農(nóng)林灌溉自動控制系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：水資源短缺的現(xiàn)象日益嚴(yán)重，科學(xué)有效地利用水資源是當(dāng)務(wù)之急。農(nóng)林灌溉自動控制系統(tǒng)，利用單片機(jī)AT89C52和土壤濕度傳感器等組成控制電路，可以根據(jù)不同的農(nóng)林作物的類型，選擇不同的澆灌周期、澆灌水量、澆灌方式等進(jìn)行自動澆灌，實(shí)現(xiàn)對水量的精確控制，避免人為澆灌造成的水資源嚴(yán)重浪費(fèi)的現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：農(nóng)林灌溉；AT89C52；土壤濕度；傳感器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.22.245

隨著人口的增長及人均收入的增加，人們對水資源的消耗量不斷增長，世界性近年來，中國的經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，水資源的消耗更是大幅增長，而中國是一個嚴(yán)重干旱的國家，是全球13個人均水資源最貧乏的國家之一，節(jié)約用水，珍惜水資源，正在引起人們的重視，但在工業(yè)、農(nóng)業(yè)等方面，水的浪費(fèi)現(xiàn)象卻依然很嚴(yán)重。比如，在農(nóng)業(yè)灌溉方面，水資源的利用率極低，有的地方仍然在采用原始的漫地澆灌的方式，這種做法使水的有效利用率低，嚴(yán)重浪費(fèi)水資源。利用傳感器和單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對農(nóng)作物的自動澆灌，可以根據(jù)需要準(zhǔn)確控制水量進(jìn)行澆灌，避免人為澆灌對水量控制不準(zhǔn)，造成澆水過量或澆水不足的現(xiàn)象，保證對水資源的有效利用；通過合理的程序設(shè)計，可以滿足不同種作物，不同場合澆灌的需要。

1 系統(tǒng)主要功能及物理模型設(shè)計

1.1 系統(tǒng)主要功能設(shè)計

根據(jù)農(nóng)作物的澆灌特點(diǎn)，我們主要設(shè)計了以下功能：

（1）定時澆水周期控制：根據(jù)不同的植物、不同的地區(qū)氣溫和溫度，可選擇不同的澆水周期；

（2）水量控制：根據(jù)不同的澆灌對象選擇不同的水量；

（3）對多個對象實(shí)現(xiàn)逐一澆水：澆灌系統(tǒng)對多個澆灌對象自動切換，逐一澆水；

（4）澆灌方式選擇：可根據(jù)需要選擇水管或噴灑的方式，對植物的根部、葉部進(jìn)行澆水；

（5）土壤濕度控制：每次澆灌前自動進(jìn)行土壤濕度檢測，當(dāng)下雨使土壤達(dá)到農(nóng)作物需要的濕度不需要進(jìn)行澆灌時，不啟動澆灌程序，而檢測到土壤低于要求的濕度時啟動澆灌程序；

（6）作業(yè)語音提示：作業(yè)中語音提示，可以告知人們澆灌機(jī)的作業(yè)情況，使管理更為人性化；

（7）有停電、來電語音提示，以便管理人員采取應(yīng)對管理員措施；

（8）夜間彩燈指示：夜幕降臨時，該系統(tǒng)彩色指示燈會自動亮起，以方便管理人員監(jiān)測系統(tǒng)工作狀態(tài)。

1.2 系統(tǒng)物理模型設(shè)計

系統(tǒng)主要由水泵、控制水箱、球閥、輸水管、水位控制裝置等組成，先用水泵將水抽到控制水箱里，通過程序控制打開相應(yīng)的電磁閥向需要水的目標(biāo)澆灌，當(dāng)澆灌的水量達(dá)到設(shè)定值時該電磁閥關(guān)閉，同時，程序控制打開另外的電磁閥進(jìn)行下一路澆灌。當(dāng)水位檢測裝置檢測到水箱里水位不夠時，水泵工作，向水箱里注水，當(dāng)水位達(dá)到設(shè)定的上限時，水泵停止工作。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制方案選擇

該控制系統(tǒng)可選擇PLC控制技術(shù)，也可采用以單片機(jī)為主控單元的控制系統(tǒng)。PLC進(jìn)行控制的優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)，可靠性好，但成本高不利于大面積推廣；采用單片機(jī)控制，其優(yōu)點(diǎn)是制作成本和維修成本都很低，且使用靈活，易于讓消費(fèi)者接受和大面積推廣大面積推廣。因此，該設(shè)計方案采用以單片機(jī)AT89C52為主控單元的控制系統(tǒng)。

2.2 硬件控制電路設(shè)計

控制電路采用AT89C52為主控單元。

用SWR2型土壤水分傳感器檢測土壤濕度，檢測數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器芯片TLC549進(jìn)行轉(zhuǎn)換后送給單片機(jī)進(jìn)行分析處理。SWR2型土壤水分傳感器的特點(diǎn)是測量精度高，響應(yīng)速度快，土質(zhì)影響較小，適用地區(qū)廣泛，密封性好，可長期埋在土壤中使用，不受腐蝕，適合農(nóng)田、水利等水份的埋測，且價格低廉。

SWR2型土壤水分傳感器的主要性能指標(biāo)，工作電壓4.5～5.5VCD，典型值5.5VCD，工作電流50～70mA， 典型值60mA，輸出信號0～2，5V，電纜標(biāo)準(zhǔn)長度5m，最長20m，探針材料銹鋼，強(qiáng)度大，不易折斷，密封材料采用ABS工程塑料，外形尺寸Φ50×115mm，工作溫度-50～50℃。

2.3 系統(tǒng)程序設(shè)計

根據(jù)不同的農(nóng)林作物對土壤濕度的要求，設(shè)定相應(yīng)的濕度值，程序每次啟動前，要首先檢測土壤濕度，如達(dá)到設(shè)定值，程序不啟動，如未達(dá)到設(shè)定值，選擇合適的周期和水量，啟動程序進(jìn)行澆灌。

根據(jù)所管理的農(nóng)林作物的地塊和面積的多少，設(shè)置多路澆灌，對每路澆灌作物的不同，選擇不同的給水量，用時間來設(shè)定，程序檢測澆灌的時間，達(dá)到設(shè)定時間后，完成該地塊的澆灌，關(guān)閉該路控制球閥，打開下一路控制球閥，進(jìn)行下一路的澆灌，如此循環(huán)，完成需要澆灌的所有目標(biāo)。

3 結(jié)論

該控制系統(tǒng)使用靈活、方便，可通過多個球閥的并聯(lián)，實(shí)現(xiàn)幾路到任意多路地塊或作物的澆灌，通過多個球閥的串聯(lián)，向遠(yuǎn)處延伸；通過程序設(shè)計，實(shí)現(xiàn)多種流量的選擇和不同周期的選擇；可用水管進(jìn)行根部澆灌，也可通過在水管的端部安裝噴頭進(jìn)行葉部的噴灑；且成本低，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，不僅實(shí)現(xiàn)了對水資源的有效、合理、科學(xué)地利用，又可以讓人們從繁重的體力勞動中解放出來。該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、園林、花草等領(lǐng)域，具有廣泛的推廣前景。

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作者簡介：王和平（1958-），女，河北平泉人，本科，教授，主要從事：電工電子技術(shù)和自動控制技術(shù)的教學(xué)和科研工作。