劉 川 張小成 高進淵 馬金剛 和曉雲(yún) 李曉勤

（塔里木大學機械電氣化工程學院，新疆 阿拉爾843300）

0 引言

隨著生活水平的提高，喜歡養(yǎng)花的人也越來越多，但當人們出差旅行或者放假的時候，花卉的澆水成為人們比較犯難的問題。而且現(xiàn)在市面上的澆花裝置比較少，其采用的技術(shù)往往是如下的兩種，一是基于簡單的物理原理，如利用虹吸原理對植物進行澆水；二是利用簡單的定時控制技術(shù)，實現(xiàn)對植物的定時定量澆水。依據(jù)這兩種原理制成的裝置無法根據(jù)土壤濕度實時澆水，后果嚴重時可能導致花卉干枯或者過澇死亡?；谝陨媳尘埃覀冊O(shè)計的智能自動澆花系統(tǒng)以實現(xiàn)在不同環(huán)境下對植物的精確自動澆水。

本文就是由濕度傳感器實現(xiàn)對花盆土壤濕度的信號采集，由單片機實現(xiàn)對信號的數(shù)字化處理輸出，并將輸入濕度值與設(shè)定濕度值進行對比分析，然后確定澆水系統(tǒng)的工作情況。

1 材料與研究過程

1.1 材料與軟件平臺

系統(tǒng)使用電子器件：STC89c52單片機、ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換、LCD1602液晶顯示屏、YL-69土壤濕度傳感器、存儲芯片24C02、水泵、排阻電容等其它常用元器件。

設(shè)計使用軟件平臺：程序編輯、編譯、調(diào)試軟件keil、電路模擬仿真軟件proteus、程序燒寫軟件STC-ISP、USB串口調(diào)試軟件。

1.2 實驗研究對象

以常見花盆花卉為實驗對象進行設(shè)計與研究。

1.3 設(shè)計流程

設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 設(shè)計流程圖

2 電路設(shè)計方案

2.1 智能主控電路

主控電路是整個系統(tǒng)的核心，主要由STC89C52單片機為主。單片機是單片微型計算機的簡稱,通俗來講，就是把中央處理器CPU、存儲器、定時器、I/O接口電路等一些計算機的主要功能部件集成在一塊集成電路芯片上的微型計算機。單片機特別適合控制領(lǐng)域，故又稱為微控制器MCU，單片機只要和適當?shù)能浖巴獠吭O(shè)備相結(jié)合，便可成為一個單片機控制系統(tǒng)，由此我們構(gòu)建單片機最小系統(tǒng)。單片機最小系統(tǒng)由時鐘電路和復位電路組成。

2.1.1 單片機的時鐘電路

時鐘電路用于生產(chǎn)單片機工作所需要的時鐘信號，而時序所研究的是指令執(zhí)行中各地址信號之間的相互關(guān)系。單片機本身就如一個復雜的同步時序電路，為了保證同步工作方式的實現(xiàn)，電路應在唯一的時鐘信號控制下嚴格地按時序進行工作。

2.1.2 單片機的復位電路

單片機復位是使CPU和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。無論是單片機剛開始接上電源時，還是斷電后或者發(fā)生故障后都要復位，單片機復位的條件是：必須使RES/Vpd或者RST引腳加上持續(xù)兩個周期以上的高電平。

在proteus中畫電路圖，如總電路圖中圖2.1所示。

2.2 獨立鍵盤輸入電路

獨立式按鍵是指直接用一根I/O口線構(gòu)成的單個按鍵電路。每個獨立式按鍵單獨占有一根I/O口線，每根I/O口線上的按鍵的工作狀態(tài)不會影響其他I/O口線的工作狀態(tài)。獨立式按鍵接口電路配置靈活，軟件結(jié)構(gòu)簡單，但每個按鍵必須占用一根I/O口線，在按鍵數(shù)量較多時，I/O口線浪費較大。故在按鍵數(shù)量不多時，常采用這種按鍵結(jié)構(gòu)。獨立式按鍵電路如圖3所示。上拉電阻保證了按鍵斷開時，I/O口線上有確定的高電平。本設(shè)計外圍電路接有四個獨立按鍵，其中兩個作為濕度下限增減的設(shè)置按鍵，另外兩個作為濕度上限增減的設(shè)置按鍵。

因為本裝置所用的I/O口不是很多，而且需要的按鍵數(shù)目不多，故選用獨立式鍵盤。

在proteus中畫電路圖，如總電路圖中圖2.2所示。

2.3 濕度傳感器輸入電路

本設(shè)計用土壤濕度傳感器YL-69檢測土壤濕度，YL-69傳感器有4個引腳分別為：1 VCC（外接3.3V-5V）、2 GND（外接GND）、3 DO（小板數(shù)字量輸出接口）、4 AO（小板模擬量輸出接口）。本傳感器模塊具有雙輸出模式，DO數(shù)字量輸出簡單，AO模擬量輸出更精確。當使用數(shù)字量輸出接口時，通過電位計調(diào)節(jié)設(shè)定值，在土壤濕度達不到設(shè)定閾值時，DO口輸出高電平，當土壤濕度超過設(shè)定閾值時，模塊D0輸出低電平。所以小板數(shù)字量輸出D0可以與單片機直接相連，通過單片機來檢測高低電平，由此來檢測土壤濕度。當使用模擬量輸出接口時輸出AO可以和AD模塊相連，通過AD轉(zhuǎn)換，可以獲得土壤濕度更精確的數(shù)值。所以我們選用AO接口與ADC0832轉(zhuǎn)換模塊等一些元器件組成濕度傳感器輸入電路。

在proteus中畫電路圖，如總電路圖中圖2.3所示。

有研究指出，植物葉片的N、P含量在不同時期往往展現(xiàn)出較大的差異[31]。胡耀升等[32]對長白山森林植物功能性狀的研究表明，LNC與LPC呈極顯著正相關(guān)，而趙光偉[33]則發(fā)現(xiàn)烤煙葉片總氮含量隨葉齡的增大逐漸降低，本研究結(jié)果與之一致。長柄雙花木的LNC和LPC在植株的不同發(fā)育階段表現(xiàn)出顯著的差異，LNC和LPC均隨著植株的發(fā)育而下降。這可能是由于在幼苗時期葉片代謝頻繁，需要較多的蛋白質(zhì)和核酸來滿足葉片生長的需求，提升了N、P濃度；而到了幼樹和成樹時期，植物獲取的大部分養(yǎng)分被輸送到其他器官用于開花等，相應地植物葉片中的N、P含量有所下降[32]。

2.4 蜂鳴器驅(qū)動電路

蜂鳴器驅(qū)動電路主要實現(xiàn)當測的土壤濕度低于設(shè)定下限濕度或高于設(shè)定上限濕度時進行明示。該電路使用蜂鳴器，然后經(jīng)過單片機的一根口線驅(qū)動。由于單片機的I/O口驅(qū)動能力有限，無法驅(qū)動蜂鳴器鳴響，這里用到一個PNP型的三極管作為驅(qū)動器，來驅(qū)動蜂鳴器。

在proteus中畫電路圖，如總電路圖中圖2.4所示。

2.5 水泵驅(qū)動電路

水泵驅(qū)動電路是本設(shè)計的控制末端。通過判斷單片機口線P32的高低電位確定PNP型三極管的工作狀態(tài)以此作為驅(qū)動器來驅(qū)動繼電器。然后決定是否開啟水泵澆水。

在proteus中畫電路圖，如總電路圖中圖2.5所示。

2.6 液晶顯示電路

LCD1602為兼容的液晶顯示模塊，本設(shè)計中采用兩行16字符型的模式，顯示亮度可調(diào)，是一種使用較方便、價格較便宜的液晶顯示器件。他有液晶顯示屏和驅(qū)動器兩部分組成，單片機通過寫控制字方式訪問驅(qū)動器來實現(xiàn)對液晶顯示屏的控制，系統(tǒng)是利用液晶顯示屏來顯示設(shè)定濕度范圍和檢測到的土壤濕度。它的外圍器件可以裝一個精密電位器，來實現(xiàn)液晶顯示屏亮度的調(diào)節(jié)。

在proteus中畫電路圖，如總電路圖中圖2.6所示。

2.7 其它常見電路

在一些電路系統(tǒng)中我們常會用到一些其它輔助性的電路，如電源濾波電路等。濾波電容用在電源整流電路中，用來濾除交流成分。使輸出的直流更平滑。去耦電容用在放大電路中不需要交流的地方，用來消除自激，使系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

此外在本設(shè)計系統(tǒng)中還有一個不可缺少的電路部分用來存儲設(shè)定濕度值。它是使用儲存芯片24C02為主要器件組成的電路。

在proteus中畫電路圖，如總電路圖中圖2.8所示。

2.8 總電路系統(tǒng)

將上述分電路整合，搭建成最終的自動澆花系統(tǒng)電路。在proteus中輸入程序進行仿真。如圖2所示。并設(shè)計PCB板，最后在PCB板上焊接相應電路元器件，并在花盆中完成系統(tǒng)調(diào)試與優(yōu)化確保完成設(shè)計研究。

圖2 總電路

3 系統(tǒng)工作流程

本系統(tǒng)先通過傳感器將對土壤中含水量的物理量進行采集，然后通過信號轉(zhuǎn)換部分將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，交給單片機系統(tǒng)進行處理。通過與設(shè)定濕度的對比來智能控制是否澆水，在需要時驅(qū)動相關(guān)外設(shè)，進行自動精確定位地灌溉。系統(tǒng)具體工作流程如圖3所示。

4 研究結(jié)果分析

本智能澆花系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，自動化程度高，方便升級改造，可實現(xiàn)智能化澆花的需要，能很好解決現(xiàn)在及將來一段時間內(nèi)家庭澆花的問題。當然本系統(tǒng)也存在一定紕漏，由于一些干擾因素的影響可能會出現(xiàn)實驗偏差。比如理論與實驗之間的誤差，它主要來源于試驗中存在電路連線阻值變化等一些其它的偶然誤差。

5 結(jié)論

隨著智能家具的發(fā)展，人們對智能化控制的渴望越加劇烈，“智能自動澆花系統(tǒng)”也就隨之而來；而今信息技術(shù)和單片機技術(shù)的發(fā)展，我們完全可以采取電子智能化控制的手段來解決以上問題。本文基于單片機對土壤濕度傳感器信號的采集與處理的設(shè)計進行了研究開發(fā)，實現(xiàn)在proteus軟件平臺下的仿真與程序調(diào)試，將調(diào)試成功的程序燒寫到單片機中，將系統(tǒng)電子器件集成在PCB板上，成功完成了智能自動澆花系統(tǒng)的設(shè)計制作。本文的設(shè)計思想可以應用在其它自動灌溉系統(tǒng)的采集與處理設(shè)計中，為相關(guān)的設(shè)計研究提供了有價值的參考。

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