智能型自动浇水（AT89S51单片机）系统的设计

　　摘要：以温湿度传感器为检测元件, 采用AT89S51型单片机, 实现了对农作物所处土壤环境的实时监测, 控制灌溉系统达到自动浇水的目的。温度传感器将温度传递给单片机, 单片机与开始设定好的温度相比较, 判断是否适合浇水。如果适合浇水, 湿度传感器将检测的湿度值通过ADC转换成数字信号送入单片机, 单片机通过与设定湿度比较, 高于设定湿度就不浇水, 低于设定值单片机会发出一个指令控制继电器开关闭合。整个过程中的温度湿度通过LCD显示器显示。系统应用于南疆某地棉田和枣园, 效果较好, 节约了灌溉用水, 提高了生产效率。

　　关键词：单片机; 温湿度传感器; 自动浇水系统; 自动控制; 农田灌溉;

　　Abstract：The temperature and humidity sensor is used as the sensing element, using AT89 S51 single chip micro computer, realize real-time monitoring of the soil environment in which crops are located, control the irrigation system to achieve the purpose of automatic watering. The temperature sensor transfers the temperature to the AT89 S51 single chip micro computer, and it will be compared to the temperature at which it was set to determine whether it is suitable for watering. If suitable for watering, the humidity sensor converts the detected humidity value into the digital signal through the ADC into the AT89 S51 single chip micro computer, the AT89 S51 single chip micro computer is compared with the set humidity, higher than the set humidity is not watering, below the setpoint the AT89 S51 single chip micro computer will issue an instruction to control the relay switch to close-up. The temperature and humidity throughout the process are displayed on the LCD screen. Practice applied to the cotton field and jujube garden in southern Xinjiang and the effect is good. Saving irrigation water, improve production efficiency.

　　Keyword：single chip micro computer; temperature and humidity sensor; automatic watering system; automatic control; irrigation;

　　随着信息技术和智能控制技术的发展, 自动灌溉技术朝着智能化、便捷化的无人操作化方向发展, 已有很多大型企业在智能型自动浇水技术方面取得了重大突破, 如水泵机组喷灌技术、阀门技术、微喷灌技术、中心控制系统软硬件技术、农田自动施肥及施药技术等。在新疆南部地区, 其绿洲生态农业的特点, 对节约用水、智能化灌溉具有更加强烈的需求。但目前该地区在农田灌溉方面还是以漫灌为主, 造成了有限的水资源的浪费, 加剧了灌溉用水的供需矛盾;同时, 漫灌作业还存在灌溉不均匀、作业效率低、浪费人工工时等缺点。基于此, 设计了一套基于单片机控制的智能化浇水系统。该系统在阿克苏某农场试用一年, 获得了较好的效果, 应用于百亩枣园和3.3hm2棉田的自动灌溉, 同比节水38%, 每3.3hm2农田平均节约人工25个工作日;但附加了设备、电力成本和系统运行维护成本。

　　1、总体方案

　　智能型自动浇水系统的设计是由AT89S51单片机为核心, 配合外围温湿度检测电路组成。在硬件电路设计方面, 选择稳定性强的AT89S51单片机, 能很好地保证整个浇水系统的正常工作。通过与外围电路的配合可以实现对信息的采集、传输、处理等操作, 并且直观体现出来。

　　程序是这个浇水系统的灵魂, 它将每个部分相互连接起来, 让其有条不紊的工作。程序执行时, 首先对采集的信息进行处理、比较与判断, 再将信息通过LCD显示器显示, 同时驱动电机工作, 实现浇水。系统具有工作过程稳定, 可以实时反应环境变化, 准确实现浇水的优点。

　　2、硬件设计

　　2.1、AT89S51单片机

　　单片机内部电路主要由CPU、存储器、定时器及I/O接口组成。本次设计采用的AT89S51单片机是一款功耗低、高性能的单片机, 拥有一个4k B的Flash程序存储器, 一个128 B的高速RAM, 在提升单片机运行速度的同时还降低了功耗。片内有2个16位的定时器/计数器, 5个中断请求源。

　　2.2、温度传感器

　　温度传感器对温度的采集选用PR-35封装的DS18B20测量实际温度。DS18B20数字温度计可以直接读取数字温度, 使单片机对它的控制十分简单, 也省去了复杂的测温电路。它的DQ引脚与单片机引脚相连, 数据的传输和供电都可以通过DQ引脚, 当然也可以外接电源。DS18B20最高测量温度是+125℃最低测量温度是-55℃, 误差在±5℃之间。

　　温度测量开始后, 单片机首先对DS18B20发出一个复位的信号, DS18B20收到信号后会回执单片机一个脉冲, 单片机与DS18B20之间的数据通信开始;接下来单片机会发送一个ROM指令给DS18B20, 再发送一个存储器操作指令, 该指令的功能是规定DS18B20怎样工作。当要读取温度值时, 就要执行两次这样的工作周期, 然后就得到了温度值。

　　设计中DS18B20采用寄生电源的方法与单片机进行连接, 即将VDD电源引脚与单总线并联, 如图1和图2所示。

图1 DS18B20的引脚图

图2 DS18B20与单片机连接图

　　2.3、湿度传感器

　　YL-69土壤湿度传感器由两部分组成:一部分是两个长引脚的湿度采集部分, 引脚上面做了镀镍处理, 工作原理类似于检测电阻的大小。即水分较多时土壤导电能力大, 电阻就小;水分少时土壤导电能力弱, 电阻就大。另一部分是信息处理部分, 一个LM393芯片, 功能是将检测到的湿度与设定值相比较, 芯片上还有一个灵敏度调节电位器, 可以通过它设置湿度的上下限值。

　　湿度传感器的特性:

　　1) 为了延长传感器的使用寿命和提高导电性能, 特地在两脚的感应面上做了镀镍处理;

　　2) 电源引脚Vcc接3.3~5 V的电压, GND引脚接地。D0引脚接到单片机上就可以传输数据。

　　湿度传感器需要通过ADC0832进行数据转换单片机才能读取数据, ADC0832是一个8位分辨率的A/D转换芯片, 在模拟量转换方面表现优越。图3是ADC083的引脚图;图4是湿度传感器与ADC0832连接图。

图3 ADC0832引脚图

图4 湿度传感器与ADC0832连接图

　　2.4、电机驱动电路

　　单片机对电机的驱动是用两个不同的继电器实现的。继电器KA1由常开继电器与常开接触器SB1并联, 继电器KA2由常闭继电器与常闭接触器SB2串联。当单片机判断需要浇水时, 单片机会发出一个信号, 让继电器KA1开关吸合, 电源被接通, 电路自锁, 电机开始工作;当单片机判断不需要浇水时, 继电器KA2开关吸合, 电源断开, 电机停止工作。其原理如图5所示。

　　2.5、智能型自动浇水系统原理图

　　智能型自动浇水系统的控制原理如图6所示。

　　3、软件设计

　　软件设计方面采用的是C语言编程, 编程工具是keil。程序以单片机驱动继电器工作为最终目的, 通过对比采集到的数据, 通过显示器显示并对继电器输出相应指令, 使其工作。自动浇水系统流程图如图7所示。

　　当系统接通电源后, 蜂鸣器发出一声警报, 初始化I/O口, 单片机读取温度值。温度上下限值可以自己设定, 且每次设定都能被记忆下来, 断电之后不会消失。系统首先对温度进行检测, 如果检测温度不在初始设定的浇水温度范围之内, 单片机将不执行浇水。如果温度在浇水温度区间内, 程序接着向下执行, 开始检测土壤湿度。土壤湿度的对比是通过LM393芯片完成的, 信息通过ADC0832传递给单片机。单片机发出指令, 继电器KA1吸合开关, 电路自锁, 电机持续浇水, 同时蜂鸣器发出警报。在单片机执行浇水的同时, 湿度传感器仍在检测土壤湿度, 当湿度达到设定上限时, 继电器KA2吸合开关, 自锁电路断开, 电机失电, 浇水停止。

图5 继电器控制电动机电路

图6 智能型自动浇水原理图

图7 浇水自动控制流程图

　　4、田间试验

　　4.1、试验基本条件

　　田间性能试验在位于阿克苏地区的阿拉尔市幸福农场进行。试验农田1为枣园, 面积6.7hm2, 树龄8年, 处于挂果盛期;试验农田2为棉田, 面积3.3hm2。该地区农田属于硫酸盐盐化潮土, 质地中壤, 土壤干容重1.43~1.53g/cm3。田间持水量为28%~32%, 饱和含水量为43%~50%。试验农田自然降水与蒸发量:年平均降水量79.6mm, 主要降雨时段集中在5-9月。该地区年蒸发量为1 680~2 202mm, 是年降水量的27倍, 一年之中以5-8月蒸发量最大, 月平均蒸发量260~360mm, 冬季蒸发量较小为20mm左右。试验农田土壤温度:平均温度12.015.1℃, 地面极端最高温度62.471℃, 极端最低温度-27-20℃;试验年度5-9月平均温度23℃, 最高温度51℃。

　　4.2、试验方法

　　4.2.1、枣园

　　自动浇水系统投入前, 试验农田的灌溉均为自然漫灌, 地面以下20cm处土壤平均水分含量5%~7%。根据农民的实践经验决定灌溉时间和灌溉量。枣园整个生育期灌水3~5次, 每次灌水量1 650m3/hm2。

　　投入的自动浇水系统采用自动控制的滴灌方式, 根据土壤温度和湿度控制灌溉节点, 保持地面以下20cm处土壤平均含水量8%~10%。滴灌系统采用网格化管理, 把百亩枣园分为5个区域进行控制, 以利于控制土壤含水量。

　　4.2.2、棉田

　　自动浇水系统投入前, 试验农田的灌溉均为自然漫灌, 地面以下10cm处土壤平均水分含量20%~30%。根据农民的实践经验决定灌溉时间和灌溉量。整个生育期灌水4~6次, 每次灌水量1 500m3/hm2。

　　投入的自动浇水系统采用自动控制的滴灌方式, 根据土壤温度和湿度控制灌溉节点, 保持地面以下10cm处土壤平均含水量30%±5%。滴灌系统采用网格化管理, 把3.3hm2棉田分为5个块状区域进行控制, 以利于控制土壤含水量。

　　4.3、试验结果

　　智能型浇水系统控制器实物如图8所示。

图8 控制器实物图

　　智能型自动浇水系统实施的试验结果, 如表1所示。经两季耕作的实际使用证明, 采用该系统可以有效提高作物产量, 并可节水。

表1 智能型自动浇水系统实施的试验结果

　　5、结论

　　本设计成功地实现了智能型自动浇水的目的。当植物需要浇水时, 温湿度传感器能接收到信息, 单片机便会控制电机进行浇水, 全程无需工人看守, 且检测精确度高, 系统稳定性好, 实现了智能化、自动化。该系统分别应用于6.7hm2枣园和3.3hm2棉田的自动灌溉, 同比节水均在38%左右;3.3hm2农田可节约浇水人工25个工作日。但相应产生了设备和电力成本约180元/hm2, 同时附加了系统运行维护成本75元/hm2。

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