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(dá)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(dá)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(jìn)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(jìn)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(jìn)強(qiáng)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(jìn)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(jī)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(jī)最小系統(tǒng)電路

AT89C51 單片機(jī)功率損耗低、運行速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性價比高^[7]，單片機(jī)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(jī)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(fù)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(jī)，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(jī)的P2.5 端口通過PNP 型晶體管放大電路進(jìn)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(jī)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(jī)檢測到傳感器發(fā)來的信號，能夠及時響應(yīng)并控制電機(jī)的運行，實時調(diào)整灌溉量的大小。本設(shè)計采用Keil 軟件進(jìn)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(jìn)入主程序，先進(jìn)行初始化，然后對土壤濕度進(jìn)行檢測，將檢測到數(shù)據(jù)送入單片機(jī)進(jìn)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(jìn)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(jī)發(fā)出信號驅(qū)動水泵進(jìn)行灌溉，直至濕度達(dá)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(jìn)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(jìn)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(jī)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(jìn)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(jī)設(shè)計，實現(xiàn)了對灌溉量及時、準(zhǔn)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(qiáng)、實時性強(qiáng)、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）