基于89C52單片機的農(nóng)田自動噴灌系統(tǒng)的設(shè)計

龍 新 劉彬彧

（1.衡陽市氣象局，湖南 衡陽 421000；2.長沙農(nóng)業(yè)氣象試驗站，湖南 長沙 410000）

1 技術(shù)背景及現(xiàn)狀

我國是一個水資源短缺的農(nóng)業(yè)大國，大力推廣節(jié)水農(nóng)業(yè)是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的一種趨勢。節(jié)水農(nóng)業(yè)是以節(jié)水灌溉為核心，節(jié)水灌溉是通過采用先進的灌溉方法和技術(shù)科學的將水資源盡可能均勻、適度的分配到作物的根區(qū)土壤中，使土壤的濕度維持在農(nóng)作物生長所需水分的周圍，從而達到既節(jié)約水資源又保證作物的健康快速生長[1]。

噴灌技術(shù)是近年來慢慢發(fā)展起來的一種節(jié)水灌溉技術(shù)，它是通過壓力管將水傳送到田間[2]。壓力由水泵加壓或自然落差形成，然后由噴頭將水均勻的噴灑在土地上，它幾乎適用于除水稻、蔬菜和果樹等大田作物，并且對土壤、地形等條件適應(yīng)性強。噴灌技術(shù)使農(nóng)田灌溉從傳統(tǒng)的人工勞動轉(zhuǎn)換為自動化作業(yè)，這加快的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展。具有省水、省工、節(jié)能、增產(chǎn)等優(yōu)點[3]。我國現(xiàn)在比較常用的幾種噴灌類型主要有：固定管道式噴灌、移動管道式噴灌、中心支軸式噴灌機、滾移式噴灌機、大型平移噴灌機、中小型噴灌機組[4]。

目前在噴灌技術(shù)的研究、開發(fā)與使用做的最好的國家是以色列[5]。以色列是最具代表性、典型性長期致力于節(jié)水新技術(shù)的開發(fā)的國家。為了解決水資源的短缺，以色列開發(fā)了一系列用于溫室灌溉的產(chǎn)品，其溫室灌溉的水資源利用率可達到95%。其中他們的噴灌技術(shù)以微灌和滴管為主，微灌方法的采用給施肥帶來了便利，這促進了水肥噴灌技術(shù)的興起?？偟膩碚f他們的灌溉系統(tǒng)普遍采用計算機控制，濕度傳感器傳回土壤濕度的實時信息，自動化程度高、可靠性高。伴隨水肥噴灌技術(shù)的發(fā)展，噴灌不僅可以噴水，還具有施肥、施藥、噴霧降溫的功能[5]。此外，美國、法國、澳大利亞等國家都已開發(fā)出成熟且系列化的自動噴灌控制系統(tǒng)。

我國也已經(jīng)開發(fā)出了溫室噴灌的自動控制裝置。如早期江蘇大學研制的以8051單片機為核心的自動噴灌控制器。我國噴灌技術(shù)的發(fā)展起步時間早，20世紀50年代從蘇聯(lián)引進噴灌技術(shù)開啟了歷史的先河；1973年開始噴灌技術(shù)便在一些地區(qū)使用，1978年，正式將噴灌技術(shù)列入國家農(nóng)田水利建設(shè)計劃；在1984年到1995年期間，我國大力引進外國先進技術(shù)，像中心支軸式噴灌機和大型噴灌機組等，這個時間段，噴灌科研和機具設(shè)備的研究也較快速的發(fā)展，能自行生產(chǎn)各種管道、管件[5]?；谇捌诩夹g(shù)的革新和對節(jié)水灌溉的重視，從1996開始我國噴灌技術(shù)大發(fā)展，目前還處于節(jié)水灌溉的大發(fā)展階段。伴隨我國水資源日益短缺，社會節(jié)水意識的日益增長，噴灌技術(shù)的研發(fā)與使用日益和渠道防滲、低壓管道輸水灌溉、微灌等多種技術(shù)緊密相連。

但是，以單片機研發(fā)的控制器選用芯片功能較少，電路擴展會導致系統(tǒng)復雜化加大，并且成本高，實用化程度低，難于推廣。我國幅員廣闊，各種自然條件，經(jīng)濟條件和管理水平的差異也阻礙了自動噴灌技術(shù)的發(fā)展和推廣。雖說我國能夠自行生產(chǎn)噴頭、管道、管件等設(shè)備，在數(shù)量上能滿足噴灌技術(shù)的發(fā)展所需，但產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性和穩(wěn)定性仍有很多問題。

本項目的設(shè)計目標主要實現(xiàn)對矩形區(qū)域進行均勻灌溉。用濕度傳感器和溫度傳感器實時監(jiān)測土壤濕度和溫度，這些信息將通過A/D轉(zhuǎn)換器反饋52單片機。單片機會根據(jù)溫、濕度傳感器監(jiān)測的信號控制水泵的轉(zhuǎn)速，從而改變控制器噴灌管道內(nèi)的水壓，對矩形區(qū)域進行均勻噴灌。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

整個控制系統(tǒng)由電源、微處理器、數(shù)據(jù)采集電路、輸出驅(qū)動電路、顯示器、復位電路、晶振電路組成，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

微處理器采用STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能COMS8位微控制器STC89C52;電源使用直流5V和12V電壓；復位電路由一個按鍵、電阻和電解電容組成；晶振電路由12M晶振和2個電容組成；濕度傳感器使用HA2001型土壤濕度水分傳感器；溫度傳感器采用DS18B20溫度傳感器檢測地溫；AD轉(zhuǎn)換芯片采用美國德州儀器生產(chǎn)的8位串行A/D轉(zhuǎn)換器芯片；采用LCD1602（液晶顯示器）作為顯示器，LCD1602是一種工業(yè)字符型液晶，可同時顯示16×02個字符；驅(qū)動輸出電路由L298驅(qū)動芯片和若干二極管以及一個直流電機組成。

2.2 電源模塊

系統(tǒng)中除了電機是12V供電外，其他全是5V電壓供電，圖2是自行設(shè)計的一個簡易電壓源。該電壓源的主要元件包括：變壓器、二極管、7805和電容等元件。

圖2 電源模塊電路圖

2.3 單片機最小系統(tǒng)模塊

單片機最小系統(tǒng)模塊主要包括STC89C52單片機、復位電路、晶振電路、按鍵電路。如圖3所示為STC89C52單片機的PDIP封裝引腳圖

圖3 STC89C52單片機引腳圖

2.3.1 復位電路

單片機復位電路是使CPU（中央處理器）和系統(tǒng)中的其他功能部件都處在一個確定的初始狀態(tài)， 并從這個狀態(tài)開始工作[7]。電路中采用10K電阻和22uF電容，可使單片機在上電的0.22S左右自動復位。按鍵復位是使電容處于短路，抬升RST端電位而使單片機復位。

圖4為本文設(shè)計的單片機復位電路。

圖4 單片機復位電路

2.3.2 晶振電路

晶振電路主要由晶振和電容組成，產(chǎn)生單片機正常工作所需的時鐘頻率，提供的頻率越高，單片機的工作速度越快，反之亦然。晶振在共振狀態(tài)下能夠把電能和機械能相互的轉(zhuǎn)換，提供精確穩(wěn)定的單頻振蕩[6]。下圖5為晶振電路。

圖5 單片機晶振電路

2.3.3 按鍵電路

本文設(shè)計的按鍵電路只用4個按鍵組成。按鍵模塊外接STC89C52單片機的I/O口以及接地。下圖6是按鍵電路模塊。

圖6 單片機按鍵電路

2.4 顯示模塊

顯示模塊采用液晶顯示LCD1602。使用液晶顯示相比于LED數(shù)碼管顯示，更加直觀清晰、顯示操作簡單。

LCD1602有16根引腳，如下圖7所示。

圖7 LCD1602引腳圖

LCD1602各個引腳接口的作用說明如下表1所示[7]。

表1 LCD1602引腳作用

圖8是1602液晶顯示寫操作時序圖[8]。

圖8 LCD1602時序圖

由上圖可知，操作1602液晶顯示的流程如下：

（1）通過RS確定是顯示數(shù)據(jù)還是顯示命令。

（2）讀/寫控制端設(shè)置為寫模式，即給低電平。

（3）需將數(shù)據(jù)或命令傳送到數(shù)據(jù)線上。

（4）給E一個高脈沖將數(shù)據(jù)傳送到液晶控制器，完成寫操作。

LCD1602基本寫操作時序包括寫指令和寫數(shù)據(jù)[7]：

（1）寫指令，輸入：RS=L，R/W=L，DO～D7=指令，E=高脈沖，輸出：DO～D7=數(shù)據(jù)。

（2）寫數(shù)據(jù)，輸入：RS=H，R/W=L，DO～D7=數(shù)據(jù)，E=高脈沖，輸出：無。

LCD1602與單片機連接圖如下圖9所示。

圖9 1602電路圖

單片機向LCD1602寫指令或數(shù)據(jù)的工作過程：

單片機向LCD1602寫入指令時，單片機先將與LCD1602的RS、RW、E相連的P2.0、P2.01、P2.2等引腳置為低電平，再將指令碼從P0口傳給LCD1602的DB0～DB7。將E先置為高電平后再置為低電平。LCD1602檢測到E的高脈沖后就將DB0～DB7數(shù)據(jù)口上的指令碼讀取，這樣就完成了一次指令的寫入[8]。

向1602寫入數(shù)據(jù)時，先將單片機與LCD1602的RS相連的P2.0腳置為高電平，與RW相連的P2.1和與E相連的P2.2等置為低電平，再將數(shù)據(jù)從P0傳給LCD1602的DB0～DB。再將E先置為高電平后再置為低電平，LCD1602檢測到E的高脈沖后就將DB0～DB7數(shù)據(jù)口上的數(shù)據(jù)讀取，這樣就完成了一次數(shù)據(jù)的寫入[8]。

2.5 濕度測量模塊

要實現(xiàn)自動噴灌則需要實時監(jiān)測土壤的濕度，若土壤濕度低于設(shè)定值，驅(qū)動電機噴水。設(shè)計中采用土壤濕度傳感器監(jiān)測土壤的濕度，下圖10為土壤濕度傳感器的模擬電路。

圖10 濕度傳感器模擬電路

此圖中，1、2、3線分別連接A/D轉(zhuǎn)換芯片的1、2、3腳，只要調(diào)節(jié)電位器的電阻大小，就可以改變反饋給單片機的脈沖大小。目前常見的土壤濕度傳感器有FDR型和TDR型，即頻域型和時域型[4]。本設(shè)計采用的土壤濕度傳感器為目前比較常用的HA2001，型號是FDR型。FDR型頻率反射儀是一種用來測量土壤水分的儀器。它利用電磁脈沖原理，根據(jù)電磁波在介質(zhì)中傳播頻率來測量土壤的表觀介電常數(shù)(ε)，從而得到土壤容積含水量(θV)。這款土壤濕度傳感器體積小巧化設(shè)計，攜帶方便，安裝、操作及維護簡單；結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，材料的選用保證了使用壽命；土質(zhì)影響較小，應(yīng)用地區(qū)廣泛；測量精度高，性能可靠；響應(yīng)速度快，數(shù)據(jù)傳輸效率高。下面介紹HA2001的主要技術(shù)參數(shù)，如下表2所示。

表2 HA201參數(shù)

2.6 溫度測量模塊

溫度監(jiān)控也是設(shè)計中的一個主要環(huán)節(jié)，當檢測到土壤溫度高于設(shè)定溫度時，驅(qū)動電機噴水降溫。下圖11是本設(shè)計的溫度檢測模塊的電路。

圖11 溫度傳感器電路

溫度測量模塊采用DS18B20溫度傳感器，1腳接地，2腳和單片機P1口相連，3腳接電源。DS18B20溫度傳感器的測量溫度范圍可達到－55℃～+125℃，固有測溫誤差為1℃；工作電壓為3V～5.5V；測量結(jié)果以9～12位數(shù)字量方式串行傳送。

2.7 A/D轉(zhuǎn)換模塊

采用TLC549A/D轉(zhuǎn)換模塊，可與通用微處理器、控制器通過CLK、CS、DATA OUT三條口線進行串行接口，并可按比例量程校準轉(zhuǎn)換范圍[9]。下圖12為TLC549各引腳圖。

圖12 TLC549引腳圖

圖13為A/D轉(zhuǎn)換模塊的電路連接圖

圖13 TLC549電路連接圖

TLC549芯片1、2、3腳與濕度傳感器連接，5、6、7腳與STC89C52單片機的P1.0、P1.1、P1.2連接[9]。

2.8 驅(qū)動輸出模塊

驅(qū)動電路主要由驅(qū)動芯片L289和二極管等器件組成，L298內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路，可以驅(qū)動2個兩相電機，也可以驅(qū)動1個四相電機[7]。下圖14為L298的引腳圖。

圖14 L298引腳圖

表3為L298驅(qū)動電機的功能的邏輯電位。

表3 L298輸出邏輯電位

下圖15為整塊驅(qū)動電路。

圖15 L298電路連接圖

2.9 硬件電路總體設(shè)計圖與實物制作圖

以上部分分別是硬件電路的各個模塊，下圖16為本設(shè)計硬件電路的總體設(shè)計圖。

圖16 硬件系統(tǒng)電路圖

3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計

本設(shè)計的軟件代碼是以Keil軟件為平臺，使用C語言編寫。

3.1 系統(tǒng)軟件組成

本設(shè)計的控制系統(tǒng)的軟件模塊主要由主監(jiān)控程序、按鍵操作及處理程序、動態(tài)顯示程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、L298驅(qū)動程序以及輸出控制程序等。下圖17是本設(shè)計的軟件系統(tǒng)框圖。

圖17 軟件系統(tǒng)框圖

3.2 主程序流程圖

系統(tǒng)主程序軟件主要包括:系統(tǒng)的初始化、A/D將獲取相關(guān)數(shù)據(jù)通過單片機控制液晶顯示、判斷是否復位和設(shè)置、判斷獲取的數(shù)據(jù)是否滿足電機驅(qū)動的初始條件。如下圖18所示。

圖18 主程序流程圖

3.3 A/D轉(zhuǎn)換TLC549程序

單片機的P1.0、P1.1、P1.2口與TLC549連接。TLC549將濕度傳感器檢測到的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳入單片機中。下圖19是TLC549程序流程圖。

圖19 TLC549程序流程圖

以下是TLC549完成A/D轉(zhuǎn)換的程序代碼

sbit AD_CS=P1^0; //片選引腳

sbit AD_SDO=P1^1; //數(shù)據(jù)輸出引腳

sbit AD_SCLK=P1^2; //時鐘信號引腳

unsigned char adc()

{

unsigned char i;

unsigned char ad_data=0;

AD_CS=0; //選通549芯片

for(i=0;i<=7;i++) //讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果

{

AD_SCLK=1; //產(chǎn)生時鐘脈沖

ad_data= ad_data*2; //數(shù)據(jù)左移一位

if(AD_SDO==1) //讀取該位數(shù)據(jù)

ad_dat++;

AD_SCLK=1;

}

AD_SCLK=0;

AD_CS=1; //關(guān)閉549芯片

return(ad_data) //返回轉(zhuǎn)換結(jié)果

}

3.4 LCD1602顯示程序

設(shè)計中通過單片機的P0口接LCD1602的DB0～DB7，P2.6、P2.7接LCD1602的RS和E，與LCD1602進行通信。流程圖如下圖20所示。

圖20 單片機與1602通信過程

單片機向LCD1602寫入指令時，單片機先將1602的RS(P2.6)、E（P27）等引腳置為低電平，再將指令碼從DB0～DB7（P0）傳給1602，再先把E置為高電平后再置為低電平。1602檢測到CE的高脈沖后就將DB0～DB7數(shù)據(jù)口上的指令碼讀取，這樣就完成了一次指令的寫入[8]。

單片機向LCD1602寫入數(shù)據(jù)時，單片機先將1602的RS(P2.6)引腳置為高電平， E（P2.7）等置為低電平，再將數(shù)據(jù)從DB0～DB7（P0）傳給1602。再先把E置為高電平后再置為低電平，1602檢測到CE的高脈沖后就將DB0～DB7數(shù)據(jù)口上的數(shù)據(jù)讀取，這樣就完成了一次數(shù)據(jù)的寫入[8]。

3.5 驅(qū)動芯片L298程序設(shè)計

本設(shè)計采用驅(qū)動電路控制電機的轉(zhuǎn)速，因此驅(qū)動芯片L298是單片機和電機之間通信的一個橋梁。以下是驅(qū)動芯片的控制程序[7]。

sbit L_IN1=P3^5;

sbit L_IN2=P1^7;

sbit ENA=P1^6;

void timer0(void) interrupt 1

{

static uchar count0;

static char pwm_val;

static char pwm_time;

TH0 = 0xfc;

TL0 = 0x18; //1ms

if(beep_en)

Beep = ~Beep;

else

Beep = 1;

if(++ count0 == 20) //20

{

count0 = 0;

key_en = 1;

beep_en = 0;

}

if(++ pwm_time >= 10) //10ms

{

pwm_time = 0;

pwm_val = adj_val;

}

if(pwm_val > 0)

{

ENA = 1; //開

pwm_val --;

}

else

{

ENA = 0; //關(guān)

}

4 結(jié)論

該系統(tǒng)是一款基于STC89C52單片機的智能噴灌系統(tǒng)。硬件電路主要由電源模塊、單片機最小系統(tǒng)、傳感器檢測電路、A/D轉(zhuǎn)換以及驅(qū)動輸出電路組成，軟件系統(tǒng)主要由主監(jiān)控程序、按鍵操作及處理程序、動態(tài)顯示程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、L298驅(qū)動程序以及輸出控制程序等組成。經(jīng)過實驗與調(diào)試表明，該系統(tǒng)制作成本較低且性能良好，有利于推廣應(yīng)用。

對于此系統(tǒng)還可拓展其它功能，如：

（1）可以增加更多參數(shù)的檢測功能，比如：光照、空氣濕度等，使控制更精準；

（2）可以增加濕度上限自動報警功能，以預防暴雨天氣；

（3）可以增加可通按鍵選擇不同的作業(yè)條件，應(yīng)對不同作物噴灌條件；

（4）可以增加設(shè)置不同時段的濕度下限，更加有利于作物的健康生長。