基于單片機(jī)的智能節(jié)水灌溉裝置設(shè)計(jì)

楊超 張其偉 李洪印 田聰 魏喜雯

摘 要：針對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉方式的不足，利用 AT89C52單片機(jī)和 GSM 技術(shù)設(shè)計(jì)了一種基于傳感器數(shù)據(jù)采集，單片機(jī)的智能控制的灌溉裝置。該裝置能夠根據(jù)土壤含水量（濕度），進(jìn)行自動(dòng)灌溉控制。通過軟件編程和濕度傳感器實(shí)現(xiàn)了對環(huán)境濕度數(shù)據(jù)采集，根據(jù)設(shè)定的控制規(guī)則，執(zhí)行相應(yīng)的操作，顯示、報(bào)警，驅(qū)動(dòng)繼電器，開啟執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)定量的澆水控制，滿足植物正常的生長需求。

關(guān)鍵詞：單片機(jī);濕度傳感器;自動(dòng)灌溉;GSM

引 言

灌溉系統(tǒng)自動(dòng)化水平較低是制約我國高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要原因。傳統(tǒng)的灌溉模式，自動(dòng)化程度極低，浪費(fèi)大量人力、物力資源。因此必須發(fā)展智能節(jié)水灌溉控制技術(shù)。融合傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等技術(shù)的智能灌溉系統(tǒng)可以結(jié)合農(nóng)作物生長規(guī)律，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和管理，綠色環(huán)保，降低能耗，減少污染，可以進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)作物的質(zhì)量和產(chǎn)量，降低種植成本，增加農(nóng)民收益。實(shí)現(xiàn)智能灌溉，可以有效地提高農(nóng)業(yè)灌溉稅的利用率，節(jié)能減排，大大提高農(nóng)業(yè)自動(dòng)化水平，是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展的必然趨勢。針對傳統(tǒng)灌溉存在的主要問題，設(shè)計(jì)出一套基于單片機(jī)控制的智能節(jié)水灌溉控制裝置，一方面能夠節(jié)約大量的水資源和能源，可以按時(shí)按需為農(nóng)作物供水，另一方面還可以節(jié)省大量的人力物力，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活帶來一定社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)利益。

一、硬件電路設(shè)計(jì)

1.1整體方案設(shè)計(jì)。基于單片機(jī)的智能節(jié)水灌溉裝置，以單片機(jī)為控制核心，實(shí)時(shí)采集土壤中的濕度信息，可以通過按鍵人工設(shè)定或調(diào)整濕度范圍，并能將這些信息輸出到LCD顯示器上;系統(tǒng)上電后，實(shí)時(shí)監(jiān)測土壤濕度，以實(shí)施相應(yīng)控制。當(dāng)前濕度低于設(shè)定的最小值時(shí)，即視為缺水狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)水泵實(shí)施灌溉，同時(shí)予以報(bào)警，并向手機(jī)端發(fā)送信息提示，同時(shí)驅(qū)使水泵工作;當(dāng)土壤濕度達(dá)到了植物生長所需要的水分時(shí)候（濕度達(dá)到設(shè)定的上限），水泵停止，系統(tǒng)繼續(xù)監(jiān)測土壤濕度，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉。

1.2主控電路硬件設(shè)計(jì)。智能節(jié)水灌溉控制裝置的主控電路系統(tǒng)選用AT89C52單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)的控制作用。AT89C52片上資源豐富，功能強(qiáng)大，通用性很強(qiáng)，性價(jià)比高，功能強(qiáng)大。

1.3土壤濕度檢測模塊。土壤濕度檢測模塊采用YL-69土壤濕度傳感器。YL-69可將土壤濕度值轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，該信號(hào)是模擬量，需進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字信號(hào)，才能被單片機(jī)接收。這里采用ADC0832芯片，分辨率為8位，其最高分辨可達(dá)256級，可以適應(yīng)系統(tǒng)信號(hào)轉(zhuǎn)換要求。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，芯片的GND引腳接地，VCC引腳接電源;電源地和電源相連接;CH0與傳感器相連接，接收濕度信息;CH1引腳懸空不用。

1.4 按鍵電路模塊。按鍵在整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不可或缺，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能的，將指令命令、數(shù)據(jù)以及程序等與計(jì)算機(jī)連接。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了4個(gè)按鍵，其中S1為復(fù)位鍵，按下按鍵S1可使系統(tǒng)復(fù)位;S2為設(shè)置按鍵，通過S2按鍵可以對濕度值的上下限進(jìn)行設(shè)置;S3是調(diào)整值的加鍵，按動(dòng)時(shí)，可以增加設(shè)置的濕度值;S4是調(diào)整值的減鍵，通過按鍵S4可以減小設(shè)置的濕度值。單片機(jī)通過判識(shí)相應(yīng)應(yīng)接口的電平，來判斷按鍵狀態(tài)，如按鍵按下時(shí)，單片機(jī)接口會(huì)產(chǎn)生輸入低電平。

1.5 繼電器電路模塊。系統(tǒng)采用電磁繼電器控制水泵，實(shí)施智能灌溉。單片機(jī)輸入輸出電流很小，不足以驅(qū)動(dòng)水泵等執(zhí)行機(jī)構(gòu)，因此必須用繼電器，連接水泵和單片機(jī)。繼電器可以實(shí)現(xiàn)小電流去控制大的電流，這樣不僅保證安全，還可以遠(yuǎn)程控制。

1.6 顯示電路模塊。顯示模塊用于顯示控制信息，比如，濕度當(dāng)前值等，采用LCD1602。電路設(shè)計(jì)時(shí)，單片機(jī)的P0口與LCD1602的數(shù)據(jù)口相連，用于輸入顯示數(shù)據(jù)。第3引腳加一個(gè)上拉電阻10k，用來調(diào)節(jié)字符的對比度。

1.7通信報(bào)警模塊。通信模塊采用GSM模塊。采用一款緊湊型GSM/GPRS模塊SIM900A，具有體積小、功耗低、集成度高、傳輸速率快等優(yōu)點(diǎn)，支持雙頻，支持短信息、數(shù)據(jù)通信、語音傳輸?shù)确?wù)。SIM900A模塊通過串行接口與單片機(jī)進(jìn)行通信，根據(jù)主控的指令，完成無線通信功能，可將灌溉的實(shí)時(shí)信息發(fā)送至用戶手機(jī)上。

采用蜂鳴器作為報(bào)警元件。單片機(jī)I/O口發(fā)出控制電平，輸出低電平的時(shí)候，三極管導(dǎo)通，電流經(jīng)放大后驅(qū)動(dòng)蜂鳴器工作，發(fā)出聲音進(jìn)行報(bào)警。在本設(shè)計(jì)中，當(dāng)檢測到的濕度小于設(shè)定值最小值時(shí)，系統(tǒng)開始報(bào)警提示，并自動(dòng)啟動(dòng)水泵進(jìn)行灌溉，直至濕度處于系統(tǒng)設(shè)定的控制范圍之內(nèi)。

二、系統(tǒng)流程圖

智能灌溉系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，單片機(jī)復(fù)位，顯示、通信等模塊開始初始化。例如LCD1602顯示系統(tǒng)默認(rèn)的初始值，當(dāng)前土壤的濕度值。經(jīng)過初始化之后，可以通過按鍵模塊設(shè)定灌溉的相關(guān)控制參數(shù)和范圍，比如濕度的上限值、下限值、啟動(dòng)、復(fù)位按鍵等。設(shè)置完畢，灌溉系統(tǒng)就可以啟動(dòng)運(yùn)行了。

三、系統(tǒng)調(diào)試

智能節(jié)水灌溉控制裝置的調(diào)試過程，接通電源后，按下按鍵K2，切換到設(shè)置模式，此時(shí)灌溉系統(tǒng)暫停，轉(zhuǎn)為設(shè)置狀態(tài);K3鍵是用來增加濕度的最值，K4鍵用以降低濕度的最值，同時(shí)K2鍵也充當(dāng)確認(rèn)鍵。系統(tǒng)默認(rèn)顯示濕度上限值和下限值，顯示屏上，左側(cè)為土壤實(shí)時(shí)檢測的濕度值，右側(cè)表示的是系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定值，本系統(tǒng)設(shè)置的最小值濕度20%和最大值濕度41%。

通過測試發(fā)現(xiàn)，當(dāng)LCD屏幕顯示的土壤實(shí)時(shí)濕度值為16%，屬于缺水狀態(tài)，此時(shí)蜂鳴器報(bào)警，繼電器驅(qū)動(dòng)水泵開始自動(dòng)澆水。當(dāng)濕度值達(dá)到20%，指示燈停止閃爍，蜂鳴器停止工作，繼電器關(guān)閉，停止?jié)菜．?dāng)土壤的濕度位于20%-41%時(shí)，蜂鳴器不會(huì)報(bào)警;當(dāng)環(huán)境濕度超出40%，水泵停止工作。系統(tǒng)測試證明裝置的有效性。

四、結(jié)語

結(jié)合以往對自動(dòng)灌溉的研究，設(shè)計(jì)出一套基于AT89C52單片機(jī)控制的智能節(jié)水灌溉控制裝置。該系統(tǒng)由單片機(jī)控制模塊、濕度傳感器、AD轉(zhuǎn)換電路、繼電器驅(qū)動(dòng)電路、LCD顯示電路、按鍵電路等模塊構(gòu)成，能夠?qū)崟r(shí)采集土壤含水量（濕度）信息，發(fā)送給作為中央控制器的單片機(jī)，根據(jù)設(shè)定的控制規(guī)則，執(zhí)行相應(yīng)的操作，在液晶顯示器上進(jìn)行顯示，缺水超限報(bào)警，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，達(dá)到自動(dòng)檢測和自動(dòng)灌溉的目標(biāo)要求。通過仿真測試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，一方面能夠節(jié)約大量的水資源和能源，可以按時(shí)按需為農(nóng)作物供水，另一方面還可以節(jié)省大量的人力物力，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活帶來一定社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)利益。

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作者簡介：楊超（1979-），男，副教授，黑龍江安達(dá)人，碩士;

張其偉，男，黑龍江工業(yè)學(xué)院16級電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，學(xué)生;

李洪印，男，黑龍江工業(yè)學(xué)院17級電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，學(xué)生;

田聰（1981-），女，黑龍江雞西人，副教授，碩士，研究方向：電氣工程、智能控制、實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

項(xiàng)目來源：黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（編號(hào)：201911445002 ）《基于單片機(jī)的智能節(jié)水灌溉裝置研制》。

黑龍江省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目“新建應(yīng)用型本科院校《Protel DXP》課程教學(xué)改革與探索”（SJGY20180433）成果。