王子權(quán)安徽理工大學(xué)

基于單片機(jī)的斷電記憶智能澆花系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王子權(quán)
安徽理工大學(xué)

引言

花草植物可以幫助人們陶冶情操、舒解心情并能改善家庭生活環(huán)境等。然而年輕的人生活節(jié)奏快，工作繁忙，所以照看花木的精力較少。同時(shí)，有些年輕人，可能需要經(jīng)常出差，這樣，家中的花卉就得不到很好的照顧。目前市場(chǎng)上已有自動(dòng)澆花系統(tǒng)的應(yīng)用，如定時(shí)定量澆水或根據(jù)土壤濕度自動(dòng)澆水，有的也可以把土壤濕度檢測(cè)和定時(shí)定量澆水組合起來。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)根據(jù)不同植物人為設(shè)置土壤濕度值和澆水量來自動(dòng)判斷澆水條件并實(shí)現(xiàn)定量澆水。單片機(jī)將預(yù)先設(shè)置的土壤濕度值和澆水量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器里，這樣當(dāng)系統(tǒng)斷電后來電時(shí)能夠按照原先設(shè)置的數(shù)據(jù)正常工作。本設(shè)計(jì)使用實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片向單片機(jī)輸送月份和時(shí)鐘數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)不同季節(jié)不同時(shí)段的土壤濕度檢測(cè)，單片機(jī)將檢測(cè)得到的土壤濕度信號(hào)與預(yù)先設(shè)置的土壤濕度值進(jìn)行分析比較來判斷是否達(dá)到澆水條件，當(dāng)判斷要澆水時(shí)，單片機(jī)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊供電，并根據(jù)預(yù)先設(shè)置的澆水量，構(gòu)建流量-時(shí)間數(shù)學(xué)模型，驅(qū)動(dòng)水泵運(yùn)行相應(yīng)的時(shí)間。

1　系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1所示。系統(tǒng)的控制核心為AT89S52單片機(jī)，包括土壤濕度傳感器、A/D模塊、按鍵模塊、電源模塊、復(fù)位模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、溫度傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、顯示模塊、串行輸入轉(zhuǎn)并行輸出模塊、存儲(chǔ)器模塊。

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2　系統(tǒng)的工作原理

系統(tǒng)加電后，人為通過按鍵模塊選擇檢測(cè)對(duì)象，輸入預(yù)設(shè)土壤濕度值和澆水量，依次按下輸入確認(rèn)和系統(tǒng)確認(rèn)按鍵，此時(shí)系統(tǒng)正式開始工作。單片機(jī)將預(yù)設(shè)的土壤濕度值和澆水量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器里，并實(shí)時(shí)采集實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片上的月份和小時(shí)數(shù)據(jù)，根據(jù)月份數(shù)據(jù)判斷植物處哪個(gè)季節(jié)，根據(jù)小時(shí)數(shù)據(jù)判斷是否到達(dá)檢測(cè)時(shí)間段，當(dāng)?shù)竭_(dá)檢測(cè)時(shí)間段時(shí)，單片機(jī)接收由A/D模塊將土壤濕度信號(hào)轉(zhuǎn)換成的數(shù)字量，土壤濕度信號(hào)由土壤濕度傳感器發(fā)送給A/D模塊，這樣實(shí)現(xiàn)了在不同季節(jié)不同時(shí)間段進(jìn)行檢測(cè)的目的。單片機(jī)接收并處理A/D芯片傳來的數(shù)據(jù)并與預(yù)先設(shè)置的土壤濕度值進(jìn)行分析比較，從而判斷是否給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊供電，實(shí)現(xiàn)了預(yù)設(shè)土壤濕度值目的。當(dāng)判斷為澆水時(shí)，單片機(jī)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊供電，驅(qū)動(dòng)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)，根據(jù)水泵的性能參數(shù)可知水泵的流量值（ml/min），從而可構(gòu)建流量-時(shí)間數(shù)學(xué)模型，通過單片機(jī)對(duì)模型進(jìn)行運(yùn)算處理可得出驅(qū)動(dòng)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間，從而實(shí)現(xiàn)了預(yù)設(shè)澆水量和定量澆水。系統(tǒng)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘數(shù)據(jù)，預(yù)設(shè)土壤濕度值、預(yù)設(shè)澆水量值、檢測(cè)的土壤濕度值、溫度數(shù)值均顯示在液晶顯示器上。

流量-時(shí)間數(shù)學(xué)模型：

公式（2-1）中Q-水泵每分鐘的流量（ml/min）

V-預(yù)設(shè)澆水量(ml)

t-澆水時(shí)間（s）

根據(jù)流量-時(shí)間數(shù)學(xué)模型，通過單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以得出預(yù)設(shè)澆水量對(duì)應(yīng)的澆水時(shí)間，從而可以通過定時(shí)器等手段進(jìn)行定時(shí)澆水，把水量輸出轉(zhuǎn)換為時(shí)間輸出，驅(qū)動(dòng)水泵運(yùn)轉(zhuǎn)相應(yīng)的時(shí)間，達(dá)到定量澆水的目的。

3　電路設(shè)計(jì)方案

電路設(shè)計(jì)方案表明各個(gè)器件、模塊與單片機(jī)的連接關(guān)系，連接圖如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)總圖

3.1A/D模塊

A/D轉(zhuǎn)換模塊采用PCF8591芯片，使用IIC總線，其優(yōu)點(diǎn)是占用單片機(jī)引腳少，在A/D轉(zhuǎn)換方面使用較廣。如圖2所示，為PCF8591在系統(tǒng)中的電路連接方案。飛利浦公司規(guī)定了A/D器件地址為1001，本連接方案使用引腳地址為000。圖2中AIN0、AIN1、AIN2、AIN3為土壤濕度傳感器模擬信號(hào)接入腳，本連接方案使用AIN0、AIN1、AIN2三個(gè)引腳，可外接三個(gè)土壤濕度傳感器。

3.2實(shí)時(shí)時(shí)鐘

本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊主要是向單片機(jī)傳輸月份和小時(shí)數(shù)據(jù)。DS1302是由DS1202改進(jìn)而來，增加了雙電源管腳用于主電源和備份電源供應(yīng)，VCC1為可編程涓流充電電源，附加七個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)器。DS1302內(nèi)含有一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷和31字節(jié)靜態(tài)RAM，通過簡(jiǎn)單的串行接口與單片機(jī)進(jìn)行通信。

3.3顯示器

本系統(tǒng)使用FYD12864-0402B液晶顯示器，其分辨率為128× 64，可顯示8×4行16×16點(diǎn)陣漢字，低電壓低功耗也是其顯著特點(diǎn)。該模塊使用74HC595芯片實(shí)現(xiàn)串行輸入轉(zhuǎn)并行輸出功能，以減少使用單片機(jī)引腳的數(shù)量。74HC595芯片是一種單片機(jī)I/O擴(kuò)展芯片，遵循SPI總線協(xié)議，包含一個(gè)8位移位寄存器和一個(gè)8位D型鎖存器以及三太并行輸出。移位寄存器接收串行數(shù)據(jù)并提供串行數(shù)據(jù)輸出，移位寄存器和鎖存器都有獨(dú)立的時(shí)鐘輸入。

3.4按鍵設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)共9個(gè)按鍵，皆為獨(dú)立鍵盤。在使用按鍵時(shí)，首先選擇檢測(cè)對(duì)象IN1、IN2、IN3，其次選擇輸入濕度或輸入水量，然后按下數(shù)值按鍵，數(shù)值按鍵*10、*1表示每按下一次數(shù)值加10和加1，最后依次按下輸入確認(rèn)和系統(tǒng)確認(rèn)。

3.5溫度傳感器

DS18B20是一種單總線結(jié)構(gòu)的智能溫度傳感器，測(cè)溫范圍為-55℃-+125℃，測(cè)量分辨率為0.0625℃，內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由四部分組成：64位光刻ROM,溫度傳感器,非揮發(fā)的溫度報(bào)警觸發(fā)器TH和TL,高速暫存器。本系統(tǒng)溫度傳感器將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的溫度顯示在顯示器上。

3.6電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使用兩片L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，一塊74HC595芯片，三個(gè)5V直流水泵。L298N是一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，可驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。本設(shè)計(jì)水泵選擇5V直流水泵，74HC595芯片的Q0至Q5引腳接到L298N的輸入引腳。

3.7存儲(chǔ)器模塊

存儲(chǔ)器將可以將重要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來，本系統(tǒng)的預(yù)設(shè)濕度值和澆水量是系統(tǒng)工作的必要數(shù)據(jù)，當(dāng)有意外斷電時(shí)，輸入的數(shù)據(jù)會(huì)全部格式化，所以為使系統(tǒng)再次來電時(shí)能夠按照原來的設(shè)置正常工作，需要加入存儲(chǔ)器模塊。FM24C02是串行可擦除ROM，其輸入引腳經(jīng)施密特觸發(fā)器濾波抑制噪聲，可靠性高。

3.8土壤濕度傳感器

系統(tǒng)使用YL-69型土壤濕度傳感器。土壤濕度傳感器對(duì)環(huán)境濕度最為敏感，其靈敏度可調(diào)，模塊雙輸出，數(shù)字量輸出簡(jiǎn)單，模擬量輸出更精確，比較器采用LM393芯片，工作穩(wěn)定。OUT腳是數(shù)字量輸出接口，輸出0和1。AC腳是模擬量輸出接口，可與A/D芯片的模擬量輸入腳連接進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

3.9USB轉(zhuǎn)串口

USB即通用串行總線（Universal Serial Bus），是目前最為常用的一種總線標(biāo)準(zhǔn)。USB接口支持即插即用和熱插拔并提供內(nèi)置電源，其連接方式靈活，既可以使用串行連接方式也可以使用USB Hub把多個(gè)USB設(shè)備連接在一起。本系統(tǒng)使用USB接口實(shí)現(xiàn)自動(dòng)下載和給單片機(jī)提供標(biāo)準(zhǔn)電源，使得單片機(jī)的代碼下載與電源供應(yīng)在同一接口上。本設(shè)計(jì)使用CH340G芯片，以實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口。

4　軟件設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)包括初始化、顯示子程序、按鍵程序、土壤濕度檢測(cè)與A/D轉(zhuǎn)換程序、溫度檢測(cè)程序、PCF8591服務(wù)程序、存儲(chǔ)器讀寫程序、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序、實(shí)時(shí)時(shí)鐘程序。流程圖如圖3。

圖3　程序流程圖

5　結(jié)語

本設(shè)計(jì)使用AT89S52單片機(jī)作為控制器芯片，設(shè)計(jì)了一種斷電記憶智能澆花系統(tǒng)。該系統(tǒng)可預(yù)設(shè)土壤濕度值和澆水量，并將輸入的數(shù)據(jù)放在存儲(chǔ)器里，這樣可在斷電后來電時(shí)按照原先設(shè)置的數(shù)據(jù)正常工作。該系統(tǒng)通過讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片的時(shí)間數(shù)據(jù)判斷花所處的具體時(shí)間，實(shí)現(xiàn)在不同季節(jié)不同時(shí)間段的檢測(cè)與澆灌。土壤濕度傳感器將土壤濕度信號(hào)傳送給A/D轉(zhuǎn)換芯片，單片機(jī)通過對(duì)采集的土壤濕度值與預(yù)設(shè)土壤濕度值進(jìn)行比較來判斷是否給花澆水，通過單片機(jī)處理流量-時(shí)間數(shù)學(xué)模型將流量輸出轉(zhuǎn)換為時(shí)間輸出以實(shí)現(xiàn)定量澆水。

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The Design of Intelligent Automatic Watering System of Flowers Based on SCM

Wang Ziquan
ANHUI UNIVERSITY OF SCIENCE&TECHNOLOGY

基于單片機(jī)的斷電記憶智能澆花系統(tǒng)設(shè)計(jì)以AT89S52單片機(jī)為控制器，可預(yù)先設(shè)置土壤濕度值和澆水量，由單片機(jī)分析處理土壤濕度傳感器檢測(cè)的濕度信息，并與預(yù)先設(shè)置的土壤濕度值進(jìn)行比較，當(dāng)達(dá)到澆水條件時(shí)，單片機(jī)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊供電，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的澆水量，使水泵運(yùn)轉(zhuǎn)相應(yīng)的時(shí)間。系統(tǒng)將預(yù)先設(shè)置的土壤濕度值和澆水量數(shù)據(jù)放在存儲(chǔ)器里，當(dāng)系統(tǒng)斷電后來電時(shí)能夠按照原先設(shè)置的數(shù)據(jù)正常運(yùn)行。

AT89S52單片機(jī)；LCD12864；74HC595；L298N；PCF8591；FM24C02

The design of intelligent automatic watering system of flowers based on SCM,which takes the type AT89S52 single-chip microcomputer as the MCU,can be operated by presetting the nu?merical value of soil moisture and water.The SCM will analyze and dispose the signal from the soil moisture sensor,and compare with the presetting numerical value of soil moisture.The module of driv?ing motor will get started when it is the situation to water flowers,and drive the water pump for a regular time according to the preset?ting numerical value of water.The system stores the data of preset?ting numerical value of soil moisture and water in the storage,and will be running normally after breaking off electronic.

AT89S52SCM；LCD12864；74HC595；L298N；PCF8 591;FM24C02