任玲 戚玉強(qiáng) 李騰飛 龐效琦

摘要 以STC89C52單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)一種能夠根據(jù)土壤濕度變化實(shí)現(xiàn)對(duì)花卉進(jìn)行自動(dòng)微噴澆灌的系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)由STC89C52RC單片機(jī)、溫濕度傳感器SHT10、繼電器、水泵、微噴頭、蜂鳴器、電源、按鍵、1602液晶顯示屏等主要部分組成。單片機(jī)采集溫濕度信號(hào)，通過(guò)軟件與事先設(shè)定的參數(shù)比較，并根據(jù)結(jié)果選擇水泵是否啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)智能化灌溉。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、使用方便，可廣泛應(yīng)用在家庭花草栽培的澆灌過(guò)程中。

關(guān)鍵詞 STC89C52RC單片機(jī)；SHT10傳感器；水泵；自動(dòng)澆灌

中圖分類號(hào) TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2016）09-293-03

Abstract With the STC89C52 single chip microcomputer （SCM） as the control core， we designed a kind of automatic micro irrigation based on the soil moisture change. The whole system was composed of STC89C52RC microcontroller， temperature and humidity sensor SHT10， relay， water pump， micro nozzle， buzzer， power， button， 1602 LCD screen and other major parts. SCM temperature and humidity signal achieved intelligent irrigation through the comparison of the parameters of the software with the prior setting， according to the results of the choice of whether to start the pump. This system had simple structure， low cost and convenient use.

Key words STC89C52RC single chip microcomputer；SHT10 sensor； Water pump； Intelligent irrigation

隨著人們生活水平的提高，家庭養(yǎng)殖花卉、樹(shù)木等觀賞植物的越來(lái)越多，然而由于現(xiàn)代快速的生活節(jié)奏，人們往往忙于工作而忘記及時(shí)地為花木補(bǔ)充水分，導(dǎo)致花木枯萎或死亡。目前市場(chǎng)上已有的澆水器需要人工控制進(jìn)行定時(shí)澆灌[1-4]，其缺點(diǎn)是不能根據(jù)植物正常生長(zhǎng)所需要的水分、溫度來(lái)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)環(huán)境的參數(shù)，會(huì)出現(xiàn)澆水過(guò)多或不足的問(wèn)題[5]，不利于花木的成長(zhǎng)；而且用戶使用時(shí)要反復(fù)調(diào)節(jié)時(shí)間，操作繁瑣。

基于以上原因，筆者設(shè)計(jì)了一種單片機(jī)控制的花卉自動(dòng)澆水系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)盆花澆水的自動(dòng)化。該系統(tǒng)可對(duì)土壤的溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并可根據(jù)植物實(shí)際需要的濕度適時(shí)、適量的澆水，同時(shí)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、成本低的特點(diǎn)。

1 總體設(shè)計(jì)

花卉和樹(shù)木的正常生長(zhǎng)要求溫度和濕度穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，高于或低于這個(gè)范圍將影響它們的正常生長(zhǎng)。該系統(tǒng)采用STC89C52RC單片機(jī)為測(cè)控核心，溫濕度傳感器實(shí)現(xiàn)花卉生長(zhǎng)環(huán)境因子信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，經(jīng)單片機(jī)處理，輸出信號(hào)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)水泵，以實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤溫濕度的測(cè)控，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。該系統(tǒng)的功能主要通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，軟件開(kāi)發(fā)采用C51語(yǔ)言編程和模塊化設(shè)計(jì)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

STC89C52RC單片機(jī)是STC的新一代高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，12時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘/機(jī)器周期可任意選擇；工作電壓范圍為3.3～5.5 V；工作頻率范圍0～40 MHz；片內(nèi)含有8 kB Flash ROM和512B RAM[6]。在STC89C52RC芯片內(nèi)部有一個(gè)振蕩電路和時(shí)鐘發(fā)生器，引腳XTAL1（18腳）和XTAL2（19腳）之間接入晶體振蕩器和電容后構(gòu)成內(nèi)部時(shí)鐘方式。單片機(jī)每次上電時(shí)，都要進(jìn)行復(fù)位操作，復(fù)位后的單片機(jī)PC=0000H，CPU從程序存儲(chǔ)器的0000H開(kāi)始取值。EA引腳接高電平，代表用內(nèi)部存儲(chǔ)器。單片機(jī)最小控制系統(tǒng)電路如圖2所示。

2.2 溫濕度傳感器電路

SHT10系列產(chǎn)品是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，提供全標(biāo)定的數(shù)字輸出。它包括一個(gè)電容性聚合體測(cè)濕敏感元件、一個(gè)用能隙材料制成的測(cè)溫元件，并在同一芯片上，與 14 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實(shí)現(xiàn)無(wú)縫連接[7-8]。因此，該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。SHT10采用單線制的串行通信接口，DATA引腳用于單片機(jī)與SHT10之間的通訊，一次通訊需要4 ms左右時(shí)間。該電路中采用2個(gè)SHT10采集兩點(diǎn)的溫濕度，其第1片SHT10的DATA和SCLK腳分別連接至STC89C52RC單片機(jī)的P1.1和P1.2腳，第2片STH10的DATA和SCLK腳分別連接至STC89C52RC單片機(jī)的P3.5和P3.4腳，其與單片機(jī)連接電路如圖3所示。

2.3 LED液晶顯示模塊 LCD1602是一款字符型液晶顯示器，專門(mén)用來(lái)顯示各種符號(hào)、字母和數(shù)字，能夠同時(shí)顯示2行，每行16個(gè)字符。LCD1602與單片機(jī)的連接電路如圖4所示。其中，STC89C52RC單片機(jī)的P0口P0.0～P0.7與LCD1602的數(shù)據(jù)腳D0～D7連接，P2口P2.5～P2.7與1602的控制腳RS、R/W、EN連接。

2.4 輸出控制電路設(shè)計(jì)

輸出控制選用繼電器作為控制開(kāi)關(guān)，繼電器是一種通斷型電子開(kāi)關(guān)，其特點(diǎn)在于抗干擾性能好、負(fù)載效應(yīng)穩(wěn)定。因此，采用繼電器控制，電路簡(jiǎn)單安全可靠。單片機(jī)的P1.3引腳控制繼電器，其電路如圖5所示。

2.5 按鍵電路的設(shè)計(jì)

鍵盤(pán)電路的設(shè)計(jì)是采用按鍵開(kāi)關(guān)經(jīng)上拉電阻分別接P1.0、P1.5、P3.3口上，按鍵一端接地，3個(gè)按鍵分別起到選擇、上調(diào)和下調(diào)的作用。選擇好設(shè)定值后，每按一次上調(diào)和下調(diào)鍵，設(shè)定相應(yīng)的數(shù)值增1或減1，電路如圖6所示。

2.6 蜂鳴器電路設(shè)計(jì)

蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼組成[2]。單片機(jī)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器的方式有2種：一種是PWM 輸出口直接驅(qū)動(dòng)，另一種是利用I/O 口翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生高低電平對(duì)蜂鳴器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。蜂鳴器驅(qū)動(dòng)需要一定的電流才能實(shí)現(xiàn)，由于單片機(jī)I/O引腳輸出的電流較小，輸出的TTL電平基本上驅(qū)動(dòng)不了蜂鳴器，因此需要增加一個(gè)電流放大的電路。通過(guò)一個(gè)三極管S8550來(lái)放大驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，蜂鳴器的正極接到三極管的集電極C上面，蜂鳴器的負(fù)極接到電源GND，三極管的發(fā)射極E接到電源+5 V，三極管的基級(jí)B經(jīng)過(guò)限流電阻R后接到單片機(jī)的控制I/O口，當(dāng)控制I/O口輸出高電平時(shí)，三極管Q截止，沒(méi)有電流流過(guò)線圈，蜂鳴器不發(fā)聲；當(dāng)控制I/O口輸出低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通，這樣蜂鳴器的電流形成回路，蜂鳴器發(fā)聲。因此，可以通過(guò)程序控制I/O口的電平來(lái)使蜂鳴器發(fā)出聲音和關(guān)閉。單片機(jī)控制蜂鳴器的電路圖如圖7所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)選用可移植性強(qiáng)、適時(shí)性強(qiáng)的C語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言，系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)全部采用KeiluVision 4進(jìn)行，系統(tǒng)程序的設(shè)計(jì)采用流行的模塊化設(shè)計(jì)方法。在程序設(shè)計(jì)中，根據(jù)系統(tǒng)功能，將整個(gè)軟件劃分為若干個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立易于解決的模塊，每個(gè)模塊是一個(gè)結(jié)構(gòu)完整的子程序，能完成某一特定的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)某個(gè)具體的功能。模塊化程序結(jié)構(gòu)清晰、組合靈活、可讀性好、易于驗(yàn)證、可靠性高、便于功能擴(kuò)充和版本升級(jí)，程序的修改可局部進(jìn)行，還可建立頻繁調(diào)用的子程序。

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，主要由如下程序模塊組成：SHT10溫濕度采集、LCD液晶顯示屏控制、繼電器控制、按鍵和蜂鳴器發(fā)聲控制子程序。整個(gè)系統(tǒng)的主程序流程圖如圖8所示。

系統(tǒng)在上電初始化后將對(duì)土壤溫度和濕度進(jìn)行細(xì)致的判斷，當(dāng)土壤溫度合適且濕度過(guò)低，進(jìn)行灌溉加濕。通過(guò)上述主體流程控制，即可達(dá)到有效的控制，使得室內(nèi)環(huán)境基本處于花卉植物所需的最佳狀態(tài)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于土壤溫度、濕度因子的自動(dòng)噴灌控制系統(tǒng)，以STC89C52RC單片機(jī)為核心的控制電路、傳感器電路和執(zhí)行器件等組成，能夠根據(jù)溫度和濕度的設(shè)定值，達(dá)到實(shí)時(shí)澆灌控制，其監(jiān)測(cè)界面效果圖如圖9所示。

由圖9可見(jiàn)，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)在不同位置監(jiān)測(cè)土壤濕度，并可設(shè)置濕度的上下限值，若監(jiān)測(cè)濕度值低于設(shè)定的下限值，則水泵自動(dòng)啟動(dòng)給花木澆水，直到其高于設(shè)定的下限值，停止?jié)菜?/p>

5 結(jié)論

該研究設(shè)計(jì)的基于STC89C52單片機(jī)的花卉自動(dòng)澆灌系統(tǒng)能夠做到給花木實(shí)時(shí)適量地澆水，既有利于花木生長(zhǎng)，又可達(dá)到節(jié)能的目的。系統(tǒng)硬件電路簡(jiǎn)單，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)試，系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本可以滿足預(yù)期功能要求，電路穩(wěn)定，抗干擾力強(qiáng)，性價(jià)比較高，應(yīng)用前景廣闊。

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