自动浇花机浇花机1.doc

自动浇花机的设计摘要：随着现代生活的发展，许多城乡居民喜欢在家中种植一些花草，但由于主人出差或有事外出等原因花草的供水会中断，从而干枯。为了解决这个问题，本文设计了由湿敏传感器、比较电路、放大电路、驱动电路、继电器、电磁阀和电源电路组成简易自动浇花机。该浇花机可以自动感应土壤湿度，在比较电路中与基准湿度对应电压进行比较，从而对电磁继电器与电磁阀进行控制，以达到自动浇花的目的。本文主要阐述了系统以及系统组成的工作原理和设计过程。关键字：浇花机 湿敏传感器 比较器引言随着生活水平的提高，许多的城乡居民为了美化环境，净化空气，喜欢在家中种植一些花草。而植物是离不开水的，需要常常浇灌。而人们出差或有事不在家时，植物的供水就会中断，植物面临干枯1，从而影响到植物的正常生长。而本文介绍的自动浇花机都会根据花草对于土壤湿度的需求，而自动进行浇花，即可靠、方便也适用于实际生活。1、简易自动浇花机的工作原理 在本次设计中利用湿敏传感器感应土壤湿度【2】从而控制后面的装置，达到自动浇花的目的。整个装置由电源电路、湿度传感器、放大电路、比较电路、继电器、电磁阀和储水浇灌装置构成。图1即为自动浇花机的系统组成部分。图1 自动浇花机的系统组成 该系统是利用电容式湿敏传感器【3】感应土壤湿度，当土壤的湿度发生变化时，其电容值也发生相应的变化，经过电容湿敏传感器转换电路后，输出电压也发生了相应的变化。由于输出电压较小，不易测量，因而要经过一个放大电路把电压放大。放大的电压作为比较电路的输入电压，与基准电压进行比较。该基准电压即为土壤的标准湿度对应的电压值。当土壤的湿度小于规定湿度时，即转换的电压值小于基准电压，输出端为高电平，从而使电磁继电器闭合，控制电磁阀打开，使储水浇灌装置对植物进行浇灌。当水浇灌到一定量时，土壤的湿度大于规定湿度，即转换的电压值会大于基准电压，此时，比较器的输出端为低电平，继电器打开，电磁阀关闭，浇灌装置停止浇灌。2、系统各部分组成及工作原理 2.1湿敏传感器土壤湿度表示一定深度土层的土壤干湿程度的物理量，过低或过高都会影响植物的正常生长【4】。所以为了使植物正常生长，必须提供给土壤适当的水分【5】。为了达到自动浇花的目的，在设计中必须测量土壤的湿度。 表1 湿度传感器的参数考虑到设计成本以及简易程度和实现的可能性，本文利用湿度传感器对土壤湿度进行测量。在选择湿度传感器时，理想情况下应当选择能够插在土壤中，与理想土壤接触可以随时感应土壤的湿度变化的传感器。在本文中我们使用的是HS1101相对湿度传感器（电容传感器）。HS1101相对湿度传感器实物图如图2所示，湿度传感器的参数如表1所示6： 供电电压（V）510(DC)工作温度（）40100湿度范围（%RH）0100标称电容（ pF）163202（温度25%，供电电压为5V）平均灵敏度（ pF/%RH）0.34反应时间(s)5 图2 HS1101相对湿度传感器 HS1101电容传感器输出电容值与湿度的关系如公式21所示： C=C0*（1.2510-7N31.3610-5N2+2.1910-3N+910-1） （21）式中 C、C0分别为不同的湿度对应的电容值和湿度为55%RH是对应得电容值； N湿度的值。2.2电容式湿敏电阻HS1101的转换电路 由电容式湿敏电阻HS1101的线性电压输出回路内部电路方块图如图3所示6 ，它可将湿度传感器的电容变化转换为电压变化。图3 电容式湿敏电阻HS1101的线性电压输出回路内部电路方块图当环境温度为25，电源电压为5V时，电压输出方程式如公式22所示为 Vout =Vcc（0.00474N+0.2354） （22）式中 Vout、Vcc电路输出电压和5V的电源电压N湿度的值。输出的电压与湿度的对应关系如表2所示表2 湿度传感器转换电路输出电压湿度（%RH00102030405060708090100电压（V）1.411.651.892.122.362.602.833.073.313.552.3 放大电路设计将湿敏电阻放在一个简单电路中，当土壤湿度发生变化后，湿敏电阻两端的电压也会发生相应的变化，通过测量电阻两端的电压可以测量湿敏电阻的变化值。由于产生的电压值较小，因而需要一个放大电路将电压值进行放大，在本文中由于在湿度范围为10%RH100%RH对应的电压为1.41V3.55V，用电压表测量不很准确，因而将其放大。在该文中运用反相串联结构型的双运放高共模抑制比放大电路，如图4所示【7】：图4 反相串联结构型的双运放高共模抑制比放大电路放大电路的输出电压uo如公式23所示 uo=R2/R1*R6/R4*ui1 R6/ R 5 *ui2 （23） 当R2/R1= R4/R5，ui1= ui2时，输出电压为零，共模信号得到了抑制。由此可见，这种电路的共模抑制能力只与外接电阻对称精度有关，但电路的输入阻抗低。通常，为了使ui1 、ui2负载相同，取R2=R1 ，R2=R4。2.4比较电路设计为了使系统达到自动控制的目的，需要将放大电路的输出电压接入比较电路与基准电压进行比较。它是重要的接口电路。它分为：电平比较电路、滞回比较电路和窗口比较电路。 本系统中利用差动型电平比较器。所设定进行检测的门限电平VREF，又称基准电压（即为土壤的标准湿度转换为的电压值）接至比较器的一个输入端，用来和输入电压进行比较，系统比较电路的设计如图5所示。当VsVREF时，输出电压为高电平，此时使继电器闭合，反之为低电平可以使继电器打开。若将VREF与Vs对调，则传输特性相反。在此电路中Vz起到稳压的作用6。图5 系统比较电路设计 不同植物需要的湿度不同，从而对应的基准电压也不同。一般植物对湿度要求不高，基本在50%RH左右即可，因而我们可以将基准电压设定为50%RH所对应的电压值为2.36V。由于传感器的转换电路输出的电压经放大电路放大，因而这里的基准电压为12V即可。2.5 电源电路的设计在设计中，湿敏传感器、电磁继电器、电磁阀都需要电源供电。因而选用电源电压必须稳定而且减少消耗。因而在设计中应当有电源管理电路。电源管理电路可以减少电路无效操作时功耗的比例的目的，它采用的是独立供电的方式。设计中使用7812电源管理芯片实现电压的节能稳定。7812的恒流稳压电路【8】设计如图6所示：图6 7812的恒流稳压电路其中湿敏传感器的工作电压为5V，基准电压、电磁继电器和电磁阀的工作电压为12V。2.6 系统测试结果将比较电路的基准电压设定为5V，系统测试电路图如图7所示。图7 系统测试电路图 实验观察，土壤湿度较干时，即土壤湿度低于50%RH，自动浇花机的电磁阀打开，控制储水浇灌装置进行浇灌，当浇灌到一定量后，电磁阀关闭，储水浇灌装置停止浇灌。实现自动浇花的目的。3 结论 基于比较电路的简易浇花机设计全部由电路实现，设计思路简单，成本低，不需要繁