單片機(jī)控制的節(jié)水澆灌系統(tǒng)研究

畢海婷，任大偉

（1.煙臺(tái)職業(yè)學(xué)院電氣工程系，山東煙臺(tái)264670；2.煙臺(tái)冰輪股份有限公司，山東煙臺(tái)264000）

單片機(jī)控制的節(jié)水澆灌系統(tǒng)研究

畢海婷1，任大偉2

（1.煙臺(tái)職業(yè)學(xué)院電氣工程系，山東煙臺(tái)264670；2.煙臺(tái)冰輪股份有限公司，山東煙臺(tái)264000）

近年來(lái)水資源的缺乏越來(lái)越引起人們的關(guān)注，如何能充分地利用水資源已經(jīng)成了我們關(guān)注的重要課題.本文就單片機(jī)控制下的節(jié)水澆灌系統(tǒng)展開(kāi)研究.文章第一部分對(duì)單片機(jī)節(jié)水灌溉系統(tǒng)組成做了詳細(xì)說(shuō)明，第二部分針對(duì)單片機(jī)控制下的硬件電路進(jìn)行了分析，第三部分就軟件數(shù)據(jù)處理做了簡(jiǎn)要闡述，最后對(duì)單片機(jī)控制下的節(jié)水澆灌系統(tǒng)做了必要的總結(jié)和歸納.

單片機(jī)；控制；節(jié)水澆灌；系統(tǒng)

目前，由于我國(guó)的自動(dòng)化節(jié)水技術(shù)不夠發(fā)達(dá)，而且農(nóng)業(yè)灌溉還未能打破原先的澆灌方式，一直局限于傳統(tǒng)的粗放型澆灌模式，且農(nóng)民的自動(dòng)化節(jié)水意識(shí)不高，所以國(guó)內(nèi)的自動(dòng)化節(jié)水工程還未能得到很好的發(fā)展.目前，當(dāng)務(wù)之急就是要加強(qiáng)對(duì)農(nóng)業(yè)灌溉水資源的節(jié)約.因此，為了有效的節(jié)約水資源，就要科學(xué)合理的提高農(nóng)業(yè)灌溉效率，縮短灌溉時(shí)間，特別是在微灌技術(shù)領(lǐng)域，國(guó)家更應(yīng)加強(qiáng)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)的研究，并要廣泛的對(duì)此加以推廣和使用，只有這樣才能推動(dòng)我國(guó)微灌技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，進(jìn)而才能有效的節(jié)約農(nóng)業(yè)灌溉所需的水資源.本文就是針對(duì)在單片機(jī)控制的情況下，對(duì)節(jié)水澆灌系統(tǒng)的研究與討論.

1 單片機(jī)控制的節(jié)水灌溉系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 節(jié)水灌溉系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1.1 微灌系統(tǒng)介紹

目前，微灌是世界上眾多灌溉技術(shù)中最高效的一種節(jié)水灌溉技術(shù)，具有節(jié)水率高、節(jié)能性好的特點(diǎn)，并且是當(dāng)前最先進(jìn)的一種節(jié)水灌溉技術(shù).所謂微灌，就是指在局部區(qū)域進(jìn)行精細(xì)的灌溉，微灌技術(shù)與其它灌溉技術(shù)相比，在水的利用效率上是最高的，例如與地面灌相比，微灌要比地面灌節(jié)約一半的水資源.若與噴灌相比，則就要節(jié)約17%左右的水資源.利用微灌技術(shù)來(lái)灌水的同時(shí)還能施藥，這樣自然的就會(huì)提高了土地的肥效，從而就會(huì)提高農(nóng)作物的產(chǎn)量.微灌系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)微灌設(shè)備的組裝而形成的.微灌節(jié)水技術(shù)的工作原理是通過(guò)管道將有壓水傳送到田地上，并以較小的流量來(lái)澆灌農(nóng)作物根須部分的局部土壤.現(xiàn)如今，微灌已改變了原先的單一滴灌方式，并發(fā)展了多種新的灌水技術(shù)，例如微噴灌、滲灌以及涌流灌等.這些新的高效灌水技術(shù)主要用于一些果園、菜園或大棚的灌溉上.同時(shí)我國(guó)的一些缺水區(qū)在農(nóng)作物的灌溉上也可利用這些灌水技術(shù).

1.1.2 滴管系統(tǒng)介紹

滴灌不僅能避免地面的土壤流失、減少農(nóng)作物間的水汽蒸發(fā)、有效的節(jié)約水資源，還能確保農(nóng)作物根部的水份不會(huì)過(guò)于干燥或過(guò)于濕潤(rùn)，從而合理的保持土壤的通氣性.同時(shí)，采用滴灌技術(shù)來(lái)對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行灌溉還可以有效的節(jié)省勞動(dòng)力資源，在遇到陡坡時(shí)也不需要鑿開(kāi)渠道.但是滴灌技術(shù)也存在著一定的缺陷，例如對(duì)滴灌的投資成本比較高，而且在滴灌的時(shí)候滴頭很容易被堵塞.首部、管道系統(tǒng)、滴頭是滴管系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分.①首部就是將從水源抽出的水進(jìn)行加壓，再將化肥融入有壓水中通過(guò)過(guò)濾器將雜質(zhì)過(guò)濾掉，然后再將水輸入管道中；②管道系統(tǒng)主要是由干管、毛管及支管組成，它們都是通過(guò)對(duì)高壓聚乙烯和聚氯乙烯的加工處理而制成的；③滴頭本身具有消能的作用，所以在灌溉的過(guò)程中，可以讓水流經(jīng)滴頭的孔隙，然后以水滴的形式對(duì)土壤進(jìn)行灌溉.

1.2 基于單片機(jī)控制的節(jié)水灌溉系統(tǒng)組成

（1）單片機(jī)控制的節(jié)水灌溉系統(tǒng)工作流程主要是：在單片機(jī)控制的基礎(chǔ)下，對(duì)灌溉工程的一系列設(shè)施進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)相關(guān)的信息進(jìn)行檢測(cè)與處理.

（2）單片機(jī)控制的節(jié)水澆灌系統(tǒng)工作原理是：通過(guò)土壤濕度傳感器對(duì)種植物的土壤進(jìn)行檢測(cè)，并將信息轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)，然后通過(guò)AT89C51單片機(jī)來(lái)對(duì)相關(guān)的設(shè)備進(jìn)行控制，若數(shù)據(jù)顯示土壤濕度較高，那么就通過(guò)計(jì)算機(jī)操作來(lái)關(guān)閉程序，如數(shù)據(jù)顯示土壤濕度過(guò)低，那么就要打開(kāi)電磁閥對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行灌溉.

1.3 單片機(jī)控制的節(jié)水澆灌系統(tǒng)器件的選取

1.3.1 對(duì)于單片機(jī)的選取

早期的單片機(jī)就是指單片微型計(jì)算機(jī)，也可稱為微控制器，是在集成電路出現(xiàn)和發(fā)展的背景下而形成的一種芯片級(jí)的計(jì)算機(jī)，其實(shí)質(zhì)就是將計(jì)算機(jī)的中央處理器、隨機(jī)存儲(chǔ)器、只讀存儲(chǔ)器以及各種I/O接口集成在同一個(gè)芯片上.由于單片機(jī)具有強(qiáng)大的功能、較小的體積、耗能低、集成度高、使用便捷且價(jià)格便宜等優(yōu)勢(shì)，所以在我國(guó)得到了廣泛的推廣和使用.早先的單片機(jī)是以嵌入式微控制器的形式出現(xiàn)的，并且在嵌入式系統(tǒng)的領(lǐng)域中，單片機(jī)是最受人們青睞的核心器件.當(dāng)下，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，以計(jì)算機(jī)為主導(dǎo)的一系列工業(yè)生產(chǎn)也取得了相應(yīng)的發(fā)展，并且逐步的融入到了人們的生活中，例如在家用電器的制造中、工業(yè)生產(chǎn)的控制中以及醫(yī)療儀器的檢測(cè)中都存在著單片機(jī).當(dāng)下，隨著科技的發(fā)展，單片機(jī)制造公司也獲得了相應(yīng)的發(fā)展.在眾多公司相繼推出的各種單片機(jī)中，最受歡迎的就屬INTEL公司所推出的具有很高性能的MCS-51系列單片機(jī)，這種單片機(jī)以精湛的技術(shù)和高性價(jià)比的優(yōu)勢(shì)，很快的就在一些工業(yè)測(cè)控以及自動(dòng)化工程領(lǐng)域得到快速發(fā)展，并成為單片機(jī)領(lǐng)域的主打品牌.

除此之外，ATMEL公司所推出的89系列單片機(jī)也倍受青睞.89系列單片機(jī)又名Flash單片機(jī)，它主要是以8031作為核心而產(chǎn)生的，不僅具有INTEL公司所推出的MCS-51系列單片機(jī)的各項(xiàng)功能，還進(jìn)一步的優(yōu)化和擴(kuò)展了原先單片機(jī)的功能.89系列的單片機(jī)內(nèi)部設(shè)有Flash存儲(chǔ)器和靜態(tài)時(shí)鐘，并且還能兼容AT80CS1的插座，最重要的是，當(dāng)單片機(jī)出現(xiàn)編程錯(cuò)誤時(shí)不會(huì)有廢品生成，而且還能進(jìn)行重復(fù)的系統(tǒng)實(shí)驗(yàn).針對(duì)節(jié)水澆灌系統(tǒng)的特點(diǎn)以及各種型號(hào)單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)特征比較，ATMEL公司所推出的89系列單片機(jī)是最合適的選擇.由于89系列單片機(jī)內(nèi)的芯片含有128字節(jié)的RAM，所以就不用對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的程序存儲(chǔ)器進(jìn)行再拓展.

1.3.2 對(duì)于土壤濕度傳感器的選取

土鉆法是當(dāng)下最常用的測(cè)定土壤水分的方法，其基本原理就是用烘箱烘干鉆出的土壤，然后再對(duì)烘干的土壤進(jìn)行稱量，進(jìn)而計(jì)算出土壤中的含水量.同時(shí)也可以用石膏電阻法或負(fù)壓法等來(lái)間接的測(cè)量土壤中的含水量.自1998年以后,TDR技術(shù)受到了很多研究者的歡迎.TDR技術(shù)能準(zhǔn)確的測(cè)量土壤中的含水量并且不局限于土壤的類型，最重要的是無(wú)核輻射作用，對(duì)人體零傷害.土壤水分含量的多少直接的影響了農(nóng)作物的生長(zhǎng)，所以傳感器的選擇也很重要.若要選擇高精度的土壤濕度傳感器，那么就會(huì)使成本增加，若選用精度低的傳感器，那么就不能對(duì)土壤濕度進(jìn)行合理的控制.美國(guó)生產(chǎn)的AQUA-TEL-TDR便攜式土壤水分儀具有TDR原理水分探頭，且簡(jiǎn)單易攜帶，技術(shù)含量也很高，所以針對(duì)本文探討的重點(diǎn)，選取AQUA-TEL-TDR便攜式土壤水分儀測(cè)量土壤水分的含量最適合.

1.3.3 對(duì)于節(jié)水灌溉系統(tǒng)數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片的選取

數(shù)模轉(zhuǎn)換的原理就是將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，同時(shí)兩者的大小要成正比，并且在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中要以數(shù)模轉(zhuǎn)換電路為核心.目前市場(chǎng)上的數(shù)模轉(zhuǎn)換主要可分為逐次逼近式數(shù)模轉(zhuǎn)換電路以及雙積分式轉(zhuǎn)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路.①逐次逼近式數(shù)模轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換精度上比較高，轉(zhuǎn)換速度也很快，且在具有很強(qiáng)分辨率的同時(shí)還能量化誤差；②雙積分式數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換精度最高，且具有很強(qiáng)的抗干擾能力，價(jià)格便宜，但在轉(zhuǎn)換的速度上比其它的轉(zhuǎn)換器要慢.綜合考慮，選取逐次逼近式數(shù)模轉(zhuǎn)換器最合適.

2 單片機(jī)控制的節(jié)水澆灌系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)主機(jī)上的時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)內(nèi)的各項(xiàng)微操作是以時(shí)鐘發(fā)出的信號(hào)為準(zhǔn)基的，一般情況下時(shí)鐘發(fā)出的信號(hào)是通過(guò)內(nèi)部和外部震蕩的形式而生成的.時(shí)鐘電路的工作原理就是通過(guò)高增益反向放大器來(lái)構(gòu)成振蕩器，并將放大器的輸入端與輸出端分別于晶體振蕩器或陶瓷諧振蕩器相連接，從而形成振蕩時(shí)鐘脈沖.

2.2 單片機(jī)主機(jī)上的復(fù)位電路設(shè)計(jì)

只有采用復(fù)位的方式才能將單片機(jī)內(nèi)部的功能寄存器初始化，同時(shí)，復(fù)位之后的單片機(jī)中央處理器和相應(yīng)的設(shè)備都會(huì)變成初始狀態(tài).外來(lái)電路是讓單片機(jī)復(fù)位的必要條件，并且只要RST引腳上的高電平能持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期，就能讓CPU以及系統(tǒng)中的各個(gè)設(shè)備復(fù)位.復(fù)位操作包括上電路復(fù)位和開(kāi)關(guān)復(fù)位兩種情況，單片機(jī)控制的節(jié)水澆灌系統(tǒng)采用的就是上電路復(fù)位的方式.

2.3 單片機(jī)主機(jī)上的超限報(bào)警電路設(shè)計(jì)

聲光報(bào)警、閃光報(bào)警、鳴音報(bào)警以及語(yǔ)音報(bào)警是目前報(bào)警信號(hào)中最常用的幾種類型.這幾種報(bào)警信號(hào)能在一些緊急的狀態(tài)下引起工作人員的注意，從而確保工作人員在工作時(shí)不會(huì)疏忽大意，能及時(shí)的發(fā)現(xiàn)并處理好問(wèn)題.在單片機(jī)控制下的節(jié)水澆灌系統(tǒng)中所采用的就是聲光報(bào)警電路，該電路中設(shè)置了壓電路鳴器，且電路中蜂鳴器的兩端連接在高電平與P1.0上，只要通過(guò)驅(qū)動(dòng)電流就能產(chǎn)生蜂鳴聲，因此，若要報(bào)警，就將蜂鳴器的端口清零，這樣就能通過(guò)延長(zhǎng)對(duì)程序的控制從而來(lái)延長(zhǎng)聲音的長(zhǎng)短.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)處理

3.1 數(shù)據(jù)處理中的數(shù)字濾波技術(shù)

數(shù)據(jù)處理中的數(shù)字濾波技術(shù)不僅能在統(tǒng)計(jì)規(guī)律的基礎(chǔ)下減輕對(duì)有效信號(hào)的干擾，還能消除由于信號(hào)干擾而導(dǎo)致的誤差.數(shù)字濾波技術(shù)只要改變相應(yīng)軟件中的運(yùn)用參數(shù)并通過(guò)軟件算法就能很快的轉(zhuǎn)變自身的特性，且不需要任何的硬件.

3.2 數(shù)字顯示的標(biāo)度變換

所謂標(biāo)度變換，就是指將數(shù)模轉(zhuǎn)換的結(jié)果數(shù)字變換為溫度值，且可供顯示或打印.數(shù)字顯示的標(biāo)度變換原理就是將經(jīng)過(guò)微機(jī)化測(cè)控系統(tǒng)處理后的原始數(shù)據(jù)輸出顯示器，并作為顯示數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換變成溫度值.

4 對(duì)單片機(jī)控制的節(jié)水澆灌系統(tǒng)的總結(jié)與建議

4.1 單片機(jī)控制的節(jié)水澆灌系統(tǒng)具有：①在對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行灌溉時(shí)，該系統(tǒng)具有很強(qiáng)大的適用性，只需啟動(dòng)系統(tǒng)以及對(duì)顯示器上的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置就能有效的監(jiān)控土壤的濕度；②該系統(tǒng)可以在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候給作物灌溉適量的水，這樣就會(huì)給作物提供一個(gè)優(yōu)越的生長(zhǎng)環(huán)境，并且還能有效的節(jié)約水資源，提高對(duì)水資源的利用率；③該系統(tǒng)的成本不高，且操作簡(jiǎn)單具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，同時(shí)只要對(duì)系統(tǒng)稍微的改變一下，就能擴(kuò)大其功能.

4.2 雖然在單片機(jī)控制下的節(jié)水澆灌系統(tǒng)在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)發(fā)展過(guò)程中起到了很大的推動(dòng)作用，但無(wú)論是在硬件還是在軟件的設(shè)計(jì)上都存在一些不合理的地方.以下是對(duì)單片機(jī)控制的節(jié)水澆灌系統(tǒng)的若干建議：①單片機(jī)控制下的節(jié)水澆灌系統(tǒng)只是對(duì)水進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制，并沒(méi)有對(duì)肥進(jìn)行監(jiān)控，因此，要想作物有效的生長(zhǎng)，就要將水與肥有機(jī)的融合起來(lái)進(jìn)行灌溉；②要全面的考慮土壤濕度與作物需水量之間的關(guān)系，準(zhǔn)確的判斷作物的需水量，從而對(duì)作物進(jìn)行合理的灌溉；③雖然該系統(tǒng)在平時(shí)的模擬檢測(cè)中運(yùn)行良好，但是在實(shí)際的數(shù)據(jù)采樣方面還不夠穩(wěn)定，因此，在數(shù)據(jù)采樣的穩(wěn)定性方面還要作進(jìn)一步的完善.

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〔2〕馬學(xué)良,吳曉光,蘇音,王虎.我國(guó)滴灌技術(shù)應(yīng)用發(fā)展若干問(wèn)題分析.節(jié)水灌溉技術(shù),2010(5):21-24.

〔3〕劉瑞新.單片機(jī)原理及應(yīng)用教程.機(jī)械工業(yè)出版社,2010. (8):22-25.

〔4〕王友貞,湯廣民.節(jié)水灌溉與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展.節(jié)水灌溉, 2009(4):233-34.

S277.9；TP29

A

1673-260X（2013）07-0133-02