王子權(quán)，張恒，黃陽，陳穎，楊萬輝，林偉安徽理工大學機械工程學院

基于單片機的智能澆花系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王子權(quán)，張恒，黃陽，陳穎，楊萬輝，林偉安徽理工大學機械工程學院

基于單片機的智能澆花系統(tǒng)以AT89S52單片機為控制器，通過溫度、濕度檢測，由單片機分析處理溫度傳感器檢測的溫度數(shù)據(jù)和土壤濕度傳感器檢測的濕度信息，并與預(yù)先設(shè)置的溫度值和土壤濕度值進行比較，當達到澆水條件時，單片機給電機驅(qū)動模塊供電，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的澆水量，使水泵運轉(zhuǎn)相應(yīng)的時間。電機驅(qū)動模塊使用獨立電源供電，集成八路水泵通道。A/D轉(zhuǎn)換模塊集成四塊PCF8591芯片，占用2個單片機引腳。系統(tǒng)可實現(xiàn)八種不同花卉的土壤濕度檢測，并能夠?qū)γ恳环N花卉獨立澆水。

AT89S52單片機；繼電器；LCD12864A；DS18B20；PCF8591

項目編號：201510361031。

引言

花卉幾乎已進入每一個家庭里，由于緊張的工作等原因，有些家庭照看花卉的時間很少。目前市場上已有智能澆花系統(tǒng)的應(yīng)用，如定時定量澆水或根據(jù)土壤濕度自動澆水【1-4】,但能同時照看的花卉數(shù)目較少，且水泵和主控芯片共用一個電源，當水泵工作時將消耗大量功率，導(dǎo)致主控芯片上部分元器件欠壓或無法在額定功率下工作，如顯示器亮度會下降很多，水泵啟動力矩不夠等。本系統(tǒng)根據(jù)花卉的不同人為設(shè)置溫度值、土壤濕度值和澆水量來自動判斷澆水條件并實現(xiàn)定量澆水，單片機將檢測得到的溫度信號和土壤濕度信號與預(yù)先設(shè)置的溫度值和土壤濕度值進行分析比較判斷是否達到澆水條件，當判斷要澆水時，單片機給電機驅(qū)動模塊提供弱電，致使電磁鐵吸合，開關(guān)打開，水泵的電源給水泵供電，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的澆水量，驅(qū)動水泵運行相應(yīng)的時間。電機驅(qū)動模塊共八路水泵通道，并使用獨立電源供電，從而大量減少主控芯片的功率消耗，使得主控芯片工作與水泵驅(qū)動相對獨立。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

系統(tǒng)的控制核心為AT89S52單片機，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、溫度傳感器、電機驅(qū)動模塊、顯示模塊、串行輸入轉(zhuǎn)并行輸出模塊。

2 系統(tǒng)的工作原理

接通電源，通過按鍵人為輸入預(yù)設(shè)溫度值及選擇檢測通道，并輸入預(yù)設(shè)土壤濕度值和澆水量，按下確認按鍵，此時系統(tǒng)正式開始工作。單片機實時采集由溫度傳感器傳送的信號，判斷溫度是否達到預(yù)設(shè)溫度值，當滿足要求時，單片機接收A∕D芯片傳來的土壤濕度數(shù)字量，并與預(yù)先設(shè)置的土壤濕度值進行分析比較，當判斷為澆水時，單片機給電機驅(qū)動模塊供電，電磁鐵吸合，水泵電源驅(qū)動水泵運轉(zhuǎn)。根據(jù)水泵的性能參數(shù)可知水泵的流量值（L∕h），從而可構(gòu)建流量-時間數(shù)學模型【5】，通過單片機對模型進行運算處理可得出驅(qū)動水泵運轉(zhuǎn)的時間，從而實現(xiàn)了預(yù)設(shè)澆水量和定量澆水。系統(tǒng)的預(yù)設(shè)土壤濕度值、預(yù)設(shè)澆水量值、檢測的土壤濕度值、溫度數(shù)值均顯示在液晶顯示器上。

時間-流量數(shù)學模型：

公式（2-1）中t-澆水時間（ms）

V-預(yù)設(shè)澆水量(ml)

Q-水泵每小時的流量（L∕h）

根據(jù)時間-流量數(shù)學模型，可以得出預(yù)設(shè)澆水量對應(yīng)的澆水時間（ms），從而可以通過軟件定時進行定時澆水，驅(qū)動水泵運轉(zhuǎn)相應(yīng)的時間，達到定量澆水的目的。

3 硬件設(shè)計

電路設(shè)計如圖1所示，圖1表明了各個子模塊與AT89S52單片機的連接關(guān)系，水泵驅(qū)動模塊由8個繼電器，8個8550三極管及8個1kΩ限流電阻組成。

3.1 A∕D模塊

A∕D轉(zhuǎn)換芯片采用PCF8591，使用IIC總線。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A0、A1、A2為分別為000、100、110、111，四個PCF8591共同使用同一個IIC總線，占用單片機2個引腳。圖1中AIN0、AIN1、AIN2、AIN3為土壤濕度傳感器模擬信號接入腳，本連接方案可連接16個土壤濕度傳感器。

3.2 顯示器

本系統(tǒng)使用LCD12864A液晶顯示器，系統(tǒng)的預(yù)設(shè)土壤濕度值、預(yù)設(shè)澆水量值、檢測的土壤濕度值、溫度數(shù)值均顯示在該顯示器上。顯示器使用74HC595芯片驅(qū)動，實現(xiàn)串行輸入轉(zhuǎn)并行輸出功能，從而減少單片機引腳使用數(shù)量【6】。

3.3 按鍵設(shè)計

本設(shè)計共8個獨立鍵盤,其中一個為復(fù)位按鍵。在使用按鍵時，選擇檢測通道進行通道選擇，選擇輸入溫度進行預(yù)設(shè)溫度值輸入，選擇輸入濕度進行預(yù)設(shè)濕度的輸入，選擇輸入水量進行預(yù)設(shè)水量的輸入，數(shù)值按鍵*10、*1表示每按下一次數(shù)值加10和加1【5】10，最后按下確認按鍵。

3.4 溫度傳感器

選擇DS18B20溫度傳感器，使用單總線結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)將實時監(jiān)測的溫度數(shù)據(jù)顯示在顯示器上。

3.5 電機驅(qū)動模塊

電機驅(qū)動模塊使用獨立電源供電，通過繼電器實現(xiàn)弱電與強電的轉(zhuǎn)換，繼電器型號：N4100 S3∕5VDC 3A∕125VAC∕24VDC。選擇5V直流水泵,水泵型號：YG-180，流量180L∕h。使用USB總線提供內(nèi)置電源。PNP型三極管8550與1kΩ或2kΩ電阻組合保護單片機。

3.6 土壤濕度傳感器

使用YL-69型土壤濕度傳感器，其靈敏度可調(diào)，模塊雙輸出，數(shù)字量輸出簡單，模擬量輸出精確，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行模數(shù)轉(zhuǎn)換【5】10。

圖1 系統(tǒng)總圖

圖2 程序流程圖

4 軟件設(shè)計

程序設(shè)計包括硬件初始化、顯示程序、按鍵程序、土壤濕度檢測與A∕D轉(zhuǎn)換程序、溫度檢測程序、PCF8591服務(wù)程序、電機驅(qū)動程序。流程圖如圖2。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)以AT89S52單片機為控制核心，在研發(fā)前期以面包板為實驗平臺，在實驗過程中出現(xiàn)水泵啟動力矩不足的現(xiàn)象，即使將水泵運轉(zhuǎn)起來，也無法使其工作在額定功率狀態(tài)，并且顯示器的屏幕亮度也會下降很多。為了解決上述問題，設(shè)計采用了給予水泵模塊獨立的電源，以保證使其在額定功率下工作。考慮到應(yīng)增加系統(tǒng)可照看花卉的數(shù)量，本系統(tǒng)集成了A∕D轉(zhuǎn)換模塊，根據(jù)PCF8591芯片的特性，集成了4塊PCF8591芯片，并只占用單片機的兩個引腳。本系統(tǒng)通過溫度、濕度等環(huán)境量，借助單片機控制器對數(shù)據(jù)進行處理判斷，根據(jù)預(yù)先設(shè)置的溫度值、濕度值和澆水量來判斷澆水條件和實現(xiàn)定量澆水。在對產(chǎn)品調(diào)試時，各元器件工作正常，驅(qū)動水泵運轉(zhuǎn)時間精確，無水泵啟動力矩不足和顯示器亮度下降的現(xiàn)象。

[1]何偉宏，鄭首易，毛錦庚，陳美金.基于單片機的智能澆花系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子制作，2016（2）：20-21.

[2]吳平.多路智能家庭實用澆花器設(shè)計.價值工程[J].2014(12）：23-25.

[3]劉川，張小成，高進淵，馬金剛，和曉雲(yún)，李曉勤.智能自動澆花系統(tǒng)的控制設(shè)計研究[J].科技世界，2015（12）：87-88.

[4]劉攀.基于單片機的智能澆花器硬件系統(tǒng)設(shè)計[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2016，15（6）：56-57.

[5]王子權(quán).基于單片機的斷電記憶智能澆花系統(tǒng)設(shè)計[J].科學中國人，2016（21）：9-10，11.

[6]何韋青.詳解74HC595以及它的級聯(lián)用法[N].電子報，2013（011）.

王子權(quán)(1996-)，男，安徽省亳州市人，本科，就讀院校：安徽理工大學。