農(nóng)業(yè)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

計(jì)利剛

摘 要：我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，然而我國水資源非常缺乏，這就阻礙了農(nóng)業(yè)的發(fā)展。農(nóng)業(yè)灌溉所需要的水資源非常多，而現(xiàn)階段我國農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)相對落后，這就造成了在農(nóng)業(yè)灌溉中水資源得到了大量的浪費(fèi)。隨著我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們開始重視農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，將一系列的先進(jìn)技術(shù)引入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，其中在農(nóng)業(yè)灌溉中充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)，設(shè)計(jì)出了各種不同類型的智能化節(jié)水灌溉系統(tǒng)，這不但節(jié)約了大量的水資源，還使得農(nóng)作物的灌溉更加科學(xué)合理，提高農(nóng)作物的產(chǎn)率。文章簡要分析了農(nóng)業(yè)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，希望能給讀者一些幫助。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)灌溉；智能節(jié)水；設(shè)計(jì)分析；單片機(jī)

目前，農(nóng)業(yè)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)主要是把AT89C52單片機(jī)作為主控芯片，而外圍又是有多個(gè)傳感器以及電路共同組成，主要包括：濕度傳感器、超限警報(bào)電路、數(shù)據(jù)處理電路和LED動(dòng)態(tài)顯示電路等。該智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)主要是通過由濕度傳感器監(jiān)測土壤的濕度，然后將濕度值報(bào)告給單片機(jī)，單片機(jī)再根據(jù)預(yù)先設(shè)定的濕度值控制其它系統(tǒng)對土壤輸送水分，待達(dá)到規(guī)定的濕度值后，系統(tǒng)則自動(dòng)停止補(bǔ)充水分，讓土壤始終保持最合適的濕度，進(jìn)而促進(jìn)農(nóng)作物的快速生長。

1 智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)是把型號(hào)為AT89C52的單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控芯片，在土壤中安裝多個(gè)濕度傳感器，由它來監(jiān)測土壤中水分含量。當(dāng)土壤中含量低于標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，濕度傳感器則將這個(gè)信息轉(zhuǎn)化成電流信號(hào)，再通過信號(hào)處理電路進(jìn)行一系列的處理后就變成了可用的電壓模擬性信號(hào)，然后通過A/D轉(zhuǎn)換器將它轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，直接傳輸?shù)街骺匦酒瑔纹瑱C(jī)中，單片機(jī)就對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行合理地調(diào)控，在數(shù)碼管上會(huì)顯示出濕度值。一旦濕度值發(fā)生了變化，該智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)控制水泵開關(guān)。農(nóng)業(yè)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

圖1 智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 單片機(jī)的最小系統(tǒng)

AT89C52單片機(jī)具有功耗低、性能高的優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)中得到較為普遍的應(yīng)用。該單片機(jī)在工作時(shí)的額定電壓為5V，在單片機(jī)的內(nèi)部存在一個(gè)256B的RAM和一個(gè)8kB的PEROM，這就保證單片機(jī)能夠與標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)共同控制運(yùn)作，這主要是運(yùn)用了由ATMEL公司研制出的高密度生產(chǎn)技術(shù)和非易失性存儲(chǔ)技術(shù)，在單片機(jī)內(nèi)部還分布著Flash存儲(chǔ)單元和8位CPU，芯片為40個(gè)引腳，這就包括了32個(gè)外部雙向I/O口、2個(gè)全雙工串行通信口、2個(gè)外部中端口、2個(gè)16為可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器。該芯片不僅能夠?qū)崿F(xiàn)常規(guī)編程，還能夠?qū)崿F(xiàn)在線編程，依靠可反復(fù)擦寫的Flash存儲(chǔ)器與MCU將其有機(jī)結(jié)合，這就直接使得芯片的靈活性得到大幅度提升，還減少了系統(tǒng)的制造成本。

3 時(shí)鐘電路

單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)從根本上分析也即是同步時(shí)序邏輯電路，其核心就是時(shí)鐘電路，主要依賴于時(shí)鐘信號(hào)對時(shí)序邏輯系統(tǒng)進(jìn)行有效控制，并且CPU具備的不同種指令功能即是在由時(shí)序單路生成的時(shí)鐘信號(hào)控制下逐一實(shí)現(xiàn)的。其中，MCS-51型號(hào)的單片機(jī)中所含有的時(shí)鐘信號(hào)可以分為兩種方式：通過外部電路生成；通過單片機(jī)內(nèi)部的振蕩電路生成。

4 復(fù)位電路

為了確保CPU與其它相關(guān)的功能部件均可以從某個(gè)確定的狀態(tài)開始工作，因此，單片機(jī)在每一個(gè)開機(jī)時(shí)都必須重新復(fù)位，此時(shí)，復(fù)位電路就起到了關(guān)鍵作用。復(fù)位電路一般分為按鍵復(fù)位和上電復(fù)位等形式。在對MCS-51型號(hào)的單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位時(shí)，主要是由外部復(fù)位電路來完成，其工作原理為：當(dāng)按下按鈕之后，就使得RC電路進(jìn)行充電，且RESET端發(fā)生高電平，此時(shí)只要將高電平始終維持在10ms以上，即可完成單片機(jī)的復(fù)位工作。

5 數(shù)據(jù)采集處理電路

由傳感器監(jiān)測到的模擬信號(hào)是非常微弱的，并且此時(shí)存在很多干擾信號(hào)，所以信號(hào)在傳輸?shù)街骺匦酒g就必須通過濾波、信號(hào)放大以及模數(shù)轉(zhuǎn)換等步驟。該智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)通過運(yùn)算放大器U2、U3把信號(hào)進(jìn)一步放大，進(jìn)而能適應(yīng)之后A/D轉(zhuǎn)換器的工作要求。

ADC0809主要包括一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器、一個(gè)8通道模擬開關(guān)、一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器和一個(gè)地址譯碼鎖存器等，該數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)可以同時(shí)允許8個(gè)模擬信號(hào)傳輸，并實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換共享。

6 LED顯示系統(tǒng)電路

在采用單片機(jī)的系統(tǒng)中，一般所采用到的顯示器件包括數(shù)碼管和顯示器。這兩種器件具備的優(yōu)勢十分明顯，包括價(jià)格便宜、配置容易、與主控芯片接口簡便等。可以在農(nóng)業(yè)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)中采用共陰極數(shù)碼管，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)顯示。把數(shù)碼管的LED的引出端與單片機(jī)I/O口的8位線進(jìn)行連接，調(diào)節(jié)共陰極數(shù)碼管的高電平使之有效，再選擇8位并行輸出端，則就可以在LED顯示器上實(shí)時(shí)顯示不同的數(shù)值。

7 超限警報(bào)電路

如果該智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的運(yùn)行環(huán)境超出預(yù)置的范圍，就需要設(shè)置一個(gè)超限警報(bào)電路來提醒使用者，以便及時(shí)采取有效措施加以解決，現(xiàn)今普遍采用的報(bào)警電路主要包括：蜂鳴報(bào)警、閃光報(bào)警及語音報(bào)警等。例如，采用語音報(bào)警裝置，則一般選擇采用1SD1420型號(hào)的語音報(bào)警芯片，由A/D轉(zhuǎn)換器傳出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過主控芯片的P0接口輸送到主控芯片內(nèi)，然后由主控芯片對信號(hào)進(jìn)行智能化處理并與配置值作對比。如果比預(yù)置值要小，那么P2.1口將會(huì)輸出低電平，單片機(jī)就會(huì)控制語音芯片發(fā)出報(bào)警信號(hào)；反之，那么P2.1口將會(huì)輸出高電平，系統(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)語音報(bào)警信號(hào)，則系統(tǒng)運(yùn)行正常。

8 結(jié)束語

本文簡要介紹了農(nóng)業(yè)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)組成，這體現(xiàn)了自動(dòng)化技術(shù)在我國農(nóng)業(yè)灌溉中的有效應(yīng)用，同時(shí)也體現(xiàn)了我國農(nóng)業(yè)科技水平的顯著提高。而目前，我國農(nóng)業(yè)灌溉的智能化水平在整體上看來偏低，這需要國家農(nóng)業(yè)部門進(jìn)一步加大農(nóng)業(yè)智能化研發(fā)力度，在農(nóng)田灌溉方面設(shè)計(jì)出高度智能化、自動(dòng)化的供水系統(tǒng)，既能節(jié)約大量的水資源，還能促進(jìn)農(nóng)作物快速成長。

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