基于單片機(jī)的節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊光

（北京郵政新聞宣傳中心，北京 100001）

基于單片機(jī)的節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊光

（北京郵政新聞宣傳中心，北京 100001）

隨著科學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，計(jì)算機(jī)和單片機(jī)技術(shù)在不斷的進(jìn)步，其性價(jià)比、穩(wěn)定性以及效率也在不斷的提高，使其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域方面的應(yīng)用也成為了現(xiàn)實(shí)并逐步的發(fā)展起來。本文基于單片機(jī)設(shè)計(jì)了一套灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行適時(shí)適量的灌溉，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了節(jié)水和節(jié)能的高效灌溉。

單片機(jī)；灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)；節(jié)水

我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的現(xiàn)代化建設(shè)，在水力灌溉方面需要自動(dòng)化技術(shù)來代替，這樣才能滿足大面積灌溉的實(shí)際需求。灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)成為農(nóng)業(yè)灌溉自動(dòng)化的重要研究方向。隨著市場(chǎng)的擴(kuò)大，灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)在我國(guó)有了一個(gè)基礎(chǔ)并且應(yīng)用也相對(duì)廣泛。同時(shí)，在研究和發(fā)展的過程中，新的技術(shù)也會(huì)不斷的產(chǎn)生并應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，隨著人們節(jié)水意識(shí)的提高，新的節(jié)水自動(dòng)化控制技術(shù)應(yīng)用到水力灌溉中，會(huì)產(chǎn)生一種更新的、更節(jié)水的灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)。節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)灌溉管理的主要自動(dòng)化管理工具，在作業(yè)過程中，該系統(tǒng)不需要去過分的要求操作者的自身節(jié)水意識(shí)，完全通過自動(dòng)化去進(jìn)行節(jié)水灌溉管理，在大大提高灌溉效率的同時(shí)也大大的節(jié)省了勞動(dòng)成本。除此之外，最重要的是該系統(tǒng)在按要求設(shè)置完成后，在節(jié)水的基礎(chǔ)上能夠定時(shí)定量的去進(jìn)行灌溉，大大提高了農(nóng)作物的灌溉效率和產(chǎn)量。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)是當(dāng)前農(nóng)業(yè)灌溉自動(dòng)化中必不可少的一項(xiàng)技術(shù)，在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用也越來越普遍，并在使用過程對(duì)存在的問題進(jìn)行解決，逐步的研發(fā)出新的技術(shù)，例如，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，人們對(duì)節(jié)水意識(shí)的提高，這樣的一個(gè)需求方向就讓節(jié)水自動(dòng)化控制技術(shù)在水力灌溉中逐步完善。單片機(jī)是一個(gè)微型計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)將CPU、寄存器、RAM/ROM、I/O接口電路通過合理的聯(lián)接在一起并集成在一塊電路芯片上。本文通過對(duì)技術(shù)和實(shí)際情況進(jìn)行研究，確定采用AT89C51單片機(jī)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的核心部分。

在系統(tǒng)中，通過土壤濕度傳感器去檢測(cè)電路中的濕敏電阻完成對(duì)土壤的濕度檢測(cè)，同時(shí)檢測(cè)到的電流信號(hào)通過相應(yīng)處理轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)，電壓信號(hào)輸入到A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809中，輸出數(shù)字信號(hào)。系統(tǒng)首先對(duì)土壤的濕度進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果傳輸?shù)絃ED顯示電路進(jìn)行顯示，這樣能夠?qū)崟r(shí)的去監(jiān)測(cè)土壤的濕度，在系統(tǒng)中對(duì)土壤的溫度范圍進(jìn)行設(shè)置，然后通過相應(yīng)的模糊算法來完成對(duì)水閥的開關(guān)控制。整個(gè)系統(tǒng)主要由AT89C51系統(tǒng)電路、電源電路、濕度檢測(cè)電路、顯示電路、開關(guān)控制電路等設(shè)備組成。在系統(tǒng)中，土壤濕度傳感器對(duì)土壤的濕度進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)的模擬信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，單片機(jī)能夠?qū)⒃撃M信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)较到y(tǒng)控制中心，控制中心根據(jù)信號(hào)信息自動(dòng)的判斷該土壤當(dāng)前是否需要進(jìn)行灌溉。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)硬件電路主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)主系統(tǒng)電路、時(shí)鐘電路、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)擴(kuò)展電路、LED顯示電路等組成。

2.1 單片機(jī)主系統(tǒng)電路

AT89C51單片機(jī)是51系列單片機(jī)的一種，它是由8051單片機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)化而產(chǎn)生的。該單片機(jī)內(nèi)部自帶2K字節(jié)可編程FLASH存儲(chǔ)器的低電壓、高性能COMS八位微處理器，與Intel MCS-51系列單片機(jī)的指令和輸出管腳相兼容。由于將多功能八位CPU和閃速存儲(chǔ)器結(jié)合在單個(gè)芯片中，所以該單片機(jī)在單片機(jī)系列中具有很多的優(yōu)勢(shì)，它的結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，價(jià)格比較低，工作效率卻非常的高，AT89C51單片機(jī)摒除了外部的RAM和ROM等接口，大大降低了硬件方面的開銷，降低了成本，整個(gè)單片機(jī)的性價(jià)比得到了大大的提高，如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的擴(kuò)展電路

AT89C51單片機(jī)當(dāng)需要與數(shù)據(jù)RAM進(jìn)行外部連接時(shí)，在P2端口處就會(huì)輸出存儲(chǔ)器的地址，該地址為高8位，相應(yīng)的低8位在P0端口輸出，同時(shí)輸出的還有相應(yīng)的傳送指令字節(jié)。當(dāng)P0端口在輸出低八位的地址后，通過ALE能夠?qū)⒃摰刂反鎯?chǔ)在地址鎖存器中，這時(shí)的P0端口就能夠當(dāng)作數(shù)據(jù)總線進(jìn)行其它工作，在系統(tǒng)中，地址鎖存器采用了74LS373，電路圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)擴(kuò)展電路

圖2 單片機(jī)主機(jī)系統(tǒng)圖

2.3 數(shù)據(jù)采集處理電路

ADC0809是一種8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器內(nèi)部包括八路模擬式開關(guān)和八路模擬輸入端，這些開關(guān)都具有相應(yīng)的鎖存控制功能，這些輸入端能夠?qū)﹄妷盒盘?hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。ADC0809是種分辨率能夠達(dá)到八位的轉(zhuǎn)換器，其存在的誤差最大為1LSB，供電方式為+5V電壓，功耗達(dá)到了15mW,無需對(duì)零點(diǎn)以及滿度進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。因?yàn)锳DC0809轉(zhuǎn)換器在運(yùn)行過程中，其輸出數(shù)據(jù)的寄存器能夠進(jìn)行可控的三態(tài)輸出，并且輸出時(shí)有著相應(yīng)的TTL三態(tài)鎖存緩沖器，所以當(dāng)其數(shù)據(jù)輸出產(chǎn)生的引腳能夠和數(shù)據(jù)總線進(jìn)行連接。A/ D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，首先需要通過控制器來完成對(duì)轉(zhuǎn)換信號(hào)的啟動(dòng)，在啟動(dòng)的過程需要由CPU進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換信號(hào)，對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換器的型號(hào)不同，所需要的啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)的方式和要求也不相同，主要包括分脈沖啟動(dòng)和電平啟動(dòng)，ADC0809是通過脈沖啟動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，需要為A/D轉(zhuǎn)換器添加一個(gè)正脈沖，這個(gè)正脈沖需要添加到A/D轉(zhuǎn)換器的引腳上，在轉(zhuǎn)換進(jìn)行的過程中，輸出端信號(hào)就會(huì)自動(dòng)的降低。當(dāng)轉(zhuǎn)換完成時(shí)，輸出端信號(hào)就會(huì)升高，然后發(fā)送信息到主機(jī)，主機(jī)就會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)換完成的數(shù)字量進(jìn)行分析，這個(gè)數(shù)字量信號(hào)能夠當(dāng)作A/D轉(zhuǎn)換器的一個(gè)狀態(tài)信號(hào)，方便后期的信號(hào)查詢，也能夠當(dāng)作一種中斷請(qǐng)求信號(hào)，電路圖如圖4所示。

圖4 信號(hào)采集電路

3 電磁離合器異步電動(dòng)機(jī)

3.1 電機(jī)概念介紹

電磁離合器電機(jī)稱為電磁調(diào)速異步電動(dòng)或滑差電機(jī)，使電機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩交流的變速電動(dòng)機(jī)。電磁離合器能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的主動(dòng)軸和從動(dòng)軸的快速結(jié)合、快速分離以及停止等操作，這些設(shè)備可能正在高速的運(yùn)動(dòng)中或者在高負(fù)載下，電磁離合器是一種非常高效的自動(dòng)電磁元件，在當(dāng)前各種系統(tǒng)或設(shè)備中應(yīng)用非常廣泛。對(duì)于動(dòng)作特別快的離合器，能夠應(yīng)用在一些高精確的工作中。電磁離合器的整個(gè)運(yùn)行過程包括啟動(dòng)、力矩上升和離合器斷開三部分。它的速度調(diào)節(jié)范圍非常廣泛，同時(shí)在調(diào)節(jié)過程中速度轉(zhuǎn)化也非常的平滑穩(wěn)定，在啟動(dòng)的過程中離合器的轉(zhuǎn)矩非常的大，但所需求的功率卻非常小。通過這些優(yōu)點(diǎn)能夠看出，電磁離合器是節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)中必不可少的效益電磁元件。

電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)有很大的優(yōu)勢(shì)，但也存在缺點(diǎn)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)在空載或輕載的狀態(tài)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生反饋不明顯的現(xiàn)象，從而造成失控；調(diào)整的過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)速逐步的變低時(shí)，離合器在整個(gè)過程中功率以及效率的輸出也會(huì)相應(yīng)的降低。根據(jù)以上分析，電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)一般實(shí)用于較長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)或者短期低速運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)中。電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)在使用的過程中，當(dāng)該電動(dòng)機(jī)為主驅(qū)動(dòng)，搭配一臺(tái)三相異步電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)低速動(dòng)作，這樣能夠更加高效的動(dòng)作。

3.2 電磁離合器電機(jī)結(jié)構(gòu)及原理

電磁離合器電機(jī)主要包括異步電動(dòng)機(jī)、電磁滑差離合器和電氣控制裝置三部分。該電機(jī)的原動(dòng)機(jī)為異步電動(dòng)機(jī)，異步電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后能夠帶動(dòng)離合器一起旋轉(zhuǎn)，電氣控制裝置是提供滑差離合器勵(lì)磁線圈勵(lì)磁電流的裝置。在整個(gè)動(dòng)作過程中的核心部分為電磁滑差離合器，主要由電樞、磁極和勵(lì)磁線圈組成。電樞是一種圓筒狀的鋼制部件，電樞和異步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸通過轉(zhuǎn)帶結(jié)合在一起，它們構(gòu)成了整個(gè)電機(jī)的主動(dòng)部分；磁極是一種爪狀的鋼制部件，它一般安裝的位置是負(fù)載軸，構(gòu)成了整個(gè)電機(jī)的從動(dòng)部分。在電機(jī)中，主動(dòng)和從動(dòng)兩部分在整個(gè)動(dòng)作過程中沒有直接關(guān)聯(lián)。在動(dòng)作過程中，勵(lì)磁線圈通過電流時(shí)產(chǎn)生磁場(chǎng)，爪狀結(jié)構(gòu)在整個(gè)磁場(chǎng)中能夠產(chǎn)生許多的磁極。這個(gè)時(shí)候如果電樞被異步電動(dòng)機(jī)帶著旋轉(zhuǎn)，就會(huì)對(duì)磁場(chǎng)進(jìn)行切割，產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，從動(dòng)的磁極就會(huì)和主動(dòng)的電柜同時(shí)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從動(dòng)的速度比主動(dòng)的速度要低，原因在于只有電樞和磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)軌跡是相對(duì)的時(shí)，電樞才會(huì)對(duì)磁力線進(jìn)行切割。

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)在對(duì)當(dāng)前自動(dòng)控制技術(shù)、國(guó)內(nèi)外的實(shí)際情況以及節(jié)水灌溉的實(shí)際需求進(jìn)行研究，在完成對(duì)土壤溫度進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)一個(gè)節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)。

[1]基于STC89C51單片機(jī)的智能微噴灌控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]．閆瑞濤．黑龍江科技信息,2013(34) ．

[2]基于單片機(jī)的蔬菜大棚自動(dòng)灌溉系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)[J]．鞠永勝．農(nóng)機(jī)化研究．2012(10) ．

[3]基于單片機(jī)自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]．甘龍輝．無線互聯(lián)科技．2012(08) ．

[4]基于單片機(jī)控制的自動(dòng)澆灌器設(shè)計(jì)[J]．陳浩．綿陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào)．2012(11) ．

[5]基于單片機(jī)的水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．黃慶南,蘇珊．安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)．2011(23) ．

[6]基于單片機(jī)控制的定量灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]．寧玉偉．河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)．2010(03) ．

[7]自動(dòng)控制溫室滴灌系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J]．汪金營(yíng)．節(jié)水灌溉．2010(07) ．

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