基于單片機控制的土壤濕度自動化裝置研究

石 佳

（遼寧農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，營口 115009）

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，土壤濕度是影響植物生長的一大主要因素。土壤中所含有的各種微生物和化學成分都會對土壤的濕度造成影響。以往采用人力監(jiān)測的方式來獲取土壤中水分的含量和濕度，不僅會消耗大量的人力和時間，還會造成監(jiān)測數(shù)據(jù)缺乏真實性和有效性，因此探索新型監(jiān)測方式對土壤情況監(jiān)測刻不容緩。在科學技術(shù)水平不斷提高的大背景下，傳感器基于自身綜合性能和智能化程度高的優(yōu)勢在多個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。本文就單片機和傳感器技術(shù)設(shè)計出符合當前監(jiān)測土壤的濕度自動化裝置，以更好地推動農(nóng)業(yè)經(jīng)濟發(fā)展。

1 基于單片機的大棚溫濕度控制系統(tǒng)研究設(shè)計意義

當前，國內(nèi)農(nóng)業(yè)大棚使用技術(shù)的普及程度較高。公開數(shù)據(jù)顯示，農(nóng)業(yè)大棚數(shù)量逐漸增多。農(nóng)業(yè)大棚技術(shù)在具體使用過程中的主要目的是使大棚中的各類農(nóng)作物得到更好的生長，其中濕度、溫度的控制至關(guān)重要。在傳統(tǒng)的溫度、濕度控制中，一般是在大棚內(nèi)部合適的位置懸掛溫度計和濕度計，由專業(yè)技術(shù)人員讀取溫度計和濕度計數(shù)值來確定其是否超出了相關(guān)標準的規(guī)定。在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展需求下，傳統(tǒng)的溫度控制、濕度控制方式已經(jīng)無法滿足實際需求?；趩纹瑱C的大棚溫濕度控制系統(tǒng)設(shè)計能夠更好地促進我國農(nóng)業(yè)事業(yè)的健康發(fā)展與進步。例如，在現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)事業(yè)發(fā)展過程中，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模正在不斷擴大，農(nóng)業(yè)大棚需要培育的農(nóng)作物種類越來越多。眾所周知，不同的農(nóng)作物種類發(fā)育、生長所需要的濕度和溫度是不同的。在這種情況下，基于單片機的大棚溫濕度控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控不同種類植被各個時期生長所需的溫度及濕 度等。

2 國內(nèi)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大棚技術(shù)的發(fā)展

站在宏觀角度分析，我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大棚技術(shù)發(fā)展起步時間較晚。發(fā)展到20 世紀70 年代，我國開始大力發(fā)展多功能農(nóng)田和節(jié)能日光農(nóng)田等項目。這些項目在實際發(fā)展過程中不僅可以促進農(nóng)村整體的降級發(fā)展，還在一定程度上緩和了蔬菜作物季節(jié)性短缺的主要矛盾，滿足了人們在蔬菜方面的需求。1980—1994年，我國引入了非常多的國外農(nóng)業(yè)技術(shù)，加快了我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展。目前，基于單片機的大棚溫濕度控制系統(tǒng)還存在一些不足。一方面，價格昂貴。很多農(nóng)業(yè)項目的成本資金有限，難以實現(xiàn)對基于單片機的大棚溫濕度控制系統(tǒng)的應(yīng)用。另一方面，缺乏與我國氣候特點相近的多功能農(nóng)田溫度自動環(huán)境測系統(tǒng)。目前，我國引進多功能農(nóng)田溫度自動環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)大多投資大、運行費用高，且環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中考慮的環(huán)境參數(shù)與我國氣候特點存在矛盾。

3 基于單片機控制的土壤濕度控制器系統(tǒng)軟件設(shè)計實施

隨著農(nóng)業(yè)技術(shù)水平的不斷提高，如何開展農(nóng)業(yè)智能化顯得至關(guān)重要。但是，農(nóng)業(yè)智能化發(fā)展過程中還存在很多問題，不利于我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展。所以，加強對基于單片機控制的土壤濕度自動化裝置的設(shè)計與研究是目前需要完成的任務(wù)。

3.1 硬件設(shè)計

基于單片機控制的土壤濕度控制器系統(tǒng)的主控中央處理器選用的型號為AT89C52。在系統(tǒng)外圍電路中，輸入裝置包括鍵盤的按鈕和濕度傳感器，輸出裝置主要包括進電機、鼓風機、排氣扇以及液晶顯示器（Liquid Crystal Display，LCD）等[1]。

系統(tǒng)各部分的電路按鍵控制方面需要采用“+”按鍵和“-”按鍵。工作過程中，工作人員通過這兩個按鍵可以對設(shè)備進行良好的控制。根據(jù)大棚內(nèi)農(nóng)作物對濕度的需求，合理調(diào)節(jié)濕度，以促進農(nóng)作物更好地生長。但是，按鍵需要在LCD 的配合下完成工作，后續(xù)根據(jù)系統(tǒng)運行情況調(diào)整具體參數(shù)，并設(shè)定好相應(yīng)的模式，可以完成對農(nóng)業(yè)大棚中土壤濕度的控制，便于工作人員更好地完成監(jiān)測，提高監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性，從而為大棚農(nóng)作物提供良好的生長環(huán)境。

在實際應(yīng)用過程中，農(nóng)業(yè)大棚濕度有可能超出傳感器的設(shè)定范圍。如果發(fā)生這種情況，單片機上的驅(qū)動蜂鳴器會發(fā)出警報聲響，提醒農(nóng)業(yè)大棚工作人員大棚內(nèi)濕度發(fā)生了變化。此時，系統(tǒng)可以直接采用晶體管驅(qū)動壓電蜂鳴器，便于及時監(jiān)控和調(diào)節(jié)大棚內(nèi)濕度，減少對大棚內(nèi)農(nóng)作物生長造成的影響。

農(nóng)業(yè)大棚的頂部需要適當安裝循環(huán)風機。當大棚內(nèi)的濕度上升且較高時，工作人員需要在合適的時候開啟循環(huán)風機，以促使熱氣流直接從大棚頂部排出，從而有效控制大棚內(nèi)農(nóng)作物的生長濕度。系統(tǒng)可以采用300 W 的循環(huán)風機，也可以采用多個300 W 循環(huán)風機，以確保系統(tǒng)正常運行。

系統(tǒng)采用的數(shù)字濕度傳感器型號為SHT11，濕度測量的最低值為0%，濕度測量的最高值為100%，濕度測量的精準度為+2%相對濕度，同時市場價格相對便宜[2]。該系統(tǒng)中的濕度已經(jīng)達到標準甚至已經(jīng)超過規(guī)定精度值，屬于一種低功率性傳感器，可以滿足以下3 個要求：第一，它可以準確測出并記錄環(huán)境濕度，還會在顯示器上具體顯示出來；第二，可以根據(jù)農(nóng)作物和環(huán)境需求設(shè)定濕度的參數(shù)數(shù)據(jù)，濕度變化的測量范圍一般控制在0%～100% RH，濕度測量的分辨率一般為1% RH，濕度測量的精度通常為 +2.0% RH[3-4]；第三，系統(tǒng)運行過程中只需要采用 5 V 的工作電源即可，在使用過程中人員不需要復(fù)雜性的操作就可以完成供電，而且供電的安全性和穩(wěn)定性非常高，有利于確保使用人員的安全性，提高監(jiān)測 效率。

3.2 軟件設(shè)計方案

基于單片機控制的土壤濕度控制器系統(tǒng)設(shè)計中，軟件設(shè)計方案需要合理采用C 語言完成相關(guān)程序設(shè)計。在按鍵輸入方面，為了能夠更好地基于單片機合理控制土壤濕度，使其符合濕度精準性，確保農(nóng)作物茁壯生長，需要采用中斷響應(yīng)控制方式。這種方式具有顯著的靈敏性，使得工作人員可以利用按鍵輸入的方式輸入大量信息，并完成對系統(tǒng)濕度范圍的設(shè)定[5]。

在實際應(yīng)用過程中，基于單片機控制的土壤濕度控制器系統(tǒng)可實時監(jiān)測土壤的濕度，準確判斷濕度值是否超出一定的范圍。如果監(jiān)測到濕度值超出閾值，第一時間發(fā)出報警信號，利用自動控制系統(tǒng)和自動化原理將土壤的濕度控制在合理范圍內(nèi)，確保農(nóng)作物能夠更好地生長。

4 實驗研究

為了驗證土壤濕度自動化裝置的可行性和有效性，下面開展相關(guān)性實驗研究。選擇一個面積為200 m2的農(nóng)業(yè)大棚為研究實驗場地，在場地中設(shè)定10 個采集數(shù)據(jù)點，實時采集土壤濕度，并準確記錄土壤濕度。實驗過程中需要準確記錄土壤的實際濕度值和系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)后所需要的時間。為了提高實驗的價值和數(shù)據(jù)的有效性，設(shè)置兩組實驗展開對比。第一組選用最常規(guī)的比例-積分-導(dǎo)數(shù)（Proportion-Integral-Diあerential，PID）方式進行控制，將濕度提高至5%，準確記錄濕度采樣的具體數(shù)值和穩(wěn)態(tài)時間；第二組則選用本次研究的濕度控制算法，同樣將濕度提高至5%，記錄與上組同樣的內(nèi)容，實驗結(jié)果見表1 和表2。

表1 PID 控制實驗結(jié)果

表2 本次研究的濕度控制算法的實驗結(jié)果

通過分析表1 和表2 中數(shù)據(jù)可知：如果僅采用表1 的控制方式，取絕對值，濕度偏差的平均值均為2.60%，濕度偏差的平均值為2.26%，穩(wěn)態(tài)時間的平均值為16.12 min；采用表2 本次研究的濕度控制算法的方式計算，取絕對值，濕度偏差的最大值為0.9%，濕度偏差的平均值為0.6%，穩(wěn)態(tài)時間平均 值為5.70 min。

經(jīng)過實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用本次研究中所述的濕度控制方法能夠顯著提高濕度控制的精準程度，提高系統(tǒng)運行過程中的速度，有效縮短系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)所需要的時間。整體分析可知，控制系統(tǒng)的性能可以獲得顯著提升，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。

5 結(jié)語

以濕度控制作為研究對象，基于單片機設(shè)計出高性能的土壤濕度控制系統(tǒng)，并給出軟件和硬件的設(shè)計方案。為了能夠更好地提高系統(tǒng)對土壤濕度的控制，為農(nóng)作物生長提供一個良好的生長環(huán)境，設(shè)計了一款基于單片機控制的土壤濕度控制器系統(tǒng)控。實驗研究證明，本次設(shè)計的濕度控制系統(tǒng)在測量精準度和穩(wěn)定性方面具有優(yōu)勢，能夠顯著提高系統(tǒng)運行性能，值得廣泛應(yīng)用。