main里面是從上到下無限循環(huán)運行，當(dāng)遇到中斷或者按鍵變化時，保存斷點，響應(yīng)順序有一個優(yōu)先級，先調(diào)用中斷，然后調(diào)用按鍵，當(dāng)中斷和按鍵執(zhí)行過后繼續(xù)返回斷點繼續(xù)執(zhí)行。當(dāng)所有的編程調(diào)試通過編譯之后生成hex文件，手動通過Protues7.5軟件將hex文件添加到MCU里面。在仿真軟件里面對濕度控制系統(tǒng)進(jìn)行測試。

2.1　系統(tǒng)的濕度正常仿真階段

系統(tǒng)濕度正常工作的仿真如圖3所示。RH_L顯示當(dāng)前的按鍵調(diào)節(jié)的值，此時RH大于RH_L，即測得的土壤濕度值大于設(shè)定值，可以看到蜂鳴器報警指示燈關(guān)閉，模擬LED加水指示燈關(guān)閉。表示土壤濕度值在正常狀態(tài)。

2.2　系統(tǒng)報警仿真階段

土壤濕度檢測控制系統(tǒng)以單片機(jī)作為CPU單元，土壤濕度傳感器采集土壤的濕度，將采集的數(shù)據(jù)傳送給送給ADC0832轉(zhuǎn)換芯片，將轉(zhuǎn)換后的模擬信號送給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)分析當(dāng)前的濕度，如果RH小于RH_L，即采集的土壤濕度小于當(dāng)前設(shè)定的濕度，單片機(jī)給蜂鳴器發(fā)送指令、蜂鳴器報警同時LED點亮。同時單片機(jī)給繼電器發(fā)送控制直流，通過繼電器吸合模擬給土壤加水，同時LED指示燈點亮。當(dāng)前的土壤濕度、設(shè)定的土壤濕度通過LCD1602顯示。在任意過程中都可以通過按鍵對濕度值進(jìn)行連加和連減的功能。系統(tǒng)仿真如圖4所示。

3　系統(tǒng)實物演示

系統(tǒng)實物，通過USB接口供電，將濕度傳感器插入土壤，測量土壤濕度。實驗時我們不斷向土壤里面加水，可以看到上面顯示系統(tǒng)界面，下面顯示當(dāng)前的濕度值。以及濕度上限值，濕度的上限值可以通過按鍵進(jìn)行調(diào)整。如果采集的土壤濕度小于當(dāng)前設(shè)定的濕度，單片機(jī)給蜂鳴器發(fā)送指令、蜂鳴器報警同時LED點亮。通過繼電器模擬加水。

圖5　實物加水狀態(tài)圖

隨著土壤中水分的增加，濕度傳感器將新測得的數(shù)據(jù)傳到A/D模塊，在A/D模塊中進(jìn)行轉(zhuǎn)換后發(fā)送給單片機(jī)，直到檢測值達(dá)到設(shè)定值蜂鳴器停止報警LED燈熄滅，繼電器停止工作。此時，土壤濕度值已經(jīng)達(dá)到預(yù)定值。

圖6　土壤濕度正常圖

4　總結(jié)

本文通過仿真和實物對檢測系統(tǒng)正常階段與警報階段的過程的對比，實現(xiàn)了對土壤濕度的檢測和控制。經(jīng)試驗驗證，可以設(shè)定不同的濕度來對系統(tǒng)進(jìn)行測試，這對今后對土壤濕度的研究具有一定的參考價值。