基于单片机的自动浇花器设计

徐梓瑞 徐晓 彭晓旭 李金夺

摘 要：基于对家居环境的现代化改变的理解，花卉如何布置对于各家各户而言已被列为重中之重的话题，但是这类鲜活植物的生长问题却与现代的高速发展的格局有着极大的矛盾，种花容易养花难的问题越来越突出。因此本文设计了一款自动浇花设备，从而有效解决上述矛盾。该设备的核心控制器件是单片机HTC89C51系列，用以控制逻辑器件完成整个自动浇花过程。

关键词：自动浇花；HTC89C51单片机；温度控制；SHT-11传感器

中图分类号：TP273 文献标志码：A

0 引言

在21世纪，伴随着居民的生活品质的不断提高。养花养草这类陶冶情操、改善生活环境的休养方式受广大人民群众的喜爱。主要原因在于花草可以利用自身的光合作用吸收二氧化碳，释放氧气与负离子，从而可使空气变得更加清新，这在高楼林立的当代生活中显得尤为重要。在花卉养殖过程中定量定时的浇水，关系着花卉的生死。而在现实生活中年轻人因为工作繁忙总会忽略对花卉的照顾。经常会因为忘记浇水导致花卉的死亡。当然市场上存在着琳琅满目的自动浇水装置，大多较昂贵，廉价器械浇水能力不足，基于此类社会现实问题，本设计通过对各类传感器的搭建，将给水问题进行深度的优化，解决都市白领们想要体会花卉带来的享受的同时解放护理困难的问题。

自动浇花器属于微型喷泉系统的一个邻科，是现当代兴起的新型灌溉设施。主要利用引导水库里的水通过水泵工作，以一定的初速度从规定的喷头喷撒，以花洒的形式落在花草植物、作物及周围的地面上，从而达到及时补充水分的目的。自动浇花器的出现是随着人们生活水平的不断提高以及生活节奏的不断加快，出现的一类懒人花卉用品。将微喷的概念应用于家庭花卉的浇灌过程中，通过不断的修正，从而达到合理给盆花自动浇水的目的。

1 硬件设计

1.1 C51单片机

C51是本次设计的核心控制器件，并因为该器件具有结构简单，成本低廉的特点，成了本次设计的首选控制芯片。在整个过程中，主要运用了C51的中断、定时器、计数器等功能。所有的元器件的电路设计都是围绕该芯片展开的。具体芯片结构如图1所示。

C51总共有39个管脚，其32个为外部双向独立的输入/输出端口，独立两个外中断端口，3个16位的可编程定时/计数器，两个全双工串行通信口，C51通常使用常规的编辑方式进行编程处理。

1.2 SHT-11传感器

温湿度SHT-11传感器用COMSens中的传感器控制技术将该传感器与A/D转换器、数字接口、校准数据存储器、标准I2C总线等逻辑器件集成到了同一个芯片之中（结构内部原理如图2所示）。

从图2中可看出SHT-11含不同保护的“微构”检测电极体制和特质物质组成了SHT芯片的电容，保持了电容式湿温敏器件的本体特性，同时可防止其他方面的各类影响因素的生成。采用该芯片具有反应迅速、高精度、低功耗、低成本等优点。管脚图如图3所示。

GND为地线；SHT-11的供电电压为5V左右，SHT-11上电以后需等大概11ms从而脱离“休眠”模式。此时不用发送指令代码，对于电源的管脚（VDD，GND）之间可以适当地加个100μF左右的电容，起到去耦滤波作用。

DATA为双向的串行数据线；SHT-11的串行接口，在SHT-11的读取及电源损耗方面都做了优化处理。DATA三态门控制数据的读取。

SCK为串行时钟信号通信；在微处理器与SHT-11之间完成通信同步。接口存在完全静态逻辑，则不存在最小SCK频率影响。

VDD为电源端，电压为5V左右。

1.3 DS1302时钟芯片

DS1302芯片内含有一个实时时钟/日历模块和31字节的静态RAM，如图4所示。能够准确的对时间变量进行控制，从而方便这个设计中对时间变化量的需求要求。

DS1302时钟/RAM通信只需3根线： RST（复位）、I/O（数据交换）及SCLK（时钟通信）。DS1302设计为低功耗工作，保持数据和时钟信息的功耗小于1μF。从而满足所要求的持久性控制要求。

1.4 DS18B20传感器

DS18B20温度传感器的实用性很强，测量温度能力较强，对于环境温度的变化十分敏感，同时它又十分的小巧耐磨因此十分适合本次设计使用，如图5所示。

GND接地，VDD接5V电源，I/O口数据传输，同时需要在I/O和5V电源之间加一个上拉电阻。

2 电路系统设计

2.1 总体设计思路

本次设计主要分为以下几个部分：

（1）土壤湿度的监测以及植被近环境温度监测。

（2）单片机数据采集和逻辑分析。

（3）执行设定动作，启动水泵完成浇水环节。

（4）环节理性优化设计。

模块设计：本次设计主要有6个模块分别是：内部时钟控制模块、复位模块、水泵驱动模块、外部时钟模块、湿度检测模块、温度检测模块。

2.2 内部时钟控制模块

内部时钟控制模块是为了方便使用C51内部的时钟控制程序而搭建的基本模块，主要作用是做好内部延迟，如图6所示。

2.3 复位模块

复位模块是为了处理意外事故搭建的基础模块。用以对整个系统进行复位操作，如图7所示。

2.4 水泵驱动模块

水泵驱动模块中R4和D1组成一个简易的稳压电路，Q1和Q2两个三极管组成一个基本的达林顿结构，作用是提高放大倍数。从而保证单片机可以驱动水泵工作。D2为保护电路，为水泵停止时产生的感應电动势提供释放的方向，从而保护达林顿结构的正常使用，如图8所示。

2.5 外部时钟电路

外部时钟电路主要的功能，是为了保证系统24h内的整个浇水动作能够顺利进行，在DS1302中有日历功能。从而可以帮助完成对浇水动作的周期性操作，如图9所示。

2.6 湿度检测模块

湿度检测模块采用的是，湿度温度双料检测的方式，综合给出了所求的真实湿度。在这里出现温度检测的原因是在该芯片内部存在相互验证的补偿电路，作用是使输出的温度更可信，如图10所示。

2.7 温度检测模块

温度检测模块的设计是因为上述湿度检测模块中温度信息的影响作用十分明显，由于所测量的具体位置处于土壤的下方，对于外部温度的检测存在着较大的差异，因此在设计中多加了这样的一个模块检测环境温度，如图11所示。

结论

本次设计的核心在于微控制器的数据分析与控制，通过温度与湿度的反馈控制水泵的给水。在考虑各方面的优化后完成了整个设计，本次设计的特点是充分考虑能耗问题，将耗能最严重的液晶显示模块舍弃，转用即时模拟的方式完善整个过程。其次是对于SHT-11芯片进行了合理的运用，完善了整个设计的计算过程中可能出现的误差问题，极大程度上保证了设计的可行性与精确性。

参考文献

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[2]孙荣高，吕昂，微控制温室环境温湿度程序控制系统的研究与设计[J].微计算机信息，2005，21（7）：9-11.

[3]李敏，孟臣.数字式温/湿度传感器及应用技术[J].电子元器件应用，2004，6（11）：28-31.

[4]孙荣高，孙德超.数字温湿度数据记录仪的设计[J].现代电子技术，2005（7）：74-76.