基于CMOS單片機對土壤濕度控制的智能灌溉系統(tǒng)設計

周霄軒

摘要：隨著溫濕度檢測系統(tǒng)的廣泛運用，諸多領域和行業(yè)對溫濕度檢測有著更高的要求和標準。該系統(tǒng)采用了AT89S51單片機，作為土壤溫濕度控制系統(tǒng)的信號發(fā)射與接收設備，溫濕度傳感器選用YL-69型傳感器，顯示模塊采用LCD1602型顯示屏，通過YL-69溫濕度傳感器檢測土壤中水分含量，將采集到的模擬信號轉化為數(shù)字信號交由單片機處理，同時支持多個按鍵實現(xiàn)檢測儀的各種操作以及切換功能。通過實驗數(shù)據(jù)表明，該系統(tǒng)，功能多樣，性能穩(wěn)定，實現(xiàn)了對于農(nóng)作物的檢測，達到了節(jié)水灌溉、有效光照的智能監(jiān)測作用。

關鍵詞：智慧農(nóng)業(yè)；灌溉系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)；大數(shù)據(jù)；節(jié)水灌溉

中圖分類號：TP311? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）30-0080-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 引言

是否能夠培養(yǎng)出高產(chǎn)的莊稼作物，根本在于對土壤溫濕度的控制。人為去控制、維護土壤，不僅誤差大，而且效率低，因此我們需要的是精密的儀器、完善的系統(tǒng)，對其進行實時監(jiān)測，從而改善土壤條件，實現(xiàn)低成本，高產(chǎn)量的成果。目前，我國農(nóng)業(yè)水平總體處于逐步趨向現(xiàn)代化的發(fā)展中階段，正在逐步實現(xiàn)農(nóng)業(yè)統(tǒng)一化，水資源的利用率也處在不斷提高的時期。其中能否充分利用水資源是能否實現(xiàn)高產(chǎn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化一根本性的問題，本項目旨在實現(xiàn)合理分配水資源，實現(xiàn)節(jié)約農(nóng)業(yè)用水問題。本文將詳細介紹智能檢測灌溉系統(tǒng)的主要硬件組成以及其主要實現(xiàn)功能。

2 主要研究背景及意義

在中國，農(nóng)業(yè)有著上千年的歷史，它從古至今都是我們?nèi)藗兩鐣畈豢苫蛉钡囊徊糠帧５请S著社會的不斷發(fā)展，人們生活水平質量不斷地提高，我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化正處于不斷提高完善的階段。在21世紀，由于我國正處于發(fā)展中階段，各個領域都還在發(fā)展階段。隨著中國經(jīng)濟以及科技水平的不斷提升，農(nóng)業(yè)種植規(guī)模也在不斷地擴大，由于大規(guī)模的鄉(xiāng)村城鎮(zhèn)化以及農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式早已無法滿足人們在不同季節(jié)對不同農(nóng)作物品質和質量的需求[1]。在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)工作模式中，大多數(shù)的工作，例如對農(nóng)作物生長環(huán)境的監(jiān)控，水資源的利用，都是由人工操作，又因為我國總體占地面積廣，地形復雜，氣候多變，對農(nóng)作物的生長有著極大的影響。因此，如果還采用舊時代傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)工作方式，是無法提供目前農(nóng)作物生長的最優(yōu)環(huán)境。智慧農(nóng)業(yè)是我們由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)發(fā)展為現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的必經(jīng)之路，為了解決這種環(huán)境上的問題，溫室大棚農(nóng)業(yè)化脫穎而出，越來越多的農(nóng)民開始搭建溫室大棚，給予農(nóng)作物適宜的生長環(huán)境。而隨著互聯(lián)網(wǎng)的普遍性以及物聯(lián)網(wǎng)技術的傳播，物聯(lián)網(wǎng)技術產(chǎn)業(yè)因此廣泛應用于各種行業(yè)之中，例如：智能家居，智慧農(nóng)業(yè)等領域。現(xiàn)代化信息技術的發(fā)展使得我國傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式得到改善，通過物聯(lián)網(wǎng)技術，提高了我國農(nóng)作物的產(chǎn)量和質量，并且大大節(jié)省了勞動資源，因此，讓智慧農(nóng)業(yè)與農(nóng)業(yè)大棚技術相結合，在很大程度上解決了人們對于水資源利用不得當、不合理的問題，使得人們隨時都能買到反季節(jié)性食物，使得我國農(nóng)業(yè)成為促進經(jīng)濟發(fā)展的一大重要組成部分[2]?，F(xiàn)代化農(nóng)業(yè)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)主要的區(qū)別在于：首先，大大提高了測試環(huán)境參數(shù)的精準性。其次，利用各種傳感器，例如通過溫度傳感器，濕度傳感器監(jiān)控土壤的溫濕度，利用光照傳感器，檢測光照強度，使得能時刻保持農(nóng)作物生長環(huán)境的最優(yōu)化。有效地減少了因環(huán)境條件造成的農(nóng)作物產(chǎn)量降低，大大節(jié)省了人工開支。

為了更好地實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)有效灌溉功能，本系統(tǒng)使用AT89S51單片機結合YL-69濕度傳感器以及BH1750光照傳感器，時刻檢測農(nóng)業(yè)大棚中土壤的濕度狀態(tài)，通過單片機分析傳感器傳送的數(shù)據(jù)進行環(huán)境的合理調整并配備抽電水機，通過程序合理判斷是否需要灌溉，大大節(jié)約了水資源。

2.1 系統(tǒng)設計技術架構

智能檢測灌溉系統(tǒng)主要包括由主控系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、輸入系統(tǒng)、電源系統(tǒng)以及灌溉系統(tǒng)所構成。

主控系統(tǒng)：利用復位電路，時鐘電路，并以AT89S51單片機為核心組成。

傳感系統(tǒng)：主要包括YL-69濕度傳感器，BH1750光照傳感器，可以精確測量土壤濕度以及光照強度。

電源系統(tǒng)：采用一個5伏的直流電源接口，對系統(tǒng)進行供電。

顯示系統(tǒng)：采用的是LCD1602型顯示屏，以便顯示土壤濕度的詳情和當前系統(tǒng)處于什么模式。

灌溉系統(tǒng)：使用抽水電機，使用按鍵實現(xiàn)大棚的自動灌溉。

警報系統(tǒng)：配備蜂鳴器，與傳感器相互合作，當土壤溫濕度不在設定范圍內(nèi)時，電機工作，蜂鳴器報警，直至水分到達預定值，蜂鳴器解除警報，電機停止工作。但到達預定范圍內(nèi)，電機則就不工作，蜂鳴器同樣不報警系統(tǒng)處于良好的運作中。整體技術架構如圖 1 所示。

2.2 硬件設計

2.2.1單片機控制板塊

AT89S51單片機是一種低效率，高性能CMOS八位的單片機，它是由ATMEL公司采用高精密性、非易失性儲藏工藝技術所制成，它不僅能夠很好地兼容于國際標準MCS-51指令系統(tǒng)，而且還能夠使用軟件控制開啟省電模式，以及設置振蕩頻率[3]。在不工作時，中央處理器保持在靜止狀態(tài)，但通過內(nèi)存時間計數(shù)器，中斷系統(tǒng)開始持續(xù)工作，掉電模式凍結了溫度傳感器而保留了RAM的數(shù)據(jù)，終止芯片其他功能直至另外中斷激活或將硬件恢復，這就沒有由于工作人員的疏忽而引起檢測系統(tǒng)的停機工作。并且，該芯片還擁有PDIP、TQFP和PLCC三個基本封裝形式，以滿足各種產(chǎn)品的需要。所以在本系統(tǒng)中，可以選擇AT89S51為控制系統(tǒng)芯片。

2.2.2土壤溫濕度傳感器板塊

本系統(tǒng)采用的是最新的YL-69濕度傳感器，它是一種最簡單的土壤濕度感應器，它的基本結構主要是由濕敏電容所組成，但是隨著土地溫濕的不斷改變，將導致電容中生態(tài)環(huán)境中存在的介質數(shù)量產(chǎn)生變化，從而使得濕敏電容中的電容數(shù)量出現(xiàn)了改變，而電容的位置正比于土壤相對濕度變化。濕敏電容具有較高的敏感度、響應快、滯后率小的特性，這使得濕敏電容非常易于小型化和集成[4]。在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中，對土壤濕度信息的收集主要是由YL-69實現(xiàn)的。

2.2.3 光照傳感器

本系統(tǒng)采用的是BH1750FVI數(shù)字型光強度傳感器集成芯片。其電路工作原理為：BH1750的內(nèi)部由ADC采集，光敏二極管、運算放大器、晶振組成。光敏二極管主要將輸入的光信號轉換成電信號，通過運算放大器放大后，利用ADC采集電壓，最后再通過邏輯電路轉換成16位二進制數(shù)存儲在內(nèi)部的寄存器中[5]。因此大棚內(nèi)進入的光的強度決定了電流的大小，因此電壓也就變大，即通過衡量電壓的大小來判別光照強度的大小，而當電壓發(fā)生改變的時候，我們就能第一時間觀測到光照是否會影響農(nóng)作物的生長狀況，從而再通過控制系統(tǒng)來改變參數(shù)，達到穩(wěn)定情況。因此在系統(tǒng)工作時，我們不僅可以選擇不同的工作方式，還可以接收到寄存器中光照強度的數(shù)據(jù)。

2.2.4 LCD1602型顯示器

LCD1602液晶顯示器是由字符型液晶顯示器，HD44780型控制驅動電路，少量電阻以及擴展電路HD44100，配有電容的PCB板組成[6]。該顯示器具有多種不同的方式連接單片機，本系統(tǒng)采用的是直接控制方式，即將LCD的數(shù)據(jù)線以及控制線與單片機直接相連，相連后可以正常工作。在本系統(tǒng)中顯示器的主要作用是寫入命令和數(shù)據(jù)，因此，可將顯示器的讀與寫去選擇控制端直接連接地線，這樣不僅節(jié)約了成本，還使得本連接系統(tǒng)能夠更加穩(wěn)定地工作。

2.2.5 按鍵輸入

對于按鍵的設計：采用4個鍵位進行不同功能的控制。分別是：復位功能按鍵—C1，設置濕度預定值范圍按鍵—C2，調整按鍵為C3以及C4，C3用于增加濕度預定值，C4用于減少濕度預定值功能。另外，該系統(tǒng)可以一鍵設置最大值和最小值。

2.2.6 報警電路設計

對于報警模塊的設計，是為了及時能做出對于土壤應實施的相應的操作。當測量土壤溫度時，依據(jù)預先設定好的濕度峰值，做到及時報警提醒工作人員的作用。這樣能有效地減少工作人員在夜間工作的疲勞程度，大大提高人員效率。本系統(tǒng)采用的報警電路原理是：根據(jù)高低不同的濕度值，使得發(fā)光二極管發(fā)射出不同顏色的光，與此同時，蜂鳴報警器發(fā)出提示音。

2.2.7 時鐘電路模塊以及復位電路的設計

晶振時鐘電路：主要是由一個晶振電路以及兩個電容元件組成，而晶振的大小決定了AT89S51單片機的時鐘信號。

復位電路：構成復位電路的主要元件是電阻以及少量電容，且復位電路有兩個不同的電路分別是上電復位電路，以及針對按鍵的按鍵電路[6]。本系統(tǒng)采用的是按鍵復位，因此還多加了一個微動開關。主要作用就是將電路初始化，使其到達能確定的狀態(tài)。系統(tǒng)總體硬件設計如圖2 所示。

2.3 系統(tǒng)主程序設計模塊

軟件程序設計是系統(tǒng)至關重要的一部分，它決定了系統(tǒng)效率的高低。本系統(tǒng)主要程序實現(xiàn)流程為：打開開關，利用按鍵電路，輸入濕度以及光照強度預定值；再由YL-69濕度傳感器讀取預定值；轉換電路將濕度傳感器傳送的濕度值模擬信號轉化為數(shù)字信號供AT89S51識別；再將數(shù)字信號傳送到LCD1602型顯示屏上顯示出來；報警模塊：利用YL-69濕度傳感器檢測到的濕度通過單片機中央處理程序，判斷濕度是否在預定值范圍之內(nèi)，若不在，報警系統(tǒng)啟動，發(fā)光二極管發(fā)出紅光，同時蜂鳴器開始發(fā)出警報聲。光照模塊原理也是如此，利用BH1750光照傳感器，結合單片機可實現(xiàn)任意自主編程程序，當單片機從BH1750光照傳感器中接收到的光照值不在預定范圍之內(nèi)時，報警系統(tǒng)啟動。系統(tǒng)各中功能采用分塊化設計：報警模塊，抽水模塊，模擬信號與數(shù)字信號轉換模塊等。系統(tǒng)設計流程如圖 3所示。

2.4 系統(tǒng)測試

2.4.1 測試場所及條件

在室內(nèi)大棚中進行測試，室溫條件下，打開電機進行通電。通過按鍵設置土壤濕度以及光照強度的上下限閾值；將YL-69濕度傳感器裝備在大棚中種有農(nóng)作物的土壤中，BH1750光照傳感器放置于大棚上方掛起，連接LCD顯示屏，觀察當前土壤濕度以及大棚內(nèi)光照強度。系統(tǒng)配有兩種灌溉模式，手動灌溉以及自動灌溉。

手動灌溉模式：人工通過按鍵控制抽水機工作，按動抽水鍵，抽水機開始工作，等待灌溉完成后，再次按下抽水鍵，即可停止工作。

自動灌溉模式：在自動灌溉模式中，有三種不同的情況。第一種：若當前土壤中的濕度值在預先設定的預定值之內(nèi)的，電機不工作，報警系統(tǒng)不開啟。第二種：若當前土壤中的濕度值超過設定值上限時，警報系統(tǒng)啟動，蜂鳴器開始發(fā)聲，二極管發(fā)出紫色光芒。第三針：若當前土壤中的濕度值突破預定值下限時，抽水電機開始工作，同時警報系統(tǒng)啟動，蜂鳴器發(fā)聲，二極管發(fā)出紅色光芒，直至當前濕度值符合預定值范圍內(nèi)時，抽水電機停止工作，二極管不再發(fā)光。

2.4.2 測試結果

本次測試，設置的濕度上下限閾值分別為：56%，27%，主要測試，在三種不同條件下（分別是：預定值范圍內(nèi)，預定值以下，預定值之上），系統(tǒng)給予的反映情況。

測試結果如表1：

本次測試，分別進行了手動模式的測試，以及自動模式的測試，在不同條件下，本系統(tǒng)給予的響應均正確，在符合預定結果。因此，可以證明本系統(tǒng)可在農(nóng)業(yè)大棚中起到正確有效的監(jiān)控灌溉作用，確實能夠提高農(nóng)產(chǎn)效率，減少不必要的人工開支，提高水資源的可用率，形成高產(chǎn)智慧農(nóng)業(yè)大棚。

3 結論

本設計是一款通過YL-69濕度傳感器測試再經(jīng)由AT89S51單片機控制的智能農(nóng)業(yè)檢測灌溉系統(tǒng)，是以AT89S51為核心控制器，實現(xiàn)了智能化農(nóng)業(yè)灌溉的功能。主要模塊包括：報警模塊，灌溉模塊，顯示模塊。最終實驗結果中，能實現(xiàn)通過YL-69傳感器收集從0到100范圍內(nèi)的土壤濕度信號，實現(xiàn)灌溉智能化。通過實驗，證明了該智能系統(tǒng)的可行性，利用該智能檢測灌溉系統(tǒng)，為我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)高產(chǎn)做出一點貢獻，可大大減少人工精力，時刻保持農(nóng)作物生長的最適條件，有效提高水資源的利用率。

參考文獻：

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【通聯(lián)編輯：梁書】