一種基于單片機設計的自動灌溉系統

阮程鵬+曾肖楓+洪鑫

摘要：植物生長需要土壤保持一定的濕度，通過經驗對植物進行灌溉不但勞動強度大，而且用水不準時也不能精確，這樣就會浪費掉很多水資源。因此需要一種及時，高精度，使用簡單，價格比較便宜，能夠自動進行濕度檢測和控制的自動灌溉系統來取代的傳統人工的灌溉模式。本次設計的自動灌溉系統可以精確定量灌溉，也可以手動灌溉，效率相對較高，這樣就可以節約很多水，節省很多人力物力。

關鍵詞：AT89S51單片機；YL-69土壤濕度傳感器；LCD1602

1設計所采用的研究方法

本次設計的自動灌溉系統由土壤濕度的檢測顯示部分和控制水泵進行灌溉部分共同構成。該系統選用AT89S51單片機為控制核心，通過土壤濕度值大小控制抽水泵及時、適量地對植物進行灌溉。檢測顯示部分采用YL-69濕度傳感器采集土壤濕度信息，經過ADC0832A/D轉換器將濕度信號進行放大轉換成數字信號，然后送到單片機程序處理，濕度值大小就會顯示在LCD1602屏幕上。灌溉部分可利用單片機內部中斷服務程序實現，若采集到的當前濕度值小于單片機設置的啟動值，單片機發出抽水命令經放大驅動裝置控制繼電器閉合，水泵打開進行灌溉澆水，以緩解土壤干旱情況。當濕度值大于啟動值時繼電器斷開，水泵停止工作，單片機進行下一次循環檢測。

2基于單片機控制的自動灌溉系統設計原理

自動灌溉系統的濕度檢測電路利用濕度傳感器對土壤濕度進行檢測。濕度傳感器檢測到的濕度信號送到A/D轉換器，處理之后濕度信號轉換為數字信號。通過該形式可以檢測土壤濕度值的變化情況，也可以根據不同作物對水的需求量的差異，設置合適的土壤濕度范圍。系統流程圖如圖2.1所示。

3硬件電路設計

灌溉系統包含硬件設計與軟件設計兩部分，根據設計任務要求，采用AT89S51單片機，振蕩電路，復位電路，按鍵等構成單片機最小系統，通過LCD1602液晶顯示屏顯示，從而構成符合使用要求的單片機自動灌溉系統。該系統具備響應速度快，灌溉效率高，體積小，制作成本低等優點。

3.1單片機基本組成

AT89S51是一個低功率，高性能CMOS 8位單片機，具有如下特點，4kFlash片內存儲器，128k的片外存儲器，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個中斷源，1個UART，2個16位定時/計數器，工作頻率為32MHz。

3.2濕度傳感器

濕度傳感器是一種輸出裝置，工作時作用于土壤濕度這個物理量并且產生輸出信號。該自動灌溉系統采用型號為YL-69的土壤濕度傳感器，傳感器本身就是一個可變電阻，其電阻值隨著濕度值的增大而變小，其變化大小范圍為0—10K歐。當電阻變化時將導致電路的電壓也會發生變化，使得電路中的電壓值發生變化，滿足電路設計要求。

3.3 ADC0832A/D轉換器

ADC0832轉換器是一種體積小，反應速度快，兼容性好，工作電壓在0-5V間的具有8位分辨率，雙通道A/D轉換的半導體芯片。它能把采集到的濕度信息轉變為數字信號。由于A/D轉換芯片的反應速度快，并且據有雙數據輸出作為數據檢驗，對縮小土壤濕度值的數據誤差有顯著作用。另外A/D轉換器的使能輸入，使得A/D轉換器和其他器件的連接和單片機的控制更加簡單、穩定。

3.4 LCD1602顯示屏

LCD1602是一種工作電流小、功耗低液晶顯示器件。為了實現在屏幕上顯示土壤濕度值，需要把AT89S51單片機的I/O接口連接到LCD1602顯示模塊的8位數據輸入口，再把單片機的p2.0、p2.1、p2.2分別與液晶模塊的寄存器選擇端、讀/寫信號端、使能端連接。

3.5振蕩電路

每一個單片機系統都必須有振蕩電路，振蕩電路的作用是結合單片機內部電路產生單片機工作所必須的時鐘信號。在AT89S51內部自帶一個放大器，單片機的XTAL1、XTAL2引腳分別做為該放大器的輸入端和輸出端。另外，輸入端和輸出端的引腳分別與晶振和電容連接，此外和放大器一起構成單片機系統工作所需的自激振蕩器。為了保障振蕩器穩定工作，除了選擇性能穩定的電容外，需要把晶振、電容和芯片近距離安裝。

3.6鍵盤設計

該灌溉系統設置四個S0、S1、S2、S3按鍵，其功能依次為復位鍵、設置/保存、加/模式切換、減/手動模式，初始化上電后系統默認以自動模式工作。上電后如果傳感器檢測到土壤濕度值小于設置的濕度最小值，水泵抽水，當前土壤濕度值在LCD上顯示。當土壤濕度值超過設置的最大值時，水泵停止抽水。按鍵設定功能具體如下：S2鍵和s3鍵組合使用可以控制水泵工作，實現手動澆花模式；按下S1設置鍵，上下濕度值大小設置界面；按S2鍵，對應的濕度值加；按S3鍵，對應的濕度值減，通過光標所在位置判斷對上濕度值還是下濕度極進行加減。最后在完成濕度范圍設置后，按S1鍵保存，并且返回到正常模式。

3.7復位電路

當單片機系統接通電源工作時，突然發生故障，這時候就需要有一個操作對單片機進行復位。當單片機的RES/VPD和RST引腳持續2個周期及以上的高電平，就會觸發復位。復位的功能是讓單片機和其他功能部件處于初始化工作狀態。復位方式有上電自動復位和按鍵復位兩種，該系統選用按鍵復位方式。

4系統控制流程

自動灌溉系統的軟件編寫應采用C語音進行結構化以及模塊化的方法編寫，然后燒寫到單片機里面。傳感器對濕度進行采樣之后，為了使檢測的濕度值更加精確，可以用補償算法對獲得的濕度值進行處理，最后送到LCD顯示屏顯示。

5總結

自動灌溉系統通過AT89S51單片機對土壤濕度數據進行的采集、處理、顯示和控制等功能。其適用性強，可以對土壤進行手動，自動、定時定量的灌溉，并且自動系統成本比較低，過程簡單，擴展性好。

參考文獻：

[1]李泉溪.單片機原理與應用實例仿真[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.8.

[2]王芳琴.單片機控制的節水灌溉系統的研究[J].華中農業大學.

第一作者簡介：阮程鵬（1996.02.27）；性別：男，籍貫：福建莆田人，學歷：本科，在讀與：福建農林大學；

第二作者姓名：曾肖楓（1998.12.03）；性別：女，籍貫：福建莆田人，學歷：本科，在讀與：福建農林大學；

第三作者姓名：洪鑫（1998.05.19）；性別：男，籍貫：廣東揭陽人，學歷：本科，在讀于：福建農林大學；endprint