何偉宏 鄭首易 毛錦庚 陳美金 中山大學(xué)南方學(xué)院 廣東廣州 510970

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基于單片機(jī)的智能澆花系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

何偉宏 鄭首易 毛錦庚 陳美金 中山大學(xué)南方學(xué)院 廣東廣州 510970

【文章摘要】

本文基于STC12C5A60S2單片機(jī)和傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一款智能澆花系統(tǒng)，它的主要功能是為植物定時(shí)定量地澆水，通過(guò)濕度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控土壤濕度，基于單片機(jī)系統(tǒng)控制水泵自動(dòng)進(jìn)行澆水，全天候?yàn)橛脩?hù)“托管”植物。通過(guò)軟硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)實(shí)物測(cè)試，表明該系統(tǒng)功能完備、性能優(yōu)良，在實(shí)際生活中具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】

STC12C5A60S2單片機(jī);土壤濕度檢測(cè);智能澆花

0 引言

隨著社會(huì)的飛速發(fā)展，人們對(duì)生活質(zhì)量要求越來(lái)越高。很多人會(huì)選擇在家里種植一些花卉以陶冶情操。但當(dāng)人們忙于學(xué)習(xí)工作時(shí),或者是碰上出差、旅游等不在家的情況時(shí)，因無(wú)暇照顧那些嬌嫩的花兒以至于植物很快枯死。智能澆花系統(tǒng)能輕松排除人們的這些顧慮，讓植物們可以通過(guò)系統(tǒng)的個(gè)性化設(shè)置達(dá)到智能灌溉的目的。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)如圖1所示，自動(dòng)澆花系統(tǒng)主要由電源模塊、單片機(jī)控制模塊、水泵驅(qū)動(dòng)模塊、土壤濕度測(cè)量模塊和按鍵顯示模塊五大模塊組成。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能是，可以按照用戶(hù)設(shè)定的具體方案進(jìn)行定時(shí)定量澆花，用戶(hù)可以通過(guò)屏幕了解系統(tǒng)具體的設(shè)定信息和土壤實(shí)時(shí)濕度。當(dāng)?shù)竭_(dá)所設(shè)定的澆花時(shí)間，系統(tǒng)會(huì)通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊控制水泵為植物澆水，當(dāng)澆水量達(dá)到所設(shè)定的具體值時(shí)，水泵又會(huì)停止工作。通過(guò)這樣的方法，系統(tǒng)便可以定時(shí)定量地會(huì)進(jìn)行澆花。然而固定的澆花方式有時(shí)候無(wú)法應(yīng)對(duì)多變的天氣。時(shí)而驟雨，時(shí)而暴曬的天氣或許會(huì)傷害到一些柔嫩的植物，因此系統(tǒng)還具有濕度監(jiān)控的功能，濕度傳感器會(huì)為系統(tǒng)采集土壤的實(shí)時(shí)濕度，當(dāng)土壤濕度低于濕度下限時(shí)，系統(tǒng)會(huì)立即為植物澆水，當(dāng)土壤濕度高于濕度上限時(shí)，即使到了所設(shè)定的澆花時(shí)間，自動(dòng)澆花器也不會(huì)澆花。這樣，植物的土壤濕度就可以穩(wěn)定在一個(gè)適宜的范圍，有助于植物的生長(zhǎng)。

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

圖2　濕度傳感器模塊電路

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1控制核心

系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心，配合外圍電路實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。STC12C5A60S2是一款增強(qiáng)型的8051單片機(jī)，速度相當(dāng)于普通單片機(jī)的8-12倍，配合外部的晶振，其16位的定時(shí)器可以為系統(tǒng)提供高精度的時(shí)鐘。因?yàn)樾酒詭?路10位精度A/D轉(zhuǎn)換，所以系統(tǒng)不需要添加外部的AD模塊，就可以十分方便地采集到濕度傳感器輸出的模擬量信號(hào)。而且STC12C5A60S2可以處于低功耗的模式進(jìn)行工作。

2.2濕度傳感器

濕度傳感器模塊的電路如圖2所示，考慮到系統(tǒng)對(duì)土壤濕度測(cè)量的精度要求不高，為了降低系統(tǒng)的成本，采用了普通的電阻式土壤濕度探頭對(duì)濕度進(jìn)行檢測(cè)。濕度不同，濕度探頭的電阻值也不同，電路也會(huì)輸出不同的電壓值，將該電壓值使用STC12C5A60S2自帶的A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行采集，系統(tǒng)就可以檢測(cè)到土壤的實(shí)時(shí)濕度。

2.3屏幕LCD5110

LCD5110的屏幕是NOKIA 公司生產(chǎn)的液晶顯示模塊，該模塊的體積非常小。它的工作電壓為3.3V-5V，而且成本低廉，速度快，是LCD12864的20倍，是LCD1602的40倍，因此相對(duì)于Lcd1602和Lcd12864等液晶模塊來(lái)說(shuō)，性?xún)r(jià)比十分高。因?yàn)槠潴w積小和性?xún)r(jià)比高的特點(diǎn)，自動(dòng)澆花系統(tǒng)采用了LCD5110作為顯示模塊。

2.4水泵驅(qū)動(dòng)模塊

水泵驅(qū)動(dòng)模塊采用L298N驅(qū)動(dòng)模塊。該模塊內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，十分適合用于驅(qū)動(dòng)水泵這類(lèi)型感性負(fù)載。使用該電路來(lái)驅(qū)動(dòng)水泵的電機(jī)，不僅干擾能力強(qiáng)，而且具有過(guò)壓保護(hù)和過(guò)流保護(hù)。

3 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要以STC12C5A60S2的程序編寫(xiě)為主。系統(tǒng)程序流程圖如圖3所示。系統(tǒng)剛啟動(dòng)時(shí)，STC12C5A60S2對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始化，然后啟動(dòng)定時(shí)器中斷和外部中斷，系統(tǒng)不斷刷新屏幕信息且等待中斷事件的發(fā)生。

按鍵輸入功能通過(guò)外部中斷實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)具有一些可以修改的設(shè)定參數(shù)，如設(shè)定時(shí)間的天、時(shí)、分、澆水量、濕度上限和濕度下限等，我們可以通過(guò)按鍵1選定需要修改的設(shè)定參數(shù)，然后使用按鍵2進(jìn)行修改。

時(shí)間的積累通過(guò)定時(shí)器中斷實(shí)現(xiàn)。當(dāng)中斷事件發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)不僅會(huì)累計(jì)時(shí)間，還會(huì)定期采集土壤濕度進(jìn)行分析，判斷是否需要立即對(duì)植物澆水。但累計(jì)時(shí)間達(dá)到設(shè)定澆水時(shí)間時(shí)，若土壤濕度不大于濕度上限則進(jìn)行澆花操作，直到澆水量到達(dá)設(shè)定值為止，才退出定時(shí)器中斷。

圖3　系統(tǒng)程序流程圖

4 系統(tǒng)功能測(cè)試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，分別對(duì)硬件電路和軟件程序進(jìn)行測(cè)試，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。重點(diǎn)對(duì)定時(shí)定量澆花功能和濕度檢測(cè)功能進(jìn)行了測(cè)試，在定量澆花功能測(cè)試中，選取了250mL、500mL和750mL三個(gè)參數(shù)進(jìn)行多次的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，澆水量的實(shí)際輸出的絕對(duì)誤差不大于25mL。系統(tǒng)實(shí)際使用結(jié)果表明，運(yùn)行穩(wěn)定，功能良好。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心的智能澆花系統(tǒng)，進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)和軟件程序設(shè)計(jì)，并對(duì)系統(tǒng)實(shí)物進(jìn)行測(cè)試使用。該系統(tǒng)不僅可以根據(jù)用戶(hù)的設(shè)置進(jìn)行定時(shí)定量的澆花，而且可以根據(jù)土壤濕度來(lái)控制水泵的驅(qū)動(dòng)，以避免用戶(hù)養(yǎng)殖經(jīng)驗(yàn)不足而導(dǎo)致花卉死亡的情況。本系統(tǒng)硬件設(shè)備成本較低，適用于普通家庭，使得人們的生活更為便利和舒適。

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何偉宏（1988年），男，湖南臨武，研究實(shí)習(xí)員，學(xué)士，主要從事嵌入式系統(tǒng)、智能家居等方面的研究工作。

【作者簡(jiǎn)介】

中圖分類(lèi)號(hào)：TP

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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