基于單片機的自動澆花系統(tǒng)設(shè)計

黃佳華，何東源，黃成威，龍文馬，李友麗，鄧詩曼，黃燦勝

（廣西民族師范學(xué)院 數(shù)理與電子信息工程學(xué)院，廣西崇左，532200）

0 引言

基于當前國內(nèi)目前智能澆花系統(tǒng)中存在的一些缺陷，需設(shè)計出一款讓用戶可以實時監(jiān)測到盆栽信息并能通過控制虛擬開關(guān)來遠程控制盆栽澆水情況的系統(tǒng)，而基于單片機的自動澆花系統(tǒng)可以滿足要求。

1 設(shè)計目標與原理

1.1 設(shè)計目標

基于單片機STC89C52 的自動澆花系統(tǒng)設(shè)計旨在通過測量土壤中的濕度，實時了解植物生長環(huán)境中的水分狀況，以便及時采取措施來調(diào)整植物的生長條件，提高植物養(yǎng)殖的生產(chǎn)效益。

1.2 設(shè)計原理

該設(shè)計以單片機STC89C52 為核心，單片機主控電路可以通過單總線的方式讀取土壤濕度傳感器的數(shù)據(jù)，采用土壤濕度傳感器，檢測當前土壤濕度，并通過A/D 轉(zhuǎn)換電路ADC0832 讀取土壤濕度的模擬量信號，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)過單片機讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，采用按鍵電路設(shè)計和顯示電路設(shè)計來操作電路。采用繼電器驅(qū)動風(fēng)扇電路、驅(qū)動水泵電路和加熱驅(qū)動電路，繼電器控制端由單片機直接控制，實現(xiàn)給植物自動澆水、自動補溫、降溫；采用光線檢測傳感器模塊，實現(xiàn)給植物補光；采用藍牙模塊，實現(xiàn)智能化養(yǎng)殖植物。系統(tǒng)設(shè)計組成框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計組成框圖

2 作品設(shè)計

該作品整個系統(tǒng)的架構(gòu)分為硬件和軟件兩部分。硬件方面，由單片機STC89C52 核心控制單元、溫度傳感器模塊、土壤濕度傳感器、光線檢測模塊、藍牙模塊、LCD 顯示電路、ADC 轉(zhuǎn)換電路、按鍵電路、水泵驅(qū)動電路、風(fēng)扇驅(qū)動電路和補光驅(qū)動電路組成。 總原理框圖設(shè)計圖如圖2 所示。

圖2 總原理框圖設(shè)計圖

2.1 STC89C52 單片機

單片機在使用時需要注意以下三個重要部分，第一條件需要設(shè)計好電源部分，把單片機的40 腳連接電源正極5V，單片機的20 腳連接電源負極GND，以提供正常的電源。第二個條件是時鐘電路設(shè)計，單片機U1 的第18 腳和第19 腳連接時鐘電路，即連接Y1(12MHz)晶振，晶振兩端并連C2與C3 諧振電容輔助振蕩為單片機程序運行提供時鐘源。第三個條件是第9 腳連接復(fù)位電路，U1 單片機第9 腳為高電平復(fù)位，連接R10 到GND，與R10 連接處連接S4 和C1到電源正極VCC，當S4 按下時給單片機的第9 腳輸入高電平信號復(fù)位單片機。以上則是單片機最小系統(tǒng)電路，另外單片機最小系統(tǒng)也需要連接其他模塊電路，用于讀取數(shù)據(jù)和控制輸出等。單片機最小系統(tǒng)電路設(shè)計如圖3 所示。

圖3 單片機最小系統(tǒng)電路設(shè)計圖

2.2 溫度傳感器模塊

IC1 為溫度傳感器DS18B20 第1 腳連接電源正極，第3 腳連接電源負極，第2 腳為傳感器數(shù)據(jù)傳輸引腳，該引腳直接連接單片機主控電路讀取溫度數(shù)據(jù)。當溫度值高于設(shè)定閾值40℃時，系統(tǒng)便會自動觸發(fā)風(fēng)扇驅(qū)動電路，開啟風(fēng)扇給植物降溫；反之亦然。當溫度值低于設(shè)定閾值20℃時，系統(tǒng)便會自動觸發(fā)加熱驅(qū)動電路，開啟12V/10W 加熱絲給植物環(huán)境加熱補溫，通過驅(qū)動繼電器實現(xiàn)自動補溫功能。溫度傳感器電路設(shè)計如圖4 所示。

圖4 溫度傳感器電路設(shè)計圖

2.3 土壤濕度傳感器模塊

IC2 為土壤濕度傳感器模塊，利用ADC2 轉(zhuǎn)換電路讀取土壤濕度值。當土壤濕度值低于設(shè)定閾值35%時，系統(tǒng)便會自動觸發(fā)水泵驅(qū)動電路進行澆水，反之亦然。通過驅(qū)動繼電器實現(xiàn)自動澆水功能。土壤濕度傳感器電路設(shè)計如圖5 所示。

圖5 土壤濕度傳感器電路設(shè)計圖

2.4 光線檢測模塊

IC3 為光線檢測模塊，利用ADC1 轉(zhuǎn)換電路讀取光線亮度值。當亮度低于設(shè)定值25%時，系統(tǒng)便會自動觸發(fā)補光燈驅(qū)動電路，通過驅(qū)動繼電器實現(xiàn)自動補光功能；反之亦然。光線檢測模塊電路設(shè)計如圖6 所示。

圖6 光線檢測模塊電路設(shè)計圖

2.5 藍牙模塊

其可以通過藍牙調(diào)試器APP 對指定藍牙進行連接并發(fā)送指令，而單片機通過串口可以設(shè)置模塊和把要發(fā)送的指令寫入模塊內(nèi)并發(fā)送。藍牙模塊電路設(shè)計如圖7 所示。

圖7 藍牙模塊電路設(shè)計圖

2.6 LCD 顯示電路

采用的是LCD1602 液晶顯示屏幕，連接單片機控制電路進行傳輸數(shù)據(jù)；第15 腳和第16 腳為LCD 背光的正負極引腳，連接電源的正負極給LCD 背光供電。LCD 顯示電路設(shè)計如圖8 所示。

圖8 LCD 顯示電路設(shè)計圖

2.7 AD 轉(zhuǎn)換電路

其采用的是ADC0832 作為AD 轉(zhuǎn)換IC1，第1 腳CS 為芯片使能腳，第2 腳CH0 為模擬輸入通道0 模擬信號可以從這個引腳輸入；第3 腳CH1 為模擬輸入通道1 模擬信號可以從這個引腳輸入，輸入信號電壓范圍為0~5V；第4 腳為芯片電源負極；第5 腳為DI 為芯片控制數(shù)據(jù)輸入腳，第6 腳為DO 為芯片轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸出腳，第7 腳為CLK 為芯片時鐘腳，第8 腳為芯片電源正極腳，輸入電壓為+5V，該腳也是基準電壓腳，故ADC0832 的基準電壓一般為5V。ADC 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計如圖9 所示。

圖9 LCD 顯示電路設(shè)計圖

2.8 按鍵電路

其采用獨立按鍵作為主要按鍵器件，按鍵電路由S2~S10組成，按鍵按下時會給單片機引腳輸入一個低電平信號，由此單片機可以通過電平檢測的方式來讀取按鍵信息。

2.9 水泵驅(qū)動電路和風(fēng)扇驅(qū)動電路

采用5V 直流水泵作為進出水水泵器件，采用的三極管型號為8550，其一發(fā)射極連接電源正極，集電極連接繼電器的線圈腳，用于驅(qū)動繼電器吸合，基極通過電阻連接單片機主控電路控制，間接控制進水泵啟動和停止；風(fēng)扇驅(qū)動電路原理與水泵驅(qū)動電路同理，也是通過單片機控制出風(fēng)扇的啟動和停止。

2.10 加熱驅(qū)動電路

采用12V/10W 加熱絲作為主要加熱器件，RL1 為加熱絲器件，在加熱絲的兩端并聯(lián)二極管D6，功能是在加熱絲啟動時通過D6 克制反向電動勢；Q4 的發(fā)射極連接電源正極構(gòu)成回路，單片機通過控制Q4 間接控制加熱電路的啟動和停止。加熱驅(qū)動電路設(shè)計如圖10 所示。

圖10 加熱驅(qū)動電路設(shè)計圖

2.11 補光驅(qū)動電路

采用4 個并聯(lián)發(fā)白光LED 作為補光源，發(fā)白光LED 只要兩端提供5V 供電即可發(fā)光，所以就只要設(shè)計一個驅(qū)動控制電路即可對其進行控制；三極管的基極連接電阻連接單片機控制電路，單片機輸出低電平時控制三極管導(dǎo)通，使得發(fā)白光LED 的兩端得電發(fā)光，反之則不發(fā)光。當亮度值低于設(shè)定閾值25%時，系統(tǒng)便會自動觸發(fā)補光驅(qū)動電路，開啟白光LED 給植物照明，反之亦然，以此實現(xiàn)自動補光功能。補光驅(qū)動電路設(shè)計如圖11 所示。

圖11 補光驅(qū)動電路設(shè)計圖

3 軟件設(shè)計

軟件方面使用C 語言編寫。在子程序中編寫LCD1602顯示程序、獨立按鍵掃描程序、ADC0832 子程序、各驅(qū)動程序，和DS18B20 溫度讀取程序和設(shè)置主界面參數(shù)程序等。各個模塊的驅(qū)動程序主要對模塊的工作狀態(tài)進行設(shè)定，再在主函數(shù)中調(diào)用函數(shù)，即可讀取傳感器檢測到的信息或者通過模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。但濕度檢測和采集電路輸出的是模擬電壓值，單片機需通過ADC0832 轉(zhuǎn)換后才能讀取。軟件程序設(shè)計流程如圖12 所示。

圖12 軟件程序設(shè)計流程圖

4 結(jié)語

隨著科技的發(fā)展和生活的智能化，許多家庭和辦公室都開始使用自動澆花系統(tǒng)來照顧他們的植物，本設(shè)計以單片機STC89C52 為核心，單片機主控電路通過單總線的方式讀取土壤濕度傳感器的數(shù)據(jù)，通過A/D 轉(zhuǎn)換電路ADC0832 讀取土壤濕度的模擬量信號并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)過單片機讀取轉(zhuǎn)換讀出，實現(xiàn)了自動澆花系統(tǒng)的功能，為人們提供了便利和效率。本設(shè)計具有數(shù)據(jù)準確性高、反應(yīng)速度快、可靠性強等特點，為用戶提供了一種方便、實用的土壤濕度監(jiān)測和控制解決方案，還可以使用手機通過藍牙調(diào)試器APP 進行藍牙連接，實現(xiàn)智能化自動化澆水灌溉，為植物的生長提供了最佳的生長環(huán)境，讓生活更加智能便利的同時節(jié)省人力資源的成本，能夠有利于提高農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)效益。