單片機控制的節水澆灌系統研究

畢海婷，任大偉

（1.煙臺職業學院電氣工程系，山東煙臺264670；2.煙臺冰輪股份有限公司，山東煙臺264000）

單片機控制的節水澆灌系統研究

畢海婷1，任大偉2

（1.煙臺職業學院電氣工程系，山東煙臺264670；2.煙臺冰輪股份有限公司，山東煙臺264000）

近年來水資源的缺乏越來越引起人們的關注，如何能充分地利用水資源已經成了我們關注的重要課題.本文就單片機控制下的節水澆灌系統展開研究.文章第一部分對單片機節水灌溉系統組成做了詳細說明，第二部分針對單片機控制下的硬件電路進行了分析，第三部分就軟件數據處理做了簡要闡述，最后對單片機控制下的節水澆灌系統做了必要的總結和歸納.

單片機；控制；節水澆灌；系統

目前，由于我國的自動化節水技術不夠發達，而且農業灌溉還未能打破原先的澆灌方式，一直局限于傳統的粗放型澆灌模式，且農民的自動化節水意識不高，所以國內的自動化節水工程還未能得到很好的發展.目前，當務之急就是要加強對農業灌溉水資源的節約.因此，為了有效的節約水資源，就要科學合理的提高農業灌溉效率，縮短灌溉時間，特別是在微灌技術領域，國家更應加強對該項技術的研究，并要廣泛的對此加以推廣和使用，只有這樣才能推動我國微灌技術的進一步發展，進而才能有效的節約農業灌溉所需的水資源.本文就是針對在單片機控制的情況下，對節水澆灌系統的研究與討論.

1 單片機控制的節水灌溉系統總體設計

1.1 節水灌溉系統簡介

1.1.1 微灌系統介紹

目前，微灌是世界上眾多灌溉技術中最高效的一種節水灌溉技術，具有節水率高、節能性好的特點，并且是當前最先進的一種節水灌溉技術.所謂微灌，就是指在局部區域進行精細的灌溉，微灌技術與其它灌溉技術相比，在水的利用效率上是最高的，例如與地面灌相比，微灌要比地面灌節約一半的水資源.若與噴灌相比，則就要節約17%左右的水資源.利用微灌技術來灌水的同時還能施藥，這樣自然的就會提高了土地的肥效，從而就會提高農作物的產量.微灌系統是通過對微灌設備的組裝而形成的.微灌節水技術的工作原理是通過管道將有壓水傳送到田地上，并以較小的流量來澆灌農作物根須部分的局部土壤.現如今，微灌已改變了原先的單一滴灌方式，并發展了多種新的灌水技術，例如微噴灌、滲灌以及涌流灌等.這些新的高效灌水技術主要用于一些果園、菜園或大棚的灌溉上.同時我國的一些缺水區在農作物的灌溉上也可利用這些灌水技術.

1.1.2 滴管系統介紹

滴灌不僅能避免地面的土壤流失、減少農作物間的水汽蒸發、有效的節約水資源，還能確保農作物根部的水份不會過于干燥或過于濕潤，從而合理的保持土壤的通氣性.同時，采用滴灌技術來對農作物進行灌溉還可以有效的節省勞動力資源，在遇到陡坡時也不需要鑿開渠道.但是滴灌技術也存在著一定的缺陷，例如對滴灌的投資成本比較高，而且在滴灌的時候滴頭很容易被堵塞.首部、管道系統、滴頭是滴管系統的主要構成部分.①首部就是將從水源抽出的水進行加壓，再將化肥融入有壓水中通過過濾器將雜質過濾掉，然后再將水輸入管道中；②管道系統主要是由干管、毛管及支管組成，它們都是通過對高壓聚乙烯和聚氯乙烯的加工處理而制成的；③滴頭本身具有消能的作用，所以在灌溉的過程中，可以讓水流經滴頭的孔隙，然后以水滴的形式對土壤進行灌溉.

1.2 基于單片機控制的節水灌溉系統組成

（1）單片機控制的節水灌溉系統工作流程主要是：在單片機控制的基礎下，對灌溉工程的一系列設施進行監測，并對相關的信息進行檢測與處理.

（2）單片機控制的節水澆灌系統工作原理是：通過土壤濕度傳感器對種植物的土壤進行檢測，并將信息轉化為數據，然后通過AT89C51單片機來對相關的設備進行控制，若數據顯示土壤濕度較高，那么就通過計算機操作來關閉程序，如數據顯示土壤濕度過低，那么就要打開電磁閥對農作物進行灌溉.

1.3 單片機控制的節水澆灌系統器件的選取

1.3.1 對于單片機的選取

早期的單片機就是指單片微型計算機，也可稱為微控制器，是在集成電路出現和發展的背景下而形成的一種芯片級的計算機，其實質就是將計算機的中央處理器、隨機存儲器、只讀存儲器以及各種I/O接口集成在同一個芯片上.由于單片機具有強大的功能、較小的體積、耗能低、集成度高、使用便捷且價格便宜等優勢，所以在我國得到了廣泛的推廣和使用.早先的單片機是以嵌入式微控制器的形式出現的，并且在嵌入式系統的領域中，單片機是最受人們青睞的核心器件.當下，隨著計算機技術的不斷進步，以計算機為主導的一系列工業生產也取得了相應的發展，并且逐步的融入到了人們的生活中，例如在家用電器的制造中、工業生產的控制中以及醫療儀器的檢測中都存在著單片機.當下，隨著科技的發展，單片機制造公司也獲得了相應的發展.在眾多公司相繼推出的各種單片機中，最受歡迎的就屬INTEL公司所推出的具有很高性能的MCS-51系列單片機，這種單片機以精湛的技術和高性價比的優勢，很快的就在一些工業測控以及自動化工程領域得到快速發展，并成為單片機領域的主打品牌.

除此之外，ATMEL公司所推出的89系列單片機也倍受青睞.89系列單片機又名Flash單片機，它主要是以8031作為核心而產生的，不僅具有INTEL公司所推出的MCS-51系列單片機的各項功能，還進一步的優化和擴展了原先單片機的功能.89系列的單片機內部設有Flash存儲器和靜態時鐘，并且還能兼容AT80CS1的插座，最重要的是，當單片機出現編程錯誤時不會有廢品生成，而且還能進行重復的系統實驗.針對節水澆灌系統的特點以及各種型號單片機的優點特征比較，ATMEL公司所推出的89系列單片機是最合適的選擇.由于89系列單片機內的芯片含有128字節的RAM，所以就不用對系統內的程序存儲器進行再拓展.

1.3.2 對于土壤濕度傳感器的選取

土鉆法是當下最常用的測定土壤水分的方法，其基本原理就是用烘箱烘干鉆出的土壤，然后再對烘干的土壤進行稱量，進而計算出土壤中的含水量.同時也可以用石膏電阻法或負壓法等來間接的測量土壤中的含水量.自1998年以后,TDR技術受到了很多研究者的歡迎.TDR技術能準確的測量土壤中的含水量并且不局限于土壤的類型，最重要的是無核輻射作用，對人體零傷害.土壤水分含量的多少直接的影響了農作物的生長，所以傳感器的選擇也很重要.若要選擇高精度的土壤濕度傳感器，那么就會使成本增加，若選用精度低的傳感器，那么就不能對土壤濕度進行合理的控制.美國生產的AQUA-TEL-TDR便攜式土壤水分儀具有TDR原理水分探頭，且簡單易攜帶，技術含量也很高，所以針對本文探討的重點，選取AQUA-TEL-TDR便攜式土壤水分儀測量土壤水分的含量最適合.

1.3.3 對于節水灌溉系統數模轉換芯片的選取

數模轉換的原理就是將模擬信號轉換成數字信號，同時兩者的大小要成正比，并且在數據采集系統中要以數模轉換電路為核心.目前市場上的數模轉換主要可分為逐次逼近式數模轉換電路以及雙積分式轉數模轉換電路.①逐次逼近式數模轉換器在轉換精度上比較高，轉換速度也很快，且在具有很強分辨率的同時還能量化誤差；②雙積分式數模轉換電路的轉換精度最高，且具有很強的抗干擾能力，價格便宜，但在轉換的速度上比其它的轉換器要慢.綜合考慮，選取逐次逼近式數模轉換器最合適.

2 單片機控制的節水澆灌系統硬件電路設計

2.1 單片機主機上的時鐘電路設計

單片機內的各項微操作是以時鐘發出的信號為準基的，一般情況下時鐘發出的信號是通過內部和外部震蕩的形式而生成的.時鐘電路的工作原理就是通過高增益反向放大器來構成振蕩器，并將放大器的輸入端與輸出端分別于晶體振蕩器或陶瓷諧振蕩器相連接，從而形成振蕩時鐘脈沖.

2.2 單片機主機上的復位電路設計

只有采用復位的方式才能將單片機內部的功能寄存器初始化，同時，復位之后的單片機中央處理器和相應的設備都會變成初始狀態.外來電路是讓單片機復位的必要條件，并且只要RST引腳上的高電平能持續兩個機器周期，就能讓CPU以及系統中的各個設備復位.復位操作包括上電路復位和開關復位兩種情況，單片機控制的節水澆灌系統采用的就是上電路復位的方式.

2.3 單片機主機上的超限報警電路設計

聲光報警、閃光報警、鳴音報警以及語音報警是目前報警信號中最常用的幾種類型.這幾種報警信號能在一些緊急的狀態下引起工作人員的注意，從而確保工作人員在工作時不會疏忽大意，能及時的發現并處理好問題.在單片機控制下的節水澆灌系統中所采用的就是聲光報警電路，該電路中設置了壓電路鳴器，且電路中蜂鳴器的兩端連接在高電平與P1.0上，只要通過驅動電流就能產生蜂鳴聲，因此，若要報警，就將蜂鳴器的端口清零，這樣就能通過延長對程序的控制從而來延長聲音的長短.

3 系統軟件設計中的數據處理

3.1 數據處理中的數字濾波技術

數據處理中的數字濾波技術不僅能在統計規律的基礎下減輕對有效信號的干擾，還能消除由于信號干擾而導致的誤差.數字濾波技術只要改變相應軟件中的運用參數并通過軟件算法就能很快的轉變自身的特性，且不需要任何的硬件.

3.2 數字顯示的標度變換

所謂標度變換，就是指將數模轉換的結果數字變換為溫度值，且可供顯示或打印.數字顯示的標度變換原理就是將經過微機化測控系統處理后的原始數據輸出顯示器，并作為顯示數據，然后將數據通過數模轉換變成溫度值.

4 對單片機控制的節水澆灌系統的總結與建議

4.1 單片機控制的節水澆灌系統具有：①在對農作物進行灌溉時，該系統具有很強大的適用性，只需啟動系統以及對顯示器上的參數進行設置就能有效的監控土壤的濕度；②該系統可以在適當的時候給作物灌溉適量的水，這樣就會給作物提供一個優越的生長環境，并且還能有效的節約水資源，提高對水資源的利用率；③該系統的成本不高，且操作簡單具有很強的擴展性，同時只要對系統稍微的改變一下，就能擴大其功能.

4.2 雖然在單片機控制下的節水澆灌系統在現代化農業發展過程中起到了很大的推動作用，但無論是在硬件還是在軟件的設計上都存在一些不合理的地方.以下是對單片機控制的節水澆灌系統的若干建議：①單片機控制下的節水澆灌系統只是對水進行監測與控制，并沒有對肥進行監控，因此，要想作物有效的生長，就要將水與肥有機的融合起來進行灌溉；②要全面的考慮土壤濕度與作物需水量之間的關系，準確的判斷作物的需水量，從而對作物進行合理的灌溉；③雖然該系統在平時的模擬檢測中運行良好，但是在實際的數據采樣方面還不夠穩定，因此，在數據采樣的穩定性方面還要作進一步的完善.

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S277.9；TP29

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1673-260X（2013）07-0133-02