基于单片机的花卉智能浇灌装置设计

张涛 李自成 官永琪 陈洪希 王文涛 程超

摘要：为了解决现代快节奏生活人们没时间照料花草，最终导致花草长期缺水、暴晒致死等问题，本文设计了一种基于单片机AT89C51的智能灌溉装置。采用BH1750光强度传感器和DHT11温湿度传感器检测绿植所处环境土壤温度、土壤湿度、光照强度。将所采集的信号处理后传送给单片机，单片机将处理后的信号输出，经反向型功率放大芯片ULN2803芯片放大后，驱动步进电机的运行，控制实现浇水、遮阳等功能。电路结构采用模块化设计，利用EDA软件Proteus建立了电路模型，配合兼容单片机C语言开发系统的Keil软件进行了模拟仿真。仿真结果验证了设计思路的可行性，能够实现装置智能控制浇灌的目的。

关键词：AT89C51;传感器;智能控制;信号采集;驱动

0 引言

作为净化室内空气，休闲娱乐的一种载体，越来越多的绿植爱好者将绿植花卉引入室内或阳台。但是存在上班族平时时间比较紧张、一些老人行动不便，根本无暇照料种植的花卉植物问题。本文设计了利用温湿度、光照强度传感器采集信息，用单片机控制驱动器，实现浇水、遮阳的智能灌溉装置。

1工作原理及系统框架设计

植物浇灌并不是任何时候都可以，温度太高和光照强度太强情况都不适合浇水。本文设计的浇灌装置，利用两个传感器，来采集环境的光照强度、土壤温度、土壤湿度信息，将所采集的模拟信号，经A/D转换模块处理成数字信号传给单片机，单片机将信号与预设定的温度、湿度、光照强度值相比较。如果湿度适宜，温度过高和光照强度太高，单片机则控制遮阳板电机工作，驱动遮阳板对植物进行遮阳处理，电机控制的水泵不工作。如果湿度低于预设值，温度和光照强度都在适宜范围内，单片机则控制水泵电机工作，进行灌溉。湿度低于预设值，温度和光照强度都不适宜，水泵电机不工作。温度、湿度、光照强度信息共同来决定装置浇水、控光功能，实现智能控制。

2系统硬件电路设计

2.1时钟电路和复位电路

单片机时钟电路是由外部晶振来实现振荡的电路，为单片机提供运行时间，由两个电容和一个晶振组成。晶振来决定单片机的运行速度，在本文中选用12MHz晶振。复位电路就是在复位引脚产生复位信号，使单片机程序从头开始执行，保证单片机程序不会出现跑飞和死机情况，本文采用高电平复位电路。

2.2光照强度传感电路

植物不能长时间暴晒在阳光之下，容易晒伤植物，植物一般喜阳强度在5klx左右，根据植物自己的喜光程度进行适当调节。利用8位、单通道、价格便宜的A/D转换器ADC0804芯片，将采集到的光照强度模拟信号转换为单片机能识别的数字信号，单片机将采集的信号，与处理后的温湿度传感器采集的信息相比较，再判断是否发出浇水遮阳指令。

2.3温湿度传感电路

在该设计中选用已经校准数字信后输出的DHT11温度湿度相结合的传感器，该传感器主要由电阻型感湿元件和NTC测温元件组成。它可以直接与AT89C51单片机相连，不需要用外设A/D转换模块处理检测的信号，使用方便。温度量程在0-50，误差范围±2。根据实际需要，在本设计中设置土壤温度上限设置为35，下限设置为28，最理想温度30。土壤湿度在60%-80%左右，根据不同的植物耐湿性自由调节，一般在75%最佳。当温度值超过或低于设置的值时，单片机控制的水泵电机不工作，防止冻伤和烧伤植物。等待温度、光照强度在适宜范围内，缺水时水泵电机才驱动进行浇水。温度、湿度当超过设定的值时，继电器控制的相应LED报警灯会亮，装置不会进行浇水动作。

2.4驱动电路

在本装置设计中，驱动电机功能需要能实现正反转，并且转动角度可控，按照设定的数值进行转动。单片机输出的电流很小，无法直接驱动步进电机，所以在电路设计中加入了反向型功率放大芯片ULN2803，芯片将单片机输出的电流放大后驱动步进电机。

3系统软件设计

设计的装置工作必须要按照一定的顺序进行，浇水动作指令的第一步先判断环境光照强度情况。光照是能量的来源，如果光照强度太高，辐射的能量会引起花盆土壤温度升高，光照强度太低，会导致土壤温度过低。在这两种情况下，都是不适宜进行下一步温湿度信息采集指令的。单片机会发出相关指令，控制遮阳板工作。当光照强度为0时，整个装置处于待机不工作状态。光照强度在适宜范围内并将温度控制在适宜的范围内，再进行土壤濕度监测，进一步再控制水泵的工作。这样才能保证装置在植物土壤湿度低于预期的时候，且土壤温度、环境光照强度适宜时进行浇水，保护植物生长环境物理状态在最佳。

编程软件用微控制器软件开发工具Keil，因其拥有丰富的库函数和非常强大的集成开发调试工具，在中国的软硬件领域利用率高达80%。装置设计的功能要实现，重点在于程序的编写，Keil μVision 4软件编程使用的流程为新建Project →选择单片机型号AT89C51→新建后缀名*.C程序文本→将源文件加入到工程→在源文件输入框中写入程序→编译程序→输出.hex文件。用Proteus仿真时，双击单片机，将hex文件加载到单片机即可进行仿真。程序编写的重点在于温度、湿度、光照强度数字信息相比较的程序编写，会多次用到if函数和for循环函数的嵌套。用到延时函数程序中会多次用到。

4结论

本文设计了一种智能控制灌溉保护植物装置，利用传感器来获得环境信息参数，单片机将信息经过接收、判断、处理，进而控制水泵电机和遮阳板电机工作。使电机在土壤温度、湿度、环境光照强度共同监测下进行智能运行，确保浇灌装置在最理想的状态下进行灌溉遮阳作业。保证装置在植物处于最佳状态下进行浇水动作，即减少了人们的工作量，又保证植物不受损伤。设计的系统装置能完成信息采集功能、数据处理功能、控制驱动功能，达到了设计的基本要求。

参考文献

[1]胡菁芸，刘月，鲍震杰，等.基于单片机的智能路灯系统设计与仿真[J].太原学院学报（自然科学版），2021，39（2）：48- 55.

[2]许龙，陈辉，陈露强，等.基于单片机的光照强度及温湿度采集系统[J].电脑知识与技术，2021，17（14）：224-227.1