基于單片機的自動灌溉系統設計

摘? 要：自動灌溉系統通過對澆灌設備的自動控制，通過技術在澆灌方面達到節水的目的。文章研究的是基于STC89C52單片機自動澆灌系統，通過ADC0832模塊，采集土壤濕度傳感器信號，并將模擬量轉換成數字量，并由單片機對數據進行分析處理;通過DHT11模塊，對外部環境溫濕度進行檢測;通過LCD1602液晶顯示，將數據顯示在屏幕上;通過蜂鳴器、發光二極管，完成聲光預警模塊;通過繼電器模塊控制水泵，完成自動澆灌的目的。

關鍵詞：STC89C52;A/D轉換;YL-69;LCD1602

中圖分類號：TN929.5? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2022）06-0172-04

Design of Automatic Irrigation System Based on Single-Chip Microcomputer

XU Xiaoxia

（School of Information and Engineering， Xi’an Technology and Business College， Xi’an? 710200， China）

Abstract： Through the automatic control of irrigation equipment， automatic irrigation system achieves the purpose of water saving by technology in irrigation. This paper studies the automatic irrigation system based on STC89C52 single-chip， through ADC0832 module， collects soil moisture sensor signal， and converts analog quantity into digital quantity， and analyzes and processes data by single chip. It detects the external environment temperature and humidity by DHT11 module， displays the data on the screen through LCD1602 liquid display， completes the sound and light warning module by the buzzer and light-emitting diode， completes the purpose of automatic irrigation through controlling water pump by the relay module.

Keywords： STC89C52; AD conversion; YL-69; LCD1602

0? 引? 言

據有關統計，我國人均水資源占有量約為2 200 m3，而世界人口水資源平均占有率約為9 000 m3，是世界上缺水國家之一。在農業發展方面，由于灌溉不合理、水利設施不完善，因此造成了很多問題[1]。對于水資源的需求量也越來越大，合理有效的利用水資源已經顯得尤為重要。我國自古以來都是農業強國，農耕文化深深地影響著生活，如何保證糧食產量，已經上升到國家安全的層面。自動控制等新技術的不斷發展有利于推動技術革新，用51系列的單片機作為本次設計的核心控制單元，通過傳感器及其他外設，通過程序，以實現自動控制的目標。

1? 系統設計方案

1.1? 需求分析

整體系統需要實時檢測土壤濕度情況，并實時檢測空氣的溫濕度，顯示數據到液晶顯示，還需要澆灌模塊等。最終確定有以下模塊：植物根系附近土壤濕度檢測模塊、主控制單元、顯示模塊、聲光預警模塊、繼電器模塊等組成。單片機配合外圍電路構成執行部分。灌溉執行得水泵模塊，通過繼電器實現開始和停止澆灌[2]。

1.2? 系統硬件架構

設計選用的51系列單片機，土壤水分檢測選用YL-69傳感器，土壤濕度傳感器從植物根系附近土壤中采集的數據是模擬量，需要通過轉換數據形式，才能數據進行分析，并將數據顯示在液晶屏上，然后做出相對的指令給執行機構。硬件系統框圖如圖1所示。

2? 電路設計

STC89C52是一種低功耗，高性能的單片機，用戶可自定義編程的空間為用8k字節，有512字節RAM，具有E2PROM功能和全雙工串行口等功能。

2.1? 土壤濕度數據采集

YL-69作為本次設計采集數據的傳感器，它是一個簡單好用的檢測土壤水分傳感器，當環境的濕度發生改變時便會使得濕敏電容所處的環境也發生相應的變化，然后導致濕敏電容中的電容數值產生變化，電容的數值將正比于濕度值[3]。

2.2? 模數轉換模塊

ADC0832作為主控芯片的外圍電路，對采集到的數據進行A/D轉換，將檢測到的模擬量轉換成數字量再送入STC89C52單片機。ADC0832具有的分辨率是8位，能夠達到最高分辨率256級，可以適應一般模擬量到數字量轉換需求[4]。A/D轉換模塊原理圖如圖2所示。

2.3? 溫濕度傳感器

選用數字濕度傳感器DTH11，空氣溫濕度傳感器采用單總線通信。只用一根線完成通信，采集的數據經由這根數據線傳輸，它是傳感器與單片機之間的橋梁。一般情況下需要外接拉電阻，選用阻值為4.7 kΩ，這樣處理的目標是為了，若當總線閑置的情況下，此時呈現出高電平。DHT11原理圖如圖3所示。

2.4? 繼電器模塊

通過電磁原理制造的繼電器。有兩個引腳是低壓控制端，只要接通弱電控制著低壓控制端，通過電磁作用去間接控制一個單刀雙擲開關的狀態。當繼電器正常工作時，通過電磁鐵進行電路的閉合與斷開，當閉合時，銜鐵吸合，電路導通，供水模塊開始工作，當斷開時，電路不再導通，停止澆灌。如圖4為繼電器原理圖。

2.5? 顯示模塊

LCD是一種工業字符型液晶，能夠同時顯示32個字符，它可以顯示字母、數字符號和中文符號，顯示內容廣泛。LCD1602液晶顯示原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區域進行控制，有電就可以顯示出圖形。LCD1602通過P1端口與單片機進行數據通信溝通，將采集的數據顯示在顯示屏上[5]。顯然不可能同時傳輸一個數據并確定顯示位置和顯示內容。當RS=0時，選擇指令寄存器，此時確定顯示位置。若RS=1時，選擇數據寄存器，此時確定它的顯示內容。一個bit確定兩個字符，至少需要5個bit，這樣才能確定32個字符。單片機和液晶顯示是通過數字信號傳遞信息。一個字節有8 bit。由8 bit來控制整體的字符顯示。LCD1602接口電路如圖5所示。

3? 軟件設計

系統軟件設計就是通過設計程序運行硬件的各個部分，相應的分為主程序和幾個子程序來編寫。供電，初始化，設置閾值，LED顯示當前土壤濕度和外部環境的溫濕度數據，實時檢測水分是否在設置的閾值范圍內。在主程序中與設定好的數值進行對比，根據得到的結果可以執行相應的命令，再配合硬件設備相互協調合作，從而達到本次設計目標[6]。

接通總電源，按下自鎖開關，采集的數據經過單片機處理后，然后，在下達指令到輸出模塊上。倘如采集的數據與之前預設的閾值有偏差，繼電器模塊，聲光報警模塊便開始工作。對于不同植物，可調節不同的閾值。

DHT11傳感器包含1個NTC測溫元件和1個電阻式測濕元件，可以與8位高性能單片機連接。DHT11模塊思路分析，單片機通過程序指令發送給傳感器開始信號，DTH11收到后會回復40 bit的數據。

ADC0832有四種工作方式，通過查閱技術手冊，在第一個脈沖中，啟動A/D轉換，第2和3脈沖，選擇到底通過哪個通道進行模數轉換，第4個脈沖開始，用于輸出模數轉換的結果，此結果輸出了兩遍，高位到低位，再有低位到高位，剛好是2個字節。兩次讀取的數據進行比較，倘若相同，則證明轉換成功，數據可交由單片機處理[7]。將各個模塊系統主程序流程圖如圖6所示。

4? 軟硬件調試

4.1? 仿真設計

通過Proteus軟件仿真功能，對設計電路進行仿真，測試部分模塊是否可以正常工作。首先燒錄程序到模擬主控中，點擊開始方可進行仿真，通過按鍵模塊設計報警閾值，并將外部環境溫濕度數據和泥土濕度數據顯示LCDD1602上，當濕度低于閾值則開始澆灌，當濕度過高閾值時則停止澆水，通過繼電器和供水模塊完成。由于仿真軟件無法仿真溫濕度檢測傳感器，這個模塊需要進行實物驗證。利用軟件仿真的目的是為后續的實物測試做一個簡單的測試參考。

4.2? 軟硬件調試

根據Altium Designer軟件所畫的原理圖。通過面包板，將線路與器件相連接。通過燒錄器將程序燒錄到STC89C52。測試整體線路是否設計不合理。整個電路連接完畢后，燒錄程序。再沒有連接供水模塊的前提下，測試沒有問題，能聽到繼電器的閉合的聲音。將模擬水泵的小電機連接進電路，發現LCD1602顯示模塊出現了亂碼的問題，原因可能出在電動機使用主控的電壓，可能造成LCD1602和單片機欠壓，從而導致亂碼。解決好這個問題便開始進行實地測試。

解決LCD1602亂碼的問題，便開始進行面包板的實地測試。實地測試圖如圖7所示。

5? PCB制板及實物測試

5.1? PCB制板

PCB制板工藝：板厚1.6綠油白字表面處理噴錫過孔蓋油，銅厚1 OZFR-4板材。添加旁邊的過孔的目的是為后期調試過程更改元器件，可以手動飛線加以連接。但由于畫板過程中尺寸大小的失誤，過孔直徑太小。無法完成預期的目標。基于單片機的自動灌溉系統設計PCB制板實物圖如圖8所示。

5.2? 實物測試

按各個元器件從低到高的順序開始焊接，應先焊接電阻，石英晶振等元器件，再焊接那些較高的元器件，焊接完畢用萬用表測試，看是否有虛焊點，以防影響整體電路調試。為了容易更換器件，大部分模塊選用排座與元器件進行連通。整體焊接完后的成品如圖9所示。

6? 結? 論

基于單片機的自動灌溉系統設計，經過多次修改嘗試基本滿足設計目的。以STC89C52單片機為自動灌溉系統的控制核心，通過ADC0832芯片，將模擬量轉換為數字量。通過土壤水分傳感器檢測植物根部濕度，通過DHT11模塊，完成外部環境溫濕度的檢測;通過LCD1602液晶模塊，將需要顯示的信息展現在液晶屏上;聲光預警模塊，采用有源蜂鳴器;通過繼電器模塊控制水泵澆灌，完成自動澆灌功能。

參考文獻：

[1] 劉玉明.我國水資源現狀及高效節水型農業發展對策 [J].農業科技與信息，2020（16）：80-81+83.

[2] 王世傳，宋陸飛，崔衛超，等.基于單片機的智能可控澆花裝置的設計 [J].電子質量，2018（12）：47-49.

[3] 楊風霞.基于單片機的智能澆花系統設計 [J].智庫時代，2018（45）：171-172.

[4] 許一洲.基于單片機的智能控制澆花系統的設計 [J].信息通信，2020（5）：103-105.

[5] JAE，SOOL，HAN， et al.The design and implementation of an automatic join system [J].JOURNAL OF THE KOREA INFORMATION SCIENCE SOCIETY，1986，13（4）：264-273.

[6] 朱鑫樂，侯文靜，惠金娣.基于單片機的智能花盆設計 [J].信息技術與信息化，2020（2）：172-173.

[7] 謝維成，楊加國.單片機原理與應用及C51程序設計 [M].北京：清華大學出版社，2014.

作者簡介：徐曉霞（1984—），女，漢族，山西大同人，副教授，碩士研究生，研究方向：仿真技術、信號與信息處理、模糊控制等。

收稿日期：2021-12-10