玉米精量灌溉主要控制參數(shù)及方法研究

【摘要】在我國(guó)，約有60%的地區(qū)水資源匱乏。用珍貴來(lái)形容水資源一點(diǎn)也不為過(guò)。而這些珍貴的水源每年有70%運(yùn)用在農(nóng)業(yè)用水中，其中農(nóng)田灌溉每年達(dá)3700-3900億噸。占農(nóng)業(yè)用水的90%-95%。如何科學(xué)地管理農(nóng)業(yè)用水，合理灌溉對(duì)節(jié)約水資源有著至關(guān)重要的作用。本文以近幾年來(lái)被吉林省地區(qū)大面積種植的農(nóng)作物玉米作為研究對(duì)象，通過(guò)研究影響玉米精量灌溉的控制因子，為自動(dòng)控制系統(tǒng)提供所需水分?jǐn)?shù)據(jù)，研究精量灌溉自動(dòng)控制的方式，達(dá)到節(jié)水、高產(chǎn)的目的。

【關(guān)鍵詞】精量灌溉；自動(dòng)化控制系統(tǒng)；土壤濕度傳感器

0．引言

在水資源匱乏的今天，灌溉水的浪費(fèi)讓我國(guó)許多地區(qū)農(nóng)作物因得不到必需的灌溉而產(chǎn)量大減也使得水資源壓力日趨上升。所以，設(shè)計(jì)一套合理有效的灌溉自動(dòng)化控制方案對(duì)我國(guó)節(jié)約農(nóng)業(yè)用水，提高作物產(chǎn)量有著至關(guān)重要的意義。本部分對(duì)農(nóng)田灌溉自動(dòng)化控制技術(shù)方面的研究進(jìn)行了綜述，以求通過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究得到啟示。

1．影響精量灌溉的控制因子

土壤類型的不同和玉米生長(zhǎng)各個(gè)階段所需的灌水量是影響玉米精量灌溉的兩個(gè)主要控制因素。通過(guò)對(duì)控制因素的試驗(yàn)研究，找出更合理的控制方法，為玉米精量灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供所需數(shù)據(jù)。

2．玉米精量灌溉控制系統(tǒng)的硬件組成

2.1系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)及功能

玉米精量灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由土壤水分檢測(cè)系統(tǒng)、灌溉監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)、按鍵顯示系統(tǒng)、電磁閥及相關(guān)部件組成。

土壤水分檢測(cè)系統(tǒng)主要是土壤水分傳感器對(duì)玉米土壤含水率進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并將采集到的數(shù)據(jù)反饋給灌溉監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)。灌溉監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)則是根據(jù)土壤水分傳感器傳回來(lái)的數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)的閾值進(jìn)行比較，分析。如果土壤水分含量低于預(yù)設(shè)閥值下限則向單片機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出開啟閥門，灌水的指令。反之，當(dāng)土壤水分含量高于預(yù)設(shè)閾值上限時(shí)，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)向單片機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出關(guān)閉電磁閥的指令，停止灌水，實(shí)現(xiàn)精量灌溉的自動(dòng)運(yùn)行。按鍵顯示系統(tǒng)的功能主要是操作人員可以通過(guò)鍵盤向系統(tǒng)輸入玉米生育期各個(gè)階段不同的灌水量，從而改變不同階段預(yù)設(shè)的閥值，系統(tǒng)將自動(dòng)控制灌溉水量，并顯示玉米土壤環(huán)境和時(shí)間日期。

2.2 土壤水分檢測(cè)系統(tǒng)的組成

土壤水分含量的采集部分采用數(shù)字式溫濕度傳感器AM2301. AM2301在濕度0-100%RH范圍內(nèi)精度是3%RH。其優(yōu)點(diǎn)是輸出的是數(shù)字量，可以減少外界對(duì)采集信號(hào)的干擾，并直接送到單片機(jī)進(jìn)行處理，不需要AD/轉(zhuǎn)換，電路簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)處理方便， 單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡(jiǎn)易快捷。

2.3 灌溉監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)的組成

玉米精量灌溉監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)采用的是STC89C52型單片機(jī)。STC89C52是一種帶8K字節(jié)閃爍可編程可檫除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM-Flash Programable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能COMOS8的微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL搞密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼。

STC89C52單片機(jī)具有40條引腳，引腳說(shuō)明如下：

VCC（40引腳）：電源電壓 正常接+5V電源。

VSS（20引腳）：接地。

P0端口（P0.0～P0.7，39～32引腳）：P0口是一個(gè)漏極開路的8位雙向I/O口。作為輸出端口，每個(gè)引腳能驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載，對(duì)端口P0寫入“1”時(shí)，可以作為高阻抗輸入。

P1端口（P1.0～P1.7，1～8引腳）：P1口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P1的輸出緩沖器可驅(qū)動(dòng)（吸收或者輸出電流方式）4個(gè)TTL輸入。

RST（9引腳）：復(fù)位輸入，高電平有效，在此引腳上保持兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)，將使單片機(jī)自動(dòng)復(fù)位。

ALE/PROG（30引腳）：地址鎖存控制信號(hào)（ALE）是訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，鎖存低8位地址的輸出脈沖。在非訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器期間，AEL仍以振蕩頻率的1/6固定速率輸出因而它能用作外部時(shí)鐘或定時(shí)用。但在外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存取間，則以1/12的振蕩頻率輸出ALE脈沖，這個(gè)引腳也是EZPRMO編程時(shí)的編程脈沖輸入端（PROG）。

2.4土壤水分控制采集電路原理

本設(shè)計(jì)采用AM2301濕度傳感器，通過(guò)單片機(jī)P1口的高四位和AM2301連接進(jìn)行土壤濕度采集。三端穩(wěn)壓芯片78N05將12V直流電源穩(wěn)壓成5V，提供給單片機(jī)系統(tǒng)使用。數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)端口p1.0控制串行通信芯片傳給以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。單片機(jī)的時(shí)鐘電路是由一個(gè)12M的晶振和兩個(gè)30M的電容組成，它們決定了單片機(jī)的工作時(shí)間精度為1WS。復(fù)位電路由10UF的電容，1K和8.2K的電阻組成。

2.5 按鍵顯示系統(tǒng)

共設(shè)有14個(gè)鍵，其中功能鍵4個(gè)分別為置天數(shù)鍵，，時(shí)間顯示鍵，確認(rèn)鍵及取消鍵，還有10個(gè)數(shù)字鍵。K與外中斷“0”連接，當(dāng)有鍵按下時(shí)，CPU響應(yīng)中斷，進(jìn)入中斷服務(wù)程序。DATA與單片機(jī)相連，用于串行傳送數(shù)據(jù)。

3．系統(tǒng)的軟件組成

本系統(tǒng)軟件由灌溉監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)和按鍵、顯示系統(tǒng)兩部分組成。灌溉監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)由主程序模塊、通信程序模塊和水分?jǐn)?shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成。按鍵、顯示系統(tǒng)由主程序模塊、通信程序模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、按鍵顯示模塊和存儲(chǔ)程序模塊構(gòu)成。

玉米精量灌溉自動(dòng)化控制系統(tǒng)軟件具有采集、顯示數(shù)據(jù)，編輯、修改控制閥值等功能，是以控制器為核心的系統(tǒng)優(yōu)化。根據(jù)土壤類型以及玉米生長(zhǎng)各時(shí)期對(duì)水分的需求，選擇相應(yīng)的狀態(tài)，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水分含量，適時(shí)給予水分補(bǔ)給。

4．結(jié)論

通過(guò)對(duì)玉米精量灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及研究，能夠精確感知土壤含水率，自動(dòng)控制玉米灌溉，達(dá)到節(jié)約水資源的目的。并根據(jù)玉米生育期各階段灌水量的要求預(yù)設(shè)電磁閥閾值，控制灌水量，自動(dòng)、精確地滿足玉米的生長(zhǎng)發(fā)育需求，提高玉米產(chǎn)量。合理的硬件選擇也會(huì)降低成本節(jié)省人力資源。 [科]

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