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2014年3月30日

一种室内浇花系统的设计

KaiCHEN（陈凯），HongJIN（金红）

（山东省科学和技术大学，信息科学与工程学院，青岛环亚金属制品266510，中国）

摘要

本文以兰花为例，设计一种针对兰花的自动浇水系统。

系统采用宏晶单片机公司的增强型单片机STC12C5A60S2，外接MAX232串口通信电路，DHT11温湿度检测电路，12864液晶显示电路，继电器控制电路，无线传输电路、存储电路、电机驱动电路和蜂鸣器电路等，实现了自动检测空气温湿度和土壤温湿度并自动浇水。

关键词：

自动浇花；

温湿度检测；

单片机；

PWM

1引言

现代的生活中，人们都喜欢在办公室和家里养殖花卉，然而有许多花草对周围的环境要求比较高，需要人们的精心照顾。

由于生活节奏的加快，很多人都忽略对花草的照顾，如果能找到一种在干燥时可以自动给花草浇水的装置，就可以解决这个问题。

已有的浇水器是定时浇灌花草的，不能根据土壤的湿度和空气的温湿度及花草的生活习性来进行浇水，是一种非智能的浇水系统，不利于花草的生长。

当前，传感器技术与单片机技术发展迅速，其应用逐步由工业、军事等领域向其他领域渗透，与我们的日常生活联系越来越紧密。

而且智能家居概念也越来越受到了人们的推崇，因此，电子智能型的自动浇花系统有着很好的发展和应用前景。

2系统构成硬件实现

2.1整体思想

本系统由数据采集电路、MCU中央处理器、水泵驱动控制电路和无线发射接收电路组成。

该系统主要由发射模块和接受模块组成。

发射模块包括：

空气温湿度采集模块，土壤温湿度采集模块，MCU处理模块，按键控制模块，MOS管驱动电路，继电器控制

电路，无线发射模块。

接收模块包括：

无线接收模块，MCU处理模块，LCD显示模块，报警电路，MAX232电平转换电路。

2.2单片机的功能

单片机是自动浇花系统核心部件，一方面它要接收来自土壤湿度经过AD转换的数字信号和温度传感器的输出信号，另一方面要对这两个信号预设值的上下限的值进行对比，可控制外围电路的相应工作，同时检测查询是否有按键按下，并把这些信息通过无线模块发送出去。

负责接收的模块中的单片机接收到这些信息后通过无线模块显示在液晶屏上。

因为考虑到检测土壤湿度时用到了AD和PWM功能，所以考虑到用宏晶公司的STC12C5A60S2代替传统的STC89C51。

STC12C5A60S2单片机是STC公司生产的八位8051内核单片机。

2.3空气温湿度采集模块的硬件设计

DHT11数字温湿度传感器是采用单总线的集成测温湿度器件，传感器里有一个电阻式测湿组件和一个NTC测温组件，测量温度的范围是0℃~50℃，测量湿度的范围是20%~90％，可以满足本次设计的要求。

与单片机连接原理如图2.1所示。

图2.1DHT11电路路图

2.4土壤温湿度采集模块的硬件设计

土壤本身可以看成是一种湿度传感器，土壤越潮湿，导电能力越强，阻值越小，所

以现在对土壤湿度的测量间接转换成了对电阻的测量。

将待测电阻与一恒流二极管串联，如图2.2，将测量值接入AD，STC12C5A60S2里面集成有8路的AD，RX的值为RX=V（out）/IH。

图2.2测土壤温湿度的电路图

2.5水泵驱动电路及PWM控制

IRF3205具有耐压值高、电流大、导通电阻小的特点，利用IRF3205来驱动水泵，通过PWM控制，当场效应管导通，电机转，水泵开始抽水。

STC12C5A60S2有2路PWM可使用。

本设计使用的一路PWM，接在P1.3，STC12C5A60S2集成了两路可编程计数器阵列（PCA）模块，PCA里面的16位定时器（第八位CL和高八位CH）[CH，CL]每隔一段时间加１，当CL小于［EPCnL，CCAPnL］时，输出为低，反之则为高。

当CL的值由00到FF时，CL发生溢出为0，［EPCnL，CCAPnL］里的值自动加载到［EPCnL，CCAPnL］，从而实现了无干扰跟新PWM。

3软件设计

软件设计主要实现：

采集相关的信息后送给单片机，单片机对信息进行处理，产生相应的控制，并将这些信息通过发射模块发射出去，接收端通过液晶显示。

系统发射部

图3.1发射部分流程图

分的主要流程为：

系统初始化（包括单片机、温湿度传感器和无线模块的初始化）。

初始化后，开始对系统进行设定，设置其温湿度上下限。

如图3.1所示。

设置完毕后，采集空气中的温湿度及土壤的湿度，如果土壤的湿度低于设置的下限值就控制PWM输出给花浇水，如果空气中的温度持续高于设置的上限值，或者是空气中的湿度持续低于设定的下限值就闭合继电器，超声波增湿器持续喷雾3S。

无线模块负责将这些信息（温湿度、上下限值）发射出去。

3.1试验与测试

本系统通过空气温湿度传感器采集空气中的温湿度，通过测土壤中电阻大小测量土壤的湿度。

在土壤比较干燥时，就通过PWM控制给土壤浇水，不同的土壤湿度对应着不同PWM控制值。

在空气持续干燥两小时时，控制超声波增湿器工作，在兰花上方喷雾4秒，给空气增湿。

电路中加入了按键电路，用来改变温湿度的上下限的设置值，同时加入了24C02的存储芯片，可以存储下这些设置值。

因为有多个采集量，测试时使用控制变量法，首先调整湿度设置值，使得当时湿度值大于设置的湿度值，为方便调试，将程序中的持续2小时，先改成2分钟，设置的空气最高温度改为25°

C，用电烙铁靠近温湿度传感器DHT11，DHT11的测得温度为35°

C，高于设置的温度最高值，两分钟后听见继电器闭合的碰撞声，接着超声波增湿器开始工作，同时小电风扇也开始

图3.2实物测试图

工作，将雾气扩散开，4S继电器断开，与程序编写的期望现象一致。

同理，测试出空气湿度检测及控制继电器部分也是正常工作的，实物测试图如3.2所示。

参考文献

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02），基督城，Neweal.

附：

英文原文

Akindofinteriordesignofthewatertheflowers

（Guangxiguilinuniversityoftechnologyinstituteofinformationscienceandengineering,guilininguangxi541000）

Abstract

Orchid,forexample,thispaperdesignedanautomaticwateringsystemfororchids.SystemadoptsmacrochipmicrocontrollerenhancedMCUSTC12C5A60S2,externalcircuit,serialcommunicationMAX232DHT11temperatureandhumiditydetectioncircuit,12864liquidcrystaldisplaycircuit,relaycontrolcircuit,wirelesstransmissioncircuit,storagecircuit,motordrivecircuitandbuzzercircuit,etc.,hasrealizedtheautomaticdetectionandsoiltemperatureandhumidityandairtemperatureandhumidityautomaticwatering.

Keywords:

Temperatureandhumiditydetection;

Singlechipmicrocomputer;

PWM

1Introduction

Inmodernlife,peopleliketobreedflowersintheofficeandhome,buttherearemanyflowersandplantsonthesurroundingenvironmentdemandishigher,needtocarefullytakecareofpeople.Duetotheacceleratingrhythmoflife,alotofpeopleignoretotakecareofflowersandplants,ifyoucanfindadrydevicecanautomaticwateringflowersandplants,cansolvethisproblem.Existingwaterisregularlywateredtheflowersandplants,notaccordingtothesoilhumidityandthetemperatureandhumidityoftheairandthelifeofflowersandplantsforwater,waterisakindofintelligentsystem,isnotconducivetothegrowthofplants.Currently,sensortechnologyandsingle-chipmicrocomputertechnologyhasdevelopedrapidly,itsapplicationgraduallypenetrationbytheindustrial,militaryandotherfieldstootherareas,intouchwithourdailylifemoreandmoretight.

2Thesystemishardwareimplementation

2.1Thewholeidea

Thissystemconsistsofdataacquisitioncircuit,theMCUcentralprocessingunit（CPU）,waterpumpofthedrivecontrolcircuitandwirelesstransmittingreceivingcircuit.Thesystemismainlycomposedofemissionmoduleandreceivingmodule.Acquisitionmodulelaunchmoduleincludes:

airtemperatureandhumidity,soiltemperatureandhumidityacquisitionmodule,MCUprocessingmodule,thekeycontrolmodule,MOStubedrivingcircuit,relaycontrolcircuit,wirelesstransmittingmodule.Receivingmoduleincludes:

wirelessreceivingmodule,MCUprocessingmodule,LCDdisplaymodule,alarmcircuit,MAX232levelconversioncircuit.Theautomaticwateringsystemsystemblockdiagramasshown.

2.2Thefunctionofthesinglechipmicrocomputer

Single-chipmicrocomputerautomaticwateringsystemisthecorepart,ontheonehand,itwillreceivefromsoilmoistureafterADtransformofdigitalsignalandthetemperaturesensoroutputsignal,ontheotherhandtothedefaultvaluesofthetwosignal,comparingthevalueoftheupperandlowercontrolperipheralcircuitofthecorrespondingwork,whiledetectingthequerywhetherthereisabuttonpress,andputtheseinformationthroughwirelessmoduletosendout.ResponsibleforreceivingmoduleofthesinglechipmicrocomputertoreceivetheseinformationthroughwirelessmoduledisplayontheLCDscreen.BecauseofconsideringthedetectionofsoilmoistureintheADandPWMfunction,soconsideringtheusemacrocrystallinecompanytoreplacetheconventionalSTC12C5A60S2STC89C51.STC12C5A60S2MCUonSTCcompanyisaproductionofeightkernelsingle-chipmicrocomputer8051.

2.3Airtemperatureandhumidityacquisitionmoduleofhardwaredesign

DHT11digitaltemperatureandhumiditysensorisasinglebusintegratedtemperatureandhumiditymeasuringdevices,thesensorhasaresistivehumiditymeasurementcomponentandaNTCtemperaturemeasurementcomponent,themeasuringtemperaturerangeis0℃to50℃,humiditymeasuringrangeis20%~90%,andcanmeettherequirementsofthedesign.Connectedtothesinglechipmicrocomputerprincipleasshowninfigure2.1:

Figure2.1DHT11circuitroadmap

2.4Thehardwaredesignofsoiltemperatureandhumidityacquisitionmodule

Soilitselfcanbeseenasahumiditysensor,themoistsoil,conductiveabilitystronger,thesmallerthevalue,sonowthemeasurementofsoilmoistureindirectlytransformedintoforresistancemeasurements.

Figure2.2thecircuitdiagramofsoiltemperatureandhumiditymeasurement

Resistanceundertestwithaconstantcurrentdiodeseries,asshowninfigure1-3,toaccesstheADmeasurements,eightSTC12C5A60S2insideintegratedAD,thevalueofRXisRX=V（out）/IH.

2.5WaterpumpdrivecircuitandPWMcontrol

IRF3205hasthepressurevalueishigh,thecurrentcharacteristicsoflargeandsmallconductionresistanceusingIRF3205todrivethepumps,controlledbyPWM,conductioneffecttubeonthespot,motor,pumpstartpumping.PWSTC12C5A60S2have2roadMcanbeused.ThisdesignUSESthePWM,allthewayacrosstheP1.3,STC12C5A60S2integratestwolinesoftheprogrammablecounterarray（PCA）module,theinsideofthePCA16-bittimer（8CLandhigheightCH）[CH,CL]everyonceinawhiletoadd1,whenCLislessthan[EPCnLCCAPnL],theoutputislow,theoppositeishigh.WhenthevalueofCLfrom00toFF,CLoverflowis0,thevalueinthe[EPCnLCCAPnL]automaticallyloadedintothe[EPCnLCCAPnL],soastorealizewithoutinterferencewithnewPWM.

3Thesoftwaredesign

Softwaredesignthemainimplementation:

aftercollectingrelevantinformationtoMCU,MCUtodealwithinformation,toproducethecorrespondingcontrol,andtheinformationthroughthelaunchmodule,thereceivingendthroughtheliquidcrystaldisplay（LCD）.Emissionpartofthemainprocessis:

systeminitialization,includingsinglechipmicrocomputer,temperatureandhumiditysensorsandthewirelessmoduleinitialization）.Aftertheinitialization,begantosetofsystem,setupthetemperatureandhumidityonthefloor.

figure2.3Launchpartflowchart

Setupaftertheacquisitionoftemperatureandhumidityandsoilmoistureintheair,ifthelowerlimitofsoilhumidityisbelowthesetwillgivetheflowerssomewatercontrolPWMoutput,iftheupperlimitoftheairtemperatureishigherthantheset,orthehumidityintheairforbelowthelowerlimitissetbyclosingrelay,ultrasonichumidifiercontinuestospray3s.Wirelessmoduleisresponsiblefortheinformation（temperatureandhumidity,upperandlowerlimit）.

3.1Thetestandthetest

Thissystemisthroughtheairtemperatureandhumiditysensorstocollectthetemperatureandhumidityintheair,throughmeasuringtheresistancesizemeasurementofsoilmoistureinthesoil.Indrysoil,byPWMcontroltowaterandsoilofdifferentsoilhumiditycor