基于STC89C52单片机的自动灌溉系统设计

江南大学物联网工程学院 夏子浦 徐颖秦 倪 荣 孙丝韬 沈锦程 张 欣

基于STC89C52单片机的自动灌溉系统设计

江南大学物联网工程学院 夏子浦 徐颖秦 倪 荣 孙丝韬 沈锦程 张 欣

基于STC89C52（以下简称C52）单片机设计了一套自动灌溉系统。该系统由C52型单片机及控制电路、温湿度传感器、数据采集电路、AD转换电路、继电器、蜂鸣器驱动电路、LCD显示电路、按键电路等模块构成。其中以C52单片机为控制核心，通过软件编程和温湿度传感器实现了对环境温湿度数据采集，LCD1602液晶进行实时显示及实时报警等功能。最后通过仿真验证，系统运行稳定，能够实现预期功能。

自动灌溉；单片机；温湿度传感器

1.引言

灌溉系统自动化程度代表着农业现代化的发展水平。基于单片机控制的灌溉系统可对不同土壤温湿度进行自动监控，并按照作物对土壤要求进行适时喷灌。其核心部分是由单片机控制，通过软件编程实现温湿度传感器对环境温湿度数据采集，再由LCD1602液晶进行实时显示，继电器驱动电磁阀打开水管路完成自动喷灌。该系统可以同时实现自动和手动两种喷灌方式，简单灵活，易于操作，可靠性高，有一定的实用价值和发展前景[1]。

2.硬件组成及设计原理

基于单片机的自动灌溉系统硬件组成原理如图1所示。温湿度传感器电路将采集到的模拟温湿度信号通过AD转换成数字量送到C52；继电器模块驱动电磁阀开度实现自动喷灌；通过LCD模块显示当前温湿度值；通过按键模块设定温湿度初始值、系统复位和手动操作；蜂鸣器模块起报警提示作用；电源模块给各模块提供电源。C52控制电路是所有模块的控制中心，实现数据处理、显示以及继电器控制等功能。

图1 系统组成原理图

2.1 单片机主控电路

本设计选用宏晶科技STC89C52型单片机，其内部有8KB ROM以及2KB EEPROM，容量足够无须扩展。主控电路由复位电路、晶振电路、报警电路和电源开关等电路组成。单片机管脚功能如图2所示，P0-P3口与后续的模块相连以实现各种功能。

图2 单片机主控电路

2.2 AD转换电路

AD转换电路实现模拟量到数字量的转换功能。本设计采用以ADC0804芯片为核心的AD转换模块。Vin(+)接湿度传感器输出的模拟电压，Vin(-)接地，因此Vin(+)端的电压即为ADC0804的模拟输入电压。图中电阻起限流保护作用，由于Vin可在0-VCC之间变化，故ADC0804数字输出值在0x00-0xFF范围内。

图3 AD转换电路

2.3 温湿度传感器电路

湿度传感器电路实现土壤湿度的检测。设计中采用LM393比较电路检测土壤湿度，通过电位调节器控制相应阀值，湿度低于设定值比较器输出高电平，反之输出低电平。模拟输出AO与AD转换模块相连，获得土壤湿度精确值。本设计采用将AO端口与AD模块相连，由AO端口对数据进行采样，如图4所示。

温度传感器以DS18B20为核心构成。单片机P2.2口与DS18B20的I/O口相连，采用单总线协议将环境温度转化为数字信号，以数字码方式串行输出，简化了传感器与微处理器的接口[2]。

图4 湿度传感器电路

图5 继电器模块电路

2.4 继电器模块电路

继电器模块中的核心器件为光耦合器和继电器，如图5所示。图中光耦合器为PC817，其结构相当于把发光二极管和光敏三极管封装在一起，主要用于将控制电路与外部电源隔离，防止电磁干扰。

单片机P2.0口与光耦合器的IN端相连。当P2.0为低电平时，三极管导通继电器线圈带电，常开触点吸合电磁阀工作。在继电器驱动电路中设置二极管保护电路，用于防止继电器断电时产生很高的反向电动势，击穿驱动三极管。

2.5 液晶显示电路

本设计中，AD输出的数字量经算法处理后，采用LCD1602液晶显示器显示当前环境温湿度值，显示容量为16×2个字符。首次使用时通过旋转电位器调节显示器的对比度，调节至液晶显示出黑色小格为止。

3.系统软件结构设计

图6为自动喷灌系统主程序流程图。在程序开始时先进行模块初始化，通过按键设定湿度上、下限值，读取并显示当前湿度值。在主循环中将设定值与当前湿度值比较，根据比较结果，跳转到相应执行程序。

图6 主程序流程图

4.结论

本设计以STC89C52单片机为控制核心，通过湿度传感器对土壤湿度参数进行自动检测，将检测的结果送入AD转换电路并通过液晶显示，输出控制信号，对现场土壤湿度进行实时控制和自动喷灌，能在湿度异常情况下实现、报警，并具有手动和自动两种操作功能。该系统的主要特点是适用性强，可对作物进行适时、适量灌水，系统成本低廉，操作简单，可扩展性强，只要稍加改变，即可增加其他使用功能。

[1]宁玉伟,李明刚,何玉静等．基于单片机控制的定量灌溉系统的设计[J]． 河南农业大学学报, 2010, 44: 311-313．

[2]郭天祥． 51单片机C语言教程-入门提高开发拓展全攻略[M]．北京: 电子工业出版社, 2015． 147-156．

徐颖秦，高级工程师。

2016年江南大学大学生创新训练计划项目。