基于AT89S51單片機的智能型自動澆水系統(tǒng)

杜瑞娟，米娜瓦爾·吾買爾，霍大勇

(1.南陽理工學院，河南 南陽 473004；2.喀什大學，新疆 喀什 844006)

0 引言

隨著信息技術和智能控制技術的發(fā)展，自動灌溉技術朝著智能化、便捷化的無人操作化方向發(fā)展，已有很多大型企業(yè)在智能型自動澆水技術方面取得了重大突破，如水泵機組噴灌技術、閥門技術、微噴灌技術、中心控制系統(tǒng)軟硬件技術、農(nóng)田自動施肥及施藥技術等。在新疆南部地區(qū)，其綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)的特點，對節(jié)約用水、智能化灌溉具有更加強烈的需求。但目前該地區(qū)在農(nóng)田灌溉方面還是以漫灌為主，造成了有限的水資源的浪費，加劇了灌溉用水的供需矛盾；同時，漫灌作業(yè)還存在灌溉不均勻、作業(yè)效率低、浪費人工工時等缺點。基于此，設計了一套基于單片機控制的智能化澆水系統(tǒng)。該系統(tǒng)在阿克蘇某農(nóng)場試用一年，獲得了較好的效果，應用于百畝棗園和3.3hm2棉田的自動灌溉，同比節(jié)水38%，每3.3hm2農(nóng)田平均節(jié)約人工25個工作日；但附加了設備、電力成本和系統(tǒng)運行維護成本。

1 總體方案

智能型自動澆水系統(tǒng)的設計是由AT89S51單片機為核心，配合外圍溫濕度檢測電路組成。

在硬件電路設計方面，選擇穩(wěn)定性強的AT89S51 單片機，能很好地保證整個澆水系統(tǒng)的正常工作。通過與外圍電路的配合可以實現(xiàn)對信息的采集、傳輸、處理等操作，并且直觀體現(xiàn)出來。

程序是這個澆水系統(tǒng)的靈魂，它將每個部分相互連接起來，讓其有條不紊的工作。程序執(zhí)行時，首先對采集的信息進行處理、比較與判斷，再將信息通過LCD顯示器顯示，同時驅(qū)動電機工作，實現(xiàn)澆水。系統(tǒng)具有工作過程穩(wěn)定，可以實時反應環(huán)境變化，準確實現(xiàn)澆水的優(yōu)點。

2 硬件設計

2.1 AT89S51單片機

單片機內(nèi)部電路主要由CPU、存儲器、定時器及I/O接口組成。本次設計采用的AT89S51單片機是一款功耗低、高性能的單片機，擁有一個4kB的Flash程序存儲器，一個128 B的高速RAM，在提升單片機運行速度的同時還降低了功耗。片內(nèi)有2個16位的定時器/計數(shù)器，5個中斷請求源。

2.2 溫度傳感器

溫度傳感器對溫度的采集選用PR-35封裝的DS18B20 測量實際溫度。DS18B20數(shù)字溫度計可以直接讀取數(shù)字溫度，使單片機對它的控制十分簡單，也省去了復雜的測溫電路。它的DQ引腳與單片機引腳相連，數(shù)據(jù)的傳輸和供電都可以通過DQ引腳，當然也可以外接電源。DS18B20最高測量溫度是+125 ℃最低測量溫度是-55 ℃，誤差在±5 ℃之間。

溫度測量開始后，單片機首先對DS18B20發(fā)出一個復位的信號，DS18B20收到信號后會回執(zhí)單片機一個脈沖，單片機與DS18B20之間的數(shù)據(jù)通信開始；接下來單片機會發(fā)送一個ROM指令給DS18B20，再發(fā)送一個存儲器操作指令，該指令的功能是規(guī)定DS18B20怎樣工作。當要讀取溫度值時，就要執(zhí)行兩次這樣的工作周期，然后就得到了溫度值。

設計中DS18B20采用寄生電源的方法與單片機進行連接，即將VDD電源引腳與單總線并聯(lián)，如圖1和圖2所示。

圖1 DS18B20的引腳圖

圖2 DS18B20與單片機連接圖

2.3 濕度傳感器

YL-69土壤濕度傳感器由兩部分組成：一部分是兩個長引腳的濕度采集部分，引腳上面做了鍍鎳處理，工作原理類似于檢測電阻的大小。即水分較多時土壤導電能力大，電阻就小；水分少時土壤導電能力弱，電阻就大。另一部分是信息處理部分，一個LM393芯片，功能是將檢測到的濕度與設定值相比較，芯片上還有一個靈敏度調(diào)節(jié)電位器，可以通過它設置濕度的上下限值。

濕度傳感器的特性：

1)為了延長傳感器的使用壽命和提高導電性能，特地在兩腳的感應面上做了鍍鎳處理；

以水稻穗部抽出葉鞘1 cm為標準記錄生育期，將生育期及對應株號記錄在牌子上并將牌子掛在對應單株上。收獲時分單株收獲，同時測量并記錄對應株高（從地面到最高穗頂部的高度）。收獲的單株在掛藏室里陰干后考種，分別考察有效穗數(shù)、穗長、每穗粒數(shù)、單株粒重、單株干重和千粒重。考種時考察每個單株的所有穗及單穗上所有谷粒。

2) 電源引腳Vcc接3.3～5 V的電壓，GND引腳接地。D0引腳接到單片機上就可以傳輸數(shù)據(jù)。

濕度傳感器需要通過ADC0832進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單片機才能讀取數(shù)據(jù)，ADC0832是一個8位分辨率的A/D轉(zhuǎn)換芯片，在模擬量轉(zhuǎn)換方面表現(xiàn)優(yōu)越。圖3是ADC083的引腳圖；圖4是濕度傳感器與ADC0832連接圖。

圖3 ADC0832引腳圖

圖4 濕度傳感器與ADC0832連接圖

2.4 電機驅(qū)動電路

單片機對電機的驅(qū)動是用兩個不同的繼電器實現(xiàn)的。繼電器KA1由常開繼電器與常開接觸器SB1并聯(lián)，繼電器KA2由常閉繼電器與常閉接觸器SB2串聯(lián)。當單片機判斷需要澆水時，單片機會發(fā)出一個信號，讓繼電器KA1開關吸合，電源被接通，電路自鎖，電機開始工作；當單片機判斷不需要澆水時，繼電器KA2開關吸合，電源斷開，電機停止工作。其原理如圖5所示。

2.5 智能型自動澆水系統(tǒng)原理圖

智能型自動澆水系統(tǒng)的控制原理如圖6所示。

3 軟件設計

軟件設計方面采用的是C語言編程，編程工具是keil。程序以單片機驅(qū)動繼電器工作為最終目的，通過對比采集到的數(shù)據(jù)，通過顯示器顯示并對繼電器輸出相應指令，使其工作。自動澆水系統(tǒng)流程圖如圖7所示。

圖5 繼電器控制電動機電路

圖6 智能型自動澆水原理圖

圖7 澆水自動控制流程圖

4 田間試驗

4.1 試驗基本條件

田間性能試驗在位于阿克蘇地區(qū)的阿拉爾市幸福農(nóng)場進行。試驗農(nóng)田1為棗園，面積6.7hm2，樹齡8年，處于掛果盛期；試驗農(nóng)田2為棉田，面積 3.3hm2。該地區(qū)農(nóng)田屬于硫酸鹽鹽化潮土，質(zhì)地中壤，土壤干容重1.43～1.53g/cm3。田間持水量為28%～32%，飽和含水量為43%～50%。試驗農(nóng)田自然降水與蒸發(fā)量：年平均降水量79.6mm，主要降雨時段集中在5-9月。該地區(qū)年蒸發(fā)量為1 680～2 202mm，是年降水量的27倍，一年之中以5-8月蒸發(fā)量最大，月平均蒸發(fā)量260～360mm，冬季蒸發(fā)量較小為20mm左右。試驗農(nóng)田土壤溫度：平均溫度12.0～15.1 ℃，地面極端最高溫度62.4～71 ℃，極端最低溫度-27～-20 ℃；試驗年度5-9月平均溫度23℃，最高溫度51℃。

4.2 試驗方法

4.2.1 棗園

自動澆水系統(tǒng)投入前，試驗農(nóng)田的灌溉均為自然漫灌，地面以下20cm處土壤平均水分含量5%～7%。根據(jù)農(nóng)民的實踐經(jīng)驗決定灌溉時間和灌溉量。棗園整個生育期灌水3～5次，每次灌水量1 650m3/hm2。

投入的自動澆水系統(tǒng)采用自動控制的滴灌方式，根據(jù)土壤溫度和濕度控制灌溉節(jié)點，保持地面以下20cm處土壤平均含水量8%～10%。滴灌系統(tǒng)采用網(wǎng)格化管理，把百畝棗園分為5個區(qū)域進行控制，以利于控制土壤含水量。

4.2.2 棉田

自動澆水系統(tǒng)投入前，試驗農(nóng)田的灌溉均為自然漫灌，地面以下10cm處土壤平均水分含量20%～30%。根據(jù)農(nóng)民的實踐經(jīng)驗決定灌溉時間和灌溉量。整個生育期灌水4～6次，每次灌水量1 500m3/hm2。

投入的自動澆水系統(tǒng)采用自動控制的滴灌方式，根據(jù)土壤溫度和濕度控制灌溉節(jié)點，保持地面以下10cm 處土壤平均含水量30%±5%。滴灌系統(tǒng)采用網(wǎng)格化管理，把3.3hm2棉田分為5個塊狀區(qū)域進行控制，以利于控制土壤含水量。

4.3 試驗結果

智能型澆水系統(tǒng)控制器實物如圖8所示。

圖8 控制器實物圖

智能型自動澆水系統(tǒng)實施的試驗結果，如表1所示。

經(jīng)兩季耕作的實際使用證明，采用該系統(tǒng)可以有效提高作物產(chǎn)量，并可節(jié)水。

表1 智能型自動澆水系統(tǒng)實施的試驗結果

5 結論

本設計成功地實現(xiàn)了智能型自動澆水的目的。當植物需要澆水時，溫濕度傳感器能接收到信息，單片機便會控制電機進行澆水，全程無需工人看守，且檢測精確度高，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，實現(xiàn)了智能化、自動化。該系統(tǒng)分別應用于6.7hm2棗園和3.3hm2棉田的自動灌溉，同比節(jié)水均在38%左右;3.3hm2農(nóng)田可節(jié)約澆水人工25個工作日。但相應產(chǎn)生了設備和電力成本約180元/hm2，同時附加了系統(tǒng)運行維護成本75元/hm2。

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