基于单片机的智能浇水花架设计与实践
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摘 要：为了方便居家花卉养殖，文章设计了一款智能浇水花架，能根据土壤的干湿程度和植物的需水程度智能浇水。在土壤内放置的湿度传感器感会将采集到的土壤湿度值送入MSP430单片机，当土壤湿度低于理想湿度，水阀打开，实现智能灌浇。水箱里放置水位传感器，当水位低于设定值时，声光报警装置启动。
关键词：智能;自动浇灌;传感器
随着社会的进步，人们的生活质量越来越高。在家里养盆栽可以陶冶情操、丰富生活，同时，花木可以通过光合作用吸收二氧化碳、净化室内空气、吸收空气中的有害气体，因此，养盆栽如今被许多人所喜爱。
盆栽浇水量是否能做到适时适量，是养花成败的关键，花草生长问题80%以上是由花卉浇灌不合理引起的。但是在生活中人们总是会有无暇顾及的时候，比如工作太忙，或者出差、旅游等，精心种植了几个月的花草，很可能会因为浇水不及时、长势不好，导致用来美化环境的花草几乎成了“鸡肋”。因此，本文设计了一种集盆栽土壤湿度检测和自动浇水为一体的盆栽自动浇花系统，让人们在无暇顾及时花草也能得到及时浇灌。
1 智能浇水花架的原理
本设计的智能浇水花架原理是：通过对土壤干湿程度和根部的需水程度进行智能感应，自动按需浇水。在土壤内放入干湿传感器采集土壤的湿度，将采集到的数据与设置的理想湿度进行对比，若低于理想湿度，则控制水阀开启，开启时间长度为设定的时间值。将水箱放置在花架顶端，与花架上的花盆有一个高度差，所以只要水阀开启，水箱中的水就能沿着水管流入到花盆中，实现了自动灌浇。在水箱中也会放一个水位传感器，在水箱水位過低时，发出报警信号，如图1所示。
2 智能浇水花架的硬件模块设计
2.1 湿度传感器模块
土壤湿度的检测选用DHT11湿度传感器，在被单片机驱动时，进行以下的步骤：首先，单片机向湿度传感器发出开始信号，要先设置成低电平并维持18 ms以上，以便湿度传感器能够感应到，如果DHT11能够检测到开始信号，就会回应一个80 ms的低电平信号作为响应信号，此时湿度传感器开始传送数据[1]。当湿度传感器检测到湿度低于设置的理想湿度，阀门就会自动打开，对该盆栽进行浇灌。
2.2 显示模块设计
本次设计选用的是LCD1602显示器，在3.3 V或5 V工作电压下，对比度可调;内含复位电路;提供各种控制命令，如清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能;有80字节显示数据存储器DDRAM;内建有192个5×7点阵的字型的字符发生器CGROM;8个可由用户自定义的5×7的字符发生器CGRAM[2]。显示器上会以百分数的形式显示湿度传感器检测到的湿度，以便进行人工监控[3]。
2.3 主控制模块设计
本设计的主控模块采用MSP430F149，MSP430类型的芯片是美国TI公司在1996年开发的具备精简指令集的16位总线、带Flash的处理器[4]，由于其具有超低功耗的优点，多被使用于小型的、便于携带的仪器仪表中，使用电池便能够供电[5]。
复位电路采用RC复位电路，实际就是一个一介的充电、放电电路。当闭合开关时，电源为电容器C1充电，为电路提供一个有效的上升沿复位信号，直到电容被充满;当开关打开时，电容又重新放电，为电路提供一个下降沿信号，撤销复位信号。在现实使用过程中，其电容器通常使用10 uF以上，而电阻经常为10 kΩ大小。在系统调试中表明，倘若电阻取值太小，会造成高电平信号驱动能力变弱，不能够形成非常有效果的复位信号。
2.4 水箱水位声光报警模块
为了确保水箱中水量的充足，本文设计了智能水位报警系统，该水位报警系统由MSP430单片机、水位传感器、扬声器和发光二极管组成。在水箱中放置水位传感器，当水箱中水位过低时，水位传感器会发送一个信号给单片机，单片机会立刻给扬声器，发光二极管一个高电平，则扬声器会响，同时发光二极管会亮起。
3 仿真实验
本次仿真用可调电阻RV1，RV2模拟湿度感应器，二极管D1，D2模拟阀门。通过调节可调电阻RV1，RV2的电阻值来改变电压，以此模拟湿度传感器在不同湿度下的输出电压，如图2所示。电压信号输入到单片机，经过其内部的A/D模块处理变成数字信号，在显示器显示并做出判断，当电压低于设定的值时，即土壤湿度低于设定的最低湿度，二极管D1，D2发光，表示阀门打开，水从水箱流出，开始灌溉;当电压达到设定的最大电压时，二极管D1，D2不亮，意为阀门关闭，水流被阻隔停止灌溉。以可调电阻RV3模拟水位传感器，当检测到水箱水位过低时，二极管D3亮并且扬声器LS1发出声音。
4 结语
本次设计的自动浇水花架是以电子类的自动浇花器的工作原理作为参考，运用湿度传感器及单片机控制技术构成一个土壤湿度采集与控制系统。湿度传感器将采集到的湿度值送入MSP430单片机，再由单片机的I/O口输出到LCD1602液晶显示屏进行显示。单片机再对湿度传感器采集到的湿度值进行判断处理，实现自动浇水。水位报警系统，是由水位传感器进行采集水箱中水位的高度值，将采集到的数据送入单片机，再由单片机对水位传感器采集到的高度值进行判断处理，实现自动报警。
[参考文献]
[1]梅荣.基于单片机的温湿度检测与控制系统研究[J].农化机研究，2012（1）：132-134.
[2]郭晓科.“智能化”电子产品中单片机技术的应用[J].通信电源术，2018（1）：177-178.
[3]蒋建方.智能化电子产品中单片机技术的应用[J].现代信息科技，2018（8）：45-46，49.
[4]胡大可.MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2000.
[5]沈建华.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.
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