基于单片机的智能浇花系统设计与实现

王子权，张恒，黄阳，陈颖，杨万辉，林伟安徽理工大学机械工程学院

基于单片机的智能浇花系统设计与实现

王子权，张恒，黄阳，陈颖，杨万辉，林伟安徽理工大学机械工程学院

基于单片机的智能浇花系统以AT89S52单片机为控制器，通过温度、湿度检测，由单片机分析处理温度传感器检测的温度数据和土壤湿度传感器检测的湿度信息，并与预先设置的温度值和土壤湿度值进行比较，当达到浇水条件时，单片机给电机驱动模块供电，根据预先设置的浇水量，使水泵运转相应的时间。电机驱动模块使用独立电源供电，集成八路水泵通道。A/D转换模块集成四块PCF8591芯片，占用2个单片机引脚。系统可实现八种不同花卉的土壤湿度检测，并能够对每一种花卉独立浇水。

AT89S52单片机；继电器；LCD12864A；DS18B20；PCF8591

项目编号：201510361031。

引言

花卉几乎已进入每一个家庭里，由于紧张的工作等原因，有些家庭照看花卉的时间很少。目前市场上已有智能浇花系统的应用，如定时定量浇水或根据土壤湿度自动浇水【1-4】,但能同时照看的花卉数目较少，且水泵和主控芯片共用一个电源，当水泵工作时将消耗大量功率，导致主控芯片上部分元器件欠压或无法在额定功率下工作，如显示器亮度会下降很多，水泵启动力矩不够等。本系统根据花卉的不同人为设置温度值、土壤湿度值和浇水量来自动判断浇水条件并实现定量浇水，单片机将检测得到的温度信号和土壤湿度信号与预先设置的温度值和土壤湿度值进行分析比较判断是否达到浇水条件，当判断要浇水时，单片机给电机驱动模块提供弱电，致使电磁铁吸合，开关打开，水泵的电源给水泵供电，根据预先设置的浇水量，驱动水泵运行相应的时间。电机驱动模块共八路水泵通道，并使用独立电源供电，从而大量减少主控芯片的功率消耗，使得主控芯片工作与水泵驱动相对独立。

1 系统的总体设计

系统的控制核心为AT89S52单片机，包括土壤湿度传感器、A∕D模块、按键模块、电源模块、复位模块、温度传感器、电机驱动模块、显示模块、串行输入转并行输出模块。

2 系统的工作原理

接通电源，通过按键人为输入预设温度值及选择检测通道，并输入预设土壤湿度值和浇水量，按下确认按键，此时系统正式开始工作。单片机实时采集由温度传感器传送的信号，判断温度是否达到预设温度值，当满足要求时，单片机接收A∕D芯片传来的土壤湿度数字量，并与预先设置的土壤湿度值进行分析比较，当判断为浇水时，单片机给电机驱动模块供电，电磁铁吸合，水泵电源驱动水泵运转。根据水泵的性能参数可知水泵的流量值（L∕h），从而可构建流量-时间数学模型【5】，通过单片机对模型进行运算处理可得出驱动水泵运转的时间，从而实现了预设浇水量和定量浇水。系统的预设土壤湿度值、预设浇水量值、检测的土壤湿度值、温度数值均显示在液晶显示器上。

时间-流量数学模型：

公式（2-1）中t-浇水时间（ms）

V-预设浇水量(ml)

Q-水泵每小时的流量（L∕h）

根据时间-流量数学模型，可以得出预设浇水量对应的浇水时间（ms），从而可以通过软件定时进行定时浇水，驱动水泵运转相应的时间，达到定量浇水的目的。

3 硬件设计

电路设计如图1所示，图1表明了各个子模块与AT89S52单片机的连接关系，水泵驱动模块由8个继电器，8个8550三极管及8个1kΩ限流电阻组成。

3.1 A∕D模块

A∕D转换芯片采用PCF8591，使用IIC总线。飞利浦公司规定了A∕D器件地址为1001，本连接方案使用引脚地址A0、A1、A2为分别为000、100、110、111，四个PCF8591共同使用同一个IIC总线，占用单片机2个引脚。图1中AIN0、AIN1、AIN2、AIN3为土壤湿度传感器模拟信号接入脚，本连接方案可连接16个土壤湿度传感器。

3.2 显示器

本系统使用LCD12864A液晶显示器，系统的预设土壤湿度值、预设浇水量值、检测的土壤湿度值、温度数值均显示在该显示器上。显示器使用74HC595芯片驱动，实现串行输入转并行输出功能，从而减少单片机引脚使用数量【6】。

3.3 按键设计

本设计共8个独立键盘,其中一个为复位按键。在使用按键时，选择检测通道进行通道选择，选择输入温度进行预设温度值输入，选择输入湿度进行预设湿度的输入，选择输入水量进行预设水量的输入，数值按键*10、*1表示每按下一次数值加10和加1【5】10，最后按下确认按键。

3.4 温度传感器

选择DS18B20温度传感器，使用单总线结构。本系统将实时监测的温度数据显示在显示器上。

3.5 电机驱动模块

电机驱动模块使用独立电源供电，通过继电器实现弱电与强电的转换，继电器型号：N4100 S3∕5VDC 3A∕125VAC∕24VDC。选择5V直流水泵,水泵型号：YG-180，流量180L∕h。使用USB总线提供内置电源。PNP型三极管8550与1kΩ或2kΩ电阻组合保护单片机。

3.6 土壤湿度传感器

使用YL-69型土壤湿度传感器，其灵敏度可调，模块双输出，数字量输出简单，模拟量输出精确，比较器采用LM393芯片，工作稳定。OUT脚是数字量输出接口，输出0和1。AC脚是模拟量输出接口，可与A∕D芯片的模拟量输入脚连接进行模数转换【5】10。

图1 系统总图

图2 程序流程图

4 软件设计

程序设计包括硬件初始化、显示程序、按键程序、土壤湿度检测与A∕D转换程序、温度检测程序、PCF8591服务程序、电机驱动程序。流程图如图2。

5 结束语

本系统以AT89S52单片机为控制核心，在研发前期以面包板为实验平台，在实验过程中出现水泵启动力矩不足的现象，即使将水泵运转起来，也无法使其工作在额定功率状态，并且显示器的屏幕亮度也会下降很多。为了解决上述问题，设计采用了给予水泵模块独立的电源，以保证使其在额定功率下工作。考虑到应增加系统可照看花卉的数量，本系统集成了A∕D转换模块，根据PCF8591芯片的特性，集成了4块PCF8591芯片，并只占用单片机的两个引脚。本系统通过温度、湿度等环境量，借助单片机控制器对数据进行处理判断，根据预先设置的温度值、湿度值和浇水量来判断浇水条件和实现定量浇水。在对产品调试时，各元器件工作正常，驱动水泵运转时间精确，无水泵启动力矩不足和显示器亮度下降的现象。

[1]何伟宏，郑首易，毛锦庚，陈美金.基于单片机的智能浇花系统设计与实现[J].电子制作，2016（2）：20-21.

[2]吴平.多路智能家庭实用浇花器设计.价值工程[J].2014(12）：23-25.

[3]刘川，张小成，高进渊，马金刚，和晓雲，李晓勤.智能自动浇花系统的控制设计研究[J].科技世界，2015（12）：87-88.

[4]刘攀.基于单片机的智能浇花器硬件系统设计[J].产业与科技论坛，2016，15（6）：56-57.

[5]王子权.基于单片机的断电记忆智能浇花系统设计[J].科学中国人，2016（21）：9-10，11.

[6]何韦青.详解74HC595以及它的级联用法[N].电子报，2013（011）.

王子权(1996-)，男，安徽省亳州市人，本科，就读院校：安徽理工大学。