定時自動澆花系統(tǒng)的設計研究*

陳開軍

(浙江經(jīng)濟職業(yè)技術學院，浙江 杭州 310018)

一、前言

隨著人們對生活水平的日益提高，老百姓家里養(yǎng)些花草已然成為一種生活方式。養(yǎng)花可以豐富文化生活，陶冶情操?；ㄏ汊?，促進百姓身心健康。養(yǎng)花自然每天需要澆水，尤其是夏天更是一天不能斷水，一旦人們出差遠行，則家里的花草會因為沒人照看而死亡。若家里有一個自動澆花系統(tǒng)，它能檢測土壤濕度，根據(jù)設定值，每天早晚2次給家里的花草自動澆水，便能很好地解決花草無人澆灌的麻煩。

二、系統(tǒng)總體設計

本自動澆花系統(tǒng)以單片機為基礎，利用濕度傳感器采集土壤濕度值，通過A/D轉(zhuǎn)換處理，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，根據(jù)采集的濕度值，判斷是否需要啟動電源進行澆水操作，相關數(shù)據(jù)可以在顯示器上顯示。自動澆花系統(tǒng)由單片機、電源、濕度傳感器、顯示器、定時器等硬件組成。

(一)定時器

本定時器采用立可安定時器插座，產(chǎn)品型號為AL-03，時控范圍在1分-168小時，可控時間長，待機功率小于1W。擁有16組可編程定時開關，可設定工作模式，一鍵復位，方便使用，省電綠色環(huán)保。

(二)4000系列濕度傳感器

本系統(tǒng)采用HIH-4000系列濕度傳感器，該傳感器的接近線性電壓輸出可實現(xiàn)對控制器或其他裝置的直接輸入。僅200μA的低功耗，適合用于電池供電的低功耗系統(tǒng)，適合本系統(tǒng)使用。RH傳感器是一款具備芯片集成信號調(diào)理功能的激光修整熱固性聚合物電容感應元件，有兩種引腳間距配置供選擇。該感應元件的多層結構可有效抵抗大多數(shù)應用環(huán)境中的不利因素，如潮濕、污垢、灰塵、油漬以及常見的環(huán)境化學物質(zhì)。該傳感器可以寬范圍控制土壤的濕度，通過電位器調(diào)節(jié)控制相應閥值，當濕度低于設定值時，D0輸出高電平，高于設定值時，D0輸出低電平。這一閥值控制正好滿足本系統(tǒng)的設計要求，在系統(tǒng)測試時只需要設置具體閥值即可。

(三)最小單片機系統(tǒng)

單片機最小系統(tǒng)是指用最少的元件組成的單片機，達到可以工作的系統(tǒng)。單片機最小系統(tǒng)特點：系統(tǒng)資源完全開放，配合其它模塊或自行搭建用戶電路可實現(xiàn)任意實驗功能。接口設計靈活，使用方便。板上電路簡潔實用，除最小系統(tǒng)和在線下載電路外，還有1個LED、1個按鍵、1個蜂鳴器、1片EEPROM存儲器AT24C04，單片機引腳全部可引出使用，并留有專用LED顯示接口，方便與串行靜態(tài)LED顯示板連接。

(四)電源模塊電路設計

在本設計系統(tǒng)中，除土壤濕度傳感器使用電池供電外，其他單片機、繼電器、液晶屏都需要電源供電。我們選擇的電源電壓必須滿足穩(wěn)定且低消耗的要求。本系統(tǒng)使用LM2596電源管理芯片提供穩(wěn)定直流電源。

(五)液晶顯示電路設計

本設計采用LCD1602液晶顯示模塊，該液晶顯示器畫質(zhì)高且不會閃爍。1602液晶顯示器都是數(shù)字式的，能夠顯示多種數(shù)據(jù)和符號；它和單片機系統(tǒng)的接口更加簡單可靠，操作方便。開機顯示設置：“Hello World！”，之后顯示土壤濕度閾值和當前土壤濕度值。

三、軟件流程設計

為解決自動澆花實用性問題，系統(tǒng)外置一個定時器，用于觸發(fā)系統(tǒng)電源，用戶可以根據(jù)自身需求設定每天澆水次數(shù)和澆水時間。當定時器觸發(fā)通電，系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)進行初始化設置。土壤濕度傳感器開始工作，傳感器檢測該區(qū)域土壤濕度，所測的濕度值與程序設定的低閥值進行比較，如果低于低閥值，則繼電器通電，水泵工作澆水。傳感器繼續(xù)檢測土壤濕度，檢測值與高閥值比較，若低于閥值，則水泵繼續(xù)澆水，若高于閥值，則繼電器斷電，水泵結束澆水，濕度傳感器循環(huán)檢測。傳感器連續(xù)工作時間由定時器設置，時間用完，定時器將觸發(fā)，系統(tǒng)斷電。軟件流程示意圖如下：

圖1 定時澆花系統(tǒng)軟件流程設計

四、系統(tǒng)測試

筆者通過群舉法進行測試，獲得了土壤濕度傳感器在土壤中檢測的數(shù)值分布情況。發(fā)現(xiàn)土壤濕度傳感器懸空時A0引腳輸出為1086，當將土壤濕度傳感器插到花盆的其他一位置后，A0引腳輸出值會快速下降到某一穩(wěn)定值，然后拔出土壤濕度傳感器，再將其插到其他多個干濕花盆的多個位置，這時A0引腳輸出不同的模擬值，把這些模擬值繪制到平面坐標圖上。然后根據(jù)平時養(yǎng)花土壤干濕度情況，比對模擬值，通過不斷測試，從而確定閥值。系統(tǒng)測試中設置土壤閥值數(shù)據(jù)為400到800之間，當檢測到的濕度數(shù)據(jù)低于400時，啟動電磁閥，開始澆水。當數(shù)值高于800時，停止?jié)菜?。為符合實際使用需要，手動設置了定時器，每天早晚澆水各1次。從測試結果看，系統(tǒng)符合設計要求，基本能滿足家庭自動澆花需求。

五、結束語

該系統(tǒng)所需硬件價格低廉，設計小巧，簡便節(jié)能，符合家庭澆花所需，用戶可以根據(jù)需要自行設定澆花時間，這可以為多數(shù)想養(yǎng)花但又沒有時間精力照看花草的年輕人提供一個養(yǎng)花利器。