基于單片機的智能灌溉系統(tǒng)設(shè)計

彭漢瑩+王宇++韓改寧++張潔++李穎

摘 要：為了實現(xiàn)水資源合理利用，發(fā)展節(jié)水供水，改善生態(tài)環(huán)境，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使傳統(tǒng)的灌溉技術(shù)得以突破。本設(shè)計以單片機為處理器，采用AT89S52芯片，使用步進電機控制水流量，利用溫濕度傳感器進行數(shù)據(jù)的采集，與設(shè)定數(shù)據(jù)進行對比，進行檢測并控制。通過實驗驗證，本系統(tǒng)能實時監(jiān)測到數(shù)據(jù)，并對非正常情況做出報警提示。

關(guān)鍵詞：灌溉系統(tǒng)；單片機；溫濕度傳感器

中圖分類號：TP39.1 文獻標(biāo)識碼：A

1 引言（Introduction）

世界各國越來越認識到水已成為21世紀(jì)可持續(xù)發(fā)展的一個關(guān)鍵問題。中國水資源已處于相當(dāng)匱乏的狀態(tài)，并且全國大量的廢、污水未經(jīng)處理或處理未達標(biāo)就直接排放造成了嚴(yán)重的水污染，少量的河流水質(zhì)低于農(nóng)田供水標(biāo)準(zhǔn)。水是農(nóng)業(yè)的命脈，是生態(tài)環(huán)境的控制性要素，同時又是戰(zhàn)略性的經(jīng)濟資源。為了實現(xiàn)水資源合理利用，發(fā)展節(jié)水供水，改善生態(tài)環(huán)境，采用智能灌溉系統(tǒng)抽取地下水灌溉農(nóng)田，是我國目前物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵，也是實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)。

利用智能灌溉系統(tǒng)，使傳統(tǒng)的灌溉模式得以突破和發(fā)展，是當(dāng)今世界供水、節(jié)水技術(shù)發(fā)展的總趨勢。智能灌溉系統(tǒng)在一些發(fā)達國家應(yīng)用的比較廣泛，技術(shù)發(fā)展也相對成熟，起步也比較早，特別是以色列、美國和加拿大等國家，先進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計算機和控制技術(shù)運用到了農(nóng)業(yè)灌溉中，有效地提高了用水效率和生產(chǎn)。

2 智能灌溉系統(tǒng)的組成（Composition of intelligent

irrigation system）

本系統(tǒng)將分為四大模塊組成：

（1）數(shù)據(jù)采集模塊（SHT10溫濕度傳感器）

本系統(tǒng)所采用的溫濕度傳感器是由瑞士Sensirion公司推出的SHT10單片數(shù)字溫濕度集成傳感器。該傳感器具有出色的長期穩(wěn)定性和極高的可靠性，是由于該公司采用CMOS過程微加工專利技術(shù)（CMOSenstechnology）[1]。該傳感器是由一個能隙式測溫元件和一個電容式聚合體測濕元件，同時與一個14位A/D轉(zhuǎn)換器和一個2-wire數(shù)字接口在單芯片中無縫結(jié)合，使得該產(chǎn)品具有抗干擾能力強、反應(yīng)快、功耗較低等優(yōu)點。

（2）電機控制模塊（控制水閥及營養(yǎng)液輸送）

當(dāng)檢測到的溫濕度不在規(guī)定到的范圍中時，通過步進電機和直流電機來調(diào)控溫濕度。用步進電機來控制濕度，通常情況下，步進電機的精度為步距角的3%到5%，同時不累積。根據(jù)電機負載及大小情況而定，大電機的起步速度一般對應(yīng)較低。用直流電機來控制溫度，電機旋轉(zhuǎn)的角度正比于脈沖數(shù)，只有數(shù)字輸入脈沖可以確定電機的響應(yīng)。直流電機有很好的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)，所以可靠性比較高，從而電機的壽命僅僅取決于軸承的壽命[2]，由于速度正比于脈沖頻率，因而有比較寬的轉(zhuǎn)速范圍。

（3）數(shù)據(jù)顯示模塊（LCD顯示溫度和濕度）

將采集到的溫度和濕度的數(shù)據(jù)顯示在LCD1602液晶屏幕上，該1602液晶顯示屏也叫1602字符型液晶顯示屏，這是一種專門用來顯示符號、數(shù)字、字母等的點陣型液晶模塊。該液晶屏是由多個5×7或5×11的點陣字符位組成，一個點陣字符位可以顯示一個字符，每位之間都有一個點距的間隔，行與行之間也有間隔，起到了行間距及字符間距的作用，但是它顯示圖形的效果不佳。

（4）LED燈和報警喇叭

當(dāng)溫度和濕度超過管理員設(shè)置的溫度與濕度，LED燈會亮，同時報警器也會報警。當(dāng)溫度低于所設(shè)范圍時，D1亮并喇叭報警；當(dāng)溫度高于所設(shè)范圍時，D2亮并喇叭報警；當(dāng)濕度低于所設(shè)范圍時，D3亮并喇叭報警；當(dāng)濕度高于所設(shè)范圍時，D4亮并喇叭報警。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計 （Hardware system design）

基于單片機的智能灌溉系統(tǒng)的電路包含幾類：傳感器數(shù)據(jù)采集電路、報警電路。硬件系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖1所示。

3.1 元器件的選擇

通過市場調(diào)研，考慮性價比的前提下，在本次設(shè)計中選擇的元件型號為：

（1）核心芯片：AT89S52單片機

AT89S52單片機是一種功耗低高性能的CMOS8位微控制器，內(nèi)置8kB可在線編程閃存。工作電源范圍：4.0—5.5V，有三個16位定時器/計數(shù)器，32條可編程I/O線，8個中斷源，以及靈活的在線編程[3]。如圖2所示。

（2）直流電機和步進電機

直流點電機可通過調(diào)節(jié)電壓大小就可以調(diào)速，比較方便；步進電機通過脈沖數(shù)來控制其前進的步數(shù)，步進電機控制更加穩(wěn)定。如圖3所示。

（3）LCD液晶：LCD1602

該液晶屏主要是用于顯示溫度和濕度的數(shù)值，因此從性價比上考慮，選擇了LCD1602字符式顯示器，該顯示器的顯示容量是16×2個字符，帶I2C模塊LCD1602連接到核心芯片AT89S52單片機[3]。顯示電路設(shè)計如圖4所示。

（4）溫濕度傳感器：SHT10傳感器為測量模塊，如圖5所示。

（5）報警系統(tǒng)：LED燈和報警喇叭，如圖6所示。

當(dāng)溫度和濕度超過管理員設(shè)置的溫度與濕度，LED燈會亮，同時報警器也會報警。

3.2 硬件電路原理圖

采用AT89S52單片機作為核心芯片，運用步進電機控制溫濕度傳感器，通過LED燈和報警器發(fā)出報警，溫濕度是由管理人員根據(jù)植物的生長環(huán)境手動設(shè)置，在LCD顯示屏上顯示當(dāng)前環(huán)境下的溫度和濕度。如圖7所示。

4 智能灌溉系統(tǒng)軟件設(shè)計（Intelligent irrigation

system software design）

本系統(tǒng)的控制元件較多，程序代碼較多，所以對SHT10和LCD1602的控制程序使用封裝好的庫文件。因此，采用模塊化程序設(shè)計方法，以C語言實現(xiàn)的控制程序，按模塊儲存在AT89S52芯片內(nèi)，無需單片機擴展存儲器接口，簡化了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，減低了成本，同時又提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性[5]。

該軟件系統(tǒng)流程，如圖8所示。

測量溫濕度函數(shù)

chars_measure（unsigned char *p_value， unsigned char *p_checksum， unsigned char mode）

{

unsignedfalse=0；

unsignedintx；

s_transstart（）； //啟動傳輸函數(shù)

switch（mode）

{ //發(fā)送命令到傳感器

case0：false+=s_write_byte（MEASURE_TEMP）； break；

case1：false+=s_write_byte（MEASURE_HUMI）； break；

default ： break；

}

for （x=0；x<65535；x++） if（DATA==0） break； //直到測量溫度濕度完畢

if（DATA） false+=1； //判斷是否在測量過程中發(fā)送錯誤

*（p_value）=s_read_byte（ACK）；

*（p_value+1）=s_read_byte（ACK）；

*p_checksum=s_read_byte（noACK）； //讀取校驗碼

return false； //返回錯誤標(biāo)志

}

定時器中斷函數(shù)：控制馬達正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)

void timer1（void） interrupt 3 //T1溢出中斷

{

static unsigned char count2； //

if（flag2==1）

{

if （count2<=PWM_ON2）

PWMZ2=1；

else

PWMZ2=0；

}

if（flag2==0）

{

if （count2<=PWM_ON2）

PWMF2=1；

else

PWMF2=0；

}

count2++；

if（count2==CYCLE2）

{

count2=0；

}}

5 軟硬件測試（Hardware and software testing）

將軟件應(yīng)用程序下載到硬件電路中，在proteus和keilc聯(lián)合測試如圖9所示。

x6 結(jié)論（Conclusion）

針對目前世界各國越水資源相當(dāng)緊缺的問題，利用單片機設(shè)計的智能灌溉系統(tǒng)，采用AT89S52芯片作為該系統(tǒng)的核心芯片，使用步進電機控制水流量，利用溫濕度傳感器進行數(shù)據(jù)的采集，與理想數(shù)據(jù)進行對比，進行檢測并控制。設(shè)計了面向農(nóng)業(yè)應(yīng)用的智能灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)還可以應(yīng)用于其他需要灌溉的服務(wù)行業(yè)。

參考文獻（References）

[1] 林惠貞.分布式機房溫濕度集中監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[D].汕頭大學(xué)，2011.

[2] 黃俊，翁惠輝.基于單片機技術(shù)的汽車空調(diào)控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].長江大學(xué)學(xué)報（自科版），2012，09（1）：124-126.

[3] 韓改寧，韓麗娜，張清文.基于Arduino開發(fā)平臺的學(xué)生宿舍門禁系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2016，16（9）：64-68.

[4] 婁國強.基于ZigBee技術(shù)的無線測控網(wǎng)絡(luò)平臺研制[D].山東輕工業(yè)學(xué)院，2011.

[5] 畢慶生，等.面向智能灌溉的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用研究[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2014（5）：40-43.

作者簡介：

彭漢瑩（1995-），本科生.研究領(lǐng)域：物聯(lián)網(wǎng)工程.

王 宇（1996-），本科生.研究領(lǐng)域：物聯(lián)網(wǎng)工程.

韓改寧（1977-），博士生，副教授.研究領(lǐng)域：單片機與嵌入式

系統(tǒng)應(yīng)用開發(fā).本文通訊作者.

張 潔（1995-），本科生.研究領(lǐng)域：物聯(lián)網(wǎng)工程.

李 穎（1995-），本科生.研究領(lǐng)域：物聯(lián)網(wǎng)工程.