基于土壤濕度監測的智能澆灌系統設計

江瑩旭　陳如清

【摘 要】基于AT89C51單片機，設計了基于土壤濕度監測的智能澆灌系統。整套系統由控制、傳感、執行三部分構成，用于實時監控智慧農業大棚中土壤的濕度。工作時通過對土壤濕度的采集和對比，當實際濕度低于設定下限或高于設定上限值時，單片機啟動水泵或風機工作，避免土壤因過旱或過澇給植物造成的影響。總體上能實現實時測量溫室土壤的濕度，并根據不同植物生長周期對其進行適時適量灌溉，有效提高了溫室設施的農業自動化程度。

【關鍵詞】濕度監測；單片機；傳感器；智能澆灌

0 引言

隨著農業自動化程度的提升，基于土壤濕度監測的微灌溉技術作為一種有效的現代農業節水灌溉技術，開始活躍于農業澆灌中。提高有效灌溉率并縮短工作時間，是智能節水和澆灌技術的關鍵[1]。在世界發達國家，自動化智能澆灌系統已被廣泛用于發展節水農業。通過采用遙感濕度傳感器監測土壤和作物狀況，根據農作物不同生長期對水分的需求量，對灌溉區的水管理進行自動遙控監測預報，實現灌溉區管理自動化和用水自動化[2]。智能澆灌系統的設計具有重要實用價值[3]。

1 系統工作原理

本系統可用于智慧農業大棚中植物土壤水分的實時監控，目前主要針對西紅花（生長期從11月到來年5月，此期間相對濕度保持在60-70%）的栽培。整個系統的工作過程是通過SHT11數字式溫濕度傳感器采集濕度信號，經內部放大和A/D轉換后以數字量輸出，然后傳送給單片機AT89C51控制系統，最后經過LCD顯示實時濕度。整個系統的硬件電路主要包括51單片機控制系統模塊、濕度采集電路模塊、鍵盤模塊、LCD液晶顯示模塊、報警模塊、時鐘模塊、濕度控制模塊、電源模塊。每一種植物都有適宜的濕度范圍，據此來設定濕度初值。與設定初值比較時，當前所采集到的土壤濕度的實際值低于我們的設定值下限時，打開水泵增加灌溉；當前所采集到的土壤濕度的實際值高于我們的設定值上限時，打開風機進行通風，從而實現實時監控濕度值。系統總體結構如圖1所示。

2 硬件系統設計

2.1 單片機控制系統設計

采用AT89C51單片機作為控制器，通過P0口與LCD1602傳遞數據，P1.7為水泵電機的驅動接口和濕度下限報警的接口，P1.6為風機的驅動接口和濕度上限報警的接口，P2.0-P2.2為時鐘芯片的接口，P1.3-P1.4是溫濕度傳感器SHT11時鐘、數據口，P3.4-P3.7為鍵盤電路接口。

2.2 濕度采集電路設計

選擇合適的濕度傳感器是實現精確土壤濕度監測的關鍵。實際中常用相對濕度表示水蒸氣的飽和度的高低[4]。根據濕度范圍為20%-90%RH，精度為±5%RH的測量要求，選用集成度較高的SHT11傳感器（測濕范圍為0-100%RH），經校準的輸出數字信號使其具有卓越的長期穩定性和超低能耗，適用于超長的信號傳輸距離。濕度采集電路使用集成濕度傳感器SHT11，它將相對濕度傳感器、放大器、A/D轉換器、接口、存儲器及控制單元集成一體，形成數字化濕度傳感器，在功能和微型化方面均有重大突破。

2.3 鍵盤電路的設計

利用鍵盤實現對濕度上下限的設置，設計時采用4個獨立按鍵，分別為加、減、設置、退出。濕度上加鍵接P3.6口，按加形式設置濕度；濕度下減鍵接P3.7口，按減形式設置濕度；液面初始化下顯示實時時間和濕度，設置鍵接P3.5口，按一下設置鍵顯示濕度上限，再按一下設置鍵顯示濕度下限，通過加和減鍵就可以調節濕度上下限；退出鍵接P3.4口，返回初始界面。

2.4 LCD液晶顯示電路的設計

采用14條引腳的字符型LCD1602，少了背光電源線VCC（15腳）和地線GND（16腳）兩條線，但和16腳的LCD完全一樣。D0～D7腳分別接CPU的P0.0-P0.7，由于51芯片內部P0口沒有上拉電阻，所以要外接排阻RP1，提供足夠的電流和電壓。

2.5 報警電路的設計

單片機的P1.6接LED濕度上限報警燈，P1.7接LED濕度下限報警燈，起著控制溫度濕度的報警作用，只要控制單片機接口的高低電平就可以實現報警提醒。當濕度低于設置下限時，單片機控制P1.7腳由高電平變為低電平，D2導通變亮；當濕度超過設置上限時，單片機控制P1.6腳變為高電平，D3導通變亮。

2.6 時鐘電路的設計

在本系統設計中，需要顯示現場土壤濕度值的實時時間，便于用戶記錄植物生長狀況。所以采用DS1302時鐘芯片與單片機結合設計的時鐘電路可以顯示出實時年、月、日、時、分、秒等信息。DS1302的RST、SCLK、I/O口分別與單片機P2.0-P2.2相接。但實際使用中DS1302表現出實時時間的傳送出現誤差，這主要是由晶振造成的，所以要選用具有6pF負載電容的晶振進行補償。

2.7 濕度控制電路的設計

濕度控制電路可使用L298步進電機驅動或控制電磁閥驅動，本系統采用電磁繼電器。當電磁繼電器線圈通電，繼電器內部就會因為電磁效應產生磁力，吸引銜鐵塊使其克服了彈簧拉力的作用，吸附在常開觸點上，間接控制水泵電機/風機的啟停狀態。

3 軟件系統設計

軟件系統主要包括土壤濕度檢測和處理程序、鍵盤程序、LCD顯示程序、時鐘程序。土壤濕度檢測和處理程序是關鍵程序，連續檢測土壤的濕度值，并對采集到的濕度數據進行處理，通過與設定值比較，去執行水泵或風機控制程序。鍵盤程序實現人工設定濕度初始值，并通過延時程序消除按鍵抖動問題。LCD顯示程序在上電的時候，動態顯示時間和當前土壤濕度值。時鐘程序可實時顯示現場時間。整個系統在上電穩定后，先對LCD和DS1302初始化，讀取當前時間和濕度值，然后判斷是否有按鍵按下，若有就執行對應程序功能。當實際濕度低于設定下限值時，單片機啟動水泵工作；當高于設定上限值時，單片機啟動風機工作。

4 總結

本文完成了基于土壤濕度監測的智能澆灌系統的設計。濕度傳感器和時鐘DS1302完成傳感模塊，51單片機控制系統電路和鍵盤電路完成控制模塊，執行模塊則是由水泵電機驅動電路和風機驅動電路實現的。具有測量范圍廣及測量精度高的優點，能實現大棚智能監控灌溉的功能，可廣泛適用于農業大棚的生產管理過程。

【參考文獻】

[1]倪濤.基于單片機控制的節水灌溉系統研究[J].機電信息，2011（27）：215-216.

[2]張婷，白安龍.自動化滴灌系統在新疆農業灌溉中的應用前景[J].石河子科技，2009（1）：18-19.

[3]王有春，龐慧，屈建平.農田智能澆灌自動控制系統的設計[J].安徽農業科學，2012，40（3）：1760-1761.

[4]高燕.基于FD原理土壤水分傳感器標定方法與系統集成[D].北京：中國農業大學，2006，6.

[責任編輯：湯靜]