基于AT89S52單片機的花卉自動澆灌系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：為設(shè)計一種方便家庭使用的花卉自動澆灌裝置，利用AT89S52單片機進行可編程控制，結(jié)合外圍溫度傳感器、蒸發(fā)罐、控制信號、按鍵、報警電路，實現(xiàn)了根據(jù)不同的光照、溫度等條件自動調(diào)節(jié)澆水時間間隔，低溫天氣下自動停止?jié)补啵瑘缶娐诽嵝延脩艏皶r對花草采取防凍措施。該系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)模塊化管理，便于后期擴展，硬件成本低，適合家庭用戶使用。
關(guān)鍵詞：單片機編程；溫度傳感器；自動澆灌；光電耦合器

0 引言
    隨著生活條件的改善，越來越多的人們在家中種植了各種花卉植物用以美化環(huán)境?；ɑ艿纳L需要穩(wěn)定的環(huán)境濕度和溫度，但一般來講，家庭種植花卉植物的澆水工作主要憑借主人的主觀判斷來決定澆水量的大小，澆與不澆非常隨意，經(jīng)常會是澆得過量或者過少。目前市場上有一些自動澆水的裝置，例如一些雙層的花盆，利用虹吸或者微滲原理，保持花盆的濕潤。但是這樣的裝置不能根據(jù)不同植物不同季節(jié)的不同需求進行精確調(diào)節(jié)。當然目前也有能夠精確調(diào)節(jié)澆灌量的澆水系統(tǒng)，但是通常這樣的系統(tǒng)復(fù)雜龐大、裝配費用高昂、維修困難，一般應(yīng)用于苗圃、農(nóng)場等大規(guī)模種植，不適于家庭使用。
    為了克服現(xiàn)有技術(shù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、費用高、不適于家用的不足，本文設(shè)計了一種自動澆灌裝置，能夠利用簡單設(shè)備實現(xiàn)根據(jù)實際的水份蒸發(fā)量調(diào)節(jié)澆水量。

1 總體設(shè)計
    花卉的正常生長要求溫度和濕度穩(wěn)定在一個既定范圍內(nèi)，超出或者低于這個范圍將影響花卉的正常生長。該系統(tǒng)采用AT89S52可編程單片機測控，實現(xiàn)花卉生長環(huán)境因子信息數(shù)據(jù)的實時采集、處理，輸出信號控制外圍執(zhí)行機構(gòu)，以實現(xiàn)環(huán)境濕度和溫度強度的測控，達到節(jié)水節(jié)能，省時省工的效果。軟件開發(fā)用C語言，采用模塊式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)功能易于擴展。
    系統(tǒng)具體功能如下：
    (1)實現(xiàn)按需灌溉功能。按照花卉的需求開啟和關(guān)閉灌溉系統(tǒng)，實現(xiàn)一般的控制。具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低，操作方便。
    (2)通過傳感器檢測花卉生長的環(huán)境溫度和土壤濕度(用蒸發(fā)器信號表示)，依據(jù)設(shè)定的植物要求的溫度和濕度的上下限值，由單片機來控制開關(guān)窗戶、電磁閥和排風扇，從而調(diào)節(jié)溫度和濕度。當空氣溫度高于上限值時，自動打開排風扇進行自然降溫，達到要求值時則自動關(guān)閉。溫度過低時發(fā)出警報，提醒用戶及時采取防凍措施。
    系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

    本自動澆灌系統(tǒng)是基于AT89S52單片機進行可編程控制，結(jié)合外圍的溫度傳感器、蒸發(fā)器、控制電路等實現(xiàn)花草的自動澆灌，具有精確、穩(wěn)定、成本低的優(yōu)點。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    系統(tǒng)自動控制部分由AT89S52單片機控制系統(tǒng)實現(xiàn)，單片機硬件電路原理框圖如圖2所示。

2．1 溫度控制、顯示電路
2．1．1 溫度控制電路
    溫度傳感器電路原理圖如圖3所示。

    系統(tǒng)的溫度傳感器采用DS18B20單線數(shù)字式溫度傳感器。該溫度傳感器，適用電壓為3～5 V(跟單片機5 V電源供電可以適用同一電源)，可測溫度范圍為-55～125℃(完全可以滿足本系統(tǒng))，而且它只需單總線進行信息交互，即只需占用單片機的一個I／O口，而且基本不需要外部原件。
2．1．2 溫度顯示電路
    溫度顯示電路原理圖如圖4所示。

    系統(tǒng)采用2位共陽數(shù)碼管顯示環(huán)境溫度，使用2個8550三極管通過單片機I／O P2．2和P2．3進行數(shù)碼管位選。單片機上電后，P2．2和P2．3為高電平，當P2．2和P2．3變?yōu)榈碗娖?編程進行控制)時，數(shù)碼管選通，單片機P3口從溫度傳感器DS18B20的寄存器中讀取當前溫度的信息，P3口將數(shù)據(jù)信息送到數(shù)碼管，進行顯示。
    這樣可以很直觀地告訴用戶當前環(huán)境的溫度，同時采用數(shù)碼管而非液晶屏，可以有效控制成本。
2．2 電磁閥、排風扇電路
    電磁閥和排風扇電路原理基本相同，當檢測到單片機相應(yīng)的I／O口輸出低電平時(由于單片機上電時I／O口都是高電平，所以采用低電平為有效信號)，通過三極管使驅(qū)動電路導(dǎo)通，從而驅(qū)動電磁閥或者排風扇工作。當單片機I／O口恢復(fù)高電平時，驅(qū)動電路斷開，從而使電磁閥或者排風扇停止工作。
    I／O口的高低電平變化，通過采集傳感器的信息，通過單片機編程進行控制。更具體說明會在軟件系統(tǒng)設(shè)計中進行介紹。
    電磁閥控制電路主要由NPN共集一共射復(fù)合管及光電耦合器組成，當單片機P2．4給出高電平，復(fù)合管導(dǎo)通，繼電器接通，將開關(guān)吸合，電磁閥接通開始放水。電磁閥控制電路如圖5所示。

    本電路通過單片機的P2．6口控制電磁閥通斷，當P2．6為低電平時，通過光電耦合器TP521-1使3／4管腳之間導(dǎo)通。由于電磁閥工作電壓是12 V，而且工作時電流較大，采用8050和TIP41兩個NPN三極管進行驅(qū)動。此時電磁閥正常工作，給花草進行澆灌。當P2．6口變?yōu)楦唠娖綍r，光電耦合器3，4腳之間斷開，電磁閥停止工作，不再灌水。
2．3 報警電路
    報警電路原理圖如圖6所示。

    報警電路的蜂嗚器采用單片機的P2．5口進行控制，當環(huán)境溫度低于0℃時，P2．5口變?yōu)榈碗娖?，使三極管8050導(dǎo)通，從而使蜂鳴器工作，同時由P2．0控制的LED燈“R”(Red)會不停的閃爍，提醒用戶及采取措施防止花草受凍。當環(huán)境溫度恢復(fù)正常時，P2．5恢復(fù)高電平，蜂鳴器停止工作。
    LED燈“G”(Green)亮，表示電磁閥正在工作，給花草澆灌。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    本系統(tǒng)選用適時性強與透明度高的C語言作為編程語言，系統(tǒng)軟件的開發(fā)全部采用Keil μVision 3進行。系統(tǒng)程序的開發(fā)，采用了流行的模塊化設(shè)計方法。在程序設(shè)計中，可根據(jù)系統(tǒng)功能，將整個軟件系統(tǒng)劃分為若干個功能相對獨立易于解決的模塊，每個模塊是一個結(jié)構(gòu)完整，相對獨立的程序段，能完成某一規(guī)定的任務(wù)，實現(xiàn)某個具體的功能。
    系統(tǒng)軟件的設(shè)計，主要由如下程序模塊組成：DS18B20溫度采集、排風扇控制、電磁閥控制、警報電路控制等。整個系統(tǒng)的主程序流程如圖7所示。

    系統(tǒng)在上電初始化后將對環(huán)境溫度、蒸發(fā)器信號進行判斷，當環(huán)境溫度過高時，系統(tǒng)將打開排風扇進行散熱，當環(huán)境溫度恢復(fù)適當時，系統(tǒng)將關(guān)閉排風扇，當環(huán)境溫度過低時，會發(fā)生警報，提醒用戶采取防凍措施保護花草。當蒸發(fā)器輸出低電平時(即花草的土壤濕度過低)，電磁閥打開，進行灌溉加濕。
    通過上述主體流程控制，即可以達到有效的控制，使得室內(nèi)環(huán)境對花卉植物的生長基本處于最佳的狀態(tài)。

4 結(jié)語
    基于AT89S52單片機為核心的控制電路、傳感器電路和執(zhí)行器件及機構(gòu)組成，硬件電路簡單，不需要A／D轉(zhuǎn)換器件，同時考慮溫度、濕度等多因子的自動澆灌系統(tǒng)，較全面考慮了各種因素。系統(tǒng)硬件電路采用成熟的電路設(shè)計，元件選用成本較低的器件，電路穩(wěn)定，抗干擾力強，性價比較高。軟件開發(fā)用C語言，采用模塊式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)功能易于擴展。
    本系統(tǒng)設(shè)計已經(jīng)取得國家專利(專利號：200820028410．7)，硬件系統(tǒng)經(jīng)過實驗調(diào)試，系統(tǒng)設(shè)計可以滿足預(yù)期功能要求，經(jīng)小批量試點投放使用6個月，系統(tǒng)表現(xiàn)穩(wěn)定。