清除和利用积水装置

摘要:天气干燥时，花园里的植物可能会因为没有及时浇水而死亡；暴雨时，也可能因过度降雨而死亡。本文研究了积水清除器，以避免此类问题。本设计采用温湿度传感器检测温湿度，超声波检测水位。AD转换模块转换为数字信号，然后使用单片机进行数据分析和处理，为显示和报警电路提供信号，实现蜂鸣器报警、抽水、水位过高时湿度过低的浇水。当天气炎热干燥时，单片机控制水泵进行浇水；下暴雨或产生积水时，单片机控制水泵进行抽水并储存到容器里加以利用。由于其电路结构简单、操作简单、可靠性高、程序短、工作稳定等优点，在智能家居时代具有良好的应用前景。

Abstract:In dry weather, garden plants may die from not being watered in time. When it rains heavily, too much rain can also kill them. In order to avoid this kind of problem, this essay studies the water scavenger. This design uses temperature and humidity sensor to detect temperature and humidity, and ultrasonic detection to detect water level. The AD conversion module converts the digital signal, and them using SCM for data analysis and processing, provides the signal for display and alarm circuit weather the water level is too high or the humidity is too low. In dry and hot weather, SCM control water pump for watering; When there is a rainstorm, the SCM controls the pump to pump water and store it in the container for use. Because of its advantages of simple circuit structure, easy operation, high reliability, short program and stable work, it has a good application prospect in the era of intelligent home furnishing.

关键词：积水清除 单片机 自动浇花 检测

1 作品功能及总体方案

1.1功能描述

这项工作是一个水清除器，可用于花园或梯田等实际场景。雨水时，蜂鸣器通过水位检测自动报警，并在水位超过设定在容器中。通过对土壤干湿度的检测，当土壤湿度低于设定的最小和最大湿度的平均值时，容器中的水自动浇水，直到土壤达到适当的湿度。

1.2 系统组成和工作过程

本系统以STC89C51是核心控制器，包括LCD显示模块、水位检测模块、湿度检测模块、继电器模块、电源模块、按键模块AD共有十个模块：转换模块、温度检测模块、蜂鸣器和水泵。

该系统由两部分组成：第一部分由温度检测模块检测温度和水位检测模块实时检测水位，并由单片机发送LCD1602显示。当超声波检测到水位高于预设值时，蜂鸣器报警，并控制泵抽水。第二部分是实时检测土壤干湿度的土壤检测模块，发送到单片机LCD土壤干湿度实时显示在显示屏上。当土壤湿度低于预设值时，由单片机控制继电器泵浇水，当土壤湿度大于预设值时停止浇水。如图1所示。

图1 框图由系统组成

2 硬件设计

2.1 硬件电路总体设计

图2 硬件电路总原理图

2.2 LCD显示模块设计

本系统采用LCD湿度传感器检测湿度后，1602显示模块LCD实时湿度显示在1602显示屏上。引脚1：VSS引脚2：VCC接5V正电源；引脚3：VEE通过2个液晶显示器对比度调整端.2K对比调节电压的电位器；引脚4:RS选择平(1)选择数据寄存器作为寄存器，低电平时(0)选择指令寄存器；引脚5:R/W高电平时读写信号线，低电平时写作； 引脚6：E当E端由高电平跳转为低电平时，执行命令； 7-14引脚：D0—D7为8位双向数据线；15引脚：背光源正极；16引脚：背光源负极。编程通过对RS、R/W、E三个引脚高低电平的调的初始化、写命令、写数据的操作LCD显示。

图3 LCD显示模块图

2.3 单片机模块电路设计

图4 单片机模块显示图

2.4 A/D转换模块电路设计

图5 A/D转换模块显示图

2.5 超声波测距模块电路设计

模块原理：

(1)采用IO口TRIG触发测距，至少10us高电平信呈。

(2)模块自动发送 8 个 40khz 自动检测方波是否有信号返回；

(3)有信号返回，通过 IO 口 ECHO 输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2;

接线包括VCC供5V电源，GND为地线，TRIG触发控制信号输入，ECHO四个接口端，如回响信号输出。若提供一个10uS上述脉冲触发信号将发出8个40kHz周期电平并检测回波。一旦检测到回波信号，输出回声信号，其脉冲宽度与测量距离成正比。距离可以通过发射信号到收到的回响信号的时间间隔来计算。

图6 超声波测距模块显示图

2.6 温度传感器模块设计

本实验选用温度传感器DS18B能满足日常生活的需要。板载DS18B20芯片DQ测量范围可达-550C到 1250C，误差±20C，小数点后两位点后两位。数据传输线连接到单片机相应的引脚，数据线从高电平拉到低电平，产生起始信号。15us之内将所需写的位送到数据线上，在15~60us单片机可以通过该芯片获得当前的环境温度，然后进行数据处理或调用。

图7 温度传感器模块设计图

2.7 蜂鸣器模块设计

本实验选用无源蜂鸣器，内部无冲击和源。如果直流信号不能工作，则需要使用2K-5K方波驱动，其优点是声音频率可控，通过编程可以发出哆来咪发索拉西，便于自定义。

图8 蜂鸣器模块设计图

2.8 水泵驱动板模块设计

一般来说，单片机不能直接控制水泵（电流太小）。如果需要单片机控制，则需要特殊的驱动芯片。L298N它具有驱动能力强、热量低、抗干扰能力强的特点。它是一种高压大电流电机驱动芯片。因此，它被用来取代继电器来控制水泵。如果没有相应的芯片，也可以使用三极管通过共发射极连接来控制水泵。

图9 L298N模块电路图

图10 三极管放大电路图

3 软件设计

3.1 主程序设计

主程序主要由超声波自动检测水位。水位达到一定值后，单片机判断是否高于设定的水位值，决定是否抽水，是否报警。土壤湿度达到一定值后，湿度检测器将湿度转换为数字信号，传输给单片机。报警液面高度、土壤干湿度范围、水泵抽水浇水也可通过按钮设置。如图11所示。

图11 主程序流程图

3.2 LCD模块程序设计

本系统采用LCD1602显示，通过ADC0832将单片机收集到的信息转换为数字信号，显示在显示屏上。开始后，执行初始化指令。初始化包括屏幕清晰度、光标归位、模式设置和显示开关控制设置。然后通过RS、R/W、E调节三个引脚高低电平，编写数据和指令，然后将数字信号转换为数字信号LCD显示在显示屏上。

图12 LCD模块流程图

3.3按键模块程序设计(积水利用装置)
该装置有四个按钮，单片机旁边的按钮是复位按钮，按下后单片机复位。K1.切换按钮，按下后可切换为设定湿度的最大值和最小值。K1，Max当处光标闪烁时，可以按下K2进行Max，Min按下增加值K3进行Max，Min降低值，从而不同程度地浇水不同的植物。

图13 按键模块流程图

3.4 按键模块程序设计(积水清除装置)

该装置有四个按钮，可以设置报警值，手动打开水泵。set按钮进入设置界面，两个按钮负责增加和降低报警值。设置后按下set退出键。还有一个手动抽水的按钮。

4 实验及结果

4.1超声波检测液面距离

利用单片机串口与电脑相连将超声波模块采集数据发送到电脑，可以将超声波模块发送数据实时打印出来。

图14 串口接收数据

实际中超声波采集数据通过LCD1602显示出来：（单位mm）

图15.1 LCD1602显示距离

当达到预设报警值时LCD1602中显示“WARN!”

图15.2 LCD1602显示报警状态

长按按键SET可进入设置界面修改报警阈值(默认为0.03M）：

图15.3 LCD1602设置界面

4.2 温度模块

通过DS18B20实现对环境温度的监控，由LCD1602显示：（单位：0C）

图16 LCD1602显示环境温度

4.3 积水利用装置（仿真）

1.绘制Proteus仿真实验原理图如下：

图 17 仿真实验原理图

2.开始仿真实验：

（1）首先模拟自动模式下的工作。先设置湿度上下限分别为Max：60%，Min：30%，而当前湿度为62%，大于Max与Min的平均值，所以不抽水。

图18 自动模式状态模拟

（2）调节滑动变阻器模拟土壤湿度变化，使当前湿度为43%，小于Max与Min的平均值，发光二极管开始发光，电动机转动模拟水泵开始抽水。

图19 模拟土壤湿度变化（1）

（3）调节滑动变阻器模拟土壤湿度变化，使当前湿度为45%，等于Max与Min的平均值，发光二极管熄灭，电动机模拟水泵抽水停止。

图20 模拟土壤湿度变化（2）

（4）模拟自动模式下，改变湿度上下限分别为Max：50%，Min：40%，而当前湿度为46%，大于Max与Min的平均值，电动机不转动，即水泵不抽水。

图21 模拟土壤湿度变化（3）

（5）调节滑动变阻器模拟土壤湿度变化，使当前湿度为41%，小于Max与Min的平均值，发光二极管开始发光，电动机转动模拟水泵开始抽水。

图22 模拟土壤湿度变化（4）

（6）调节滑动变阻器模拟土壤湿度变化，使当前湿度为45%，等于Max与Min的平均值，发光二极管熄灭，电动机模拟水泵抽水停止。

图23 模拟土壤湿度变化（5）

（7）切换为手动模式下的工作，设置湿度上下限分别为Max：50%，Min：40%，而当前湿度为45%，小于Max值，发光二极管开始发光，电动机转动模拟水泵开始抽水。

图24 手动模式状态模拟

（8）调节滑动变阻器模拟土壤湿度变化，使当前湿度为50%，等于Max值，此时发光二极管熄灭，电动机模拟水泵抽水停止。

图25 模拟土壤湿度变化（1）

而土壤湿度变化到大于Max值时（例如59%），水泵也不再抽水。

图26 模拟土壤湿度变化（2）

4.4 积水利用装置（实验）

1.实验开始，干燥度检测1%，低于Max，Min的平均值，LED亮，水泵开始抽水。

图27 实验操作步骤（1）

1. 使用潮湿纸巾覆盖在土壤检测装置上，模拟潮湿土壤，干燥度检测57.0%，高于Max，Min的平均值，LED熄灭，水泵停止抽水。

图28 实验操作步骤（2）

1. 使用干燥纸巾吸去潮湿纸巾上的水分，模拟土壤渐渐干燥，干燥度检测31.7%，低于Max，Min的平均值，LED亮起，水泵重新开始抽水。

图29 实验操作步骤（3）

附录1 实物照片