基于單片機(jī)的智能花房設(shè)計(jì)與仿真

朱洪浪 黃 靜 曾陳萍 葉長青 向鎳鋅

（西昌學(xué)院信息技術(shù)學(xué)院 四川西昌 615000）

隨著我國經(jīng)濟(jì)飛速的發(fā)展，城市化率逐年升高，常住城市人口不斷增加，百姓生活水平和質(zhì)量也迅速提升，特別是國內(nèi)消費(fèi)能力變得越來越強(qiáng)[1]。伴隨著城市化進(jìn)程，人們對精神世界的追求也愈加強(qiáng)烈，城市人對于花卉、盆栽、花房的需求巨大[2]。

花房恰好是能陶冶情操，修身養(yǎng)性的一處佳地。雖達(dá)不到“種豆南山下”的舒適淡然，卻也有一種“結(jié)廬在人境，而無車馬囂”的寧靜在其中。而要修建一個(gè)花房卻是開頭容易，堅(jiān)持難。花房開始僅僅需要一個(gè)房間或者一個(gè)陽臺(tái)，里面種一些喜歡的花卉。然而花卉的生長過程當(dāng)中，對于光照強(qiáng)度、溫濕度的控制不能單靠人的感覺和經(jīng)驗(yàn)來調(diào)節(jié)，控制不當(dāng)輕則葉黃花枯，重則花謝根爛，特別是對一些珍貴花卉來說，這樣的損失是難以承受的[3]。

針對傳統(tǒng)花房管理僅靠人工澆水、通風(fēng)、補(bǔ)充光照等，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還容易造成水資源的浪費(fèi)，且做不到精細(xì)化、智能化的管理[4]。因此，設(shè)計(jì)一款能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆水、自動(dòng)散熱、自動(dòng)加熱、自動(dòng)補(bǔ)光的智能花房控制系統(tǒng)就顯得尤其重要。

1 方案設(shè)計(jì)

本智能花房設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，以 STC89 C52芯片為信息運(yùn)算處理核心，主要包括環(huán)境信息采集模塊、繼電器控制模塊、按鍵模塊、顯示模塊。其中，環(huán)境信息采集模塊通過溫度傳感器和濕度傳感器采集土壤溫濕度信息，光敏電阻采集環(huán)境光照強(qiáng)度，經(jīng)ADC0832 轉(zhuǎn)換后給單片機(jī)處理，并顯示在 LCD1602顯示屏上。然后單片機(jī)通過掃描與功能按鍵相連的引腳，并判斷各引腳電平以及各功能按鍵的狀態(tài)對繼電器進(jìn)行控制。繼電器控制模塊，當(dāng)按下自動(dòng)控制按鍵時(shí)，程序?qū)z測到的土壤溫濕度和環(huán)境光照強(qiáng)度與設(shè)定值進(jìn)行對比，若在設(shè)定值內(nèi)則不會(huì)進(jìn)行任何操作，若不在設(shè)定值范圍內(nèi)則會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)控操作，如圖1中的繼電器1 在光照強(qiáng)度弱的時(shí)候自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)光。在自動(dòng)控制按鍵未按下時(shí)，也可以通過手動(dòng)按鍵控制對應(yīng)的繼電器進(jìn)行調(diào)控。

圖1 整體方案設(shè)計(jì)框圖

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能花房硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括電源電路、溫度檢測電路、濕度檢測電路、光照檢測電路、按鍵及繼電器控制電路，如圖2所示。

圖2 電路原理圖

2.1 電源電路

如圖2所示，本系統(tǒng)采用5V 電壓供電，利用一個(gè)電源接口和自鎖開關(guān)控制開關(guān)狀態(tài)。470 uF 電容可以起到低頻濾波的作用，防止電源電壓波動(dòng)或者工作電流異常，從而影響其正常工作的穩(wěn)定程度。

2.2 溫度檢測電路

如圖2所示，本系統(tǒng)采用不銹鋼封裝DS18 B20 溫度傳感器采集土壤溫度信息，直接輸出數(shù)字信號，傳遞給單片機(jī)的P3.7 口。上電復(fù)位時(shí)溫度寄存器中設(shè)置的默認(rèn)值為+85 ℃。

2.3 濕度檢測電路

如圖2所示，本系統(tǒng)采用YL-69 土壤濕度傳感器串聯(lián)一個(gè)10 kΩ的電阻，連接在5V 電路上，將濕度傳感器的輸出值轉(zhuǎn)化成電壓值，輸出給ADC0832 的CH0 轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行處理。當(dāng)土壤中的濕度最小時(shí)，濕度傳感器的電阻是10 kΩ，當(dāng)土壤濕度最大時(shí)，濕度傳感器的電阻是0.1kΩ。

2.4 光照檢測電路

如圖2所示，本系統(tǒng)采用光敏電阻采集光照強(qiáng)度，其中光照強(qiáng)度強(qiáng)，光敏電阻阻值小，光照強(qiáng)度弱，光敏電阻阻值大。將其串聯(lián)一個(gè)電阻即可將電阻變化引起的電流變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷褐底兓?，將電壓輸出連接到ADC0832 的CH1，ADC0832 的DI 和DO 均連接到單片機(jī)的P1.1 口，CLK 端接到單片機(jī)的P1.0 口，為A/D 芯片提供時(shí)鐘輸入，使能端CS 接到單片機(jī)的P1.2 口，不同傳感器的模擬電壓分別由CH0 和CH1 端輸入。

2.5 按鍵及繼電器控制電路

如圖2所示，本系統(tǒng)按鍵電路是用來控制繼電器的閉合，繼電器控制自動(dòng)模式與手動(dòng)模式轉(zhuǎn)換，設(shè)置濕溫度上下限值，設(shè)置光照強(qiáng)度閾值。

當(dāng)處于手動(dòng)模式時(shí)，四個(gè)按鍵控制四個(gè)繼電器，K2 控制抽水機(jī)，K3 控制加熱片，K4 控制手動(dòng)自動(dòng)切換，K5 控制散熱，K6 控制補(bǔ)光。當(dāng)處于自動(dòng)模式時(shí)，按下設(shè)置鍵后，有三個(gè)按鍵對溫濕度上下限值及光照強(qiáng)度閾值進(jìn)行設(shè)定，K2 為設(shè)置時(shí)的減鍵，K3 為設(shè)置鍵，K4 為加鍵。按K3一次時(shí)設(shè)置濕度上限值，按K3 第二次時(shí)設(shè)置濕度下限值，按K3 第三次時(shí)設(shè)置光照強(qiáng)度值，按K3 第四次時(shí)設(shè)定溫度上限值，按K3 第五次時(shí)設(shè)定溫度下限值，按K3 第六次時(shí)回到主界面。

3 仿真及調(diào)試

3.1 智能花房仿真

智能花房整體電路仿真圖如圖3所示，實(shí)現(xiàn)仿真的步驟如下：

①在Keil 中編寫主程序和各模塊字程序代碼，導(dǎo)出HEX 文件；②將HEX 文件導(dǎo)入到Proteus 中的單片機(jī)里；③Proteus 模擬仿真和調(diào)試溫濕度設(shè)置與調(diào)控、光照強(qiáng)度設(shè)置與調(diào)節(jié)等功能，驗(yàn)證便攜式電子秤設(shè)計(jì)的有效性和可行性。

圖3 智能花房仿真測試圖

圖4 智能花房調(diào)試實(shí)物圖

3.2 智能花房調(diào)試

焊接好各模塊后，用萬用表檢查，確定無短路或者斷路時(shí)，連接電源線打開開關(guān)。先調(diào)試手動(dòng)模式，當(dāng)系統(tǒng)為手動(dòng)模式時(shí)，點(diǎn)擊各個(gè)控制繼電器的按鈕，繼電器運(yùn)作。手動(dòng)模式調(diào)試完成。打開自動(dòng)模式后，首先調(diào)試濕度控制模塊，將相對濕度上限設(shè)定為70%，下限值設(shè)定為40%，當(dāng)濕度低于這個(gè)范圍時(shí)抽水機(jī)和警報(bào)器運(yùn)作，當(dāng)濕度達(dá)到這個(gè)范圍時(shí)抽水機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)濕度高于這個(gè)范圍時(shí)蜂鳴器工作。接著調(diào)試控制光照強(qiáng)度，把光強(qiáng)設(shè)置為25 lx，當(dāng)光強(qiáng)低于25 lx 時(shí)，補(bǔ)光燈亮。接著調(diào)試控制溫度模塊，把溫度下限設(shè)定為20 ℃，上限設(shè)定為35 ℃，當(dāng)溫度低于這個(gè)范圍時(shí)，加熱片工作，當(dāng)溫度高于這個(gè)范圍時(shí)，排氣扇工作。

4 結(jié)語

本文基于STC89C52 單片機(jī)的智能花房設(shè)計(jì)提出了一個(gè)模塊化的設(shè)計(jì)方案（如圖4），該裝置主要由環(huán)境信息采集、繼電器控制、按鍵、顯示等模塊組成。主要通過單片機(jī)控制繼電器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)澆水、自動(dòng)散熱、自動(dòng)加熱、自動(dòng)補(bǔ)光功能，達(dá)到了進(jìn)行精細(xì)化、智能化花房管理目的，無需過多的人工干預(yù)。