CN206620638U - 基于51单片机的多点灌溉浇花系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于51单片机的多点灌溉浇花系统，本实用新型包括单片机、液晶显示器、蜂鸣器报警装置、继电器驱动装置、小水泵和三个土壤湿度传感器，三个土壤湿度传感器均与单片机的信号输入端连接，单片机的显示信号输出端与液晶显示器连接，单片机的报警信号输出端与蜂鸣器报警装置连接，单片机的控制输出端与继电器驱动装置连接，继电器驱动装置与小水泵连接。利用土壤湿度传感器对三种不同土壤的湿度进行检测；用51单片机把三个土壤湿度模拟量转换成数字量，并显示于LCD显示屏上，根据设定值判断，若需要灌水，则单片机系统会启动鸣音报警，发出灌水信号，开启小水泵进行灌水。根据土壤湿度及时灌溉浇水，具有方便、快捷和经济等特点。

Description

基于51单片机的多点灌溉浇花系统

技术领域

本实用新型涉及一种智能控制系统，尤其涉及一种基于51单片机的多点灌溉浇花系统。

背景技术

随着社会科学和生活的发展,人们的生活水平越来越高。在家里养盆花能够熏陶情趣，同时盆花能够经过光合作用吸收二氧化碳,优化室内空气,空气会格外清新,而且许多花木还可以吸收空气中的有毒有害气体,因而,盆花受到越来越多人的欢迎。但人们生活忙碌，经常外出很长时间或者忘记浇花，盆花浇水器可以实现无人浇花解决没有浇水导致花枯竭的现象[1]。近几年利用先进技术组装的新型灌溉设施达到微喷效果，主要是利用水流通过管道系统以一定速度从特制的喷头喷出，然后就会在空气中将水柱分散成细小的水滴最后着落在花草植物上，现有技术中，自动控制的设备种类繁多，功能各有千秋，本着精益求精的精神，需要进行不断的改进与创新。

实用新型内容

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于51单片机的多点灌溉浇花系统。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

本实用新型包括单片机、液晶显示器、蜂鸣器报警装置、继电器驱动装置、小水泵和三个土壤湿度传感器，三个所述土壤湿度传感器均与所述单片机的信号输入端连接，所述单片机的显示信号输出端与所述液晶显示器连接，所述单片机的报警信号输出端与所述蜂鸣器报警装置连接，所述单片机的控制输出端与所述继电器驱动装置连接，所述继电器驱动装置与所述小水泵连接。

具体的，所述单片机型号为STC12C5A60S2。所述单片机外接有AD芯片，所述AD芯片的型号为ADC0809，三个所述土壤湿度传感器通过所述AD芯片与所述单片机连接。所述液晶显示器为型号1602的LCD液晶显示器。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型是一种基于51单片机的多点灌溉浇花系统，与现有技术相比，本实用新型利用土壤湿度传感器对三种不同土壤的湿度进行检测；用51单片机把三个土壤湿度模拟量转换成数字量，并显示于LCD显示屏上，根据设定值判断，若需要灌水，则单片机系统会启动鸣音报警，发出灌水信号，开启小水泵进行灌水。该设计根据土壤湿度及时灌溉浇水，易于操作,具有方便、快捷和经济等特点。

附图说明

图1是本实用新型的系统总方框图；

图2是本实用新型的STC12C5A60S2单片机的引脚排列图；

图3是本实用新型的单片机的最小系统模块；

图4是本实用新型的土壤湿度传感器模块电路图；

图5是本实用新型的ADC0809的内部结构；

图6是本实用新型的液晶显示模块；

图7是本实用新型的继电模块；

图8是本实用新型的按键模块；

图9是本实用新型的蜂鸣器；

图10是本实用新型的系统流程图；

图11是本实用新型的数据处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图1所示：本实用新型包括单片机、液晶显示器、蜂鸣器报警装置、继电器驱动装置、小水泵和三个土壤湿度传感器，三个所述土壤湿度传感器均与所述单片机的信号输入端连接，所述单片机的显示信号输出端与所述液晶显示器连接，所述单片机的报警信号输出端与所述蜂鸣器报警装置连接，所述单片机的控制输出端与所述继电器驱动装置连接，所述继电器驱动装置与所述小水泵连接。

具体的，所述单片机型号为STC12C5A60S2。所述单片机外接有AD芯片，所述AD芯片的型号为ADC0809，三个所述土壤湿度传感器通过所述AD芯片与所述单片机连接。所述液晶显示器为型号1602的LCD液晶显示器。

系统工作原理

根据实际情况及系统技术要求,采用STC12C5A60S2微控器作为控制与数据处理的核心以构成三盆灌溉控制系统。用三个土壤湿度传感器分别对土壤湿度实现采集,所得电流信号经处理得到可用的电压信号,通过AD转换成数字信号从而进行处理[3]。系统将检测得土壤的湿度值,送到LCD显示电路显示,实现对土壤湿度的检测控制，能进行适度范围设置和显示,通过其内设程序判断,如果需要灌水,单片机会自动启动鸣音报警,然后发出信号,并且会经继电器放大驱动设备,开启小水泵去灌水。

该系统电路主要由STC12C5A60S2系统电路、湿度检测电路、显示电路、输出控制电路、报警电路等组成。软件选用C语言编程。单片机就会先把土壤湿度传感器检测到的土壤湿度模拟量通过转换成数字量，然后再会传输给控制系统检测是否该灌溉。系统总方框图如图1所示。

整个三盆植物灌溉系统的结构包括三个湿度检测模块、一个单片机模块、1602LCD显示模块、输出控制模块和报警模块等。运用三个土壤湿度传感器来更好的检测三盆盆花的土壤湿度，并逐个传送给单片机有单片机的ADC模块将土壤湿度传感器传来的模拟量转换成数字量，并且实现1602液晶显示模块能够将测得的土壤湿度以及湿度预值显示出来，根据内设程序进行判断控制报警电路，实现小水泵的控制，灌溉时显示时间及流量。单片机根据设定的程序作出判断后，来控制继电器工作，小水泵是设备的执行设备，用来控制水的流通和截止，因此可以实现电能到机械能的转换。湿度传感器的灌水信息会传达给单片机，若需要灌水,一般单片机就会启动蜂鸣器进行鸣音报警，发出灌水信号。

控制器件的选取

整个控制核心采用的是STC12C5A60S2单片机。STC12C5A60S2用的是单片机的内部ADC采集，P1口可以配置为8路ADC采集，而AT89C51单片机内部没有ADC，如果用AT89C51单片机的话，则需要外接AD芯片。STC12C5A60S2单片机的主要特点：增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051；工作电压：STC12C5A60S2系列工作电压：5.5V-3.5V(5V单片机)，工作频率范围：0～35MHz，相当于普通8051的0～420MHz；用户应用程序空间60K字节；片上集成1280字节RAM；通用I/O口，复位后为：准双向口/弱上拉，可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，强推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏；内部集成MAX810专用复位电路；外部掉电检测电路：在P4.6口有一个低压门槛比较器5V单片机为1.33V；A/D转换，10位精度ADC，共8路；工作温度范围：-40～+85℃(工业级)/0～75℃(商业级)[4]。

STC12C5A60S2内部结构及管脚排列如图2所示。

各引脚功能简单介绍如下：

VCC：供电电压；GND：接地；PSEN：外部程序存储器的选通信号；EA/VPP：当EA保持低电平时，访问外部ROM；RST：复位输入；ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节[5]。

P1口如表1所示。

表1 P1口引脚其他功能

端口引脚	端口引脚
		P1.0	ADC输入通道0；独立波特率发生器的时钟输出
P1.2	ADC输入通道2；第二串口数据接收端；PCA计数器外部脉冲输入脚
		P1.3	ADC输入通道3；第二串口数据发送端；外部信号捕获
P1.5	ADC输入通道5；SPI同步串行接口的主出从入
		P1.6	ADC输入通道6；SPI同步串行接口的注入从出

P3口如表2所示。

表2 P3口引脚其他功能

端口引脚	复用功能
		P3.0	RXD(串行输入口)
P3.1	TXD(串行输出口)
		P3.2	INT0(外部中断0)
P3.3	INT1(外部中断1)
		P3.5	T1(定时器1的外部输入)
P3.6	WR(外部数据存储器写选通)
		P3.7	RD(外部数据存储器读选通)

系统硬件设计

单片机的最小系统模块

本模块时单片机的最小系统，既晶振、复位电路、电源。外带以A08103J的直插排阻作为P0口的上拉电阻使用。如图3所示。

复位电路是进行复位操作完成单片机片内电路的初始化的操作，它可以使单片机从一种确定的状态开始运行。单片机完成复位操作是它的复位引脚(RST)出现5ms以上的高电平时。若单片机一直处于循环复位状态而违法执行程序，那么RST肯定是持续为高电平。因此要求复位后能够脱离复位状态。根据这个要求，这里采用的是电平按钮复位方式。上电后，会使电容进行充电，从而复位引脚RST会持续一段高电平的时间。当单片机在运行时要实现上电且开关复位的操作，就可以按下复位键使RST持续一段时间的高电平就行了。

土壤湿度传感器

用好质量的土壤传感器做土壤湿度的检测，一般表面用镀镍处理，也含有较高的导电性能，可以有效的避免接触土壤容易生锈的问题，增加使用的时间；此传感器调节控制相应阀值用的是电位器[6]，当湿度低于设定值时，DO输出为高电平，湿度高于设定值时，DO输出为低电平；比较器采用LM393芯片，工作稳定；工作电压3.3V-5V；设有固定螺栓孔，方便安装。如图4所示。

土壤湿度采集与显示系统以单片机STC12C5A60S2为控制核心，通过软件设计来实现具体的动作要求。土壤的湿度是由ADC0809和两个点位器进行模拟并送入单片机，通过单片机的I/O口把检测到的土壤湿度值用LCD显示出来[7]。与此同时，系统在智能浇水设置情况下，用这个湿度值和之前设定好的浇水的上下值进行对比，如果低于下限值，那么单片机会发出一个控制信号，系统就会开始浇水。如果高于上限值时，单片机就会再发出一个控制信号，那么系统就会自动地停止浇水。

土壤湿度选用YL-69传感器进行采集，传送给单片机P1.6口进行AD转换，进而得出湿度值。在系统中，YL-69湿度传感器的最核心功能是采集数据[8]。

STC12C5A60S2单片机、ADC0809、电位器、LCD显示屏、电阻等组成了土壤湿度检测与控制系统。单片机的P0.0-P0.7是D0-D7通过排RESPACK8连接的对于LCD显示屏而言，E、R/W、RS与P3.7、P3.6、P3.5连接。

土壤湿度的阀值调节是用电位器来调节；与单片机直接相连的是数字量的输出DO，高低电平是要通过单片机来检测，这样就可以检测土壤湿度；经AD转换可以得到更精确数值。

ADC0809的内部结构

ADC0809由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、8位开关树型D/A转换器、逐次逼近，是CMOS单片型逐次逼近式A/D转换器。如图5所示。

液晶显示模块

用液晶显示器当作输出器件在单片机系统中的优点：显示质量高；数字式接口；体积小、重量轻；功耗低。显示器在系统中的作用，显示三个传感器的测量的土壤湿度百分比以及浇花所用的时间和水流量。

1602LCD各引脚接口说明如表3所示。

表3 1602LCD引脚接口说明表

编号	符号	引脚说明	编号	符号	引脚说明
						1	VSS	电源地	9	D2	数据
2	VDD	电源正极	10	D3	数据
						3	VL	液晶显示偏压	11	D4	数据
4	RS	数据/命令选择	12	D5	数据
						5	R/W	读/写选择	13	D6	数据
6	E	使能信号	14	D7	数据
						7	D0	数据	15	BLA	背光源正极
8	D1	数据	16	BLK	背光源负极

1602液晶模块的内部控制器总共包含有11条控制指令。在1602液晶模块中通过指令编程来实现的有读写操作、屏幕和光标的操作。LCD液晶显示器的RS、RW、E管脚连接单片机的P2.0、P2.1、P2.2。LCD液晶显示器的D0-D7引脚和单片机的P0.0-P0.7引脚相连接。1602显示电路如图6所示。

LCD1602液晶显示屏的工作电压是4.5V到5.5V，系统中采用5V电源供电，第3个引脚是显示对比度调整输入端，可以外接10kΩ可调的电阻，用来调节显示的亮度。LCD液晶显示屏可以显示浇花时间、水流量大小以及多盆花的土壤湿度，可以实时直观的体现。

液晶显示器的液晶屏的工作电压与单片机是一样的都是+5V。Vo(3管脚)为液晶屏驱动电源。液晶屏的对比度是由这个管脚的电平来确定的，一般情况调整对比度可以用一个分压器控制Vo管脚的电压来调整。RS(4管脚)为命令/数据选择线。数据总线DB0--DB7上的信号是命令或者是显示数据一般都是由RS状态来确定的。当RS＝0时，DB0--DB7的信号视为命令数据。当RS＝1时，DB0--DB7的信号则作为液晶屏的显示数据。R/W(5管脚)为读/写控制线。从液晶屏读数据或者向液晶屏写数据是用它来控制的。当R/W＝0时，写数据。当R/W＝1时，读数据。E(6管脚)为使能端。把数据读入液晶屏是从数据总线DB0--DB7上是让该管脚来控制的。数据总线DB0--DB7的数据被读入液晶屏上的时候是该管脚上的电平变化即由1向0变化时。DB0--DB7(7--14管脚)为数据总线。单片机要是向液晶屏送入命令或数据一般都是会通过这8位数据总线，就是因为这8位数据总线是它数据交换的通道。由于单片机P0口没有自带上拉电阻，当P0口作为单独的I/O口时必须加上拉电阻。+LED、-LED(15、16管脚)为液晶屏背光供电端。这两个管脚是液晶屏背光供电端，正常工作的电流约在190mA左右。

继电模块

由于单片机是一个弱点器件，为使它能够控制小水泵的运转，为此，加入了继电模块。要让它达到继电器驱动小水泵是用单片机控制继电器然后才实现的。因为继电器和小水泵的线圈本身电感量很大，通断时电流、电压变化很大容易干扰到单片机，采取光耦隔离，小水泵和单片机单独供电，如图7所示。

电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点簧片等组成的。只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点(常开触点)吸合。当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点(常闭触点)释放。

按键模块

按键的两个端口其中的一端接单片机的I/O口，另一端接地，如果某个按键按下时则相应的I/O就会输入低电平。如图8所示。

按键模块K2、K3、K4、K5分别用于设置按键、设置加、设置减、移屏按键。

蜂鸣器报警模块

单片机不能直接驱动蜂鸣器，因为蜂鸣器的电流较大，而单片机引脚的输出电流达不到要求，而且当电流过大时对单片机的I/O有损伤。通常会用到一个三极管驱动，通过三极管将电流放大因而才会达到有效的驱动蜂鸣器。那么下面就是单片机与蜂鸣器的接线图如图9所示。

系统工作流程如图10。

系统主要有土壤湿度检测、LCD液晶的显示、继电器控制和功能按键等部分组成，首先是对各个部分的初始化，然后系统对湿度进行实时的采集，并将其送到单片机中进行数据转换并放到相应的存储单元，并调用显示子程序使液晶1602显示、再来判断湿度是否达到预设值，如果达到就不用灌水，如果低于预设值，则蜂鸣器鸣响报警，并启动小水泵进行灌水。

A/D转换初始化、液晶初始化显示、定时器中断系统初始化是包含在初始化程序中。湿度采集电路中，湿度传感器YL69一般会选择模拟信号输出口与单片机的A/D转换口P1.6进行连接。在传输过程中需要单片机先向湿度的输入口发送低电平的信号作为数据接受的起始信号，发送的低电平信号必须得维持到一定长的时间来保证要让土壤湿度模块能够检测到系统发出来的起始信号。接收到单片机数据接收的开始信号后，并等这个低电平信号结束，然后发送低电平响应信号。

在这个子函数当中，其中调用了读取函数，传送函数的实际是设置了系统的正确的采集频率。

在这个程序当中，一个重要的任务是完整的准确无误的将采集到的数据输送到单片机中进行数据处理，这就需要严格的按照湿度传感器数据传送的方式进行数据采集，正确的安排每一采集步骤的时间，以免使系统产生误判。

数据处理流程如图11所示。

数据处理主要是把湿度采集的程序采集到的数据进行进一步的判断和转变。在这个程序当中，将湿度传感器传送过来的数值进一步的处理，将其转变为10进制数值，作为液晶的显示数据。再通过用算数平均值的滤波方法对数据做更进一步的处理。因而软件滤波发挥着很重要的作用在嵌入式的数据采集和处理时。

显示子程序

本设计系统采用LCD液晶显示进行动态的显示所采集到的土壤的湿度值、阈值、浇水时间以及流量。流程图如图10。显示初始化，在这一步进行初始化及设置显示模式等操作，包括设置显示方式、延时、清理显示缓存、设置显示模式。一般是先设置一定的显示模式在液晶模块的初始化中，在液晶模块显示字符时光标是不会有人为影响作用，它是自己向右进行移动的。先要看一下液晶模块是不是在忙的状态中，这是在每次输入指令前必须做的。要先看看是不是模块的忙标志为低电平，如果是则表示不忙，不然这个指令是没有效果的，这是在执行每一条指令之前一定做的，因为液晶显示模块是一个慢显示器件。明确模块在哪个位置显示字符，就是要先输入显示字符地址在显示字符时。存储了160个不同的点阵字符图形在1602液晶模块内部的字符发生存储器(CGROM)中，显示时模块将会把地址中的点阵字符的图形在其中显示出来，因为每一个字符都是会有有一个固定的代码。

系统的调试

对于该电路的制作设计，使用的绘图工具为PROTEL99SE。电路原理图设计模块原理图编辑器，实物制作模块根据原理图进行实物的焊接。

硬件调试

通电前测量：首先在没有连接电源的时候，电路板上电源VCC和GND用万用表通断档测量看会不会短路，如果短路排除故障，还需要继续测量。在没有连接电源的时候，一定要好好清除电路板上的所有的杂物即容易造成短路的杂物，并且清理电路板下面桌子上的杂物，一定不能将焊接好的电路板放到导体上面，避免形成短路。按键和显示电路就是之前在工作时制作完成的与单片机最小系统电路的并行总线对接，按键和显示电路的控制程序用KEIL C51为其编写。把写完的程序下载到单片机中让它完成工作。看程序设计意图是不是跟按键和显示电路的现象相同，如果现象不是一样的，写下来认真检查检查寻找错误的原因，然后修改一下程序或电路。

结论

三盆盆栽自动浇水设备，也就是此次的多点灌溉设计设备，采取的参考是电子类自动浇水设备的工作原理，土壤湿度检测和操作系统是用单片机的控制技术和湿度采集线路构成的为了智能控制系统及时的浇水采用数码电路控制操控。盆栽的智能浇水设备由好几个部分构成，包括计数器的调控和显示以及土壤湿度的收集和显示ADC08009和两个电位器搭配作为土壤湿度收集和显示的传感电路AT89C51单片机作为检测湿度结果的接收器，然后是让LCD液晶显示屏显示单片机的I/O口输出。盆花浇水的参考值也是要根据这个时候的湿度值来确定的。三个花盆的土壤湿度值，范围以及状态：第一个土壤湿度的值，小于设定湿度值下限时，就会报警；第一个土壤湿度的值，一般小于设定时湿度值的下限时，继电器吸合，小水泵浇水；第一个土壤湿度的值，大于设定时湿度值的下限时，继电器弹开，关闭小水泵浇水；第一个土壤湿度的值，小于设定湿度值下限时，传感器就会发出信号报警。如果第一个开始浇水，计算浇水时间，以及浇水流量，第二次浇水来临，自动清零，其它两个土壤湿度监测，如果不在设定的范围内报警，液晶显示是哪个花盆不在范围，哪个就会报警。

此次的毕业设计，让我对于许多元器件的具体功能和属性有了更深层次的了解，而我也实际意义上的接触了系统的控制，即使不是太复杂的系统，但也对我的设计能力有了较大的提升，比方说系统的应用、经济等特性和组装所需条件。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征及本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (4)

1.一种基于51单片机的多点灌溉浇花系统，其特征在于：包括单片机、液晶显示器、蜂鸣器报警装置、继电器驱动装置、小水泵和三个土壤湿度传感器，三个所述土壤湿度传感器均与所述单片机的信号输入端连接，所述单片机的显示信号输出端与所述液晶显示器连接，所述单片机的报警信号输出端与所述蜂鸣器报警装置连接，所述单片机的控制输出端与所述继电器驱动装置连接，所述继电器驱动装置与所述小水泵连接。

2.根据权利要求1所述的基于51单片机的多点灌溉浇花系统，其特征在于：所述单片机型号为STC12C5A60S2。

3.根据权利要求1所述的基于51单片机的多点灌溉浇花系统，其特征在于：所述单片机外接有AD芯片，所述AD芯片的型号为ADC0809，三个所述土壤湿度传感器通过所述AD芯片与所述单片机连接。

4.根据权利要求1所述的基于51单片机的多点灌溉浇花系统，其特征在于：所述液晶显示器为型号1602的LCD液晶显示器。