基于單片機的自動澆花系統的設計

劉瑞妮

(西安翻譯學院 工程技術學院， 西安 710105)

0 引言

現今，很多生活在城市中的人們紛紛在家中或辦公室種植各種綠色植物，用于凈化空氣，改善生活、工作環境，享受田園生活，陶冶情操。但是人們往往忙于工作而忘記給花草定期澆水，尤其到了夏天因無人澆水或者使用不恰當的方法澆水導致植物不能很好地生長甚至干死的事情時有發生。自動澆花系統就給這種忘記澆花或者使用不恰當的方式澆花的人提供了方便，這種設計可以在沒人的情況下對植物進行合理的灌溉[1-5]。

目前，我國使用的自動澆花系統多數是從國外進口的，價格昂貴，且大部分都是使用虹吸原理進行灌溉的[6]，這種灌溉的方法是連續地、不間斷的，采用這種澆花系統僅僅只能保證花卉不因缺水而干枯死，但是對于植物來講并不是其生長的良好環境，并且浪費水資源。另有一些自動澆水系統，采用定時定量澆灌的方式[7]，不能實現“按需”澆灌。本文設計一種自動澆花裝置，在澆水的過程中，可以根據植物需要水分的不同，對植物進行澆水控制，可以在沒有人的環境下對植物進行按需澆灌，達到自動澆水還不浪費水的目的。

1 系統整體設計

根據實際需要，自動澆花系統應包括以下主要功能：

(1) 能夠依據不同花卉的生存條件來設置不同的土壤濕度的上、下限值；

(2) 可以準確檢測土壤的當前濕度；

(3) 顯示檢測的實際濕度數據和設置的上、下限濕度值；

(4) 將采集的數據通過單片機進行分析，進一步決定水泵的自動開或關動作。

根據以上要求設計出自動澆花系統，系統主要包括單片機、電源電路、顯示電路、土壤檢測模塊、按鍵電路、水泵電路六部分，其原理圖如圖1所示。

電源電路為系統提供需要的電源，保證系統正常工作。傳感器模塊主要為濕度傳感器，對土壤的實際濕度進行檢測，檢測結果送入A/D轉換器轉換成數字量后傳送給控制單片機。單片機作為系統的核心部件，主要功能是將實際濕度數據和設定的澆水閾值進行比較，如果當前土壤濕度在正常范圍內，不需要澆水，則水泵不工作；如果濕度低于要求的下限值，單片機會輸出一個信號，命令水泵工作，對花卉進行澆水。當水泵灌溉時，濕度檢測器會持續檢測土壤的實時濕度，當濕度達到設置的上限值時，系統就會中斷水泵的灌溉。

圖1 系統原理框圖

2 系統硬件設計

2.1 土壤濕度檢測和A/D 轉換電路

土壤濕度傳感器又稱土壤水分傳感器，土壤含水量傳感器。本系統使用YL-69濕度傳感器來檢測土壤當前濕度，其靈敏度可調，模塊雙輸出，數字量輸出簡單，模擬量輸出精確，工作穩定。為了顯示實時濕度值，并獲得較高的精確度，系統從A0引腳獲得模擬量，需要通過A/D 轉換電路將其轉換成數字量后輸出給單片機。

A/D 轉換部分選用性價比較高的8位A/D轉換芯片ADC0832，它具有轉換速度快且性能穩定，體積小，功耗低，兼容性強，性價比高而深受歡迎，可以適應一般模擬量的轉換要求，如圖2所示。

圖2 濕度檢測和A/D 轉換電路

圖2為濕度檢測和A/D 轉換電路，其中JP3為濕度傳感器的探頭，它將采集的濕度數據模擬量傳送給A/D 轉換電路，轉換為數字量后傳送給單片機，最后通過單片機對這組數字信號進行處理后將其顯示在顯示器上。

2.2 單片機接口和顯示電路

單片機采用AT89C51，與顯示電路、A/D轉換電路的連接如圖3所示。

AT89C51單片機指令簡單，外圍電路簡單，硬件設計方便，IO口操作簡單，資源豐富，性價比高，具有可編程可擦除的功能，方便程序設計人員進行代碼修改，且程序燒寫簡單，數據處理性能較高， AT89C51控制功能完善，具有較高的效率，如今在嵌入式控制系統中已經得到了廣泛的應用[8]。

系統顯示電路主要用于顯示傳感器檢測的實際濕度和系統設定的上下限值，采用液晶顯示器LCD1602，可以同時顯示字母、數字和符號等，最多可以顯示16x2個字符。能夠同時顯示土壤實際濕度、設置的上下限濕度值與繼電器狀態。

2.3 水泵電路

圖3 單片機與顯示電路、A/D轉換電路連接圖

該部分電路主要是接收單片機發送的指令，根據指令決定水泵的開啟或關閉。水泵控制電路如圖4所示，三級管Q2是PNP型的，其基級B接單片機的P3.7口，用于接收單片機發送的指令。采用電磁繼電器控制水泵的工作狀態；發光二極管為繼電器工作狀態指示燈，當繼電器吸合時，LED燈點亮。

當單片機P3.7引腳輸出低電平時，就會使三極管導通，繼電器吸合，同時狀態指示燈點亮，繼電器常開觸點閉合，水泵開始工作。反之，單片機P3.7引腳輸出高電平時，三極管截止，繼電器釋放，同時狀態指示燈熄滅，繼電器常開觸點斷開，水泵停止工作。

2.4 按鍵電路

為了方便設定土壤濕度上、下限值，設計了按鍵電路，其原理如圖4、圖5所示。

圖4 水泵驅動電路

共有3個按鍵，分別是復位鍵、濕度上限值設定鍵和下限值設定鍵。按鍵采用的是按鈕式鍵盤，每個按鍵大小只有紐扣一般大小。所有按鍵的一端連接在地線上，另一端分別接在單片機預先設定好的引腳上。當某一按鍵按下，該引腳向單片機輸入“0”，低電平，松開恢復高電平狀態。

圖5 按鍵電路

3 系統軟件設計

系統的軟件設計包括系統初始化、顯示程序、按鍵檢測程序、土壤濕度檢測程序、濕度上下限設置程序和水泵驅動程序。主程序流程圖和澆水子程序流程圖，如圖6和7所示。

圖6 主程序流程圖

圖7 澆水子程序流程圖

接通電源，按下啟動按鈕，系統初始化，調用顯示驅動程序，此時的液晶顯示器會顯示當前濕度以及默認濕度的上下限。如果默認濕度的上下限不符合植物需要的上下限濕度，就可以通過按鈕來設置濕度的上下限。接著單片機接收濕度傳感器檢測的土壤濕度數據并對其進行處理，判斷是否需要給植物進行澆水。如不需要，濕度檢測器會繼續檢測濕度，直到需要澆水；如需要，水泵會被打開進行澆水，直到濕度達到設置的上下限范圍內。當實際濕度達到設置上限值時，水泵會自動關閉停止澆水。最后濕度檢測器會繼續監測土壤濕度，重復上述工作。

4 系統性能測試

為了分析該自動澆花系統的性能，做出了實物并進行了功能測試。當濕度檢測器檢測到的當前土壤實際濕度低于澆水下限值時，水泵開始工作，當濕度在設置的上下限范圍之內時，水泵會繼續灌溉，直到當前濕度高于設定的上限值，水泵停止工作。系統實際測試結果表明，系統運行穩定，能夠達到按需澆水的目的。

5 總結

本文設計了一款基于單片機的自動澆花系統，并對其性能進行了測試。該系統能根據花卉的土壤濕度來控制水泵的開啟或停止，當檢測到土壤實際濕度低于澆水下限值時，水泵開始工作，直到當前濕度高于設定的上限值時，水泵停止工作，系統能實現自動按需澆水，避免用戶因為長期不在家或經驗不足而導致花卉死亡的情況。該系統使用方便，成本低廉，適用于普通家庭，有很好的實際應用價值。