劉陸軍 費(fèi)秋仙 王順利 陳 林/上海電機(jī)學(xué)院

基于單片機(jī)控制的智能澆花裝置的研究

劉陸軍 費(fèi)秋仙 王順利 陳 林/上海電機(jī)學(xué)院

針對(duì)目前澆花裝置在實(shí)際應(yīng)用中存在的問題，設(shè)計(jì)研究了一種體積小、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便的智能澆花裝置。該裝置包括檢測系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)花卉土壤濕度的檢測、數(shù)據(jù)顯示以及土壤濕度的自動(dòng)調(diào)節(jié)。通過土壤中的土壤濕度傳感器對(duì)土壤的濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并將數(shù)據(jù)傳給單片機(jī)控制器，顯示在顯示屏上，同時(shí)單片機(jī)對(duì)土壤濕度傳感器傳來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如果土壤濕度低于設(shè)定的范圍，則單片機(jī)控制水泵的開關(guān)打開，對(duì)花卉進(jìn)行供水，從而時(shí)刻調(diào)節(jié)土壤的濕度，保證花卉生長的最佳土壤濕度。通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，本裝置能夠很好的調(diào)節(jié)土壤的濕度，保證花卉的正常生長。

智能澆灌；濕度檢測 ；濕度顯示； 濕度調(diào)節(jié)

1.引言

隨著人們生活水平的提高，花卉逐漸受到人們的青睞，陶冶情操，凈化空氣。但是對(duì)花卉的管理也產(chǎn)生了一系列的問題[1]，如，不清楚何時(shí)應(yīng)該給花卉澆水導(dǎo)致花卉生長不佳，一旦主人外出或無法顧及，這些植物就可能面臨生存問題，生活中經(jīng)常會(huì)遇到因無人照看澆水而導(dǎo)致植物枯死。目前市場上的澆花裝置主要是針對(duì)大棚里面的大批量花卉的，體積比較大，結(jié)構(gòu)也比價(jià)發(fā)雜，也有針對(duì)單株花卉的澆花裝置[2]，但是結(jié)構(gòu)都比較復(fù)雜，且體積較大。因此就急需一種結(jié)構(gòu)簡單，體積小，操作簡單的澆花裝置來解決家庭花卉澆水的問題，本文在前人研究的基礎(chǔ)上對(duì)家庭花卉澆水的問題進(jìn)行研究，結(jié)合家庭花卉的具體情況，從裝置的體積、裝置的取水方式、供水方式、控制方式等進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2.澆花系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于單片機(jī)控制的智能澆花裝置由花盆、水箱、控制面板、顯示屏、動(dòng)力系統(tǒng)、導(dǎo)管以及濕度傳感器組成，控制面板包括一單片機(jī)，濕度傳感器設(shè)置于花盆的土壤中，連接控制面板，控制面板連接動(dòng)力系統(tǒng)，水箱設(shè)置于花盆的下側(cè)，花盆坐落在水箱里面，動(dòng)力系統(tǒng)通過導(dǎo)管連接于所述花盆的土壤。水箱與花盆之間儲(chǔ)存水，水箱的上方與花盆接觸的地方開有注水孔?？刂泼姘逶O(shè)置于水箱的側(cè)面，控制面板上設(shè)置有按鈕。動(dòng)力系統(tǒng)由離心泵、連接導(dǎo)管、連接套、導(dǎo)線導(dǎo)管和電源組成，離心泵置于所述水箱底部，離心泵控制端通過導(dǎo)線導(dǎo)管和控制面板連接，其出水口通過連接導(dǎo)管、連接套連接至導(dǎo)管，電源和控制面板連接。

圖1、整體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2、半剖剖開視圖

圖3、動(dòng)力系統(tǒng)圖

3.工作原理

智能澆灌裝置的濕度傳感器設(shè)置于花盆的土壤中，用于測量花盆中土壤的濕度，其輸出連接至控制面板；控制面板可接收用戶對(duì)土壤濕度的設(shè)定，并顯示當(dāng)前土壤的濕度，具體的說，用戶可以根據(jù)不同種類花卉對(duì)土壤濕度的不同，通過控制面板設(shè)置花卉的適宜濕度，控制面板包含一單片機(jī)（圖中未示出），單片機(jī)連接濕度傳感器和動(dòng)力系統(tǒng)，濕度傳感器把其測量的信號(hào)（模擬信號(hào)）傳給單片機(jī)，該單片機(jī)對(duì)濕度傳感器傳過來的信號(hào)進(jìn)行處理分析（如模數(shù)轉(zhuǎn)換），并將當(dāng)前土壤的濕度與用戶的設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)土壤的濕度小于一定的值，單片機(jī)控制動(dòng)力系統(tǒng)的離心泵打開，從而通過離心泵把水箱底部的水抽出并通過導(dǎo)管輸送到花盆里面，給花盆里面的花澆水，而當(dāng)土壤的濕度大于用戶設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)控制動(dòng)力系統(tǒng)的離心泵關(guān)閉，從而停止對(duì)花盆花卉的澆灌。

圖4、控制系統(tǒng)圖

花盆設(shè)置于水箱的上部，其上部外沿向外延伸至水箱的上部內(nèi)沿，和花盆主體一起相當(dāng)于水箱的蓋子；水箱在花盆的下側(cè)，花盆坐落在水箱里面，水箱和花盆之間儲(chǔ)存水，花盆之外沿位于（水箱的上方）開有注水孔，當(dāng)水箱里面的水用完的時(shí)候，通過注水孔向水箱里面注水；控制面板放在水箱的側(cè)面，控制面板上有按鈕和顯示設(shè)備，用戶可以通過控制面板調(diào)節(jié)花卉最適宜的濕度。

動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)置在水箱的底部，并通過導(dǎo)管與花盆的土壤相連。動(dòng)力系統(tǒng)由離心泵、連接導(dǎo)管、連接套、導(dǎo)線導(dǎo)管和電源組成，離心泵置于水箱底部，其控制端通過導(dǎo)線導(dǎo)管和控制面板連接，當(dāng)花盆中土壤的濕度低于用戶設(shè)定的值的時(shí)候，控制面板3會(huì)控制打開離心泵，使離心泵工作，離心泵通過導(dǎo)管把水輸入到花盆中。

4．受力分析

通過使用UG軟件中的有限元分析模塊對(duì)裝置的結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行分析，假設(shè)花和泥土的重量為2kg，重力加速度我們?nèi)=10，那么花卉和泥土的重力約為20N，把裝置的底部固定。然后在放置花卉的泥土的盆子的地面施加一個(gè)均布力，均布力的大小為20N。對(duì)裝置進(jìn)行網(wǎng)格劃分并進(jìn)行求解，結(jié)果如圖5、圖6所示，根據(jù)圖5的結(jié)果可知，裝置的最大變形量為0.0344mm，根據(jù)圖6的結(jié)果可知，裝置受到的最大應(yīng)力為0.0938N/mm^2(MPa)，滿足使用要求。

圖5、位移-節(jié)點(diǎn)、幅值圖

圖6、應(yīng)力-單元、Von Mises圖

[1]張兆朋. 基于AT89S52的家庭智能澆花器的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程. 2011(05).39-42.

[2]袁騰,王帥,梅明,姜天華. 基于單片機(jī)原理的可定時(shí)自動(dòng)澆花器[J].硅谷. 2012(13).38-39.

劉陸軍:（1993-），男，上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械電子工程專業(yè)本科生。

費(fèi)秋仙:（1967-），女，碩士，講師，主要從事機(jī)械制圖等課程的教學(xué)工作。

王順利:（1991-），男，上海理工大學(xué)碩士研究生，研究方向：智能制造技術(shù)。

陳林:（1996-），男，上海電機(jī)學(xué)院機(jī)械電子工程專業(yè)本科生。