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STC12C5A60S2 控制的太阳能智能浇灌系统设计

来源:《中国高新科技》期刊    时间:2021-04-07    

  0 引言

  随着科学技术的发展,人们生活水平的提高,人们越来越追求高品质的业余生活,越来越多的家庭喜欢种植花卉、树木等绿色植物。家庭花卉树木的浇灌主要靠人工来实现,但人们往往忙于工作而忘记定期、定量地为花卉树木浇水,或者旅游、出差时家中无人管理而导致花卉树木枯死。目前已有的浇灌系统大多不具备自动浇灌功能,浇灌水量不能依据植物生长所需实时调节,不利于花卉树木的成长。可定期自动开关的间歇式微型自动浇灌控制系统应用较多,但STC12C5A60S2智能控制的太阳能浇灌系统应用却较少。因此,本文提出一种STC12C5A60S2太阳能智能浇灌系统的设计方案。该设计方案可根据土壤湿度的变化,实现自动调节花卉树木水分的补给,从而达到智能浇灌花卉树木的目的。

  1 总体设计

  太阳能智能浇灌系统包括:智能控制系统(基于STC12C5A60S2型单片机)、太阳能供电模块、交流220V供电模块、土壤湿度传感器、自动浇灌模块、显示器及外接键盘等。

  1.1系统组成

  太阳能智能浇灌系统如图1所示。


图1 太阳能智能浇灌系统示意图

  智能控制系统以STC12C5A60S2型单片机为核心,由湿度传感器采集土壤湿度信号,经过数模转换器A/D转换,并对自动浇灌模块进行智能控制。这种系统的浇灌采取滴灌和叶面喷水2种方式,之所以采取这2种浇灌方式是为了满足部分植物只需叶面喷水的需求,达到节水的目的。该系统电源采取交流220V供电和太阳能供电2种,且可进行智能切换,以避免因连续阴天而导致太阳能供电不足,导致无法启动浇灌系统的现象,从而达到长期连续浇灌的目的。

  1.2系统工作原理

  该系统的工作原理主要包括电源供给和自动浇灌控制2个方面。

  1.2.1电源供给

  太阳能面板将光能转换成电能,然后经充电单元储存到蓄电池中,蓄电池将电能供给智能控制系统和自动浇灌模块。若阳光不充足,太阳能供电模块将无法支持智能控制系统和自动浇灌模块工作,则自动切换到交流220V供电模块,由交流220V经整流变压器向智能控制系统和自动浇灌模块供电。

  1.2.2自动浇灌控制

  由土壤湿度传感器将检测的土壤湿度转换成电信号,再经过数模转换器A/D转换为数字信号,传输给智能控制系统,并与设定的控制数据进行比较。若满足浇灌条件,则输出控制信号就会控制继电器的开关,启动水泵,进而选择滴灌或者叶面喷洒的方式进行浇灌。

  2 硬件设计

  2.1供电模块

  该系统的供电模块包括两部分:太阳能供电模块和交流220V供电模块。

  太阳能供电模块选用的是5V/10W的双板太阳能电池板,可适应上午和下午太阳光照的不同角度,可以最大限度采集太阳光。充电模块选用的是带充电保护TP4056型的恒定电流/电压线性充电器,将电压和电流稳定输入给蓄电池,蓄电池选用聚合物锂电池104050,其额定容量为2400mA。若充满电可以支持自动浇灌模块运行4d。

  当太阳光照不足以支持太阳能供电模块供电的时候,自动切换到交流220V供电模块,交流220V供电模块经过整流变压器对自动浇灌模块进行供电。太阳能供电模块与交流220V供电模块的自动切换原理如图2所示。当蓄电池电量充足的时候,控制器自动启动输出,继电器K1、K2得电,其常开接点K1和K2的1、2闭合,此时太阳能供电模块为自动浇灌模块供电。


图2太阳能供电模块与交流220V供电模块的智能切换原理示意图

  当蓄电池没电或者电量不足时,控制器无输出,继电器K1、K2失电,常开接点K1返回,并切断太阳能供电回路,K2的1、2接点断开,1、3接点闭合,并接通交流220V供电模块,此时通过交流220V供电模块为自动浇灌模块供电。

  2.2智能控制系统

  智能控制系统采用STC12C5A60S2型单片机为核心。这种单片机是由STC公司生产的STC12系列单片机,运行速度比经典的8051快,指令代码互换性也好,性能更加稳定,抗干扰能力更强,是许多小系统应用的首选。

  该系统选用的STC12C5A60S2型单片机是一个片上系统,含有数据采集和控制所需的所有单元模块。其中该单片机中包含中央处理器单元(CPU)、数据存储器、程序存储器、计数器、定时器、1/O接11、UART串11、SPI接11、高速A/D转换、看门狗、PCA及片内R/C振荡器和外部晶体振荡电路等模块。

  2.3土壤湿度传感器

  该系统所采用的SHT11型湿度传感器,带有耐压和耐损的金属防护罩,对传感器提供了较好的保护,不影响其检测效果。SHT11型也是IIC总线接口的单片全校准数字式相对湿度和温度的传感器,可以同时实现对土壤湿度、温度的测量,可以直接输出温度和湿度的数字信号给相应的微控制器,传输给单片机。

  土壤湿度传感器是通过土壤中水分含量的多少来判断土壤的湿度大小,土壤湿度传感器的原理如图3所示。当土壤湿度传感器的探针未插入土壤中时,其中的三极管基极基本处于开路状态,三极管截止,输出为0;当探针插入土壤中时,由于土壤的电阻大小会随着土壤中的水分含量的变化而变化,三极管的基极产生了变化的导通电流,三极管集电极到发射极的导通电流受到基极控制,经过发射极的下拉电阻后转换成大小不同的电压。


图3 土壤湿度传感器的原理示意图

  2.4显示屏及外接键盘

  该系统选用的显示屏采用液晶1602模块,用于显示本装置工作状态。1602是一款字符型液晶显示模块,其内部存储了160个点阵字符,可以同时显示16×2共32个字符,包括大小写英文、数字、常用符号等。外接键盘用于输入湿度设定值以及本系统的控制命令。

  3 软件设计

  太阳能智能浇灌系统采用C语言软件模块化设计的方法。该系统软件的总体设计,主要是将STC12C5A60S2型单片机作为太阳能智能系统模块的核心部件,根据土壤湿度检测模块SHT11提供的湿度数据大小进行判断,并且控制相应的继电器开关,从而进行自动智能浇灌。

  该系统软件的主程序流程如图4所示。该系统初始化后将对土壤湿度进行数据采集处理,与预先设定的控制值大小进行比较。当土壤湿度过低而且蓄电池电量充足的时候,就通过相关继电器去打开水泵进行浇灌;当蓄电池电量不足时,就自动切换至交流220V进行浇灌;当土壤湿度过高时,就关闭其水泵。通过上面的控制方法,能够依据土壤湿度控制浇灌水量,使得土壤处于最佳的湿度状态,有利于花卉树木的生长。


图4 主程序流程示意图

  4 结语

  太阳能智能浇灌系统采用STC12C5A60S2型单片机为智能控制系统的核心部件,工作稳定,硬件电路简单,器件成本低,抗干扰能力也强,性价比高。经过多次的实验和调试,该系统基本能满足预期的功能和要求,可通过程序控制和事先设定的土壤湿度参数进行比较,选择合适的浇灌方案,对花卉树木实行智能滴灌或叶面喷水,来保证花卉树木的健康生长,尤其适用于户外绿化植物和家庭栽培花木的自动浇灌。

作者:芮新花 季文睿 赵珏斐 张红平 张 烨

本文刊发于《中国高新科技》杂志2020年第24期

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