基于单片机的自动灌溉系统设计

摘  要：自动灌溉系统通过对浇灌设备的自动控制，通过技术在浇灌方面达到节水的目的。文章研究的是基于STC89C52单片机自动浇灌系统，通过ADC0832模块，采集土壤湿度传感器信号，并将模拟量转换成数字量，并由单片机对数据进行分析处理;通过DHT11模块，对外部环境温湿度进行检测;通过LCD1602液晶显示，将数据显示在屏幕上;通过蜂鸣器、发光二极管，完成声光预警模块;通过继电器模块控制水泵，完成自动浇灌的目的。

关键词：STC89C52;A/D转换;YL-69;LCD1602

中图分类号：TN929.5              文献标识码：A文章编号：2096-4706（2022）06-0172-04

Design of Automatic Irrigation System Based on Single-Chip Microcomputer

XU Xiaoxia

（School of Information and Engineering， Xi’an Technology and Business College， Xi’an  710200， China）

Abstract： Through the automatic control of irrigation equipment， automatic irrigation system achieves the purpose of water saving by technology in irrigation. This paper studies the automatic irrigation system based on STC89C52 single-chip， through ADC0832 module， collects soil moisture sensor signal， and converts analog quantity into digital quantity， and analyzes and processes data by single chip. It detects the external environment temperature and humidity by DHT11 module， displays the data on the screen through LCD1602 liquid display， completes the sound and light warning module by the buzzer and light-emitting diode， completes the purpose of automatic irrigation through controlling water pump by the relay module.

Keywords： STC89C52; AD conversion; YL-69; LCD1602

0  引  言

据有关统计，我国人均水资源占有量约为2 200 m3，而世界人口水资源平均占有率约为9 000 m3，是世界上缺水國家之一。在农业发展方面，由于灌溉不合理、水利设施不完善，因此造成了很多问题[1]。对于水资源的需求量也越来越大，合理有效的利用水资源已经显得尤为重要。我国自古以来都是农业强国，农耕文化深深地影响着生活，如何保证粮食产量，已经上升到国家安全的层面。自动控制等新技术的不断发展有利于推动技术革新，用51系列的单片机作为本次设计的核心控制单元，通过传感器及其他外设，通过程序，以实现自动控制的目标。

1  系统设计方案

1.1  需求分析

整体系统需要实时检测土壤湿度情况，并实时检测空气的温湿度，显示数据到液晶显示，还需要浇灌模块等。最终确定有以下模块：植物根系附近土壤湿度检测模块、主控制单元、显示模块、声光预警模块、继电器模块等组成。单片机配合外围电路构成执行部分。灌溉执行得水泵模块，通过继电器实现开始和停止浇灌[2]。

1.2  系统硬件架构

设计选用的51系列单片机，土壤水分检测选用YL-69传感器，土壤湿度传感器从植物根系附近土壤中采集的数据是模拟量，需要通过转换数据形式，才能数据进行分析，并将数据显示在液晶屏上，然后做出相对的指令给执行机构。硬件系统框图如图1所示。

2  电路设计

STC89C52是一种低功耗，高性能的单片机，用户可自定义编程的空间为用8k字节，有512字节RAM，具有E2PROM功能和全双工串行口等功能。

2.1  土壤湿度数据采集

YL-69作为本次设计采集数据的传感器，它是一个简单好用的检测土壤水分传感器，当环境的湿度发生改变时便会使得湿敏电容所处的环境也发生相应的变化，然后导致湿敏电容中的电容数值产生变化，电容的数值将正比于湿度值[3]。

2.2  模数转换模块

ADC0832作为主控芯片的外围电路，对采集到的数据进行A/D转换，将检测到的模拟量转换成数字量再送入STC89C52单片机。ADC0832具有的分辨率是8位，能够达到最高分辨率256级，可以适应一般模拟量到数字量转换需求[4]。A/D转换模块原理图如图2所示。

2.3  温湿度传感器

选用数字湿度传感器DTH11，空气温湿度传感器采用单总线通信。只用一根线完成通信，采集的数据经由这根数据线传输，它是传感器与单片机之间的桥梁。一般情况下需要外接拉电阻，选用阻值为4.7 kΩ，这样处理的目标是为了，若当总线闲置的情况下，此时呈现出高电平。DHT11原理图如图3所示。

2.4  继电器模块

通过电磁原理制造的继电器。有两个引脚是低压控制端，只要接通弱电控制着低压控制端，通过电磁作用去间接控制一个单刀双掷开关的状态。当继电器正常工作时，通过电磁铁进行电路的闭合与断开，当闭合时，衔铁吸合，电路导通，供水模块开始工作，当断开时，电路不再导通，停止浇灌。如图4为继电器原理图。

2.5  显示模块

LCD是一种工业字符型液晶，能够同时显示32个字符，它可以显示字母、数字符号和中文符号，显示内容广泛。LCD1602液晶显示原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就可以显示出图形。LCD1602通过P1端口与单片机进行数据通信沟通，将采集的数据显示在显示屏上[5]。显然不可能同时传输一个数据并确定显示位置和显示内容。当RS=0时，选择指令寄存器，此时确定显示位置。若RS=1时，选择数据寄存器，此时确定它的显示内容。一个bit确定两个字符，至少需要5个bit，这样才能确定32个字符。单片机和液晶显示是通过数字信号传递信息。一个字节有8 bit。由8 bit来控制整体的字符显示。LCD1602接口电路如图5所示。

3  软件设计

系统软件设计就是通过设计程序运行硬件的各个部分，相应的分为主程序和几个子程序来编写。供电，初始化，设置阈值，LED显示当前土壤湿度和外部环境的温湿度数据，实时检测水分是否在设置的阈值范围内。在主程序中与设定好的数值进行对比，根据得到的结果可以执行相应的命令，再配合硬件设备相互协调合作，从而达到本次设计目标[6]。

接通总电源，按下自锁开关，采集的数据经过单片机处理后，然后，在下达指令到输出模块上。倘如采集的数据与之前预设的阈值有偏差，继电器模块，声光报警模块便开始工作。对于不同植物，可调节不同的阈值。

DHT11传感器包含1个NTC测温元件和1个电阻式测湿元件，可以与8位高性能单片机连接。DHT11模块思路分析，单片机通过程序指令发送给传感器开始信号，DTH11收到后会回复40 bit的数据。

ADC0832有四种工作方式，通过查阅技术手册，在第一个脉冲中，启动A/D转换，第2和3脉冲，选择到底通过哪个通道进行模数转换，第4个脉冲开始，用于输出模数转换的结果，此结果输出了两遍，高位到低位，再有低位到高位，刚好是2个字节。两次读取的数据进行比较，倘若相同，则证明转换成功，数据可交由单片机处理[7]。将各个模块系统主程序流程图如图6所示。

4  软硬件调试

4.1  仿真设计

通过Proteus软件仿真功能，对设计电路进行仿真，测试部分模块是否可以正常工作。首先烧录程序到模拟主控中，点击开始方可进行仿真，通过按键模块设计报警阈值，并将外部环境温湿度数据和泥土湿度数据显示LCDD1602上，当湿度低于阈值则开始浇灌，当湿度过高阈值时则停止浇水，通过继电器和供水模块完成。由于仿真软件无法仿真温湿度检测传感器，这个模块需要进行实物验证。利用软件仿真的目的是为后续的实物测试做一个简单的测试参考。

4.2  软硬件调试

根据Altium Designer软件所画的原理图。通过面包板，将线路与器件相连接。通过烧录器将程序烧录到STC89C52。测试整体线路是否设计不合理。整个电路连接完毕后，烧录程序。再没有连接供水模块的前提下，测试没有问题，能听到继电器的闭合的声音。将模拟水泵的小电机连接进电路，发现LCD1602显示模块出现了乱码的问题，原因可能出在电动机使用主控的电压，可能造成LCD1602和单片机欠压，从而导致乱码。解决好这个问题便开始进行实地测试。

解决LCD1602乱码的问题，便开始进行面包板的实地测试。实地测试图如图7所示。

5  PCB制板及实物测试

5.1  PCB制板

PCB制板工艺：板厚1.6绿油白字表面处理喷锡过孔盖油，铜厚1 OZFR-4板材。添加旁边的过孔的目的是为后期调试过程更改元器件，可以手动飞线加以连接。但由于画板过程中尺寸大小的失误，过孔直径太小。无法完成预期的目标。基于单片机的自动灌溉系统设计PCB制板实物图如图8所示。

5.2  实物测试

按各个元器件从低到高的顺序开始焊接，应先焊接电阻，石英晶振等元器件，再焊接那些较高的元器件，焊接完毕用万用表测试，看是否有虚焊点，以防影响整体电路调试。为了容易更换器件，大部分模块选用排座与元器件进行连通。整体焊接完后的成品如图9所示。

6  结  论

基于单片机的自动灌溉系统设计，经过多次修改尝试基本满足设计目的。以STC89C52单片机为自动灌溉系统的控制核心，通过ADC0832芯片，将模拟量转换为数字量。通过土壤水分传感器检测植物根部湿度，通过DHT11模块，完成外部环境温湿度的检测;通过LCD1602液晶模块，将需要显示的信息展现在液晶屏上;声光预警模块，采用有源蜂鸣器;通过继电器模块控制水泵浇灌，完成自动浇灌功能。

参考文献：

[1] 刘玉明.我国水资源现状及高效节水型农业发展对策 [J].农业科技与信息，2020（16）：80-81+83.

[2] 王世传，宋陆飞，崔卫超，等.基于单片机的智能可控浇花装置的设计 [J].电子质量，2018（12）：47-49.

[3] 杨风霞.基于单片机的智能浇花系统设计 [J].智库时代，2018（45）：171-172.

[4] 许一洲.基于单片机的智能控制浇花系统的设计 [J].信息通信，2020（5）：103-105.

[5] JAE，SOOL，HAN， et al.The design and implementation of an automatic join system [J].JOURNAL OF THE KOREA INFORMATION SCIENCE SOCIETY，1986，13（4）：264-273.

[6] 朱鑫樂，侯文静，惠金娣.基于单片机的智能花盆设计 [J].信息技术与信息化，2020（2）：172-173.

[7] 谢维成，杨加国.单片机原理与应用及C51程序设计 [M].北京：清华大学出版社，2014.

作者简介：徐晓霞（1984—），女，汉族，山西大同人，副教授，硕士研究生，研究方向：仿真技术、信号与信息处理、模糊控制等。

收稿日期：2021-12-10