基于单片机的自动灌溉科普模型设计与制作.docx

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基于单片机的自动灌溉科普模型设计与制作

基于单片机的自动灌溉科普模型设计与制作

摘要

科普是科学技术普及的简称，设计和制作基于单片机的自动灌溉科普模型，通过科普平台向人们传播植物自动化灌溉的新技术。

在设计控制系统时结合各种元器件的性能考虑，采用STC89C51单片机、YL-69土壤湿度传感器、ADC0832转换芯片、SRS-05VDC-SL继电器、LCD1602显示屏、蜂鸣器及按键等一批元器件。

然后通过模块化的设计，分别介绍各模块的功能及控制流程，设计编辑完成系统程序，在proteus仿真软件仿真调试成功后开始实物制作并制作一个盆栽模型。

实物及盆栽模型制作完成后，在盆栽上运行自动灌溉系统，硬件进行调试成功后，把控制系统装载在盆栽模型上，完成基于单片机的自动灌溉科普模型的设计和制作。

本模型数据准确、实用性极强，值得在生活中推广这项自动化灌溉技术并进行科学普及活动。

关键词：

单片机；自动灌溉；科普模型；设计与制作

Designandmanufactureinthepopularsciencemodelofautomaticirrigationbasedonsinglechipmicrocomputer

Abstract

Thepopularscienceisshortforpopularizationofscienceandtechnology.Inthispaper,wedesignandmanufacturethepopularsciencemodelofautomaticirrigationthatbasesonsinglechipmicrocomputermodetospreadthenewtechnologyofbotanyautomationirrigationtechnologiesthroughthesciencepopularizationplatform.Inthedesignofcontrolsystem,wecombinedwiththeperformanceofthevariouscomponentstoconsideradoptingagroupofcomponentssuchastheSTC89C51microcontroller,YL-69soilhumiditysensor,ADC0832conversionchip,theSRS-5VDC-SLrelay,LCD1602display,buzzer,keysandsoon.Andthenthroughthemodulardesign,thispaperintroducesthefunctionandcontrolprocessofeachmoduleandeditssystemprogramming.Afterthesimulationdebuggingoftheproteussimulationsoftwaresucceeds,westarttomanufacturematerialobjectandmakingapottedplantmodel.Afterthecompletionofthematerialobjectandpottedplantmodelproduction,itwillrunonautomaticirrigationsysteminthepottedplant.Itisnotcompletedesignandmanufactureinthepopularsciencemodelofautomaticirrigationbasedonsinglechipmicrocomputeruntilthehardwaredebuggingsucceedsandthecontrolsystemloadsonthepottedplantmodel.Themodel’dataisaccurateandpracticabilityisstrong,whichisworthpopularizingtheautomatedirrigationtechnologyinlifeandholdingthepopularscienceactivities.

Keywords:

Singlechipmicrocomputer;Automaticirrigation;Thepopularsciencemodel;Designandmanufacture

1前言

科普可以向人们传播科学技术、科学思想、科学方法及科学精神等等[1]，因此科普涉及的范围是很广泛的，本文主要通过设计和制作基于单片机的自动灌溉科普模型向人们传播自动化灌溉技术。

当今社会，人们的温饱问题已经解决，人们就会开始追求更高层次的生活方式，希望自己的生活质量得到提高，希望自己生活的环境越来越好，空气越来越清新，于是人们就会在家里栽种一些盆栽，但是又因为工作等各种原因，人们有时会忘记给盆栽浇水，有时又由于浇水过量导致盆栽因水量过多而死亡，那么，能不能设计一套自动灌溉的设备呢？

也就是说当植物需要水时就浇水，不需要水时就停止浇水。

我们知道每一种植物对水的需求都是不一样的，我们在浇水时不能采取“一刀切”的方式，要根据不同的植物的需水量来浇水，这样做既可以使得植物健康成长，也可以节约水，不至于浪费水，从而使得我们的生活环境越来越好。

因此，我们设计的自动灌溉设备要能够根据植物的需水量来工作的。

设计控制电路时要做到两点：

第一点要获取土壤的湿度，然后根据获取的湿度信息及植物的特性确定浇水量[2]。

因此，整个系统调控设置中要以及时为植物供给水源的动机作为出发点，系统控制过程中首先是能够获取湿度的具体情况，然后是进行相应的水源自动供给，如此植物才能正常生长[2]。

第二点要在第一点的基础上制定符合植物生长的浇水策略，即植物需要多少水分就灌溉多少水分，当植物的所需的水分不足时自动灌溉，当植物所需的水分足够时停止灌溉，按照这个策略设计灌溉模型就实现了由人工浇水转变为智能浇水，建立起一种适量、适时、按需的水分灌溉机制。

建立起灌溉机制后，单片机控制水泵是否植物浇水，当土壤中的湿度已达到设定的湿度后停止浇水，当土壤中的湿度低于设定的湿度后继续浇水，如此循环，从而满足了自动灌溉的要求。

这样设计之后就能够避免给植物浇水过量或浇水不足，使人们认识到给植物浇水也有科学，体现了该系统模型科普的意义。

本文主要以设计和制作基于单片机的自动灌溉科普模型为主线向人们展示能够解决自动化灌溉技术问题的科学模型与技术，推广科学技术。

模型的制作相对简易，设计是其精髓，是很适合现实生活使用的，在课堂内外和科普活动中也有着一定的推广意义。

2模型设计

2.1方案论证

2.1.1总体方案设计

自动灌溉可以有多种方式实现，比如可以根据虹吸原理进行灌溉，也就是使用渗透的方式。

但是这样的灌溉方式只能保证植物不会因为缺水而干枯死，却无法提供植物良好的生长环境，因为不同的植物的需水量是不一样的，还有一个缺点就是浪费水资源。

基于单片机的自动灌溉科普模型可以实现智能灌溉，该模型可以在没有人的情况下对植物进行智能浇水。

该模型以单片机作为核心，通过土壤湿度传感器来采集土壤中的水分数据，再通过按键调整湿度的上下限，最后通过STC89C51芯片分析和处理得到的数据。

土壤湿度已经低于设置的下限时，通过单片机运转处理数据，系统发出警报声，从而实现继电器调节水泵，系统自动化给植物提供水源，植物得以正常生长[3]；反之亦然，湿度达到上限将自动化停止提供水源。

整个运转过程对实际生活相当实用，值得推广。

系统由硬件和软件两部分组成。

硬件由六大模块组成，如表2.1所示：

表2.1硬件组成及作用

Table2.1Thehardwareandrole

模块作用

单片机主控负责数据的分析及处理

显示显示土壤湿度数值及按键设定的上下限数值

土壤湿度检测YL-69土壤湿度传感器检测土壤湿度

按键输入设定湿度的上下限

水泵浇灌根据STC89C51单片机的指示进行工作

蜂鸣器发出通知根据STC89C51单片机的指示进行工作

软件结构主要由主程序、湿度采集子程序、显示数据子程序、按键输入子程序、执行子程序及系统定时中断服务程序等组成[4]。

实验检验说明，通过该系统测量到的土壤湿度数据误差小，灌溉精确度高，运行稳定，实用性强，因此可以通过科普活动广泛地推广使用这项自动化灌溉技术。

2.1.2材料清单

基于单片机的自动灌溉科普模型采用51单片机+LCD1602液晶+土壤传感器+继电器+ADC0832+水泵设计而成。

主要用到的材料如下表2.2所示：

表2.2实验材料

Table2.2Thegermplasmmaterials

序号材料序号材料

1万用板9cm*15cm15蜂鸣器

2STC89C5单片机168550三极管

3ADC0832转换芯片172.2k电阻

440脚IC座1810k电阻

5土壤传感器1910uf电容

62脚排针2030pf电容

7DC电源插口21电池盒

8SRS-05VDC-SL继电器2212M晶振

9103排阻23104pf

10LCD1602液晶243mmLED（红）

11103排阻25轻触按键

1216脚IC座26自锁开关

1316脚排针27水泵

14USB电源线28有机玻璃

2.1.3控制系统结构

这套自动灌溉科普模型主要包括花盆模型和控制电路两大部分。

花盆模型使用有机玻璃制作完成。

控制电路由电源、显示器、土壤检测传感器、继电器控制水泵、蜂鸣器、按键设置组成。

控制系统原理图如图2.1所示。

图2.1控制系统原理图

Figure2.1Principlediagramofcontrolsystem

2.2主要元件简介

2.2.1STC89C51主要性能参数

STC89C51单片机工作电压为4.0—5.5V，工作方式全静态（0HZ—24HZ），低功率节能，兼容性好。

基于以上一些性能参数，自动灌溉模型的控制核心采用STC89C51单片机，采用双列直插形式的封装，并加上晶振电路和复位电路。

STC89C51单片机引脚如图2.2所示。

图2.2STC89C51引脚图

Figure2.2PindiagramofSTC89C51

2.2.2晶振电路

为了给单片机的程序执行提供统一的时钟频率参考，本设计中采用外部12M晶振，晶振电路如图2.3所示。

图2.3单片机STC89C51的晶振电路

Figure2.3SinglechipSTC89C51crystaloscillatorcircuit

2.2.3STC89C51的复位电路

为了防止单片机出现异常工作现象，设计了复位电路，如图2.4所示。

单片机运行出错或进入死循环时，可通过复位使其重新运行[5]。

图2.4单片机STC89C51的复位电路

Figure2.4ResetcircuitofsinglechipmicrocomputerSTC89C51

2.2.4YL-69土壤湿度传感器

YL-69土壤湿度传感器运转关键的主要体现在湿敏电容，他有着灵敏的特点，会受到周围的影响而使得内部发生改变，与环境之间存在密切的关系[6]。

因此应用在本模型中