一種基于單片機(jī)設(shè)計(jì)的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)

阮程鵬+曾肖楓+洪鑫

摘要：植物生長(zhǎng)需要土壤保持一定的濕度，通過(guò)經(jīng)驗(yàn)對(duì)植物進(jìn)行灌溉不但勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且用水不準(zhǔn)時(shí)也不能精確，這樣就會(huì)浪費(fèi)掉很多水資源。因此需要一種及時(shí)，高精度，使用簡(jiǎn)單，價(jià)格比較便宜，能夠自動(dòng)進(jìn)行濕度檢測(cè)和控制的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)來(lái)取代的傳統(tǒng)人工的灌溉模式。本次設(shè)計(jì)的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)可以精確定量灌溉，也可以手動(dòng)灌溉，效率相對(duì)較高，這樣就可以節(jié)約很多水，節(jié)省很多人力物力。

關(guān)鍵詞：AT89S51單片機(jī)；YL-69土壤濕度傳感器；LCD1602

1設(shè)計(jì)所采用的研究方法

本次設(shè)計(jì)的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)由土壤濕度的檢測(cè)顯示部分和控制水泵進(jìn)行灌溉部分共同構(gòu)成。該系統(tǒng)選用AT89S51單片機(jī)為控制核心，通過(guò)土壤濕度值大小控制抽水泵及時(shí)、適量地對(duì)植物進(jìn)行灌溉。檢測(cè)顯示部分采用YL-69濕度傳感器采集土壤濕度信息，經(jīng)過(guò)ADC0832A/D轉(zhuǎn)換器將濕度信號(hào)進(jìn)行放大轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后送到單片機(jī)程序處理，濕度值大小就會(huì)顯示在LCD1602屏幕上。灌溉部分可利用單片機(jī)內(nèi)部中斷服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)，若采集到的當(dāng)前濕度值小于單片機(jī)設(shè)置的啟動(dòng)值，單片機(jī)發(fā)出抽水命令經(jīng)放大驅(qū)動(dòng)裝置控制繼電器閉合，水泵打開(kāi)進(jìn)行灌溉澆水，以緩解土壤干旱情況。當(dāng)濕度值大于啟動(dòng)值時(shí)繼電器斷開(kāi)，水泵停止工作，單片機(jī)進(jìn)行下一次循環(huán)檢測(cè)。

2基于單片機(jī)控制的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的濕度檢測(cè)電路利用濕度傳感器對(duì)土壤濕度進(jìn)行檢測(cè)。濕度傳感器檢測(cè)到的濕度信號(hào)送到A/D轉(zhuǎn)換器，處理之后濕度信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。通過(guò)該形式可以檢測(cè)土壤濕度值的變化情況，也可以根據(jù)不同作物對(duì)水的需求量的差異，設(shè)置合適的土壤濕度范圍。系統(tǒng)流程圖如圖2.1所示。

3硬件電路設(shè)計(jì)

灌溉系統(tǒng)包含硬件設(shè)計(jì)與軟件設(shè)計(jì)兩部分，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，采用AT89S51單片機(jī)，振蕩電路，復(fù)位電路，按鍵等構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)，通過(guò)LCD1602液晶顯示屏顯示，從而構(gòu)成符合使用要求的單片機(jī)自動(dòng)灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備響應(yīng)速度快，灌溉效率高，體積小，制作成本低等優(yōu)點(diǎn)。

3.1單片機(jī)基本組成

AT89S51是一個(gè)低功率，高性能CMOS 8位單片機(jī)，具有如下特點(diǎn)，4kFlash片內(nèi)存儲(chǔ)器，128k的片外存儲(chǔ)器，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個(gè)中斷源，1個(gè)UART，2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，工作頻率為32MHz。

3.2濕度傳感器

濕度傳感器是一種輸出裝置，工作時(shí)作用于土壤濕度這個(gè)物理量并且產(chǎn)生輸出信號(hào)。該自動(dòng)灌溉系統(tǒng)采用型號(hào)為YL-69的土壤濕度傳感器，傳感器本身就是一個(gè)可變電阻，其電阻值隨著濕度值的增大而變小，其變化大小范圍為0—10K歐。當(dāng)電阻變化時(shí)將導(dǎo)致電路的電壓也會(huì)發(fā)生變化，使得電路中的電壓值發(fā)生變化，滿(mǎn)足電路設(shè)計(jì)要求。

3.3 ADC0832A/D轉(zhuǎn)換器

ADC0832轉(zhuǎn)換器是一種體積小，反應(yīng)速度快，兼容性好，工作電壓在0-5V間的具有8位分辨率，雙通道A/D轉(zhuǎn)換的半導(dǎo)體芯片。它能把采集到的濕度信息轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。由于A/D轉(zhuǎn)換芯片的反應(yīng)速度快，并且據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出作為數(shù)據(jù)檢驗(yàn)，對(duì)縮小土壤濕度值的數(shù)據(jù)誤差有顯著作用。另外A/D轉(zhuǎn)換器的使能輸入，使得A/D轉(zhuǎn)換器和其他器件的連接和單片機(jī)的控制更加簡(jiǎn)單、穩(wěn)定。

3.4 LCD1602顯示屏

LCD1602是一種工作電流小、功耗低液晶顯示器件。為了實(shí)現(xiàn)在屏幕上顯示土壤濕度值，需要把AT89S51單片機(jī)的I/O接口連接到LCD1602顯示模塊的8位數(shù)據(jù)輸入口，再把單片機(jī)的p2.0、p2.1、p2.2分別與液晶模塊的寄存器選擇端、讀/寫(xiě)信號(hào)端、使能端連接。

3.5振蕩電路

每一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)都必須有振蕩電路，振蕩電路的作用是結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)工作所必須的時(shí)鐘信號(hào)。在AT89S51內(nèi)部自帶一個(gè)放大器，單片機(jī)的XTAL1、XTAL2引腳分別做為該放大器的輸入端和輸出端。另外，輸入端和輸出端的引腳分別與晶振和電容連接，此外和放大器一起構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)工作所需的自激振蕩器。為了保障振蕩器穩(wěn)定工作，除了選擇性能穩(wěn)定的電容外，需要把晶振、電容和芯片近距離安裝。

3.6鍵盤(pán)設(shè)計(jì)

該灌溉系統(tǒng)設(shè)置四個(gè)S0、S1、S2、S3按鍵，其功能依次為復(fù)位鍵、設(shè)置/保存、加/模式切換、減/手動(dòng)模式，初始化上電后系統(tǒng)默認(rèn)以自動(dòng)模式工作。上電后如果傳感器檢測(cè)到土壤濕度值小于設(shè)置的濕度最小值，水泵抽水，當(dāng)前土壤濕度值在LCD上顯示。當(dāng)土壤濕度值超過(guò)設(shè)置的最大值時(shí)，水泵停止抽水。按鍵設(shè)定功能具體如下：S2鍵和s3鍵組合使用可以控制水泵工作，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)澆花模式；按下S1設(shè)置鍵，上下濕度值大小設(shè)置界面；按S2鍵，對(duì)應(yīng)的濕度值加；按S3鍵，對(duì)應(yīng)的濕度值減，通過(guò)光標(biāo)所在位置判斷對(duì)上濕度值還是下濕度極進(jìn)行加減。最后在完成濕度范圍設(shè)置后，按S1鍵保存，并且返回到正常模式。

3.7復(fù)位電路

當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)接通電源工作時(shí)，突然發(fā)生故障，這時(shí)候就需要有一個(gè)操作對(duì)單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位。當(dāng)單片機(jī)的RES/VPD和RST引腳持續(xù)2個(gè)周期及以上的高電平，就會(huì)觸發(fā)復(fù)位。復(fù)位的功能是讓單片機(jī)和其他功能部件處于初始化工作狀態(tài)。復(fù)位方式有上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種，該系統(tǒng)選用按鍵復(fù)位方式。

4系統(tǒng)控制流程

自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的軟件編寫(xiě)應(yīng)采用C語(yǔ)音進(jìn)行結(jié)構(gòu)化以及模塊化的方法編寫(xiě)，然后燒寫(xiě)到單片機(jī)里面。傳感器對(duì)濕度進(jìn)行采樣之后，為了使檢測(cè)的濕度值更加精確，可以用補(bǔ)償算法對(duì)獲得的濕度值進(jìn)行處理，最后送到LCD顯示屏顯示。

5總結(jié)

自動(dòng)灌溉系統(tǒng)通過(guò)AT89S51單片機(jī)對(duì)土壤濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行的采集、處理、顯示和控制等功能。其適用性強(qiáng)，可以對(duì)土壤進(jìn)行手動(dòng)，自動(dòng)、定時(shí)定量的灌溉，并且自動(dòng)系統(tǒng)成本比較低，過(guò)程簡(jiǎn)單，擴(kuò)展性好。

參考文獻(xiàn)：

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[2]王芳琴.單片機(jī)控制的節(jié)水灌溉系統(tǒng)的研究[J].華中農(nóng)業(yè)大學(xué).

第一作者簡(jiǎn)介：阮程鵬（1996.02.27）；性別：男，籍貫：福建莆田人，學(xué)歷：本科，在讀與：福建農(nóng)林大學(xué)；

第二作者姓名：曾肖楓（1998.12.03）；性別：女，籍貫：福建莆田人，學(xué)歷：本科，在讀與：福建農(nóng)林大學(xué)；

第三作者姓名：洪鑫（1998.05.19）；性別：男，籍貫：廣東揭陽(yáng)人，學(xué)歷：本科，在讀于：福建農(nóng)林大學(xué)；endprint