基于单片机的自动浇花系统设计

黄佳华，何东源，黄成威，龙文马，李友丽，邓诗曼，黄灿胜

（广西民族师范学院 数理与电子信息工程学院，广西崇左，532200）

0 引言

基于当前国内目前智能浇花系统中存在的一些缺陷，需设计出一款让用户可以实时监测到盆栽信息并能通过控制虚拟开关来远程控制盆栽浇水情况的系统，而基于单片机的自动浇花系统可以满足要求。

1 设计目标与原理

1.1 设计目标

基于单片机STC89C52 的自动浇花系统设计旨在通过测量土壤中的湿度，实时了解植物生长环境中的水分状况，以便及时采取措施来调整植物的生长条件，提高植物养殖的生产效益。

1.2 设计原理

该设计以单片机STC89C52 为核心，单片机主控电路可以通过单总线的方式读取土壤湿度传感器的数据，采用土壤湿度传感器，检测当前土壤湿度，并通过A/D 转换电路ADC0832 读取土壤湿度的模拟量信号，并将其转换为数字信号，经过单片机读取转换结果，采用按键电路设计和显示电路设计来操作电路。采用继电器驱动风扇电路、驱动水泵电路和加热驱动电路，继电器控制端由单片机直接控制，实现给植物自动浇水、自动补温、降温；采用光线检测传感器模块，实现给植物补光；采用蓝牙模块，实现智能化养殖植物。系统设计组成框图如图1 所示。

图1 系统设计组成框图

2 作品设计

该作品整个系统的架构分为硬件和软件两部分。硬件方面，由单片机STC89C52 核心控制单元、温度传感器模块、土壤湿度传感器、光线检测模块、蓝牙模块、LCD 显示电路、ADC 转换电路、按键电路、水泵驱动电路、风扇驱动电路和补光驱动电路组成。 总原理框图设计图如图2 所示。

图2 总原理框图设计图

2.1 STC89C52 单片机

单片机在使用时需要注意以下三个重要部分，第一条件需要设计好电源部分，把单片机的40 脚连接电源正极5V，单片机的20 脚连接电源负极GND，以提供正常的电源。第二个条件是时钟电路设计，单片机U1 的第18 脚和第19 脚连接时钟电路，即连接Y1(12MHz)晶振，晶振两端并连C2与C3 谐振电容辅助振荡为单片机程序运行提供时钟源。第三个条件是第9 脚连接复位电路，U1 单片机第9 脚为高电平复位，连接R10 到GND，与R10 连接处连接S4 和C1到电源正极VCC，当S4 按下时给单片机的第9 脚输入高电平信号复位单片机。以上则是单片机最小系统电路，另外单片机最小系统也需要连接其他模块电路，用于读取数据和控制输出等。单片机最小系统电路设计如图3 所示。

图3 单片机最小系统电路设计图

2.2 温度传感器模块

IC1 为温度传感器DS18B20 第1 脚连接电源正极，第3 脚连接电源负极，第2 脚为传感器数据传输引脚，该引脚直接连接单片机主控电路读取温度数据。当温度值高于设定阈值40℃时，系统便会自动触发风扇驱动电路，开启风扇给植物降温；反之亦然。当温度值低于设定阈值20℃时，系统便会自动触发加热驱动电路，开启12V/10W 加热丝给植物环境加热补温，通过驱动继电器实现自动补温功能。温度传感器电路设计如图4 所示。

图4 温度传感器电路设计图

2.3 土壤湿度传感器模块

IC2 为土壤湿度传感器模块，利用ADC2 转换电路读取土壤湿度值。当土壤湿度值低于设定阈值35%时，系统便会自动触发水泵驱动电路进行浇水，反之亦然。通过驱动继电器实现自动浇水功能。土壤湿度传感器电路设计如图5 所示。

图5 土壤湿度传感器电路设计图

2.4 光线检测模块

IC3 为光线检测模块，利用ADC1 转换电路读取光线亮度值。当亮度低于设定值25%时，系统便会自动触发补光灯驱动电路，通过驱动继电器实现自动补光功能；反之亦然。光线检测模块电路设计如图6 所示。

图6 光线检测模块电路设计图

2.5 蓝牙模块

其可以通过蓝牙调试器APP 对指定蓝牙进行连接并发送指令，而单片机通过串口可以设置模块和把要发送的指令写入模块内并发送。蓝牙模块电路设计如图7 所示。

图7 蓝牙模块电路设计图

2.6 LCD 显示电路

采用的是LCD1602 液晶显示屏幕，连接单片机控制电路进行传输数据；第15 脚和第16 脚为LCD 背光的正负极引脚，连接电源的正负极给LCD 背光供电。LCD 显示电路设计如图8 所示。

图8 LCD 显示电路设计图

2.7 AD 转换电路

其采用的是ADC0832 作为AD 转换IC1，第1 脚CS 为芯片使能脚，第2 脚CH0 为模拟输入通道0 模拟信号可以从这个引脚输入；第3 脚CH1 为模拟输入通道1 模拟信号可以从这个引脚输入，输入信号电压范围为0~5V；第4 脚为芯片电源负极；第5 脚为DI 为芯片控制数据输入脚，第6 脚为DO 为芯片转换后的数据输出脚，第7 脚为CLK 为芯片时钟脚，第8 脚为芯片电源正极脚，输入电压为+5V，该脚也是基准电压脚，故ADC0832 的基准电压一般为5V。ADC 转换电路设计如图9 所示。

图9 LCD 显示电路设计图

2.8 按键电路

其采用独立按键作为主要按键器件，按键电路由S2~S10组成，按键按下时会给单片机引脚输入一个低电平信号，由此单片机可以通过电平检测的方式来读取按键信息。

2.9 水泵驱动电路和风扇驱动电路

采用5V 直流水泵作为进出水水泵器件，采用的三极管型号为8550，其一发射极连接电源正极，集电极连接继电器的线圈脚，用于驱动继电器吸合，基极通过电阻连接单片机主控电路控制，间接控制进水泵启动和停止；风扇驱动电路原理与水泵驱动电路同理，也是通过单片机控制出风扇的启动和停止。

2.10 加热驱动电路

采用12V/10W 加热丝作为主要加热器件，RL1 为加热丝器件，在加热丝的两端并联二极管D6，功能是在加热丝启动时通过D6 克制反向电动势；Q4 的发射极连接电源正极构成回路，单片机通过控制Q4 间接控制加热电路的启动和停止。加热驱动电路设计如图10 所示。

图10 加热驱动电路设计图

2.11 补光驱动电路

采用4 个并联发白光LED 作为补光源，发白光LED 只要两端提供5V 供电即可发光，所以就只要设计一个驱动控制电路即可对其进行控制；三极管的基极连接电阻连接单片机控制电路，单片机输出低电平时控制三极管导通，使得发白光LED 的两端得电发光，反之则不发光。当亮度值低于设定阈值25%时，系统便会自动触发补光驱动电路，开启白光LED 给植物照明，反之亦然，以此实现自动补光功能。补光驱动电路设计如图11 所示。

图11 补光驱动电路设计图

3 软件设计

软件方面使用C 语言编写。在子程序中编写LCD1602显示程序、独立按键扫描程序、ADC0832 子程序、各驱动程序，和DS18B20 温度读取程序和设置主界面参数程序等。各个模块的驱动程序主要对模块的工作状态进行设定，再在主函数中调用函数，即可读取传感器检测到的信息或者通过模块进行数据传输。但湿度检测和采集电路输出的是模拟电压值，单片机需通过ADC0832 转换后才能读取。软件程序设计流程如图12 所示。

图12 软件程序设计流程图

4 结语

随着科技的发展和生活的智能化，许多家庭和办公室都开始使用自动浇花系统来照顾他们的植物，本设计以单片机STC89C52 为核心，单片机主控电路通过单总线的方式读取土壤湿度传感器的数据，通过A/D 转换电路ADC0832 读取土壤湿度的模拟量信号并转换为数字信号，经过单片机读取转换读出，实现了自动浇花系统的功能，为人们提供了便利和效率。本设计具有数据准确性高、反应速度快、可靠性强等特点，为用户提供了一种方便、实用的土壤湿度监测和控制解决方案，还可以使用手机通过蓝牙调试器APP 进行蓝牙连接，实现智能化自动化浇水灌溉，为植物的生长提供了最佳的生长环境，让生活更加智能便利的同时节省人力资源的成本，能够有利于提高农业的生产效益。