智能盆栽澆水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息與人工智能學(xué)院 侯秀麗 李素梅

隨著生活水平不斷提高，人們對(duì)居住環(huán)境及室內(nèi)空氣質(zhì)量要求也日益上升。綠色盆栽能夠凈化室內(nèi)空氣、裝點(diǎn)生活、陶冶情操，因此得到越來(lái)越多人們的喜愛(ài)。不少家庭或辦公室都種植了許多綠色盆栽。澆水不及時(shí)或過(guò)度澆灌會(huì)導(dǎo)致盆栽花卉枯萎或死亡。在此背景下本文設(shè)計(jì)了一個(gè)智能盆栽澆水系統(tǒng)，應(yīng)用土壤濕度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)盆內(nèi)土壤濕度，輸出與濕度有關(guān)的電壓信號(hào)，放大后通過(guò)ADC0832轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送給STC89C51單片機(jī)，用LCD液晶顯示濕度值。通過(guò)單片機(jī)程序來(lái)控制水泵工作，若盆內(nèi)土壤濕度不夠，蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)驅(qū)動(dòng)水泵進(jìn)行澆水。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，能夠?qū)κ覂?nèi)盆栽實(shí)現(xiàn)澆水的智能控制，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

綠色盆栽能夠凈化空氣、裝點(diǎn)生活、陶冶情操，近些年來(lái)得到越來(lái)越多人們的喜愛(ài)。家庭或者辦公室等場(chǎng)所都少不了綠植。這些盆栽綠植的生長(zhǎng)趨勢(shì)與存活時(shí)間受多種因素（土壤、陽(yáng)光、水分、肥料等）影響，在這些因素中，澆水不當(dāng)是盆栽綠植死亡的主要原因。有時(shí)人們工作繁忙或者出差旅行等無(wú)暇照料，導(dǎo)致好不容易種植很長(zhǎng)時(shí)間的盆栽長(zhǎng)勢(shì)不好甚至枯死，非常可惜。盡管市面上也有一些所謂的自動(dòng)澆水花盆在售，但通常是雙層花盆，用來(lái)種植的內(nèi)盆長(zhǎng)期浸泡在外層儲(chǔ)水盆里，綠植容易爛根，且不具有水量檢測(cè)裝置。也有一些是在自來(lái)水管上安裝簡(jiǎn)易定時(shí)器，通過(guò)定時(shí)開(kāi)啟電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)澆水。這兩種方式都太過(guò)簡(jiǎn)單，不夠靈活，智能化程度不高。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)智能盆栽澆水系統(tǒng)，能根據(jù)土壤濕度傳感器采集的濕度數(shù)據(jù)來(lái)決定是否給盆栽澆水，應(yīng)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)澆水的智能控制。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的智能盆栽澆水系統(tǒng)，能夠根據(jù)土壤濕度情況決定是否給盆栽澆水，在無(wú)人照料時(shí)，能夠提供滿足盆栽綠植正常生長(zhǎng)所需水分。系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)如下：

（1）能夠準(zhǔn)確檢測(cè)盆栽土壤濕度，并實(shí)時(shí)顯示濕度信息；

（2）可以根據(jù)不同植物種類(lèi)特點(diǎn)，調(diào)整濕度上限與下限數(shù)值；

（3）具有兩種模式，在自動(dòng)模式下，當(dāng)檢測(cè)到的濕度低于下限數(shù)值時(shí)，進(jìn)行報(bào)警，同時(shí)啟動(dòng)水泵進(jìn)行澆水。

系統(tǒng)由單片機(jī)、土壤濕度檢測(cè)與模數(shù)轉(zhuǎn)換、顯示與報(bào)警、澆水驅(qū)動(dòng)及電源等部分組成，總體方案如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STC89C51單片機(jī)

本系統(tǒng)控制模塊采用高性能、低功耗的八位STC89C51單片機(jī)。它具有8k字節(jié)在系統(tǒng)可編程Flash，256字節(jié)RAM，4個(gè)8位并行I/O口，2個(gè)數(shù)據(jù)指針，3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，2個(gè)外部中斷，看門(mén)狗定時(shí)器，支持全雙工串口。

圖1 智能盆栽澆水系統(tǒng)組成框圖

2.2 土壤濕度檢測(cè)

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(guò)檢測(cè)土壤中水分含量來(lái)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(gòu)成，可插入土壤內(nèi)，對(duì)表層和深層進(jìn)行濕度監(jiān)測(cè)，長(zhǎng)期有效。測(cè)量時(shí)，把傳感器的兩個(gè)探針插入土壤里，由于土壤中各種無(wú)機(jī)鹽在水中會(huì)電離導(dǎo)電，土壤含水多少影響其導(dǎo)電性能強(qiáng)弱，土壤越濕，導(dǎo)電性能越強(qiáng)，電阻越小；反之，電阻越大，利用土壤濕度與電阻值之間的關(guān)系即可實(shí)現(xiàn)測(cè)量。

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換

由于電阻式濕度傳感器送出的是模擬信號(hào)，單片機(jī)無(wú)法直接處理，因此需要選擇模數(shù)轉(zhuǎn)換器將其變成數(shù)字信號(hào)，本文選擇了美國(guó)NI公司生產(chǎn)的雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0832。它采用逐次逼近原理，分辨率8位，可滿足需求，價(jià)格實(shí)惠。ADC0832與單片機(jī)接口電路如圖2所示。

圖2 ADC0832與單片機(jī)接口

2.4 顯示與報(bào)警

盆栽內(nèi)土壤濕度信息通過(guò)單片機(jī)輸出給字符型液晶LCD1602顯示，可以通過(guò)按鍵調(diào)整顯示濕度的上下限。LCD1602與單片機(jī)接口電路如圖3所示。當(dāng)濕度傳感器檢測(cè)到土壤中水分不足時(shí)，觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警提示。

2.5 澆水驅(qū)動(dòng)電路

當(dāng)濕度傳感器檢測(cè)到土壤中水分不足時(shí)，單片機(jī)會(huì)驅(qū)動(dòng)繼電器帶動(dòng)水泵抽水，完成對(duì)盆栽澆水。在澆水過(guò)程中，濕度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)土壤濕度，當(dāng)檢測(cè)到土壤中水分足夠時(shí)，水泵停止運(yùn)轉(zhuǎn)，不再澆水。澆水驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。

圖3 1602與單片機(jī)的接口電路

圖4 澆水驅(qū)動(dòng)電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序結(jié)構(gòu)

使用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)程序，為方便閱讀、調(diào)試，整個(gè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)。如圖5所示，主程序里包含初始化函數(shù)，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(shù)據(jù)處理程序、顯示程序、澆水驅(qū)動(dòng)子程序等。

圖5 程序結(jié)構(gòu)組成圖

3.2 程序執(zhí)行流程

當(dāng)開(kāi)啟系統(tǒng)后，即進(jìn)入主函數(shù)，初始化函數(shù)變量及傳感器模塊，進(jìn)入按鍵掃描函數(shù)，通過(guò)按鍵選擇系統(tǒng)的工作模式。當(dāng)選擇自動(dòng)模式時(shí)，調(diào)用土壤濕度采集函數(shù)，采集當(dāng)前土壤濕度值，并通過(guò)數(shù)據(jù)處理程序?qū)穸戎蹬袛啵?dāng)濕度值小于預(yù)設(shè)值時(shí)，通過(guò)澆水驅(qū)動(dòng)模塊，開(kāi)啟澆水功能，達(dá)到濕度預(yù)設(shè)值停止?jié)菜?/p>

圖6 系統(tǒng)實(shí)物圖

4 系統(tǒng)實(shí)物制作與調(diào)試

根據(jù)硬件電路設(shè)計(jì)準(zhǔn)備元器件，檢查核對(duì)無(wú)誤后開(kāi)始布板，依次焊接，完成實(shí)物制作，如圖6所示。使用串口模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)單片機(jī)程序的下載，下載完畢后進(jìn)行整機(jī)調(diào)試與故障排查。

結(jié)語(yǔ)：本文設(shè)計(jì)了一個(gè)智能盆栽澆水系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)及程序設(shè)計(jì)流程，并完成了實(shí)物模型制作與調(diào)試。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)能夠根據(jù)盆栽土壤不同濕度情況進(jìn)行合理澆水。系統(tǒng)性能可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，可以為無(wú)人照料的綠植提供生長(zhǎng)所需的水分，免除主人擔(dān)心綠植枯死等后顧之憂，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。