俞紀(jì)良，劉壯林，范海平，曾孟佳，2

（1.湖州師范學(xué)院信息工程學(xué)院，浙江湖州 313000；2.湖州學(xué)院理工學(xué)院，浙江湖州 313000）

隨著人們對(duì)美好生活標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，許多居民為美化生活環(huán)境和凈化空氣，在家里種植了盆栽植物[1]。但忙碌的生活使得人們很多時(shí)候無法及時(shí)給盆栽植物澆水，大大影響植物的正常生長和存活率。為保證家中綠植的生命活力，研制并開發(fā)一種自動(dòng)澆花裝置就很有必要。目前，市面上的自動(dòng)澆水裝置，一般通過人為在定時(shí)器上設(shè)定時(shí)間，計(jì)時(shí)清零時(shí)執(zhí)行澆水動(dòng)作實(shí)現(xiàn)[2]，時(shí)間的設(shè)定依賴于種植戶對(duì)綠植的養(yǎng)植經(jīng)驗(yàn)，并不能根據(jù)植物所需和實(shí)際土壤狀況實(shí)施較為精準(zhǔn)的澆水動(dòng)作。為解決上述問題，保證自動(dòng)澆水的及時(shí)性和精確性，該文設(shè)計(jì)了一種以土壤濕度為依據(jù)的自動(dòng)澆花系統(tǒng)，可使土壤濕度保持在合適的范圍內(nèi)，有利于綠色植物的健康成長。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動(dòng)澆花系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用AT89C52 單片機(jī)為核心，其中按鍵電路、ADC0832 采樣電路是輸入模塊，輸出模塊為水泵控制電路和LCD 液晶顯示電路，總電源電路為各模塊供電。

土壤濕度傳感器可以獲取當(dāng)前的土壤水分信息，將采集到的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過單片機(jī)進(jìn)行傳輸，然后在LCD 液晶屏上顯示[3]。通過單片機(jī)內(nèi)置的判斷程序語句來選擇是否澆水。當(dāng)濕度低于預(yù)設(shè)的濕度值時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)出澆水信號(hào)，驅(qū)動(dòng)水泵開始澆水，達(dá)到智能澆水的目的。系統(tǒng)硬件框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

1.1 電源電路設(shè)計(jì)

電源電路使用的硬件接口是直流電源插座DC，可連接USB 電源線接5 V 電源[4]。LED 作為系統(tǒng)運(yùn)行的指示燈，其中串聯(lián)的電阻R7大小為1 kΩ，對(duì)LED燈起到限流保護(hù)的作用，可防止燈泡因電流過大而燒壞，導(dǎo)致系統(tǒng)故障。自鎖開關(guān)SW 的功能是按下開關(guān)紅燈亮，同時(shí)輸出5 V 電源，電源電路如圖2 所示。

圖2 電源電路

1.2 水泵控制電路設(shè)計(jì)

微型水泵的作用主要是將水輸送到花盆里面[5]，水泵控制電路如圖3 所示。水泵是將電機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為抽送液體的動(dòng)能從而達(dá)到抽送液體目的。在該電路中，LED 燈是黃顏色的，它的亮與暗可以反饋水泵是否正常工作。限流電阻R8大小為1 kΩ，作用是保護(hù)LED 燈不會(huì)因過流而燒壞[6]，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。當(dāng)單片機(jī)對(duì)應(yīng)的控制引腳為低電平時(shí)，三極管打開，水泵正常工作。另外，電解電容的作用是濾除泵電源的低頻參數(shù)，使水泵工作更加穩(wěn)定，水泵為水流的傳輸提供了渠道，使得澆花變得更加方便。

圖3 水泵控制電路

1.3 土壤濕度傳感器電路設(shè)計(jì)

土壤濕度檢測電路如圖4 所示。其中ADC0832是一種8 位A/D 轉(zhuǎn)換芯片[7]，芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間短，轉(zhuǎn)換速度快。土壤濕度傳感器先檢測土壤濕度，采集的實(shí)時(shí)土壤濕度會(huì)與單片機(jī)預(yù)先設(shè)定的濕度相比較，作為是否發(fā)出澆水信號(hào)的重要依據(jù)。ADC0832 選擇模擬輸入通道CH0 作為土壤濕度檢測信號(hào)采集口，將土壤濕度傳感器采集的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電壓信號(hào)[8]，經(jīng)過STC89C52 單片機(jī)傳輸?shù)絃CD 液晶顯示屏上實(shí)時(shí)顯示土壤濕度。

圖4 土壤濕度檢測電路

1.4 LCD液晶顯示電路設(shè)計(jì)

LCD1602 液晶屏驅(qū)動(dòng)電路模塊的作用是將顯示字符的ASCII 碼寫入內(nèi)部的顯示數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，通過LCD 液晶屏顯示該字符[9]。LCD 液晶顯示電路如圖5所示。

圖5 LCD液晶顯示電路

選用的LCD 具有14 條引腳線，其各引腳的作用如表1 所示。

表1 LCD引腳作用表

LCD 顯示的每個(gè)字符都是由點(diǎn)陣組成的，在編程顯示時(shí)只需將對(duì)應(yīng)的點(diǎn)置1，就可以顯示字符[10]。通過LCD 液晶接收顯示信號(hào)，每個(gè)字符點(diǎn)都會(huì)保持其原始顏色和亮度，并繼續(xù)發(fā)光。這與數(shù)碼管顯示的機(jī)制不同，數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示時(shí)由于人眼的視覺暫留效果，通過循環(huán)掃描每一位數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)。因此，選用LCD顯示器可以提高圖像顯示效果并且不會(huì)閃爍。

1.5 按鍵電路設(shè)計(jì)

這個(gè)輕觸按鍵起著電子開關(guān)的作用，其功能主要是通過按鈕內(nèi)部的金屬彈片力來實(shí)現(xiàn)的[11]。初始化情況下，單片機(jī)的按鍵控制引腳為高電平。當(dāng)按鍵被按下時(shí)，單片機(jī)的相關(guān)引腳由高電平變?yōu)榈碗娖?，同時(shí)運(yùn)行該鍵的功能程序，所以系統(tǒng)可以通過按鍵手動(dòng)配置濕度信息。按鍵電路如圖6 所示。

圖6 按鍵電路

1.6 AT89C52單片機(jī)

選用AT89C52 單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心[12]，其具有8 位CPU，為自動(dòng)澆花系統(tǒng)的運(yùn)行提供高速運(yùn)算支撐，8k 的Flash 存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦寫，有利于該系統(tǒng)的優(yōu)化改良。內(nèi)部存儲(chǔ)器用于儲(chǔ)存土壤濕度信息，按下設(shè)置鍵后預(yù)設(shè)的土壤濕度值由中斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。定時(shí)計(jì)數(shù)器為預(yù)設(shè)濕度值的增減作計(jì)數(shù)支撐，32個(gè)雙向的I/O是單片機(jī)數(shù)據(jù)流動(dòng)的橋梁。該單片機(jī)具有高度集成性，擁有掉電存儲(chǔ)功能[13]，適用于自動(dòng)澆花系統(tǒng)的開發(fā)，其單片機(jī)引腳圖如圖7所示。

圖7 AT89C52單片機(jī)引腳圖

2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

土壤濕度檢測與自動(dòng)灌溉系統(tǒng)流程圖如圖8 所示。根據(jù)綠色植物品種對(duì)土壤濕度的實(shí)際需求，提前設(shè)定土壤含水量的預(yù)設(shè)值，如30%。將土壤濕度傳感器實(shí)時(shí)檢測的濕度含量[14]與預(yù)設(shè)的濕度值進(jìn)行比較，判斷是否需要進(jìn)行澆水。

圖8 系統(tǒng)流程圖

2.1 部分代碼

部分代碼如下：

2.2 系統(tǒng)仿真測試

系統(tǒng)初始化后采集當(dāng)前環(huán)境的濕度值。完成A/D轉(zhuǎn)換后[15]，設(shè)置好預(yù)置濕度值，傳輸?shù)絃CD 液晶屏上顯示信息，系統(tǒng)確定當(dāng)前土壤濕度和預(yù)設(shè)土壤濕度之間的關(guān)系。如果低于設(shè)定值的30%，繼電器驅(qū)動(dòng)水泵進(jìn)行灌溉；如果高于設(shè)定值的70%，則繼電器和水泵不工作。濕度傳感器可以實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前的土壤濕度。當(dāng)澆水過程中土壤含水量大于設(shè)定值時(shí)，澆水過程結(jié)束。LCD 顯示濕度圖如圖9 所示，LCD1602第一行顯示了土壤當(dāng)前濕度，第二行顯示人為預(yù)設(shè)值[16]，可以通過設(shè)置鍵調(diào)整土壤濕度上下限，按下增大鍵濕度加一，反之按下減少鍵濕度減一，再次按下設(shè)置鍵退出設(shè)置程序。

圖9 LCD顯示濕度

Proteus 仿真測試結(jié)果表明，進(jìn)入自動(dòng)澆花系統(tǒng)后，先預(yù)設(shè)土壤的濕度值。根據(jù)土壤濕度傳感器采集的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)濕度值對(duì)比進(jìn)行判斷，再進(jìn)入程序處理[17]。當(dāng)濕度值小于預(yù)設(shè)值時(shí)，進(jìn)入水泵電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序并啟動(dòng)澆花功能，直到達(dá)到預(yù)設(shè)濕度。

自動(dòng)澆水系統(tǒng)能對(duì)綠色植物進(jìn)行監(jiān)測[18]，并能準(zhǔn)確反饋土壤濕度信息，根據(jù)植物對(duì)土壤濕度的實(shí)際需求進(jìn)行實(shí)時(shí)澆水。

3 結(jié)束語

該設(shè)計(jì)主要研究了土壤濕度與植物所需水分灌溉量之間的關(guān)系，使得綠色植物在生長過程中，其土壤濕度一直保持在合適的范圍內(nèi)。選用AT89C52 型單片機(jī)，在Keil 軟件上采用C51 語言編寫程序，最后運(yùn)用Proteus 進(jìn)行仿真測試，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性和穩(wěn)定性。當(dāng)濕度低于預(yù)設(shè)值時(shí)，單片機(jī)發(fā)出澆水信號(hào)，水泵系統(tǒng)開始澆水，達(dá)到預(yù)設(shè)土壤濕度值后停止?jié)菜?。它適用于沒有時(shí)間照顧花草的用戶，為綠色植物的管理提供了方便。