基于AT89C51的自動灌溉控制器設計

郭瑋 段文杰

摘 要：農田土壤中的水分含量是決定農作物生產的關鍵性因素之一。農田土壤中合適的水分含量對幫助農作物的健康生長有重要意義。本文設計了一套以AT89C51為核心的農田自動灌溉控制器，主要對農田水分進行實時監測并及時灌溉。AT89C51單片機是本設計的基礎，外加電源、鍵盤電路、土壤濕度檢測電路、顯示電路和輸出驅動電路構成。土壤水分傳感器會實時檢測土壤中的水分含量，將數據經過模數轉換后傳到單片機，單片機將其與設定好的土壤濕度上下限比較，發出控制動作來控制電機，實現了農田的自動灌溉控制。本設計具有操作便捷，成本低，便于維護的優點。

關鍵詞：單片機；土壤濕度；自動灌溉

0 引言

農田土壤中的水分含量是決定農作物生產的關鍵性因素之一。農田土壤中合適的水分含量對幫助農作物的健康生長有著重要意義。土壤中水分含量是否適宜至關重要，它的高低決定著農作物尤其是作物根部的發育情況，影響農作物的產量。在含水量高的土壤中，農作物根部發育遲緩而且只能扎根在淺土層中。若含水量低，農作物根部則會生長到深層。農作物含水量達不到其需求量，就會滯緩其生長，甚至導致死亡。如果超過了農作物的需求量，農作物的根部就會窒息缺氧、直至枯萎。而且農作物根部的吸水與葉片的蒸騰作用只有在合適的土壤濕度中才會達到均衡狀態，因此合適的土壤濕度至關重要[1]。我國屬于水資源短缺型國家，目前95%以上的農田都采用地面灌溉方法。采用先進的地面灌溉技術，積極推廣節水型農業是保持我國灌溉農業可持續發展的必由之路。節水灌溉是發展節水型農業的核心，它采用先進的灌溉技術將水分最大限度的均勻分配到農田土壤中，讓其保持作物的最適生長濕度來實現灌溉水利用率的提高[2-3]。

李向欣等人利用頻域反射的測量原理設計出一種灌溉器，利用介電特性來反映土壤的含水量[4]。李景志設計了一個分布式灌溉管理系統，這個系統安裝了四條管道和四個水閘，通過控制不同分支中的水閘開度，來實現對農田的自動灌溉[5]。甘肅農業大學的安進強等人通過田間管閘設計了一種自動灌溉控制系統，運用接觸器和功能性的電子電路構成自動灌溉系統，并投入使用[6]。本文在借鑒前人設計的基礎上，設計了一款在沒有人干預的情況下自動根據設定好的程序指令對整個灌溉系統進行實時控制，自動的完成澆水灌溉的任務，實現智能化灌溉。

1 自動灌溉控制器的硬件電路設計

自動灌溉控制器的硬件電路主要包括AT89C51單片機最小系統電路、數據采集電路、顯示電路、驅動電路和電源電路等。系統總體框架如圖1所示。

1.1 AT 89C51單片機最小系統電路

AT89C51單片機功率損耗低、運行速度快、抗干擾能力強、性價比高[7]，單片機最小系統電路和電源電路如圖2所示。采用12 MHz晶振，時鐘電路中電容為30 pF。復位電路中電容采用10 μF，電阻采用10 kΩ。

1.2 顯示模塊

濕度測量值以及設定的濕度上下限值用LCD顯示，它同時可以顯示兩行。第一行顯示測量元件實時測得的數據，第二行顯示設定的閾值。為了有更好的顯示效果，第3引腳接入電阻來調節顯示屏的灰度。D0～D7數據端口接單片機的P0端口。同時選擇10 kΩ的電阻接在P0口。顯示電路的接線圖如圖3所示。

本設計通過LED燈來指示電路是否正常工作。在指示模塊中，LED的正極接電源，負極接在P2.0和P2.2端口上。兩種顏色的燈分開代表不同的信號，紅色表示警告，綠色代表正常工作。紅色燈接電阻為2.2 kΩ，綠色指示燈所接電阻為220 Ω。當系統啟動運行時，主控元件通過輸出低電平來控制LED燈亮。若綠色指示燈亮，表示土壤的濕度在設定的濕度范圍內或者是系統處于按鍵設置階段；如果土壤的濕度低于下限值，則控制模塊驅動執行模塊工作，并且紅色的指示燈亮起來。指示模塊的接線圖如圖4所示。

1.3 土壤濕度檢測模塊

傳感器用來檢測土壤容積含水率，土壤濕度傳感器可分為FDR型（頻域型）和TDR型（時域型）兩種，本設計采用HS1101濕度傳感器[8]，生產廠家為法國的HUMIREL公司。土壤濕度傳感器輸出的模擬信號經過ADC0832送入單片機，檢測電路如圖5所示。

1.4 按鍵模塊

采用三個按鍵，分別接AT89C51的P2.6、P2.7和P3.7三個端口，K1為設置選擇按鍵，K2和K3為數值調整按鍵，其電路圖如圖6所示。

1.5 報警模塊

采用蜂鳴器作為報警裝置，單片機的P2.5端口通過PNP型晶體管放大電路進行驅動，其電路連接圖如圖7所示。

1.6 輸出驅動電路

本設計的輸出驅動電路為一個繼電器電路，繼電器的功用相當于一個自動開關，單片機通過控制繼電器的閉合就可以控制噴頭的啟用停止。圖8中的二極管為反向續流晶體，防止三極管關斷時繼電器線圈釋放的電流破壞元件。三極管起開關作用。電阻R作為限流電阻，用來降低三極管的功率損耗。

2 軟件設計

根據自動灌溉控制器的作業要求，控制器需實現以下功能：單片機檢測到傳感器發來的信號，能夠及時響應并控制電機的運行，實時調整灌溉量的大小。本設計采用Keil軟件進行程序的編寫，程序結構圖是由主程序加各個模塊的子程序構成，如圖9所示。

系統啟動后，進入主程序，先進行初始化，然后對土壤濕度進行檢測，將檢測到數據送入單片機進行處理。在數據處理之前先判斷按鍵是否處于工作狀態，若按鍵為工作狀態，則先要采集按鍵輸入的數值進行數據處理，否則跳過。然后處理所有采集的數據，分析目前的濕度狀態是否滿足農作物的需求。若采集到的濕度值不在設定的閾值內，則單片機發出信號驅動水泵進行灌溉，直至濕度達到設定值為止。其流程圖如圖10所示。

3 系統調試及試驗

自動灌溉控制器啟動后，首先初始化狀態，然后對濕度傳感器測量的數據進行顯示和處理，該控制器的濕度檢測模塊實時對土壤的濕度進行采集并分析。本文中初始的濕度閾值的上限是70%，下限是20%。在初始化狀態下，控制器程序比較測量的濕度值與設定值的大小，判斷是否驅動水泵澆水灌溉。比如土壤濕度值是18%，單片機將檢測到的數據經過處理就會在P2.1引腳輸出低電平，驅動水泵進行工作，同時蜂鳴器發出鳴叫提示系統正在澆水灌溉，并且輔助指示模塊的紅色指示燈亮起來。若濕度值在閾值內，則綠色指示燈亮起來，水泵驅動模塊停止工作，蜂鳴器關閉。

4 結語

該自動灌溉控制器基于AT89C51單片機設計，實現了對灌溉量及時、準確控制，從而可實現土壤濕度的精確控制，并具有抗干擾性強、實時性強、應用范圍廣等優點。

參考文獻：

[1] 張鳳珍，張沛明，公曉霞，等.水分對農作物生長的影響[J].吉林農業C版，2012，（12）：205.

[2] 樓豫紅.自動控制灌溉系統介紹[J].四川農機，2003（01）：25.

[3] 鄧忠，翟國亮，呂謀超，等.我國農業應對干旱災害的技術研究現狀及展望[J].節水灌溉，2016（08）：162-165.

[4] 李向欣，周潔嫻，李國豪，等.基于自動控制的土壤灌溉系統研究[J].電腦知識與技術，2016，12（27）：204+221.

[5] 李景志.分布式水利灌溉自動控制系統的研究與設計[D].蘭州：蘭州理工大學，2008.

[6] 安進強，黃高寶，成自勇，等.田間管閘自動控制灌溉系統的研制與實踐[J].甘肅農業大學學報，2007（04）：114-117.

[7] 郭文川.MCS-51單片機原理、接口及應用[M].北京：電子工業出版社，2013.

[8] 林敏，于忠得，侯秉濤，等.HS1100/HS1101電容式濕度傳感器及其應用[J].儀表技術與傳感器，2001，（10）：44-45.