基于土壤湿度检测的智能浇花系统设计

□张倩昀

（西安航空学院电子工程学院 陕西 西安 710077）

基于土壤湿度检测的智能浇花系统设计

□张倩昀

（西安航空学院电子工程学院 陕西 西安 710077）

为加速农业现代化建设，节约水资源，克服人工浇水作业不精确等问题，本文设计了智能浇花系统，该系统包含了以下模块：土壤湿度检测模块、A/D转换模块、单片机信号处理中心、显示模块、浇水模块。湿度传感器将土壤湿度值转化为电信号，通过A/D转换芯片ADC0832传至AT89S52单片机，处理器为保持土壤稳定的湿度值，通过浇水模块，对土壤含水量进行调整。本文所设计系统在protues软件平台下进行仿真调试，确保系统正常工作。

智能浇花系统；AT89S52单片机；ADC0832；湿度传感器

花卉养殖是农业生产中的重要部分，花卉贴近人们的生活。但是不同的植物生活习性不同，当土壤较为干燥的时候可能会无法达到应有的浇水量，有时又会过量浇水从而浪费了大量资源，这一不足在大面积种植中更易体现。研究表明，地球上的淡水的比重仅仅只占所有水资源的2.5%，可供人类使用的淡水占所有水资源的0.26%[1]。我国人口众多，除了满足大量人口需求之外，土地灌溉也消耗着大量的水资源[2]。

国内外均有自动浇花装置，国外的一些浇花产品基于定时电路，对土壤进行定时定量浇水[3]，这样的做法虽然能够保持土壤的湿润，但是这种开环控制系统不能按照植物的需求浇水，不同的植物特性以及地域差异都会影响所需浇水量。国内也有科技公司已经推出类似商品，例如土壤检测仪，可以精确检测土壤湿度等信息并通过GSM网络将数据传送至用户，可惜的是该公司并没有将检测数据用于控制，仍需人工进行浇水操作。于是本设计将进一步完善检测模块并通过微处理器控制后续电路部分，实现系统的自动控制，构成闭环控制系统。

1 系统总体方案

本文设计的智能浇花系统包含土壤湿度检测模块、A/D转换模块、单片机信号处理中心、显示模块、浇水模块共5个部分，如图1所示。通过电位器设定预设值，改变电位器阻值进而改变其分压值，将此信号传送至A/D转换芯片。湿度传感器将土壤湿度这一物理信号转换为电信号传送到A/D转换芯片中，A/D芯片将两组数据依次传送至单片机。单片机控制I/O接口的高低电平，继而控制继电器，继电器的开闭决定着电磁阀是否工作。

图1 系统结构框图

2 系统硬件设计

2.1 传感器模块

土壤湿度传感器由两个分离的金属电极构成，电极表面有防腐蚀涂层，可以保持电极在酸性土壤中维持一定的使用时间，极板的表面积也有所加宽，提高了其灵敏度。使用时将金属电极埋入土壤中，土壤中的盐分、水分、温度、有机质含量和质地结构都不同程度影响着土壤电导率，影响电极的导电性能[4]，改变着传感器的阻值，加上合适的电源则可以将土壤湿度这一物理信息转化为电信号。保持传感器表面完全干燥，测得此时传感器阻值约为12.5KΩ，使传感器完全浸泡在纯净水中，此时传感器的阻值为7.17KΩ。原理如图2所示。

图2 土壤湿度传感器原理图

该模块使用B10K电位器设定预设值，该电位器阻值线性变化，稳定性好，将其分压值直接传如模数转化模块。

2.3 ADC0832

ADC0832是双通道的8位分辨率模数转换芯片，采用串行通讯的方式。当与单片机相连时只需占用单片机少许的端口就能工作。本文系统中，该模数转换芯片的两个通道分别接传感器输出和电位器输出，按照时钟信号依次传送至单片机。

2.4 AT89S52单片机控制中心

单片机是系统的控制中心，为了使其正常工作，需配备以相应外围电路即可工作，包括时钟电路、复位电路、电源电路。AT89S52单片机是一种低功耗、高性能的CMOS微控制器，使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

2.5 显示模块

为了方便用户观察到土壤的实时状况，本文使用7SEG-MPX4-CA四位共阳极二极管显示相关信息。为了保证数码管正常发光，设计添加了相应的驱动电路。S8050是NPN型三极管，本系统中三极管的发射极接+5V电源，基极接P2口，集电极接数码管位选接口。单片机控制P2口的高低电平从而控制三极管的导通与截止选通驱动数码管。

2.6 浇水模块

浇水模块是本系统的末端部分。单片机通过分析、运算从而控制P3.7口的高低电平状态，通过电压比较电路的输出继而控制继电器的工作状态。

2.6.1 LM311电压比较器。本次设计单电源供电状态[5]。在V_OUT与VCC之间连接负载R_L，单片机输出接LM311同相端，反相端接基准电压，基准电压来自电阻分压。若需要进行浇水操作，单片机输出高电平约为5V，经过比较器后输出9.2V电压。

2.6.2 继电器模块。考虑到实际应用，选用高电平触发型继电器。为了避免电感效应对单片机输出产生影响，在前向通道的控制信号与模拟电路的接口处增加光耦芯片817C，其原理图如图3。该芯片做到输入与输出之间的电隔离，触发更可靠，更稳定，将不利因素干扰降至最低。

图3 光耦817C原理图

2.6.3 电磁阀。考虑到本产品面向家用，小面积的浇水作业不需要大功率水泵工作，所以在系统中选用12V直流常闭气动电磁阀，即不通电的时候关闭，通电的时候开启。

3 系统软件设计

系统的软件设计主要集中在对51单片机的编程处理。系统通过传感器对物理量进行采集准备，经过AD转换，进行单片机数据处理，通过显示模块，最终控制后续电路。所包含的程序应包括主程序、延时程序、ADC0832转换程序、显示程序等。

4 仿真与调试

本文设计程序使用Keil进行编辑，电路仿真在protues平台完成。图4分别展示了设置状态和工作状态下的仿真图。随后搭建实际电路板，经过测试，该系统基本能够满足日常生活所需。

图4 proteus平台中的仿真情况

结束语

本文设计的系统以51单片机为控制中心，附以外围电路，实现智能自动浇花装置，为植物提供了一个合适的生活环境，也把人们从繁忙的浇花工作中解放出来。使用之前，需根据不同的植物设定最适合的湿度值。

本文设计智能自动浇花系统不局限于家庭，也可在农业灌溉中得以运用。在日后的拓展应用中，只需适当增加传感器，就能成为多点采集系统，收集更大面积的土壤信息，与PC机共同组成的控制系统，可实现在农业作业中对环境的监管，再配以大功率的电磁阀即可进行大面积的浇水作业。也可在本系统的基础上增加无线收发模块，例如NRF24L01，该模块基于GSM网络通讯，能与用户的实时通讯，实现家用电器智能化，为打造家用电器物联网打下基础。

[1]鞠秋立.我国水资源管理理论与实践研究[D].吉林大学,2004.

[2]赵洪武.浅析我国水资源现状与问题[J].才智,2012(16):284.

[3]赵丽,张春林.基于单片机的智能浇花系统设计与实现[J].长春大学学报,2012,22(6):650-651.

[4]朱勇,王振翀,能昌信,等.土壤电导率测量方法的研究与仿真[J].计算机仿真,2012,29(8):413-416.

1004-7026（2017）09-0128-02

TN98-34

A

DOI：10.16675/j.cnki.cn14-1065/f.2017.09.079

张倩昀（1988-），女，汉族，江西宜春人，硕士，西安航空学院，助教，研究方向：结构健康监测和电工电子技术实验教学。