生活中，人工澆灌花木要耗費大量時間，而且土壤濕度不好控制，有時候由于主人長時間外出，家里的花木會因無人澆水而枯死。為了解決上述問題，本文利用單片機，設計了自動和手動澆花系統（如圖1所示）。

圖1 自動澆花系統

一、功能描述

系統有自動和手動兩種工作模式，兩種工作模式由手自動切換按鍵切換。系統開機進行自檢，如果系統有故障則報警，若系統工作正常則進入自動狀態，初始設定值為25%。當土壤濕度小于設定值時水泵工作澆水，當高于設定值加上偏移量（偏移量可根據實際確定，本文設為2）時系統停止加水。在自動工作模式下，如果由于缺水、加水不能停止或是測量信號不正常，則系統報警，水泵停止加水。在手動工作模式下，可按加水鍵和停止鍵實現手動加水和停止。背光按鍵控制液晶背光的開關。電路成品如圖2所示。

圖2 自動澆花系統電路板

二、硬件系統設計

（一）硬件系統構成

系統選擇的各種元器件都是目前市面上常見的，系統核心控制器件采用應用廣泛的STC公司的STC89C52RC單片機。除了單片機外，還包括土壤濕度傳感器、AD轉化器、LCD1602液晶顯示器、按鍵、指示燈、蜂鳴器、繼電器及水泵等。

（二）電路工作原理

電路原理圖見圖3，包括電源電路、晶振和復位電路、檢測電路、按鍵和顯示電路、報警電路、輸出控制電路。

1.電源電路

系統所需5V電源由外部直接提供，可由常見的各種手機充電器提供，留有USB電源端子和圓形端子跟外部電源連接，使用時連接其中之一，另外一個可以向外提供5V電源，方便系統電源連接。

2.晶振和復位電路

電容器C6、C7和晶振Y1構成振蕩電路，給單片機提供所需的時鐘。C8、R13和按鍵RST1構成單片機復位電路，實現上電復位和手動復位。

3.檢測電路

檢測電路由土壤濕度傳感器和AD轉換器組成，選擇價格便宜且使用方便的土壤濕度傳感器模塊和AD轉換器PCF8591模塊（見圖4）。該模塊有4路輸入、1路輸出，可滿足系統擴展需要。此電路把土壤濕度轉換成模擬量，經AD轉換后轉換成單片機可以識別的對應數字量。

圖4 土壤濕度傳感器和AD轉換模塊

4.按鍵和顯示電路

按鍵和顯示電路由四個獨立按鍵、LED指示燈和LCD1602構成，用于人機操作和系統各種工作狀態的信息顯示。

5.報警電路

報警電路由蜂鳴器和LED指示燈構成，實現聲光報警。聲音報警15次后停止，LED指示燈一直閃爍報警。

6.輸出控制電路

單片機引腳輸出信號通過驅動電路驅動繼電器，控制繼電器的通斷，用以驅動執行元件（文中為5V直流水泵）的通斷，LED指示燈顯示輸出狀態。

三、軟件系統設計

（一）系統流程圖（見圖5）

（二）系統軟件設計

系統采用項目化多文件，模塊化編程，便于程序編寫和程序移植。由main.c，I2C.c，KEYBOARD.C，Lcd1602.c文件和對應頭文件以及配置文件config.h組成。Lcd1602.c主要負責液晶的底層顯示驅動。I2C.c主要負責AD轉化器的底層功能驅動。KEYBOARD.C責按鍵處理，main.c負責系統初始化，自檢，土壤濕度檢測，中值濾波和信號線性化處理，手動自動程序運行。中斷程序負責，系統運行時的故障處理和報警，程序較短，也放在main.c中。整個項目，軟件按流程圖編寫，結構清晰，流程也比較清楚。為方便讀者學習和參考，把所有文件和程序都列了出來，并做了詳細的注釋。

整個項目的軟件按流程圖編寫即可，程序代碼如下（注意報紙因為版面原因，無法全部刊登，這里可以看到完整的代碼）。

參考程序

/***************************************

config.h

**************************************/

#ifndef _CONFIG_H

#define _CONFIG_H

/*通用頭文件*/

#include《reg52.h》

#include《intrins.h》

#define ON 0

#define OFF 1

#define OFFSET 2 //上下限偏差

/*數據類型定義*/

typedef unsigned char uchar ;//8位無符號數

typedef unsigned int uint ;//8位無符號數

/*IO引腳分配定義*/

sbit AK_KEY=P1^0;//背光控制

sbit UP_KEY=P1^1; //增加_啟動

sbit DN_KEY=P1^2;//減小_停止

sbit MA_KEY=P1^3;//手動_自動

sbit ALARM_LED=P1^4;//故障指示

sbit PUMP_LED=P1^5;//抽水指示

sbit MANUAL_LED=P1^6;//手動指示

sbit AUTO_LED=P1^7;//自動指示

sbit PUMP=P2^2;//水泵控制

sbit BUZZER=P2^3;//蜂鳴器報警

#define LCD1602_DB P0 //1602液晶數據口

sbit LCD1602_RS=P2^7; //1602液晶數據_指令選擇

sbit LCD1602_RW=P2^6; //1602液晶讀寫選擇

sbit LCD1602_E=P2^5; //1602液晶使能信號

sbit LCD1602_AK=P2^4; //1602液晶背光信號

sbit I2C_SCL=P2^1;//AD轉換器

sbit I2C_SDA=P2^0;

#endif

/***************************************

MAIN.H

***************************************/

#ifndef _MAIN_H

#define _MAIN_H

enum eStaSystem //系統運行狀態枚舉

{

E_AUTO，E_MANUAL，E_ALARM

}; //設置，自動，手動，故障報警

#ifndef _MAIN_C

extern enum eStaSystem staSystem;

#endif

void delayms（unsigned int t）;//延時函數

void SysInit（）;//系統初始化

void SelfCheck（）;//系統自檢

void AutoWork（）;//系統自動運行

void ShowLcd1602（）;//測量、狀態顯示

void Humidity（）;//土壤濕度檢測

unsigned char GetADCValue（unsigned char chn）; //AD轉換

void ConfigTimer0（unsigned int ms）; //T0 配置函數

#endif

/***************************************

main.c

***************************************/

#define _MAIN_C

#include“config.h”

#include “main.h”

#include “Keyboard.h”

#include “I2C.h”

#include “Lcd1602.h”

#define N 3 //AD采樣次數

#define OFFSET 2//上限偏移量

enum eStaSystem staSystem=E_AUTO;//初始為自動狀態

unsigned char T0RH=0; //定時器T0載值

unsigned char T0RL=0;

unsigned char TestVal;//測量值

unsigned char cnt; //蜂鳴器報警15次

//----------------------------------------------------------------------------------

void main （）

{

SysInit（）;

SelfCheck（）;

while（1）

{

KeyAction（）;

AutoWork（）;

}

}

/****************************************

函數功能：系統初始化

入口參數：無

*****************************************/

void SysInit（）

{

AK_KEY=OFF;//按鍵IO口初始化

UP_KEY=OFF;//

DN_KEY=OFF;

MA_KEY=OFF;

ALARM_LED=OFF;//指示燈熄滅

PUMP_LED=OFF;

MANUAL_LED=OFF;

AUTO_LED=OFF;

BUZZER=OFF;//關蜂鳴器

PUMP=OFF;//關水泵

LcdInit（）; // 初始化液晶

LcdShowStr（0，0， “-Auto watering- ”）; // 顯示系統自檢

LcdShowStr（1，1， “system testing”）; //

ConfigTimer0（10）; // 配置T0 定時10ms

EA=0;// 關中斷

}

/****************************************

函數功能：系統自動運行，故障報警

入口參數：無

*****************************************/

void AutoWork（）

{

if（staSystem==E_AUTO）

{

Humidity（）;

AUTO_LED=ON;

MANUAL_LED=OFF;

if（TestVal》96||TestVal《5）

{

staSystem=E_ALARM;

cnt=30;

EA=1;

}//故障

elseif（TestVal《SetVal）

{

PUMP=ON;

PUMP_LED=ON;

}

elseif（TestVal》（SetVal+OFFSET））

{

PUMP=OFF;PUMP_LED=OFF;

}

}

ShowLcd1602（）;//更新顯示

}

/****************************************

函數功能：系統自檢，故障報警

入口參數：無

*****************************************/

void SelfCheck（）

{

unsignedchar i，k，n;

unsignedchar temp;

for（i=0;i《3;i++）

{

ALARM_LED=ON;

PUMP_LED=ON;//抽水指示

MANUAL_LED=ON;//手動指示

AUTO_LED=ON;//自動指示

delayms（500）;

ALARM_LED=OFF;

PUMP_LED=OFF;//抽水指示

MANUAL_LED=OFF;//手動指示

AUTO_LED=OFF;//自動指示

delayms（500）;

}

BUZZER=ON;

delayms（500）;

BUZZER=OFF;

LcdClearScreen（）;

LcdShowStr（0，0，“Test Results：”）;

for（i=0;i《4;i++）//讀取3次測量結果，過高故障報警

{

temp=GetADCValue（3）;//直接讀取0通道

if（temp》240||temp《10）k++;

}

if（k》2）//自檢故障

{

EA=0;//關中斷

while（1）

{

ALARM_LED=ON;

LcdShowStr（1，10，“ERROR！”）;

delayms（550）;

LcdShowStr（1，10，“ ”）;

ALARM_LED=OFF;

delayms（250）;

if（n++《3）BUZZER=！BUZZER;

elseBUZZER=OFF;

}

}

LcdClearScreen（）;

}

/****************************************

函數功能：測量、狀態顯示

入口參數：無

*****************************************/

void ShowLcd1602（）

{

LcdShowStr（0，0，“PV：”）;

ShowNum（0，3，TestVal）;//顯示實測值

LcdShowStr（0，6，“%RH”）;

LcdShowStr（0，10，“State：”）;

LcdShowStr（1，0，“SV：”）;

ShowNum（1，3，SetVal）;//顯示設定值

LcdShowStr（1，6，“%RH”）;

if（staSystem==E_AUTO）LcdShowStr（1，10，“ Auto ”）;

elseif（staSystem==E_MANUAL） LcdShowStr（1，10，“Manual”）;

}

/**********************************************

函數功能：讀取當前的ADC 轉換值

入口參數：chn，AD通道號0-3

**********************************************/

unsigned char GetADCValue（unsigned charchn）

{

ucharval;

I2CStart（）;

if（！I2CWrite（0x48《《1）） // 尋址PCF8591 PCF8591，如未應答，則停止操作并返回，00

{

I2CStop（）;

return0;

}

I2CWrite（0x40|chn）;// 寫入控制字節，選擇轉換通道

I2CStart（）;

I2CWrite（（0x48《《1）|0x01）;// 尋址PCF8591 PCF8591，指定后續為讀操作

I2CReadACK（）;// 先空讀一個字節，提供采樣轉換時間

val= I2CReadNAK（）; // 讀取剛剛轉換完的值

I2CStop（）;

returnval;

}

/****************************************

函數功能：按升序排列數組元素

入口參數：數組及數組長度

*****************************************/

void SortArray（unsigned char a［］，unsignedchar a_len）

{

unsignedchar i，temp;

for（i=1;i《a_len;i++）

{

if（a［i-1］》a［i］）

{

temp=a［i-1］;

a［i-1］=a［i］;

a［i］=temp;

i=0;

}

}

}

/****************************************

函數功能：中值濾波，線性轉換后，獲得土

壤濕度0-100%

入口參數：無

*****************************************/

void Humidity（）

{

unsigned char i， tmp;

unsigned char adBuf［N］;

for（i=0;i《N;i++）adBuf［i］=GetADCValue（1）;//讀取濕度

SortArray（adBuf，sizeof（adBuf））;

tmp=adBuf［N/2］;

tmp=GetADCValue（3）;

TestVal=100-100.*tmp/255;

}

/****************************************

函數功能：配置定時器0，定時時間

壤濕度0-100

入口參數：ms，定時時間（毫秒）

****************************************/

void ConfigTimer0（unsigned int ms）

{

unsigned long tmp;

tmp = 11059200 /12; // 定時器計數頻率

tmp = （tmp * ms） /1000; // 計算所需的計數值

tmp = 65536 - tmp; // 計算定時器重載值

tmp = tmp + 12; // 修正中斷響應延時造成的誤差

T0RH = （unsigned char）（tmp 》》 8）; // 定時器重載值拆分為高低字節

T0RL = （unsigned char）tmp;

TMOD &= 0xF0; // 清零T0 的控制位

TMOD |= 0x01; // 配置T0 為模式11

TH0 = T0RH; // 加載T0 重載值

TL0 = T0RL;

ET0 = 1; // 使能T0 中斷

TR0 = 1; // 啟動T0

}

/****************************************

函數功能：延時函數

入口參數：t，延時約t毫秒

****************************************/

//---------延時----------------

void delayms（uint t）

{

uchari;

while（t--）

for（i=0;i《123;i++）;

}

/****************************************

函數功能：T0 中斷服務函數

入口參數：無

****************************************/

void InterruptTimer0（） interrupt 1

{

static unsigned char tmrms=0;

static unsigned char tmr=0;

TH0 = T0RH; // 定時器重新加載重載值

TL0 = T0RL;

tmrms++;

tmr=（tmr+1）%100;

if（staSystem==E_ALARM） //故障液晶報警顯示

{

if（tmr《50）LcdShowStr（1，11， “ALARM ”）;

elseLcdShowStr（1，11， “ ”）;

if（tmrms》=50） // 定時0.5s

{

tmrms=0;

ALARM_LED=！ALARM_LED;

if（cnt》0）{cnt--;BUZZER=！BUZZER;}

else{BUZZER=OFF;}

}

}

else

{

ALARM_LED=OFF;

BUZZER=OFF;

}

}

/***************************************

Lcd1602.h

***************************************/

#ifndef _LCD1602_H

#define _LCD1602_H

#ifndef _LCD1602_C

#endif

void LcdWaitReady（）; //讀取“忙”表示，等待液晶準備好

void LcdWriteCmd（unsigned char cmd）;//給液晶發送命令cmd

void LcdWriteDat（unsigned char dat）; //寫入數據函數

void LcdClearScreen（）;//液晶清屏

void LcdInit（）; //液晶初始化函數

void CursorPos（unsigned char row，unsignedchar col）;//光標定位

void ShowNum（unsigned char row，unsignedchar col，unsigned char Num）;//顯示3位數

void LcdShowStr（unsigned char row， unsignedchar col，unsigned char code *str）; //顯示字符串

#endif

/***************************************

Lcd1602.c

***************************************/

#define _LCD1602_C

#include“config.h”

#include“Lcd1602.h”

/********************************************

函數功能：判斷液晶模塊忙碌狀態。忙，等待。

入口參數：無。

********************************************/

void LcdWaitReady（） //讀取“忙”表示，等待液晶準備好

{

unsigned char sta;

LCD1602_DB = 0xFF;

LCD1602_RS = 0;

LCD1602_RW = 1;

do// do.。.while 循環語句

{

LCD1602_E= 1;

sta= LCD1602_DB; //讀取狀態字

LCD1602_E= 0; //讀完了要關閉使能，防止液晶輸出數據干擾總線

}while （sta & 0x80）; //bit7 等于1 表示液晶正忙，重復檢測直到其等于0 為止

}

/************************************************

函數功能：給液晶發送命令

入口參數：cmd

**************************************************/

void LcdWriteCmd（unsigned char cmd）

{

LcdWaitReady（）;

LCD1602_RS = 0;

LCD1602_RW = 0;

LCD1602_DB = cmd;

LCD1602_E = 1;

LCD1602_E = 0;

}

/************************************************

函數功能：給液晶發送數據

入口參數：dat

**************************************************/

void LcdWriteDat（unsigned char dat） //寫入數據函數

{

LcdWaitReady（）;

LCD1602_RS = 1;

LCD1602_RW = 0;

LCD1602_DB = dat;

LCD1602_E = 1;

LCD1602_E = 0;

}

/************************************************

函數功能：清屏

入口參數：無

**************************************************/

void LcdClearScreen（）

{

LcdWriteCmd（0x01）;

}

/************************************************

函數功能：液晶初始化

入口參數：無

**************************************************/

void LcdInit（） //液晶初始化函數

{

LcdWriteCmd（0x38）; //16*2 顯示，5*7 點陣，8 位數據接口

LcdWriteCmd（0x0C）; //顯示器開，光標關閉

LcdWriteCmd（0x06）; //文字不動，地址自動加1

LcdWriteCmd（0x01）; //清屏

}

/************************************************

函數功能：定位光標

入口參數：row行位置，col列位置

**************************************************/

void CursorPos（unsigned char row，unsignedchar col）

{

row%=2; col%=40; //防止越界

if（row）LcdWriteCmd（0xC0+col）; //第2行

elseLcdWriteCmd（0x80+col）; //第1行

}

/************************************************

函數功能：顯示3位數

入口參數：row行位置，col列位置，Num顯示數據

**************************************************/

void ShowNum（unsigned char row，unsignedchar col，unsigned char Num）

{

row%=2; col%=40; //防止越界

LcdWriteCmd（0x80+row*0x40+col）;//光標定位

if（Num《10）

{

LcdWriteDat（‘’）; //百位

LcdWriteDat（‘’）;//十位

LcdWriteDat（Num%10+‘0’）;//個位

}

elseif（Num《100）

{

LcdWriteDat（‘’）; //百位

LcdWriteDat（Num/10%10+‘0’）; //十位

LcdWriteDat（Num%10+‘0’）; //個位

}

else

{

LcdWriteDat（Num/100+‘0’）; //百位

LcdWriteDat（Num/10%10+‘0’）; //十位

LcdWriteDat（Num%10+‘0’）; //個位

}

}

/************************************************

函數功能：在給定位置顯示字符串

入口參數：row行位置，col列位置，str字符串

**************************************************/

void LcdShowStr（unsigned char row， unsignedchar col， unsigned char code *str） //顯示字符

{

uchari=0;

row%=2;col%=40; //防止越界

LcdWriteCmd（0x80+row*0x40+col）;//光標定位

for（;col《40&&str［i］！=0;i++，col++）{LcdWriteDat（str［i］）;}

}

/***************************************

I2C.h

***************************************/

#ifndef _I2C_H

#define _I2C_H

#ifndef _I2C_C

#endif

void I2CStart（）; // 產生總線起始信號

void I2CStop（）; // 產生總線停止信號

bit I2CWrite（unsigned char dat）; //I2C 總線寫操作，待寫入字節dat dat，返回值為應答狀態

bit I2CWrite（unsigned char dat）; //I2C 總線寫操作，待寫入字節dat dat，返回值為應答狀態

unsigned char I2CReadACK（）; //I2C 總線讀操作，并發送應答信號，返回值為讀到的字節

unsigned char I2CReadNAK（）;

#endif

/***************************************

I2C.c

***************************************/

#define _I2C_C

#include “config.h”

#include “I2C.h”

#define I2CDelay（）{_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;}

/********************************************

函數功能：產生總線起始信號。

入口參數：無。

********************************************/

void I2CStart（）

{

I2C_SDA = 1; //首先確保SDA、SCL 都是高電平

I2C_SCL = 1;

I2CDelay（）;

I2C_SDA = 0; //先拉低SDA

I2CDelay（）;

I2C_SCL = 0; //再拉低SCL

}

/********************************************

函數功能：產生總線停止信號。

入口參數：無。

********************************************/

voidI2CStop（）

{

I2C_SCL = 0; //首先確保SDA、SCL 都是低電平

I2C_SDA = 0;

I2CDelay（）;

I2C_SCL = 1; //先拉高SCL

I2CDelay（）;

I2C_SDA = 1; //再拉高SDA

I2CDelay（）;

}

/********************************************

函數功能：I2C 總線寫操作，返回值為應答狀態。

入口參數：待寫入字節dat。

********************************************/

bit I2CWrite（unsigned char dat）

{

bit ack; //用于暫存應答位的值

unsigned char mask; //用于探測字節內某一位值的掩碼變量

for （mask=0x80; mask！=0; mask》》=1） //從高位到低位依次進行

{

if （（mask&dat） == 0） //該位的值輸出到SDA 上

I2C_SDA = 0;

else

I2C_SDA = 1;

I2CDelay（）;

I2C_SCL = 1; //拉高SCL

I2CDelay（）;

I2C_SCL = 0; //再拉低SCL，完成一個位周期

}

I2C_SDA = 1; //8 位數據發送完后，主機釋放SDA，以檢測從機應答

I2CDelay（）;

I2C_SCL = 1; //拉高SCL

ack = I2C_SDA; //讀取此時的SDA 值，即為從機的應答值

I2CDelay（）;

I2C_SCL = 0; //再拉低SCL 完成應答位，并保持住總線

return （~ack）; //應答值取反以符合通常的邏輯：0=不存在或忙或寫入失敗，1=存在且空閑或寫入成功

}

/********************************************

函數功能：I2C 總線讀操作，并發送非應答信號，

返回值為讀到的字節。

入口參數：無。

********************************************/

unsigned char I2CReadNAK（）

{

unsigned char mask;

unsigned char dat;

I2C_SDA = 1; //首先確保主機釋放SDA

for （mask=0x80; mask！=0; mask》》=1） //從高位到低位依次進行

{

I2CDelay（）;

I2C_SCL = 1; //拉高SCL

if（I2C_SDA == 0） //讀取SDA 的值

dat &= ~mask; //為0 時，dat 中對應位清零

else

dat |= mask; //為1 時，dat 中對應位置1

I2CDelay（）;

I2C_SCL = 0; //再拉低SCL，以使從機發送出下一位

}

I2C_SDA = 1; //8 位數據發送完后，拉高SDA，發送非應答信號

I2CDelay（）;

I2C_SCL = 1; //拉高SCL

I2CDelay（）;

I2C_SCL = 0; //再拉低SCL 完成非應答位，并保持住總線

return dat;

}

/********************************************

函數功能：I2C 總線讀操作，并發送應答信號，

返回值為讀到的字節。

入口參數：無。

********************************************/

unsigned char I2CReadACK（）

{

unsigned char mask;

unsigned char dat;

I2C_SDA = 1; //首先確保主機釋放SDA

for （mask=0x80; mask！=0; mask》》=1） //從高位到低位依次進行

{

I2CDelay（）;

I2C_SCL = 1; //拉高SCL

if（I2C_SDA == 0） //讀取SDA 的值

dat &= ~mask; //為0 時，dat 中對應位清零

else

dat |= mask; //為1 時，dat 中對應位置1

I2CDelay（）;

I2C_SCL = 0; //再拉低SCL，以使從機發送出下一位

}

I2C_SDA = 0; //8 位數據發送完后，拉低SDA，發送應答信號

I2CDelay（）;

I2C_SCL = 1; //拉高SCL

I2CDelay（）;

I2C_SCL = 0; //再拉低SCL 完成應答位，并保持住總線

return dat;

}/***************************************

Keyboard.h

***************************************/

#ifndef _KEY_BOARD_H

#define _KEY_BOARD_H

#ifndef _KEY_BOARD_C

extern unsigned char SetVal;

#endif

void KeyAction（）;//按鍵處理，手動運行

#endif

/***************************************

KEYBOARD.C

***************************************/

#define _KEY_BOARD_C

#include “config.h”

#include “keyboard.h”

#include “Lcd1602.h”

#include “main.h”

unsigned char SetVal=25;//設定初始值

/****************************************

函數功能：按鍵處理，手動運行

入口參數：無

*****************************************/

void KeyAction（）

{

if（AK_KEY==0）//LCD1602背光控制

{

delayms（10）;

if（AK_KEY==0）

{

LCD1602_AK=！LCD1602_AK;

while（！AK_KEY）;

}

}

if（MA_KEY==0）

{

delayms（10）;

if（MA_KEY==0）

{

if（staSystem==E_AUTO）

{

staSystem=E_MANUAL;

AUTO_LED=OFF;

MANUAL_LED=ON;

}

elseif（staSystem==E_MANUAL）

{

staSystem=E_AUTO;

AUTO_LED=ON;

MANUAL_LED=OFF;

}

while（！MA_KEY）;

}

}

if（staSystem==E_MANUAL）//手動工作狀態

{

if（UP_KEY==0）{PUMP=ON;PUMP_LED=ON;}//手動開

elseif（DN_KEY==0）{PUMP=OFF;PUMP_LED=OFF;}//手動關}

}

elseif（staSystem==E_AUTO）//自動狀態

{

if（UP_KEY==0）

{

delayms（10）;

if（UP_KEY==0）

{

if（SetVal《100） SetVal++; //設置+

while（！UP_KEY）;

}

}

if（DN_KEY==0）

{

delayms（10）;

if（DN_KEY==0）

{

if（SetVal》0） SetVal--; //設置-

while（！DN_KEY）;

}

}

}

}
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