基于土壤濕度檢測的智能澆花系統(tǒng)設(shè)計(jì)

□張倩昀

（西安航空學(xué)院電子工程學(xué)院 陜西 西安 710077）

基于土壤濕度檢測的智能澆花系統(tǒng)設(shè)計(jì)

□張倩昀

（西安航空學(xué)院電子工程學(xué)院 陜西 西安 710077）

為加速農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)，節(jié)約水資源，克服人工澆水作業(yè)不精確等問題，本文設(shè)計(jì)了智能澆花系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含了以下模塊：土壤濕度檢測模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)信號處理中心、顯示模塊、澆水模塊。濕度傳感器將土壤濕度值轉(zhuǎn)化為電信號，通過A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0832傳至AT89S52單片機(jī)，處理器為保持土壤穩(wěn)定的濕度值，通過澆水模塊，對土壤含水量進(jìn)行調(diào)整。本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)在protues軟件平臺下進(jìn)行仿真調(diào)試，確保系統(tǒng)正常工作。

智能澆花系統(tǒng)；AT89S52單片機(jī)；ADC0832；濕度傳感器

花卉養(yǎng)殖是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要部分，花卉貼近人們的生活。但是不同的植物生活習(xí)性不同，當(dāng)土壤較為干燥的時候可能會無法達(dá)到應(yīng)有的澆水量，有時又會過量澆水從而浪費(fèi)了大量資源，這一不足在大面積種植中更易體現(xiàn)。研究表明，地球上的淡水的比重僅僅只占所有水資源的2.5%，可供人類使用的淡水占所有水資源的0.26%[1]。我國人口眾多，除了滿足大量人口需求之外，土地灌溉也消耗著大量的水資源[2]。

國內(nèi)外均有自動澆花裝置，國外的一些澆花產(chǎn)品基于定時電路，對土壤進(jìn)行定時定量澆水[3]，這樣的做法雖然能夠保持土壤的濕潤，但是這種開環(huán)控制系統(tǒng)不能按照植物的需求澆水，不同的植物特性以及地域差異都會影響所需澆水量。國內(nèi)也有科技公司已經(jīng)推出類似商品，例如土壤檢測儀，可以精確檢測土壤濕度等信息并通過GSM網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至用戶，可惜的是該公司并沒有將檢測數(shù)據(jù)用于控制，仍需人工進(jìn)行澆水操作。于是本設(shè)計(jì)將進(jìn)一步完善檢測模塊并通過微處理器控制后續(xù)電路部分，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動控制，構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體方案

本文設(shè)計(jì)的智能澆花系統(tǒng)包含土壤濕度檢測模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、單片機(jī)信號處理中心、顯示模塊、澆水模塊共5個部分，如圖1所示。通過電位器設(shè)定預(yù)設(shè)值，改變電位器阻值進(jìn)而改變其分壓值，將此信號傳送至A/D轉(zhuǎn)換芯片。濕度傳感器將土壤濕度這一物理信號轉(zhuǎn)換為電信號傳送到A/D轉(zhuǎn)換芯片中，A/D芯片將兩組數(shù)據(jù)依次傳送至單片機(jī)。單片機(jī)控制I/O接口的高低電平，繼而控制繼電器，繼電器的開閉決定著電磁閥是否工作。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器模塊

土壤濕度傳感器由兩個分離的金屬電極構(gòu)成，電極表面有防腐蝕涂層，可以保持電極在酸性土壤中維持一定的使用時間，極板的表面積也有所加寬，提高了其靈敏度。使用時將金屬電極埋入土壤中，土壤中的鹽分、水分、溫度、有機(jī)質(zhì)含量和質(zhì)地結(jié)構(gòu)都不同程度影響著土壤電導(dǎo)率，影響電極的導(dǎo)電性能[4]，改變著傳感器的阻值，加上合適的電源則可以將土壤濕度這一物理信息轉(zhuǎn)化為電信號。保持傳感器表面完全干燥，測得此時傳感器阻值約為12.5KΩ，使傳感器完全浸泡在純凈水中，此時傳感器的阻值為7.17KΩ。原理如圖2所示。

圖2 土壤濕度傳感器原理圖

該模塊使用B10K電位器設(shè)定預(yù)設(shè)值，該電位器阻值線性變化，穩(wěn)定性好，將其分壓值直接傳如模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊。

2.3 ADC0832

ADC0832是雙通道的8位分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，采用串行通訊的方式。當(dāng)與單片機(jī)相連時只需占用單片機(jī)少許的端口就能工作。本文系統(tǒng)中，該模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片的兩個通道分別接傳感器輸出和電位器輸出，按照時鐘信號依次傳送至單片機(jī)。

2.4 AT89S52單片機(jī)控制中心

單片機(jī)是系統(tǒng)的控制中心，為了使其正常工作，需配備以相應(yīng)外圍電路即可工作，包括時鐘電路、復(fù)位電路、電源電路。AT89S52單片機(jī)是一種低功耗、高性能的CMOS微控制器，使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。

2.5 顯示模塊

為了方便用戶觀察到土壤的實(shí)時狀況，本文使用7SEG-MPX4-CA四位共陽極二極管顯示相關(guān)信息。為了保證數(shù)碼管正常發(fā)光，設(shè)計(jì)添加了相應(yīng)的驅(qū)動電路。S8050是NPN型三極管，本系統(tǒng)中三極管的發(fā)射極接+5V電源，基極接P2口，集電極接數(shù)碼管位選接口。單片機(jī)控制P2口的高低電平從而控制三極管的導(dǎo)通與截止選通驅(qū)動數(shù)碼管。

2.6 澆水模塊

澆水模塊是本系統(tǒng)的末端部分。單片機(jī)通過分析、運(yùn)算從而控制P3.7口的高低電平狀態(tài)，通過電壓比較電路的輸出繼而控制繼電器的工作狀態(tài)。

2.6.1 LM311電壓比較器。本次設(shè)計(jì)單電源供電狀態(tài)[5]。在V_OUT與VCC之間連接負(fù)載R_L，單片機(jī)輸出接LM311同相端，反相端接基準(zhǔn)電壓，基準(zhǔn)電壓來自電阻分壓。若需要進(jìn)行澆水操作，單片機(jī)輸出高電平約為5V，經(jīng)過比較器后輸出9.2V電壓。

2.6.2 繼電器模塊?？紤]到實(shí)際應(yīng)用，選用高電平觸發(fā)型繼電器。為了避免電感效應(yīng)對單片機(jī)輸出產(chǎn)生影響，在前向通道的控制信號與模擬電路的接口處增加光耦芯片817C，其原理圖如圖3。該芯片做到輸入與輸出之間的電隔離，觸發(fā)更可靠，更穩(wěn)定，將不利因素干擾降至最低。

圖3 光耦817C原理圖

2.6.3 電磁閥。考慮到本產(chǎn)品面向家用，小面積的澆水作業(yè)不需要大功率水泵工作，所以在系統(tǒng)中選用12V直流常閉氣動電磁閥，即不通電的時候關(guān)閉，通電的時候開啟。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要集中在對51單片機(jī)的編程處理。系統(tǒng)通過傳感器對物理量進(jìn)行采集準(zhǔn)備，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換，進(jìn)行單片機(jī)數(shù)據(jù)處理，通過顯示模塊，最終控制后續(xù)電路。所包含的程序應(yīng)包括主程序、延時程序、ADC0832轉(zhuǎn)換程序、顯示程序等。

4 仿真與調(diào)試

本文設(shè)計(jì)程序使用Keil進(jìn)行編輯，電路仿真在protues平臺完成。圖4分別展示了設(shè)置狀態(tài)和工作狀態(tài)下的仿真圖。隨后搭建實(shí)際電路板，經(jīng)過測試，該系統(tǒng)基本能夠滿足日常生活所需。

圖4 proteus平臺中的仿真情況

結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)以51單片機(jī)為控制中心，附以外圍電路，實(shí)現(xiàn)智能自動澆花裝置，為植物提供了一個合適的生活環(huán)境，也把人們從繁忙的澆花工作中解放出來。使用之前，需根據(jù)不同的植物設(shè)定最適合的濕度值。

本文設(shè)計(jì)智能自動澆花系統(tǒng)不局限于家庭，也可在農(nóng)業(yè)灌溉中得以運(yùn)用。在日后的拓展應(yīng)用中，只需適當(dāng)增加傳感器，就能成為多點(diǎn)采集系統(tǒng)，收集更大面積的土壤信息，與PC機(jī)共同組成的控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)在農(nóng)業(yè)作業(yè)中對環(huán)境的監(jiān)管，再配以大功率的電磁閥即可進(jìn)行大面積的澆水作業(yè)。也可在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加無線收發(fā)模塊，例如NRF24L01，該模塊基于GSM網(wǎng)絡(luò)通訊，能與用戶的實(shí)時通訊，實(shí)現(xiàn)家用電器智能化，為打造家用電器物聯(lián)網(wǎng)打下基礎(chǔ)。

[1]鞠秋立.我國水資源管理理論與實(shí)踐研究[D].吉林大學(xué),2004.

[2]趙洪武.淺析我國水資源現(xiàn)狀與問題[J].才智,2012(16):284.

[3]趙麗,張春林.基于單片機(jī)的智能澆花系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].長春大學(xué)學(xué)報,2012,22(6):650-651.

[4]朱勇,王振翀,能昌信,等.土壤電導(dǎo)率測量方法的研究與仿真[J].計(jì)算機(jī)仿真,2012,29(8):413-416.

1004-7026（2017）09-0128-02

TN98-34

A

DOI：10.16675/j.cnki.cn14-1065/f.2017.09.079

張倩昀（1988-），女，漢族，江西宜春人，碩士，西安航空學(xué)院，助教，研究方向：結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和電工電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。