基于C8051F80X單片機及PC機的節水灌溉與施肥控制管理系統

楊金紅 蘇剛 林詠海 洪雪飛

摘要 基于PC機及C8051F80X單片機的智能化滴灌及施肥管理系統能夠監控不同土壤的濕度，并根據農作物對土壤的不同濕度要求，從而實現適量、適時灌溉的目的。在進行灌溉的同時，把測土配方后的肥料通過輸水管道輸送到植物根部，科學合理的進行水肥供給。單片機和PC機是智能化滴灌及控制施肥的核心部分，對土壤灌水量與濕度的關系、智能滴灌技術、控制系統的硬軟件等部分進行了探討與研究，同時根據不同的作物對各類肥料有不同的需求率和利用率，對不同的植物采用不同的施肥方式，提高肥料利用率。把灌溉和施肥結合起來，可以完成對作物生長期各個階段的肥料及水分需求進行統計，形成農業專家數據庫，真正作到科技興農。

關鍵詞 C8051F80X;模糊控制

中圖分類號 S126 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）33-11948-03

Water-saving Irrigation and Fertilization Control Management System Based on C8051F80XMCU and PC

YANG Jin-hong1， SU Gang2， LIN Yong-hai1 et al

（1. School of Electronic Engineering， Huaian College of Information Technology， Huaian， Jiangsu 223003; 2. School of Media Arts， Huaian College of Information Technology， Huaian， Jiangsu 223003）

Abstract PC and C8051F80X single chip computer intelligent drip irrigation and fertilization management system can monitor based on different soil humidity， and according to the requirements of different crops on the soil humidity， so as to achieve the purpose of appropriate， timely irrigation. In irrigated at the same time， the soil testing and fertilizer after delivery to the roots of the plant through the water pipe， the scientific and reasonable water and fertilizer supply. PC and MCU is the core part of intelligent drip irrigation and control fertilization， the relationship of soil irrigation quantity and humidity， intelligent drip irrigation technology， control system hardware were discussed and studied， at the same time， according to the different crops on various types of fertilizers have different needs and utilization rate， for different plants by different fertilization methods， the utilization rate of the fertilizer was improved. The irrigation and fertilization combination can finish statistics on fertilizer and water demand of crops in each growth period， and form agricultural expert database.

Key words C8051F80X; Fuzzy control

作者簡介 楊金紅（1980- ），女，江蘇淮安人，講師，碩士，從事儀器儀表與電子測量研究。

收稿日期 2014-10-11

我國人均占有水資源非常貧乏。當前，全國總缺水量超過400億m3，其中農業是用水大戶，約占70%，而灌溉用水是農業用水的90%。采用傳統的灌溉模式，全國平均用水量超過實際需要的1～2倍，有些地方是2倍以上。當前，我國灌溉水資源的浪費情況相當嚴重，節水的潛力十分巨大。

當前制約我國農業發展的因素中，除了水資源的貧乏，還有肥料利用率偏低的問題。我國耕地面積占世界的7%，施肥量卻占到了世界施肥總量的30%。不能科學合理地施用化肥也使得農業種植成本增高，造成資源浪費和經濟損失，更重要的是對生態環境造成污染，所以必須提高肥料利用率。這樣，一方面能降低農業的產品投入，另一方面能保護環境，節約資源。

針對我國施肥不合理和灌溉系統自動化水平較低的問題[1-5]，研究了基于PC機及C8051F80X單片機的智能化滴灌及施肥管理系統，該系統可監控不同土壤的濕度。根據農作物對土壤濕度的不同需要合理灌溉，在進行灌溉的同時，把測土配方后的肥料通過輸水管道輸送到植物根部，科學合理地進行水肥供給。智能滴管及施肥系統的核心是單片機和PC機。為此，筆者對土壤灌水量與濕度的關系、智能滴灌技術、控制系統的硬軟件等部分進行了探討與研究，同時根據不同的作物對各類肥料有不同的需求率和利用率，對不同的植物采用不同的施肥方式，提高肥料利用率。把灌溉和施肥結合起來，可以完成對作物生長期各個階段的肥料及水分需求進行統計，形成農業專家數據庫，真正作到科技興農。

1 系統的硬件系統設計

單片機控制由上位機部分和下位機部分組成。上位機同下位機的電平轉換功能通過MAX232芯片實現，下位機部分的硬件電路以C8051F80X單片機為核心，外圍的硬件電路由信號調理電路、土壤濕度檢測電路、控制輸出電路、數據顯示電路、報警電路組成。采用匯編語言進行編程。上位機和下位機二者通過串行方式通信，故能進行數據的雙向傳輸，通信軟件選用具有友好的人機界面的VC編程。系統能夠實現的功能有：①土壤的濕度相關參數通過電腦上的人機對話界面來設置;②土壤濕度傳感器測到的土壤濕度模擬量可由單片機轉換成數字量，LED在顯示器上顯示濕度值，濕度值通過單片機的串行通信電路傳輸到PC機上;③所需的灌水量和灌水時間由PC機通過專用程序計算，在界面上顯示，灌水信息通過串行口送給單片機，有灌水需要，鳴音報警由單片機系統啟動，經驅動放大設備啟動電磁閥進行灌水，否則不灌水。該項目還對土壤濕度與灌水量之間的關系進行了試驗研究，在對土壤濕度的分析和處理中用到了模糊控制理論，起到了節水灌溉的目的。

“測土、配方、配肥、供應、施肥指導” 是測土配方施肥技術的5個核心環節。該項目主要解決肥料供應的問題，將配好的肥料溶解在灌溉水中，灌水及施肥雙管齊下，實現高效農業。另外，利用植物生長的周期較長的特點，把植物生長的各階段對應的水肥需求信息通過PC機記錄，用專門的軟件分析計算，得出不同作物生長過程的最佳水肥配比，提高肥料利用率，指導農業生產，起到提高經濟效益、節約資源、保護環境的作用。

1.1 滴灌系統

1.1.1 滴頭。水流經過滴頭的微小的孔隙，成水滴，滴灌進入土壤。

1.1.2 水管系統。水管系統包括毛細管、支管和主管。主管和支管的內徑一般為40～100 mm，毛細管的內徑大約10 mm，可以選擇聚氯乙烯或高壓的聚乙烯材料制成。旁通、四通、三通、二通、把毛細管、支管和主管連接上。

1.1.3 前部。前部由過濾器、水泵和化肥罐組成。通過抽水加壓同時施入液體肥料（液體肥料灌的容積100～150 L），通過過濾裝置濾除雜質;最后水肥液被送進主管。

1.2 單片機控制系統

單片機監測、控制滴灌工程的主要設備并進行各種信息處理，系統結構簡圖如圖1所示。單片機控制系統如圖2所示。

1.2.1 單片機的選取。

該系統選用ATMEL標準型單片機C805lF800微控制器系列，該系列微控制器具有快速的電容接觸響應功能。電容數字轉換器（CDC）集成在C805lF800微控制器上，觸摸響應功能可在終端產品中實現。由于高分辨率電容數字轉換器獲取時間為40 s，中央處理器（C P U）是25MIPS，觸摸感應功能既精密又快速，滾軸、機械式按鈕及滾輪足以被取代。生產階段和原型的厚度落差和形狀可以由16位分辨率由電容數字轉換器和固件補償，使F800微控制器可以通過設置Threshold值來免除誤觸，又可以實現高分辨率，終端產品的可靠性得到改善。CPU資源很少被電容數字轉換器占用，其他任務被微控制器執行，系統性能進一步提高。

圖1 灌溉系統示意

圖2 單片機控制系統示意

1.2.2 土壤濕度傳感器的選用。

作物生長受土壤水分多少的直接影響，作物在合適的濕度環境下，生長狀況好，所以就要選用可以使濕度控制在一定的范圍內的土壤濕度傳感器，這樣農田土壤水分能夠被準確、快速地測定，施肥、澆灌和排水措施可以科學地進行。傳感器所測土壤水分信息作為該系統的輸入信號，因此要合理選擇傳感器。土壤濕度傳感器的測量精度太低，很難精確控制土壤濕度，精度如果太高，會增加支出。綜合考慮，以美國生產的AQUA-TEL-TDR便攜土壤濕度分析儀作為濕度傳感器。它便于攜帶，可長期放在地下，操作簡單，能耗低，其技術參數如下：

①測量土壤水分范圍0～100%;

②重復性誤差<1%;

③溫度范圍-60～85 ℃，精度±2 ℃;

④電源12DC±20%，電流40 mA;

⑤輸出0～1 mA，可選4～20 mA或0～5 V;

⑥預熱時間1 min;

⑦標準電纜30.48 m。

1.2.3 下位機軟件編程。

單片機是該系統下位機的核心，匯編語言作為編程語言。匯編語言采用符號地址、指令的助記符、標號等符號進行程序書寫，它是單片機軟件編程的重要工具。匯編語言能夠在系實時控制、智能計算和實時處理等領域中有著十分重要的的地位。單片機的硬件功能可以通過匯編語言被充分實現，程序質量高，軟件占用的內存空間小、程序的運算速度很快。而且它和具體單片機合為一體，屬于非常通用的低級程序語言設計，使用匯編語言編寫的程序，單片機內部的片內RAM單元和工作寄存器可以被用戶直接訪問，數據的處理過程有針對性。所以，即使如今已經開發很多集成可視化開發環境和高級語言，匯編語言仍然是十分有效的程序設計語言。

1.3 測土配方施肥的研究

以肥料的農田試驗和土壤成分測試作為依據，依據土壤的供肥性能、肥料的效應和作物的需肥規律，以肥料合理施用為基礎，研究磷、氮、鉀和中、微量元素等肥料的配比、施肥方法和施肥階段。解決和調節作物土壤施肥與土壤需肥之間的差異是測土配方施肥的核心技術。使作物所需的營養元素的補充更有針對性，根據農作物營養元素的缺失情況，有針對性地進行補充和調整，使農作物生長所需營養素達到均衡供給，同時可以使肥料利用率提高，使肥料使用量降低，在使作物增產的同時，提升農作物的品質，實現節約勞力，增加農民收入的目的。

2 系統軟件設計

2.1 雙機通信

C805lF800單片機和PC機的雙機通信軟件包括PC機的串行通信軟件和單片機的通信軟件，PC機的串行通信軟件采用VC語言編程，單片機部分采用匯編語言編程。上位機串口通信及可視化界面編程采用VC高級語言編程。

系統工作界面包括土壤濕度下、上限、土壤濕潤層深度等參數設置。當用戶正確設定了上述參數值，得出需灌水量和灌水時間的數值，上位機將灌水所需時間和土壤濕度下限值通過串行通信口傳給單片機。當系統工作正常時，如果土壤濕度值小于或等于土壤濕度下限值被檢測到，系統上位機和單片機都可以自動計算出灌溉水量和灌水時間，進行灌水。上位機則對每次灌溉水量和所需養分進行記錄，為形成農業專家系統提供基本的數據來源。

2.2 模糊控制灌水

建立于人類思維的模糊性基礎之上的模糊控制學與傳統自動化控制學有著根本的區別，它可以高效地描述和模仿人的思維方式，反映和總結人的生活經驗，能夠對復雜系統和事物可進行模糊識別、模糊度量、模糊控制、模糊推理和模糊決策。

模糊控制算法有多種實現形式，常用的方法有通過合成推理發展的合成推理的查表法、關系矩陣法、強度轉移法和后件函數法、合成推理的解析公式法等。在對土壤濕度的分析和處理中用到了模糊控制理論，傳感器采集到當前的土壤濕度值首先送給控制系統，控制系統對采集到的數據進行處理，系統根據處理后的數據，求出和所設定的土壤的濕度值的偏差E和偏差變化率EC。按照模糊控制理論的要求，偏差E和偏差變化率EC被模糊化處理和規范化，查出模糊控制響應表，得出輸出控制量，控制設備的開關。

土壤濕度的控制中引入模糊控制的思想，能夠減少水資源的浪費，同時能夠根據作物的實際需求合理灌溉，降低農業投入成本，增加農民收入。

參考文獻

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