基于單片機控制的土壤濕度自動化裝置研究

石 佳

（遼寧農業職業技術學院，營口 115009）

農業生產過程中，土壤濕度是影響植物生長的一大主要因素。土壤中所含有的各種微生物和化學成分都會對土壤的濕度造成影響。以往采用人力監測的方式來獲取土壤中水分的含量和濕度，不僅會消耗大量的人力和時間，還會造成監測數據缺乏真實性和有效性，因此探索新型監測方式對土壤情況監測刻不容緩。在科學技術水平不斷提高的大背景下，傳感器基于自身綜合性能和智能化程度高的優勢在多個領域廣泛應用。本文就單片機和傳感器技術設計出符合當前監測土壤的濕度自動化裝置，以更好地推動農業經濟發展。

1 基于單片機的大棚溫濕度控制系統研究設計意義

當前，國內農業大棚使用技術的普及程度較高。公開數據顯示，農業大棚數量逐漸增多。農業大棚技術在具體使用過程中的主要目的是使大棚中的各類農作物得到更好的生長，其中濕度、溫度的控制至關重要。在傳統的溫度、濕度控制中，一般是在大棚內部合適的位置懸掛溫度計和濕度計，由專業技術人員讀取溫度計和濕度計數值來確定其是否超出了相關標準的規定。在現代農業發展需求下，傳統的溫度控制、濕度控制方式已經無法滿足實際需求。基于單片機的大棚溫濕度控制系統設計能夠更好地促進我國農業事業的健康發展與進步。例如，在現階段農業事業發展過程中，農業產業規模正在不斷擴大，農業大棚需要培育的農作物種類越來越多。眾所周知，不同的農作物種類發育、生長所需要的濕度和溫度是不同的。在這種情況下，基于單片機的大棚溫濕度控制系統能夠實時監控不同種類植被各個時期生長所需的溫度及濕 度等。

2 國內現代農業大棚技術的發展

站在宏觀角度分析，我國現代農業大棚技術發展起步時間較晚。發展到20 世紀70 年代，我國開始大力發展多功能農田和節能日光農田等項目。這些項目在實際發展過程中不僅可以促進農村整體的降級發展，還在一定程度上緩和了蔬菜作物季節性短缺的主要矛盾，滿足了人們在蔬菜方面的需求。1980—1994年，我國引入了非常多的國外農業技術，加快了我國農業的發展。目前，基于單片機的大棚溫濕度控制系統還存在一些不足。一方面，價格昂貴。很多農業項目的成本資金有限，難以實現對基于單片機的大棚溫濕度控制系統的應用。另一方面，缺乏與我國氣候特點相近的多功能農田溫度自動環境測系統。目前，我國引進多功能農田溫度自動環境監測系統大多投資大、運行費用高，且環境監測系統中考慮的環境參數與我國氣候特點存在矛盾。

3 基于單片機控制的土壤濕度控制器系統軟件設計實施

隨著農業技術水平的不斷提高，如何開展農業智能化顯得至關重要。但是，農業智能化發展過程中還存在很多問題，不利于我國農業的發展。所以，加強對基于單片機控制的土壤濕度自動化裝置的設計與研究是目前需要完成的任務。

3.1 硬件設計

基于單片機控制的土壤濕度控制器系統的主控中央處理器選用的型號為AT89C52。在系統外圍電路中，輸入裝置包括鍵盤的按鈕和濕度傳感器，輸出裝置主要包括進電機、鼓風機、排氣扇以及液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）等[1]。

系統各部分的電路按鍵控制方面需要采用“+”按鍵和“-”按鍵。工作過程中，工作人員通過這兩個按鍵可以對設備進行良好的控制。根據大棚內農作物對濕度的需求，合理調節濕度，以促進農作物更好地生長。但是，按鍵需要在LCD 的配合下完成工作，后續根據系統運行情況調整具體參數，并設定好相應的模式，可以完成對農業大棚中土壤濕度的控制，便于工作人員更好地完成監測，提高監測數據的準確性，從而為大棚農作物提供良好的生長環境。

在實際應用過程中，農業大棚濕度有可能超出傳感器的設定范圍。如果發生這種情況，單片機上的驅動蜂鳴器會發出警報聲響，提醒農業大棚工作人員大棚內濕度發生了變化。此時，系統可以直接采用晶體管驅動壓電蜂鳴器，便于及時監控和調節大棚內濕度，減少對大棚內農作物生長造成的影響。

農業大棚的頂部需要適當安裝循環風機。當大棚內的濕度上升且較高時，工作人員需要在合適的時候開啟循環風機，以促使熱氣流直接從大棚頂部排出，從而有效控制大棚內農作物的生長濕度。系統可以采用300 W 的循環風機，也可以采用多個300 W 循環風機，以確保系統正常運行。

系統采用的數字濕度傳感器型號為SHT11，濕度測量的最低值為0%，濕度測量的最高值為100%，濕度測量的精準度為+2%相對濕度，同時市場價格相對便宜[2]。該系統中的濕度已經達到標準甚至已經超過規定精度值，屬于一種低功率性傳感器，可以滿足以下3 個要求：第一，它可以準確測出并記錄環境濕度，還會在顯示器上具體顯示出來；第二，可以根據農作物和環境需求設定濕度的參數數據，濕度變化的測量范圍一般控制在0%～100% RH，濕度測量的分辨率一般為1% RH，濕度測量的精度通常為 +2.0% RH[3-4]；第三，系統運行過程中只需要采用 5 V 的工作電源即可，在使用過程中人員不需要復雜性的操作就可以完成供電，而且供電的安全性和穩定性非常高，有利于確保使用人員的安全性，提高監測 效率。

3.2 軟件設計方案

基于單片機控制的土壤濕度控制器系統設計中，軟件設計方案需要合理采用C 語言完成相關程序設計。在按鍵輸入方面，為了能夠更好地基于單片機合理控制土壤濕度，使其符合濕度精準性，確保農作物茁壯生長，需要采用中斷響應控制方式。這種方式具有顯著的靈敏性，使得工作人員可以利用按鍵輸入的方式輸入大量信息，并完成對系統濕度范圍的設定[5]。

在實際應用過程中，基于單片機控制的土壤濕度控制器系統可實時監測土壤的濕度，準確判斷濕度值是否超出一定的范圍。如果監測到濕度值超出閾值，第一時間發出報警信號，利用自動控制系統和自動化原理將土壤的濕度控制在合理范圍內，確保農作物能夠更好地生長。

4 實驗研究

為了驗證土壤濕度自動化裝置的可行性和有效性，下面開展相關性實驗研究。選擇一個面積為200 m2的農業大棚為研究實驗場地，在場地中設定10 個采集數據點，實時采集土壤濕度，并準確記錄土壤濕度。實驗過程中需要準確記錄土壤的實際濕度值和系統恢復到穩定狀態后所需要的時間。為了提高實驗的價值和數據的有效性，設置兩組實驗展開對比。第一組選用最常規的比例-積分-導數（Proportion-Integral-Diあerential，PID）方式進行控制，將濕度提高至5%，準確記錄濕度采樣的具體數值和穩態時間；第二組則選用本次研究的濕度控制算法，同樣將濕度提高至5%，記錄與上組同樣的內容，實驗結果見表1 和表2。

表1 PID 控制實驗結果

表2 本次研究的濕度控制算法的實驗結果

通過分析表1 和表2 中數據可知：如果僅采用表1 的控制方式，取絕對值，濕度偏差的平均值均為2.60%，濕度偏差的平均值為2.26%，穩態時間的平均值為16.12 min；采用表2 本次研究的濕度控制算法的方式計算，取絕對值，濕度偏差的最大值為0.9%，濕度偏差的平均值為0.6%，穩態時間平均 值為5.70 min。

經過實驗結果發現，采用本次研究中所述的濕度控制方法能夠顯著提高濕度控制的精準程度，提高系統運行過程中的速度，有效縮短系統恢復到穩定狀態所需要的時間。整體分析可知，控制系統的性能可以獲得顯著提升，對農業生產具有重要意義。

5 結語

以濕度控制作為研究對象，基于單片機設計出高性能的土壤濕度控制系統，并給出軟件和硬件的設計方案。為了能夠更好地提高系統對土壤濕度的控制，為農作物生長提供一個良好的生長環境，設計了一款基于單片機控制的土壤濕度控制器系統控。實驗研究證明，本次設計的濕度控制系統在測量精準度和穩定性方面具有優勢，能夠顯著提高系統運行性能，值得廣泛應用。