基于51單片機(jī)的溫濕度自動(dòng)感應(yīng)的灌溉系統(tǒng)

李蘊(yùn)祎　陸海南　陳玉香　李世偉

【摘 要】目前使用廣泛的灌溉系統(tǒng)多為人工控制灌溉系統(tǒng)，不僅易造成資源浪費(fèi)，還可能因澆灌或停止?jié)补嗖患皶r(shí)導(dǎo)致農(nóng)作物枯死或溺亡，造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。針對(duì)這一問(wèn)題，本項(xiàng)目將實(shí)現(xiàn)一個(gè)溫濕度自動(dòng)感應(yīng)的智能灌溉系統(tǒng)。本系統(tǒng)由服務(wù)器端、傳感器端和移動(dòng)手持設(shè)備端三部分組成。利用溫濕度傳感器，實(shí)時(shí)測(cè)量作物田的溫濕度變化并據(jù)此改變灌溉強(qiáng)度，用戶可通過(guò)移動(dòng)手持設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)灌溉情況，也可自由進(jìn)行人為修改，實(shí)現(xiàn)良好的人機(jī)交互功能。

【關(guān)鍵詞】溫濕度感應(yīng)；傳感器；嵌入式系統(tǒng)

0 引言

我國(guó)雖是沿海大國(guó)，卻仍是一個(gè)缺水大國(guó)，尤其在水資源普遍匱乏的當(dāng)代，合理利用水資源尤為重要。就我國(guó)現(xiàn)狀而言，水資源濫用現(xiàn)象主要集中在農(nóng)作物灌溉上。政府雖大力引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)的灌溉技術(shù)，但其成本較高，結(jié)構(gòu)框架復(fù)雜，只局限應(yīng)用于一些大型農(nóng)場(chǎng)或科研機(jī)構(gòu)，無(wú)法從根本上解決水資源濫用現(xiàn)象 基于這一現(xiàn)象，我們?cè)O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了溫濕度自動(dòng)感應(yīng)的可視多功能灌溉系統(tǒng)，將視頻監(jiān)控技術(shù)，傳感器特性及自動(dòng)控制技術(shù)相結(jié)合，對(duì)土壤溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，判斷土壤狀態(tài)，智能控制水閥開關(guān)，以最低的功耗，合理解決水資源利用問(wèn)題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

目前的人工灌溉系統(tǒng)由于難以實(shí)時(shí)監(jiān)控溫濕度和作物情況，導(dǎo)致灌溉時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，既影響了作物生長(zhǎng)，又浪費(fèi)大量水資源。針對(duì)這一現(xiàn)象，本課題利用嵌入式系統(tǒng)與傳感器技術(shù)，結(jié)合智能手持設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)控農(nóng)作物生長(zhǎng)情況進(jìn)行合理灌溉。

當(dāng)系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，溫濕度傳感器根據(jù)設(shè)定的檢測(cè)頻率以一定時(shí)間間隔檢測(cè)溫濕度，并將其傳送至控制端口，與預(yù)設(shè)值對(duì)比，若不滿足預(yù)設(shè)值，則進(jìn)行相應(yīng)的操作。同時(shí)用戶可以通過(guò)移動(dòng)手持設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控灌溉情況。

1.2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)

此次設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)為控制系統(tǒng)的處理核心，溫濕度傳感器SHT10通過(guò)單片機(jī)將溫濕度傳送至控制端口及顯示終端如移動(dòng)設(shè)備及液晶顯示屏，若溫濕度不符合預(yù)設(shè)值，則警報(bào)模塊相應(yīng)，并控制水閥進(jìn)行相應(yīng)的開關(guān)操作。

2 電路設(shè)計(jì)

本溫濕度感應(yīng)自動(dòng)灌溉系統(tǒng)從硬件角度可分為單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、顯示模塊、執(zhí)行灌溉模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，報(bào)警模塊，液晶顯示模塊。

數(shù)據(jù)采集模塊：溫濕度傳感器SHT10，測(cè)濕精度±45%RH，測(cè)溫精度±0.5℃（25℃）。

顯示模塊：LCD1602是兩行16字符型液晶顯示屏，顯示亮度高，且可顯示內(nèi)容豐富。

主控制器：AT89C51支持ISP在線可編程寫入技串行寫入，速度快。

主控模塊：主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)和4個(gè)操作按鍵組成。

警報(bào)模塊：本設(shè)計(jì)采用蜂鳴器來(lái)作為報(bào)警電路。蜂鳴器是一個(gè)電聲轉(zhuǎn)換器件，他把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲音信號(hào)。蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型，本實(shí)驗(yàn)選用了壓電式的蜂鳴器。當(dāng)外部環(huán)境的溫度或者濕度超過(guò)預(yù)設(shè)值的時(shí)候，基級(jí)變?yōu)榈碗娖剑澍Q器導(dǎo)通鳴叫。

繼電器模塊：本實(shí)驗(yàn)中選用無(wú)觸點(diǎn)通斷電子開關(guān)的交流固態(tài)繼電器。優(yōu)點(diǎn)在于體積小、重量輕、工作頻率高、穩(wěn)定可靠、控制開關(guān)速度快、壽命長(zhǎng)等。

本溫濕度感應(yīng)自動(dòng)灌溉系統(tǒng)從硬件角度可分為單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊、執(zhí)行灌溉模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，報(bào)警模塊，液晶顯示模塊。

其中單片機(jī)模塊為核心模塊，主要通過(guò)STC89C51芯片的各個(gè)端口控制其他各個(gè)模塊，構(gòu)成一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)功能。溫濕度采集模塊用于在實(shí)驗(yàn)時(shí)對(duì)溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，且根據(jù)SHT10的數(shù)字一體性及其集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換等模塊的特點(diǎn)，可直接連接單片機(jī)，當(dāng)其采集完數(shù)據(jù)后，實(shí)時(shí)傳送給單片機(jī)；LCD液晶顯示模塊直接連接單片機(jī)，當(dāng)單片機(jī)將收到的信號(hào)進(jìn)行處理后，將采集到時(shí)溫濕度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)送給顯示屏顯示。報(bào)警模塊主要指將蜂鳴器接入單片機(jī)電路，通過(guò)對(duì)時(shí)時(shí)溫濕度的檢測(cè)，與所給定的溫濕度區(qū)間比較，實(shí)現(xiàn)越限報(bào)警并啟動(dòng)相應(yīng)的溫濕度調(diào)節(jié)。

3 軟件設(shè)計(jì)

采用中斷方式進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)的采樣，首先打開定時(shí)器，定時(shí)一段時(shí)間后產(chǎn)生中斷，傳感器相應(yīng)中斷開始測(cè)量數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)返回，由單片機(jī)計(jì)算此時(shí)所需的灌溉量，若土壤濕度已達(dá)到此數(shù)值則重新開始計(jì)時(shí)，否則先打開閥門，再重新計(jì)時(shí)。

4 測(cè)試結(jié)果

該系統(tǒng)主要是利用傳感器采集到的數(shù)據(jù)信號(hào)，經(jīng)AT89C51的處理，將所測(cè)信號(hào)與設(shè)置好的上/下限值進(jìn)行比較，若采集到的數(shù)據(jù)高于設(shè)定的上限值（低于設(shè)定的下限值），蜂鳴器發(fā)生鳴響，同時(shí)繼電器響應(yīng)，自動(dòng)灌溉系統(tǒng)或自動(dòng)關(guān)閉灌溉系統(tǒng)。

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