基于单片机的盆栽智能浇水控制系统设计
【摘要】本系统针对盆栽浇水费时费力，容易遗忘，难以保持适宜的土壤湿度等不足，设计一种基于MSP430F149单片机的智能浇水控制系统。本系统通过检测土壤湿度，判断是否需要浇水，当土壤湿度不足时，单片机控制继电器打开电磁阀放水，在备用水不够的时候还能够报警提示，提醒人们对备用水进行加水，主人外出再也不用担心盆栽由于缺水发育不良。本系统具有功耗低、自动调节湿度等优点。
随着人们对生活质量要求的提高，在单调狭小的办公环境下种植几个盆栽，不仅能够优化环境，还能缓解工作疲劳，给人一种赏心悦目的感受，让人们工作效率得到提高，但是在日常的管理中很麻烦，例如，不同的植物，对水的需求不同，人工浇水不仅耗时费力还不容易控制水量。本设计能够实时的检测盆栽土壤湿度，还能够根据湿度进行自动浇水等操作，保证土壤湿度以适合植物的生长环境[1]。
1系统总体方案设计
盆栽智能浇水系统由五个模块组成，控制模块、传感模块、电源模块、浇水模块、报警模块[2]。首先，通过湿度传感器检测土壤湿度，传感模块将湿度信号转换成模拟信号，把传感模块处理过的信号通过AC接口传给单片机转换成数字信号，通过传感模块上电位器来调节相应的阈值，使湿度低于一定值的时候触发浇水模块，对盆栽进行自动浇水。当备用水低于一定值时，会触发报警模块进行报警，提醒人们进行加水。
2系统各部分硬件电路设计
2.1单片机最小系统设计
本设计以MSP430F149单片机作为整个系统的数据处理中心，担负着对各个模块数据的处理[3]。传感器采集到的模拟电信号经过单片机的A/D转换，变成数字电信号，便于处理。当收到的电压信号超过阈值时，单片机判断盆栽缺水，并控制自动浇水模块浇水。当报警模块检测到备用水位太低时，将信号发送给单片机，单片机收到备用水不足的信号后，控制报警模块进行提醒，提示人们该对备用水加水了。MSP430F149单片机功耗低，拥有高精度的A/D转换能力，十分适合作本系统的控制模块[4]。
2.2土壤湿度检测电路设计
本设计采用YL-69土壤传感器检测土壤湿度信号，将检测的信号通过调理电路转化为模拟电信号，然后将模拟电信号通过AC端口传输给单片机MSP430F149的P6.1端口。调理电路由电压比较器LM393构成，由于调理电路输出的模拟信号比数字信号精度高，所以将模拟信号传给单片机，能够更敏感的感知土壤湿度。
当土壤湿度比较大时，传感器输入单片机的电压小，当土壤湿度较小时，传感器输入单片机的电压大，因此可以通过电压值来估量土壤湿度，进而使土壤湿度保持在一定的范围。本系统可以根据自己种植的植物所适宜的土壤湿度，来设置传感器的阈值电压，在电压大于阈值的时候，单片机判断土壤湿度低，触发自动浇水模块，对盆栽进行浇水。湿度检测电路图如图2所示。
2.3自动浇水电路设计
本设计采用继电器和电磁阀2W160-15完成自动浇水操作，通过单片机P1.0口来控制该模块，在盆栽土壤缺水时，传感器输出电压大于设定的阈值，单片机收到信息后输出高电平，使光耦合器输出高电平，三极管Q2导通，进而控制继电器闭合使电磁阀打开，自动浇水模块启动，对盆栽开始浇水。在土壤湿度足够时，传感器输出电压低于设定的阈值，传感模块输出低电平给单片机，单片机收到信息后输出低电平，使三级管Q1截止，光耦的发光二极管不工作，导致光耦合器输出低电平，继电器开启，电磁阀处于闭合状态，不进行浇水操作[5]。由此实现自动浇水操作。自动浇水电路图如图3所示。
2.4系统报警电路设计
报警模块主要检测备用水是否足够，在备用水不足的时候被触发进行报警，并关闭自动浇水模块。当水量充足的时候，报警系统关闭状态，自动浇水模块正常工作，水箱中开关是由浮子和弹簧开关构成，在水箱水量充足时，浮子上升，开关关闭，报警系统关闭。当水箱中水量不足时，浮子下降，开关打开。当开关打开时，单片机输出低电平，触发报警模块。报警模块电路用单片机P4.2口控制，在备用水饱和的时候，单片机输出高电平，使蜂鸣器报警。在备用水适量的时候，单片机输出低电平，蜂鸣器停止工作，当备用水不足时，单片机交叉输出高低电平，蜂鸣器发出规律的响声提醒人们加水。
2.5电源电路设计
本设计中MSP430F149单片机需要使用3.3V电压供电，自动浇水模块需要12V电压，继电器需要5V电压供电，因此采用12V电压输入，直接给自动浇水模块进行供电，然后通过三端稳压器7805进行稳压，输出5V电压并对继电器进行供电，再由SPX1117对5V电压进一步降压，输出3.3V电压给单片机供电。
3系统软件设计
本系统工作流程较简单，步骤较少，使用C语言进行编程，能够给本系统更好的性能，使本系统拥有稳定和高效的软件。首先对系统进行初始化，然后通过报警模块判断备用水是否充足，如果不足就报警提示，充足就通过传感器感应的土壤湿度，根据土壤湿度，正常执行自动浇水程序，调节土壤湿度范围。程序流程图如图4所示。
4系统测试
首先将传感器放在不同湿度的土壤中，测量湿度传感器在该土壤湿度下输出的电压值，再将湿度与电压值之间的关系做成表格。通过表格，本系统可以对土壤湿度进行精确的控制，保证土壤湿度在合适的范围，为植物创造良好的生长环境。土壤湿度与电压之间的关系如表1所示。
5结束语本设计
以MSP430F149单片机和湿度传感器为基础，设计并制作了一种智能盆栽浇水系统，该系统能够实时检测土壤湿度，根据当前土壤湿度进行调节的系统，可以保持盆栽植物在合适的环境下生长，用户不必担心忘记浇水，为我们减轻负担，还能欣赏到美丽的盆栽。
