基于单片机的自动浇花器设计*

郭润坤

（山西机电职业技术学院 山西 长治 046011）

本系统是基于单片机的智能化灌溉系统，通过进行土壤含水量和土壤湿度的测量，让单片机控制阀和储水箱自动给花浇水，让家里植物可以在主人工作忙时自行浇水，从根本上解决浇水难题，使得花卉健康生长发育。本系统硬件配置部分以单片机设计为基础，以此实现在房间里进行智能化浇水。此设备主要对盆栽花卉的土壤湿度和温度进行检测和控制，并根据检测结果给盆栽花卉灌溉它们所需要的水流量，具备节约用水、对植物的冲力小等优点，因而被广泛应用于植物种植密度大、植物绵软娇嫩的场所。

1 系统硬件设计

本系统主要由硬件配置模块、手机软件模块组成。硬件配置模块大致涵盖了土壤含水量检验控制模块、光泽度检验控制模块、按键设置控制模块、LCD1602显示模块与继电器控制水泵电源电路控制模块。手机软件模块主要制定了一种智能化灌溉的软件，这一自动浇花系统软件可以在没人的环境中保证对绿色植物进行全自动灌溉，在盆栽花卉必须浇水时，也可以根据土壤层干湿度水平及阳光照射强度，对植物灌溉进行全自动控制[1]。单片机是此策略的控制核心，可以通过空气相对湿度检查仪进行有关信息的传递，再应用智能控制系统设置其湿度的极大值与极小值，然后依靠单片机对传送来的信息进行分析和梳理，进而评定外界的环境湿度[2]。一旦反馈的环境湿度值显著低于所设置的环境湿度极小值，单片机将下发命令至控制水泵，使其进行浇水动作；在经过一段时间的浇水之后，当湿度到达所设置的极大值时，仪器设备终止浇水。或者可以在没人的情况下，根据使用者自身的灌溉工作经验设置时间进行灌溉，到达设置的时间单片机即控制水泵浇水，超出一分钟后水泵自动终止浇水[3]。这便是该系统全部的工作原理。

1.1 AT89C51单片机介绍及设计方案

AT89C51是一款极其简化的51单片机，将P0口和P2口进行了精简，管脚也仅有20个，但是里面却安装有仿真模拟电压比较器，针对研究与开发精简的51系统软件来讲，这是最好的选择，毕竟在大部分的情形下，开发设计根本用不了32个I/O口，因此选择AT89C51单片机比较适合。它的处理芯片容积小，且工作标准电压最少只需要2.7 V，因此将其用于开发设计时可以用便携的5号电池供电[4]。

1.2 ADC0832变换处理芯片

ADC0832是串行通信8位A/D转化器，ADC0832与单片机通过三根输电线相互连接，它主要特征为高性价比、低能耗，一般应用在袖珍型的自动化设备中。ADC0832是一个8位屏幕分辨率，这种屏幕分辨率的最高值可达到256，模拟仿真一般是没问题的[4]。ADC0832选用双数据输出进行资料整理，从而达到减小误差的效果，变换速度更快、可靠性也更强。ADC0832为了减少数据错误，审校时使用的是双数据信息应用方式，提升了变换速率，而且增强了全过程的稳定性。由于ADC0832能够彻底实现独立键入，因此CPU就可以比较方便地控制多个元器件。运用DI数据传送，能使无线信道作用挑选简易。ADC0832的优势是，在8位屏幕分辨率条件下，基准电压为5 V时，耗能可以降为15 mW；输出和输入脉冲信号与CMOS及TTL适配；输入脉冲信号的电压范围在0 V～5 V；主要有两种模拟输入安全通道可供选择；在工作频率为250 kHz时，转换时间为32 μs[5]。

1.3 SRS-05VDC-SL继电器

继电器（relay）是一种电控制元器件，能够把线形变动的输出量导出为阶跃转变结论。这类特性具有控制的功效，当输出量达到一定程度时，就可以根据控制阶跃变动的结论影响总体电源电路，在所有电路板上，继电器只需极小的电流量，等同于以弱电流量来控制高电压的控制器，并且一定程度上继电器也可以用来保护电路，避免电压波动太大，损坏电子元器件[6]。

现阶段市场中有许多继电器类型，但经过一一比照，本系统选择电磁感应继电器作为全部电源的控制元件。电磁感应继电器的构造比较简单，只需要电磁线圈、铁心、流线圈及接触点弹簧片等构件就可以满足其性能上的需要。其基本原理是以电流量转变来调节电磁效应的高低，同时将电子信号转化成带磁抗压强度的信号，最后根据接触点是否接触来决定电流是否导通[7]。

1.4 光敏传感器以及控制电源电路

光敏传感器的特征是能够把光学物理信息转化成电子信号，此特性也是其命名的由来，这类电阻器还被通称为光电阻器，也可以称其为光导管。从总体上来说，它在不同的光照度下体现为不同类型的阻值，用这些材料制作而成的电阻又被称为光电导探测器[8]。当直射光照强度提升时，阻值持续减少，即电阻值与直射光照强度成反比，反之亦然。这主要是因为阳光照射所产生的自由电子影响了原材料的导电能力，自由电子在另加静电场的介入下能以飘移的形式运动，电子器件冲向电源正极，空化冲向电源负极，从而使得光敏电阻器的导电能力迅速提升，在物理学值上体现为电阻的减少[9]。此次控制系统设计将光敏传感器并接在湿度控制器的电路板上。电路原理图如图1所示。

图1 光敏传感器以及控制电源电路示意图

2 软件程序设计

智能可控浇花装置分为自动控制和手动控制两部分：自动控制部分利用按键模块设定土壤湿度的上限值和下限值（浇水量），系统通过土壤湿度传感器实时检测土壤湿度值，然后将检测到的土壤湿度模拟量通过ADC0832转换模块转换为数字量传送到单片机。再通过单片机内部设定程序判断是否要给植物浇水并精确地将湿度值显示在LCD显示屏上，若采集值小于设定值证明湿度过低，蜂鸣器报警、LED闪烁，单片机发出指令控制水泵自动浇水[10]；当湿度值达到所设定的上限值时，单片机发送停止浇水指令，电机停止工作，蜂鸣器取消报警，LED停止闪烁。手动控制部分是直接通过按键，不受单片机的约束控制水泵的开关。实践证明，自动浇花装置有效地提高了人们的生活质量，是辅助人们浇花的小帮手。

2.1 软件设计

系统软件设计主要有对土壤含水量检验程序、对收集信息的处理程序、设定环境湿度上限和下限的程序、功能键程序、表明程序等[10]。具体浇花运行设计图如图2所示。

图2 浇花运行程序设计

本设计中的盆栽土壤层温、环境湿度监测和控制系统是利用MCU型号规格为AT89C51作为关键部件，利用给单片机设计设置的程序达到一定的作用[11]。土壤温度湿度检测过程的关键在于感应器SHT11把检测出的湿度和温度值送至MCU的I/O并行口，并把检测出的数字信号转化成模拟信号展示在LCD上。当设备为全自动浇水的状态下，以这时的温度湿度数据和设备内部结构设定的上限值和下限值进行对比，当单片机设计测量的标值低于下限值时，MCU就会得出相对应的信号，操纵水泵继电器开启，给盆栽花卉进行浇水。当单片机设计测量的标值超过上限值时，MCU就会推送相对应信号，操纵关掉水泵的控制阀，停止给盆栽花卉进行浇水。当设备处于人工干预浇水情况下，就会根据单片机设计中程序所设定的限定时间给花浇水。

2.2 程序编写

土壤湿度传感检测模块对土壤的湿度变化特别敏锐，日常用来检测泥土的湿度，当土壤湿度达不到设定阈值时，模块D0输出高电平；当土壤湿度高出设定阈值时，模块D0输出低电平；小板数字量输出模块D0能够与单片机直接相连，通过单片机来检测高低电平，由此来检测土壤湿度。具体实现程序如下：

voiddisplay1(void)//白天自动检测浇花

{

ad=ADC0832_read(0);

Delay_ms(25);

temp=(1-(double)ad/255)*100;

if(temp＜=jiaohua_num)

{

if(f==0)//清屏标志位

{

LCD_write_command(0x01);

delay_n40us(100);

f=1;

}

lcd1602_write_character(0,1,''FlowerisDying!'');

lcd1602_write_character(0,2,′′AutoWatering!'');

jidainqi=0;jidainqi_led=0;//自动浇花

}

else

{

// if(temp＜1.5)

// wei=sprintf(temp_ad,''%0.2f'',0);

// else

wei=sprintf(temp_ad,''%0.2f'',temp);

if(f==1)

{

LCD_write_command(0x01);

delay_n40us(100);

f=0;

}

lcd1602_write_character(0,1,''Themodeone:''); //初始化显示的文字

lcd1602_write_character(3,2,'''');

lcd1602_write_character(9-wei,2,temp_ad);

lcd1602_write_character(9,2,''%RH'');

jidainqi=1;jidainqi_led=1;//停止浇花

}

}

voiddisplay4(void)//浇花湿度设置

{

T0_num++;

if(T0_num==254)

T0_num=0;

lcd1602_write_character(0,1,''Setwaternum'');//初始化显示的文字

if(T0_num%2==0) //偶数次显示

{

LCD_disp_char(9,2,ASCII[jiaohua_num/10]); //

LCD_disp_char(10,2,ASCII[jiaohua_num%10]);

// Delay_ms(1);

}

else

{

LCD_disp_char(9,2,ASCII[jiaohua_num/10]);

LCD_disp_char(10,2,ASCII[jiaohua_num%10]);

}

}

3 蓄水箱自动供水系统设计

蓄水箱中自动供水系统最关键的部分就是操纵离心水泵的开与关，蓄水箱的水流量指的是它的容量。蓄水箱的全自动供水设备构成包含555计时器、蜂鸣器、与非门电路、电导率探头及其放大仪等。这个系统的重要构成部分包含错误操作分辨电路、水位监测电路、报警电路、电动机开关和水位控制电路。把一个金属材料探头悬吊在一个盛水开启式储水箱上，在电路中串联电流计后增加工作电压便能够看见：金属材料探头如果全部浸到水中，电路中便会有电流量，但是当导电性探头全部离开储水箱的水面时，电路里的电流量就会自动消退。蜂鸣器是一种能够发出声音信号的电子产品，生活中常用的有两类：压阻式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器。本设计方案选用的是电磁式蜂鸣器。用三极管将这个电磁式的蜂鸣片与555计时器相连，以此使蜂鸣器振动发出声音，还可以在系统内用于发出警报。报警电路的设计方案是用人为因素加以控制，在使用者按下这个警报确定开关的情况下，蜂鸣器便不再响；这时，警报灯确定亮起；在处理完毕电路发生的故障后，再点一下报警开关确认键，以进行报警电路校准。经检测后，蓄水箱的水位控制器合乎定制规定。

4 基于单片机的自动浇花器测试

4.1 硬件测试

在参照电源的运行图以后，按照其款式将实体制出，并把程序流程烧写至AT89C51单片机内并插上电源，将YL-69土壤层湿度传感器探头放进土中。功能键调到方式一，湿度值调为50%，屏幕上显示正在浇水，水泵运作，灌溉到设置湿度值后终止浇水；功能键调到方式二，检测出湿度值小于设置湿度，水泵逐渐浇水，将光敏传感器遮挡住，屏幕上显示为护眼模式，终止浇水；功能键调到方式三，限定时间运作浇水，在网络检测到需要浇水时，水泵就会全自动出水，运作60 s之后便终止浇灌。之后，还需要看实体系统能不能平稳地进行实际操作，假如一切都正常的话，就不需要进行硬件配置的有关调节，假如运转发生异常则需要剖析主要原因并进行有关的调节工作。

1）由于第一次调节实体无法按上述设计步骤运作，因此做如下检验：①针对线路板进行安全检查，观察其电焊焊接是否出现问题或是否有零件松脱和相关零件的组装问题。②根据数字万用表观察其有没有不正确或管脚短路故障的情况。③检测元器件是否损坏。

2）检测结果：①由于线路繁杂，在电焊中功能键电源电路与按键电路焊接时发生短路故障，在拆卸的过程中因为管脚细微，用劲不合理造成功能键和线路板毁坏，因此进行二次电焊焊接。②在展开了全方位的调节之后，发现设备能够正常运行且没有问题发生，说明这一系统软件具有较强的可靠性。在各个湿度的土地情况下，该平台仍能平稳运行，时间的假定一样，表明程序流程并没有错误。③该平台在检验湿度时，反应时间很短且数据信息比较精准，因此笔者认为符合实际规定。

4.2 功能测试

控制系统设计结束后，检测时应对硬件配置的电路接线进行仔细检查，是不是发生多线、少线、错线等状况，查验元器件的性能参数及其电子器件的好坏，电子器件电焊焊接后有没有出现松脱、空焊、开焊等状况。经检测确认无误然后将程序流程烧写到AT89C51单片机内进行插电，将土壤层湿度感应器插入土中，显示器实时同步土壤湿度值，按键设置左右限制值控制开关推动水泵进行工作，LCD显示数据准确。后续对系统进行了一段时间的检验，该系统运作正常，能够达到想要的效果。

5 结论

基于单片机的自动浇水器设计，都是基于电子器件全自动洒水设备基本原理，利用当代传感技术收集土壤含水量等数据信息，利用单片机自动控制系统对各个部分加以控制，使灌溉控制模块得以运行。这一自动浇水器系统软件分成两部分，一是检测土壤湿度数据信息并且在LCD1602中进行表明，二是由结构化分析对灌溉系统加以控制。土壤层湿度检测的控制模块为YL-69，其核心作用是将检测的湿度信息传递至单片机的软件内部结构，与此同时利用单片机的I/O口将其传送至LCD屏上。LCD中显示的数组长度是土壤含水量值，这也是分辨注水是不是标准的值。程序操纵的部分由自动浇花系统组成，而全面的监督部分则由土壤层湿度检测系统构成。全智能的自启动的程序操纵主要通过单片机数据分析获得，在湿度检测仪检测出土壤层湿度小于所规定的标值后，单片机将下发命令至操纵水泵，使其进行浇水行为；在经过一段时间的浇水之后，当湿度达到所规定的最高值时，设备又终止浇水，这便是自动浇花器的工作原理。

单片机还能够手动输入时长，根据LCD1602进行表明，编程设计灌溉开始及灌溉结束的时间。