基于單片機的小型智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計

2020-12-16 08:36:08孫小春孫小迎

湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2020年21期

孫小春，孫小迎

（1.楊凌職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西楊凌 712100；2.南昌工學(xué)院，南昌 330108）

當(dāng)前很多農(nóng)業(yè)種植戶都需根據(jù)土壤墑情進(jìn)行大水澆灌，這種灌水特點是連續(xù)的，選取這種灌溉方式僅僅只能保證農(nóng)作物不會缺水而死，經(jīng)常是水量過多，該方式對作物來說并不是最好的生長環(huán)境，浪費了水資源又無法使農(nóng)作物健康生長。種植戶必須定期到農(nóng)田進(jìn)行巡查，灌溉的智能化程度也很低，需要較多勞動力，因此迫切需要一個小型的智能灌溉系統(tǒng)［1］，減少勞動力，增加經(jīng)濟(jì)收入。

基于單片機的小型智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)以51單片機作為控制中心，設(shè)置適合農(nóng)作物的濕度參數(shù)范圍，利用土壤濕度傳感器對土壤濕度信息進(jìn)行實時采集，并對該濕度信息進(jìn)行分析、處理和實時顯示，單片機根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果發(fā)出不同的控制信號去控制抽水電機的啟動和停止，從而控制水泵抽水灌溉，最終實現(xiàn)智能節(jié)水灌溉系統(tǒng)的設(shè)計。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計方案

灌溉系統(tǒng)以單片機為控制核心，濕度傳感器把土壤濕度信息傳給單片機，單片機對濕度信息實時采集并進(jìn)行分析處理，當(dāng)濕度數(shù)值小于下線設(shè)定值時，單片機發(fā)出報警信息，同時發(fā)出控制信號給水泵控制閥門啟動水泵電機，并顯示當(dāng)前的土壤濕度數(shù)據(jù)，當(dāng)濕度數(shù)值大于設(shè)定的上限值時單片機控制關(guān)閉閥門，停止水泵電機。設(shè)計結(jié)構(gòu)框見圖1。

該設(shè)計以單片機為核心，在LCD1602顯示器上實時顯示測試的土壤濕度，而且用戶可以通過按鍵來設(shè)置水泵電機工作、停止的邊界值。

圖1 設(shè)計結(jié)構(gòu)框

單片機選用AT89C51芯片，由于其性價比高、電壓低，兼容標(biāo)準(zhǔn)的51指令系統(tǒng)，使其更容易應(yīng)用。系統(tǒng)采用直流5 V電源，亦可由USB輸入直接供電；數(shù)據(jù)采集模塊主要用YL-69土壤濕度傳感器；濕度數(shù)據(jù)實時顯示模塊選用LCD1602液晶顯示屏，可顯示字母、數(shù)字、符號等；水泵電機驅(qū)動模塊，單片機根據(jù)濕度數(shù)據(jù)的分析、處理結(jié)果，發(fā)出不同的控制信號，控制水泵電機的工作狀態(tài)，當(dāng)超出預(yù)設(shè)的數(shù)值范圍可以進(jìn)行聲光報警。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 濕度采集電路設(shè)計原理

土壤濕度傳感器選用YL-69，其內(nèi)部有一個電容，當(dāng)電容受到不同濕度的影響，它的電阻值可以改變。當(dāng)土壤含水量發(fā)生變化時，它的電阻值立即發(fā)生變化，從而可以產(chǎn)生不同大小的電信號，這樣就能將土壤的濕度信息直接轉(zhuǎn)化成電信號。YL-69傳感器的模擬量電壓輸出接口為AO，將AO與ADC0809芯片的IN0模擬輸入端口相連進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號由DO端口傳輸給單片機。

濕度對應(yīng)的電壓范圍為：5.0 V干燥，對應(yīng)0%濕度，4.0 V對應(yīng)25%濕度，1.0 V對應(yīng)濕度80%。程序設(shè)計水泵電機的開關(guān)，當(dāng)濕度為25%也就是4.0 V時候，電機開啟水泵。

2.2 水泵電機驅(qū)動控制電路

圖2是水泵電機驅(qū)動控制原理。智能灌溉系統(tǒng)的電機部分主要由AT89C51、驅(qū)動放大電路、電機部分組成［2，3］。

圖2 電機驅(qū)動電路

3 軟件設(shè)計

根據(jù)硬件電路設(shè)計，結(jié)合C語言特點，進(jìn)行軟件設(shè)計。其軟件控制流程如圖3所示。

圖3 軟件流程

首先，進(jìn)入系統(tǒng)初始化，LCD1602顯示初始化；其次，采集土壤濕度數(shù)據(jù)并送給ADC0809進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換，單片機讀取轉(zhuǎn)換輸出的八位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，給該數(shù)值乘以0.019 6（5/255）轉(zhuǎn)換成濕度傳感器對應(yīng)的電壓信息，并由LCD1602液晶顯示模塊直接顯示該電壓信息。同時，把該電壓值與預(yù)先設(shè)定好的數(shù)值進(jìn)行比較，單片機根據(jù)比較結(jié)果給P2.3引腳（水泵控制模擬單元與單片機的P2.3引腳連接）發(fā)出不同的控制信號，即通過改變P2.3引腳的高低電平來控制水泵電機的工作和停止。當(dāng)傳感器檢測到的電壓值大于4 V時，說明土壤濕度低于25%，農(nóng)作物需要進(jìn)行灌溉，單片機就給三極管輸出一個高電平，電機驅(qū)動電路處于導(dǎo)通狀態(tài)，繼電器接通和電機相連接的開關(guān)，就使水泵進(jìn)行抽水灌溉（繼電器工作，水泵開啟）。在灌溉的過程中，當(dāng)濕度傳感器檢測到的電壓值低于4 V時，單片機又給三極管輸出一個低電平，這時三極管截止，相當(dāng)于繼電器斷開，使水泵停止灌溉（繼電器停止工作，水泵停止），將程序?qū)懭雴纹瑱C后，通過單片機P2.3引腳對三極管的控制便能控制水泵是否進(jìn)行灌溉。該程序軟件循環(huán)工作，即可做到智能節(jié)水灌溉。部分程序和代碼如下。

1）A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)讀取程序。

unsigned int shu；//保存讀取數(shù)據(jù)

sbit clock=P3^3；//定義時鐘

sbit start=P3^0；

sbit eoc=P3^1；

sbit oe=P3^2；

TMOD=0X20；

TH1=206；

TL1=206；

EA=1；

ET1=1；

TR1=1；

oe=0；

while（1）

｛

start=0；

start=1；

start=0；//轉(zhuǎn)換開始

while（eoc==0）；//轉(zhuǎn)換結(jié)束

oe=1；//讀取數(shù)據(jù)

temp=P0；

oe=0；

shu=shu*0.0196；

｝

void t1（）interrupt 3

｛

clock=～clock；//時鐘信號

｝

2）液晶顯示程序部分。

sbit RS=P2.0；//定義引腳

sbit RW=P2.1；

sbit E=P2.2；

void lcd_w_cmd（unsigned char com）；//寫命令子函數(shù)

void lcd_w_dat（unsigned char dat）；//寫數(shù) 據(jù) 子函數(shù)

unsigned char lcd_r_start（）；//查詢狀態(tài)子函數(shù)

void lcd_int（）；//初始化函數(shù)

void delay（unsigned int i）；//延時函數(shù)

Void xianshi（）//顯示數(shù)據(jù)

｛

unsigned char lcd［］=“數(shù)據(jù)”；

unsigned char i；

P1=0xff；//關(guān)閉

lcd_int（）；

delay（255）；

lcd_w_cmd（0x83）；

delay（255）；

for（i=0；lcd［i］！=‘