基于土壤濕度監(jiān)測的智能澆灌系統(tǒng)設(shè)計

江瑩旭　陳如清

【摘 要】基于AT89C51單片機，設(shè)計了基于土壤濕度監(jiān)測的智能澆灌系統(tǒng)。整套系統(tǒng)由控制、傳感、執(zhí)行三部分構(gòu)成，用于實時監(jiān)控智慧農(nóng)業(yè)大棚中土壤的濕度。工作時通過對土壤濕度的采集和對比，當(dāng)實際濕度低于設(shè)定下限或高于設(shè)定上限值時，單片機啟動水泵或風(fēng)機工作，避免土壤因過旱或過澇給植物造成的影響?？傮w上能實現(xiàn)實時測量溫室土壤的濕度，并根據(jù)不同植物生長周期對其進行適時適量灌溉，有效提高了溫室設(shè)施的農(nóng)業(yè)自動化程度。

【關(guān)鍵詞】濕度監(jiān)測；單片機；傳感器；智能澆灌

0 引言

隨著農(nóng)業(yè)自動化程度的提升，基于土壤濕度監(jiān)測的微灌溉技術(shù)作為一種有效的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)，開始活躍于農(nóng)業(yè)澆灌中。提高有效灌溉率并縮短工作時間，是智能節(jié)水和澆灌技術(shù)的關(guān)鍵[1]。在世界發(fā)達國家，自動化智能澆灌系統(tǒng)已被廣泛用于發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)。通過采用遙感濕度傳感器監(jiān)測土壤和作物狀況，根據(jù)農(nóng)作物不同生長期對水分的需求量，對灌溉區(qū)的水管理進行自動遙控監(jiān)測預(yù)報，實現(xiàn)灌溉區(qū)管理自動化和用水自動化[2]。智能澆灌系統(tǒng)的設(shè)計具有重要實用價值[3]。

1 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)可用于智慧農(nóng)業(yè)大棚中植物土壤水分的實時監(jiān)控，目前主要針對西紅花（生長期從11月到來年5月，此期間相對濕度保持在60-70%）的栽培。整個系統(tǒng)的工作過程是通過SHT11數(shù)字式溫濕度傳感器采集濕度信號，經(jīng)內(nèi)部放大和A/D轉(zhuǎn)換后以數(shù)字量輸出，然后傳送給單片機AT89C51控制系統(tǒng)，最后經(jīng)過LCD顯示實時濕度。整個系統(tǒng)的硬件電路主要包括51單片機控制系統(tǒng)模塊、濕度采集電路模塊、鍵盤模塊、LCD液晶顯示模塊、報警模塊、時鐘模塊、濕度控制模塊、電源模塊。每一種植物都有適宜的濕度范圍，據(jù)此來設(shè)定濕度初值。與設(shè)定初值比較時，當(dāng)前所采集到的土壤濕度的實際值低于我們的設(shè)定值下限時，打開水泵增加灌溉；當(dāng)前所采集到的土壤濕度的實際值高于我們的設(shè)定值上限時，打開風(fēng)機進行通風(fēng)，從而實現(xiàn)實時監(jiān)控濕度值。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 單片機控制系統(tǒng)設(shè)計

采用AT89C51單片機作為控制器，通過P0口與LCD1602傳遞數(shù)據(jù)，P1.7為水泵電機的驅(qū)動接口和濕度下限報警的接口，P1.6為風(fēng)機的驅(qū)動接口和濕度上限報警的接口，P2.0-P2.2為時鐘芯片的接口，P1.3-P1.4是溫濕度傳感器SHT11時鐘、數(shù)據(jù)口，P3.4-P3.7為鍵盤電路接口。

2.2 濕度采集電路設(shè)計

選擇合適的濕度傳感器是實現(xiàn)精確土壤濕度監(jiān)測的關(guān)鍵。實際中常用相對濕度表示水蒸氣的飽和度的高低[4]。根據(jù)濕度范圍為20%-90%RH，精度為±5%RH的測量要求，選用集成度較高的SHT11傳感器（測濕范圍為0-100%RH），經(jīng)校準(zhǔn)的輸出數(shù)字信號使其具有卓越的長期穩(wěn)定性和超低能耗，適用于超長的信號傳輸距離。濕度采集電路使用集成濕度傳感器SHT11，它將相對濕度傳感器、放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、接口、存儲器及控制單元集成一體，形成數(shù)字化濕度傳感器，在功能和微型化方面均有重大突破。

2.3 鍵盤電路的設(shè)計

利用鍵盤實現(xiàn)對濕度上下限的設(shè)置，設(shè)計時采用4個獨立按鍵，分別為加、減、設(shè)置、退出。濕度上加鍵接P3.6口，按加形式設(shè)置濕度；濕度下減鍵接P3.7口，按減形式設(shè)置濕度；液面初始化下顯示實時時間和濕度，設(shè)置鍵接P3.5口，按一下設(shè)置鍵顯示濕度上限，再按一下設(shè)置鍵顯示濕度下限，通過加和減鍵就可以調(diào)節(jié)濕度上下限；退出鍵接P3.4口，返回初始界面。

2.4 LCD液晶顯示電路的設(shè)計

采用14條引腳的字符型LCD1602，少了背光電源線VCC（15腳）和地線GND（16腳）兩條線，但和16腳的LCD完全一樣。D0～D7腳分別接CPU的P0.0-P0.7，由于51芯片內(nèi)部P0口沒有上拉電阻，所以要外接排阻RP1，提供足夠的電流和電壓。

2.5 報警電路的設(shè)計

單片機的P1.6接LED濕度上限報警燈，P1.7接LED濕度下限報警燈，起著控制溫度濕度的報警作用，只要控制單片機接口的高低電平就可以實現(xiàn)報警提醒。當(dāng)濕度低于設(shè)置下限時，單片機控制P1.7腳由高電平變?yōu)榈碗娖?，D2導(dǎo)通變亮；當(dāng)濕度超過設(shè)置上限時，單片機控制P1.6腳變?yōu)楦唠娖?，D3導(dǎo)通變亮。

2.6 時鐘電路的設(shè)計

在本系統(tǒng)設(shè)計中，需要顯示現(xiàn)場土壤濕度值的實時時間，便于用戶記錄植物生長狀況。所以采用DS1302時鐘芯片與單片機結(jié)合設(shè)計的時鐘電路可以顯示出實時年、月、日、時、分、秒等信息。DS1302的RST、SCLK、I/O口分別與單片機P2.0-P2.2相接。但實際使用中DS1302表現(xiàn)出實時時間的傳送出現(xiàn)誤差，這主要是由晶振造成的，所以要選用具有6pF負載電容的晶振進行補償。

2.7 濕度控制電路的設(shè)計

濕度控制電路可使用L298步進電機驅(qū)動或控制電磁閥驅(qū)動，本系統(tǒng)采用電磁繼電器。當(dāng)電磁繼電器線圈通電，繼電器內(nèi)部就會因為電磁效應(yīng)產(chǎn)生磁力，吸引銜鐵塊使其克服了彈簧拉力的作用，吸附在常開觸點上，間接控制水泵電機/風(fēng)機的啟停狀態(tài)。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)主要包括土壤濕度檢測和處理程序、鍵盤程序、LCD顯示程序、時鐘程序。土壤濕度檢測和處理程序是關(guān)鍵程序，連續(xù)檢測土壤的濕度值，并對采集到的濕度數(shù)據(jù)進行處理，通過與設(shè)定值比較，去執(zhí)行水泵或風(fēng)機控制程序。鍵盤程序?qū)崿F(xiàn)人工設(shè)定濕度初始值，并通過延時程序消除按鍵抖動問題。LCD顯示程序在上電的時候，動態(tài)顯示時間和當(dāng)前土壤濕度值。時鐘程序可實時顯示現(xiàn)場時間。整個系統(tǒng)在上電穩(wěn)定后，先對LCD和DS1302初始化，讀取當(dāng)前時間和濕度值，然后判斷是否有按鍵按下，若有就執(zhí)行對應(yīng)程序功能。當(dāng)實際濕度低于設(shè)定下限值時，單片機啟動水泵工作；當(dāng)高于設(shè)定上限值時，單片機啟動風(fēng)機工作。

4 總結(jié)

本文完成了基于土壤濕度監(jiān)測的智能澆灌系統(tǒng)的設(shè)計。濕度傳感器和時鐘DS1302完成傳感模塊，51單片機控制系統(tǒng)電路和鍵盤電路完成控制模塊，執(zhí)行模塊則是由水泵電機驅(qū)動電路和風(fēng)機驅(qū)動電路實現(xiàn)的。具有測量范圍廣及測量精度高的優(yōu)點，能實現(xiàn)大棚智能監(jiān)控灌溉的功能，可廣泛適用于農(nóng)業(yè)大棚的生產(chǎn)管理過程。

【參考文獻】

[1]倪濤.基于單片機控制的節(jié)水灌溉系統(tǒng)研究[J].機電信息，2011（27）：215-216.

[2]張婷，白安龍.自動化滴灌系統(tǒng)在新疆農(nóng)業(yè)灌溉中的應(yīng)用前景[J].石河子科技，2009（1）：18-19.

[3]王有春，龐慧，屈建平.農(nóng)田智能澆灌自動控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（3）：1760-1761.

[4]高燕.基于FD原理土壤水分傳感器標(biāo)定方法與系統(tǒng)集成[D].北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，2006，6.

[責(zé)任編輯：湯靜]