基于AT89C51的自動灌溉控制器設(shè)計

0   引言

農(nóng)田土壤中的水分含量是決定農(nóng)作物生產(chǎn)的關(guān)鍵性因素之一。農(nóng)田土壤中合適的水分含量對幫助農(nóng)作物的健康生長有著重要意義。土壤中水分含量是否適宜至關(guān)重要，它的高低決定著農(nóng)作物尤其是作物根部的發(fā)育情況，影響農(nóng)作物的產(chǎn)量。在含水量高的土壤中，農(nóng)作物根部發(fā)育遲緩而且只能扎根在淺土層中。若含水量低，農(nóng)作物根部則會生長到深層。農(nóng)作物含水量達不到其需求量，就會滯緩其生長，甚至導(dǎo)致死亡。如果超過了農(nóng)作物的需求量，農(nóng)作物的根部就會窒息缺氧、直至枯萎。而且農(nóng)作物根部的吸水與葉片的蒸騰作用只有在合適的土壤濕度中才會達到均衡狀態(tài)，因此合適的土壤濕度至關(guān)重要^[1]。我國屬于水資源短缺型國家，目前95% 以上的農(nóng)田都采用地面灌溉方法。采用先進的地面灌溉技術(shù)，積極推廣節(jié)水型農(nóng)業(yè)是保持我國灌溉農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。節(jié)水灌溉是發(fā)展節(jié)水型農(nóng)業(yè)的核心，它采用先進的灌溉技術(shù)將水分最大限度的均勻分配到農(nóng)田土壤中，讓其保持作物的最適生長濕度來實現(xiàn)灌溉水利用率的提高^[2-3]。

李向欣等人利用頻域反射的測量原理設(shè)計出一種灌溉器，利用介電特性來反映土壤的含水量^[4]。李景志設(shè)計了一個分布式灌溉管理系統(tǒng)，這個系統(tǒng)安裝了四條管道和四個水閘，通過控制不同分支中的水閘開度，來實現(xiàn)對農(nóng)田的自動灌溉^[5]。甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)的安進強等人通過田間管閘設(shè)計了一種自動灌溉控制系統(tǒng)，運用接觸器和功能性的電子電路構(gòu)成自動灌溉系統(tǒng)，并投入使用^[6]。本文在借鑒前人設(shè)計的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一款在沒有人干預(yù)的情況下自動根據(jù)設(shè)定好的程序指令對整個灌溉系統(tǒng)進行實時控制，自動的完成澆水灌溉的任務(wù)，實現(xiàn)智能化灌溉。

1   自動灌溉控制器的硬件電路設(shè)計

自動灌溉控制器的硬件電路主要包括AT89C51 單片機最小系統(tǒng)電路、數(shù)據(jù)采集電路、顯示電路、驅(qū)動電路和電源電路等。系統(tǒng)總體框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

1.1 AT89C51單片機最小系統(tǒng)電路

AT89C51 單片機功率損耗低、運行速度快、抗干擾能力強、性價比高^[7]，單片機最小系統(tǒng)電路和電源電路如圖2 所示。采用12 MHz 晶振，時鐘電路中電容為30 pF。復(fù)位電路中電容采用10 μF，電阻采用10 kΩ。

1.2 顯示模塊

濕度測量值以及設(shè)定的濕度上下限值用LCD顯示，它同時可以顯示兩行。第一行顯示測量元件實時測得的數(shù)據(jù)，第二行顯示設(shè)定的閾值。為了有更好的顯示效果，第3 引腳接入電阻來調(diào)節(jié)顯示屏的灰度。D0~D7 數(shù)據(jù)端口接單片機的P0 端口。同時選擇10 kΩ 的電阻接在P0 口。顯示電路的接線圖如圖3 所示。

本設(shè)計通過LED 燈來指示電路是否正常工作。在指示模塊中，LED 的正極接電源，負極接在P2.0 和P2.2 端口上。兩種顏色的燈分開代表不同的信號，紅色表示警告，綠色代表正常工作。紅色燈接電阻為2.2 kΩ，綠色指示燈所接電阻為220 Ω。當(dāng)系統(tǒng)啟動運行時，主控元件通過輸出低電平來控制LED 燈亮。若綠色指示燈亮，表示土壤的濕度在設(shè)定的濕度范圍內(nèi)或者是系統(tǒng)處于按鍵設(shè)置階段；如果土壤的濕度低于下限值，則控制模塊驅(qū)動執(zhí)行模塊工作，并且紅色的指示燈亮起來。指示模塊的接線圖如圖4 所示。

1.3 土壤濕度檢測模塊

傳感器用來檢測土壤容積含水率，土壤濕度傳感器可分為FDR 型（頻域型）和TDR 型（時域型）兩種，本設(shè)計采用HS1101 濕度傳感器^[8]，生產(chǎn)廠家為法國的HUMIREL 公司。土壤濕度傳感器輸出的模擬信號經(jīng)過ADC0832 送入單片機，檢測電路如圖5 所示。

1.4 按鍵模塊

采用三個按鍵，分別接AT89C51 的P2.6、P2.7 和P3.7 三個端口，K1 為設(shè)置選擇按鍵，K2 和K3 為數(shù)值調(diào)整按鍵，其電路圖如圖6 所示。

1.5 報警模塊

采用蜂鳴器作為報警裝置，單片機的P2.5 端口通過PNP 型晶體管放大電路進行驅(qū)動，其電路連接圖如圖7 所示。

1.6 輸出驅(qū)動電路

本設(shè)計的輸出驅(qū)動電路為一個繼電器電路，繼電器的功用相當(dāng)于一個自動開關(guān)，單片機通過控制繼電器的閉合就可以控制噴頭的啟用停止。圖8 中的二極管為反向續(xù)流晶體，防止三極管關(guān)斷時繼電器線圈釋放的電流破壞元件。三極管起開關(guān)作用。電阻R 作為限流電阻，用來降低三極管的功率損耗。

2   軟件設(shè)計

根據(jù)自動灌溉控制器的作業(yè)要求，控制器需實現(xiàn)以下功能：單片機檢測到傳感器發(fā)來的信號，能夠及時響應(yīng)并控制電機的運行，實時調(diào)整灌溉量的大小。本設(shè)計采用Keil 軟件進行程序的編寫，程序結(jié)構(gòu)圖是由主程序加各個模塊的子程序構(gòu)成，如圖9 所示。

系統(tǒng)啟動后，進入主程序，先進行初始化，然后對土壤濕度進行檢測，將檢測到數(shù)據(jù)送入單片機進行處理。在數(shù)據(jù)處理之前先判斷按鍵是否處于工作狀態(tài)，若按鍵為工作狀態(tài)，則先要采集按鍵輸入的數(shù)值進行數(shù)據(jù)處理，否則跳過。然后處理所有采集的數(shù)據(jù)，分析目前的濕度狀態(tài)是否滿足農(nóng)作物的需求。若采集到的濕度值不在設(shè)定的閾值內(nèi)，則單片機發(fā)出信號驅(qū)動水泵進行灌溉，直至濕度達到設(shè)定值為止。其流程圖如圖10 所示。

3   系統(tǒng)調(diào)試及試驗

自動灌溉控制器啟動后，首先初始化狀態(tài)，然后對濕度傳感器測量的數(shù)據(jù)進行顯示和處理，該控制器的濕度檢測模塊實時對土壤的濕度進行采集并分析。本文中初始的濕度閾值的上限是70%，下限是20%。在初始化狀態(tài)下，控制器程序比較測量的濕度值與設(shè)定值的大小，判斷是否驅(qū)動水泵澆水灌溉。比如土壤濕度值是18%，單片機將檢測到的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理就會在P2.1 引腳輸出低電平，驅(qū)動水泵進行工作，同時蜂鳴器發(fā)出鳴叫提示系統(tǒng)正在澆水灌溉，并且輔助指示模塊的紅色指示燈亮起來。若濕度值在閾值內(nèi)，則綠色指示燈亮起來，水泵驅(qū)動模塊停止工作，蜂鳴器關(guān)閉。

4   結(jié)語

該自動灌溉控制器基于AT89C51 單片機設(shè)計，實現(xiàn)了對灌溉量及時、準確控制，從而可實現(xiàn)土壤濕度的精確控制，并具有抗干擾性強、實時性強、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年2月期）