基于AT89S52單片機(jī)的花卉自動(dòng)澆灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：為設(shè)計(jì)一種方便家庭使用的花卉自動(dòng)澆灌裝置，利用AT89S52單片機(jī)進(jìn)行可編程控制，結(jié)合外圍溫度傳感器、蒸發(fā)罐、控制信號(hào)、按鍵、報(bào)警電路，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)不同的光照、溫度等條件自動(dòng)調(diào)節(jié)澆水時(shí)間間隔，低溫天氣下自動(dòng)停止?jié)补?，?bào)警電路提醒用戶及時(shí)對(duì)花草采取防凍措施。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)模塊化管理，便于后期擴(kuò)展，硬件成本低，適合家庭用戶使用。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)編程；溫度傳感器；自動(dòng)澆灌；光電耦合器

0 引言
    隨著生活條件的改善，越來(lái)越多的人們?cè)诩抑蟹N植了各種花卉植物用以美化環(huán)境?；ɑ艿纳L(zhǎng)需要穩(wěn)定的環(huán)境濕度和溫度，但一般來(lái)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(lái)決定澆水量的大小，澆與不澆非常隨意，經(jīng)常會(huì)是澆得過(guò)量或者過(guò)少。目前市場(chǎng)上有一些自動(dòng)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(rùn)。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(jìn)行精確調(diào)節(jié)。當(dāng)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(fèi)用高昂、維修困難，一般應(yīng)用于苗圃、農(nóng)場(chǎng)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(fèi)用高、不適于家用的不足，本文設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)澆灌裝置，能夠利用簡(jiǎn)單設(shè)備實(shí)現(xiàn)根據(jù)實(shí)際的水份蒸發(fā)量調(diào)節(jié)澆水量。

1 總體設(shè)計(jì)
    花卉的正常生長(zhǎng)要求溫度和濕度穩(wěn)定在一個(gè)既定范圍內(nèi)，超出或者低于這個(gè)范圍將影響花卉的正常生長(zhǎng)。該系統(tǒng)采用AT89S52可編程單片機(jī)測(cè)控，實(shí)現(xiàn)花卉生長(zhǎng)環(huán)境因子信息數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、處理，輸出信號(hào)控制外圍執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)環(huán)境濕度和溫度強(qiáng)度的測(cè)控，達(dá)到節(jié)水節(jié)能，省時(shí)省工的效果。軟件開(kāi)發(fā)用C語(yǔ)言，采用模塊式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)功能易于擴(kuò)展。
    系統(tǒng)具體功能如下：
    (1)實(shí)現(xiàn)按需灌溉功能。按照花卉的需求開(kāi)啟和關(guān)閉灌溉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)一般的控制。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，操作方便。
    (2)通過(guò)傳感器檢測(cè)花卉生長(zhǎng)的環(huán)境溫度和土壤濕度(用蒸發(fā)器信號(hào)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(jī)來(lái)控制開(kāi)關(guān)窗戶、電磁閥和排風(fēng)扇，從而調(diào)節(jié)溫度和濕度。當(dāng)空氣溫度高于上限值時(shí)，自動(dòng)打開(kāi)排風(fēng)扇進(jìn)行自然降溫，達(dá)到要求值時(shí)則自動(dòng)關(guān)閉。溫度過(guò)低時(shí)發(fā)出警報(bào)，提醒用戶及時(shí)采取防凍措施。
    系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

    本自動(dòng)澆灌系統(tǒng)是基于AT89S52單片機(jī)進(jìn)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(shí)現(xiàn)花草的自動(dòng)澆灌，具有精確、穩(wěn)定、成本低的優(yōu)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)自動(dòng)控制部分由AT89S52單片機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)硬件電路原理框圖如圖2所示。

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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(jī)5 V電源供電可以適用同一電源)，可測(cè)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(jìn)行信息交互，即只需占用單片機(jī)的一個(gè)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(yáng)數(shù)碼管顯示環(huán)境溫度，使用2個(gè)8550三極管通過(guò)單片機(jī)I／O P2．2和P2．3進(jìn)行數(shù)碼管位選。單片機(jī)上電后，P2．2和P2．3為高電平，當(dāng)P2．2和P2．3變?yōu)榈碗娖?編程進(jìn)行控制)時(shí)，數(shù)碼管選通，單片機(jī)P3口從溫度傳感器DS18B20的寄存器中讀取當(dāng)前溫度的信息，P3口將數(shù)據(jù)信息送到數(shù)碼管，進(jìn)行顯示。
    這樣可以很直觀地告訴用戶當(dāng)前環(huán)境的溫度，同時(shí)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(fēng)扇電路
    電磁閥和排風(fēng)扇電路原理基本相同，當(dāng)檢測(cè)到單片機(jī)相應(yīng)的I／O口輸出低電平時(shí)(由于單片機(jī)上電時(shí)I／O口都是高電平，所以采用低電平為有效信號(hào))，通過(guò)三極管使驅(qū)動(dòng)電路導(dǎo)通，從而驅(qū)動(dòng)電磁閥或者排風(fēng)扇工作。當(dāng)單片機(jī)I／O口恢復(fù)高電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路斷開(kāi)，從而使電磁閥或者排風(fēng)扇停止工作。
    I／O口的高低電平變化，通過(guò)采集傳感器的信息，通過(guò)單片機(jī)編程進(jìn)行控制。更具體說(shuō)明會(huì)在軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中進(jìn)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(dāng)單片機(jī)P2．4給出高電平，復(fù)合管導(dǎo)通，繼電器接通，將開(kāi)關(guān)吸合，電磁閥接通開(kāi)始放水。電磁閥控制電路如圖5所示。

    本電路通過(guò)單片機(jī)的P2．6口控制電磁閥通斷，當(dāng)P2．6為低電平時(shí)，通過(guò)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(shí)電流較大，采用8050和TIP41兩個(gè)NPN三極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。此時(shí)電磁閥正常工作，給花草進(jìn)行澆灌。當(dāng)P2．6口變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，光電耦合器3，4腳之間斷開(kāi)，電磁閥停止工作，不再灌水。[!--empirenews.page--]
2．3 報(bào)警電路
    報(bào)警電路原理圖如圖6所示。

    報(bào)警電路的蜂嗚器采用單片機(jī)的P2．5口進(jìn)行控制，當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，P2．5口變?yōu)榈碗娖剑谷龢O管8050導(dǎo)通，從而使蜂鳴器工作，同時(shí)由P2．0控制的LED燈“R”(Red)會(huì)不停的閃爍，提醒用戶及采取措施防止花草受凍。當(dāng)環(huán)境溫度恢復(fù)正常時(shí)，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(jì)
    本系統(tǒng)選用適時(shí)性強(qiáng)與透明度高的C語(yǔ)言作為編程語(yǔ)言，系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)全部采用Keil μVision 3進(jìn)行。系統(tǒng)程序的開(kāi)發(fā)，采用了流行的模塊化設(shè)計(jì)方法。在程序設(shè)計(jì)中，可根據(jù)系統(tǒng)功能，將整個(gè)軟件系統(tǒng)劃分為若干個(gè)功能相對(duì)獨(dú)立易于解決的模塊，每個(gè)模塊是一個(gè)結(jié)構(gòu)完整，相對(duì)獨(dú)立的程序段，能完成某一規(guī)定的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)某個(gè)具體的功能。
    系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，主要由如下程序模塊組成：DS18B20溫度采集、排風(fēng)扇控制、電磁閥控制、警報(bào)電路控制等。整個(gè)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(duì)環(huán)境溫度、蒸發(fā)器信號(hào)進(jìn)行判斷，當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)高時(shí)，系統(tǒng)將打開(kāi)排風(fēng)扇進(jìn)行散熱，當(dāng)環(huán)境溫度恢復(fù)適當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)將關(guān)閉排風(fēng)扇，當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)低時(shí)，會(huì)發(fā)生警報(bào)，提醒用戶采取防凍措施保護(hù)花草。當(dāng)蒸發(fā)器輸出低電平時(shí)(即花草的土壤濕度過(guò)低)，電磁閥打開(kāi)，進(jìn)行灌溉加濕。
    通過(guò)上述主體流程控制，即可以達(dá)到有效的控制，使得室內(nèi)環(huán)境對(duì)花卉植物的生長(zhǎng)基本處于最佳的狀態(tài)。

4 結(jié)語(yǔ)
    基于AT89S52單片機(jī)為核心的控制電路、傳感器電路和執(zhí)行器件及機(jī)構(gòu)組成，硬件電路簡(jiǎn)單，不需要A／D轉(zhuǎn)換器件，同時(shí)考慮溫度、濕度等多因子的自動(dòng)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(jì)，元件選用成本較低的器件，電路穩(wěn)定，抗干擾力強(qiáng)，性價(jià)比較高。軟件開(kāi)發(fā)用C語(yǔ)言，采用模塊式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)功能易于擴(kuò)展。
    本系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)取得國(guó)家專(zhuān)利(專(zhuān)利號(hào)：200820028410．7)，硬件系統(tǒng)經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)調(diào)試，系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以滿足預(yù)期功能要求，經(jīng)小批量試點(diǎn)投放使用6個(gè)月，系統(tǒng)表現(xiàn)穩(wěn)定。