基于單片機(jī)的居家無人綠植監(jiān)護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊美子，陳晨慧，高 羽，費(fèi) 凱，王永鑫

（安徽理工大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

研究發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)無法正常使用綠植監(jiān)護(hù)裝置問題的家庭主要為經(jīng)常因公出差的白領(lǐng)家庭，此類家庭由于經(jīng)常長(zhǎng)時(shí)間離家導(dǎo)致家中缺水停電進(jìn)而引起了使用該裝置的問題。并且經(jīng)過調(diào)查走訪發(fā)現(xiàn)該類家庭往往是最需要此類無人綠植監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的受眾人群。故為了完善該系統(tǒng)增加了一項(xiàng)儲(chǔ)水功能，并且為了該儲(chǔ)水功能能夠正常運(yùn)行引入了水位控制模塊。該水位控制模塊中以STC89C52 單片機(jī)為整個(gè)模塊的CPU。通過水位傳感器實(shí)時(shí)傳導(dǎo)水位數(shù)據(jù)給單片機(jī)，當(dāng)水位達(dá)到低水位或是高水位時(shí)，單片機(jī)將會(huì)給電磁閥水龍頭下達(dá)指令使得其“開”或“關(guān)”，對(duì)水箱進(jìn)行儲(chǔ)水或者是停止儲(chǔ)水，使得水箱中的水在正常情況下始終處于正常的范圍[1]。

1 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)

為更好地解決家養(yǎng)綠植無人監(jiān)護(hù)問題，本文對(duì)居家無人綠植監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了完善，增加了儲(chǔ)水功能模塊，同時(shí)為了該儲(chǔ)水功能模塊能夠正常運(yùn)行，引入了水位控制模塊。該系統(tǒng)由硬件部分和軟件部分組成，硬件包括單片機(jī)主控水位監(jiān)測(cè)、按鍵輸入、水泵澆灌、顯示、蜂鳴器發(fā)出通知五大模塊。該設(shè)計(jì)采用了以STC89C52 單片機(jī)作為總控制器控制水位傳感器并加入光報(bào)警系統(tǒng)，在閉環(huán)控制、開環(huán)控制和模糊控制3 種不同的控制方法中選擇了閉環(huán)控制方法進(jìn)行有效檢測(cè)，且在該系統(tǒng)檢測(cè)到與設(shè)定條件不符時(shí)可自動(dòng)進(jìn)行合適的修正，閉環(huán)流程圖如圖1所示。

圖1 閉環(huán)流程圖

水位傳感器由STC89C52 單片機(jī)作為控制器控制，為了保證其正常運(yùn)行，當(dāng)儲(chǔ)水量低于設(shè)定值時(shí)將會(huì)啟動(dòng)光報(bào)警系統(tǒng)，即發(fā)出閃光和警報(bào)聲作為提示，從視覺和聽覺上提醒用戶水箱水量已經(jīng)低于最低要求的設(shè)定值，需要立即向水箱中加水，若用戶在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)無應(yīng)答，系統(tǒng)將通過控制器的控制自動(dòng)開啟電磁閥裝置，利用地勢(shì)差或虹吸原理向水箱中加水[2]，當(dāng)達(dá)到設(shè)置的最高水位線時(shí)停止注水。此時(shí)該儲(chǔ)水模塊的系統(tǒng)一次循環(huán)已經(jīng)完成，在設(shè)備完好的情況下，系統(tǒng)將持續(xù)循環(huán)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的自動(dòng)澆灌系統(tǒng)由電源模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)、繼電器控制水泵、電路遺跡報(bào)警電路組成。控制系統(tǒng)采用直流電源適配器供電，提供5 V 電壓，總開關(guān)采用自鎖開關(guān)，接線時(shí)只接常開觸點(diǎn)，當(dāng)開關(guān)按下時(shí)，觸點(diǎn)閉合，實(shí)現(xiàn)電源接通，系統(tǒng)開始工作[3]。核心CPU 采用STC89C52，一種低功耗、高性能CMOS 8 位微控制器，具有8 K 字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器。本設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)是在STC89C52 單片機(jī)芯片上開發(fā)的，并且對(duì)芯片的外圍電路進(jìn)行了擴(kuò)展，具有很強(qiáng)的靈活性和智能性。

最小的系統(tǒng)主要由STC89C52 單片機(jī)模塊、晶振電路和復(fù)位電路組成。晶振電路結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路，產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘頻率。單片機(jī)晶振提供的時(shí)數(shù)越多，單片機(jī)運(yùn)行速度就越快。單片機(jī)的晶振向系統(tǒng)提供主要的時(shí)鐘信號(hào)。由于單片機(jī)內(nèi)部具有晶振電路，所以外部只需鏈接一個(gè)晶振和兩個(gè)電容，電容容量通常在15 pF 至50 pF 之間，此設(shè)計(jì)選擇了30 pF。在最小系統(tǒng)復(fù)位電路中，復(fù)位操作有上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位兩種方式。本系統(tǒng)中使用上電復(fù)位方式，通過外部電路充電容量實(shí)現(xiàn)。只要VCC 的高度不超過1 ms，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位，也就是說，接通電源即成了系統(tǒng)復(fù)位初始化。

水位控制模塊主控制器采用STC89C52 單片機(jī)，該模塊由PNP 型三極管和繼電器及水泵組成，單片機(jī)控制三極管基極。繼電器是一種根據(jù)某種輸入信號(hào)的變化，而接通或斷開控制電路，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和保護(hù)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的電器。當(dāng)系統(tǒng)選擇手動(dòng)澆灌模式或自動(dòng)模式時(shí)，其水位低于設(shè)置的下限水位，則PNP 型三極管導(dǎo)通，繼電器得電，常開觸點(diǎn)吸合，電動(dòng)機(jī)回路連通，執(zhí)行澆灌工作[4]。當(dāng)水位高于自動(dòng)模式的上限水位時(shí)，則PNP 型三極管導(dǎo)通，繼電器斷電，常開觸點(diǎn)復(fù)位，電動(dòng)機(jī)回路斷開，澆灌中止。水位傳感器原理圖如圖2 所示。

圖2 水位傳感器原理圖

LCD 液晶顯示模塊采用LCD1602 液晶顯示，能夠同時(shí)顯示32 個(gè)字符。VSS 為地電源，VDD 接5 V 正電源。V0 為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端。RS 為寄存器選擇，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。R/W 為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作，當(dāng)RS 為高電平、R/W 為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。E 端為使能端，當(dāng)E 端由高電平跳變成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。D0～D7 為8 位雙向數(shù)據(jù)線。該模塊主要負(fù)責(zé)顯示水位和澆水的范圍值。LCD1602顯示屏AD 圖如圖3 所示。

圖3 LCD1602 顯示屏AD 圖

報(bào)警模塊采用蜂鳴器報(bào)警和指示燈報(bào)警雙重聲光報(bào)警。蜂鳴器采用直流電壓供電，接入5 V 電源。單片機(jī)IO 引腳輸出的電流較小，單片機(jī)輸出的TTL 電平基本上驅(qū)動(dòng)不了蜂鳴器，因此需要經(jīng)過三極管放大驅(qū)動(dòng)電流，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。蜂鳴器一端連接三極管的引腳，另一端接地。一般地，三極管起開關(guān)作用。若系統(tǒng)檢測(cè)出水位未達(dá)到或超過設(shè)定的閾值，即基極的高電平使三極管飽和導(dǎo)通，蜂鳴器電流形成回路，發(fā)出聲音，同時(shí)指示燈亮，系統(tǒng)進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)；當(dāng)水位在閾值內(nèi)，基極的低電平則使三極管關(guān)閉，指示燈暗，蜂鳴器不發(fā)出聲音，系統(tǒng)正常運(yùn)行[5]。蜂鳴器報(bào)警原理圖如圖4 所示。

圖4 蜂鳴器報(bào)警原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)的軟件部分使用KEIL 軟件，以C 語言來編寫程序，PROTEL 進(jìn)行系統(tǒng)仿真模擬，同時(shí)采取模塊化的形式，這樣會(huì)使條理清晰明了、便于擴(kuò)展[6]。軟件設(shè)計(jì)思路首先為系統(tǒng)初始化、顯示啟動(dòng)界面，同時(shí)獲取當(dāng)前水位信號(hào)。通過A/D 轉(zhuǎn)換后，傳輸?shù)絃CD 顯示器顯示信息；然后設(shè)定信號(hào)，STC89C52 單片機(jī)為整個(gè)水位模塊控制的CPU，它會(huì)將實(shí)測(cè)水位信號(hào)和設(shè)定信號(hào)進(jìn)行比較，得出偏差，根據(jù)偏差，向電磁閥水龍頭發(fā)出指令，使得儲(chǔ)水箱水位處于正常狀態(tài)。如果儲(chǔ)水箱處于正常狀態(tài)，則電磁水龍頭關(guān)閉輸水，水箱停止儲(chǔ)水。反之儲(chǔ)水箱處于缺水狀態(tài)下，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入報(bào)警狀態(tài)，蜂鳴器電流形成回流，發(fā)出聲音，與此同時(shí)指示燈亮，提醒儲(chǔ)水箱水位處于不正常狀態(tài)下；當(dāng)水位又處于正常狀態(tài)下，蜂鳴器停止發(fā)出聲音，指示燈變暗。控制系統(tǒng)主程序流程圖如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)主程序控制流程圖

根據(jù)電路原理圖，焊接電路板，再將程序燒錄到STC89C52 單片機(jī)中，接通電源，啟動(dòng)顯示界面，設(shè)定初始信號(hào)，進(jìn)行模擬檢測(cè)。檢測(cè)水位信號(hào)與設(shè)定信號(hào)有偏差時(shí)，觀察電磁水龍頭是否發(fā)出“開”指令，蜂鳴器是否發(fā)出聲音，指示燈是否變亮，進(jìn)一步觀察儲(chǔ)水箱是否處于正常狀態(tài)。當(dāng)儲(chǔ)水箱水位處于正常狀態(tài)，觀察電磁水龍頭是否發(fā)出“關(guān)”指令，再觀察蜂鳴器是否停止發(fā)出聲音，指示燈變暗。若上述情況均發(fā)生，可以說明控制系統(tǒng)運(yùn)行正常。如果系統(tǒng)調(diào)試過程出現(xiàn)各個(gè)模塊不工作等情況，使用萬能電表檢查電路板是否焊接正確、各個(gè)模塊存在短路、接觸不良等情況。排除所有故障之后，該系統(tǒng)進(jìn)行一段時(shí)間的運(yùn)行檢測(cè)，系統(tǒng)工作正常，則表示控制系統(tǒng)穩(wěn)定性良好[3]。系統(tǒng)完善后CAD 制圖如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)完善后CAD 制圖

本電路以STC89C52 單片機(jī)為核心，結(jié)合水位控制模塊，并且根據(jù)C 語言程序編寫，從而編寫出比較良好的水位控制核心。進(jìn)一步完善了無人綠植監(jiān)護(hù)系統(tǒng)的儲(chǔ)水功能。使用更加方便、快捷，更貼近于生活。

4 結(jié)論

針對(duì)人們的日常工作忙碌，常常會(huì)忘記給植物澆水這一社會(huì)普遍現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的居家無人綠植監(jiān)護(hù)系統(tǒng)。本文完善了單片機(jī)的居家無人綠植監(jiān)護(hù)系統(tǒng)，以STC89C52 單片機(jī)為總控制器控制水箱水位以及實(shí)施自動(dòng)澆灌的功能，配合優(yōu)化后的電路，實(shí)現(xiàn)無人檢測(cè)，突破人為檢測(cè)的局限性，減小了受停水因素影響可能性。完善后的系統(tǒng)使用相較于傳統(tǒng)的無人澆灌系統(tǒng)，在儲(chǔ)水功能方面有顯著的提升，彌補(bǔ)了水源供應(yīng)不及時(shí)這一缺陷。完善以后的自動(dòng)澆灌系統(tǒng)明顯有以下優(yōu)點(diǎn)。

（1）無人化：對(duì)該監(jiān)護(hù)系統(tǒng)添加一個(gè)水位控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)水位進(jìn)行精準(zhǔn)控制，解決了人們?cè)谑褂眉矣脻补嘣O(shè)備中所出現(xiàn)的水源不可控問題，徹底實(shí)現(xiàn)居家智能綠植監(jiān)護(hù)器的無人化。（2）節(jié)約型：通過對(duì)澆灌綠植水資源的控制，減少了水資源的浪費(fèi)，貫徹了“節(jié)約資源，可持續(xù)發(fā)展”的理念。（3）高效性：僅在原先智能綠植澆灌系統(tǒng)中增加一個(gè)水位控制模塊，即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的完善。（4）低廉性：所增加模塊的產(chǎn)品零件簡(jiǎn)單且并不昂貴，適宜大規(guī)模生產(chǎn)。