可编程自动浇花系统设计与实现

罗颖惠 杜晓婷 黄子露 赵小利 曹敬丽

摘   要：文章主要介绍由STC89C51单片机、YL69土壤湿度传感器、ADC0832模数转换器以及抽水电机组成的可编程自动浇花系统。定时器定时将湿度传感器测到的土壤湿度数值反馈给STC89C51单片机，与给定的浇水水量范围比较，低于则浇水，反之不浇水。本装置有两个浇水方式：手动与自动，自动浇水可以满足用户外出时的浇花需求;手动浇花满足用户想要浇花的养身情操。

关键词：单片机;传感器;浇花器

1    国内外自动浇花系统研究现状

如今，国外的自动浇花系统已经较成熟且流行，但国内未达到同高度。究其原因：首先，国外进口的电子浇花器价格太过昂贵，大多数人不愿意承担高额花费;其次，国内已经有很多研究自动浇水器的项目以及制作出的成品。大多采用的是传统浇花方式，如雨幕式大范围浇灌方法给植物补充水分，无法检测土壤湿度，也有较经济的盆花缺水报警器，提醒人们及时给盆栽浇水。但报警器只是提供警报功能，浇水仍然要求人们自己进行，当家里无人时，即使报警器响了也无人浇水，起不到应有的作用。

虽然目前有许多类型的自动浇水器，但是大多没有检测土壤湿度的装置，只能盲目浇水。基于以上背景，本设计以单片机为基础，利用定时器、湿度传感器、蜂鸣器、LCD显示屏、按键来实现自动浇水与手动浇水相结合的功能。自动编程控制浇花系统、手动和自动的浇花方式逐步填补国内在此方面的空白。在家时，可以按键选择手动浇水;不在家时，可以通过单片机程序控制自动浇花。同时，系统装置根据土壤湿度进行浇灌，浇灌方式为可接移动式喷灌，流量相对小，不会过度灌溉浪费水源，可起到节水作用。

2    设计方案

本装置的功能呈现方式具体有两种：手动按键模式与自动编程控制模式。具体器件包括STC89C51单片机、YL-69土壤湿度传感器、ADC0832模数转换器、液晶显示仪以及抽水电机，系统设计框架如图1所示。

3    器件介绍

3.1  STC89C51单片机

3.1.1  工作原理

（1）STC89C516AD具有ADC功能，10位精度ADC共8路，可与ADC0832 转换器相匹配。

（2）P1口，是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTE逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（ILL）。

（3）P0口，是一组8位漏极开路型双向I/O口，即地址/数据总线复用口。作为输出口时，每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口P0写“1”时可作为高阻抗输入端用。

3.1.2  主要功能

本系统的主要功能是装置的核心元件，执行软件程序设计和执行控制系统。控制电路如下：电源模块、单片机基本外围模块、土壤湿度检测电路、警报电路、LED显示电路、浇水控制电路、报警电路、定时电路。

3.2 YL-69 土壤湿度传感器

3.2.1  工作原理

（1）土壤传感器检测的土壤湿度，表面采用镀镍处理，加宽的感应面积可以提高导电性能，防止接触土壤容易生锈的问题，延长使用寿命。

（2）产品可以宽范围控制土壤的湿度，通过电位器调节控制相应阀值。湿度低于设定值時，DO输出高电平;高于设定值时，DO输出低电平。

（3）比较器采用LM393 芯片，工作稳定。

（4）设有固定螺栓孔，方便安装。

（5）从传感器的D0引脚，土壤湿度大于某个阈值，则D0输出0，否则输出1;从传感器的A0引脚，获取模拟量，更加精确。土壤湿度越大，获取的模拟量值越大。

3.2.2  主要功能

土壤湿度检测系统的重要组成部分，通过单片机设定上下限水量，与土壤湿度检测反馈的土壤湿度值相比较，从而判断是否浇水;当水分不足时，发送高电平，否则相反。

3.3  ADC0832转换器

（1）工作原理：ADC0832是8脚双列直插式双通道A/D转换器，能分别对两路模拟信号实现模数转换，可以在单端输入方式和差分方式下工作。ADC0832采用串行通信方式，通过DI数据输入端进行通道选择、数据采集及数据传送。8位的分辨率（最高分辨可达256级）可以适应一般的模拟量转换要求，其内部电源输入与参考电压的复用，使得芯片的模拟电压输入在0～5 V，具有双数据输出可作为数据校验，以减少数据误差，转换速度快且稳定性能强。独立的芯片使能输入，使多器件挂接和处理器控制变得更加方便。

（2）主要功能：将湿度传感器产生的模拟信号转换成数字信号的作用。

3.4  按键

设置有手动、自动、开始以及停止按键，按下奇次自动按键，实现自动浇灌功能，完全脱离人力，由单片机程序控制浇水。按下偶次手动按键，实现手动控制浇水，当湿度传感器检测土壤湿度达到设定阀值下限时，蜂鸣器警报响起，提醒手动按下开始按键进行浇水，当湿度达到阀值上限时，手动按下停止按键停止浇水。

3.5  抽水电机

主要功能：与附近水源连接，开关控制阀门。当开关打开时电机启动，抽水电机自动蓄水，蓄水完成后，开关闭合，停止工作。

3.6  定时器和蜂鸣器

定时器主要功能：定时器可以发出不同频率，不同占空比的PWM波。蜂鸣器接收波形时，由于频率和占空比的不同，会发出不同声音，设定一定的频率控制蜂鸣器发出警鸣声。

蜂鳴器主要功能：起到警报作用，接受PWM波形，发出声音，提醒人们为植株灌溉。

4    工作原理

本装置的功能呈现方式具体有两种：手动按键选择手动浇花与自动编程控制浇花。以STC89C51单片机为核心，利用抽水电机进行自动蓄水，土壤湿度传感器对土壤进行实时检测，将检测的土壤湿度值经过A/D转换模块进行模数转换后，反馈给单片机，进行设定土壤湿度阈值上下限比较并显示在LCD液晶屏上，与单片机程序设定土壤湿度上下限值对比。首先，当检测的湿度值达到设定的下限值时，蜂鸣器响起达到报警功能;单片机发出讯号启动电池阀驱动抽水电机工作，对植物进行灌溉，一直持续到湿度值达到上限值，单片机会再发出一个讯号关闭电池阀，停止抽水电机的工作。其次，手动按键浇水模式。土壤湿度传感器检测湿度值低于下限值时，警报器响起提醒浇灌，手动按下按键抽水电机开始抽水进行浇灌，当湿度值达到上限时，警报再度响起，手动按下按键停止抽水电机工作。

5    软件设计

自动浇花系统程序开始时进行初始化，检测按键次数，奇数是自动浇花，偶数是智能浇花。

（1）自动浇花：YL69土壤湿度传感器定时对植物所处的土壤进行测湿，再将测量值反馈给单片机程序设定值。第一，湿度值在4～6个量，则需浇“少量”水;第二，湿度值在7～9个量，则浇“中量”水;第三，湿度值为10及以上个量，则浇“大量”水（少量为100 mL;中量为150 mL;大量为200～250 mL），如果达到预设值，则停止浇水，再次从头开始循环;如未达到预设值，继续浇水，达到预设值为止。

（2）手动浇花：按键次数为偶数时，则启动手动按键模式，主人自主浇花。

6    结语

经过多方面设计与实践，该装置能够实现基本的自动浇灌功能，能够解决当前家庭养殖中存在的主要问题。实时查看土壤的温湿度情况，完全脱离人力实现自动浇灌，与市场上已有的自动浇花装置相比，更加物美廉价，适用范围广，屋顶花园、菜园、阳台都可以使用，为人们提供更加便捷的浇灌方式，给予未来生活一个美好的向往与计划。

Abstract：This paper mainly introduces a programmable automatic flower watering system composed of STC89C51 single chip microcomputer， YL69 soil moisture sensor， ADC0832 analog-to-digital converter and pumping motor. The timer regularly feedback the soil humidity measured by the humidity sensor to STC89C51 single chip microcomputer. Compared with the given watering range， it is lower than the given watering range， on the contrary， it does not water. The device has two watering modes： manual and automatict， to automatically water to satisfy the owners absence of convenience in watering flowers; to manually pour the flowers to satisfy the owners desire to cast the flowers.

Key words：single chip microcomputer; sensor; flower watering device