智能盆栽浇水系统设计

安徽商贸职业技术学院信息与人工智能学院 侯秀丽 李素梅

随着生活水平不断提高，人们对居住环境及室内空气质量要求也日益上升。绿色盆栽能够净化室内空气、装点生活、陶冶情操，因此得到越来越多人们的喜爱。不少家庭或办公室都种植了许多绿色盆栽。浇水不及时或过度浇灌会导致盆栽花卉枯萎或死亡。在此背景下本文设计了一个智能盆栽浇水系统，应用土壤湿度传感器实时监测盆内土壤湿度，输出与湿度有关的电压信号，放大后通过ADC0832转换成数字信号送给STC89C51单片机，用LCD液晶显示湿度值。通过单片机程序来控制水泵工作，若盆内土壤湿度不够，蜂鸣器报警，同时驱动水泵进行浇水。该系统结构简单，成本低廉，能够对室内盆栽实现浇水的智能控制，具有一定的应用价值。

绿色盆栽能够净化空气、装点生活、陶冶情操，近些年来得到越来越多人们的喜爱。家庭或者办公室等场所都少不了绿植。这些盆栽绿植的生长趋势与存活时间受多种因素（土壤、阳光、水分、肥料等）影响，在这些因素中，浇水不当是盆栽绿植死亡的主要原因。有时人们工作繁忙或者出差旅行等无暇照料，导致好不容易种植很长时间的盆栽长势不好甚至枯死，非常可惜。尽管市面上也有一些所谓的自动浇水花盆在售，但通常是双层花盆，用来种植的内盆长期浸泡在外层储水盆里，绿植容易烂根，且不具有水量检测装置。也有一些是在自来水管上安装简易定时器，通过定时开启电磁阀来实现浇水。这两种方式都太过简单，不够灵活，智能化程度不高。本文设计了一个智能盆栽浇水系统，能根据土壤湿度传感器采集的湿度数据来决定是否给盆栽浇水，应用单片机实现浇水的智能控制。

1 系统方案设计

本文所设计的智能盆栽浇水系统，能够根据土壤湿度情况决定是否给盆栽浇水，在无人照料时，能够提供满足盆栽绿植正常生长所需水分。系统设计目标如下：

（1）能够准确检测盆栽土壤湿度，并实时显示湿度信息；

（2）可以根据不同植物种类特点，调整湿度上限与下限数值；

（3）具有两种模式，在自动模式下，当检测到的湿度低于下限数值时，进行报警，同时启动水泵进行浇水。

系统由单片机、土壤湿度检测与模数转换、显示与报警、浇水驱动及电源等部分组成，总体方案如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 STC89C51单片机

本系统控制模块采用高性能、低功耗的八位STC89C51单片机。它具有8k字节在系统可编程Flash，256字节RAM，4个8位并行I/O口，2个数据指针，3个16位定时器/计数器，2个外部中断，看门狗定时器，支持全双工串口。

图1 智能盆栽浇水系统组成框图

2.2 土壤湿度检测

土壤湿度亦称土壤含水率，是表示土壤干湿程度的物理量。土壤湿度传感器通过检测土壤中水分含量来判定土壤湿度。本文选择电阻式土壤湿度传感器FC-28，它由不锈钢探针和防水探头构成，可插入土壤内，对表层和深层进行湿度监测，长期有效。测量时，把传感器的两个探针插入土壤里，由于土壤中各种无机盐在水中会电离导电，土壤含水多少影响其导电性能强弱，土壤越湿，导电性能越强，电阻越小；反之，电阻越大，利用土壤湿度与电阻值之间的关系即可实现测量。

2.3 模数转换

由于电阻式湿度传感器送出的是模拟信号，单片机无法直接处理，因此需要选择模数转换器将其变成数字信号，本文选择了美国NI公司生产的双通道A/D转换芯片ADC0832。它采用逐次逼近原理，分辨率8位，可满足需求，价格实惠。ADC0832与单片机接口电路如图2所示。

图2 ADC0832与单片机接口

2.4 显示与报警

盆栽内土壤湿度信息通过单片机输出给字符型液晶LCD1602显示，可以通过按键调整显示湿度的上下限。LCD1602与单片机接口电路如图3所示。当湿度传感器检测到土壤中水分不足时，触发蜂鸣器报警提示。

2.5 浇水驱动电路

当湿度传感器检测到土壤中水分不足时，单片机会驱动继电器带动水泵抽水，完成对盆栽浇水。在浇水过程中，湿度传感器实时检测土壤湿度，当检测到土壤中水分足够时，水泵停止运转，不再浇水。浇水驱动电路如图4所示。

图3 1602与单片机的接口电路

图4 浇水驱动电路

3 系统软件设计

3.1 程序结构

使用C语言开发程序，为方便阅读、调试，整个系统采用模块化设计。如图5所示，主程序里包含初始化函数，接着是各种子程序，如按键扫描处理程序、土壤湿度采集程序、数据处理程序、显示程序、浇水驱动子程序等。

图5 程序结构组成图

3.2 程序执行流程

当开启系统后，即进入主函数，初始化函数变量及传感器模块，进入按键扫描函数，通过按键选择系统的工作模式。当选择自动模式时，调用土壤湿度采集函数，采集当前土壤湿度值，并通过数据处理程序对湿度值判断，当湿度值小于预设值时，通过浇水驱动模块，开启浇水功能，达到湿度预设值停止浇水。

图6 系统实物图

4 系统实物制作与调试

根据硬件电路设计准备元器件，检查核对无误后开始布板，依次焊接，完成实物制作，如图6所示。使用串口模块实现对单片机程序的下载，下载完毕后进行整机调试与故障排查。

结语：本文设计了一个智能盆栽浇水系统，详细介绍了系统硬件电路设计及程序设计流程，并完成了实物模型制作与调试。经过多次实验验证，该系统能够根据盆栽土壤不同湿度情况进行合理浇水。系统性能可靠，运行稳定，可以为无人照料的绿植提供生长所需的水分，免除主人担心绿植枯死等后顾之忧，具有一定的应用价值。