智能盆栽浇水系统设计

 

安徽商贸职业技术学院信息与人工智能学院侯秀丽李素梅

 

随着生活水平不断提高，人们对居住环境及室内空气质量要求也日益上升。绿色盆栽能够净化室内空气、装点生活、陶冶情操，因此得到越来越多人们的喜爱。不少家庭或办公室都种植了许多绿色盆栽。浇水不及时或过度浇灌会导致盆栽花卉枯萎或死亡。

 

在此背景下本文设计了一个智能盆栽浇水系统，应用土壤湿度传感器实时监测盆内土壤湿度，输出与湿度有关的电压信号，放大后通过ADC0832转换成数字信号送给STC89C51单片机，用LCD液晶显示湿度值。通过单片机程序来控制水泵工作，若盆内土壤湿度不够，蜂鸣器报警，同时驱动水泵进行浇水。该系统结构简单，成本低廉，能够对室内盆栽实现浇水的智能控制，具有一定的应用价值。

 

 

绿色盆栽能够净化空气、装点生活、陶冶情操，近些年来得到越来越多人们的喜爱。家庭或者办公室等场所都少不了绿植。这些盆栽绿植的生长趋势与存活时间受多种因素（土壤、阳光、水分、肥料等）影响，在这些因素中，浇水不当是盆栽绿植死亡的主要原因。有时人们工作繁忙或者出差旅行等无暇照料，导致好不容易种植很长时间的盆栽长势不好甚至枯死，非常可惜。

 

尽管市面上也有一些所谓的自动浇水花盆在售，但通常是双层花盆，用来种植的内盆长期浸泡在外层储水盆里，绿植容易烂根，且不具有水量检测装置。也有一些是在自来水管上安装简易定时器，通过定时开启电磁阀来实现浇水。

 

这两种方式都太过简单，不够灵活，智能化程度不高。本文设计了一个智能盆栽浇水系统，能根据土壤湿度传感器采集的湿度数据来决定是否给盆栽浇水，应用单片机实现浇水的智能控制。

 

1系统方案设计

 

本文所设计的智能盆栽浇水系统，能够根据土壤湿度情况决定是否给盆栽浇水，在无人照料时，能够提供满足盆栽绿植正常生长所需水分。系统设计目标如下：

 

（1）能够准确检测盆栽土壤湿度，并实时显示湿度信息；

 

（2）可以根据不同植物种类特点，调整湿度上限与下限数值；

 

（3）具有两种模式，在自动模式下，当检测到的湿度低于下限数值时，进行报警，同时启动水泵进行浇水。

 

系统由单片机、土壤湿度检测与模数转换、显示与报警、浇水驱动及电源等部分组成，总体方案如图1所示。

 

2系统硬件设计

 

2.1STC89C51单片机

 

本系统控制模块采用高性能、低功耗的八位STC89C51单片机。它具有8k字节在系统可编程Flash，256字节RAM，4个8位并行I/O口，2个数据指针，3个16位定时器/计数器，2个外部中断，看门狗定时器，支持全双工串口。

 

2.2土壤湿度检测

 

土壤湿度亦称土壤含水率，是表示土壤干湿程度的物理量。土壤湿度传感器通过检测土壤中水分含量来判定土壤湿度。本文选择电阻式土壤湿度传感器FC-28，它由不锈钢探针和防水探头构成，可插入土壤内，对表层和深层进行湿度监测，长期有效。测量时，把传感器的两个探针插入土壤里，由于土壤中各种无机盐在水中会电离导电，土壤含水多少影响其导电性能强弱，土壤越湿，导电性能越强，电阻越小；反之，电阻越大，利用土壤湿度与电阻值之间的关系即可实现测量。

 

2.3模数转换

 

由于电阻式湿度传感器送出的是模拟信号，单片机无法直接处理，因此需要选择模数转换器将其变成数字信号，本文选择了美国NI公司生产的双通道A/D转换芯片ADC0832。它采用逐次逼近原理，分辨率8位，可满足需求，价格实惠。ADC0832与单片机接口电路如图2所示。

 

2.4显示与报警

 

盆栽内土壤湿度信息通过单片机输出给字符型液晶LCD1602显示，可以通过按键调整显示湿度的上下限。LCD1602与单片机接口电路如图3所示。当湿度传感器检测到土壤中水分不足时，触发蜂鸣器报警提示。

 

2.5浇水驱动电路

 

当湿度传感器检测到土壤中水分不足时，单片机会驱动继电器带动水泵抽水，完成对盆栽浇水。在浇水过程中，湿度传感器实时检测土壤湿度，当检测到土壤中水分足够时，水泵停止运转，不再浇水。浇水驱动电路如图4所示。

 

3系统软件设计

 

3.1程序结构

 

使用C语言开发程序，为方便阅读、调试，整个系统采用模块化设计。如图5所示，主程序里包含初始化函数，接着是各种子程序，如按键扫描处理程序、土壤湿度采集程序、数据处理程序、显示程序、浇水驱动子程序等。

 

3.2程序执行流程

 

当开启系统后，即进入主函数，初始化函数变量及传感器模块，进入按键扫描函数，通过按键选择系统的工作模式。当选择自动模式时，调用土壤湿度采集函数，采集当前土壤湿度值，并通过数据处理程序对湿度值判断，当湿度值小于预设值时，通过浇水驱动模块，开启浇水功能，达到湿度预设值停止浇水。

 

 

4系统实物制作与调试

 

根据硬件电路设计准备元器件，检查核对无误后开始布板，依次焊接，完成实物制作，如图6所示。使用串口模块实现对单片机程序的下载，下载完毕后进行整机调试与故障排查。

 

结语：本文设计了一个智能盆栽浇水系统，详细介绍了系统硬件电路设计及程序设计流程，并完成了实物模型制作与调试。经过多次实验验证，该系统能够根据盆栽土壤不同湿度情况进行合理浇水。系统性能可靠，运行稳定，可以为无人照料的绿植提供生长所需的水分，免除主人担心绿植枯死等后顾之忧，具有一定的应用价值。

 

基金项目：安徽省质量工程教研项目“高职社会扩招电子信息工程专业人才培养模式创新与课程体系构建研究”（项目编号：2020jyxm0585）；安徽省高校自然科学研究重点项目（编号：KJ2018A0723）研究成果。