基于單片機的斷電記憶智能澆花系統設計

王子權安徽理工大學

基于單片機的斷電記憶智能澆花系統設計

王子權
安徽理工大學

引言

花草植物可以幫助人們陶冶情操、舒解心情并能改善家庭生活環境等。然而年輕的人生活節奏快，工作繁忙，所以照看花木的精力較少。同時，有些年輕人，可能需要經常出差，這樣，家中的花卉就得不到很好的照顧。目前市場上已有自動澆花系統的應用，如定時定量澆水或根據土壤濕度自動澆水，有的也可以把土壤濕度檢測和定時定量澆水組合起來。本設計系統根據不同植物人為設置土壤濕度值和澆水量來自動判斷澆水條件并實現定量澆水。單片機將預先設置的土壤濕度值和澆水量數據存儲在存儲器里，這樣當系統斷電后來電時能夠按照原先設置的數據正常工作。本設計使用實時時鐘芯片向單片機輸送月份和時鐘數據，實現不同季節不同時段的土壤濕度檢測，單片機將檢測得到的土壤濕度信號與預先設置的土壤濕度值進行分析比較來判斷是否達到澆水條件，當判斷要澆水時，單片機給電機驅動模塊供電，并根據預先設置的澆水量，構建流量-時間數學模型，驅動水泵運行相應的時間。

1　系統的總體設計

該系統的總體設計如圖1所示。系統的控制核心為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、復位模塊、實時時鐘模塊、溫度傳感器、電機驅動模塊、顯示模塊、串行輸入轉并行輸出模塊、存儲器模塊。

圖1　系統總體設計

2　系統的工作原理

系統加電后，人為通過按鍵模塊選擇檢測對象，輸入預設土壤濕度值和澆水量，依次按下輸入確認和系統確認按鍵，此時系統正式開始工作。單片機將預設的土壤濕度值和澆水量數據存儲在存儲器里，并實時采集實時時鐘芯片上的月份和小時數據，根據月份數據判斷植物處哪個季節，根據小時數據判斷是否到達檢測時間段，當到達檢測時間段時，單片機接收由A/D模塊將土壤濕度信號轉換成的數字量，土壤濕度信號由土壤濕度傳感器發送給A/D模塊，這樣實現了在不同季節不同時間段進行檢測的目的。單片機接收并處理A/D芯片傳來的數據并與預先設置的土壤濕度值進行分析比較，從而判斷是否給電機驅動模塊供電，實現了預設土壤濕度值目的。當判斷為澆水時，單片機給電機驅動模塊供電，驅動水泵運轉，根據水泵的性能參數可知水泵的流量值（ml/min），從而可構建流量-時間數學模型，通過單片機對模型進行運算處理可得出驅動水泵運轉的時間，從而實現了預設澆水量和定量澆水。系統的實時時鐘數據，預設土壤濕度值、預設澆水量值、檢測的土壤濕度值、溫度數值均顯示在液晶顯示器上。

流量-時間數學模型：

公式（2-1）中Q-水泵每分鐘的流量（ml/min）

V-預設澆水量(ml)

t-澆水時間（s）

根據流量-時間數學模型，通過單片機進行數據處理，可以得出預設澆水量對應的澆水時間，從而可以通過定時器等手段進行定時澆水，把水量輸出轉換為時間輸出，驅動水泵運轉相應的時間，達到定量澆水的目的。

3　電路設計方案

電路設計方案表明各個器件、模塊與單片機的連接關系，連接圖如圖2所示。

圖2　系統總圖

3.1A/D模塊

A/D轉換模塊采用PCF8591芯片，使用IIC總線，其優點是占用單片機引腳少，在A/D轉換方面使用較廣。如圖2所示，為PCF8591在系統中的電路連接方案。飛利浦公司規定了A/D器件地址為1001，本連接方案使用引腳地址為000。圖2中AIN0、AIN1、AIN2、AIN3為土壤濕度傳感器模擬信號接入腳，本連接方案使用AIN0、AIN1、AIN2三個引腳，可外接三個土壤濕度傳感器。

3.2實時時鐘

本系統的實時時鐘模塊主要是向單片機傳輸月份和小時數據。DS1302是由DS1202改進而來，增加了雙電源管腳用于主電源和備份電源供應，VCC1為可編程涓流充電電源，附加七個字節存儲器。DS1302內含有一個實時時鐘/日歷和31字節靜態RAM，通過簡單的串行接口與單片機進行通信。

3.3顯示器

本系統使用FYD12864-0402B液晶顯示器，其分辨率為128× 64，可顯示8×4行16×16點陣漢字，低電壓低功耗也是其顯著特點。該模塊使用74HC595芯片實現串行輸入轉并行輸出功能，以減少使用單片機引腳的數量。74HC595芯片是一種單片機I/O擴展芯片，遵循SPI總線協議，包含一個8位移位寄存器和一個8位D型鎖存器以及三太并行輸出。移位寄存器接收串行數據并提供串行數據輸出，移位寄存器和鎖存器都有獨立的時鐘輸入。

3.4按鍵設計

本設計共9個按鍵，皆為獨立鍵盤。在使用按鍵時，首先選擇檢測對象IN1、IN2、IN3，其次選擇輸入濕度或輸入水量，然后按下數值按鍵，數值按鍵*10、*1表示每按下一次數值加10和加1，最后依次按下輸入確認和系統確認。

3.5溫度傳感器

DS18B20是一種單總線結構的智能溫度傳感器，測溫范圍為-55℃-+125℃，測量分辨率為0.0625℃，內部結構主要由四部分組成：64位光刻ROM,溫度傳感器,非揮發的溫度報警觸發器TH和TL,高速暫存器。本系統溫度傳感器將實時監測的溫度顯示在顯示器上。

3.6電機驅動模塊

電機驅動模塊使用兩片L298N電機驅動芯片，一塊74HC595芯片，三個5V直流水泵。L298N是一種高電壓、大電流電機驅動芯片，可驅動一臺兩相步進電機或四相步進電機，也可以驅動兩臺直流電機。本設計水泵選擇5V直流水泵，74HC595芯片的Q0至Q5引腳接到L298N的輸入引腳。

3.7存儲器模塊

存儲器將可以將重要的數據存儲起來，本系統的預設濕度值和澆水量是系統工作的必要數據，當有意外斷電時，輸入的數據會全部格式化，所以為使系統再次來電時能夠按照原來的設置正常工作，需要加入存儲器模塊。FM24C02是串行可擦除ROM，其輸入引腳經施密特觸發器濾波抑制噪聲，可靠性高。

3.8土壤濕度傳感器

系統使用YL-69型土壤濕度傳感器。土壤濕度傳感器對環境濕度最為敏感，其靈敏度可調，模塊雙輸出，數字量輸出簡單，模擬量輸出更精確，比較器采用LM393芯片，工作穩定。OUT腳是數字量輸出接口，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轉換。

3.9USB轉串口

USB即通用串行總線（Universal Serial Bus），是目前最為常用的一種總線標準。USB接口支持即插即用和熱插拔并提供內置電源，其連接方式靈活，既可以使用串行連接方式也可以使用USB Hub把多個USB設備連接在一起。本系統使用USB接口實現自動下載和給單片機提供標準電源，使得單片機的代碼下載與電源供應在同一接口上。本設計使用CH340G芯片，以實現USB轉串口。

4　軟件設計

程序設計包括初始化、顯示子程序、按鍵程序、土壤濕度檢測與A/D轉換程序、溫度檢測程序、PCF8591服務程序、存儲器讀寫程序、L298N電機驅動程序、實時時鐘程序。流程圖如圖3。

圖3　程序流程圖

5　結語

本設計使用AT89S52單片機作為控制器芯片，設計了一種斷電記憶智能澆花系統。該系統可預設土壤濕度值和澆水量，并將輸入的數據放在存儲器里，這樣可在斷電后來電時按照原先設置的數據正常工作。該系統通過讀取實時時鐘芯片的時間數據判斷花所處的具體時間，實現在不同季節不同時間段的檢測與澆灌。土壤濕度傳感器將土壤濕度信號傳送給A/D轉換芯片，單片機通過對采集的土壤濕度值與預設土壤濕度值進行比較來判斷是否給花澆水，通過單片機處理流量-時間數學模型將流量輸出轉換為時間輸出以實現定量澆水。

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The Design of Intelligent Automatic Watering System of Flowers Based on SCM

Wang Ziquan
ANHUI UNIVERSITY OF SCIENCE&TECHNOLOGY

基于單片機的斷電記憶智能澆花系統設計以AT89S52單片機為控制器，可預先設置土壤濕度值和澆水量，由單片機分析處理土壤濕度傳感器檢測的濕度信息，并與預先設置的土壤濕度值進行比較，當達到澆水條件時，單片機給電機驅動模塊供電，根據預先設置的澆水量，使水泵運轉相應的時間。系統將預先設置的土壤濕度值和澆水量數據放在存儲器里，當系統斷電后來電時能夠按照原先設置的數據正常運行。

AT89S52單片機；LCD12864；74HC595；L298N；PCF8591；FM24C02

The design of intelligent automatic watering system of flowers based on SCM,which takes the type AT89S52 single-chip microcomputer as the MCU,can be operated by presetting the nu?merical value of soil moisture and water.The SCM will analyze and dispose the signal from the soil moisture sensor,and compare with the presetting numerical value of soil moisture.The module of driv?ing motor will get started when it is the situation to water flowers,and drive the water pump for a regular time according to the preset?ting numerical value of water.The system stores the data of preset?ting numerical value of soil moisture and water in the storage,and will be running normally after breaking off electronic.

AT89S52SCM；LCD12864；74HC595；L298N；PCF8 591;FM24C02