基于單片機技術的智能水利灌溉控制裝置

周琳博

(哈爾濱市水務科學研究院，哈爾濱 150001)

1 概 述

我國農業(yè)用水量約占總用水量的80%左右，由于農業(yè)灌溉用水的利用率普遍偏低，就全國而言，水的利用率僅為45%，而水資源利用率高的國家已達70%～80%。采用傳統(tǒng)的灌溉模式，灌溉定額普遍偏高。農業(yè)灌溉采取的模式是定時灌溉，定時灌溉是指在設定的時間內對農田進行定點的灌溉，定時灌溉并不能給予農作物合理科學的灌溉量，而且水資源過于浪費。

隨著電子技術、傳感技術、單片機技術的發(fā)展，在灌溉系統(tǒng)中合理推廣自動化技術，不僅可以提高水資源的利用率，還可以增加農作物的產量。按照作物需水要求和水源供水狀況，有計劃地控制溫度以及引、蓄、配、灌，合理組織用水，以控制、調節(jié)土壤溫濕度來滿足作物的生長要求，是作物生長管理工作的中心內容。為此，需要及時掌握作物的生長規(guī)律，各發(fā)育期的需水量和適宜的生長溫度，而這些最根本的是土壤的含水量。土壤濕度作為土壤灌溉的基本參量，對農作物的生長十分重要，通過人為手段創(chuàng)造出適合作物生長的濕度環(huán)境，可以提高單位面積產量，提升農產品的質量，從而實現高效農業(yè)生產的目的。本文是在土壤濕度測量模塊的基礎上，設計一種具有自動灌溉功能的節(jié)水控制器系統(tǒng)，在測得土壤缺水時，予以及時灌溉，同時用戶還可以根據實際需要自行設置啟動抽水泵工作的閾值參數。

2 系統(tǒng)的組成與功能介紹

本文以51系列單片機AT89S52為主要控制核心，利用土壤濕度傳感器對土壤濕度進行測量，利用A/D轉換器將測量的電壓值轉換為數字量，最終將土壤中的含水數值實時顯示在4位共陽極的數碼管上。該數值與單片機內部預設的閾值進行比較，進而控制與繼電器相連的大功率抽水泵開關，從而實現含水值測量、數值顯示及智能灌溉的節(jié)水控制。

本文在控制抽水泵灌溉土壤的基礎上，同時設置了手工調節(jié)土壤濕度閾值的設計，用戶可以根據實際需要自行設置抽水泵工作的啟動閾值。該灌溉系統(tǒng)還設有數碼管顯示模塊和控制按鍵模塊，具有以下功能：①本系統(tǒng)開機后，4位共陽極數碼管實時顯示土壤濕度；②控制按鍵部分可以完成土壤濕度設置閾值調整操作功能；③當實時土壤濕度低于設置濕度，抽水泵自動啟動進行灌溉；當濕度超過設置濕度時，抽水泵立即停止工作。

硬件系統(tǒng)主要包括單片機數據處理控制模塊、土壤含水值數碼管顯示系統(tǒng)模塊、土壤濕度采集模塊、參數設置按鍵控制模塊、A/D模數轉換模塊、大功率抽水泵控制模塊。系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 智能水利灌溉控制系統(tǒng)框圖

3 硬件電路的設計

3.1 單片機控制電路的設計

單片機控制電路可以概括為單片機最簡系統(tǒng)的設計。它是由供電電路、單片機、晶振電路和復位電路構成。AT89S52系列單片機是新一代高速、低功耗、超強抗干擾的單片機，AT89S52單片機中有一個用于構成內部震蕩器的放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或者陶瓷諧振器構成自激振蕩器，它們分別與電容C2、C3接在放大器的反饋電路中構成并聯振蕩電路。復位電路接單片機的RST端。EA 端接 VCC 的電源，目的是采用程序內部ROM讀取方式。單片機控制系統(tǒng)電路見圖2。

圖2 單片機控制系統(tǒng)電路圖

3.2 土壤濕度測量電路的設計

本設計采用的是土壤濕度計，土壤傳感器遇到不同的土壤濕度會輸出不同的電壓值。所以，本設計采用模擬量的A/D轉換處理，測量原理為土壤濕度計處于空氣中輸出電壓為0，標定濕度為0%，土壤濕度計處于水中輸出電壓為5 V，標定濕度為100%，將此對應關系利用8位ADC0804模數轉換芯片進行標度變換，再將5 V電壓值分成256份，精度為0.01 V，即可測量出土壤相對濕度范圍為0～100%的具體數值。

本文將芯片片選信號/CS直接接地，時鐘保持低電平；數據讀出控制端/RD接至單片機的P30端口，使用時嚴格按照ADC0804芯片的時序圖進行操作，低電平時為數據讀出有效控制操作；模/數轉換啟動信號/WR接至單片機的P31端口，低電平時執(zhí)行一次模/數轉換操作。8位數字信號輸出位與單片機的P1口相連，參考電壓為5 V，R3與C0組成RC時鐘振蕩電路，保證ADC0804芯片能夠正常工作即可。本設計的土壤傳感器的濕度測量電路見圖3。

圖3 土壤濕度測量電路

3.3 繼電器控制電路的設計

本系統(tǒng)的繼電器部分采用高品質5 V松樂品牌五腳繼電器制作，可以直接實現對最高直流30 VDC/10 A或者交流250 VAC/10 A抽水泵的常開常閉控制，采用低電平控制信號繼電器的吸合、高電平控制信號繼電器的斷開。在自動控制工作模式下，一旦來自單片機P37端口輸出的低電平信號，繼電器立即吸合，抽水泵啟動。繼電器控制電路見圖4。

圖4 繼電器控制電路

4 軟件程序的設計

系統(tǒng)主程序首先對系統(tǒng)進行初始化，包括土壤閾值、單片機及數碼管顯示、濕度數據采集模塊的初始化。整個系統(tǒng)通電后，單片機及外設開始正常工作，單片機內部程序開始執(zhí)行，其步驟如下：①程序開始執(zhí)行，顯示土壤濕度參數信息；②判斷實時測量的土壤濕度是否處于下限閾值范圍之外；③如果檢測到低于設置下限閾值，繼電器立即吸合控制抽水泵自動澆水；此時傳感器一直檢測土壤濕度，如果土壤濕度超過設置土壤濕度閾值下限，繼電器立即斷開，抽水泵停止控制工作。系統(tǒng)的軟件設計采用結構化程序設計方法，主程序設計流程見圖5。

圖5 主程序流程圖

5 結 語

本文設計的智能水利灌溉控制裝置，選用的土壤濕度檢測模塊，小巧便捷，傳感器探頭是一對針狀探片組成，容易插入土壤，對土壤結構影響小。選用單片機與繼電器控制抽水泵來實現智能灌溉，與同類傳統(tǒng)測試系統(tǒng)相比具有智能化、結構簡單、體積小、成本低、通用性好等特點，同時，還可以根據用戶需求進行二次開發(fā)。