基于AT89C51的自動灌溉系統(tǒng)設計

隨著單片機技術和傳感器技術的迅速發(fā)展，本文研制了一套基于AT89C51的只能澆灌系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過濕度傳感器對土壤濕度進行自動監(jiān)測，并以此為依據(jù)對農(nóng)作物進行適時、適量的灌水。研制完成后，經(jīng)試驗驗證，該系統(tǒng)能起到節(jié)水、節(jié)能的作用，達到高效澆灌的目的。

【關鍵詞】單片機 自動澆灌 AT89C51

1 引言

澆灌系統(tǒng)自動化是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的一個重要標志。隨著科學技術的發(fā)展，越來越多的只能控制器應用在了農(nóng)業(yè)、林業(yè)、園藝等的澆灌系統(tǒng)中，智能控制器已經(jīng)發(fā)展成為灌溉系統(tǒng)的有效管理手段。

傳統(tǒng)的澆灌技術自動化程度很低，極度依賴于人力，不適應現(xiàn)代農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，為節(jié)約水資源，提高澆灌效率，緩解勞動時間，本文研制了一套基于單片機控制的自動澆灌系統(tǒng)，在監(jiān)測土壤濕度的基礎上合理進行澆灌安排。并通過上位機與下位機之間進行通訊，建立了良好的人機界面，從而實現(xiàn)合理的澆灌。

2 總體設計

自動澆灌系統(tǒng)以單片機AT89C51為核心，通過采集土壤傳感器的信號，經(jīng)過AD轉換后送入單片機，經(jīng)計算后依據(jù)程序設計，輸出驅動信號，放大后可直接驅動電磁閥控制水泵。該系統(tǒng)設置有現(xiàn)地顯示單元、報警單元，并通過RS232接口與工控計算機相連。其原理框圖見圖1。

由圖可知，電路主要包含土壤濕度傳感器、AD轉換器、單片機、顯示單元、RS232通訊單元、信號放大電路及控制電磁閥。其中土壤濕度傳感器主要用來采集土壤濕度信號，AD轉換器將采集到的濕度信號轉換為數(shù)字信號送入單片機，顯示單元顯示土壤實時濕度，信號放大電路將單片機輸出的控制信號放大后驅動控制電磁閥用以控制澆灌水路。

3 系統(tǒng)構成

3.1 土壤濕度采集

3.1.1 濕度傳感器

土壤濕度傳感器主要是用來快速、準確的測量土壤濕度，考慮成本及現(xiàn)場實際需求，選用了AQUA-TEL-TDR便攜式土壤水分儀，其采用TDR原理的水分探頭，使用簡單。其技術參數(shù)：

測量濕度范圍：0-100%vol；

溫度范圍：-60℃-85℃；

預熱時間：1s；

供電電壓：12VDC@40mA。

3.1.2 AD轉換器

AD轉換器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的核心，可以把模擬量信號轉換成對應成正比的數(shù)字量信號。綜合考慮后，選用了ADC0809轉換芯片，其轉換原理為逐次逼近式，價格低廉，轉換速度為中速，可以滿足現(xiàn)場需求。其電路結構圖見圖2。

3.2 單片機控制電路

單片機采用AT89C51單片機，屬于ATMEL公司生產(chǎn)89系列的標準型單片機。其自帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器，可以反復擦除1000次，采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。提供以下標準功能：4k 字節(jié)Flash 閃速存儲器，128字節(jié)內部RAM，32 個I/O 口線，兩個16位定時/計數(shù)器，一個5向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。

3.3 顯示電路

本系統(tǒng)采用四個LED顯示，均為8段共陰級型LED，正常顯示時公共端接低電平。為簡化硬件電路，提高LED的效率，采用了動態(tài)顯示方案，即逐位分時輪流顯示的方式。

在動態(tài)顯示過程中，為得到穩(wěn)定的顯示，需不斷調用顯示子程序。每個LED顯示2ms，顯示完成后，再取下一個，直至最后，每調用一次顯示子程序，需掃描一遍。

3.4 通訊單元

本系統(tǒng)采用串行通訊方式實現(xiàn)單片機與工控機之間的通訊，因工控機一般均配置標準的RS232C接口，而AT89C51單片機為TTL電平，兩者之間電平不兼容，為實現(xiàn)通訊目的，在兩者之間增加了電平轉換器，這里采用了MAX232芯片，為MAXIM公司生產(chǎn)的包含兩路接收器和驅動器芯片，其功能強大，使用簡單方便。

單片機和工控機機進行通信時，軟件設計包括單片機通訊軟件及工控機串行設計，其中工控機串行設計采用VB語言編程，單片機部分則采用匯編語言。通訊完成后，根據(jù)實際情況可在工控機上進行參數(shù)設置：包括濕度限值、濕潤層深度等，并在工控機上實時顯示當前土壤濕度，該值與LED現(xiàn)地實時顯示的濕度一致。

系統(tǒng)正常工作時，如檢測到濕度值低于設定值，可根據(jù)計算算出需要的灌水量及灌水時間，并將信息傳送至單片機，進而控制放大電路驅動開啟或關閉電磁閥進行灌水操作。

4 結論

本文研究的自動澆灌系統(tǒng)對農(nóng)業(yè)自動化具有重要意義。經(jīng)試驗驗證，系統(tǒng)在模擬檢測中運行狀況良好，達到了預期的結果，可為其它類似問題的解決提供參考。

參考文獻

[1]趙文博，劉文濤.單片機語言C51程序設計[M].北京：郵電出版社，2005.

[2]劉葉飛，陳志剛.節(jié)水自動灌溉模糊控制系統(tǒng)設計[J].排灌機械，1993，3.

作者單位

黃華（1983-），男，湖北省黃梅縣人。畢業(yè)于武漢大學電子信息學院，大學本科學歷?，F(xiàn)就職于武漢工程職業(yè)技術學院，大學講師。研究方向為智能控制領域。

作者單位

武漢工程職業(yè)技術學院 湖北省武漢市 430000