基于單片機的居家無人綠植監護系統設計

楊美子，陳晨慧，高 羽，費 凱，王永鑫

（安徽理工大學 電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001）

研究發現出現無法正常使用綠植監護裝置問題的家庭主要為經常因公出差的白領家庭，此類家庭由于經常長時間離家導致家中缺水停電進而引起了使用該裝置的問題。并且經過調查走訪發現該類家庭往往是最需要此類無人綠植監護系統的受眾人群。故為了完善該系統增加了一項儲水功能，并且為了該儲水功能能夠正常運行引入了水位控制模塊。該水位控制模塊中以STC89C52 單片機為整個模塊的CPU。通過水位傳感器實時傳導水位數據給單片機，當水位達到低水位或是高水位時，單片機將會給電磁閥水龍頭下達指令使得其“開”或“關”，對水箱進行儲水或者是停止儲水，使得水箱中的水在正常情況下始終處于正常的范圍[1]。

1 系統總設計

為更好地解決家養綠植無人監護問題，本文對居家無人綠植監護系統的設計進行了完善，增加了儲水功能模塊，同時為了該儲水功能模塊能夠正常運行，引入了水位控制模塊。該系統由硬件部分和軟件部分組成，硬件包括單片機主控水位監測、按鍵輸入、水泵澆灌、顯示、蜂鳴器發出通知五大模塊。該設計采用了以STC89C52 單片機作為總控制器控制水位傳感器并加入光報警系統，在閉環控制、開環控制和模糊控制3 種不同的控制方法中選擇了閉環控制方法進行有效檢測，且在該系統檢測到與設定條件不符時可自動進行合適的修正，閉環流程圖如圖1所示。

圖1 閉環流程圖

水位傳感器由STC89C52 單片機作為控制器控制，為了保證其正常運行，當儲水量低于設定值時將會啟動光報警系統，即發出閃光和警報聲作為提示，從視覺和聽覺上提醒用戶水箱水量已經低于最低要求的設定值，需要立即向水箱中加水，若用戶在設定的時間內無應答，系統將通過控制器的控制自動開啟電磁閥裝置，利用地勢差或虹吸原理向水箱中加水[2]，當達到設置的最高水位線時停止注水。此時該儲水模塊的系統一次循環已經完成，在設備完好的情況下，系統將持續循環。

2 系統硬件設計

本次設計的自動澆灌系統由電源模塊、單片機最小系統、繼電器控制水泵、電路遺跡報警電路組成。控制系統采用直流電源適配器供電，提供5 V 電壓，總開關采用自鎖開關，接線時只接常開觸點，當開關按下時，觸點閉合，實現電源接通，系統開始工作[3]。核心CPU 采用STC89C52，一種低功耗、高性能CMOS 8 位微控制器，具有8 K 字節系統可編程Flash 存儲器。本設計的控制系統是在STC89C52 單片機芯片上開發的，并且對芯片的外圍電路進行了擴展，具有很強的靈活性和智能性。

最小的系統主要由STC89C52 單片機模塊、晶振電路和復位電路組成。晶振電路結合單片機內部電路，產生單片機所需的時鐘頻率。單片機晶振提供的時數越多，單片機運行速度就越快。單片機的晶振向系統提供主要的時鐘信號。由于單片機內部具有晶振電路，所以外部只需鏈接一個晶振和兩個電容，電容容量通常在15 pF 至50 pF 之間，此設計選擇了30 pF。在最小系統復位電路中，復位操作有上電自動復位和按鍵手動復位兩種方式。本系統中使用上電復位方式，通過外部電路充電容量實現。只要VCC 的高度不超過1 ms，就可以實現自動上電復位，也就是說，接通電源即成了系統復位初始化。

水位控制模塊主控制器采用STC89C52 單片機，該模塊由PNP 型三極管和繼電器及水泵組成，單片機控制三極管基極。繼電器是一種根據某種輸入信號的變化，而接通或斷開控制電路，實現自動控制和保護電力拖動系統的電器。當系統選擇手動澆灌模式或自動模式時，其水位低于設置的下限水位，則PNP 型三極管導通，繼電器得電，常開觸點吸合，電動機回路連通，執行澆灌工作[4]。當水位高于自動模式的上限水位時，則PNP 型三極管導通，繼電器斷電，常開觸點復位，電動機回路斷開，澆灌中止。水位傳感器原理圖如圖2 所示。

圖2 水位傳感器原理圖

LCD 液晶顯示模塊采用LCD1602 液晶顯示，能夠同時顯示32 個字符。VSS 為地電源，VDD 接5 V 正電源。V0 為液晶顯示器對比度調整端。RS 為寄存器選擇，高電平時選擇數據寄存器、低電平時選擇指令寄存器。R/W 為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作，當RS 為高電平、R/W 為低電平時可以寫入數據。E 端為使能端，當E 端由高電平跳變成低電平時，液晶模塊執行命令。D0～D7 為8 位雙向數據線。該模塊主要負責顯示水位和澆水的范圍值。LCD1602顯示屏AD 圖如圖3 所示。

圖3 LCD1602 顯示屏AD 圖

報警模塊采用蜂鳴器報警和指示燈報警雙重聲光報警。蜂鳴器采用直流電壓供電，接入5 V 電源。單片機IO 引腳輸出的電流較小，單片機輸出的TTL 電平基本上驅動不了蜂鳴器，因此需要經過三極管放大驅動電流，驅動蜂鳴器報警。蜂鳴器一端連接三極管的引腳，另一端接地。一般地，三極管起開關作用。若系統檢測出水位未達到或超過設定的閾值，即基極的高電平使三極管飽和導通，蜂鳴器電流形成回路，發出聲音，同時指示燈亮，系統進入報警狀態；當水位在閾值內，基極的低電平則使三極管關閉，指示燈暗，蜂鳴器不發出聲音，系統正常運行[5]。蜂鳴器報警原理圖如圖4 所示。

圖4 蜂鳴器報警原理圖

3 系統軟件設計

控制系統的軟件部分使用KEIL 軟件，以C 語言來編寫程序，PROTEL 進行系統仿真模擬，同時采取模塊化的形式，這樣會使條理清晰明了、便于擴展[6]。軟件設計思路首先為系統初始化、顯示啟動界面，同時獲取當前水位信號。通過A/D 轉換后，傳輸到LCD 顯示器顯示信息；然后設定信號，STC89C52 單片機為整個水位模塊控制的CPU，它會將實測水位信號和設定信號進行比較，得出偏差，根據偏差，向電磁閥水龍頭發出指令，使得儲水箱水位處于正常狀態。如果儲水箱處于正常狀態，則電磁水龍頭關閉輸水，水箱停止儲水。反之儲水箱處于缺水狀態下，系統會進入報警狀態，蜂鳴器電流形成回流，發出聲音，與此同時指示燈亮，提醒儲水箱水位處于不正常狀態下；當水位又處于正常狀態下，蜂鳴器停止發出聲音，指示燈變暗?？刂葡到y主程序流程圖如圖5 所示。

圖5 系統主程序控制流程圖

根據電路原理圖，焊接電路板，再將程序燒錄到STC89C52 單片機中，接通電源，啟動顯示界面，設定初始信號，進行模擬檢測。檢測水位信號與設定信號有偏差時，觀察電磁水龍頭是否發出“開”指令，蜂鳴器是否發出聲音，指示燈是否變亮，進一步觀察儲水箱是否處于正常狀態。當儲水箱水位處于正常狀態，觀察電磁水龍頭是否發出“關”指令，再觀察蜂鳴器是否停止發出聲音，指示燈變暗。若上述情況均發生，可以說明控制系統運行正常。如果系統調試過程出現各個模塊不工作等情況，使用萬能電表檢查電路板是否焊接正確、各個模塊存在短路、接觸不良等情況。排除所有故障之后，該系統進行一段時間的運行檢測，系統工作正常，則表示控制系統穩定性良好[3]。系統完善后CAD 制圖如圖6 所示。

圖6 系統完善后CAD 制圖

本電路以STC89C52 單片機為核心，結合水位控制模塊，并且根據C 語言程序編寫，從而編寫出比較良好的水位控制核心。進一步完善了無人綠植監護系統的儲水功能。使用更加方便、快捷，更貼近于生活。

4 結論

針對人們的日常工作忙碌，常常會忘記給植物澆水這一社會普遍現象，設計了基于單片機的居家無人綠植監護系統。本文完善了單片機的居家無人綠植監護系統，以STC89C52 單片機為總控制器控制水箱水位以及實施自動澆灌的功能，配合優化后的電路，實現無人檢測，突破人為檢測的局限性，減小了受停水因素影響可能性。完善后的系統使用相較于傳統的無人澆灌系統，在儲水功能方面有顯著的提升，彌補了水源供應不及時這一缺陷。完善以后的自動澆灌系統明顯有以下優點。

（1）無人化：對該監護系統添加一個水位控制模塊實現對水位進行精準控制，解決了人們在使用家用澆灌設備中所出現的水源不可控問題，徹底實現居家智能綠植監護器的無人化。（2）節約型：通過對澆灌綠植水資源的控制，減少了水資源的浪費，貫徹了“節約資源，可持續發展”的理念。（3）高效性：僅在原先智能綠植澆灌系統中增加一個水位控制模塊，即可實現整個系統的完善。（4）低廉性：所增加模塊的產品零件簡單且并不昂貴，適宜大規模生產。