基于AT89C52 的無籽西瓜自動灌溉系統(tǒng)設(shè)計

郭小冬 侯春光

（濰坊科技學(xué)院，山東 濰坊262700）

隨著農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展，越來越多的地方開始選擇種植不同與常規(guī)種植的農(nóng)作物。這些農(nóng)作物相對于小麥、水稻、玉米等，可以帶來更大的收益，但同時也會在種植過程中出現(xiàn)更多的問題。無籽西瓜便是一個例子，雖然可以帶來很高的收益，但是在種植過程中需要多次的施肥和澆水。因為無籽西瓜是夏季農(nóng)作物，北方地區(qū)夏季又多出現(xiàn)少水、干旱、氣溫高等情況，所以在種植的過程中需要進行多次的灌溉，如果不進行灌溉則會影響作物的生長不良，產(chǎn)量降低等問題，嚴(yán)重甚至導(dǎo)致作物灼傷或死亡等情況。我國大部分地區(qū)的灌溉還是使用人工漫灌或者人工滴管，這樣會對水資源造成大量的浪費，以及人力財力的耗費。本設(shè)計可以大大的節(jié)省在澆灌過程中的人力物力的耗費，以及水資源的浪費，大幅度的提高了工作效率。

圖1 系統(tǒng)框圖

1 自動灌溉技術(shù)的設(shè)計與原理

1.1 系統(tǒng)總體介紹

圖2 系統(tǒng)仿真圖

根據(jù)系統(tǒng)功能，設(shè)計了自動灌溉系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。該自動灌溉技術(shù)的控制方式分為自動控制和手動控制兩種方式。本系統(tǒng)是以AT89C52 單片機作為系統(tǒng)的控制核心，采用了SHT11 智能傳感器作為檢測空氣中的溫度和土壤中的含水率。為了達到更好的效果，以及滿足數(shù)據(jù)顯示的需要，顯示器選擇的是LCD1602 的液晶顯示模塊與單片機相連，將傳感器檢測到的溫濕度數(shù)值，和鍵盤電路設(shè)置的土壤濕度的上限,下限值以及選擇的操作模式(手動/自動)顯示在LCD1602 屏幕上便于用戶觀察。驅(qū)動電路是收到單片機的指令之后控制電磁閥的關(guān)斷或打開從而控制水泵出水噴灑。自動控制模式下可以實現(xiàn)智能的澆灌，設(shè)置好溫濕度的數(shù)據(jù)，便可以實現(xiàn)在無人監(jiān)管下的自動灌溉，該系統(tǒng)除了自動控制模式，還設(shè)置了手動控制模式，當(dāng)用戶需要時，即可進行手動操作來實現(xiàn)在特殊情況下的需要。此外，為了防止在出現(xiàn)超限無法察覺的情況，該系統(tǒng)還設(shè)置了報警裝置。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

1.2 工作原理

接通電源開關(guān)K 啟動系統(tǒng)，然后初始化系統(tǒng)程序，在使用該系統(tǒng)時用戶可以根據(jù)需要在鍵盤控制面板上設(shè)置好土壤濕度的上限和下限后，SHT11 智能傳感器開始檢測土壤中的含水率數(shù)據(jù)，并且在經(jīng)過傳感器內(nèi)置的A/D 數(shù)模轉(zhuǎn)換器將信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號經(jīng)過I2C 總線傳送給單片機控制系統(tǒng)，單片機進行分析、處理，與提前設(shè)定好的數(shù)值進行對比，當(dāng)SHT11 濕度傳感器模塊檢測到的土壤濕度數(shù)據(jù)低于提前設(shè)定的土壤含水率上限時，單片機開始由P2 輸出高電平信號到驅(qū)動控制模塊，驅(qū)動控制模塊收到指令后驅(qū)動電磁閥打開，水泵開始工作從蓄水池中將水灌溉到指定位置。與此同時SHT11 濕度傳感器會繼續(xù)監(jiān)測土壤中含水率并傳送給單片機，一旦高于設(shè)定值時，單片機P2 口高電平消失驅(qū)動系統(tǒng)自動停止驅(qū)動，關(guān)閉電磁閥，水泵停止工作，這一過程只要系統(tǒng)通電便會一直重復(fù)進行自動灌溉，時刻保持農(nóng)作物西瓜地土壤的濕潤度。當(dāng)SHT11 濕度傳感器模塊檢測到的土壤濕度數(shù)據(jù)高于提前設(shè)定的土壤含水率上限時，則直接將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，顯示在顯示屏中，這一過程中如果出現(xiàn)特殊情況，用戶可以選擇手動控制模式，來實現(xiàn)人工灌溉從而達到灌溉目的。溫度傳感器則是用來實時檢測空氣中溫度，當(dāng)溫度較高時，我們就可以選擇手動模式對農(nóng)作物進行定時的噴灑，保證西瓜苗不會被強烈的太陽光灼傷，造成瓜苗的死亡。液晶顯示器LCD1602 的D0-D7 引腳對應(yīng)接到單片機的P0-P7引腳上，這樣整個過程中單片機會將傳感器傳過來的溫濕度數(shù)據(jù)信息輸出給液晶屏直觀的顯示出來，以便及時的做出調(diào)整灌溉的計劃。

如圖2 所示，根據(jù)全自動無籽西瓜自動灌溉技術(shù)的控制原理，確定了灌溉系統(tǒng)由單片機+SHT11 智能傳感器+LCD 液晶顯示+驅(qū)動電路+鍵盤電路+報警器組成，由上面的系統(tǒng)流程圖可以把該系統(tǒng)分為下面幾個部分：控制裝置、檢測裝置和執(zhí)行裝置。本系統(tǒng)的控制裝置選用的是Atmel 公司生產(chǎn)的AT89C52 單片機，該型號的單片機具有低能耗、價格低廉、操作簡單、高性能等優(yōu)點。AT89C52 內(nèi)含8k 字節(jié)得Flash 和256 的隨機存儲數(shù)據(jù)儲存器(RAM)，內(nèi)置了定時器和計數(shù)器，并且具有低功耗空閑和斷電模式下的睡眠和喚醒功能，進一步提高了該系統(tǒng)的可靠性。鍵盤電路和LCD1602 液晶顯示屏也屬于控制電路中的一部分，鍵盤電路由五個設(shè)置開關(guān)組成，分別為S1 設(shè)置、S2 增大、S3 減小、S4 復(fù)位功能、S5 切換手動/自動模式。通過按鍵可以直接設(shè)置土壤濕度的上限和下限值，并未具有掉電儲存功能，設(shè)置好的數(shù)據(jù)傳送給單片機進行處理和儲存，再次給電時無需重新設(shè)置數(shù)據(jù)。LCD1602 液晶顯示屏則用來將單片機傳送過來的土壤的濕度和空氣中的溫度數(shù)據(jù)顯示到液晶屏上以便用戶查看，并根據(jù)天氣等其他特殊情況來選擇選擇手動/自動控制模式。檢測部分包括傳感器檢測模塊（溫濕度傳感器和土壤濕度傳感器）和報警器。傳感器檢測模塊的主要功能是利用材料的電氣特性或機械性能將外部采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號器件。這也是該系統(tǒng)比較最重要的一部分，隨著技術(shù)的不斷更新，常規(guī)的傳感器已經(jīng)無法滿足需求，為了提高整個系統(tǒng)的精確和穩(wěn)定性，該系統(tǒng)的傳感器選擇的是高精度、高精度、高集成度的一體化的SHT11 智能溫濕度傳感器。SHT11 智能傳感器是一片集成檢測相對溫度和濕度的傳感器模塊，并且自己內(nèi)置了14 位A/D 數(shù)模轉(zhuǎn)換器和CRC 發(fā)生器能夠輸出經(jīng)過校正的溫度和濕度數(shù)據(jù)。將SHT11 的串行時鐘輸入線SCK 和串行數(shù)據(jù)線線Date 分別與單片機的P3.6 和P3.7 連接。在采集到數(shù)據(jù)之后便可直接將信號通過I?C 總線傳送給單片機，經(jīng)過單片機的分析和處理之后發(fā)送給控制裝置進行執(zhí)行。在使用時SHT11 傳感器不在需要外接模擬電子電路，有較高的穩(wěn)定性，可以直接埋入土壤中使用。報警器電路則是采用的三極管放大電路和蜂鳴器組成，用來監(jiān)測數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)異常，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時時蜂鳴器蜂鳴，便可以及時發(fā)現(xiàn)問題。驅(qū)動裝置模塊是使用繼電器模塊來驅(qū)動電磁閥通斷電，從而達到控制水泵得開關(guān)，實現(xiàn)系統(tǒng)噴頭的灌溉。

2 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計

圖3 中的流程圖為改自動灌溉系統(tǒng)的流程圖，首先給該系統(tǒng)通電初始化程序模塊，然后在面板上設(shè)置好溫濕度的上下限數(shù)值，讀取傳感器的檢測到的數(shù)值，在主程序中與設(shè)定好的數(shù)值進行對比，根據(jù)得到的結(jié)果可以執(zhí)行相應(yīng)的命令，再配合硬件設(shè)備相互協(xié)調(diào)合作，從而達到自動控制灌溉的目的。除此之外在出現(xiàn)特殊情況是可以通過手動控制來實現(xiàn)人工操控灌溉。

圖3 主程序流程圖

3 結(jié)論

相對于其他灌溉系統(tǒng)而言，該系統(tǒng)選擇智能處理器AT89C52，使得控制功能的實現(xiàn)更加靈活。溫濕度傳感器SHT11相對傳統(tǒng)的傳感器檢測到的數(shù)值更準(zhǔn)確，性能更穩(wěn)定，耐腐蝕能力更強，可以直接埋入土壤中,液晶顯示屏LCD1602 的選用使得人機交互更加清晰方便，具有較強的操作性，相比于數(shù)碼管，顯示的內(nèi)容更加靈活。綜合上面所述，本套基于單片機AT89C52 的自動灌溉系統(tǒng)的成本低廉、易于操作、準(zhǔn)確性更高、更穩(wěn)定、并且擴展性比較強，若需實現(xiàn)其它功能，稍微的修改就可增加其他功能。實現(xiàn)了自動/手動灌溉于一體的人性化灌溉管理，能夠有效地克服傳統(tǒng)人工灌溉中嚴(yán)重浪費人力和物力以及時間的缺點，提高了在無籽西瓜種植生產(chǎn)中的工作效率。