基于51单片机智能喷洒系统的设计

杨桐

摘 要：本系统采用STC89C51单片机为主控制核心，搭配风速传感器和温湿度传感器，设计了一款智能喷洒系统。通过三杯风风速传感器来实现对风速的实时检测，当风速大于所设定的阈值，调节喷头模式为水柱状喷洒模式，具有较强抗风速干扰能力；反之则为默认喷头模式为雾状喷洒模式，具有均匀喷洒的特点。同时，温湿度传感器能够实时采集土壤的温度和湿度，系统根据特定花草对水分的需求，进行智能化的控制喷洒的时间以及调节喷头的喷洒半径。基于此，不仅充分地满足了花草的需求，而且节省宝贵的水资源。

关键词：51单片机；智能灌溉；风速传感器；温湿度传感器

中图分类号：TP273 文献标识码：A

0.引言

每当夏季来临，学校草坪上，公园草地上等地方总能看到许多喷头不停地转圈，喷洒出水雾，滋润着花草。然而，市面上应用的喷洒系统存在着很多的不足之处。大体上存在三方面的缺陷。首先，市面上的喷洒系统喷水覆盖的半径是固定的。这将严重导致土壤水分的不均匀。其次，喷灌系统的喷灌时间一般为系统预先设定好的固定时间段，或人为控制喷洒时间。人们只能靠经验满足花草相应的水分需求。一方面，这导致花草的水分需求未能得到合适的供给，另一方面，这很可能造成水资源的浪费或人力的浪费。最后，市面上喷灌系统所喷洒的水的形态一般分为雾状或者水柱状。雾状水，能够均匀地洒落在喷灌区域，更好地让花草吸收，然而却受风力影响比较大，容易被吹散；柱状水，单位体积的水量较大，不容易受风的干扰，其缺点是，喷洒水的区域相对集中。

为了克服以上问题，本文设计了一个基于51单片机的智能喷洒系统，能够根据土壤湿度的实时情况动态调节喷头喷水的半径；根据环境风速的大小，动态选择采用霧状喷洒还是柱状喷洒的方式进行喷灌；当土壤的湿度达到预先设定的阈值条件下，喷灌系统能够自动关闭，不需要人工干预。

1.系统总体框架设计

本文设计了一个基于51单片机的智能喷洒系统。选用型号为STC89C51的单片机作为控制系统的核心，采用DHT11温湿度传感器获取土壤的湿度和温度，风速的大小值则是由BCQ-FS-TTL8三杯风风速传感器采集。同时，喷头电机由普通直流电机构成，并搭配L298N电机驱动，通过单片机输出PWM波控制电机的方向及转向。整个系统的框架图如图1所示。

2.硬件设计

2.1 DHT11温湿度传感器

DHT11传感器采用单总线结构（电路结构简单，所需总线单元较少），与51单片机进行数据的通信和同步。该传感器湿度的测量范围为：20%～90%RH，测湿精度为±5%RH；同时，温度的测量范围为：0～50℃，测温精度为±2℃。

单片机采集一次DHT11传感器数据的时间大约为4ms，每次传输40bit的数据。40bit的数据格式包括8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据+8bit校验和。其中，8位校验和的数据为8bit湿度整数数据+8bit湿度小数数据+8bit温度整数数据+8bit温度小数数据所得结果的末8位，用于检验数据的传输是否正确。

2.2 BCQ-FS-TTL8三杯风风速传感器

三杯风传感器结构相对简单，通过3片小碗状口来捕获风速的强弱，风速越大，3片小碗状口转速越快，反之，其转速越慢。工作原理大致如下：每转一圈，信号引脚输出8个脉冲，单位时间内所产生的脉冲个数除以6，即为对应的风速值（单位是m/s）。启动风力为：0.2m/s，即风速超过阈值0.2m/s，信号引脚才会有脉冲输出。

该传感器共3根引脚，一根电源线接VCC（+5V），一根地线接GND，（与单片机共地），另外一个信号线接单片机的P3.2（INT0外部中断），目的是为了通过外部INT0中断测量风速所对应的脉冲个数。

此外，为了增加传输的距离，需要上拉一个10K左右的电阻，电阻的一端接在VCC电源线上，另外一端接在信号引脚上，目的是为了增大驱动电流。

2.3 L298N电机驱动

L298N电机驱动为2路H桥驱动，可以同时驱动两个直流电机（即可同时控制两个喷头，若想要控制多个喷头，可以采用并联的方式，把多个喷头分成2组）。

该驱动模块共有4根控制引脚，与51单片机分别相连。其中，IN1和IN2控制电机A，IN3和IN4控制电机B。值得注意的是L298N驱动需要较高的外接电源（+12V～+24V）进行供电。

该驱动具有两种工作模式，一方面，当使能ENA（控制电机A）、ENB（控制电机B）时，可以分别从IN1、IN2输入PWM（Pulse Width Modulation）信号来控制电机A的转速和方向。同时，可以分别从IN3、IN4输入相同PWM脉冲信号来控制电机B的转速和方向。另一方面，若禁止ENA和ENB使能时，即可通过单片机向IN1、IN2、IN3、IN4四个引脚输入逻辑1和逻辑0电平来控制电机A和电机B，其中，IN1（IN3）输入为逻辑1，IN2（IN4）输入为逻辑0，电机A（B）正转，IN1（IN3）输入为逻辑0，IN2（IN4）输入为逻辑1，电机A（B）反转，其他方式下，电机A（B）均不转。

2.4 直流电机

直流电机具有两个引脚，分正极引脚和负极引脚。其中，若正极引脚接恒定逻辑高电平，负极引脚接恒定逻辑低电平，电机正转；若正极引脚接恒定逻辑低电平，负极引脚接恒定逻辑高电平，电机反转；若正负极均接恒定逻辑高电平或者恒定逻辑低电平，电机不转。

当然，也可以往正负极输入PWM信号，从而控制电机的转速。PWM（Pulse Width Modulation），简称脉宽调制，信号频率不变，脉冲高电平的宽度可以调节，不同占空比（高电平的时间占整个周期T的比重）的脉冲信号作用于直流电机，单位时间内等效的电压（电流）值大小不同，电机的转速正比于电压（电流）值的大小，因此，单片机产生的PWM脉冲信号，可以控制直流电机的转速。

3.软件设计

软件部分的设计可以采用模块化的思路，采用C语言进行程序的编写。主要包含定时器模块，风速传感器模块、温湿度传感器模块、L298N驱动+直流电机模块。基于51单片机智能喷洒系统的流程图如图2所示。

图2展示了整个系统软件的流程。在主函数Main中循环执行整个系统的操作。其中，采用定时器0中断完成精确的定时操作，每隔5min（人为设定参数）读取DHT11温湿度传感器的数据，定时器0工作在模式1，为16位定时计数器，单片机接收到湿度数据，并与预先设定好的湿度阈值进行比较，若湿度低于阈值，控制L298N驱动，使电机继续维持转速，若接收的数据大于湿度阈值，则控制L298N驱动，即单片机往L298N驱动控制引脚（控制电机的引脚）输入PWM脉波，从而调节电机的转速，使得喷头喷洒的水覆盖不到相对于的土壤面积。

同时，采用定时器1完成10min的定时（工作方式同定时器0），系统读取三杯风风速传感器的风速值，然后与预先设定好的风速阈值（例如，6级风速，10m/s）进行比较，若风速大于阈值，则控制继电器，使其工作在水柱状喷洒模式，反之，则工作在默认工作模式，即水雾状工作模式。

结语

基于51单片机的智能喷洒系统克服了市面上传统喷洒系统的诸多弊端，在充分满足花草水分需求的条件下，节约了宝贵的水资源。同时，系统一旦初始化完毕（人们提前设定好参数，如风速的上限阈值，土壤湿度的下限阈值，每隔多长时间读取传感器的数值，即设定相应的定时器参数等等参数），就不需要人为干扰，提供了极大的便捷式服务。

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