黃佳華，何東源，黃成威，龍文馬，李友麗，鄧詩曼，黃燦勝

（廣西民族師范學(xué)院 數(shù)理與電子信息工程學(xué)院，廣西崇左，532200）

0 引言

基于當(dāng)前國內(nèi)目前智能澆花系統(tǒng)中存在的一些缺陷，需設(shè)計(jì)出一款讓用戶可以實(shí)時(shí)監(jiān)測到盆栽信息并能通過控制虛擬開關(guān)來遠(yuǎn)程控制盆栽澆水情況的系統(tǒng)，而基于單片機(jī)的自動(dòng)澆花系統(tǒng)可以滿足要求。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)與原理

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

基于單片機(jī)STC89C52 的自動(dòng)澆花系統(tǒng)設(shè)計(jì)旨在通過測量土壤中的濕度，實(shí)時(shí)了解植物生長環(huán)境中的水分狀況，以便及時(shí)采取措施來調(diào)整植物的生長條件，提高植物養(yǎng)殖的生產(chǎn)效益。

1.2 設(shè)計(jì)原理

該設(shè)計(jì)以單片機(jī)STC89C52 為核心，單片機(jī)主控電路可以通過單總線的方式讀取土壤濕度傳感器的數(shù)據(jù)，采用土壤濕度傳感器，檢測當(dāng)前土壤濕度，并通過A/D 轉(zhuǎn)換電路ADC0832 讀取土壤濕度的模擬量信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過單片機(jī)讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，采用按鍵電路設(shè)計(jì)和顯示電路設(shè)計(jì)來操作電路。采用繼電器驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇電路、驅(qū)動(dòng)水泵電路和加熱驅(qū)動(dòng)電路，繼電器控制端由單片機(jī)直接控制，實(shí)現(xiàn)給植物自動(dòng)澆水、自動(dòng)補(bǔ)溫、降溫；采用光線檢測傳感器模塊，實(shí)現(xiàn)給植物補(bǔ)光；采用藍(lán)牙模塊，實(shí)現(xiàn)智能化養(yǎng)殖植物。系統(tǒng)設(shè)計(jì)組成框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)組成框圖

2 作品設(shè)計(jì)

該作品整個(gè)系統(tǒng)的架構(gòu)分為硬件和軟件兩部分。硬件方面，由單片機(jī)STC89C52 核心控制單元、溫度傳感器模塊、土壤濕度傳感器、光線檢測模塊、藍(lán)牙模塊、LCD 顯示電路、ADC 轉(zhuǎn)換電路、按鍵電路、水泵驅(qū)動(dòng)電路、風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路和補(bǔ)光驅(qū)動(dòng)電路組成。 總原理框圖設(shè)計(jì)圖如圖2 所示。

圖2 總原理框圖設(shè)計(jì)圖

2.1 STC89C52 單片機(jī)

單片機(jī)在使用時(shí)需要注意以下三個(gè)重要部分，第一條件需要設(shè)計(jì)好電源部分，把單片機(jī)的40 腳連接電源正極5V，單片機(jī)的20 腳連接電源負(fù)極GND，以提供正常的電源。第二個(gè)條件是時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)，單片機(jī)U1 的第18 腳和第19 腳連接時(shí)鐘電路，即連接Y1(12MHz)晶振，晶振兩端并連C2與C3 諧振電容輔助振蕩為單片機(jī)程序運(yùn)行提供時(shí)鐘源。第三個(gè)條件是第9 腳連接復(fù)位電路，U1 單片機(jī)第9 腳為高電平復(fù)位，連接R10 到GND，與R10 連接處連接S4 和C1到電源正極VCC，當(dāng)S4 按下時(shí)給單片機(jī)的第9 腳輸入高電平信號(hào)復(fù)位單片機(jī)。以上則是單片機(jī)最小系統(tǒng)電路，另外單片機(jī)最小系統(tǒng)也需要連接其他模塊電路，用于讀取數(shù)據(jù)和控制輸出等。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)如圖3 所示。

圖3 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)圖

2.2 溫度傳感器模塊

IC1 為溫度傳感器DS18B20 第1 腳連接電源正極，第3 腳連接電源負(fù)極，第2 腳為傳感器數(shù)據(jù)傳輸引腳，該引腳直接連接單片機(jī)主控電路讀取溫度數(shù)據(jù)。當(dāng)溫度值高于設(shè)定閾值40℃時(shí)，系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)觸發(fā)風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路，開啟風(fēng)扇給植物降溫；反之亦然。當(dāng)溫度值低于設(shè)定閾值20℃時(shí)，系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)觸發(fā)加熱驅(qū)動(dòng)電路，開啟12V/10W 加熱絲給植物環(huán)境加熱補(bǔ)溫，通過驅(qū)動(dòng)繼電器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)溫功能。溫度傳感器電路設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 溫度傳感器電路設(shè)計(jì)圖

2.3 土壤濕度傳感器模塊

IC2 為土壤濕度傳感器模塊，利用ADC2 轉(zhuǎn)換電路讀取土壤濕度值。當(dāng)土壤濕度值低于設(shè)定閾值35%時(shí)，系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)觸發(fā)水泵驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行澆水，反之亦然。通過驅(qū)動(dòng)繼電器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆水功能。土壤濕度傳感器電路設(shè)計(jì)如圖5 所示。

圖5 土壤濕度傳感器電路設(shè)計(jì)圖

2.4 光線檢測模塊

IC3 為光線檢測模塊，利用ADC1 轉(zhuǎn)換電路讀取光線亮度值。當(dāng)亮度低于設(shè)定值25%時(shí)，系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)觸發(fā)補(bǔ)光燈驅(qū)動(dòng)電路，通過驅(qū)動(dòng)繼電器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)光功能；反之亦然。光線檢測模塊電路設(shè)計(jì)如圖6 所示。

圖6 光線檢測模塊電路設(shè)計(jì)圖

2.5 藍(lán)牙模塊

其可以通過藍(lán)牙調(diào)試器APP 對(duì)指定藍(lán)牙進(jìn)行連接并發(fā)送指令，而單片機(jī)通過串口可以設(shè)置模塊和把要發(fā)送的指令寫入模塊內(nèi)并發(fā)送。藍(lán)牙模塊電路設(shè)計(jì)如圖7 所示。

圖7 藍(lán)牙模塊電路設(shè)計(jì)圖

2.6 LCD 顯示電路

采用的是LCD1602 液晶顯示屏幕，連接單片機(jī)控制電路進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)；第15 腳和第16 腳為LCD 背光的正負(fù)極引腳，連接電源的正負(fù)極給LCD 背光供電。LCD 顯示電路設(shè)計(jì)如圖8 所示。

圖8 LCD 顯示電路設(shè)計(jì)圖

2.7 AD 轉(zhuǎn)換電路

其采用的是ADC0832 作為AD 轉(zhuǎn)換IC1，第1 腳CS 為芯片使能腳，第2 腳CH0 為模擬輸入通道0 模擬信號(hào)可以從這個(gè)引腳輸入；第3 腳CH1 為模擬輸入通道1 模擬信號(hào)可以從這個(gè)引腳輸入，輸入信號(hào)電壓范圍為0~5V；第4 腳為芯片電源負(fù)極；第5 腳為DI 為芯片控制數(shù)據(jù)輸入腳，第6 腳為DO 為芯片轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸出腳，第7 腳為CLK 為芯片時(shí)鐘腳，第8 腳為芯片電源正極腳，輸入電壓為+5V，該腳也是基準(zhǔn)電壓腳，故ADC0832 的基準(zhǔn)電壓一般為5V。ADC 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)如圖9 所示。

圖9 LCD 顯示電路設(shè)計(jì)圖

2.8 按鍵電路

其采用獨(dú)立按鍵作為主要按鍵器件，按鍵電路由S2~S10組成，按鍵按下時(shí)會(huì)給單片機(jī)引腳輸入一個(gè)低電平信號(hào)，由此單片機(jī)可以通過電平檢測的方式來讀取按鍵信息。

2.9 水泵驅(qū)動(dòng)電路和風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路

采用5V 直流水泵作為進(jìn)出水水泵器件，采用的三極管型號(hào)為8550，其一發(fā)射極連接電源正極，集電極連接繼電器的線圈腳，用于驅(qū)動(dòng)繼電器吸合，基極通過電阻連接單片機(jī)主控電路控制，間接控制進(jìn)水泵啟動(dòng)和停止；風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路原理與水泵驅(qū)動(dòng)電路同理，也是通過單片機(jī)控制出風(fēng)扇的啟動(dòng)和停止。

2.10 加熱驅(qū)動(dòng)電路

采用12V/10W 加熱絲作為主要加熱器件，RL1 為加熱絲器件，在加熱絲的兩端并聯(lián)二極管D6，功能是在加熱絲啟動(dòng)時(shí)通過D6 克制反向電動(dòng)勢；Q4 的發(fā)射極連接電源正極構(gòu)成回路，單片機(jī)通過控制Q4 間接控制加熱電路的啟動(dòng)和停止。加熱驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖10 所示。

圖10 加熱驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖

2.11 補(bǔ)光驅(qū)動(dòng)電路

采用4 個(gè)并聯(lián)發(fā)白光LED 作為補(bǔ)光源，發(fā)白光LED 只要兩端提供5V 供電即可發(fā)光，所以就只要設(shè)計(jì)一個(gè)驅(qū)動(dòng)控制電路即可對(duì)其進(jìn)行控制；三極管的基極連接電阻連接單片機(jī)控制電路，單片機(jī)輸出低電平時(shí)控制三極管導(dǎo)通，使得發(fā)白光LED 的兩端得電發(fā)光，反之則不發(fā)光。當(dāng)亮度值低于設(shè)定閾值25%時(shí)，系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)觸發(fā)補(bǔ)光驅(qū)動(dòng)電路，開啟白光LED 給植物照明，反之亦然，以此實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)光功能。補(bǔ)光驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖11 所示。

圖11 補(bǔ)光驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件方面使用C 語言編寫。在子程序中編寫LCD1602顯示程序、獨(dú)立按鍵掃描程序、ADC0832 子程序、各驅(qū)動(dòng)程序，和DS18B20 溫度讀取程序和設(shè)置主界面參數(shù)程序等。各個(gè)模塊的驅(qū)動(dòng)程序主要對(duì)模塊的工作狀態(tài)進(jìn)行設(shè)定，再在主函數(shù)中調(diào)用函數(shù)，即可讀取傳感器檢測到的信息或者通過模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。但濕度檢測和采集電路輸出的是模擬電壓值，單片機(jī)需通過ADC0832 轉(zhuǎn)換后才能讀取。軟件程序設(shè)計(jì)流程如圖12 所示。

圖12 軟件程序設(shè)計(jì)流程圖

4 結(jié)語

隨著科技的發(fā)展和生活的智能化，許多家庭和辦公室都開始使用自動(dòng)澆花系統(tǒng)來照顧他們的植物，本設(shè)計(jì)以單片機(jī)STC89C52 為核心，單片機(jī)主控電路通過單總線的方式讀取土壤濕度傳感器的數(shù)據(jù)，通過A/D 轉(zhuǎn)換電路ADC0832 讀取土壤濕度的模擬量信號(hào)并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過單片機(jī)讀取轉(zhuǎn)換讀出，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)澆花系統(tǒng)的功能，為人們提供了便利和效率。本設(shè)計(jì)具有數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性高、反應(yīng)速度快、可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)，為用戶提供了一種方便、實(shí)用的土壤濕度監(jiān)測和控制解決方案，還可以使用手機(jī)通過藍(lán)牙調(diào)試器APP 進(jìn)行藍(lán)牙連接，實(shí)現(xiàn)智能化自動(dòng)化澆水灌溉，為植物的生長提供了最佳的生長環(huán)境，讓生活更加智能便利的同時(shí)節(jié)省人力資源的成本，能夠有利于提高農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效益。