智能盆栽澆水系統設計

安徽商貿職業技術學院信息與人工智能學院 侯秀麗 李素梅

隨著生活水平不斷提高，人們對居住環境及室內空氣質量要求也日益上升。綠色盆栽能夠凈化室內空氣、裝點生活、陶冶情操，因此得到越來越多人們的喜愛。不少家庭或辦公室都種植了許多綠色盆栽。澆水不及時或過度澆灌會導致盆栽花卉枯萎或死亡。在此背景下本文設計了一個智能盆栽澆水系統，應用土壤濕度傳感器實時監測盆內土壤濕度，輸出與濕度有關的電壓信號，放大后通過ADC0832轉換成數字信號送給STC89C51單片機，用LCD液晶顯示濕度值。通過單片機程序來控制水泵工作，若盆內土壤濕度不夠，蜂鳴器報警，同時驅動水泵進行澆水。該系統結構簡單，成本低廉，能夠對室內盆栽實現澆水的智能控制，具有一定的應用價值。

綠色盆栽能夠凈化空氣、裝點生活、陶冶情操，近些年來得到越來越多人們的喜愛。家庭或者辦公室等場所都少不了綠植。這些盆栽綠植的生長趨勢與存活時間受多種因素（土壤、陽光、水分、肥料等）影響，在這些因素中，澆水不當是盆栽綠植死亡的主要原因。有時人們工作繁忙或者出差旅行等無暇照料，導致好不容易種植很長時間的盆栽長勢不好甚至枯死，非常可惜。盡管市面上也有一些所謂的自動澆水花盆在售，但通常是雙層花盆，用來種植的內盆長期浸泡在外層儲水盆里，綠植容易爛根，且不具有水量檢測裝置。也有一些是在自來水管上安裝簡易定時器，通過定時開啟電磁閥來實現澆水。這兩種方式都太過簡單，不夠靈活，智能化程度不高。本文設計了一個智能盆栽澆水系統，能根據土壤濕度傳感器采集的濕度數據來決定是否給盆栽澆水，應用單片機實現澆水的智能控制。

1 系統方案設計

本文所設計的智能盆栽澆水系統，能夠根據土壤濕度情況決定是否給盆栽澆水，在無人照料時，能夠提供滿足盆栽綠植正常生長所需水分。系統設計目標如下：

（1）能夠準確檢測盆栽土壤濕度，并實時顯示濕度信息；

（2）可以根據不同植物種類特點，調整濕度上限與下限數值；

（3）具有兩種模式，在自動模式下，當檢測到的濕度低于下限數值時，進行報警，同時啟動水泵進行澆水。

系統由單片機、土壤濕度檢測與模數轉換、顯示與報警、澆水驅動及電源等部分組成，總體方案如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 STC89C51單片機

本系統控制模塊采用高性能、低功耗的八位STC89C51單片機。它具有8k字節在系統可編程Flash，256字節RAM，4個8位并行I/O口，2個數據指針，3個16位定時器/計數器，2個外部中斷，看門狗定時器，支持全雙工串口。

圖1 智能盆栽澆水系統組成框圖

2.2 土壤濕度檢測

土壤濕度亦稱土壤含水率，是表示土壤干濕程度的物理量。土壤濕度傳感器通過檢測土壤中水分含量來判定土壤濕度。本文選擇電阻式土壤濕度傳感器FC-28，它由不銹鋼探針和防水探頭構成，可插入土壤內，對表層和深層進行濕度監測，長期有效。測量時，把傳感器的兩個探針插入土壤里，由于土壤中各種無機鹽在水中會電離導電，土壤含水多少影響其導電性能強弱，土壤越濕，導電性能越強，電阻越小；反之，電阻越大，利用土壤濕度與電阻值之間的關系即可實現測量。

2.3 模數轉換

由于電阻式濕度傳感器送出的是模擬信號，單片機無法直接處理，因此需要選擇模數轉換器將其變成數字信號，本文選擇了美國NI公司生產的雙通道A/D轉換芯片ADC0832。它采用逐次逼近原理，分辨率8位，可滿足需求，價格實惠。ADC0832與單片機接口電路如圖2所示。

圖2 ADC0832與單片機接口

2.4 顯示與報警

盆栽內土壤濕度信息通過單片機輸出給字符型液晶LCD1602顯示，可以通過按鍵調整顯示濕度的上下限。LCD1602與單片機接口電路如圖3所示。當濕度傳感器檢測到土壤中水分不足時，觸發蜂鳴器報警提示。

2.5 澆水驅動電路

當濕度傳感器檢測到土壤中水分不足時，單片機會驅動繼電器帶動水泵抽水，完成對盆栽澆水。在澆水過程中，濕度傳感器實時檢測土壤濕度，當檢測到土壤中水分足夠時，水泵停止運轉，不再澆水。澆水驅動電路如圖4所示。

圖3 1602與單片機的接口電路

圖4 澆水驅動電路

3 系統軟件設計

3.1 程序結構

使用C語言開發程序，為方便閱讀、調試，整個系統采用模塊化設計。如圖5所示，主程序里包含初始化函數，接著是各種子程序，如按鍵掃描處理程序、土壤濕度采集程序、數據處理程序、顯示程序、澆水驅動子程序等。

圖5 程序結構組成圖

3.2 程序執行流程

當開啟系統后，即進入主函數，初始化函數變量及傳感器模塊，進入按鍵掃描函數，通過按鍵選擇系統的工作模式。當選擇自動模式時，調用土壤濕度采集函數，采集當前土壤濕度值，并通過數據處理程序對濕度值判斷，當濕度值小于預設值時，通過澆水驅動模塊，開啟澆水功能，達到濕度預設值停止澆水。

圖6 系統實物圖

4 系統實物制作與調試

根據硬件電路設計準備元器件，檢查核對無誤后開始布板，依次焊接，完成實物制作，如圖6所示。使用串口模塊實現對單片機程序的下載，下載完畢后進行整機調試與故障排查。

結語：本文設計了一個智能盆栽澆水系統，詳細介紹了系統硬件電路設計及程序設計流程，并完成了實物模型制作與調試。經過多次實驗驗證，該系統能夠根據盆栽土壤不同濕度情況進行合理澆水。系統性能可靠，運行穩定，可以為無人照料的綠植提供生長所需的水分，免除主人擔心綠植枯死等后顧之憂，具有一定的應用價值。