一種智能灌溉控制器的研究與設計

陳燕鵬　劉祖明　楊康等

摘要 [目的]采用電橋法和稱重法對土壤含水量進行實驗研究和控制器的設計。[方法]依據電橋法設計出灌溉控制器的工作原理，用電橋測出土壤兩端電阻值的變化，進而求出因土壤電阻值的變化所引起的電壓變化，經過89C51單片機的多級放大和算法處理，實現控制器對土壤含水量的采集、控制和顯示。[結果]控制器土壤濕度測量值隨著沙土含水量增大而增大，一般測量值在40%～80%時都可以滿足大多數植物的需水量要求。 [結論]該研究設計的智能灌溉控制器可以用來測量和控制土壤的濕度。

關鍵詞 土壤含水量；電橋法；稱重法；灌溉控制器

中圖分類號 S126 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2015）20-359-03

Abstract [Objective]The electric bridge and weighing method were used to investigate the soil moisture and a novel irrigation controller was designed in this study. [Method]According to basic principle of electric bridge method，， the changed voltages （ΔU） were solved with the changed resistance of soil. The collector， controller and display of soil moisture were controlled by irrigation controller on account of 89C51 MCU. [Result] The controller soil moisture measurements with sand moisture content increases，the average measured value at 40%-80% can meet the requirements of the water requirement of most plants.[Conclusion] It is feasible that the irrigation controller will be used to measure and control soil moisture in the future.

Key words Soil moisture；Electric bridge method；Weighing method；Irrigation controller

土壤濕度測量有電容式土壤濕度傳感器測量[1]、TDR測量[2]、光譜測量等，這些測量主要用于高精度的實驗測量使用，因設備成本較高其實際應用性不多，如可降低成本并提高性能，滿足一般農戶的灌溉控制需求，是當務之急。

市場上大多數灌溉控制器主要以定時控制器為主[3]，用定時的方式給植物澆水，其缺點是：植物吸水量和土壤蒸發量不僅和時間有關系，還和周圍環境溫度、濕度、光照強度、氣流等都有關系，會出現有時澆水過多有時澆水不足的問題，而且用戶使用時要反復調節時間，調節難度極大。筆者介紹了一種智能全自動灌溉控制器，可用在辦公室、客廳、走廊、陽臺、花園等地方的澆灌，配有DC12V控制端口，可接12V微型直流水泵，用土壤濕度傳感器測量土壤電阻值變化來控制水泵的開啟和關斷來達到澆灌的目的。

1 控制器的設計及使用方法

1.1 控制器的結構設計

該控制器由外殼、控制電路板、土壤濕度傳感器、水泵、螺絲、固定片、若干導線構成。其中控制電路板由4位數碼管、按鍵開關、電容電阻、89C51單片機、繼電器、三極管、二極管等元器件構成；土壤濕度傳感器由2塊固定片、螺絲、2塊金屬片、導線構成，2塊金屬片被2塊固定片夾在中間，金屬片之間有6 mm的間距，每塊金屬片均與導線連接且是獨立的，如圖1所示。

1.2 控制器的原理設計

該控制器用電阻法來檢測土壤濕度，當土壤濕度傳感器插入到土壤中時，會檢測到2塊金屬片之間的土壤電阻值，隨著水分含量的減少，土壤中導電離子減少，電阻值增大；水分含量增加，土壤中導電離子增多，電阻值減小。利用這一特性，把土壤電阻值的微小變化用電路檢測出來，由模擬電壓信號轉變成數字信號，經過單片機處理放大，用控制算法來實現土壤濕度的檢測、調節、顯示和水泵的開斷。

實際土壤含水量[4]（即土壤濕度）采用農業氣象上土壤濕度經常采用的表示方法——稱重法[5]，即土壤中水分的重量占其干土重的百分數（%）。

從圖3可以看出，土壤稱重含水量與用控制器測量出的參考值是成正相關的，隨著土壤濕度的增大，相應的測量值也相應增加，利用這個正相關關系，可以間接地測出土壤的潮濕程度，進而控制水泵工作。

土壤的密度是水的2倍，且土壤顆粒的空隙遠遠大于水的空虛，用稱重表示方法來表示土壤濕度時，其表現出來的值會很小，而區分土壤潮濕的程度，一般分為干、潤、潮、濕[4]，用手去觸碰土壤，有涼感的視為干，土壤太干，這時植物處于缺水狀態；明顯有濕潤感，可壓成任意形狀而沒有潮濕痕跡的視為潤，一般野外晴天的時候植物根部土壤濕度可以達到這個值，這對一些耐旱的植物是合適的，如蘭花；用手擠壓時沒有水浸出來，而有潮濕痕跡的視為潮，這是大部分植物都需要的水分含量，在晴天進行光合作用可以源源不斷地吸收水分；用手擠壓，水會擠壓出來的視為濕，這時植物根部會有少許的積水現象，不利于植物生長。

可以看出，用實際土壤濕度值來表示，會對使用者造成很大的誤解，一般人們認為土壤很潮濕已經出現積水了濕度應該是100%，但實際土壤濕度值可能在15%左右，故用實際土壤濕度值表示是不可行的。該研究把這個電阻值的微小變化反應在電壓變化上面，然后放大到100 000倍以上，來近似地模擬實際土壤含水量，這樣就可以間接地調節、測量和控制土壤濕度。

1.3 控制器的程序流程設計

控制器的程序流程設計如圖2所示。當控制器有電時，它會自動進行初始化過程，然后對系統進行錯誤自檢，如土壤濕度傳感器沒接上、水泵沒接上、電路部位有問題等。當執行到按鍵檢測時，沒有按鍵按下，就進行濕度的控制和顯示；當檢測到按鍵被第一次按下時，就進入下限值的調節；當第二次檢測到了按鍵被按下，就進入上限值的調節；當第三次檢測到了按鍵被按下，便進行設定值的控制和執行；這樣一直循環下去。一般程序里面已經設定了一個初始值，方便控制器的運行。

1.4 使用方法

首先，固定好控制器，把土壤濕度傳感器插入待澆灌的土壤中，把毛管和滴灌頭固定安裝好，進水管和出水管安裝到控制器的水泵上面，進水管另一頭接上過濾器，滴灌頭一般固定在花盆的中央，浸潤直徑在30 cm左右，土壤濕度不僅可以通過控制器來調節，還可以通過傳感器和滴灌頭的距離來進一步調節。

然后打開電源開關，第一次按下鍵1，數碼管顯示下限濕度調節模式，按鍵2、3、4可以對濕度值進行設定，第二次按下鍵1，數碼管顯示上限濕度調節模式，同樣按鍵2、3、4可以對濕度值進行設定，第三次按下鍵1，控制器執行剛設定好的濕度范圍，從而控制水泵的開啟和關斷。

此控制器接220 V交流電，靜態工作耗電量在50 mA以內，正常工作耗電量在800 mA左右，耗電不是太多，非常適合在辦公室、走廊、陽臺、客廳等地方使用。

2 控制器的測試及分析

2.1 實驗方案

2.1.1 實驗準備。

從室外采集一定量的紅土、腐質土、沙土，2 kg量程、精度0.1 g的小臺秤1臺，陶瓷皿1個，玻璃杯1個，電爐1臺，鋁板1塊，鋁片2塊，12 V開關電源1個，20 cm×30 cm的覆銅板1塊，腐蝕液1包，PCB氣泡蝕刻機1臺，打印機1臺，熱轉印機1臺，電焊烙鐵1把，焊錫絲1卷，萬用電表1個，電子元器件、螺絲、熱轉印紙及導線若干。

2.1.2 土壤濕度測量實驗方案。

采用烘干稱量法[5]，對實際土壤濕度進行測量，把鋁板放到電爐上進行預熱，把一定量的沙土放到鋁板上烘干，直至重量不再減少，稱出陶瓷皿的凈重m，并做好標記；取下沙土于陶瓷皿中，然后稱出盛有干土的陶瓷皿質量M，稱出盛水的玻璃杯質量m0，每次往陶瓷皿中加入一定量的水，稱出剩余水和玻璃杯的質量為mx，在每次加入水的時候要對土進行充分的攪拌，這樣可以計算出實際土壤含水量θi，計算公式為：

用圖5所示的實驗電路進行測量，要保證每次土壤濕度傳感器插到同樣的深度，記錄下每次控制器上數碼管顯示的土壤濕度值θj，一般實驗6～10次。其中m、M、m0為定值，其余均為變量，mx、θi、θj下標x、i、j均為實驗次數。

2.2 實驗結果與分析

該研究進行了9次實驗，每次實驗測得的結果見表1。根據表1結果，繪制實際含水量與控制器測量值的關系曲線（圖6）。

從圖6可以看出，經過算法的處理，把θ轉換成θj，也是符合正相關關系的，控制器土壤濕度測量值會隨著沙土含水量的增大而增大，沒有出現跳變和減小，在實驗過程中發現當實際稱重含水量達到13.3%時，控制器顯示的測量值已經達到100%以上，土壤已經出現了積水現象。故對控制器來說，一般測量值在40%～80%可滿足對大多數植物的需水量要求，對顯示測量值的放大是為了讓使用者更易接受，且測量結果不會出現抖動和漂移，它會隨著土壤含水量的降低而減小。

3 結論

該研究通過對控制器原理的理論推導、算法實現和實驗論證，驗證了土壤含水量和土壤直流電導率確實有著良好的線性關系。以此為基礎，用電橋法推導出電壓變化值也可以反應出土壤含水量和直流電壓的正相關關系，只是信號非常微弱，要經過放大和處理。因此，測量土壤電導率的方法確實可以測出土壤含水量的變化。此控制器在測量沙土的土壤濕度時，顯示測量值當達到100%左右沙土已經開始有積水現象，而測量值為40%～80%的土壤濕度較為合適，實現了對土壤濕度的測量和控制。

相對于高精度土壤濕度傳感器，該研究設計的灌溉控制器精度低了很多，主要是受溫度、土壤顆粒大小、土質、傳感器頭插入深度、土壤松散程度等因素的影響，土壤本身是混合物，在測量時就出現了很多的變量影響測試結果，故該控制器的精度還有待提高。可基于傳感器測量原理，通過設計不同的實驗方案加以改進。

參考文獻

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