基于51單片機(jī)的溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬得秀 韓佳奇 趙銘

摘 ?要： 目前在溫室中使用廣泛的灌溉系統(tǒng)多為人工控制灌溉系統(tǒng)，不僅容易造成資源浪費(fèi)，而且可能因不適量澆灌或停止?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，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于單片機(jī)的溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)以 AT89C51 單片機(jī)及其外圍電路作為控制部分的主機(jī)電路，采用YL-69土壤濕度傳感器作為檢測(cè)溫室條件下土壤濕度的檢測(cè)元件，實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)約的自動(dòng)化灌溉，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 單片機(jī);濕度傳感器;溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)

中圖分類號(hào)： TP368.1 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.05.006

本文著錄格式：馬得秀，韓佳奇，趙銘，等. 基于51單片機(jī)的溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 軟件，2019，40（5）：3032

【Abstract】： At present， the irrigation systems widely used in greenhouses are mostly manually controlled irrigation systems， which not only easily cause waste of resources， but also may cause crops to die or drown due to inadequate irrigation or untimely stop of irrigation， thus causing great economic losses. ?To solve this problem， this project has implemented an automatic greenhouse irrigation system based on single chip microcomputer. ?The system uses AT89C51 single chip microcomputer and its peripheral circuits as the main circuit of the control part， and YL-69 soil humidity sensor as the detection element to detect soil humidity under greenhouse conditions， thus realizing an efficient and economical automatic irrigation system.

【Key words】： MCU; Humidity sensor; Irrigation system

0 ?引言

自古以來(lái)，我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，將先進(jìn)的農(nóng)業(yè)技術(shù)引入我國(guó)的農(nóng)業(yè)發(fā)展中是非常有必要[1]。在過(guò)去人們使用傳統(tǒng)的灌溉方式，不能有效的控制灌溉水量，造成了水資源的浪費(fèi)，而且還可能因?yàn)楣喔炔贿m量，使得農(nóng)作物腐爛，降低了農(nóng)作物的產(chǎn)量，也使農(nóng)作物的質(zhì)量也受到了嚴(yán)重影響[2]。目前的溫室農(nóng)業(yè)發(fā)展迅速，但是自動(dòng)化控制在溫室農(nóng)業(yè)中使用較少，還是采用比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力的傳統(tǒng)方式對(duì)溫室進(jìn)行管理，效率低下[3-4]。在對(duì)較大面積的溫室進(jìn)行灌溉作業(yè)時(shí)，往往需要人工操作才能實(shí)施灌溉，灌溉完畢時(shí)，同樣需要人工操作關(guān)閉相關(guān)設(shè)備。這樣既費(fèi)力又耗時(shí)，并且使溫室農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率低下[5-6]。為此，本文設(shè)計(jì)了一款基于AT89C51單片機(jī)的溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)能對(duì)土壤濕度進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)量，并且還可以根據(jù)不同植物對(duì)土壤濕度和水分的不同需求，對(duì)其進(jìn)行適時(shí)、適量灌溉，這樣不僅可以降低人工成本，節(jié)約資源，還可以大大提高溫室農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)率。

1 ?系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

本系統(tǒng)是以51系列單片機(jī)為核心，具體包括按鍵主機(jī)模塊、土壤濕度傳感器模塊、LCD液晶顯示顯示器模塊、灌溉水泵模塊、輸出驅(qū)動(dòng)模塊、按鍵輸入模塊、聲光報(bào)警模塊。整個(gè)系統(tǒng)的工作過(guò)程是：1）土壤濕度傳感器將采集到的溫室土壤濕度傳入到A/D轉(zhuǎn)換器中;2）A/D轉(zhuǎn)換器通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換計(jì)算將土壤濕度模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào);3）將A/D轉(zhuǎn)換器中輸出的數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī);4）單片機(jī)對(duì)輸入的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理;5）單片機(jī)根據(jù)處理結(jié)果，輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)到輸出驅(qū)動(dòng)模塊;6）輸出驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)噴灌水泵實(shí)施灌溉，使土壤濕度保持在給定區(qū)間。具體過(guò)程為：通過(guò)按鍵來(lái)設(shè)置土壤濕度值，當(dāng)土壤濕度值小于設(shè)置的值時(shí)，將會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)噴灌水泵進(jìn)行灌溉，同時(shí)通過(guò)土壤濕度傳感器來(lái)檢測(cè)土壤濕度，當(dāng)土壤濕度大于設(shè)置值時(shí)，自動(dòng)停止灌溉。如果檢測(cè)值超低于或高于設(shè)定值時(shí)，將會(huì)進(jìn)行聲光報(bào)警，以便于及時(shí)進(jìn)行人為操作，使土壤水分保持在設(shè)定值之間。

2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 ?主機(jī)模塊

單片機(jī)是微型計(jì)算機(jī)的一種，它具有處理速度快，運(yùn)算能力強(qiáng)，控制性好等優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為主要部分，系統(tǒng)中單片機(jī)的作用是將A/D轉(zhuǎn)換器傳入的信息進(jìn)行處理，對(duì)按鍵輸入模塊中的設(shè)置值進(jìn)行保存，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起控制作用。整個(gè)系統(tǒng)是在單片機(jī)的控制下進(jìn)行土壤濕度的采集，轉(zhuǎn)換，處理，傳輸，并根據(jù)控制作用完成所實(shí)現(xiàn)的功能。AT89C51傳感器具備低電壓、高性能特點(diǎn)，本身帶有4K字節(jié)的FLASH存儲(chǔ)器，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求[7-8]。

2.2 ?傳感器模塊

本系統(tǒng)采用YL-69土壤濕度傳感器，由不銹鋼探頭和防水探頭構(gòu)成，外部以環(huán)氧樹(shù)脂純膠體封裝，可直接埋入土壤中使用，并且不受腐蝕，對(duì)使用環(huán)境有較高的適用性[9-11]。測(cè)量參數(shù)土壤容積含水率量程0～100，從傳感器的2引腳獲取到3.3～5V的直流電壓模擬量信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器后再送人單片機(jī)，為了得到更加精準(zhǔn)的測(cè)量值，需要在傳感器上串聯(lián)一個(gè)10KΩ的電阻，將其連接在2V的電路上，這樣就把傳感器的阻值轉(zhuǎn)換成電壓值。連接電路如圖2所示。

2.3 ?LCD液晶顯示電路

傳統(tǒng)的單片機(jī)系統(tǒng)中多采用數(shù)碼管顯示信息，本該系統(tǒng)因?yàn)樾枰@示較多信息，采用數(shù)碼管難以勝任，而且使用數(shù)碼管也會(huì)占據(jù)更多的I/O資源[8]。LCD1602液晶顯示模塊能夠同時(shí)顯示32種字符，具備很強(qiáng)的可操作性，易于使用，性價(jià)比較高。在本系統(tǒng)中選用LCD1602模塊作為顯示模塊能夠滿足系統(tǒng)需求。LCD1602顯示模塊共有16個(gè)引腳，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將D0～D7引腳對(duì)應(yīng)地連接到單片機(jī)的P0～P7引腳，如圖3所示。

2.4 ?按鍵輸入模塊

按鍵輸入模塊主要用來(lái)設(shè)置土壤濕度的上限、下限值，并具有掉電保存功能，保存在AT89C單片機(jī)的內(nèi)部，上電時(shí)無(wú)需重新設(shè)置。按鍵包括增大鍵、減小鍵、復(fù)位鍵和設(shè)置鍵。當(dāng)實(shí)際值超過(guò)上限值時(shí)，亮“濕潤(rùn)燈”，則停止?jié)菜?當(dāng)實(shí)際值低于下限值時(shí)，亮“干燥燈”，則開(kāi)始澆水。按鍵輸入模塊電路如圖4所示。

2.5 ?繼電器控制電路

系統(tǒng)的最終目的是根據(jù)單片機(jī)的輸出的控制信號(hào)，對(duì)直流繼電器實(shí)施控制，再由繼電器控制噴灌水泵的啟/停操作達(dá)到自動(dòng)噴灌的目的。在實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)實(shí)際需求設(shè)置噴灌水泵的檔位。單片機(jī)的P2口高電平有效，由P2口的高低電平來(lái)控制水泵檔位的通斷。當(dāng)P2口是高電平時(shí)，使水泵檔位接通，開(kāi)始噴灌，當(dāng)達(dá)到噴灌時(shí)間后，高電平消失使得驅(qū)動(dòng)電路掉電關(guān)閉后續(xù)電路，從而停止灌溉。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)軟件是單片機(jī)控制系統(tǒng)中的重要組成部分，在單片機(jī)軟件和硬件的相互配合下，系統(tǒng)各個(gè)模塊才能協(xié)調(diào)有序的工作。系統(tǒng)控制軟件主要采用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)過(guò)程遵循面向過(guò)程的模塊化設(shè)計(jì)思想。系統(tǒng)主要由初始化模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、傳感器信息采集模塊、信號(hào)處理模塊、比較控制模塊、驅(qū)動(dòng)電路、自動(dòng)灌溉模塊組成。系統(tǒng)流程圖如圖5所示。

4 ?結(jié)論

本文扼要地闡述了基于AT89C51單片機(jī)的溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。通過(guò)AT89C51單片機(jī)以及其外圍電路的控制，根據(jù)土壤濕度傳感器采集到的濕度值與設(shè)置值判斷，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉的功能，克服了傳統(tǒng)灌溉費(fèi)時(shí)費(fèi)力、浪費(fèi)資源的缺點(diǎn)。本設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)為主控制器，使用 ADC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換，使用C語(yǔ)言編程，利用 Keil軟件開(kāi)發(fā)工具和Proteus軟件進(jìn)行了基于單片機(jī)的溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)仿真。

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