基于51單片機的溫室自動灌溉系統設計

馬得秀 韓佳奇 趙銘

摘 ?要： 目前在溫室中使用廣泛的灌溉系統多為人工控制灌溉系統，不僅容易造成資源浪費，而且可能因不適量澆灌或停止澆灌不及時導致農作物枯死或溺亡，造成極大的經濟損失。針對這一問題，本文設計了一個基于單片機的溫室自動灌溉系統。該系統以 AT89C51 單片機及其外圍電路作為控制部分的主機電路，采用YL-69土壤濕度傳感器作為檢測溫室條件下土壤濕度的檢測元件，實現高效、節約的自動化灌溉，具有較好的應用價值。

關鍵詞： 單片機;濕度傳感器;溫室自動灌溉系統

中圖分類號： TP368.1 ? ?文獻標識碼： A ? ?DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.05.006

本文著錄格式：馬得秀，韓佳奇，趙銘，等. 基于51單片機的溫室自動灌溉系統設計[J]. 軟件，2019，40（5）：3032

【Abstract】： At present， the irrigation systems widely used in greenhouses are mostly manually controlled irrigation systems， which not only easily cause waste of resources， but also may cause crops to die or drown due to inadequate irrigation or untimely stop of irrigation， thus causing great economic losses. ?To solve this problem， this project has implemented an automatic greenhouse irrigation system based on single chip microcomputer. ?The system uses AT89C51 single chip microcomputer and its peripheral circuits as the main circuit of the control part， and YL-69 soil humidity sensor as the detection element to detect soil humidity under greenhouse conditions， thus realizing an efficient and economical automatic irrigation system.

【Key words】： MCU; Humidity sensor; Irrigation system

0 ?引言

自古以來，我國是一個農業大國，將先進的農業技術引入我國的農業發展中是非常有必要[1]。在過去人們使用傳統的灌溉方式，不能有效的控制灌溉水量，造成了水資源的浪費，而且還可能因為灌溉不適量，使得農作物腐爛，降低了農作物的產量，也使農作物的質量也受到了嚴重影響[2]。目前的溫室農業發展迅速，但是自動化控制在溫室農業中使用較少，還是采用比較費時費力的傳統方式對溫室進行管理，效率低下[3-4]。在對較大面積的溫室進行灌溉作業時，往往需要人工操作才能實施灌溉，灌溉完畢時，同樣需要人工操作關閉相關設備。這樣既費力又耗時，并且使溫室農業生產率低下[5-6]。為此，本文設計了一款基于AT89C51單片機的溫室自動灌溉系統，該系統能對土壤濕度進行精準測量，并且還可以根據不同植物對土壤濕度和水分的不同需求，對其進行適時、適量灌溉，這樣不僅可以降低人工成本，節約資源，還可以大大提高溫室農業的生產率。

1 ?系統總體設計

系統總體結構圖如圖1所示。

本系統是以51系列單片機為核心，具體包括按鍵主機模塊、土壤濕度傳感器模塊、LCD液晶顯示顯示器模塊、灌溉水泵模塊、輸出驅動模塊、按鍵輸入模塊、聲光報警模塊。整個系統的工作過程是：1）土壤濕度傳感器將采集到的溫室土壤濕度傳入到A/D轉換器中;2）A/D轉換器通過模/數轉換計算將土壤濕度模擬信號轉換成數字信號;3）將A/D轉換器中輸出的數字信號輸入單片機;4）單片機對輸入的數字信號進行處理;5）單片機根據處理結果，輸出控制信號驅動到輸出驅動模塊;6）輸出驅動模塊驅動噴灌水泵實施灌溉，使土壤濕度保持在給定區間。具體過程為：通過按鍵來設置土壤濕度值，當土壤濕度值小于設置的值時，將會自動啟動噴灌水泵進行灌溉，同時通過土壤濕度傳感器來檢測土壤濕度，當土壤濕度大于設置值時，自動停止灌溉。如果檢測值超低于或高于設定值時，將會進行聲光報警，以便于及時進行人為操作，使土壤水分保持在設定值之間。

2 ?系統硬件設計

2.1 ?主機模塊

單片機是微型計算機的一種，它具有處理速度快，運算能力強，控制性好等優勢。該系統以AT89C51單片機為主要部分，系統中單片機的作用是將A/D轉換器傳入的信息進行處理，對按鍵輸入模塊中的設置值進行保存，對整個系統起控制作用。整個系統是在單片機的控制下進行土壤濕度的采集，轉換，處理，傳輸，并根據控制作用完成所實現的功能。AT89C51傳感器具備低電壓、高性能特點，本身帶有4K字節的FLASH存儲器，滿足系統設計要求[7-8]。

2.2 ?傳感器模塊

本系統采用YL-69土壤濕度傳感器，由不銹鋼探頭和防水探頭構成，外部以環氧樹脂純膠體封裝，可直接埋入土壤中使用，并且不受腐蝕，對使用環境有較高的適用性[9-11]。測量參數土壤容積含水率量程0～100，從傳感器的2引腳獲取到3.3～5V的直流電壓模擬量信號，經過A/D轉換器后再送人單片機，為了得到更加精準的測量值，需要在傳感器上串聯一個10KΩ的電阻，將其連接在2V的電路上，這樣就把傳感器的阻值轉換成電壓值。連接電路如圖2所示。

2.3 ?LCD液晶顯示電路

傳統的單片機系統中多采用數碼管顯示信息，本該系統因為需要顯示較多信息，采用數碼管難以勝任，而且使用數碼管也會占據更多的I/O資源[8]。LCD1602液晶顯示模塊能夠同時顯示32種字符，具備很強的可操作性，易于使用，性價比較高。在本系統中選用LCD1602模塊作為顯示模塊能夠滿足系統需求。LCD1602顯示模塊共有16個引腳，在系統設計中，將D0～D7引腳對應地連接到單片機的P0～P7引腳，如圖3所示。

2.4 ?按鍵輸入模塊

按鍵輸入模塊主要用來設置土壤濕度的上限、下限值，并具有掉電保存功能，保存在AT89C單片機的內部，上電時無需重新設置。按鍵包括增大鍵、減小鍵、復位鍵和設置鍵。當實際值超過上限值時，亮“濕潤燈”，則停止澆水;當實際值低于下限值時，亮“干燥燈”，則開始澆水。按鍵輸入模塊電路如圖4所示。

2.5 ?繼電器控制電路

系統的最終目的是根據單片機的輸出的控制信號，對直流繼電器實施控制，再由繼電器控制噴灌水泵的啟/停操作達到自動噴灌的目的。在實際應用中，可以根據實際需求設置噴灌水泵的檔位。單片機的P2口高電平有效，由P2口的高低電平來控制水泵檔位的通斷。當P2口是高電平時，使水泵檔位接通，開始噴灌，當達到噴灌時間后，高電平消失使得驅動電路掉電關閉后續電路，從而停止灌溉。

3 ?系統軟件設計

單片機軟件是單片機控制系統中的重要組成部分，在單片機軟件和硬件的相互配合下，系統各個模塊才能協調有序的工作。系統控制軟件主要采用C語言編程實現，設計過程遵循面向過程的模塊化設計思想。系統主要由初始化模塊、參數設置模塊、傳感器信息采集模塊、信號處理模塊、比較控制模塊、驅動電路、自動灌溉模塊組成。系統流程圖如圖5所示。

4 ?結論

本文扼要地闡述了基于AT89C51單片機的溫室自動灌溉系統的設計與實現。通過AT89C51單片機以及其外圍電路的控制，根據土壤濕度傳感器采集到的濕度值與設置值判斷，從而實現自動灌溉的功能，克服了傳統灌溉費時費力、浪費資源的缺點。本設計以AT89C51單片機為主控制器，使用 ADC0832數模轉換，使用C語言編程，利用 Keil軟件開發工具和Proteus軟件進行了基于單片機的溫室自動灌溉系統仿真。

參考文獻

[1] 曹可欣. 基于單片機的小型自動灌溉系統的設計與實現[J]. 通信電源技術， 2018， 35（03）： 107-109.

[2] 賈亞飛， 翟娟. 道路溫度報警與綠化澆水智能系統的研究[J]. 軟件， 2018， 39（5）： 31-34

[3] 童超， 羅坤， 魏士博. 基于單片機的屋面雨水回收自動灌溉系統設計[J]. 數碼設計， 2017， 6（10）： 96-97.

[4] 鞠永勝， 李興凱， 包君. 基于單片機的蔬菜大棚自動灌溉系統研究設計[J]. 農機化研究， 2012， 34（10）： 187-190.

[5] 唐江. 基于AT89S52單片機的自動灌溉系統設計[J]. 南方農機， 2018， 49（09）： 95-96.

[6] 張爭剛， 熊剛. 單片機技術在溫室灌溉系統中的應用[J]. 自動化與儀器儀表， 2016（07）： 33-35.

[7] 郝亮， 劉雨繁， 南洋， 劉揚. 汽車駕駛員前視野拓展系統的設計[J]. 計量技術， 2019（02）： 60-62.

[8] 李瑞福. 基于單片機AT89C51 的一氧化碳濃度檢測儀設計[J]. 軟件， 2015， 36（9）： 106-108

[9] 丁月林. 基于STM32 的低功耗溫濕度采集器實現[J]. 軟件， 2015， 36（5）： 84-88

[10] 陳曉燕， 姚高偉， 張鯤， 等. 基于遺傳算法的無線傳感器節點定位在農業的應用[J]. 軟件， 2015， 36（4）： 1-5

[11] 吳玉玉， 楊瑞珍， 馬得秀， 龐文琦， 趙巖， 逯玉蘭. 基于單片機的電子萬年歷設計[J]. 電子測試， 2018（23）： 31-32.