基于單片機的節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)的設(shè)計

楊光

（北京郵政新聞宣傳中心，北京 100001）

基于單片機的節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)的設(shè)計

楊光

（北京郵政新聞宣傳中心，北京 100001）

隨著科學技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，計算機和單片機技術(shù)在不斷的進步，其性價比、穩(wěn)定性以及效率也在不斷的提高，使其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域方面的應(yīng)用也成為了現(xiàn)實并逐步的發(fā)展起來。本文基于單片機設(shè)計了一套灌溉自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了對農(nóng)作物進行適時適量的灌溉，同時實現(xiàn)了節(jié)水和節(jié)能的高效灌溉。

單片機；灌溉自動控制系統(tǒng)；節(jié)水

我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)的現(xiàn)代化建設(shè)，在水力灌溉方面需要自動化技術(shù)來代替，這樣才能滿足大面積灌溉的實際需求。灌溉自動控制系統(tǒng)成為農(nóng)業(yè)灌溉自動化的重要研究方向。隨著市場的擴大，灌溉自動控制系統(tǒng)在我國有了一個基礎(chǔ)并且應(yīng)用也相對廣泛。同時，在研究和發(fā)展的過程中，新的技術(shù)也會不斷的產(chǎn)生并應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，隨著人們節(jié)水意識的提高，新的節(jié)水自動化控制技術(shù)應(yīng)用到水力灌溉中，會產(chǎn)生一種更新的、更節(jié)水的灌溉自動控制系統(tǒng)。節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)是農(nóng)業(yè)灌溉管理的主要自動化管理工具，在作業(yè)過程中，該系統(tǒng)不需要去過分的要求操作者的自身節(jié)水意識，完全通過自動化去進行節(jié)水灌溉管理，在大大提高灌溉效率的同時也大大的節(jié)省了勞動成本。除此之外，最重要的是該系統(tǒng)在按要求設(shè)置完成后，在節(jié)水的基礎(chǔ)上能夠定時定量的去進行灌溉，大大提高了農(nóng)作物的灌溉效率和產(chǎn)量。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

灌溉自動控制系統(tǒng)是當前農(nóng)業(yè)灌溉自動化中必不可少的一項技術(shù)，在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用也越來越普遍，并在使用過程對存在的問題進行解決，逐步的研發(fā)出新的技術(shù)，例如，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，人們對節(jié)水意識的提高，這樣的一個需求方向就讓節(jié)水自動化控制技術(shù)在水力灌溉中逐步完善。單片機是一個微型計算機，該計算機將CPU、寄存器、RAM/ROM、I/O接口電路通過合理的聯(lián)接在一起并集成在一塊電路芯片上。本文通過對技術(shù)和實際情況進行研究，確定采用AT89C51單片機節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的核心部分。

在系統(tǒng)中，通過土壤濕度傳感器去檢測電路中的濕敏電阻完成對土壤的濕度檢測，同時檢測到的電流信號通過相應(yīng)處理轉(zhuǎn)變成電壓信號，電壓信號輸入到A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809中，輸出數(shù)字信號。系統(tǒng)首先對土壤的濕度進行檢測，將檢測結(jié)果傳輸?shù)絃ED顯示電路進行顯示，這樣能夠?qū)崟r的去監(jiān)測土壤的濕度，在系統(tǒng)中對土壤的溫度范圍進行設(shè)置，然后通過相應(yīng)的模糊算法來完成對水閥的開關(guān)控制。整個系統(tǒng)主要由AT89C51系統(tǒng)電路、電源電路、濕度檢測電路、顯示電路、開關(guān)控制電路等設(shè)備組成。在系統(tǒng)中，土壤濕度傳感器對土壤的濕度進行檢測，將檢測的模擬信號傳輸?shù)絾纹瑱C，單片機能夠?qū)⒃撃M信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，數(shù)字信號傳輸?shù)较到y(tǒng)控制中心，控制中心根據(jù)信號信息自動的判斷該土壤當前是否需要進行灌溉。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

本系統(tǒng)硬件電路主要包括：單片機主系統(tǒng)電路、時鐘電路、數(shù)據(jù)的存儲擴展電路、LED顯示電路等組成。

2.1 單片機主系統(tǒng)電路

AT89C51單片機是51系列單片機的一種，它是由8051單片機進行簡化而產(chǎn)生的。該單片機內(nèi)部自帶2K字節(jié)可編程FLASH存儲器的低電壓、高性能COMS八位微處理器，與Intel MCS-51系列單片機的指令和輸出管腳相兼容。由于將多功能八位CPU和閃速存儲器結(jié)合在單個芯片中，所以該單片機在單片機系列中具有很多的優(yōu)勢，它的結(jié)構(gòu)非常簡單，價格比較低，工作效率卻非常的高，AT89C51單片機摒除了外部的RAM和ROM等接口，大大降低了硬件方面的開銷，降低了成本，整個單片機的性價比得到了大大的提高，如圖2所示。

2.2 數(shù)據(jù)存儲的擴展電路

AT89C51單片機當需要與數(shù)據(jù)RAM進行外部連接時，在P2端口處就會輸出存儲器的地址，該地址為高8位，相應(yīng)的低8位在P0端口輸出，同時輸出的還有相應(yīng)的傳送指令字節(jié)。當P0端口在輸出低八位的地址后，通過ALE能夠?qū)⒃摰刂反鎯υ诘刂锋i存器中，這時的P0端口就能夠當作數(shù)據(jù)總線進行其它工作，在系統(tǒng)中，地址鎖存器采用了74LS373，電路圖如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)存儲擴展電路

圖2 單片機主機系統(tǒng)圖

2.3 數(shù)據(jù)采集處理電路

ADC0809是一種8位逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器內(nèi)部包括八路模擬式開關(guān)和八路模擬輸入端，這些開關(guān)都具有相應(yīng)的鎖存控制功能，這些輸入端能夠?qū)﹄妷盒盘栠M行轉(zhuǎn)換。ADC0809是種分辨率能夠達到八位的轉(zhuǎn)換器，其存在的誤差最大為1LSB，供電方式為+5V電壓，功耗達到了15mW,無需對零點以及滿度進行相應(yīng)調(diào)整。因為ADC0809轉(zhuǎn)換器在運行過程中，其輸出數(shù)據(jù)的寄存器能夠進行可控的三態(tài)輸出，并且輸出時有著相應(yīng)的TTL三態(tài)鎖存緩沖器，所以當其數(shù)據(jù)輸出產(chǎn)生的引腳能夠和數(shù)據(jù)總線進行連接。A/ D轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換時，首先需要通過控制器來完成對轉(zhuǎn)換信號的啟動，在啟動的過程需要由CPU進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換信號，對于A/D轉(zhuǎn)換器的型號不同，所需要的啟動轉(zhuǎn)換信號的方式和要求也不相同，主要包括分脈沖啟動和電平啟動，ADC0809是通過脈沖啟動進行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，需要為A/D轉(zhuǎn)換器添加一個正脈沖，這個正脈沖需要添加到A/D轉(zhuǎn)換器的引腳上，在轉(zhuǎn)換進行的過程中，輸出端信號就會自動的降低。當轉(zhuǎn)換完成時，輸出端信號就會升高，然后發(fā)送信息到主機，主機就會對轉(zhuǎn)換完成的數(shù)字量進行分析，這個數(shù)字量信號能夠當作A/D轉(zhuǎn)換器的一個狀態(tài)信號，方便后期的信號查詢，也能夠當作一種中斷請求信號，電路圖如圖4所示。

圖4 信號采集電路

3 電磁離合器異步電動機

3.1 電機概念介紹

電磁離合器電機稱為電磁調(diào)速異步電動或滑差電機，使電機能夠?qū)崿F(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩交流的變速電動機。電磁離合器能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)備的主動軸和從動軸的快速結(jié)合、快速分離以及停止等操作，這些設(shè)備可能正在高速的運動中或者在高負載下，電磁離合器是一種非常高效的自動電磁元件，在當前各種系統(tǒng)或設(shè)備中應(yīng)用非常廣泛。對于動作特別快的離合器，能夠應(yīng)用在一些高精確的工作中。電磁離合器的整個運行過程包括啟動、力矩上升和離合器斷開三部分。它的速度調(diào)節(jié)范圍非常廣泛，同時在調(diào)節(jié)過程中速度轉(zhuǎn)化也非常的平滑穩(wěn)定，在啟動的過程中離合器的轉(zhuǎn)矩非常的大，但所需求的功率卻非常小。通過這些優(yōu)點能夠看出，電磁離合器是節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)中必不可少的效益電磁元件。

電磁調(diào)速異步電動機有很大的優(yōu)勢，但也存在缺點，當電動機在空載或輕載的狀態(tài)時，就會產(chǎn)生反饋不明顯的現(xiàn)象，從而造成失控；調(diào)整的過程中，當轉(zhuǎn)速逐步的變低時，離合器在整個過程中功率以及效率的輸出也會相應(yīng)的降低。根據(jù)以上分析，電磁調(diào)速異步電動機一般實用于較長時間穩(wěn)定運轉(zhuǎn)或者短期低速運轉(zhuǎn)的系統(tǒng)中。電磁調(diào)速異步電動機在使用的過程中，當該電動機為主驅(qū)動，搭配一臺三相異步電動機來實現(xiàn)低速動作，這樣能夠更加高效的動作。

3.2 電磁離合器電機結(jié)構(gòu)及原理

電磁離合器電機主要包括異步電動機、電磁滑差離合器和電氣控制裝置三部分。該電機的原動機為異步電動機，異步電動機啟動后能夠帶動離合器一起旋轉(zhuǎn)，電氣控制裝置是提供滑差離合器勵磁線圈勵磁電流的裝置。在整個動作過程中的核心部分為電磁滑差離合器，主要由電樞、磁極和勵磁線圈組成。電樞是一種圓筒狀的鋼制部件，電樞和異步電動機的轉(zhuǎn)軸通過轉(zhuǎn)帶結(jié)合在一起，它們構(gòu)成了整個電機的主動部分；磁極是一種爪狀的鋼制部件，它一般安裝的位置是負載軸，構(gòu)成了整個電機的從動部分。在電機中，主動和從動兩部分在整個動作過程中沒有直接關(guān)聯(lián)。在動作過程中，勵磁線圈通過電流時產(chǎn)生磁場，爪狀結(jié)構(gòu)在整個磁場中能夠產(chǎn)生許多的磁極。這個時候如果電樞被異步電動機帶著旋轉(zhuǎn)，就會對磁場進行切割，產(chǎn)生相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩，從動的磁極就會和主動的電柜同時進行旋轉(zhuǎn)，從動的速度比主動的速度要低，原因在于只有電樞和磁場的運動軌跡是相對的時，電樞才會對磁力線進行切割。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)在對當前自動控制技術(shù)、國內(nèi)外的實際情況以及節(jié)水灌溉的實際需求進行研究，在完成對土壤溫度進行自動檢測的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)一個節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)。

[1]基于STC89C51單片機的智能微噴灌控制系統(tǒng)的設(shè)計[J]．閆瑞濤．黑龍江科技信息,2013(34) ．

[2]基于單片機的蔬菜大棚自動灌溉系統(tǒng)研究設(shè)計[J]．鞠永勝．農(nóng)機化研究．2012(10) ．

[3]基于單片機自動灌溉系統(tǒng)的設(shè)計[J]．甘龍輝．無線互聯(lián)科技．2012(08) ．

[4]基于單片機控制的自動澆灌器設(shè)計[J]．陳浩．綿陽師范學院學報．2012(11) ．

[5]基于單片機的水灌溉自動控制系統(tǒng)設(shè)計[J]．黃慶南,蘇珊．安徽農(nóng)業(yè)科學．2011(23) ．

[6]基于單片機控制的定量灌溉系統(tǒng)的設(shè)計[J]．寧玉偉．河南農(nóng)業(yè)大學學報．2010(03) ．

[7]自動控制溫室滴灌系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J]．汪金營．節(jié)水灌溉．2010(07) ．

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