董紅松，閆 靜，孔躍輝

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太谷 030801)

面對(duì)空氣污染，越來(lái)越多的人倡導(dǎo)綠色生活。而花草不僅可以美化環(huán)境、裝飾空間、凈化空氣[1]，而且具有陶冶情操、舒緩壓力，增添生活樂(lè)趣的作用，對(duì)人的身心健康十分有利。因此，人們傾向于在家中或辦公室養(yǎng)花草。花草需要澆灌，養(yǎng)花成敗的關(guān)鍵在于澆水量。但是由于日常生活中，因?yàn)椴煌ú萘?xí)性不同或者生活忙碌，很多人無(wú)法做到適量澆水，不能很好的照顧花草。面對(duì)令人困擾的花草澆灌問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種自動(dòng)澆花系統(tǒng)。通過(guò)濕度傳感器對(duì)土壤濕度精確測(cè)量，按照預(yù)設(shè)的濕度范圍，濕度比較，單片機(jī)控制澆水量。根據(jù)不同盆花對(duì)水量需求不同，可以調(diào)整預(yù)設(shè)的土壤濕度范圍，使花草得到適度的水量，長(zhǎng)的更好。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本澆花系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為六大模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)主控模塊、濕度檢測(cè)模塊、按鍵模塊、顯示模塊、繼電器澆水模塊、報(bào)警模塊[2]。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)中，核心模塊是單片機(jī)控制模塊，濕度檢測(cè)模塊和繼電器澆水模塊，附帶顯示模塊、報(bào)警模塊。設(shè)置4個(gè)按鍵，S0:復(fù)位鍵，S4:設(shè)置/保存，S5:加/模式切換，S6:減/手動(dòng)灌溉。系統(tǒng)功能分為檢測(cè)和設(shè)定兩類(lèi)。檢測(cè)包含自動(dòng)和手動(dòng)澆花模式。自動(dòng)模式下：YL-69土壤濕度傳感器將感應(yīng)到的濕度模擬信號(hào)通過(guò)ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，同按鍵輸入信號(hào)傳遞給單片機(jī)，單片機(jī)將信號(hào)分析判斷，控制LCD1602顯示器顯示澆水模式、當(dāng)前濕度及其預(yù)設(shè)范圍，同時(shí)控制繼電器是否澆水。手動(dòng)模式下：通過(guò)按鍵人為控制澆水。設(shè)定即為修改預(yù)設(shè)濕度范圍，按鍵控制對(duì)預(yù)設(shè)濕度的上下限值進(jìn)行修改。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 STC89C51RC簡(jiǎn)介

STC89C51RC是具有8051核的單片機(jī)，具有ISP特性，工作電壓是3.4 V～5.5 V，工作頻率在0～35 MHz之間，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)和80C51引腳，512 kB的RAM,2KB的EEPROM，有看門(mén)狗功能，2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，外部中斷2路。有40個(gè)引腳。P0口作為I/O口，為輸出高電平，必須接上拉電阻。EA/VPP引腳內(nèi)部接高電平，系統(tǒng)復(fù)位后，其運(yùn)行內(nèi)部ROM程序。圖2為系統(tǒng)控制主電路。

圖2 系統(tǒng)控制主電路

2.2 濕度傳感模塊

濕度傳感模塊主要由YL-69土壤濕度傳感器和ADC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。當(dāng)被測(cè)濕度發(fā)生變化，電路中的電阻值隨之而變，范圍是0 Ω～10 kΩ，變化的幅度是根據(jù)濕度傳感器采集到的濕度大小而定。導(dǎo)致電路的輸出電壓變化，可以根據(jù)電路需求調(diào)節(jié)電阻，得到不同電壓值。ADC0832是8位分辨率的雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片[3]。分辨可高達(dá)256級(jí)，它的電壓輸入范圍是在0～5 V，轉(zhuǎn)換時(shí)間僅需32 μs。使用雙數(shù)據(jù)輸出用來(lái)數(shù)據(jù)校驗(yàn)，減少數(shù)據(jù)差錯(cuò)，有獨(dú)立的使能輸入，方便控制其他器件。

2.3 顯示模塊

LCD1602屬于點(diǎn)陣型液晶顯示器[4]，電路連接簡(jiǎn)單，常用作單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯示數(shù)據(jù)?？梢燥@示2行16列共32個(gè)字符。它的內(nèi)部存進(jìn)160個(gè)點(diǎn)陣字符圖形，常見(jiàn)的字母、數(shù)字均有，編程時(shí)需要固定的代碼調(diào)用，本澆花系統(tǒng)用LCD1602顯示濕度值和模式。LCD1602的D0-D7分別與單片機(jī)的P0.0-P0.7連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；P2.7、P2.6分別于RS、E相連，用于選擇寄存器和使能端操作；RW接地，進(jìn)行寫(xiě)操作；VL連接2.2k的電阻是為了設(shè)定對(duì)比度。

2.4 按鍵模塊

按鍵模塊設(shè)置了3個(gè)按鍵，S4:設(shè)置/保存，S5:加/模式切換，S6:減/手動(dòng)灌溉。S4、S5、S6分別與單片機(jī)的P1.5 、P3.3、P3.4相連。按S4鍵進(jìn)入預(yù)設(shè)濕度值調(diào)節(jié)模式和實(shí)現(xiàn)保存功能；按S5鍵是預(yù)設(shè)值加、手動(dòng)和自動(dòng)模式切換；按S6鍵是預(yù)設(shè)值減、手動(dòng)澆水。與單片機(jī)連接如圖2所示。

2.5 繼電器澆水模塊

本系統(tǒng)采取電磁式繼電器，繼電器的作用類(lèi)似開(kāi)關(guān)，當(dāng)繼電器通電后，線(xiàn)圈流過(guò)電流，產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵受到的電磁力大于彈簧的拉力，導(dǎo)致銜鐵的動(dòng)、靜觸點(diǎn)吸和，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合。當(dāng)線(xiàn)圈斷電后，失去電磁力，銜鐵受彈簧的反作用力回到初始位置，動(dòng)觸點(diǎn)與初始靜觸點(diǎn)吸和，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。單片機(jī)的P2.5與三極管的基極連接，繼電器與另外兩極連接。當(dāng)P2.5輸出低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通[5]，繼電器通電，相當(dāng)于開(kāi)關(guān)閉合，進(jìn)而澆水。

2.6 報(bào)警模塊

單片機(jī)P1.6與蜂鳴器報(bào)警電路相連，當(dāng)檢測(cè)濕度值低于預(yù)設(shè)濕度下限值時(shí)，進(jìn)行聲光報(bào)警。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

澆花系統(tǒng)的軟件部分采取C語(yǔ)言進(jìn)行編程，為方便統(tǒng)籌，選用模塊化設(shè)計(jì)方法[6]。

3.1 按鍵掃描子程序

系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行后，首先完成對(duì)ADC0832、LCD1602初始化設(shè)置，讀取土壤濕度值，然后等待按鍵操作。不進(jìn)行任何按鍵操作，執(zhí)行自動(dòng)模式。在自動(dòng)模式下，判斷當(dāng)前濕度是否低于預(yù)設(shè)值，低于則繼電器使水泵澆水，當(dāng)濕度高于預(yù)設(shè)值，停止?jié)菜?。S4鍵按下表示進(jìn)入設(shè)置預(yù)設(shè)濕度值狀態(tài)，否則表示進(jìn)入正常檢測(cè)狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)入設(shè)置濕度值狀態(tài)時(shí)，S5鍵按下預(yù)設(shè)值加，S6按下預(yù)設(shè)值減，S4按下是選擇設(shè)置上限值、下限值和退出。當(dāng)進(jìn)檢測(cè)狀態(tài)時(shí)，S5鍵選擇手動(dòng)和自動(dòng)模式。若按下S5鍵，選擇手動(dòng)模式，人為控制澆水。否則進(jìn)行自動(dòng)模式。在運(yùn)行過(guò)程中，伴隨著LCD1602液晶顯示濕度值和當(dāng)前模式，蜂鳴器警報(bào)。

在主程序中，掃描按鍵S4、S5、S6，及時(shí)獲取按鍵狀態(tài)，當(dāng)無(wú)按鍵按下，系統(tǒng)一直循環(huán)執(zhí)行主程序；當(dāng)有按鍵按下時(shí)，掃描獲取其狀態(tài)，然后運(yùn)行對(duì)應(yīng)的子程序。

3.2 顯示子程序

顯示子程序是由初始化、寫(xiě)命令、寫(xiě)數(shù)據(jù)、寫(xiě)入位置和寫(xiě)入格式子程序構(gòu)成。系統(tǒng)調(diào)用這些子程序，使數(shù)據(jù)按照需要的格式顯示在LCD1602顯示屏上。

3.3 系統(tǒng)流程圖

本澆花系統(tǒng)的軟件程序總流程圖，圖3所示。

4 結(jié)論

本次設(shè)計(jì)的澆花系統(tǒng)硬件電路簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)單，成本低，實(shí)用性好，設(shè)計(jì)滿(mǎn)足預(yù)期功能。以STC89C51RC單片機(jī)為核心，由YL-69和ADC0832濕度檢測(cè)模塊、LCD1602液晶顯示模塊、繼電器澆水模塊、按鍵模塊、蜂鳴器報(bào)警模塊構(gòu)成。

系統(tǒng)有自動(dòng)和手動(dòng)澆花模式，自動(dòng)模式下，YL-69檢測(cè)的土壤濕度信號(hào)經(jīng)ADC0832處理后傳入單片機(jī)，單片機(jī)將檢測(cè)的土壤濕度與預(yù)設(shè)濕度范圍進(jìn)行比對(duì)，比下限值低，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)繼電器，開(kāi)始澆水，直到達(dá)到上限值。若比上限值高，停止?jié)菜?。手?dòng)模式是手動(dòng)按鍵控制水量。本系統(tǒng)設(shè)置了3個(gè)按鍵，主要用來(lái)選擇澆水模式、改變預(yù)設(shè)的濕度上下限值[7]。LCD1602顯示屏用來(lái)顯示濕度值和澆花模式，蜂鳴器用來(lái)報(bào)警。

圖3 系統(tǒng)軟件程序總流程圖

[1] 張富春，邵婷婷，楊彥寧.一種基于DHT11的家用自動(dòng)澆花電路的設(shè)計(jì)[J].微處理器和可編程控制器，2014(16)：35-36，24.

[2] 覃光鋒.根據(jù)濕度進(jìn)行智能澆花的硬件設(shè)計(jì)[J].裝備制造技術(shù)，2016(9)：54-57.

[3] 劉雪雪.串行數(shù)據(jù)芯片的編程檢測(cè)方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，32(2)：160-163.

[4] 李鵬偉.基于單片機(jī)的出租車(chē)計(jì)價(jià)器設(shè)計(jì)[D].晉中：山西農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.

[5] 童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].第4版.北京：高等教育出版社，2012.

[6] 譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社，2004.

[7] 宋艷麗.基于單片機(jī)濕度控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].寧波：寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2016，20(5)：87-90.