基于單片機的溫室灌溉控制系統(tǒng)設(shè)計

摘 要：本文通過闡述在單片機溫室灌溉控制系統(tǒng)所設(shè)計方案的基礎(chǔ)之上，從系統(tǒng)測控電路的硬件設(shè)計以及軟件方面設(shè)計進行詳細的探討，希冀可以提供一定的參考價值。

關(guān)鍵詞：瘟室灌溉；自動控制；單片機

中圖分類號：S625.3 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）15-0196-02

引 言

溫室灌溉是伴隨農(nóng)村的經(jīng)濟結(jié)構(gòu)以及種植結(jié)構(gòu)其發(fā)生調(diào)整而成長起來的一類新型的設(shè)施農(nóng)業(yè)。與田間生產(chǎn)相比，它具有面積小與種植較為靈活以及容易對作物生長的環(huán)境進行控制等多個優(yōu)點。為了使華北地區(qū)的冬季新鮮果蔬的生產(chǎn)以及供應得到緩解，啟動了設(shè)施農(nóng)業(yè)大規(guī)模的發(fā)展以及推廣。但問題是大多數(shù)溫室設(shè)施相對簡單。溫室灌溉依靠人工經(jīng)驗，傳統(tǒng)的灌溉方式被用來造成嚴重的水浪費。與此同時，溫室作物的生產(chǎn)和質(zhì)量也受到很大限制。因此，設(shè)計出一類以單片機來作為基礎(chǔ)的高效智能灌溉的控制系統(tǒng)。其依照土壤所含水量測定，根據(jù)作物的生長周期來及時地實行灌溉作業(yè)。該系統(tǒng)降低了人工成本，節(jié)約了資源，將溫室農(nóng)業(yè)其自動化的程度提升起來。

1 系統(tǒng)總體的設(shè)計方案

溫室灌溉伴隨著當前農(nóng)村的經(jīng)濟結(jié)構(gòu)以及種植的結(jié)構(gòu)其調(diào)整進而發(fā)展壯大起來的一類新型的設(shè)施農(nóng)業(yè)。與田間生產(chǎn)相比，它具有面積小與種植非常靈活以及容易對作物的生長環(huán)境進行控制等多個優(yōu)點。為緩解華北地區(qū)新鮮果蔬的生產(chǎn)和供應，開展了大規(guī)模的設(shè)施農(nóng)業(yè)推廣與開發(fā)。但問題是大多數(shù)溫室設(shè)施相對簡單。溫室灌溉依靠人工經(jīng)驗，傳統(tǒng)的灌溉方式被用來制造嚴重的水資源浪費。與此同時，溫室作物的生產(chǎn)和質(zhì)量也受到嚴重限制。設(shè)計出一類以單片機來作為基礎(chǔ)的高效智能灌溉的控制系統(tǒng)。其依照土壤所含水量測定，根據(jù)作物的生長周期來及時地對其進行灌溉作業(yè)。該系統(tǒng)降低了人工成本，節(jié)約了資源，使得溫室農(nóng)業(yè)自動化的程度得到提升。

所有作物其成長以及繁殖皆需要一種特定的自然環(huán)境，其作物品種對于環(huán)境條件的需要是不一樣的，有的植物在生長時要求有比較高的溫度，而有的植物再生長時要求比較低的溫度。溫室環(huán)境綜合治理是對溫度與濕度以及光照等多種環(huán)境因子的綜合控制，為了不一樣的作物其生長繁殖供給出適宜合理的環(huán)境，使作物和環(huán)境得到更好的統(tǒng)一。利用溫室環(huán)境控制可以為作物生長創(chuàng)造適宜的條件，如光照與溫度以及濕度還有水分和肥料等。它能夠定制出一系列多種多樣的管理決策以及控制方案，對常變化的市場環(huán)境以及成熟的市場時間進行適應，達到高投入與高產(chǎn)量以及高質(zhì)量的目的。然而，對溫室內(nèi)作物的生存環(huán)境所進行的控制一般要比普通工業(yè)環(huán)境當做所做的控制要復雜許多。其受到外部的環(huán)境影響非常的明顯。受到控制對象其不確定的性質(zhì)以及作物的形狀和大小在不斷的發(fā)生變化，生產(chǎn)者管理經(jīng)驗和惡劣的工作環(huán)境將對直接感知的作物生長生理的狀態(tài)其信息檢測的傳感器造成影響。傳統(tǒng)的控制方法用于處理溫室的多輸入多輸出非線性控制過程，有時難以獲得較為理想的結(jié)果。這些就需要我們要對系統(tǒng)其控制的結(jié)構(gòu)以及控制的原理來實行改進。早期溫室環(huán)境控制主要由開關(guān)量（開/關(guān)）控制，工業(yè)逐漸采用?，F(xiàn)場應用的反饋控制，如PID控制，運用這類較為常規(guī)的控制辦法來對溫室內(nèi)部多輸入與多輸出以及空時變化還有非線性強生物的過程中所控制的問題進行處理。這樣做難以得到更加滿意的結(jié)果。所以，從事研究的工作人員把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法以及模糊推理的控制辦法運用到對溫室環(huán)境控制當中，從而使得溫室環(huán)境其自動化以及智能化的水平得到提升。

該溫室灌溉作為伴隨農(nóng)村的經(jīng)濟結(jié)構(gòu)以及種植的結(jié)構(gòu)其調(diào)整進而得到發(fā)展的一類新型的設(shè)施農(nóng)業(yè)。與田間生產(chǎn)相比，它具有面積小與種植靈活以及容易對作物生長的環(huán)境進行控制等多種優(yōu)點。為了減輕華北地區(qū)新鮮果蔬的生產(chǎn)和供應，開展了大規(guī)模的農(nóng)業(yè)推廣和開發(fā)。但問題是大多數(shù)溫室設(shè)施相對簡單。溫室灌溉依靠人工經(jīng)驗，傳統(tǒng)的灌溉方式被用來制造嚴重的水資源浪費。與此同時，溫室作物的生產(chǎn)和質(zhì)量受到嚴重限制。因此，設(shè)計出一類以單片機來作為基礎(chǔ)高效智能的灌溉控制體系。依照土壤其含水量方面的測定，根據(jù)作物的生長周期來及時地對其進行灌溉作業(yè)。該系統(tǒng)降低了人工成本，節(jié)約了資源，使得溫室農(nóng)業(yè)自動化的程度得到提升。

2 系統(tǒng)測控的電路設(shè)計

2.1 單片機

單片機作為在全部控制系統(tǒng)當中核心的部分。負責實時采集溫室當中土壤水分數(shù)據(jù)將灌溉控制的信號得到實行，把信息給上傳至上位機并對其進實行相關(guān)的存儲以及記錄，并把狀態(tài)的信息傳送至人機交互的模塊來對其實行顯示操作。在然后對系統(tǒng)其預期的功能以及其設(shè)備性價比來進行相關(guān)的分析，ATMEL公司的AT89S51單片機作為系統(tǒng)的核心控制芯片。這是一個帶有4KB在線可編程Flash存儲器的低功耗單片機。

2.2 電源電路

在系統(tǒng)中，單片機控制器的電源部分由SV供電，濕度的傳感器以及繼電器等多個設(shè)備需要12V的電源來對其進行供電。為此，以設(shè)計為主導的變壓器轉(zhuǎn)換成12V的交流是設(shè)計，整流后處理，使用7812和780523端穩(wěn)壓輸出標準和電壓12V直流為下位機和相關(guān)器提供穩(wěn)定的直流電源。

2.3 濕度傳感的電路

濕度的傳感器是運用到線性電壓的輸出式所集成的濕度傳感器HM1500，它是HUMIREL公司的典型產(chǎn)品，以HS1101來作為基礎(chǔ)的電壓輸出的濕度模塊，其還有著非常高的可靠性以及長時間的穩(wěn)定性能，在5VDC進行供電的時候，0～100%RH對應輸出1～4VDC線性電壓，其溫度所發(fā)生的改變對于其輸出的電壓造成的影響非常小。HM1500運用到防護棒式的封裝，其有3引腳，包含電源正極與地以及輸出。

AD轉(zhuǎn)換電路采用8位模擬輸入8位數(shù)字輸出，將模擬的信號至數(shù)字的信號之間的轉(zhuǎn)換實現(xiàn)了。根據(jù)ADC0809的地址引腳A，B和C，P2口地址的編碼是不同的，與濕度所模擬出的電壓信號其轉(zhuǎn)換變成分布于8個不一樣位置的濕度傳感器來實行。當模擬的信號在完成轉(zhuǎn)換之后，ADC0809發(fā)出EOC信號，使外部微控制器發(fā)生中斷的情況和中斷的程序能夠在P0口中獲得在轉(zhuǎn)換之后的信息數(shù)據(jù)。利用該中斷所讀取出的數(shù)據(jù)其優(yōu)點是能夠極大地將進行隨機事件處理的效率提升起來，并將系統(tǒng)性能得到提高。

2.4 人機交互電路

人機交互的模塊涵蓋著報警的電路以及顯示的電路。該顯示的電路常用在對所檢測到濕度進行顯示、水的水質(zhì)和系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并用該報警的電路釋放出報警的聲音，這樣使得操作人員在對異常的事件進行處理時非常的方便。

顯示電路采用2位8段共陽極數(shù)碼管，動態(tài)掃描顯示方式，由P1口輸出字型碼，由P3.6，P3.7輸出的高低電平驅(qū)動開關(guān)管，使開關(guān)管處于導通或截止狀態(tài)來實現(xiàn)2位數(shù)碼管輪流動態(tài)顯示。

為了提醒操作人員及時處理一些異常情況，設(shè)計了一套完善的報警電路。報警電路由P3驅(qū)動。5端口開關(guān)管以一定的頻率，使蜂鳴器發(fā)出報警信號。當控制驅(qū)動電路測量土壤濕度低于作物生長周期濕度時，單片機控制驅(qū)動模塊信號，三極管傳導，關(guān)閉繼電器，電磁閥開啟，水灌溉任務(wù)自動完成。當濕度達到濕度極限時，單片機關(guān)閉電磁閥和灌溉站。系統(tǒng)驅(qū)動模塊主要由放大驅(qū)動電路和電磁繼電器組成。由于IO電流不足以驅(qū)動繼電器，系統(tǒng)使用開關(guān)三極管驅(qū)動模式來實現(xiàn)足夠的驅(qū)動電流。

3 軟件設(shè)計

由于本設(shè)計采用A/D掃描轉(zhuǎn)換，LED是動態(tài)顯示，因此主程序主要執(zhí)行該程序。

主程序包括傳感器信號采集、數(shù)據(jù)處理和顯示管理。采集的傳感器數(shù)據(jù)存儲在RAM中，然后調(diào)用相應的數(shù)據(jù)處理程序。處理結(jié)果表明，管理程序完成了顯示格式轉(zhuǎn)換，完成了屏幕刷新。當采集時間被規(guī)定時，下一輪的數(shù)據(jù)采集和處理開始，主程序周期性地運行。

在整個程序運行過程中，看門狗程序在后臺連續(xù)運行?？撮T狗用于監(jiān)視系統(tǒng)的工作。一旦程序運行，系統(tǒng)就會癱瘓。此時，系統(tǒng)工作狀態(tài)指示燈閃爍。“看門狗”將及時取代手動復位，恢復系統(tǒng)正常運行，保證系統(tǒng)可靠工作。該系統(tǒng)正常的運行其不但需要具有合理有效電路的設(shè)計來當做基礎(chǔ)，還需用相關(guān)支持的軟件來當做支撐，二者之間有效的結(jié)合才可以將系統(tǒng)其最佳的效能發(fā)揮出來。為了使得系統(tǒng)其可讀性以及可移植性得到提高，軟件部分用C語言編寫，由其主程序以及子程序的奴隸多能夠調(diào)換使用。該下位機的控制程序作為全部程序最為核心的部分，其體現(xiàn)出了系統(tǒng)工作的步驟。其最為主要的功能就是將人們所測出來的濕度值來進行讀取，然后將其和閾值來進行相應的比較，然后再依照內(nèi)部的控制算法來對該控制的設(shè)備實行開閉工作。在線狀態(tài)下，上位機根據(jù)上位機的要求進行檢測，上位機可直接執(zhí)行控制設(shè)備。

4 總 結(jié)

本設(shè)計將單片機控制技術(shù)應用于溫室灌溉過程中。闡明了硬件電路的工作原理和設(shè)計過程。由硬件電路和主控程序構(gòu)成的灌溉系統(tǒng)可替代人工土壤水分狀況，根據(jù)作物生長條件和周期適時適時灌溉。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。它的應用和推廣將有效地提高溫室農(nóng)業(yè)的自動化水平，降低人工成本，節(jié)約資源。該系統(tǒng)采用傳感器技術(shù)、自動檢測技術(shù)和微機控制技術(shù)，開發(fā)了一套簡便、實用的溫室環(huán)境因子監(jiān)測自動控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計合理，硬件設(shè)計更加完善合理，抗干擾性能強，單片機軟件采用模塊化程序設(shè)計方法，各模塊相互獨立，提高了系統(tǒng)的可靠性和可擴展性，整個系統(tǒng)具有較高的性能和價格比。

參考文獻

[1]向海健，徐榮青.智能溫室中的溫濕度巡檢系統(tǒng)[J].傳感檢測技術(shù)，2007（4）：6～7.

[2]張旭濤，曾現(xiàn)峰，王愛軍.單片機原理與應用[M].北京：北京理工大學出版社，2007：26.

[3]張洪潤，劉秀英，張亞凡.單片機應用設(shè)計200例[M].北京：北京航航天大學出版社，2006：46.

[4]張紅菊，陳修斌.北方溫室蔬菜優(yōu)質(zhì)化生產(chǎn)需要解決的幾個關(guān)鍵問題[J].河西學院學報，2008，24（5）：61～63.

[5]于振良，劉淑艷，騰 云.設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉技術(shù)現(xiàn)狀與進展[J].吉林蔬菜，2008（6）：90～92.

[6]王幸之，鐘愛琴，王 雷，等.AT89系列單片機原理與接口技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[7]韓廣興.電子元器件與實用電路基礎(chǔ)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

收稿日期：2018-4-21

作者簡介：郭 乾（1985-），男，助理工程師，本科，主要從事電子技術(shù)和電氣自動化技術(shù)教學工作。