基于單片機(jī)的自動(dòng)滴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

孫 敏，付丹丹

1.海南政法職業(yè)學(xué)院，海南 ?？?571100

2.大慶師范學(xué)院，黑龍江 大慶 163712

構(gòu)建節(jié)約型社會(huì)是當(dāng)今的一大主題，那么對(duì)于農(nóng)業(yè)大國(guó)，節(jié)水就成了重點(diǎn)關(guān)注的課題之一。目前我國(guó)大部分地區(qū)采用傳統(tǒng)的灌溉方式，即粗放的人工操作，自動(dòng)化程度極低，對(duì)于供水時(shí)間及供水量控制都由操作人員而定，不僅浪費(fèi)了大量的水資源，有時(shí)也會(huì)存在不能準(zhǔn)確及時(shí)供水的情況。農(nóng)業(yè)的根本出路在于科技，采用自動(dòng)滴灌系統(tǒng)可以準(zhǔn)確、定時(shí)、定量、高效地給作物自動(dòng)補(bǔ)充水分，不僅提高灌溉效率，縮短勞動(dòng)時(shí)間，更重要的是節(jié)約水資源。尤其是在缺水地區(qū)，能夠更充分的利用有限的水資源是農(nóng)業(yè)豐收的關(guān)鍵所在。

1 系統(tǒng)概述

1.1 自動(dòng)滴灌系統(tǒng)概述

自動(dòng)滴灌系統(tǒng)是通過(guò)測(cè)定濕度、溫度，根據(jù)植物自動(dòng)選擇滴灌開(kāi)時(shí)始時(shí)間、滴灌時(shí)間及出水量。這樣可以將水和養(yǎng)份直接而精確地輸送到作物根部，是一種低成本、長(zhǎng)壽命、免維護(hù)、高效節(jié)能的澆水方式。它適用于單行或多行盆栽、吊藍(lán)式種植、培植袋栽種作物、庭院式花園等，也適合家居大小花盆栽種的植物澆灌。

自動(dòng)滴灌系統(tǒng)目前在缺水的發(fā)達(dá)國(guó)家應(yīng)用十分廣泛，目前在我國(guó)部分地區(qū)也逐漸應(yīng)用。自動(dòng)滴灌系統(tǒng)要求滴灌時(shí)間準(zhǔn)確、出水量適中、系統(tǒng)操作方便，對(duì)于更好的輔助作物生長(zhǎng)、節(jié)約水資源起到了極其重要的作用。

1.2 單片機(jī)概述

單片機(jī)又稱單片微控制器，是一種集成電路芯片，相當(dāng)于把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成在一個(gè)小的芯片上。它具有控制功能強(qiáng)大、功耗低、體積小、擴(kuò)展靈活的特點(diǎn)，因此使用十分方便。近年來(lái)，單片機(jī)與在各行各業(yè)廣泛應(yīng)用。

51單片機(jī)是目前工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的、市場(chǎng)占有率高的單片機(jī)。本系統(tǒng)的控制芯片采用AT89C51單片機(jī)。AT89C51單片機(jī)是標(biāo)準(zhǔn)的40引腳雙列直插式集成電路芯片。它是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 自動(dòng)滴灌系統(tǒng)組成

自動(dòng)滴灌系統(tǒng)由水源、傳感器、首部控制樞紐、干管、支管、毛管七大部分組成。家用自動(dòng)滴灌系統(tǒng)最小可縮減為：水源、首部控制樞紐、毛管三部分。

首部控制樞紐部分作為自動(dòng)滴灌系統(tǒng)的核心部分，通過(guò)對(duì)環(huán)境溫度濕度的測(cè)試做出判斷，以控制器來(lái)控制水泵、施肥罐、過(guò)濾裝置及各種控制和量測(cè)設(shè)備。

2.2 自動(dòng)滴灌系統(tǒng)控制器的設(shè)計(jì)

自動(dòng)滴灌系統(tǒng)的控制系統(tǒng)以51單片機(jī)為核心，采用匯編語(yǔ)言對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程，主要包括：主模塊、數(shù)據(jù)采集處理模塊、LED顯示模塊、報(bào)警模塊。單片機(jī)可將土壤溫度、濕度傳感器檢測(cè)到的土壤濕度、溫度模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，顯示于LED顯示器上。

2.2.1 主模塊

1）時(shí)鐘電路

單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)用來(lái)提供單片機(jī)片內(nèi)各種微操作的時(shí)間基準(zhǔn)。

2）復(fù)位電路

為了初始化單片機(jī)內(nèi)部的某些特殊功能寄存器，必須采用復(fù)位的方式。復(fù)位操作有兩種情況，即上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位。本系統(tǒng)采用上電復(fù)位方式。

3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展電路

AT89C51單片機(jī)外接數(shù)據(jù)RAM時(shí)，P2口輸出存儲(chǔ)器地址的高8位，PO口分時(shí)輸出地址的低8位和傳送指令字節(jié)或數(shù)據(jù)。PO口先輸出低8位地址信號(hào)，在ALE有效時(shí)將它鎖存到外部地址鎖存器中，然后PO口作為數(shù)據(jù)總線使用，本系統(tǒng)地址鎖存器選用74LS373。

2.2.2 數(shù)據(jù)采集處理模塊

針對(duì)測(cè)試器測(cè)試獲得的土壤濕度、環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析判斷，確定需要滴灌時(shí)驅(qū)動(dòng)水泵、施肥罐、過(guò)濾裝置及各種控制和量測(cè)設(shè)備開(kāi)始工作。

系統(tǒng)統(tǒng)采用ADC0809轉(zhuǎn)換器，進(jìn)行模擬信號(hào)到數(shù)據(jù)信號(hào)的轉(zhuǎn)換。ADC0809是一種8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部具有鎖存控制的8路模擬開(kāi)關(guān)，外接8路模擬輸入端，可同時(shí)對(duì)8路0-5V的輸入模擬電壓信號(hào)分時(shí)進(jìn)行采集轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)只用到INO和IN1兩路輸入通道。ADC0809轉(zhuǎn)換器的分辨率為8位，最大不可調(diào)誤差小于士1LSB，采用單一+5V供電，功耗為15mW，不必進(jìn)行零點(diǎn)和滿度調(diào)整。本系統(tǒng)中ADC0809與AT89C51單片機(jī)的接口采用等待延時(shí)方式。ADC0809的時(shí)鐘頻率范圍要求在10-1280kHz，AT89C51單片機(jī)的ALE腳的頻率是單片機(jī)時(shí)鐘頻率的1/6，因此當(dāng)單片機(jī)的時(shí)鐘頻率采用6MHz，ADC0809輸入時(shí)鐘頻率即為CLK=1MHz，發(fā)生啟動(dòng)脈沖后需延時(shí)100Us才可讀取A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。

2.2.3 LED顯示模塊

由于LED具有線路簡(jiǎn)單、耗電少、成本低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此本系統(tǒng)選用LED來(lái)顯示土壤濕度值，在灌水期間以倒計(jì)時(shí)的方式顯示灌水剩余時(shí)間。本系統(tǒng)輸出結(jié)果使用了4個(gè)LED顯示。

因AT89C51單片機(jī)I/O口資源有限，必須對(duì)其Il0口進(jìn)行擴(kuò)展才能滿足實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。本系統(tǒng)用8155擴(kuò)展1/0口的4個(gè)8位LED動(dòng)態(tài)顯示器，顯示掃描由程控實(shí)現(xiàn)，其中PA口輸出字型碼，PC口輸出位選信號(hào)即掃描信號(hào)，選線CE和AT89C51的P2.7口相連，IO/ M選通輸入線與P2.4口相連，該系統(tǒng)中當(dāng)P2.7=0且P2.4=1時(shí)，選中8155芯片內(nèi)三個(gè)I/O口。

2.2.4 報(bào)警模塊

為了在土壤濕度值低于設(shè)定的最低值時(shí)，提醒操作人員及時(shí)處理，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了聲光自動(dòng)報(bào)警功能。

報(bào)警設(shè)備選用壓電式蜂鳴器，它約需要10mA的驅(qū)動(dòng)電流，只需在其兩條引線上加3V至15V的直流電壓，即可產(chǎn)生3KHz左右的蜂鳴聲音，蜂鳴器的一端接在高電平+SV，另一端接Pl.0，在初態(tài)Pl.0始終輸出高電平1，當(dāng)需要報(bào)警時(shí)，程序?qū)ζ涠丝谇辶慵纯?，聲音的長(zhǎng)短可用延時(shí)程序控制實(shí)現(xiàn)。接入的發(fā)光二極管LED為超高線報(bào)警器，當(dāng)P1.1端輸出為低電平“0”時(shí)，二極管導(dǎo)通，燈亮發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

2.3 單片機(jī)測(cè)試設(shè)計(jì)

對(duì)單片機(jī)功能及穩(wěn)定性測(cè)試是系統(tǒng)使用前的重要環(huán)節(jié)。

本系統(tǒng)需要做以下必要測(cè)試：1）上電、掉電測(cè)試；2）單片機(jī)軟件功能的完善性測(cè)試；3）EFT 和ESD測(cè)試；4）老化測(cè)試；5）模擬故障測(cè)試。

3 結(jié)論

單片機(jī)的應(yīng)用顛覆了傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。將原來(lái)必須由PC機(jī)完成的工作集成在一小塊芯片中來(lái)完現(xiàn)，節(jié)約了大量人力、物力資源，應(yīng)用前景十分廣闊。

本系統(tǒng)具備操作簡(jiǎn)單、功能實(shí)用、價(jià)格合理等優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中可推廣應(yīng)用，以更好的節(jié)約水資源，減少人力投入。

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