基于單片機的自動澆花器設計

徐梓瑞 徐曉 彭曉旭 李金奪

摘 要：基于對家居環(huán)境的現(xiàn)代化改變的理解，花卉如何布置對于各家各戶而言已被列為重中之重的話題，但是這類鮮活植物的生長問題卻與現(xiàn)代的高速發(fā)展的格局有著極大的矛盾，種花容易養(yǎng)花難的問題越來越突出。因此本文設計了一款自動澆花設備，從而有效解決上述矛盾。該設備的核心控制器件是單片機HTC89C51系列，用以控制邏輯器件完成整個自動澆花過程。

關鍵詞：自動澆花；HTC89C51單片機；溫度控制；SHT-11傳感器

中圖分類號：TP273 文獻標志碼：A

0 引言

在21世紀，伴隨著居民的生活品質(zhì)的不斷提高。養(yǎng)花養(yǎng)草這類陶冶情操、改善生活環(huán)境的休養(yǎng)方式受廣大人民群眾的喜愛。主要原因在于花草可以利用自身的光合作用吸收二氧化碳，釋放氧氣與負離子，從而可使空氣變得更加清新，這在高樓林立的當代生活中顯得尤為重要。在花卉養(yǎng)殖過程中定量定時的澆水，關系著花卉的生死。而在現(xiàn)實生活中年輕人因為工作繁忙總會忽略對花卉的照顧。經(jīng)常會因為忘記澆水導致花卉的死亡。當然市場上存在著琳瑯滿目的自動澆水裝置，大多較昂貴，廉價器械澆水能力不足，基于此類社會現(xiàn)實問題，本設計通過對各類傳感器的搭建，將給水問題進行深度的優(yōu)化，解決都市白領們想要體會花卉帶來的享受的同時解放護理困難的問題。

自動澆花器屬于微型噴泉系統(tǒng)的一個鄰科，是現(xiàn)當代興起的新型灌溉設施。主要利用引導水庫里的水通過水泵工作，以一定的初速度從規(guī)定的噴頭噴撒，以花灑的形式落在花草植物、作物及周圍的地面上，從而達到及時補充水分的目的。自動澆花器的出現(xiàn)是隨著人們生活水平的不斷提高以及生活節(jié)奏的不斷加快，出現(xiàn)的一類懶人花卉用品。將微噴的概念應用于家庭花卉的澆灌過程中，通過不斷的修正，從而達到合理給盆花自動澆水的目的。

1 硬件設計

1.1 C51單片機

C51是本次設計的核心控制器件，并因為該器件具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉的特點，成了本次設計的首選控制芯片。在整個過程中，主要運用了C51的中斷、定時器、計數(shù)器等功能。所有的元器件的電路設計都是圍繞該芯片展開的。具體芯片結(jié)構(gòu)如圖1所示。

C51總共有39個管腳，其32個為外部雙向獨立的輸入/輸出端口，獨立兩個外中斷端口，3個16位的可編程定時/計數(shù)器，兩個全雙工串行通信口，C51通常使用常規(guī)的編輯方式進行編程處理。

1.2 SHT-11傳感器

溫濕度SHT-11傳感器用COMSens中的傳感器控制技術將該傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字接口、校準數(shù)據(jù)存儲器、標準I2C總線等邏輯器件集成到了同一個芯片之中（結(jié)構(gòu)內(nèi)部原理如圖2所示）。

從圖2中可看出SHT-11含不同保護的“微構(gòu)”檢測電極體制和特質(zhì)物質(zhì)組成了SHT芯片的電容，保持了電容式濕溫敏器件的本體特性，同時可防止其他方面的各類影響因素的生成。采用該芯片具有反應迅速、高精度、低功耗、低成本等優(yōu)點。管腳圖如圖3所示。

GND為地線；SHT-11的供電電壓為5V左右，SHT-11上電以后需等大概11ms從而脫離“休眠”模式。此時不用發(fā)送指令代碼，對于電源的管腳（VDD，GND）之間可以適當?shù)丶觽€100μF左右的電容，起到去耦濾波作用。

DATA為雙向的串行數(shù)據(jù)線；SHT-11的串行接口，在SHT-11的讀取及電源損耗方面都做了優(yōu)化處理。DATA三態(tài)門控制數(shù)據(jù)的讀取。

SCK為串行時鐘信號通信；在微處理器與SHT-11之間完成通信同步。接口存在完全靜態(tài)邏輯，則不存在最小SCK頻率影響。

VDD為電源端，電壓為5V左右。

1.3 DS1302時鐘芯片

DS1302芯片內(nèi)含有一個實時時鐘/日歷模塊和31字節(jié)的靜態(tài)RAM，如圖4所示。能夠準確的對時間變量進行控制，從而方便這個設計中對時間變化量的需求要求。

DS1302時鐘/RAM通信只需3根線： RST（復位）、I/O（數(shù)據(jù)交換）及SCLK（時鐘通信）。DS1302設計為低功耗工作，保持數(shù)據(jù)和時鐘信息的功耗小于1μF。從而滿足所要求的持久性控制要求。

1.4 DS18B20傳感器

DS18B20溫度傳感器的實用性很強，測量溫度能力較強，對于環(huán)境溫度的變化十分敏感，同時它又十分的小巧耐磨因此十分適合本次設計使用，如圖5所示。

GND接地，VDD接5V電源，I/O口數(shù)據(jù)傳輸，同時需要在I/O和5V電源之間加一個上拉電阻。

2 電路系統(tǒng)設計

2.1 總體設計思路

本次設計主要分為以下幾個部分：

（1）土壤濕度的監(jiān)測以及植被近環(huán)境溫度監(jiān)測。

（2）單片機數(shù)據(jù)采集和邏輯分析。

（3）執(zhí)行設定動作，啟動水泵完成澆水環(huán)節(jié)。

（4）環(huán)節(jié)理性優(yōu)化設計。

模塊設計：本次設計主要有6個模塊分別是：內(nèi)部時鐘控制模塊、復位模塊、水泵驅(qū)動模塊、外部時鐘模塊、濕度檢測模塊、溫度檢測模塊。

2.2 內(nèi)部時鐘控制模塊

內(nèi)部時鐘控制模塊是為了方便使用C51內(nèi)部的時鐘控制程序而搭建的基本模塊，主要作用是做好內(nèi)部延遲，如圖6所示。

2.3 復位模塊

復位模塊是為了處理意外事故搭建的基礎模塊。用以對整個系統(tǒng)進行復位操作，如圖7所示。

2.4 水泵驅(qū)動模塊

水泵驅(qū)動模塊中R4和D1組成一個簡易的穩(wěn)壓電路，Q1和Q2兩個三極管組成一個基本的達林頓結(jié)構(gòu)，作用是提高放大倍數(shù)。從而保證單片機可以驅(qū)動水泵工作。D2為保護電路，為水泵停止時產(chǎn)生的感應電動勢提供釋放的方向，從而保護達林頓結(jié)構(gòu)的正常使用，如圖8所示。

2.5 外部時鐘電路

外部時鐘電路主要的功能，是為了保證系統(tǒng)24h內(nèi)的整個澆水動作能夠順利進行，在DS1302中有日歷功能。從而可以幫助完成對澆水動作的周期性操作，如圖9所示。

2.6 濕度檢測模塊

濕度檢測模塊采用的是，濕度溫度雙料檢測的方式，綜合給出了所求的真實濕度。在這里出現(xiàn)溫度檢測的原因是在該芯片內(nèi)部存在相互驗證的補償電路，作用是使輸出的溫度更可信，如圖10所示。

2.7 溫度檢測模塊

溫度檢測模塊的設計是因為上述濕度檢測模塊中溫度信息的影響作用十分明顯，由于所測量的具體位置處于土壤的下方，對于外部溫度的檢測存在著較大的差異，因此在設計中多加了這樣的一個模塊檢測環(huán)境溫度，如圖11所示。

結(jié)論

本次設計的核心在于微控制器的數(shù)據(jù)分析與控制，通過溫度與濕度的反饋控制水泵的給水。在考慮各方面的優(yōu)化后完成了整個設計，本次設計的特點是充分考慮能耗問題，將耗能最嚴重的液晶顯示模塊舍棄，轉(zhuǎn)用即時模擬的方式完善整個過程。其次是對于SHT-11芯片進行了合理的運用，完善了整個設計的計算過程中可能出現(xiàn)的誤差問題，極大程度上保證了設計的可行性與精確性。

參考文獻

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