基于單片機(jī)的自動(dòng)澆花器設(shè)計(jì)

徐梓瑞 徐曉 彭曉旭 李金奪

摘 要：基于對(duì)家居環(huán)境的現(xiàn)代化改變的理解，花卉如何布置對(duì)于各家各戶而言已被列為重中之重的話題，但是這類鮮活植物的生長問題卻與現(xiàn)代的高速發(fā)展的格局有著極大的矛盾，種花容易養(yǎng)花難的問題越來越突出。因此本文設(shè)計(jì)了一款自動(dòng)澆花設(shè)備，從而有效解決上述矛盾。該設(shè)備的核心控制器件是單片機(jī)HTC89C51系列，用以控制邏輯器件完成整個(gè)自動(dòng)澆花過程。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)澆花；HTC89C51單片機(jī)；溫度控制；SHT-11傳感器

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

在21世紀(jì)，伴隨著居民的生活品質(zhì)的不斷提高。養(yǎng)花養(yǎng)草這類陶冶情操、改善生活環(huán)境的休養(yǎng)方式受廣大人民群眾的喜愛。主要原因在于花草可以利用自身的光合作用吸收二氧化碳，釋放氧氣與負(fù)離子，從而可使空氣變得更加清新，這在高樓林立的當(dāng)代生活中顯得尤為重要。在花卉養(yǎng)殖過程中定量定時(shí)的澆水，關(guān)系著花卉的生死。而在現(xiàn)實(shí)生活中年輕人因?yàn)楣ぷ鞣泵倳?huì)忽略對(duì)花卉的照顧。經(jīng)常會(huì)因?yàn)橥洕菜畬?dǎo)致花卉的死亡。當(dāng)然市場(chǎng)上存在著琳瑯滿目的自動(dòng)澆水裝置，大多較昂貴，廉價(jià)器械澆水能力不足，基于此類社會(huì)現(xiàn)實(shí)問題，本設(shè)計(jì)通過對(duì)各類傳感器的搭建，將給水問題進(jìn)行深度的優(yōu)化，解決都市白領(lǐng)們想要體會(huì)花卉帶來的享受的同時(shí)解放護(hù)理困難的問題。

自動(dòng)澆花器屬于微型噴泉系統(tǒng)的一個(gè)鄰科，是現(xiàn)當(dāng)代興起的新型灌溉設(shè)施。主要利用引導(dǎo)水庫里的水通過水泵工作，以一定的初速度從規(guī)定的噴頭噴撒，以花灑的形式落在花草植物、作物及周圍的地面上，從而達(dá)到及時(shí)補(bǔ)充水分的目的。自動(dòng)澆花器的出現(xiàn)是隨著人們生活水平的不斷提高以及生活節(jié)奏的不斷加快，出現(xiàn)的一類懶人花卉用品。將微噴的概念應(yīng)用于家庭花卉的澆灌過程中，通過不斷的修正，從而達(dá)到合理給盆花自動(dòng)澆水的目的。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 C51單片機(jī)

C51是本次設(shè)計(jì)的核心控制器件，并因?yàn)樵撈骷哂薪Y(jié)構(gòu)簡單，成本低廉的特點(diǎn)，成了本次設(shè)計(jì)的首選控制芯片。在整個(gè)過程中，主要運(yùn)用了C51的中斷、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器等功能。所有的元器件的電路設(shè)計(jì)都是圍繞該芯片展開的。具體芯片結(jié)構(gòu)如圖1所示。

C51總共有39個(gè)管腳，其32個(gè)為外部雙向獨(dú)立的輸入/輸出端口，獨(dú)立兩個(gè)外中斷端口，3個(gè)16位的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，兩個(gè)全雙工串行通信口，C51通常使用常規(guī)的編輯方式進(jìn)行編程處理。

1.2 SHT-11傳感器

溫濕度SHT-11傳感器用COMSens中的傳感器控制技術(shù)將該傳感器與A/D轉(zhuǎn)換器、數(shù)字接口、校準(zhǔn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、標(biāo)準(zhǔn)I2C總線等邏輯器件集成到了同一個(gè)芯片之中（結(jié)構(gòu)內(nèi)部原理如圖2所示）。

從圖2中可看出SHT-11含不同保護(hù)的“微構(gòu)”檢測(cè)電極體制和特質(zhì)物質(zhì)組成了SHT芯片的電容，保持了電容式濕溫敏器件的本體特性，同時(shí)可防止其他方面的各類影響因素的生成。采用該芯片具有反應(yīng)迅速、高精度、低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)。管腳圖如圖3所示。

GND為地線；SHT-11的供電電壓為5V左右，SHT-11上電以后需等大概11ms從而脫離“休眠”模式。此時(shí)不用發(fā)送指令代碼，對(duì)于電源的管腳（VDD，GND）之間可以適當(dāng)?shù)丶觽€(gè)100μF左右的電容，起到去耦濾波作用。

DATA為雙向的串行數(shù)據(jù)線；SHT-11的串行接口，在SHT-11的讀取及電源損耗方面都做了優(yōu)化處理。DATA三態(tài)門控制數(shù)據(jù)的讀取。

SCK為串行時(shí)鐘信號(hào)通信；在微處理器與SHT-11之間完成通信同步。接口存在完全靜態(tài)邏輯，則不存在最小SCK頻率影響。

VDD為電源端，電壓為5V左右。

1.3 DS1302時(shí)鐘芯片

DS1302芯片內(nèi)含有一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷模塊和31字節(jié)的靜態(tài)RAM，如圖4所示。能夠準(zhǔn)確的對(duì)時(shí)間變量進(jìn)行控制，從而方便這個(gè)設(shè)計(jì)中對(duì)時(shí)間變化量的需求要求。

DS1302時(shí)鐘/RAM通信只需3根線： RST（復(fù)位）、I/O（數(shù)據(jù)交換）及SCLK（時(shí)鐘通信）。DS1302設(shè)計(jì)為低功耗工作，保持?jǐn)?shù)據(jù)和時(shí)鐘信息的功耗小于1μF。從而滿足所要求的持久性控制要求。

1.4 DS18B20傳感器

DS18B20溫度傳感器的實(shí)用性很強(qiáng)，測(cè)量溫度能力較強(qiáng)，對(duì)于環(huán)境溫度的變化十分敏感，同時(shí)它又十分的小巧耐磨因此十分適合本次設(shè)計(jì)使用，如圖5所示。

GND接地，VDD接5V電源，I/O口數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)需要在I/O和5V電源之間加一個(gè)上拉電阻。

2 電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)思路

本次設(shè)計(jì)主要分為以下幾個(gè)部分：

（1）土壤濕度的監(jiān)測(cè)以及植被近環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)。

（2）單片機(jī)數(shù)據(jù)采集和邏輯分析。

（3）執(zhí)行設(shè)定動(dòng)作，啟動(dòng)水泵完成澆水環(huán)節(jié)。

（4）環(huán)節(jié)理性優(yōu)化設(shè)計(jì)。

模塊設(shè)計(jì)：本次設(shè)計(jì)主要有6個(gè)模塊分別是：內(nèi)部時(shí)鐘控制模塊、復(fù)位模塊、水泵驅(qū)動(dòng)模塊、外部時(shí)鐘模塊、濕度檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊。

2.2 內(nèi)部時(shí)鐘控制模塊

內(nèi)部時(shí)鐘控制模塊是為了方便使用C51內(nèi)部的時(shí)鐘控制程序而搭建的基本模塊，主要作用是做好內(nèi)部延遲，如圖6所示。

2.3 復(fù)位模塊

復(fù)位模塊是為了處理意外事故搭建的基礎(chǔ)模塊。用以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位操作，如圖7所示。

2.4 水泵驅(qū)動(dòng)模塊

水泵驅(qū)動(dòng)模塊中R4和D1組成一個(gè)簡易的穩(wěn)壓電路，Q1和Q2兩個(gè)三極管組成一個(gè)基本的達(dá)林頓結(jié)構(gòu)，作用是提高放大倍數(shù)。從而保證單片機(jī)可以驅(qū)動(dòng)水泵工作。D2為保護(hù)電路，為水泵停止時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)提供釋放的方向，從而保護(hù)達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的正常使用，如圖8所示。

2.5 外部時(shí)鐘電路

外部時(shí)鐘電路主要的功能，是為了保證系統(tǒng)24h內(nèi)的整個(gè)澆水動(dòng)作能夠順利進(jìn)行，在DS1302中有日歷功能。從而可以幫助完成對(duì)澆水動(dòng)作的周期性操作，如圖9所示。

2.6 濕度檢測(cè)模塊

濕度檢測(cè)模塊采用的是，濕度溫度雙料檢測(cè)的方式，綜合給出了所求的真實(shí)濕度。在這里出現(xiàn)溫度檢測(cè)的原因是在該芯片內(nèi)部存在相互驗(yàn)證的補(bǔ)償電路，作用是使輸出的溫度更可信，如圖10所示。

2.7 溫度檢測(cè)模塊

溫度檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)是因?yàn)樯鲜鰸穸葯z測(cè)模塊中溫度信息的影響作用十分明顯，由于所測(cè)量的具體位置處于土壤的下方，對(duì)于外部溫度的檢測(cè)存在著較大的差異，因此在設(shè)計(jì)中多加了這樣的一個(gè)模塊檢測(cè)環(huán)境溫度，如圖11所示。

結(jié)論

本次設(shè)計(jì)的核心在于微控制器的數(shù)據(jù)分析與控制，通過溫度與濕度的反饋控制水泵的給水。在考慮各方面的優(yōu)化后完成了整個(gè)設(shè)計(jì)，本次設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是充分考慮能耗問題，將耗能最嚴(yán)重的液晶顯示模塊舍棄，轉(zhuǎn)用即時(shí)模擬的方式完善整個(gè)過程。其次是對(duì)于SHT-11芯片進(jìn)行了合理的運(yùn)用，完善了整個(gè)設(shè)計(jì)的計(jì)算過程中可能出現(xiàn)的誤差問題，極大程度上保證了設(shè)計(jì)的可行性與精確性。

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