智能自动浇花系统的控制设计研究

刘 川 张小成 高进渊 马金刚 和晓雲 李晓勤

（塔里木大学机械电气化工程学院，新疆 阿拉尔843300）

0 引言

随着生活水平的提高，喜欢养花的人也越来越多，但当人们出差旅行或者放假的时候，花卉的浇水成为人们比较犯难的问题。而且现在市面上的浇花装置比较少，其采用的技术往往是如下的两种，一是基于简单的物理原理，如利用虹吸原理对植物进行浇水；二是利用简单的定时控制技术，实现对植物的定时定量浇水。依据这两种原理制成的装置无法根据土壤湿度实时浇水，后果严重时可能导致花卉干枯或者过涝死亡。基于以上背景，我们设计的智能自动浇花系统以实现在不同环境下对植物的精确自动浇水。

本文就是由湿度传感器实现对花盆土壤湿度的信号采集，由单片机实现对信号的数字化处理输出，并将输入湿度值与设定湿度值进行对比分析，然后确定浇水系统的工作情况。

1 材料与研究过程

1.1 材料与软件平台

系统使用电子器件：STC89c52单片机、ADC0832模数转换、LCD1602液晶显示屏、YL-69土壤湿度传感器、存储芯片24C02、水泵、排阻电容等其它常用元器件。

设计使用软件平台：程序编辑、编译、调试软件keil、电路模拟仿真软件proteus、程序烧写软件STC-ISP、USB串口调试软件。

1.2 实验研究对象

以常见花盆花卉为实验对象进行设计与研究。

1.3 设计流程

设计流程如图1所示。

图1 设计流程图

2 电路设计方案

2.1 智能主控电路

主控电路是整个系统的核心，主要由STC89C52单片机为主。单片机是单片微型计算机的简称,通俗来讲，就是把中央处理器CPU、存储器、定时器、I/O接口电路等一些计算机的主要功能部件集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。单片机特别适合控制领域，故又称为微控制器MCU，单片机只要和适当的软件及外部设备相结合，便可成为一个单片机控制系统，由此我们构建单片机最小系统。单片机最小系统由时钟电路和复位电路组成。

2.1.1 单片机的时钟电路

时钟电路用于生产单片机工作所需要的时钟信号，而时序所研究的是指令执行中各地址信号之间的相互关系。单片机本身就如一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格地按时序进行工作。

2.1.2 单片机的复位电路

单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处在一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。无论是单片机刚开始接上电源时，还是断电后或者发生故障后都要复位，单片机复位的条件是：必须使RES/Vpd或者RST引脚加上持续两个周期以上的高电平。

在proteus中画电路图，如总电路图中图2.1所示。

2.2 独立键盘输入电路

独立式按键是指直接用一根I/O口线构成的单个按键电路。每个独立式按键单独占有一根I/O口线，每根I/O口线上的按键的工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态。独立式按键接口电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，在按键数量较多时，I/O口线浪费较大。故在按键数量不多时，常采用这种按键结构。独立式按键电路如图3所示。上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线上有确定的高电平。本设计外围电路接有四个独立按键，其中两个作为湿度下限增减的设置按键，另外两个作为湿度上限增减的设置按键。

因为本装置所用的I/O口不是很多，而且需要的按键数目不多，故选用独立式键盘。

在proteus中画电路图，如总电路图中图2.2所示。

2.3 湿度传感器输入电路

本设计用土壤湿度传感器YL-69检测土壤湿度，YL-69传感器有4个引脚分别为：1 VCC（外接3.3V-5V）、2 GND（外接GND）、3 DO（小板数字量输出接口）、4 AO（小板模拟量输出接口）。本传感器模块具有双输出模式，DO数字量输出简单，AO模拟量输出更精确。当使用数字量输出接口时，通过电位计调节设定值，在土壤湿度达不到设定阈值时，DO口输出高电平，当土壤湿度超过设定阈值时，模块D0输出低电平。所以小板数字量输出D0可以与单片机直接相连，通过单片机来检测高低电平，由此来检测土壤湿度。当使用模拟量输出接口时输出AO可以和AD模块相连，通过AD转换，可以获得土壤湿度更精确的数值。所以我们选用AO接口与ADC0832转换模块等一些元器件组成湿度传感器输入电路。

在proteus中画电路图，如总电路图中图2.3所示。

有研究指出，植物叶片的N、P含量在不同时期往往展现出较大的差异[31]。胡耀升等[32]对长白山森林植物功能性状的研究表明，LNC与LPC呈极显著正相关，而赵光伟[33]则发现烤烟叶片总氮含量随叶龄的增大逐渐降低，本研究结果与之一致。长柄双花木的LNC和LPC在植株的不同发育阶段表现出显著的差异，LNC和LPC均随着植株的发育而下降。这可能是由于在幼苗时期叶片代谢频繁，需要较多的蛋白质和核酸来满足叶片生长的需求，提升了N、P浓度；而到了幼树和成树时期，植物获取的大部分养分被输送到其他器官用于开花等，相应地植物叶片中的N、P含量有所下降[32]。

2.4 蜂鸣器驱动电路

蜂鸣器驱动电路主要实现当测的土壤湿度低于设定下限湿度或高于设定上限湿度时进行明示。该电路使用蜂鸣器，然后经过单片机的一根口线驱动。由于单片机的I/O口驱动能力有限，无法驱动蜂鸣器鸣响，这里用到一个PNP型的三极管作为驱动器，来驱动蜂鸣器。

在proteus中画电路图，如总电路图中图2.4所示。

2.5 水泵驱动电路

水泵驱动电路是本设计的控制末端。通过判断单片机口线P32的高低电位确定PNP型三极管的工作状态以此作为驱动器来驱动继电器。然后决定是否开启水泵浇水。

在proteus中画电路图，如总电路图中图2.5所示。

2.6 液晶显示电路

LCD1602为兼容的液晶显示模块，本设计中采用两行16字符型的模式，显示亮度可调，是一种使用较方便、价格较便宜的液晶显示器件。他有液晶显示屏和驱动器两部分组成，单片机通过写控制字方式访问驱动器来实现对液晶显示屏的控制，系统是利用液晶显示屏来显示设定湿度范围和检测到的土壤湿度。它的外围器件可以装一个精密电位器，来实现液晶显示屏亮度的调节。

在proteus中画电路图，如总电路图中图2.6所示。

2.7 其它常见电路

在一些电路系统中我们常会用到一些其它辅助性的电路，如电源滤波电路等。滤波电容用在电源整流电路中，用来滤除交流成分。使输出的直流更平滑。去耦电容用在放大电路中不需要交流的地方，用来消除自激，使系统稳定工作。

此外在本设计系统中还有一个不可缺少的电路部分用来存储设定湿度值。它是使用储存芯片24C02为主要器件组成的电路。

在proteus中画电路图，如总电路图中图2.8所示。

2.8 总电路系统

将上述分电路整合，搭建成最终的自动浇花系统电路。在proteus中输入程序进行仿真。如图2所示。并设计PCB板，最后在PCB板上焊接相应电路元器件，并在花盆中完成系统调试与优化确保完成设计研究。

图2 总电路

3 系统工作流程

本系统先通过传感器将对土壤中含水量的物理量进行采集，然后通过信号转换部分将其转化为数字信号，交给单片机系统进行处理。通过与设定湿度的对比来智能控制是否浇水，在需要时驱动相关外设，进行自动精确定位地灌溉。系统具体工作流程如图3所示。

4 研究结果分析

本智能浇花系统设计结构简单，成本较低，自动化程度高，方便升级改造，可实现智能化浇花的需要，能很好解决现在及将来一段时间内家庭浇花的问题。当然本系统也存在一定纰漏，由于一些干扰因素的影响可能会出现实验偏差。比如理论与实验之间的误差，它主要来源于试验中存在电路连线阻值变化等一些其它的偶然误差。

5 结论

随着智能家具的发展，人们对智能化控制的渴望越加剧烈，“智能自动浇花系统”也就随之而来；而今信息技术和单片机技术的发展，我们完全可以采取电子智能化控制的手段来解决以上问题。本文基于单片机对土壤湿度传感器信号的采集与处理的设计进行了研究开发，实现在proteus软件平台下的仿真与程序调试，将调试成功的程序烧写到单片机中，将系统电子器件集成在PCB板上，成功完成了智能自动浇花系统的设计制作。本文的设计思想可以应用在其它自动灌溉系统的采集与处理设计中，为相关的设计研究提供了有价值的参考。

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