基于單片機的花卉智能澆灌裝置設計

張濤 李自成 官永琪 陳洪希 王文濤 程超

摘要：為了解決現代快節奏生活人們沒時間照料花草，最終導致花草長期缺水、暴曬致死等問題，本文設計了一種基于單片機AT89C51的智能灌溉裝置。采用BH1750光強度傳感器和DHT11溫濕度傳感器檢測綠植所處環境土壤溫度、土壤濕度、光照強度。將所采集的信號處理后傳送給單片機，單片機將處理后的信號輸出，經反向型功率放大芯片ULN2803芯片放大后，驅動步進電機的運行，控制實現澆水、遮陽等功能。電路結構采用模塊化設計，利用EDA軟件Proteus建立了電路模型，配合兼容單片機C語言開發系統的Keil軟件進行了模擬仿真。仿真結果驗證了設計思路的可行性，能夠實現裝置智能控制澆灌的目的。

關鍵詞：AT89C51;傳感器;智能控制;信號采集;驅動

0 引言

作為凈化室內空氣，休閑娛樂的一種載體，越來越多的綠植愛好者將綠植花卉引入室內或陽臺。但是存在上班族平時時間比較緊張、一些老人行動不便，根本無暇照料種植的花卉植物問題。本文設計了利用溫濕度、光照強度傳感器采集信息，用單片機控制驅動器，實現澆水、遮陽的智能灌溉裝置。

1工作原理及系統框架設計

植物澆灌并不是任何時候都可以，溫度太高和光照強度太強情況都不適合澆水。本文設計的澆灌裝置，利用兩個傳感器，來采集環境的光照強度、土壤溫度、土壤濕度信息，將所采集的模擬信號，經A/D轉換模塊處理成數字信號傳給單片機，單片機將信號與預設定的溫度、濕度、光照強度值相比較。如果濕度適宜，溫度過高和光照強度太高，單片機則控制遮陽板電機工作，驅動遮陽板對植物進行遮陽處理，電機控制的水泵不工作。如果濕度低于預設值，溫度和光照強度都在適宜范圍內，單片機則控制水泵電機工作，進行灌溉。濕度低于預設值，溫度和光照強度都不適宜，水泵電機不工作。溫度、濕度、光照強度信息共同來決定裝置澆水、控光功能，實現智能控制。

2系統硬件電路設計

2.1時鐘電路和復位電路

單片機時鐘電路是由外部晶振來實現振蕩的電路，為單片機提供運行時間，由兩個電容和一個晶振組成。晶振來決定單片機的運行速度，在本文中選用12MHz晶振。復位電路就是在復位引腳產生復位信號，使單片機程序從頭開始執行，保證單片機程序不會出現跑飛和死機情況，本文采用高電平復位電路。

2.2光照強度傳感電路

植物不能長時間暴曬在陽光之下，容易曬傷植物，植物一般喜陽強度在5klx左右，根據植物自己的喜光程度進行適當調節。利用8位、單通道、價格便宜的A/D轉換器ADC0804芯片，將采集到的光照強度模擬信號轉換為單片機能識別的數字信號，單片機將采集的信號，與處理后的溫濕度傳感器采集的信息相比較，再判斷是否發出澆水遮陽指令。

2.3溫濕度傳感電路

在該設計中選用已經校準數字信后輸出的DHT11溫度濕度相結合的傳感器，該傳感器主要由電阻型感濕元件和NTC測溫元件組成。它可以直接與AT89C51單片機相連，不需要用外設A/D轉換模塊處理檢測的信號，使用方便。溫度量程在0-50，誤差范圍±2。根據實際需要，在本設計中設置土壤溫度上限設置為35，下限設置為28，最理想溫度30。土壤濕度在60%-80%左右，根據不同的植物耐濕性自由調節，一般在75%最佳。當溫度值超過或低于設置的值時，單片機控制的水泵電機不工作，防止凍傷和燒傷植物。等待溫度、光照強度在適宜范圍內，缺水時水泵電機才驅動進行澆水。溫度、濕度當超過設定的值時，繼電器控制的相應LED報警燈會亮，裝置不會進行澆水動作。

2.4驅動電路

在本裝置設計中，驅動電機功能需要能實現正反轉，并且轉動角度可控，按照設定的數值進行轉動。單片機輸出的電流很小，無法直接驅動步進電機，所以在電路設計中加入了反向型功率放大芯片ULN2803，芯片將單片機輸出的電流放大后驅動步進電機。

3系統軟件設計

設計的裝置工作必須要按照一定的順序進行，澆水動作指令的第一步先判斷環境光照強度情況。光照是能量的來源，如果光照強度太高，輻射的能量會引起花盆土壤溫度升高，光照強度太低，會導致土壤溫度過低。在這兩種情況下，都是不適宜進行下一步溫濕度信息采集指令的。單片機會發出相關指令，控制遮陽板工作。當光照強度為0時，整個裝置處于待機不工作狀態。光照強度在適宜范圍內并將溫度控制在適宜的范圍內，再進行土壤濕度監測，進一步再控制水泵的工作。這樣才能保證裝置在植物土壤濕度低于預期的時候，且土壤溫度、環境光照強度適宜時進行澆水，保護植物生長環境物理狀態在最佳。

編程軟件用微控制器軟件開發工具Keil，因其擁有豐富的庫函數和非常強大的集成開發調試工具，在中國的軟硬件領域利用率高達80%。裝置設計的功能要實現，重點在于程序的編寫，Keil μVision 4軟件編程使用的流程為新建Project →選擇單片機型號AT89C51→新建后綴名*.C程序文本→將源文件加入到工程→在源文件輸入框中寫入程序→編譯程序→輸出.hex文件。用Proteus仿真時，雙擊單片機，將hex文件加載到單片機即可進行仿真。程序編寫的重點在于溫度、濕度、光照強度數字信息相比較的程序編寫，會多次用到if函數和for循環函數的嵌套。用到延時函數程序中會多次用到。

4結論

本文設計了一種智能控制灌溉保護植物裝置，利用傳感器來獲得環境信息參數，單片機將信息經過接收、判斷、處理，進而控制水泵電機和遮陽板電機工作。使電機在土壤溫度、濕度、環境光照強度共同監測下進行智能運行，確保澆灌裝置在最理想的狀態下進行灌溉遮陽作業。保證裝置在植物處于最佳狀態下進行澆水動作，即減少了人們的工作量，又保證植物不受損傷。設計的系統裝置能完成信息采集功能、數據處理功能、控制驅動功能，達到了設計的基本要求。

參考文獻

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