一种基于单片机的智能花盆设计.pdf

信息与电脑软件开发与应用Information&Computer一种基于单片机的智能花盆设计2023年第10 期付天楚杨翔曹京龙田晓涵（西藏大学信息科学技术学院，西藏拉萨摘要：通过研究目前盆栽栽培的缺点，文章设计了一种基于单片机的智能花盆。该设计以智能家居为理念，采用温度传感器、湿度传感器、光照传感器等传感器技术，通过对盆栽土壤湿度、空气温度、光照的检测，以及调湿、调温、调光模块的工作，简单实现了智能控制盆栽的温湿度和光照，从而节省人们养护盆栽的精力。同时，可以通过Wi-Fi模块和手机相连，实现手机控制。关键词：智能花盆；单片机；温度传感器；湿度传感器；光照传感器；Wi-Fi模块中图分类号：TP302.1An Intelligent Flowerpot Design Based on Single Chip Microcomputer850000)文献标识码：A文章编号：10 0 3-97 6 7（2 0 2 3）10-10 0-0 3FU Tianchu,YANG Xiang,CAO Jinglong,TIAN Xiaohan(College of Information Science and Technology,Tibet University,Lhasa Tibet 850000,China)Abstract:In this paper,through studying the shortcomings of todays potting culture,design a smart pot based on singlechip microcomputer,the design of smart home as the concept,the use of temperature sensor,humidity sensor,light sensorsensor technology,through the potting soil moisture,air temperature and light detection,as well as humidity and temperaturemodulation dimming module work.It simply realizes intelligent control of the temperature,humidity and light of the pottedplants,thus reducing peoples energy and time to take care of the potted plants.It can also connect with the mobile phonethrough the Wi-Fi module to realize mobile phone control.Keywords:smart flower pot;single chip microcomputer;temperature sensor;humidity sensor;light sensor;Wi-Fi module0引言在这个“快节奏”的时代，随着人们的休闲时间越来越少，人们可能会忘记为室内盆栽浇水，导致盆栽极有可能枯萎死亡。针对这个问题，文章设计了一种智能花盆，智能照料植物生长，成功解放了人们养护盆栽的双手。近年来，智能家居的理念十分风靡。该设计利用温湿度检测模块检测土壤和空气的温湿度，并传回数据至单片机，通过单片机处理信号判断是否需要启用温湿度调节模块，以实现土壤环境最适宜温湿度的智能且有效的调节。1总体设计本设计主要有3大模块，分别为控制模块、检测模块、执行模块，还包括按键模块、供电模块、显示模块等辅助模块。控制模块为STC89C52单片机，检测模块包括温度检测模块、湿度检测模块、光照检测模块，执行模块包括调温模块、调湿模块、调光模块。本设计通过检测模块对植物生长环境的检测，将检测结果传回单片机，再由单片机对执行模块发出指令，从而实现控制土壤的温度湿度在植物合适的范围内。同时，本设计添加了Wi-Fi模块，能够通过局域网收稿日期：2 0 2 3-0 4-0 3基金项目：西藏大学大学生创新创业训练计划项目“护花使者”一一湿度可调的智能花盆设计”（项目编号：2022XCX086)。作者简介：付天楚（2 0 0 2 一），男，湖南常德人，本科在读。研究方向：单片机应用。100信息与电脑2023年第10 期Information&Computer软件开发与应用将装置和手机相连，通过手机App远程控制智能花盆的相关模块，以实现远程浇水、补光、遮光以及降温等操作。2硬件设计硬件部分主要包括主控芯片STC89C52单片机、温湿度及光照检测模块、储水罐水位检测模块、水泵湿度调节模块、风扇温度调节模块、补光灯与遮光板、Wi-Fi模块以及SIM800C模块。单片机作为控制中枢，温度、湿度、光亮传感器实时监测土壤的温湿度和光照情况，并传回单片机，再由单片机处理数据，之后输出高低电平来控制继电器，从而控制水泵模块、补光灯、遮光板等调光模块，最后数码管将会实时显示土壤湿度和空气温度等数据。硬件框架结构如图1所示。温度检测模块湿度检测模块光照检测模块水位检测模块按键控制模块2.1STC89C52单片机单片机是智能花盆系统的核心部分。8 0 51单片机具有抗干扰能力强、可靠性高、容易上手、寻址范围大以及运算能力强等诸多特点。它具有8 kB程序Flash存储器、512 B随机存取存储器（RandomAccessMemory，RAM）、通用输入输出（Input/Output，I/O）口36 个、看门狗定时器及外部掉电检测电路等。此款8 0 51单片机充分满足了本智能花盆系统对单片机的各种需求。2.2DS18B20温度传感器温度传感器选择使用DS18B20，实时监控空气的温度，将采集的数据传送给单片机，再由单片机控制发光二极管（LightEmittingDiode，LE D）显示屏进行显示，可以实时显示土壤湿度和整体的运行情况2 1。2.3土壤湿度传感器土壤湿度传感器的操作十分简单，测量精度较高、响应速度快，使用时仅需插入土壤即可。但是，它存在一定的缺点，例如土壤湿度传感器超过一定的时间，可能由于长期在湿润的环境中易产生锈迹，会影响检测精度，只要及时更换即可。2.4光照检测模块本次设计在花盆顶部安装一个光照检测模块，用以检测环境的光强。采用光敏电阻作为传感元件，采集的光信号经STC89C52单片机系统处理，光照强度不同时，光敏电阻会有不同的阻值。该模块内置一个模数转换（A n a l o g/D i g i t a l，A/D）芯片，可直接将检测的光照强度转化为阻值数值再转化为具体的光照强度数值3。2.5水位检测和SIM800C模块在储水罐中固定一块水位检测的传感器。和土壤湿度传感器类似，采用检测电阻阻值的方式检测对应的水位，不同的水位能够对应传感器不同的电阻阻值。通过电源检测实时阻值可知道实时水位的数据，而SIM800C模块用于水位过低时的短信提醒，功能十分强大。风扇降温模块2.6水泵调湿模块和降温模块本设计采用立式迷你微型小潜水泵，可利用继电器舵机遮光板与补光灯模块主控机器STC89C52图1硬件框架结构控制水泵的开断。该水泵置于储水箱，用于抽水浇灌盆栽土壤，其价格低廉，操作简单。缺点是控制不好抽水Wi-Fi模块的量，可能导致浇水略多。而降温模块采用一个5V供电的风扇电机，同样可水泵加湿模块以利用继电器控制风扇启停，风扇固定于花盆的侧面用以降温。SIM800C模块2.7光照调节部分本设计采用继电器和舵机。当环境光照较强时，可通过舵机旋转遮光板进行挡光操作；当环境光照较弱时，通过单片机向继电器发送高电平，继电器控制补光灯进行补光操作。3软件设计设计中采用PCF8591作为A/D转换模块。当电阻式的土壤湿度传感器插人土壤时，可以将土壤作为一个可变电阻。随着土壤含水量的增加，土壤的电阻越来越小。而电阻式的土壤湿度传感器就是一对电极，可以实时监测该电阻的阻值，将模拟量传人A/D转换模块，从而可以推导土壤阻值和土壤湿度的函数关系，实现对土壤湿度精确值的确定。PCF8591A/D转换模块是单片、单电源低功耗8 位互补金属氧化物半导体（ComplementaryMetalOxideSemiconductor，CM O s）数据采集器件。它是一种具有集成电路总线（Inter-Integrated Circuit，I C）接口的8 位A/D、数模转换（Digital/Analog，D/A）芯片，在和中央处理器101信息与电脑软件开发与应用Information&Computer（Ce n t r a l Pr o c e s s i n g U n i t，CPU）的信息传输过程中仅靠时钟线SCL和数据线SDA即可实现4。智能花盆硬件部分能否正常运行主要取决于软件部分是否设计良好。而一个软件部分的关键主要在于算法的设计，一个好的算法甚至可以代替大量的硬件。通过按键模块设置花盆土壤温湿度的上下限，并实时显示在LED显示屏。当土壤湿度检测值低于设置的下限时，单片机将发出信号到水泵模块，水泵模块启动，从水箱中抽水并用于浇灌土壤，直到土壤湿度值上升到设定限以内，水泵模块就会停止工作；当土壤湿度处于设定限度以内时，水泵模块会执行保持湿度不变的指令，即处于不工作的状态，工作原理如图2（a）所示。同样地，本设计中温度传感器不断检测空气温度，开始开始2023年第10 期并将数据传回单片机，并实时显示在LED显示屏。当气温过高时，可以启用风扇模块适当增强盆栽周围的空气流动，以达到散热降低温度的目的，工作原理如图2(b）所示。光照对植物生长是重要的因素之一，因此给植物提供光照过强或光照太弱时的反馈措施。如果光照过强，光照检测模块会向单片机发出信号，单片机会向继电器发送信号，继电器控制舵机转动，从而带动遮光板为植物进行挡光操作，防止植物被烧伤。如果光照强度较弱，光照检测模块可以向单片机发出信号，单片机向控制补光板的继电器发送信号，开启补光板，并对植物进行补光操作。这个功能在阴雨天的作用较为明显，在夜晚时可以选择不启动补光灯。光照调节工作原理如图2（）所示。开始初始化初始化初始化检测土壤湿度是否超出设定值是启用调湿模块检测空气温度是否超出设定值1是启用调温模块检测光照否是否过强或过暗启动调光模块否结束（a）湿度调节示意图4结语基于单片机的智能花盆设计体现了绿色环保理念，为室内盆栽植物生长提供良好的环境，从而保障植物生长。本设计的多种传感器和智能控制器对室内绿植的环境条件进行监测和控制，以满足植物的生长需求。参考文献1朱鑫乐，侯文静，惠金娣.基于单片机的智能花盆设结束（b）温度调节示意图图2 湿度、温度、光照调节示意图计J.信息技术与信息化,2 0 2 0(2):17 2-17 3.2宋洁，王雪.基于单片机的智能花盆系统设计.物联网技术,2 0 17,7(11):8 2-8 4.3杨译火.灯光自动调节系统设计 .光源与照明,2 0 2 2(12):48-50.4陈柱峰，沈治国.基于PCF8591的I2C总线A/D、D/A转换J.企业技术开发,2 0 0 9,2 8(5):18-2 1.5许庆阳.基于单片机下的新型智能花盆设计.中国新通信,2 0 17,19(4):17.结束（c）光照调节示意图102