基于單片機(jī)的蔬菜大棚自動(dòng)噴灌控制器的設(shè)計(jì)

晁陽(yáng)

摘要：文章針對(duì)我國(guó)西北地區(qū)傳統(tǒng)溫室蔬菜大棚自動(dòng)化程度低和水資源浪費(fèi)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的自動(dòng)噴灌控制器。該系統(tǒng)具有閥值設(shè)置、實(shí)時(shí)檢測(cè)、超限報(bào)警、智能調(diào)節(jié)等功能。通過(guò)應(yīng)用實(shí)例，該系統(tǒng)維護(hù)成本低廉，使用效果良好，操作簡(jiǎn)單，能滿足中小蔬菜大棚種植戶對(duì)節(jié)水灌溉的日常需求，能提高生產(chǎn)效率，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；傳感器；蔬菜大棚；節(jié)水灌溉；

中圖分類號(hào)：TP273文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：This paper aimed at the problem of the low automation and the waste of water resources in traditional vegetable greenhouse in Northwest China，an automatic irrigation controller based on single chip computer is designed.The system has threshold setting，realtime detection，alarm and intelligent adjustment function.and with low cost，good effect and simple operation，can meet the daily needs of greenhouse vegetable growers of watersaving irrigation，and improve the production efficiency，it also has certain economic benefits.

Key words：singlechip microcomputer；sensor；greenhouse；watersaving irrigation

1前言

我國(guó)西北干旱半干旱地區(qū)，地下水資源相對(duì)缺乏，加之受到氣候影響，降雨分布不均，導(dǎo)致部分地區(qū)季節(jié)性缺水問(wèn)題突出。2011年中央1號(hào)文件《關(guān)于加快水利改革發(fā)展的決定》提出，農(nóng)田水利設(shè)施建設(shè)的滯后影響了我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的穩(wěn)定發(fā)展，未來(lái)將投資四萬(wàn)億用于農(nóng)田水利設(shè)施建設(shè)、加快節(jié)水灌溉技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的推廣和應(yīng)用[1]。

當(dāng)前，隨著我國(guó)制造業(yè)、信息技術(shù)和機(jī)電裝備生產(chǎn)制造水平不斷提高和溫室大棚種植技術(shù)的不斷普及，自動(dòng)和智能節(jié)水灌溉設(shè)備在蔬菜種植大棚的應(yīng)用日益廣泛，經(jīng)過(guò)多年的研發(fā)和推廣，大量功能強(qiáng)大的灌溉的自動(dòng)化控制系統(tǒng)已投入使用，然而這些系統(tǒng)普遍造價(jià)高昂、功能復(fù)雜、操作難度大、維護(hù)成本較高，使多數(shù)中小農(nóng)戶望而卻步[2]。因此，設(shè)計(jì)一款價(jià)格低廉、功能夠用、維護(hù)簡(jiǎn)單的蔬菜大棚自動(dòng)噴灌控制器，可以滿足大多數(shù)從事大棚蔬菜種植的中小農(nóng)戶的需求，具有廣闊的推廣意義和社會(huì)效益。

2系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

21設(shè)計(jì)目標(biāo)

系統(tǒng)能自動(dòng)實(shí)時(shí)檢測(cè)土壤濕度，根據(jù)不同作物對(duì)土壤濕度的需要通過(guò)鍵盤設(shè)定閥值，當(dāng)土壤水分超過(guò)設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)開(kāi)啟潛水泵對(duì)作物進(jìn)行噴灌，直到土壤濕度滿足作物需要的最大值時(shí)關(guān)閉水泵；噴灌過(guò)程中指示燈點(diǎn)亮，噴灌結(jié)束后指示燈熄滅，以便工作人員能及時(shí)獲得水泵的工作狀態(tài)[3]。系統(tǒng)有自動(dòng)、手動(dòng)、停止三種工作狀態(tài)，使用三位的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)SA完成各種狀態(tài)的切換，“停止”工作狀態(tài)用于系統(tǒng)不工作的時(shí)候，“手動(dòng)”工作狀態(tài)用于設(shè)備的調(diào)試、檢修過(guò)程中，也可用于工作人員根據(jù)特殊需要臨時(shí)開(kāi)啟系統(tǒng)，“自動(dòng)”工作狀態(tài)用于系統(tǒng)日常運(yùn)行和作物正常生長(zhǎng)過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)蔬菜大棚噴灌的自動(dòng)運(yùn)行和無(wú)人值守[4]。

22控制原理

系統(tǒng)的核心控制器為STC89C52型單片機(jī)，檢測(cè)模塊為土壤濕度傳感器，執(zhí)行器為揚(yáng)程為2米的微型潛水泵（或離心泵）。系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)各模塊通電，同時(shí)綠色指示燈點(diǎn)亮，提示工作人員系統(tǒng)處于等待狀態(tài)，之后檢測(cè)部分能自動(dòng)檢測(cè)到土壤濕度的數(shù)據(jù)信息，實(shí)時(shí)傳送給控制器，工作人員通過(guò)鍵盤提前設(shè)定土壤濕度的上下限閥值，單片機(jī)將其與設(shè)定值不斷進(jìn)行比對(duì)，當(dāng)土壤濕度過(guò)低，即土壤較缺水時(shí)，單片機(jī)發(fā)出指令，驅(qū)動(dòng)潛水泵（或離心泵）工作，同時(shí)紅色指示燈點(diǎn)亮，提醒工作人員目前系統(tǒng)正處于工作當(dāng)中；當(dāng)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的澆灌，土壤濕度達(dá)到作物需求的濕度最大值時(shí)，單片機(jī)發(fā)出指令，停止?jié)撍茫ɑ螂x心泵）工作，同時(shí)紅色指示燈熄滅，綠色指示燈重新點(diǎn)亮，系統(tǒng)重新回到等待狀態(tài)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

31控制器

宏晶公司生產(chǎn)的STC89C52型單片機(jī)具有高性能、低功耗、運(yùn)行速度快的特點(diǎn)，并且能與51單片機(jī)完全兼容，該型號(hào)的單片機(jī)具有8位CPU為系統(tǒng)提供運(yùn)算和控制功能，4個(gè)并行I/O端口均可以做輸入/輸出端口[5]。RAM隨機(jī)存儲(chǔ)器有256字節(jié)容量，最大可擴(kuò)展到64KB，用于存儲(chǔ)運(yùn)算中間結(jié)果和暫存數(shù)據(jù)；ROM用戶存儲(chǔ)器有8KB容量，最大可擴(kuò)展到64KB，用于程序存儲(chǔ)；片內(nèi)RAM區(qū)域中設(shè)置了通用寄存器，用于暫存數(shù)據(jù)[6]。還具有T/C0、T/C1、T/C2、串口中斷、INT0、INT1等6個(gè)中斷源，T/C0、T/C1、T/C2、串口中斷等4個(gè)內(nèi)部中斷源，T/C0、T/C1、T/C2等三個(gè)定時(shí)計(jì)數(shù)器[7]。該型號(hào)單片機(jī)功能強(qiáng)大，完全可以滿足系統(tǒng)控制功能的需要。

32傳感器

系統(tǒng)采用一款小型的具有DO輸出的傳感器。為了提高導(dǎo)電的性能，器件表面采用鍍鎳處理并加寬，這樣的工藝不僅能防止器件因過(guò)渡接觸土壤而生銹，還有效的延長(zhǎng)了器件的使用壽命。感測(cè)部分可以在較寬范圍檢測(cè)土壤的濕度，將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過(guò)電位器調(diào)節(jié)控制相應(yīng)閥值（即多么濕才算濕，也就是常說(shuō)的靈敏度），濕度低于設(shè)定值時(shí)，DO輸出高電平，高于設(shè)定值時(shí)，DO輸出低電平，單片機(jī)的p2.3端口如果檢測(cè)到高電平[8]，就說(shuō)明濕度低，要補(bǔ)水，如果檢測(cè)到低電平，就說(shuō)明濕度高，不需要補(bǔ)水。本系統(tǒng)對(duì)土壤濕度采用開(kāi)關(guān)量控制，使用時(shí)直接與單片機(jī)I/O口連接，通過(guò)單片機(jī)來(lái)檢測(cè)高低電平，由此來(lái)檢測(cè)土壤濕度；實(shí)物如圖2所示，與單片機(jī)接口電路如圖3所示。endprint

33執(zhí)行設(shè)備及電源模塊

考慮到節(jié)水灌溉的特性和溫室蔬菜種植大棚的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，系統(tǒng)采用FL6208型可調(diào)銅噴頭微型噴灌交流泵作為噴灌執(zhí)行設(shè)備，其性能特點(diǎn)如表1所示。需要注意的是出水口和進(jìn)水口相互區(qū)別，水泵上有箭頭的方向是出水口，水管不能反接，否則將會(huì)燒壞水泵[9]。

34電源模塊

系統(tǒng)的控制部分為單片機(jī)、傳感器等，工作電壓多為5 V，因此系統(tǒng)電源模塊采用自制電源為各模塊供電，其實(shí)現(xiàn)方法為將220 V交流電經(jīng)過(guò)變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后變成5 V直流電，為控制器、傳感器、及弱電部分提供電源。電源電路設(shè)計(jì)圖如圖4所示。

35驅(qū)動(dòng)電路

系統(tǒng)中執(zhí)行設(shè)備和指示燈的工作電壓為220 V交流電，控制器工作電壓為5 V，因此需要將執(zhí)行設(shè)備與控制器進(jìn)行電氣隔離以保證系統(tǒng)正常工作[10]。G3MB2O2P型固態(tài)繼電器具有安全性高、電路通斷時(shí)無(wú)燃弧，輸入端與輸出端之間絕緣電阻高的特性，是進(jìn)行強(qiáng)弱電隔離較為理想的設(shè)備。

36管路配置

陜西渭北旱塬地區(qū)由于地形、光照、土壤性質(zhì)等因素，溫室蔬菜種植大棚多坐北朝南建造，采用土墻或磚墻搭配鋼結(jié)構(gòu)的方式，因此合理設(shè)計(jì)管路裝配系統(tǒng)有助于發(fā)揮最大的節(jié)水灌溉作用[11]，大棚結(jié)構(gòu)及管路配置示意圖如圖5所示。根據(jù)蔬菜種植大棚寬度，布置若干沿其長(zhǎng)度方向的支路管道，閥門1為干路總閥門，手動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉，用于管網(wǎng)某一段時(shí)間沒(méi)有灌溉任務(wù)或整條管網(wǎng)停機(jī)檢修、安裝調(diào)試等情況下開(kāi)啟和關(guān)閉管路；閥門2、5為各支路電磁閥，用于自動(dòng)模式下，受控制系統(tǒng)控制開(kāi)啟或關(guān)閉；閥門3、4、6、7為各支路手動(dòng)閥門，用于更換電磁閥或本支路沒(méi)有灌溉任務(wù)時(shí)關(guān)閉本支路。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)控制要求，系統(tǒng)采用由多個(gè)子程序模塊組合而成的思路。上電后，主程序首先初始化，其次進(jìn)入?yún)?shù)預(yù)設(shè)子程序，使用鍵盤對(duì)所種植作物對(duì)濕度要求進(jìn)行上下限設(shè)置或讀取，再次系統(tǒng)檢測(cè)當(dāng)前土壤濕度，并將其與設(shè)定值進(jìn)行比較并得出結(jié)果，若當(dāng)前土壤濕度低于設(shè)定最低值，則驅(qū)動(dòng)水泵動(dòng)作及打開(kāi)電磁閥，同時(shí)驅(qū)動(dòng)報(bào)警子程序點(diǎn)亮紅色指示燈并熄滅綠色指示燈，直到當(dāng)前值到達(dá)設(shè)定的最高值停止；若沒(méi)有低于設(shè)定最低值，則輸出指令點(diǎn)亮綠色指示燈，并經(jīng)過(guò)延時(shí)后重新測(cè)量當(dāng)前值，如此循環(huán)。程序流程圖如圖6所示。

5應(yīng)用實(shí)例

本控制系統(tǒng)于2015年3月設(shè)計(jì)制作完成并選擇楊凌示范區(qū)大寨鎮(zhèn)某小型溫室蔬菜大棚進(jìn)行測(cè)試和應(yīng)用，該蔬菜大棚長(zhǎng)50 m、寬5.8 m，主要進(jìn)行西紅柿的反季節(jié)種植。根據(jù)作物生長(zhǎng)的需要，以及現(xiàn)有設(shè)備噴灌的覆蓋面積，在大棚中線附近沿長(zhǎng)度方向布設(shè)一根主管道，每隔4 m布設(shè)噴頭一個(gè)，共布設(shè)噴頭12個(gè)。水泵選擇潛水泵布設(shè)在大棚外水箱中，控制箱安裝在控制室內(nèi)，控制器與導(dǎo)線和電磁閥通過(guò)導(dǎo)線相連，樣機(jī)實(shí)物如圖7所示。

為了測(cè)試傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)是否正常，精度是否滿足要求，我們使控制器工作在自動(dòng)模式下，同時(shí)通過(guò)儀器對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境人為干預(yù)使其升溫，并進(jìn)行手工測(cè)量以對(duì)比其與自動(dòng)測(cè)量的誤差誤差，土壤濕度傳感器性能測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示，測(cè)試表明，控制系統(tǒng)對(duì)濕度的檢測(cè)與手動(dòng)檢測(cè)誤差最大為2，最小為-1，誤差較小。

經(jīng)過(guò)一年來(lái)的試驗(yàn)及運(yùn)行，系統(tǒng)可以對(duì)各種作物所需求的土壤濕度進(jìn)行設(shè)置并精準(zhǔn)噴灌，從而保證大棚內(nèi)土壤的濕度符合所種植作物的需求，精確控制作物的生長(zhǎng)，同時(shí)極大的提高了作物的成活率，降低了人工成本，節(jié)約了水資源。另外，本系統(tǒng)成本低廉，操作簡(jiǎn)單，易于維護(hù)和安裝，能夠滿足中小蔬菜大棚種植戶的需求，受到用戶的極大歡迎。

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