一種智能家庭盆栽植物澆灌系統的設計

鄒林陽 羅玉蘭

湖南工學院 湖南衡陽 421200

由于互聯網技術的高速發展，智能家居的推廣已經勢不可當。伴隨著人們生活水平的不斷提高，在家中陽臺種植觀賞型植物已經成為追求高雅的生活方式，既可以陶冶情操、豐富生活，又可以美化環境、凈化空氣。為植物澆灌是一件長期而煩瑣的工作，對于有些名貴的植物，按需澆灌非常重要，否則會影響植物的正常生長甚至引起植物的死亡。傳統的澆灌方式是人為地根據經驗手動澆灌，不僅無法準確控制澆灌時機，也無法控制澆灌量。在快節奏的生活中，當人們長時間出差或者外出旅游的時候，植物的澆灌就成了問題。因此，一種可以自動控制的智能澆灌系統對于喜愛植物的人們來說就顯得十分重要。

本設計主要針對經常出差或外出旅游的人們設計的一套以單片機為控制核心,能夠根據土壤溫濕度變化實現對植物進行自動微噴澆灌的系統。整個系統由單片機、溫度傳感器、濕度傳感器、繼電器、水泵、風扇、微噴頭、蜂鳴器、電源、按鍵、液晶顯示屏等主要部分組成。傳感器采集土壤溫濕度信號數據,通過軟件與事先設定的參數比較,并根據結果選擇水泵、風扇是否啟動，實現智能化澆灌。該系統具有結構簡單、實用性高、價格低廉、使用方便等優點,同時兼具節約用水的功能，可廣泛應用在家庭花草栽培的澆灌過程中。

1 系統整體結構

智能澆灌系統總體結構如下圖1所示。系統以AT89C51單片機為主控核心，將通過DS18B20溫度傳感器和YL-69濕度傳感器采集土壤溫濕度數據模擬量信號值通過A/D轉換模塊轉換為數字量信號值，與系統提前設定的溫濕度值進行比較，如超出闕值則由主控單元發出控制指令控制三極管放大電路驅動電磁閥完成澆水動作，同時啟動風扇輔助系統降溫，從而實現智能化澆灌；同時蜂鳴器報警模塊啟動報警程序和液晶顯示屏LCD上實時顯示出當前溫濕度值。

圖1 系統總體結構

2 系統硬件設計

系統硬件設計包括硬件的選型及硬件電路的設計。系統硬件主要包括主控單片機最小系統模塊、溫濕度傳感器檢測模塊、繼電器執行模塊、按鍵輸入模塊、報警模塊、顯示模塊、電源模塊等。檢測模塊選擇濕度傳感器YL-69、溫度傳感器DS18B20來實現土壤溫濕度實時數據采集，主控模塊選擇單片機最小系統來實現控制，顯示模塊選用LCD1602顯示屏，執行器采用電磁繼電器來控制水泵和風扇的開關，電源模塊采用5V開關電源供電，按鍵部分設置四個獨立按鍵來控制溫濕度閾值的增減。

2.1 主控單片機最小系統模塊

本設計采用AT89C51單片機最小系統作為主控模塊如下圖2所示。AT89C51單片機自帶4K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器，是一種低電壓，高性能COMS8位微處理器。

圖2 AT89C51單片機最小系統

2.2 檢測模塊與轉換模塊

土壤溫、濕度數據采集與轉換電路如下圖3所示。采用YL-69濕度傳感器、DS18B20溫度傳感器、光敏電阻、ADC0832數模轉換器構成系統土壤溫濕度、環境光照強度檢測模塊和轉換模塊。DS18B20溫度傳感器的VCC端外接3.3～5V電壓，GND外接地，DQ端口將輸出的溫度值數字量信號直接輸送到單片機P3.7口，其測溫分辨率高，測溫范圍為-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范圍內，精度為0.5℃。YL-69濕度傳感器的測量精度為5%，從其引腳AO獲取直流電壓模擬量信號，經過ADC0832轉換為數字量信號后再送入單片機，DO引腳可用于接收數據輸入。在傳感器和光敏電阻上各串聯一個R為10KΩ的電阻以減小測量誤差。

圖3 土壤溫、濕度數據采集與轉換電路

2.3 執行器模塊

澆灌系統執行器模塊體電路連接見系統硬件電路原理總圖7。通過單片機的P2.0口和P2.1口分別控制電磁繼電器，從而控制水泵/風扇的啟停。當濕度傳感器檢測值相比低于單片機內部設定值時，單片機P2.0口輸出為低電平，晶體管導通，繼電器上電時，電磁閥通電，水泵啟動；當溫度傳感器檢測值低于單片機內部設定值，單片機P2.1口輸出為高電平，晶體管導通，繼電器上電時，電磁閥通電，風扇啟動。同時繼電器在電路中還起調節、保護等作用，系統選用5V電源作為供電模塊。

2.4 按鍵輸入電路模塊和報警電路模塊

按鍵電路模塊如下圖5所示。四個獨立按鍵分別用于指定溫濕度閾值，S1位復位鍵、S2位設置溫濕度值的按鍵、S3溫濕度值調整加鍵、S4溫濕度值調整減鍵。蜂鳴器報警系統模塊電路圖如下圖6所示。報警電路的蜂鳴器采用單片機的P1.3和P1.5口來控制，當檢測濕度值低于15%，P1.5口變為低電平，使三極管8050導通，蜂鳴器工作。當檢測值恢復正常時，P1.5口恢復高電平，三極管8050斷開，蜂鳴器停止工作。同理，P1.3口輸出高低電平控制溫度超限報警。

2.5 顯示模塊

本設計選用可同時顯示32種字符的LCD1602作為顯示模塊，LCD1602共有16個引腳，在系統設計中，將D0～D7引腳對應地連接到單片機的P0～P7引腳，同時給單片機P0口加一個限流上拉排阻，液晶顯示器與單片機的連接如下圖6所示。

圖6 LCD1602顯示器與單片機連接電路

整個智能澆灌控制系統硬件電路原理如下圖7所示。

圖7 硬件系統電路原理圖

3 系統軟件設計

系統軟件程序設計包括土壤溫濕度檢測程序、溫濕度數據處理程序、設置溫濕度上下限的程序、顯示溫濕度實時數據程序、水泵澆灌控制程序、風扇降溫控制程序、蜂鳴器報警程序等。系統啟動后先進行初始化，然后通過按鍵設置溫濕度的上、下限值。濕度傳感器采集土壤實時濕度數據，與系統提前設定的濕度闕值進行比較，低于下限值則由單片機驅動水泵實施澆灌，同時啟動蜂鳴器報警程序，高于上限值則停止澆灌。溫度傳感器采集土壤實時溫度數據，高于溫度上限值則啟動風扇，低于溫度下限值風扇停止。同時，采集的溫濕度值通過ADC0832數模轉換芯片轉換為數字量同步顯示在LCD屏上。系統軟件設計主程序流程圖如下圖8所示。

圖8 主程序流程圖

4 系統調試及實現

根據設計的電路原理圖及軟件程序完成實物的制作并對系統進行調試。調試結果:環境光照強度為60，當土壤濕度、溫度傳感器置于空氣中，檢測濕度值為14%，低于設定下限15%，蜂鳴器鳴響，指示燈亮，水泵開始抽水工作啟動澆水功能，同時環境溫度31℃高于設定值26℃，風扇啟動，如下圖9所示。當將當土壤濕度傳感器插入水中，濕度上升至99%，超出濕度上限值85%，水泵停止工作，指示燈滅。同時溫度傳感器檢測到環境溫度為25℃，低于溫度設定下限值26℃，風扇停止工作，如圖10所示。測試結果表明，本設計能實現自動澆灌功能要求。

圖9 濕度小于設定值，溫度高于設定值，智能澆灌系統工作

圖10 濕度大于設定值，溫度低于設定值，智能澆灌系統停止工作

結語

本設計實現了土壤溫濕度數據采集、控制、實時顯示、報警指示等功能，將單片機技術與現代傳感器技術相結合應用于家庭盆栽植物自動澆灌系統。利用單片機技術進行系統設計，方便用戶進行系統功能拓展和更新。所開發的系統具有成本低廉、實用性強、易實現等優點，具有較廣的推廣應用價值。若能將該設計進行進一步拓展，將使得設計更智能化。