一种智能家庭盆栽植物浇灌系统的设计

邹林阳 罗玉兰

湖南工学院 湖南衡阳 421200

由于互联网技术的高速发展，智能家居的推广已经势不可当。伴随着人们生活水平的不断提高，在家中阳台种植观赏型植物已经成为追求高雅的生活方式，既可以陶冶情操、丰富生活，又可以美化环境、净化空气。为植物浇灌是一件长期而烦琐的工作，对于有些名贵的植物，按需浇灌非常重要，否则会影响植物的正常生长甚至引起植物的死亡。传统的浇灌方式是人为地根据经验手动浇灌，不仅无法准确控制浇灌时机，也无法控制浇灌量。在快节奏的生活中，当人们长时间出差或者外出旅游的时候，植物的浇灌就成了问题。因此，一种可以自动控制的智能浇灌系统对于喜爱植物的人们来说就显得十分重要。

本设计主要针对经常出差或外出旅游的人们设计的一套以单片机为控制核心,能够根据土壤温湿度变化实现对植物进行自动微喷浇灌的系统。整个系统由单片机、温度传感器、湿度传感器、继电器、水泵、风扇、微喷头、蜂鸣器、电源、按键、液晶显示屏等主要部分组成。传感器采集土壤温湿度信号数据,通过软件与事先设定的参数比较,并根据结果选择水泵、风扇是否启动，实现智能化浇灌。该系统具有结构简单、实用性高、价格低廉、使用方便等优点,同时兼具节约用水的功能，可广泛应用在家庭花草栽培的浇灌过程中。

1 系统整体结构

智能浇灌系统总体结构如下图1所示。系统以AT89C51单片机为主控核心，将通过DS18B20温度传感器和YL-69湿度传感器采集土壤温湿度数据模拟量信号值通过A/D转换模块转换为数字量信号值，与系统提前设定的温湿度值进行比较，如超出阙值则由主控单元发出控制指令控制三极管放大电路驱动电磁阀完成浇水动作，同时启动风扇辅助系统降温，从而实现智能化浇灌；同时蜂鸣器报警模块启动报警程序和液晶显示屏LCD上实时显示出当前温湿度值。

图1 系统总体结构

2 系统硬件设计

系统硬件设计包括硬件的选型及硬件电路的设计。系统硬件主要包括主控单片机最小系统模块、温湿度传感器检测模块、继电器执行模块、按键输入模块、报警模块、显示模块、电源模块等。检测模块选择湿度传感器YL-69、温度传感器DS18B20来实现土壤温湿度实时数据采集，主控模块选择单片机最小系统来实现控制，显示模块选用LCD1602显示屏，执行器采用电磁继电器来控制水泵和风扇的开关，电源模块采用5V开关电源供电，按键部分设置四个独立按键来控制温湿度阈值的增减。

2.1 主控单片机最小系统模块

本设计采用AT89C51单片机最小系统作为主控模块如下图2所示。AT89C51单片机自带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器，是一种低电压，高性能COMS8位微处理器。

图2 AT89C51单片机最小系统

2.2 检测模块与转换模块

土壤温、湿度数据采集与转换电路如下图3所示。采用YL-69湿度传感器、DS18B20温度传感器、光敏电阻、ADC0832数模转换器构成系统土壤温湿度、环境光照强度检测模块和转换模块。DS18B20温度传感器的VCC端外接3.3～5V电压，GND外接地，DQ端口将输出的温度值数字量信号直接输送到单片机P3.7口，其测温分辨率高，测温范围为-55℃～+125℃，在-10℃～+85℃范围内，精度为0.5℃。YL-69湿度传感器的测量精度为5%，从其引脚AO获取直流电压模拟量信号，经过ADC0832转换为数字量信号后再送入单片机，DO引脚可用于接收数据输入。在传感器和光敏电阻上各串联一个R为10KΩ的电阻以减小测量误差。

图3 土壤温、湿度数据采集与转换电路

2.3 执行器模块

浇灌系统执行器模块体电路连接见系统硬件电路原理总图7。通过单片机的P2.0口和P2.1口分别控制电磁继电器，从而控制水泵/风扇的启停。当湿度传感器检测值相比低于单片机内部设定值时，单片机P2.0口输出为低电平，晶体管导通，继电器上电时，电磁阀通电，水泵启动；当温度传感器检测值低于单片机内部设定值，单片机P2.1口输出为高电平，晶体管导通，继电器上电时，电磁阀通电，风扇启动。同时继电器在电路中还起调节、保护等作用，系统选用5V电源作为供电模块。

2.4 按键输入电路模块和报警电路模块

按键电路模块如下图5所示。四个独立按键分别用于指定温湿度阈值，S1位复位键、S2位设置温湿度值的按键、S3温湿度值调整加键、S4温湿度值调整减键。蜂鸣器报警系统模块电路图如下图6所示。报警电路的蜂鸣器采用单片机的P1.3和P1.5口来控制，当检测湿度值低于15%，P1.5口变为低电平，使三极管8050导通，蜂鸣器工作。当检测值恢复正常时，P1.5口恢复高电平，三极管8050断开，蜂鸣器停止工作。同理，P1.3口输出高低电平控制温度超限报警。

2.5 显示模块

本设计选用可同时显示32种字符的LCD1602作为显示模块，LCD1602共有16个引脚，在系统设计中，将D0～D7引脚对应地连接到单片机的P0～P7引脚，同时给单片机P0口加一个限流上拉排阻，液晶显示器与单片机的连接如下图6所示。

图6 LCD1602显示器与单片机连接电路

整个智能浇灌控制系统硬件电路原理如下图7所示。

图7 硬件系统电路原理图

3 系统软件设计

系统软件程序设计包括土壤温湿度检测程序、温湿度数据处理程序、设置温湿度上下限的程序、显示温湿度实时数据程序、水泵浇灌控制程序、风扇降温控制程序、蜂鸣器报警程序等。系统启动后先进行初始化，然后通过按键设置温湿度的上、下限值。湿度传感器采集土壤实时湿度数据，与系统提前设定的湿度阙值进行比较，低于下限值则由单片机驱动水泵实施浇灌，同时启动蜂鸣器报警程序，高于上限值则停止浇灌。温度传感器采集土壤实时温度数据，高于温度上限值则启动风扇，低于温度下限值风扇停止。同时，采集的温湿度值通过ADC0832数模转换芯片转换为数字量同步显示在LCD屏上。系统软件设计主程序流程图如下图8所示。

图8 主程序流程图

4 系统调试及实现

根据设计的电路原理图及软件程序完成实物的制作并对系统进行调试。调试结果:环境光照强度为60，当土壤湿度、温度传感器置于空气中，检测湿度值为14%，低于设定下限15%，蜂鸣器鸣响，指示灯亮，水泵开始抽水工作启动浇水功能，同时环境温度31℃高于设定值26℃，风扇启动，如下图9所示。当将当土壤湿度传感器插入水中，湿度上升至99%，超出湿度上限值85%，水泵停止工作，指示灯灭。同时温度传感器检测到环境温度为25℃，低于温度设定下限值26℃，风扇停止工作，如图10所示。测试结果表明，本设计能实现自动浇灌功能要求。

图9 湿度小于设定值，温度高于设定值，智能浇灌系统工作

图10 湿度大于设定值，温度低于设定值，智能浇灌系统停止工作

结语

本设计实现了土壤温湿度数据采集、控制、实时显示、报警指示等功能，将单片机技术与现代传感器技术相结合应用于家庭盆栽植物自动浇灌系统。利用单片机技术进行系统设计，方便用户进行系统功能拓展和更新。所开发的系统具有成本低廉、实用性强、易实现等优点，具有较广的推广应用价值。若能将该设计进行进一步拓展，将使得设计更智能化。