51單片機的自動澆花系統(tǒng)

上海工程技術大學 馬宇喆 李恒鋒 李 斐

隨著經(jīng)濟與社會的發(fā)展，人們的生活水平也越來越高。大多數(shù)人開始在家培養(yǎng)盆花來達到凈化空氣、豐富生活、增添景色、陶冶情操等目的。然而培養(yǎng)盆花需要一定的專業(yè)知識儲備和足夠充分的時間進行培養(yǎng)維護。因此市場上對花草的智能監(jiān)控，智能培養(yǎng)的需求也越來越大。為滿足人們對各種盆花的養(yǎng)殖需求，市場上出現(xiàn)了各種自動澆花系統(tǒng)（如圖1）。如今市場上的自動澆花系統(tǒng)大多能做到的只是定時澆灌，好一點的也只是以土壤濕度作為唯一標準來實現(xiàn)自動澆灌的功能的。本文在原有的基于土壤濕度監(jiān)控的情況下新增光照強度和溫度兩個監(jiān)控指標。由于考慮到更多的外界因素，該澆花系統(tǒng)將為所養(yǎng)植物提供更準確的生存環(huán)境，在一定程度上擴展了產(chǎn)品的適用范圍。

圖1 市面上常見的自動澆灌裝置（圖片來源：淘寶）

1 自動澆花系統(tǒng)實現(xiàn)原理

本文所涉及的自動澆花系統(tǒng)基于AT89C51單片機。該單片機的使用功耗低，芯片采用高密度、非易失性存儲技術制造，集成了8KBytes ISP Flash存儲單元，可反復擦寫1000次，兼容標準MCS－51指令系統(tǒng)。要實現(xiàn)自動澆花系統(tǒng)，就要著重做好兩部分的工作，其一，深入了解AT89C51單片機的各個引腳的功能，明確程序控制指令的控制方式。其二，確定智能化自動澆花系統(tǒng)的控制程序以及各構(gòu)件的作用順序。在本設計中，實現(xiàn)“自動澆花”功能除了基于51單片機設置相應的控制程序之外，還需將“澆花裝置”與單片機控制系統(tǒng)相連接（即相應的硬件連接）。該裝置的構(gòu)成及運行方式如下：

是否執(zhí)行澆花操作除需土壤干旱程度之外，還取決于作物外界的光照強度和溫度。需要借助溫度以及光照傳感器。在自然情況下，人類澆花遵循的原則為：①規(guī)律性，根據(jù)所養(yǎng)花的對水分的需求度，定時定量地澆水。②補償性，如果“定時定量”這一原則無法執(zhí)行，則每間隔一段時間后，人們會觀察花的生長情況、土壤的干旱情況以及外界環(huán)境因素，進行“補償性”澆水，即干旱程度越大，澆水越多。自動澆花系統(tǒng)不同于上述兩種人類澆灌模式，而是更具“智能化”，將植物生長環(huán)境的光照強度和溫度也測試在內(nèi)，即當光照強度和溫度超常時，也會啟動專用控制的子系統(tǒng)。它采用“隨時監(jiān)控，按需澆灌”的原則。具體而言，系統(tǒng)中各個傳感器維持不間斷運行模式，能夠持續(xù)將代表土壤干旱程度以及外界溫度濕度的數(shù)值傳遞至51單片機的控制中樞。控制系統(tǒng)讀取該數(shù)值后，與數(shù)據(jù)存儲庫中預設的溫濕度“臨界值”進行對比，進而決定是否開始澆水。如要區(qū)分自動澆水系統(tǒng)的智能度，可在此處額外設置“比對控制程序”。首先，簡單化的自動澆水模式。傳感器數(shù)值與控制程序預設臨界值進行對比，達到或超過臨界值，立刻澆水；未達到臨界值，不澆水。其次，分級智能自動澆水模式。傳感器數(shù)值尚未達到或超過臨界值，但與之的差距較小（“小”的范圍可自行決定），說明土壤中的水分已經(jīng)相對不足，可少量澆水（同樣，對“少”的定義由設計人員根據(jù)需求自行決定），如果超出臨界值，則按標準值澆水。

2 自動澆花系統(tǒng)軟件實施過程

2.1 土壤及外界光照強度和溫度的檢測及自動澆水功能實現(xiàn)

上文介紹了基于AT89C51單片機的自動澆花系統(tǒng)的實現(xiàn)原理，接下來主要闡述具體實現(xiàn)的過程。

（1）光照檢測電路為準確采集不同時段的光照強度信號，將光敏電阻組成光照信號檢測網(wǎng)絡，正對陽光的光敏電阻將采集到最大信號。光強信號經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換進入單片機，AD轉(zhuǎn)換采用ADC0809，同時設定為8位。當太陽的光照強度在正常范圍時，土壤水分蒸發(fā)正常，澆灌器按正常程序澆灌；當光照強度高于或低于正常范圍時，澆灌器按特別的程序控制澆水量的增加或減少。光照強度的正常范圍隨季節(jié)變化，控制參數(shù)一般根據(jù)實驗和經(jīng)驗確定。

（2）濕度傳感器使用YL-69傳感器，該傳感器數(shù)字量輸出簡單，模擬量輸出精確，可以將濕度傳感器檢測到的數(shù)據(jù)通過A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字量后輸出給單片機。

（3）將濕度傳感器與單片機相連時，為了保證傳輸結(jié)果的準確性，還需額外設置一個LM393比較器。實現(xiàn)的過程為：通過R1設置一個標準值，如果土壤濕度大（AC電壓值減小），則輸出低電平；反之則輸出高電平。控制系統(tǒng)根據(jù)輸出信號，可粗略估計土壤當前的濕度處于何種范圍。相關數(shù)據(jù)信息首先通過模擬電子信號的形式傳遞至控制電路中，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號之后，可直接讀取。

（4）上文所述的“是否澆水”原理基于51單片機的實現(xiàn)流程為。單片機的輸入/輸出（I/O）口會與ADC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器相連，當帶有土壤濕度具體值的信號通過I/O口進入單片機后，具體數(shù)值會實時顯示在與單片機相連的LCD顯示屏中。此時，系統(tǒng)會判定該數(shù)值與數(shù)據(jù)存儲庫中預設“臨界值”之間的大小，符合澆水條件時，系統(tǒng)會發(fā)出澆水指令，澆水裝置會進入澆水狀態(tài)。由于土壤濕度傳感器處于不間斷的工作狀態(tài)，土壤濕度數(shù)值也會不停地傳遞至控制系統(tǒng)。當濕度具體值與臨界值之間的比對結(jié)果符合另一項預設指令時，表明土壤中的水分已經(jīng)足夠，無需繼續(xù)澆水。此時，控制系統(tǒng)會發(fā)出“停止”指令，控制水泵停止運行。

2.2 模塊功能及主程序流程圖

（1）模塊運行流程

以上所述功能的實現(xiàn)必須建立在多個模塊協(xié)同配合的基礎上，具體如下：①控制程序的主函數(shù)成功設定之后，啟動系統(tǒng)，執(zhí)行函數(shù)初始化操作；②通過按鍵或不間斷控制的方式，向濕度數(shù)據(jù)采集模塊下達指令，可人工按鍵控制或完全自動控制；③數(shù)據(jù)處理程序模塊，負責將土壤濕度傳感器、溫度傳感器及光照傳感器傳遞而來的信號進行處理，完成模擬信號向數(shù)字信號的轉(zhuǎn)化后，通過I/O口送入單片機；④電機驅(qū)動程序模塊（水泵控制）接到控制系統(tǒng)發(fā)布的“澆水/停水”指令后，啟動或關閉開關，完成相應的操作。

（2）主程序運行流程

單片機成功連接所有裝置后：①上電復位，行初始化作業(yè)；②向土壤濕度傳感器下達指令，采集相應的數(shù)值；③根據(jù)需要，通過按鍵的方式進行控制；④根據(jù)反饋的光照強度、土壤濕度以及外界溫度的具體值，判斷是否需要澆水。若滿足，則發(fā)布澆水指令，程序執(zhí)行至終點，間隔一段時間后循環(huán)啟動。若不滿足，則程序返回至“采集土壤濕度以及外界光照強度和溫度”環(huán)節(jié)，執(zhí)行相應的流程。整個系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

圖2 澆花系統(tǒng)流程圖

結(jié)語：本文所述自動澆花系統(tǒng)考慮到土壤濕度、光照強度、環(huán)境溫度這些影響植物水分需求的外界因素，從而通過單片機控制電機、水泵完成對植物的智能澆灌，相對于市場上已有的自動澆花系統(tǒng)。由于實際生活中人們所養(yǎng)殖的花卉種類繁多，單通過機器無法對植物的照顧做到像人工養(yǎng)殖那樣至微至善，但由于機器對環(huán)境變化的察覺比人類更加敏銳，所以可以通過不斷地增加監(jiān)管因素以提高自動澆花系統(tǒng)的養(yǎng)殖水平。