基于太阳能供电的智能数字化花盆设计

路成辉等

摘 要：本系统是基于太阳能供电，综合运用了AT89C51系列单片机，土壤温度检测模块，DS18B20湿度检测模块和LCD1602液晶显示模块等实现花盆智能化管理的一套装置。系统可以对花卉生长环境实时检测和显示，并能实现对花盆的智能浇水功能。

关键词：太阳能；自动浇花；AT89C51单片机；温度检测；湿度检测

随着社会经济的发展，人们对生活质量的要求显著提高，如今很多家庭把植物当做装饰物，这些美丽的装饰物不同于普遍工艺品，它们有生命，可以美化环境和净化空气，但随着社会生活节奏的加快，大多数人没有时间去照顾花卉。而植物的生长对环境的要求很高，因此，如何使植物种植简单化是每一个养花者所关心的问题。

目前国内外对智能花盆的设计与实现，大多数只设计了应用湿度传感器进行检测，对花盆的浇灌系统利用的是虹吸原理，即利用渗透的方式浇花，虽然具有自动浇水的功能，但是不能根据植物的特征以及植物当前的生长环境进行实时浇水。本设计创新之处是利用太阳能光电池收集储存的光能转化为电能作为该智能花盆的能量来源，并与单片机技术结合起来，设计了一个不但能够动态监测花盆土壤温湿度，并根据土壤温湿度情况进行自动浇水的功能，而且可以实现太阳能自动供电并提醒种植者进行日常管理。

1 系统设计

本设计以AT89C51单片机作为控制的核心，考虑到其I/O口输出电流较小，一般不能直接驱动电机工作，必须配有驱动电路，这里采用ULN2003驱动芯片控制自动浇水的功能，通过DS18B20温度传感器模块和湿度传感器模块采集花盆的温湿度，利用AT89C51单片机内部集成的AD转换模块对湿度感测器采集到的模拟信号进行数字转换和数据处理。控制器通过温湿度传感器实时监测花盆温湿度的变化，并在LCD1602液晶显示屏上同步显示土壤的温湿度值，并与设定的智能花盆的温湿度初始值进行比较，当测量值与初始值有较大偏差时，则相应的指示灯闪亮并发出响声提醒种植者。同时系统采用太阳能供电，利用蓄电池将太阳能电池极转换的电能储存起来，保证系统在没有太阳能时的供电运行。

2 硬件电路设计

硬件电路设计主要包括土壤湿度检测电路设计，温度检测电路设计，报警电路设计，电机驱动电路设计，太阳能充电电路设计和蓄电池放电电路设计等组成。

2.1 土壤湿度检测电路设计

土壤湿度检测电路采用土壤湿度传感器SLHT5-1。该传感器采用全量程标定，两线数字输出，可直接与单片机连接使用，具有非常高的一致性，湿度测量范围可达0～100%RH。可将探头直接埋入土壤中。

2.2 温度检测电路设计

测温检测电路（图1）利用单片机AT89C51控制DS18B20温度传感器，执行程序时，分别调节十位设置按键和个位设置按键来预设初始时刻温度值，当DS18B20的温度低于预设值时，红色二极管点亮，调节DS18B20元件上的按钮可以人为模拟实际温度的升高和下降。检测电路如图1所示。

2.3 报警电路设计

报警电路设计采用AT89C51的P2.5脚输出矩形波驱动晶体管Q1做开关用，使蜂鸣器输出矩形波，发出声音。为了实现缺水和低电压两种报警，可以通过编程实现输入两种不同频率的矩形波，发出两种不同的声音。

2.4 太阳能充电电路设计

为了提高控制器的可靠性能，延长蓄电池的工作寿命以及提高充电速度，本设计采用UC3906芯片进行充电控制，UC3906内部的逻辑电路提供了三种充电状态，并对温度进行了精确的跟充补偿，该芯片内部含有限流放大器和电压控制电路，可以控制UC3906内部的驱动电器并直接驱动串联在外部的三极管，进而调整电路的输出电压及电流，芯片内部的电压检测比较器和电流检测比较器可以实时监测蓄电池的充电状态。太阳能充电电路如图2所示。

2.5 蓄电池放电电路设计

为了保证系统的稳定性和可靠性，本设计采用双电源为系统供电，K1、K2分别连接单片机两个IO口，分别控制两种电源开关。初始状态，系统是由蓄电池供电，当连续的阴天超过两天或者蓄电池电压低时，单片机通过改变K1端电平来改变系统供电电源。当检测蓄电池电充满时，K1电平改变，系统由蓄电池供电，当单片机检测到电量低于某值时，单片机改变K2电平电源来供电。

2.6 电机驱动电路设计

控制芯片采用AT89C51单片机，考虑到其I/O口输出电流较小，一般不能直接驱动电机工作，必须配有驱动电路，这里采用ULN2003驱动芯片。单片机直接控制电机的电路原理图，如图3所示。

3 软件设计

软件设计部分以AT89C51为核心，采用keil CS2[2]软件编写C语言程序，在proteus内搭建仿真环境，软件系统主要包括系统初始化，时钟时序，端口控制等，从而实现利用单片机对外围电路的自动控制。程序流程图如图4所示。

4 结束语

实验证明，以环境温度，土壤湿度等外界环境为控制器的输入参数比单纯依靠主人观察更合理，具有实用、省心、省时等优点，还可以实现短期无人看管花盆而自动灌溉，实现太阳能的供电，使种植灵活性更大。通过数字化智能花盆的设计，将自然与科技融为一体，为忙碌生活的人们提供方便、快捷的了解植物的生长情况，轻松的拥有一个便捷的、舒适的绿色环境。

参考文献

[1]方泽鹏，黄双萍，陈仲涛.基于单片机的花盆土壤湿度控制系统设计[J].现代农业装备，2013（4）：41-45.

[2]赵丽，张春林.基于单片机的智能浇花系统设计与实现[J].长春大学报，2012，22（6）：650-651.

[3]徐文媛，庞永河.基于太阳能供电的智能雨水利用浇花装置[J].探索带，2015.

[4]贺莹，武淑娟.基于单片机的步进电机驱动[J].机械管理开发，2011（4）：197-198.

[5]左锋.太阳能LED路灯控制系统的设计[J].电路与系统，2013.

作者简介：路成辉，学生，黑龙江八一农垦大学信息技术学院，农业电气化专业。

刘超（1980-），男，讲师，研究方向：智能检测与监控。