一種智能抽水灌溉系統的設計*

孫偉剛 張發菊 沈月娟 劉悅婷

(蘭州文理學院傳媒工程學院,甘肅蘭州 730000)

0 引言

水是戰略性的經濟資源,是生態環境的控制性要素,是全球可持續發展的關鍵前提。我國的水資源已處于匱乏狀態,要實現水資源的合理利用,重視節水供水,是實現可持續發展的基礎[1-2]。在發達國家,如美國、加拿大和以色列等國家,智能灌溉系統已經被廣泛應用,技術發展也相對成熟,將先進的物聯網技術、計算機控制技術運用到農業灌溉中,有效地提高了用水效率。目前我國已經將智能灌溉系統成功地應用在農業中[3-4]。本文以STC89C52單片機作為主控芯片,完成了系統的硬件和軟件設計,實現了土壤灌溉系統的定時澆水模式和非定時澆水模式。

1 總體設計概述

抽水灌溉系統由單片機主控模塊、土壤濕度傳感器、溫濕度傳感器、模數轉換模塊、微型水泵、時鐘模塊、顯示模塊、光敏電阻、報警模塊和設置按鍵等組成,系統總體設計框圖如圖1。單片機選用STC89C52,土壤濕度傳感器選用YL-69,環境溫濕度傳感器選用DHT11,模數轉換模塊選用ADC0832,時鐘模塊選用DS1302。

2 硬件電路設計

2.1 土壤濕度傳感器

土壤濕度的采集可以用濕度傳感器來實現。將濕度傳感器看作可調變阻器,當濕度傳感器采集到濕度時,電阻值發生變化,電路的輸出電壓也隨之變化[5-6]。調節電阻值的大小,可得到想要的電壓,滿足電路的需求。

YL-69是土壤濕度傳感器,其原理為濕敏電容,當環境的濕度改變時,會使濕敏電容環境中的介質改變,導致濕敏電容中的電容數值變化,電容的數值正比于濕度值。由于濕敏電容有很高的靈敏度、響應速度快、滯后量小的特點,易于小型化和集成化,YL-69表面采用鍍鎳處理,有加寬的感應面積,可提高導電性能,防止接觸土壤容易生銹的問題,延長使用壽命。因此本設計采用土壤濕度傳感器YL-69,如圖2為YL-69與外部元件的連接圖。

圖1 系統總體設計框圖Fig.1 Block diagram of the overall system design

2.2 溫濕度傳感器

DHT11是一款溫濕度傳感器,引腳如圖3所示,可以用來測試環境溫濕度,該傳感器的溫度測量范圍為0～50℃,誤差為2℃;濕度測量范圍為在0℃時為30%～90%RH,環境溫度為25℃時,濕度測量范圍為20%～90%RH,在50℃時,測量范圍是20%～80%。本設計選用DHT11實時檢測環境的溫濕度,并送給單片機處理。

圖2 YL-69與外部元件的連接圖Fig.2 Connection diagram between YL-69 and external components

2.3 時鐘模塊DS1302

DS1302是一款實時時鐘芯片,可以提供秒、分、小時、日期、月、年等信息,還有自動調整的能力;它有31字節數據存儲RAM,采用串行I/O通信方式;DS1302采用雙電源供電,工作電壓為2.0V～5.5V。該芯片功耗較低,當工作電壓為2.0V時,工作電流小于300nA。為了保證信號穩定,計時的準確性,DS1302一般與單片機IO口相連時要加上拉電阻,提高IO口的驅動能力,如圖4是DS1302與外圍電路的連接圖。

2.4 模數轉換模塊

模數轉換模塊ADC0832引腳如圖5所示,它是8路8位A/D轉換器,具有鎖存控制的8路模擬開關;易與各種微控制器接口;可鎖存三態輸出,輸出與TTL兼容;模擬輸入電壓范圍0～5V,無需外部零點和滿度調整;低功耗,約15mW。本設計采用ADC0832將檢測到的溫濕度數據轉換為數字信號,再傳輸給單片機。ADC0832與單片機STC89C52的連接圖如圖6所示。

3 軟件設計

本抽水灌溉系統能根據檢測到的土壤濕度值,實現土壤灌溉系統的智能控制。當檢測到的土壤濕濕度值低于報警值,說明土壤干燥,啟動水泵澆花。當檢測到的環境溫度值大于上限設定值,啟動報警。將以上檢測到的土壤濕度值、環境的溫度和濕度通過LCD1602顯示,用戶可以通過按鍵設置土壤濕度的上限、下限值。系統能夠實現定時澆水模式和非定時澆水模式,在定時澆水模式下,可以人為設置澆水的時間間隔和澆水時長;在非定時模式下,系統能夠根據人為設定的濕度上下限值進行澆水。系統運行的主程序流程如圖7所示。

圖3 DHT11引腳圖Fig.3 DHT11 pin diagram

圖4 DS1302與外圍電路的連接圖Fig.4 Connection diagram of DS1302 and peripheral circuit

圖5 ADC0832引腳圖Fig.5 ADC0832 pin diagram

圖6 ADC0832與單片機STC89C52的連接圖Fig.6 The connection diagram of ADC0832 and single chip microcomputer STC89C52

圖7 主程序流程圖Fig.7 Main program flow chart

4 結語

本設計以單片機STC89C52為控制芯片,用YL-69檢測土壤濕度,用DHT11檢測環境溫濕度,用ADC0832實現檢測溫濕度的模數轉換,用時鐘模塊DS1302顯示日期、時間,能夠實現定時澆水模式和非定時澆水模式。本設計完成了系統的硬件電路圖設計、C語言程序的軟件設計,通過Proteus和Kei軟件聯調仿真,結果表明系統實現了土壤灌溉系統的智能控制,具有良好的應用前景。