基于單片機的溫室自動灌溉系統(tǒng)設(shè)計

肖 麗

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院繼續(xù)教育學(xué)院，河南 鄭州 450002）

隨著科技的進步、人們對農(nóng)業(yè)技術(shù)重視度及人們生活水平的提高，越來越多的反季節(jié)水果蔬菜出現(xiàn)在人們的生活中。大棚的數(shù)量也越來越多，因此，溫室大棚內(nèi)環(huán)境的控制便成為一個非常重要的研究課題［1］。傳統(tǒng)的溫室大棚控制措施存在一些問題，已經(jīng)難以滿足人們的要求，如溫室灌溉技術(shù)落后、智能化程度低和農(nóng)作物生長吸水效率低等。近年來，我國許多學(xué)者開展了溫室自動化控制系統(tǒng)的研究，取得了一些成果。例如，潘榮敏等［2］綜合利用傳感器技術(shù)、MESH自組網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線互聯(lián)網(wǎng)等嵌入式技術(shù)設(shè)計了一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的溫室智能灌溉系統(tǒng)。陳曉燕等［3］基于LabVIEW軟件和Zig Bee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計了一種溫室節(jié)水灌溉系統(tǒng)。劉俊巖等［4］設(shè)計了一套基于ZigBee的溫室自動灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用太陽能供電，具有節(jié)能環(huán)保的特點。梁月云等［5］根據(jù)溫室環(huán)境復(fù)雜且很難建立精確數(shù)學(xué)模型的特點，設(shè)計了基于模糊控制的溫室節(jié)水灌溉系統(tǒng)。部分灌溉管理系統(tǒng)研究成果已經(jīng)在一些規(guī)模化果園和溫室中得以應(yīng)用，但存在傳感器節(jié)點多、線路復(fù)雜、成本高、環(huán)境適應(yīng)能力差等問題，導(dǎo)致自動灌溉的研究成果沒有得到大范圍應(yīng)用。

本文將單片機引入溫室大棚控制系統(tǒng)中，選用AT89C51單片機作為溫室大棚控制系統(tǒng)的核心模塊，外接濕度信號采集模塊、人機交互模塊、控制驅(qū)動模塊及通訊接口模塊，設(shè)計一種溫室自動灌溉系統(tǒng)，并進行了仿真實驗測試。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

根據(jù)溫室的實際情況及系統(tǒng)的技術(shù)要求，采用AT89C51微控器作為控制與數(shù)據(jù)處理的核心，以構(gòu)成溫室自動灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)的總體設(shè)計思路如圖1所示，系統(tǒng)通過信息采集模塊獲取土壤濕度信息，送至中央處理模塊進行處理，由中央處理模塊給出灌溉控制信息，執(zhí)行機構(gòu)繼電器收到此灌溉控制信息后進一步轉(zhuǎn)化為水泵的通斷來實現(xiàn)智能灌溉，以達到準(zhǔn)確、定時、定量、高效地給作物自動補充水分的目的，從而提高農(nóng)作物的產(chǎn)量。

圖1 控制系統(tǒng)總體框圖

該系統(tǒng)采用AT89C51單片機來實現(xiàn)，單片機是整個控制系統(tǒng)的核心［6-7］。單片機可將土壤濕度傳感器檢測到的土壤濕度模擬量通過芯片ADC0832轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并傳輸給控制系統(tǒng)，單片機根據(jù)濕度傳感器監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行運算處理，進而控制繼電器的通斷，繼電器控制水泵的啟停，從而實現(xiàn)智能灌溉。

2 自動灌溉系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

根據(jù)溫室自動灌溉系統(tǒng)的功能需求，其硬件電路分為四大功能模塊：信號采集模塊、人機交互模塊、控制驅(qū)動模塊和通訊接口模塊。各個模塊共同構(gòu)成一個具有適時適量灌溉功能的智能全自動溫室灌溉系統(tǒng)。

2.1 信號采集模塊

濕度信號采集是溫室自動灌溉系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，主要負責(zé)采集大棚的環(huán)境溫度和土壤濕度信息。獲取的信息越精確，越有利于提高智能灌溉系統(tǒng)的功能，同時也是實現(xiàn)智能全自動溫室灌溉的重要前提。本設(shè)計采用土壤濕度傳感器檢測土壤的含水率，并將此信息傳送給單片機，經(jīng)過單片機的運算和處理來進行判斷是否需要灌溉，從而達到智能灌溉的目的。

本系統(tǒng)選用YL-69濕度傳感器，選用LM393作為電壓比較器，ADC0832作為數(shù)模轉(zhuǎn)換器。濕度采集模塊的電路設(shè)計如圖2所示。

模擬信號的輸出通道1直接與芯片ADC0832的CH1端子相連接，通過AD轉(zhuǎn)換模塊得到土壤濕度的數(shù)字量。并傳送給芯片ADC0832進行AD轉(zhuǎn)換進而得出濕度值，然后再送給單片機的P2.1口進行運算處理，實現(xiàn)智能灌溉。

圖2 濕度采集模塊電路設(shè)計

2.2 人機交互模塊設(shè)計

人機交互模塊的設(shè)計主要是便于操作溫室自動灌溉系統(tǒng)，主要由三部分組成，即鍵盤、LCD顯示和報警電路。設(shè)計鍵盤是為了設(shè)置溫室自動灌溉系統(tǒng)的重要參數(shù)，如土壤濕度的閾值、灌溉時間等。設(shè)計LCD顯示可以讓用戶直觀地觀察到當(dāng)前的土壤濕度以及用戶所設(shè)置的土壤濕度閾值，還可以用來顯示灌溉時間和灌溉流量。報警電路用來報警，當(dāng)土壤濕度低于閾值時，報警器會發(fā)出響聲，提醒用戶即將進行灌溉。

液晶顯示器選用1602-LCD型號。顯示器的RS、RW、E管腳連接單片機的P2.7、P2.6、P2.5端口。第2引腳連接一個10 K的電位器，用來調(diào)節(jié)屏幕的對比度。D0～D7引腳連接單片機的P0.0～P0.7口，用來進行數(shù)據(jù)傳輸。單片機與顯示器的數(shù)據(jù)線之間接著上拉電阻，阻值為10 K。這是因為單片機的P0口沒有自帶上拉電阻，需要外接。上拉電阻可以將輸出電平拉高，以拉高輸出信號，提高信號的抗干擾能力。另外，還能起到限流的作用，防止液晶顯示器被燒壞。LCD顯示模塊的電路圖如圖3所示。

圖3 LCD顯示模塊電路設(shè)計

為了安全起見，本系統(tǒng)設(shè)置報警電路，選用聲光報警電路。當(dāng)溫室內(nèi)土壤濕度低于用戶預(yù)設(shè)值的下限時，報警器會發(fā)出響聲同時繼電器通電線圈吸合，開啟水泵進行灌溉。當(dāng)土壤濕度達到預(yù)設(shè)值的上限時，繼電器斷電，關(guān)閉水泵停止灌溉，報警器同樣會發(fā)出響聲。當(dāng)溫室自動灌溉系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時，如果需要灌溉時水泵并沒有處于工作狀態(tài)或者土壤濕度達到要求時仍在灌溉等，報警器將會一直發(fā)出警報，這時需要人工手動關(guān)閉。報警器的作用是用來引起人們的注意，避免事故的發(fā)生。報警電路的蜂鳴器選用的是無源蜂鳴器。

2.3 控制驅(qū)動模塊設(shè)計

水泵是溫室自動灌溉系統(tǒng)的執(zhí)行設(shè)備，通過控制水泵的開關(guān)，實現(xiàn)對溫室大棚內(nèi)水果、蔬菜的自動澆灌。當(dāng)土壤傳感器測量的土壤濕度低于濕度預(yù)設(shè)值的下限時，單片機發(fā)出信號給控制驅(qū)動模塊，使電磁繼電器帶電吸合線圈，進而開啟水泵，實現(xiàn)自動灌溉任務(wù)。

當(dāng)土壤濕度傳感器測到的土壤濕度值低于預(yù)設(shè)值的最低值時，單片機的P2.3口會變?yōu)榈碗娖?，三極管導(dǎo)通，使得電磁繼電器帶電吸合線圈開啟水泵進行澆灌。由單片機輸出的信號都很微弱，所以選用三極管進行放大驅(qū)動電磁繼電器，通過繼電器的閉合來實現(xiàn)對水泵的控制。在繼電器兩端并聯(lián)一個二極管是為了保護三極管，防止三極管被擊穿。發(fā)光二極管是用來顯示水泵的工作狀態(tài)。當(dāng)水泵工作時，他就會發(fā)光，是用戶直觀看出水泵當(dāng)前的工作狀態(tài)。控制驅(qū)動電路原理圖如圖4所示。

圖4 控制驅(qū)動模塊電路圖

2.4 通訊接口模塊設(shè)計

溫室自動灌溉系統(tǒng)的通訊接口模塊采用的是典型的USB接口，在PC機上編寫程序，下位機可以通過USB接口從上位機中下載程序，也可以通過USB接口數(shù)據(jù)線將上位機與下位機相連，進而實現(xiàn)上位PC機與下位機之間的通訊。用戶可以通過人機交互模塊按照實際情況設(shè)定土壤濕度的預(yù)設(shè)值范圍，并將此范圍傳輸給單片機，單片機也可以及時將采集的環(huán)境信息和溫室自動系統(tǒng)的運行狀態(tài)反饋給上位機顯示。

通訊接口電路原理圖如圖5所示，該模塊是用來實現(xiàn)電腦與單片機之間的通訊，采用的是典型的程序下載電路USB轉(zhuǎn)串口電路，其主要控制芯片為PL2303。該芯片可以轉(zhuǎn)換USB信號與RS232信號。上位PC機和單片機存儲的都是USB數(shù)據(jù)，通過芯片PL2303可以將USB信號轉(zhuǎn)換成RS23信號，從而實現(xiàn)二者之間的通訊。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)功能的實現(xiàn)是通過程序來完成的，軟件的設(shè)計直接決定系統(tǒng)的運行效率和可靠性。本系統(tǒng)采用C語言編程，首先要設(shè)計好主程序，然后將子程序設(shè)計好封裝起來，設(shè)計的系統(tǒng)主程序流程如圖6所示。初始化程序包括液晶顯示初始化和定時器中斷系統(tǒng)初始化兩部分。子程序包括土壤濕度采集子程序、顯示子程序、按鍵處理子程序和數(shù)據(jù)處理子程序。

圖5 通訊接口電路設(shè)計

圖6 系統(tǒng)主程序流程圖

4 系統(tǒng)仿真

在硬件設(shè)計和軟件設(shè)計的基礎(chǔ)上，Proteus軟件搭建了溫室自動灌溉系統(tǒng)仿真系統(tǒng)。采用的是Proteus軟件繪制電路圖，用一個電位器來模擬土壤濕度信號，用KeilC51來編譯調(diào)試程序，然后把程序?qū)雴纹瑱C系統(tǒng)中進行電路仿真。仿真結(jié)果如圖7所示。通過調(diào)整濕度閾值信息，水泵可以根據(jù)濕度信息自動啟動和關(guān)斷，達到定時、定量地給作物自動灌溉的目的。模擬水泵故障信息，報警系統(tǒng)能夠及時報警，實現(xiàn)故障報警功能。設(shè)定土壤濕度報警值，滿足不同植物的灌溉需求，具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

圖7 灌溉系統(tǒng)電路仿真圖

5 結(jié)語

本文以AT89C51單片機為核心控制器設(shè)計了一種溫室自動灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有良好的適應(yīng)性，可通過按鍵