基于STC89C52單片機的自動灌溉系統設計

江南大學物聯網工程學院 夏子浦 徐穎秦 倪 榮 孫絲韜 沈錦程 張 欣

基于STC89C52單片機的自動灌溉系統設計

江南大學物聯網工程學院 夏子浦 徐穎秦 倪 榮 孫絲韜 沈錦程 張 欣

基于STC89C52（以下簡稱C52）單片機設計了一套自動灌溉系統。該系統由C52型單片機及控制電路、溫濕度傳感器、數據采集電路、AD轉換電路、繼電器、蜂鳴器驅動電路、LCD顯示電路、按鍵電路等模塊構成。其中以C52單片機為控制核心，通過軟件編程和溫濕度傳感器實現了對環境溫濕度數據采集，LCD1602液晶進行實時顯示及實時報警等功能。最后通過仿真驗證，系統運行穩定，能夠實現預期功能。

自動灌溉；單片機；溫濕度傳感器

1.引言

灌溉系統自動化程度代表著農業現代化的發展水平。基于單片機控制的灌溉系統可對不同土壤溫濕度進行自動監控，并按照作物對土壤要求進行適時噴灌。其核心部分是由單片機控制，通過軟件編程實現溫濕度傳感器對環境溫濕度數據采集，再由LCD1602液晶進行實時顯示，繼電器驅動電磁閥打開水管路完成自動噴灌。該系統可以同時實現自動和手動兩種噴灌方式，簡單靈活，易于操作，可靠性高，有一定的實用價值和發展前景[1]。

2.硬件組成及設計原理

基于單片機的自動灌溉系統硬件組成原理如圖1所示。溫濕度傳感器電路將采集到的模擬溫濕度信號通過AD轉換成數字量送到C52；繼電器模塊驅動電磁閥開度實現自動噴灌；通過LCD模塊顯示當前溫濕度值；通過按鍵模塊設定溫濕度初始值、系統復位和手動操作；蜂鳴器模塊起報警提示作用；電源模塊給各模塊提供電源。C52控制電路是所有模塊的控制中心，實現數據處理、顯示以及繼電器控制等功能。

圖1 系統組成原理圖

2.1 單片機主控電路

本設計選用宏晶科技STC89C52型單片機，其內部有8KB ROM以及2KB EEPROM，容量足夠無須擴展。主控電路由復位電路、晶振電路、報警電路和電源開關等電路組成。單片機管腳功能如圖2所示，P0-P3口與后續的模塊相連以實現各種功能。

圖2 單片機主控電路

2.2 AD轉換電路

AD轉換電路實現模擬量到數字量的轉換功能。本設計采用以ADC0804芯片為核心的AD轉換模塊。Vin(+)接濕度傳感器輸出的模擬電壓，Vin(-)接地，因此Vin(+)端的電壓即為ADC0804的模擬輸入電壓。圖中電阻起限流保護作用，由于Vin可在0-VCC之間變化，故ADC0804數字輸出值在0x00-0xFF范圍內。

圖3 AD轉換電路

2.3 溫濕度傳感器電路

濕度傳感器電路實現土壤濕度的檢測。設計中采用LM393比較電路檢測土壤濕度，通過電位調節器控制相應閥值，濕度低于設定值比較器輸出高電平，反之輸出低電平。模擬輸出AO與AD轉換模塊相連，獲得土壤濕度精確值。本設計采用將AO端口與AD模塊相連，由AO端口對數據進行采樣，如圖4所示。

溫度傳感器以DS18B20為核心構成。單片機P2.2口與DS18B20的I/O口相連，采用單總線協議將環境溫度轉化為數字信號，以數字碼方式串行輸出，簡化了傳感器與微處理器的接口[2]。

圖4 濕度傳感器電路

圖5 繼電器模塊電路

2.4 繼電器模塊電路

繼電器模塊中的核心器件為光耦合器和繼電器，如圖5所示。圖中光耦合器為PC817，其結構相當于把發光二極管和光敏三極管封裝在一起，主要用于將控制電路與外部電源隔離，防止電磁干擾。

單片機P2.0口與光耦合器的IN端相連。當P2.0為低電平時，三極管導通繼電器線圈帶電，常開觸點吸合電磁閥工作。在繼電器驅動電路中設置二極管保護電路，用于防止繼電器斷電時產生很高的反向電動勢，擊穿驅動三極管。

2.5 液晶顯示電路

本設計中，AD輸出的數字量經算法處理后，采用LCD1602液晶顯示器顯示當前環境溫濕度值，顯示容量為16×2個字符。首次使用時通過旋轉電位器調節顯示器的對比度，調節至液晶顯示出黑色小格為止。

3.系統軟件結構設計

圖6為自動噴灌系統主程序流程圖。在程序開始時先進行模塊初始化，通過按鍵設定濕度上、下限值，讀取并顯示當前濕度值。在主循環中將設定值與當前濕度值比較，根據比較結果，跳轉到相應執行程序。

圖6 主程序流程圖

4.結論

本設計以STC89C52單片機為控制核心，通過濕度傳感器對土壤濕度參數進行自動檢測，將檢測的結果送入AD轉換電路并通過液晶顯示，輸出控制信號，對現場土壤濕度進行實時控制和自動噴灌，能在濕度異常情況下實現、報警，并具有手動和自動兩種操作功能。該系統的主要特點是適用性強，可對作物進行適時、適量灌水，系統成本低廉，操作簡單，可擴展性強，只要稍加改變，即可增加其他使用功能。

[1]寧玉偉,李明剛,何玉靜等．基于單片機控制的定量灌溉系統的設計[J]． 河南農業大學學報, 2010, 44: 311-313．

[2]郭天祥． 51單片機C語言教程-入門提高開發拓展全攻略[M]．北京: 電子工業出版社, 2015． 147-156．

徐穎秦，高級工程師。

2016年江南大學大學生創新訓練計劃項目。