智能自動(dòng)灌溉系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

殷麗艷

1 引言

隨著農(nóng)林業(yè)的發(fā)展，為了解決普通農(nóng)戶的溫室大棚生產(chǎn)管理中的節(jié)水灌溉和人力消耗等問(wèn)題，智能灌溉系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。由于目前水源不足嚴(yán)重影響人類的生產(chǎn)和生活[1]，傳統(tǒng)的灌溉方式已無(wú)法適應(yīng)市場(chǎng)需求，減少水資源的浪費(fèi)亟待解決?，F(xiàn)代智能型微機(jī)控制灌溉系統(tǒng)正在逐漸推廣[2-5]，它是集傳感器、通訊、計(jì)算機(jī)等技術(shù)于一體的理論系統(tǒng)，能夠有效解決傳統(tǒng)灌溉中水資源浪費(fèi)的問(wèn)題。因而，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)智能自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，它可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行智能自動(dòng)化的灌溉，實(shí)現(xiàn)智能自動(dòng)灌溉的目的。該系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于節(jié)省人力，更是可以達(dá)到節(jié)約用水的目的，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

2 設(shè)計(jì)目標(biāo)與系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是以基于單片機(jī)智能澆灌系統(tǒng)的工作原理為參考，它由大棚內(nèi)的溫濕度采集模塊、單片機(jī)主控模塊、LCD液晶顯示模塊、系統(tǒng)報(bào)警模塊、供水模塊構(gòu)成。這是一個(gè)集信息采集、單片機(jī)控制、顯示、報(bào)警和供水于一體的溫室大棚智能自動(dòng)灌溉系統(tǒng)。

本設(shè)計(jì)的整體方案不僅要有智能自動(dòng)方式[7-8]，還需要有手動(dòng)按鍵方式，在傳感器部分出現(xiàn)故障后可通過(guò)按鍵操作繼續(xù)進(jìn)行灌溉，而不受制于其它模塊。

在智能自動(dòng)灌溉的模式下，首先我們需要設(shè)定大棚內(nèi)的適宜農(nóng)作物生長(zhǎng)的正常溫濕度范圍，其次將大棚內(nèi)溫濕度采集模塊采集到的實(shí)際溫濕度值通過(guò)數(shù)據(jù)處理后輸送到單片機(jī)內(nèi)，在溫度值高于預(yù)設(shè)溫度最高值時(shí)，或者低于預(yù)設(shè)濕度最低值時(shí)，單片機(jī)主控模塊將會(huì)同時(shí)給供水模塊和報(bào)警模塊發(fā)出灌溉和報(bào)警的指令，直到溫濕度采集模塊采集到的信息回到設(shè)定的溫度范圍，單片機(jī)主控模塊才會(huì)給供水模塊和報(bào)警模塊發(fā)出停止工作的指令。其中，本設(shè)計(jì)大棚內(nèi)溫濕度的采集部分，由于傳感器采集到的信號(hào)不能直接用于單片機(jī)AT89C51，因此在這加了一個(gè)數(shù)據(jù)處理流程，處理過(guò)的溫濕度信息輸送到單片機(jī)內(nèi)，再由顯示模塊進(jìn)行直觀顯示。在手動(dòng)灌溉模式下，直接用手動(dòng)按鍵控制灌溉的開(kāi)始與結(jié)束。

總體電路圖如圖1所示。

圖1 總體電路圖

2.1 溫濕度采集模塊

（1）溫度傳感器：本設(shè)計(jì)選用的溫度傳感器是DS18B20，因使用便捷，準(zhǔn)確度高，非常適合本設(shè)計(jì)中大棚實(shí)時(shí)溫度的采集。且DS18B20是數(shù)字溫度傳感器，AD轉(zhuǎn)換過(guò)程在DS18B20里進(jìn)行處理，它的輸出信號(hào)可以讓單片機(jī)直接接收。每個(gè)DS18B20溫度傳感器和其他同型號(hào)的溫度傳感器作用在同一條總線上并不會(huì)影響其功能，所以可在大棚內(nèi)許多不同的地方放置溫度靈敏器件，全面對(duì)大棚內(nèi)溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

（2）濕度傳感器：選用4線制HR202濕敏電阻器的濕度傳感器，它作為新型的濕度傳感器，本身的濕度敏感元件的探測(cè)范圍廣，加上穩(wěn)定性能高，可用于本設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)采用HR202濕敏電阻的濕度傳感器可長(zhǎng)期穩(wěn)定地監(jiān)測(cè)土壤濕度。HR202濕敏電阻器采用高分子材料濕敏電阻元件作為敏感元件，屬水分子親和力型濕敏元件。它的測(cè)濕原理是通過(guò)濕敏電阻的感濕導(dǎo)電，通過(guò)濕度的變化構(gòu)成阻抗，從而產(chǎn)生相應(yīng)的線性電壓信號(hào)，隨后線性電壓信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換成濕度量。

2.2 單片機(jī)主控模塊

本設(shè)計(jì)選取單片機(jī)AT89C51作為核心芯片，其中引腳RXD、TXD為串口收發(fā)端，INT0、INT1為外部觸發(fā)，WR、RD分別為外部寫(xiě)選通和外部讀選通?？稍O(shè)定為四種模式：準(zhǔn)雙向口，推免，高阻，開(kāi)漏。P1口第二功能為AD口和ISP下載口P0口自帶上拉電阻。

2.3 LCD液晶顯示模塊

選用LCD1602液晶顯示屏，它的每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示1個(gè)字符，且之間也有一定的間隔，所以符合本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)顯示實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的大棚溫濕度和設(shè)定的溫濕度閾值的要求。

2.4 報(bào)警模塊

此報(bào)警模塊擁有LED燈和蜂鳴報(bào)警的聲光報(bào)警。該系統(tǒng)首先是用單片機(jī)程序設(shè)定澆灌的上下閾值，然后將大棚內(nèi)溫濕度采集模塊輸送到單片機(jī)的實(shí)際溫濕度值與設(shè)定閾值相比較，如果實(shí)際溫濕度不在設(shè)定的安全范圍內(nèi)，單片機(jī)將給報(bào)警模塊發(fā)出開(kāi)始報(bào)警的指令，這時(shí)聲光報(bào)警開(kāi)始，直到實(shí)際溫濕度值回到安全范圍內(nèi)，單片機(jī)發(fā)出停止報(bào)警為止，聲光報(bào)警停止。

2.5 供水模塊

系統(tǒng)的供水模塊采用單片機(jī)控制直流水泵抽水來(lái)改善濕度情況，采用三極管放大加以驅(qū)動(dòng)。供水模塊接收來(lái)自于單片機(jī)的信號(hào)，從而進(jìn)行澆灌，這是一個(gè)工蟻型的模塊。本次設(shè)計(jì)將大棚內(nèi)需要灌溉的區(qū)域分為ABC三個(gè)區(qū)域，供水模塊的三個(gè)灌溉區(qū)域是通過(guò)接收單片機(jī)主控模塊的指令，從而進(jìn)行開(kāi)啟灌溉和停止灌溉的工作。

3 系統(tǒng)仿真結(jié)果

首先設(shè)定好溫濕度的上下限值輸送到單片機(jī)內(nèi)，再由單片機(jī)的I/0接口顯示在LCD1602顯示屏上，實(shí)際的溫濕度通過(guò)數(shù)據(jù)處理后輸送到單片機(jī)內(nèi)，也顯示到LCD1602顯示屏上，并由單片機(jī)主控模塊對(duì)實(shí)際溫濕度值和設(shè)定的溫濕度值進(jìn)行對(duì)比，在溫度值高過(guò)于預(yù)設(shè)溫度最高值時(shí)，或者在濕度值低于預(yù)設(shè)濕度最低值時(shí)，單片機(jī)主控模塊將會(huì)同時(shí)給供水模塊和報(bào)警模塊分別發(fā)出灌溉和報(bào)警的指令，直到溫濕度采集模塊采集到的信息回到設(shè)定的溫度范圍，單片機(jī)主控模塊才會(huì)給供水模塊和報(bào)警模塊發(fā)出停止工作的指令。

為了更直觀地觀察仿真結(jié)果，分別做了實(shí)時(shí)濕度值低于設(shè)定濕度下限值時(shí)和實(shí)時(shí)溫度高于設(shè)定溫度上限值的兩個(gè)定量實(shí)驗(yàn)，用聲光報(bào)警電路的LED燈的工作正常與否來(lái)判斷仿真是否可以實(shí)現(xiàn)預(yù)定功能。

仿真測(cè)試一：在保持測(cè)試溫度在設(shè)定溫度值的安全范圍內(nèi)，將測(cè)試濕度值低于設(shè)定的安全濕度值以下，通過(guò)觀察報(bào)警系統(tǒng)可否正常報(bào)警，來(lái)測(cè)試系統(tǒng)是否可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)有的功能，測(cè)試結(jié)果如圖2，報(bào)警電路的LED燈閃爍，本次的仿真實(shí)驗(yàn)成功。

圖2 軟件仿真測(cè)試（濕度）

仿真測(cè)試二：在保持測(cè)試濕度在設(shè)定濕度值的安全范圍內(nèi)，將測(cè)試溫度值高于設(shè)定的安全溫度值以上，測(cè)試系統(tǒng)是否可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)有的功能，測(cè)試結(jié)果如圖3，報(bào)警電路的LED燈閃爍，本次的仿真實(shí)驗(yàn)成功。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)智能自動(dòng)灌溉系統(tǒng)。根據(jù)總體的設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)采用單片機(jī)AC89C51為核心元件，通過(guò)檢測(cè)和控制土壤濕度和大棚溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)水灌溉，系統(tǒng)具有廣泛的適用性且操作簡(jiǎn)易，系統(tǒng)在界面中有相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，使用者設(shè)置好參數(shù)后系統(tǒng)便能實(shí)時(shí)對(duì)大棚溫濕度進(jìn)行監(jiān)控，滿足不同的作物對(duì)水分和溫度的不同需求，實(shí)時(shí)監(jiān)控適量灌溉，不僅能夠高效節(jié)水，還能為作物創(chuàng)造良好的生長(zhǎng)環(huán)境，從而提高作物的產(chǎn)量，且該系統(tǒng)的成本低廉，可延展性強(qiáng)，有利于大范圍地推廣使用。

圖3 軟件仿真測(cè)試（溫度）