基于A(yíng)T89C51的自動(dòng)灌溉控制器設計

0   引言

農田土壤中的水分含量是決定農作物生產(chǎn)的關(guān)鍵性因素之一。農田土壤中合適的水分含量對幫助農作物的健康生長(cháng)有著(zhù)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(zhù)農作物尤其是作物根部的發(fā)育情況，影響農作物的產(chǎn)量。在含水量高的土壤中，農作物根部發(fā)育遲緩而且只能扎根在淺土層中。若含水量低，農作物根部則會(huì )生長(cháng)到深層。農作物含水量達不到其需求量，就會(huì )滯緩其生長(cháng)，甚至導致死亡。如果超過(guò)了農作物的需求量，農作物的根部就會(huì )窒息缺氧、直至枯萎。而且農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(huì )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)，積極推廣節水型農業(yè)是保持我國灌溉農業(yè)可持續發(fā)展的必由之路。節水灌溉是發(fā)展節水型農業(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田土壤中，讓其保持作物的最適生長(cháng)濕度來(lái)實(shí)現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計出一種灌溉器，利用介電特性來(lái)反映土壤的含水量^[4]。李景志設計了一個(gè)分布式灌溉管理系統，這個(gè)系統安裝了四條管道和四個(gè)水閘，通過(guò)控制不同分支中的水閘開(kāi)度，來(lái)實(shí)現對農田的自動(dòng)灌溉^[5]。甘肅農業(yè)大學(xué)的安進(jìn)強等人通過(guò)田間管閘設計了一種自動(dòng)灌溉控制系統，運用接觸器和功能性的電子電路構成自動(dòng)灌溉系統，并投入使用^[6]。本文在借鑒前人設計的基礎上，設計了一款在沒(méi)有人干預的情況下自動(dòng)根據設定好的程序指令對整個(gè)灌溉系統進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，自動(dòng)的完成澆水灌溉的任務(wù)，實(shí)現智能化灌溉。

1   自動(dòng)灌溉控制器的硬件電路設計

自動(dòng)灌溉控制器的硬件電路主要包括AT89C51 單片機最小系統電路、數據采集電路、顯示電路、驅動(dòng)電路和電源電路等。系統總體框架如圖1 所示。

圖1 系統總體框架

1.1 AT89C51單片機最小系統電路

AT89C51 單片機功率損耗低、運行速度快、抗干擾能力強、性?xún)r(jià)比高^[7]，單片機最小系統電路和電源電路如圖2 所示。采用12 MHz 晶振，時(shí)鐘電路中電容為30 pF。復位電路中電容采用10 μF，電阻采用10 kΩ。

1.2 顯示模塊

濕度測量值以及設定的濕度上下限值用LCD顯示，它同時(shí)可以顯示兩行。第一行顯示測量元件實(shí)時(shí)測得的數據，第二行顯示設定的閾值。為了有更好的顯示效果，第3 引腳接入電阻來(lái)調節顯示屏的灰度。D0~D7 數據端口接單片機的P0 端口。同時(shí)選擇10 kΩ 的電阻接在P0 口。顯示電路的接線(xiàn)圖如圖3 所示。

本設計通過(guò)LED 燈來(lái)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(kāi)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。當系統啟動(dòng)運行時(shí)，主控元件通過(guò)輸出低電平來(lái)控制LED 燈亮。若綠色指示燈亮，表示土壤的濕度在設定的濕度范圍內或者是系統處于按鍵設置階段；如果土壤的濕度低于下限值，則控制模塊驅動(dòng)執行模塊工作，并且紅色的指示燈亮起來(lái)。指示模塊的接線(xiàn)圖如圖4 所示。

1.3 土壤濕度檢測模塊

傳感器用來(lái)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(shí)域型）兩種，本設計采用HS1101 濕度傳感器^[8]，生產(chǎn)廠(chǎng)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(guò)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(gè)按鍵，分別接AT89C51 的P2.6、P2.7 和P3.7 三個(gè)端口，K1 為設置選擇按鍵，K2 和K3 為數值調整按鍵，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(guò)PNP 型晶體管放大電路進(jìn)行驅動(dòng)，其電路連接圖如圖7 所示。

1.6 輸出驅動(dòng)電路

本設計的輸出驅動(dòng)電路為一個(gè)繼電器電路，繼電器的功用相當于一個(gè)自動(dòng)開(kāi)關(guān)，單片機通過(guò)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流晶體，防止三極管關(guān)斷時(shí)繼電器線(xiàn)圈釋放的電流破壞元件。三極管起開(kāi)關(guān)作用。電阻R 作為限流電阻，用來(lái)降低三極管的功率損耗。

2   軟件設計

根據自動(dòng)灌溉控制器的作業(yè)要求，控制器需實(shí)現以下功能：?jiǎn)纹瑱C檢測到傳感器發(fā)來(lái)的信號，能夠及時(shí)響應并控制電機的運行，實(shí)時(shí)調整灌溉量的大小。本設計采用Keil 軟件進(jìn)行程序的編寫(xiě)，程序結構圖是由主程序加各個(gè)模塊的子程序構成，如圖9 所示。

系統啟動(dòng)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，將檢測到數據送入單片機進(jìn)行處理。在數據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值進(jìn)行數據處理，否則跳過(guò)。然后處理所有采集的數據，分析目前的濕度狀態(tài)是否滿(mǎn)足農作物的需求。若采集到的濕度值不在設定的閾值內，則單片機發(fā)出信號驅動(dòng)水泵進(jìn)行灌溉，直至濕度達到設定值為止。其流程圖如圖10 所示。

3   系統調試及試驗

自動(dòng)灌溉控制器啟動(dòng)后，首先初始化狀態(tài)，然后對濕度傳感器測量的數據進(jìn)行顯示和處理，該控制器的濕度檢測模塊實(shí)時(shí)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定值的大小，判斷是否驅動(dòng)水泵澆水灌溉。比如土壤濕度值是18%，單片機將檢測到的數據經(jīng)過(guò)處理就會(huì )在P2.1 引腳輸出低電平，驅動(dòng)水泵進(jìn)行工作，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出鳴叫提示系統正在澆水灌溉，并且輔助指示模塊的紅色指示燈亮起來(lái)。若濕度值在閾值內，則綠色指示燈亮起來(lái)，水泵驅動(dòng)模塊停止工作，蜂鳴器關(guān)閉。

4   結語(yǔ)

該自動(dòng)灌溉控制器基于A(yíng)T89C51 單片機設計，實(shí)現了對灌溉量及時(shí)、準確控制，從而可實(shí)現土壤濕度的精確控制，并具有抗干擾性強、實(shí)時(shí)性強、應用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

參考文獻：

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（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年2月期）