基于FDR原理的自動灌溉系統設計*

張瑞卿，戈振揚，單 偉，于英杰，李厚春

（昆明理工大學現代農業工程學院，云南昆明 650500）

0 引言

水是植物生存的主要環境因子。土壤水分含量是土壤的重要物理參數，對于植物的生長、存活、凈生產力等方面具有極其重要的意義［1，2］，對植物的需水規律研究也具有十分重要的現實意義［3］。

對于土壤水分的測量是生態、農業、水文和水土保持等研究領域工作中的一項基礎工作［4］。土壤水分的測量有多種方法［5，6］，一是直接測量土壤的容積含水率，如烘干稱重法;二是通過測量土壤的傳導性間接獲得，如時域反射（time domain reflectometry，TDR）法、頻域反射（frequeny domain reflectometry，FDR）法;再就是測量土壤的基質勢，如，張力儀法、干濕計法等。烘干法是國際上測量土壤含水量的標準方法，但其存在費時、費力、深層取樣困難等缺點。TDR法具有快速準確、連續測定等優點，但儀器設備昂貴;FDR幾乎具有TDR法的所有優點，不會擾動土壤，能夠自動監測土壤水分及其變化，且價格便宜。

目前，我國大部分土壤水分調控設施簡單、自動化程度較低、系統功能不完善［7］，與現代農業要求還不相適應，因此，設計出一種能夠根據土壤含水情況進行合理灌溉并且價格相對低廉的自動灌溉系統十分有必要。

1 FDR測量原理

FDR的水分探頭被稱為介電傳感器，傳感器主要由一對電極組成一個電容器，其間的土壤充當電介質，電容器與振蕩器組成一個調諧電路，振蕩器工作頻率隨土壤電容的增加而降低［8］。FDR法使用掃頻頻率來檢測共振頻率，土壤含水量不同的時候，發生共振的頻率不同。

前人多年來的研究表明:介電常數的平方根與土壤容積含水量存在線性關系，且這種關系適宜于多種土壤;土壤的介電常數強烈地依賴體積含水量，土壤中水的介電常數明顯大于土壤基質材料和空氣。在20℃，1個標準大氣壓狀態時，純水的介電常數是80.4，土壤基質材料約為3～7，空氣為1。而對土壤類型、密度、溫度（＞0℃），可溶性鹽含量的依賴性很小，所以，測得的土壤介電常數能靈敏地指示土壤的體積含水量［9］。

2 系統組成與工作原理

系統以AT89S52單片機為核心，由電源模塊、土壤水分信號采集和處理模塊（電壓式土壤水分傳感器）、數碼管顯示模塊和控制灌溉模塊組成，電源模塊使用開關電源，如圖1所示。

圖1 自動灌溉系統原理框圖Fig 1 Principle block diagram of automatic irrigation system

工作原理:通過基于FDR法原理的土壤水分傳感器采集植物土壤水分信息，傳感器內部的轉換電路將土壤水分含量線性轉換為0～5 V直流電壓信號，經A/D轉換送至單片機進行判斷處理，當土壤水分含量低于設定的最小值時，繼電器打開，開啟電磁閥進行噴灌，并且能夠根據測得數值的大小控制電磁閥的開閉時間，實現定量灌溉;當水分含量高于上限閾值時，繼電器斷開，電磁閥關閉，停止噴灌。水分含量的實時變化在數碼管上以電壓的形式顯示出來。

2.1 土壤水分傳感器的選擇和標定

選用上海搜博公司生產的SM2801V電壓型土壤水分傳感器，電源工作電壓范圍為直流12～24 V，本系統中傳感器的電源電壓選作12V，測量頻率100MHz，測量范圍0%～100%，輸出為0～5 V直流電壓信號，測量區域為以中央探針為中心，周圍30 mm，高為70 mm的區域。

為了能夠準確測量土壤的含水情況，并實現定量灌溉，需對土壤水分傳感器進行標定［10］。與此同時，對每個土樣用烘干法計算其土壤體積含水率。

對2種測量方法的結果加以對照，描繪出相應的曲線，如圖2所示，可以看出:傳感器輸出電壓與土壤體積含水率是呈線性相關的。將物理量線性轉換成電壓量，后續的控制單元模塊可以方便地讀取信號。標定時發現:傳感器在插入純水中時最大電壓值在4.5 V左右。因此，在軟件設計時，根據傳感器此時的量程范圍（0～4.5 V）進行灌溉范圍的劃分。根據實際情況，劃分為3個灌溉階段:0～1，1～2，2～3 V，當測量值達到3 V或以上時，系統會自動停止工作。

圖2 土壤體積含水率與傳感器輸出電壓的關系Fig 2 Relationship between soil volumetric water content and sensor output voltage

2.2 繼電器和電磁閥的選擇

采用松樂1路繼電器模塊，輸出驅動能力滿足系統要求。輸入IN1口可直接與單片機I/O口連接，輸入高電平時繼電器吸合，輸入低電平時繼電器釋放。工作電壓為5 V，吸合電流約為70 mA，帶狀態指示燈，采用三極管驅動繼電器動作。

選用2W160—15型直動式電磁閥，工作電壓為交流220 V，公稱通徑為2 mm，壓力范圍為1～8 MPa。

2.3 開關電源

整個系統中多個電子器件需要供電，且供電電壓不完全相同，因此，需選用開關電源，以保證系統能夠正常工作，依據系統設計，開關電源應具備5，12，24 V三種電壓選擇。

3 控制單元電路原理圖設計

控制單元首先測量土壤水分傳感器轉換得到的電壓信號。核心部件AT89S52單片機對數據進行處理，根據測得的不同電壓數值，通過控制電磁閥的打開時間進行定量灌溉的控制。控制單元電路設計如圖3所示。

ADC0809的引腳26與土壤水分傳感器的輸出電壓測量輸入端相連，引腳16與傳感器的接地端相連。數碼管采用共陰極接法，7只發光管加上小數點分別由字母a，b，c，d，e，f，g，dp 表示，與 AT89S52 單片機 P1 口的8 個引腳依次相連;位選引腳s1～s4依次與AT89S52單片機的P2.0～P2.3相連。AT89S52單片機的引腳25與繼電器的輸入端IN1口相連，通過引腳的高低電平控制繼電器的通斷，繼而控制電磁閥的開閉。

4 軟件設計調試

在Keil uvision4編程環境中，使用C語言進行編程，實現數據的讀取、轉換、顯示以及繼電器的開關時間控制。完成程序的編寫以實現上述功能后，進行編譯，調試無誤后，將其下載到單片機里。使用USB ISP下載線，它具有支持Windows操作系統，支持AT89S51，52及AVR全系列芯片燒錄，方便筆記本電腦用戶使用等優點，并且使用Atmel公司推薦的標準IDC10PIN接口。

圖3 控制單元電路原理圖設計Fig 3 Design of control unit circuit principle diagram

4.1 主程序

主程序流程如圖4所示。系統上電，首先進行單片機的初始化，然后單片機向傳感器發送測量命令，對測量數據進行采集處理，查詢轉換結束后，數碼管實時顯示測量數據，再根據不同的測量值進行定時開閉繼電器的動作，測量數值在灌溉范圍內，循環過程一直進行，直至達到灌溉的上限閾值時，停止灌溉。

圖4 主程序流程圖Fig 4 Main program flowchart

4.2 USB驅動安裝與程序下載

將USB ISP下載線插入到電腦USB接口，然后按照安裝說明進行驅動程序軟件安裝。在下載程序前，要完成下載線與AT89S52單片機對應引腳的連接。

完成以上工作后，用智峰Progisp1.72軟件下載程序，將程序下載到單片機中。將整個系統的硬件部分進行組裝，完成整個裝配工作，之后檢查各供電線路，確保電路處于通路且無短路、斷路情況后，分別給傳感器、繼電器、電磁閥、單片機供電，在實驗室完成系統的初步調試。整個自動灌溉裝置如圖5所示。

圖5 自動灌溉裝置實物圖Fig 5 Photo of automatic irrigation device

初步調試的結果顯示，當傳感器測量電壓在0～1 V時，繼電器平均動作時間為22.81 s;當傳感器測量電壓在1～2 V時，繼電器平均動作時間為13.73 s;當傳感器測量電壓在2～3 V時，繼電器平均動作時間為4.56 s;三者的灌溉時間比符合預先設定5︰3︰1的比例，時間誤差控制在0.37%以內。

5 系統性能測試試驗

系統性能測試試驗在學院科研溫室內進行。以龜背竹為試驗對象，試驗前，試驗植物已處于缺水狀態，系統測量初值為0.72 V，控制單元根據內置的判斷語句，執行閉合繼電器的動作，同時電磁閥工作，執行灌溉命令，隨著灌溉的進行，測量值不斷增大，一次性澆灌的時間變短，當測量值達到灌溉的上限閾值3 V時，停止灌溉。系統工作過程中測量值隨灌溉次數的變化情況如圖6所示。

圖6 測量值隨灌溉次數變化圖Fig 6 Diagram of measured values change with irrigation times

通過多次試驗發現，控制單元感知信號的靈敏度較高，能在較短的時間內完成灌溉工作，效果良好，均勻度較高。上述試驗中整個灌溉過程用時4分15秒。

6 結論

1）基于FDR法原理設計出了一種自動灌溉系統，該系統通過開關電源，分別給傳感器、單片機、繼電器、電磁閥供電，供電電壓分別為 12，5，5，220 V;

2）將傳感器的工作電壓選作12V，并進行標定試驗，測量結果與烘干法對比，完成對傳感器的線性標定;

3）在Keil uvision4編程軟件下，使用C語言進行編程，功能實現，編譯無誤后，用智峰Progisp1.72軟件下載程序，將程序下載到單片機中。

4）通過系統測試試驗發現，整個系統工作正常，反應靈敏，能夠較好地實現自動灌溉功能，具有可行性。

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