智能自動灌溉系統(tǒng)電路設(shè)計

殷麗艷

1 引言

隨著農(nóng)林業(yè)的發(fā)展，為了解決普通農(nóng)戶的溫室大棚生產(chǎn)管理中的節(jié)水灌溉和人力消耗等問題，智能灌溉系統(tǒng)應(yīng)運而生。由于目前水源不足嚴(yán)重影響人類的生產(chǎn)和生活[1]，傳統(tǒng)的灌溉方式已無法適應(yīng)市場需求，減少水資源的浪費亟待解決。現(xiàn)代智能型微機控制灌溉系統(tǒng)正在逐漸推廣[2-5]，它是集傳感器、通訊、計算機等技術(shù)于一體的理論系統(tǒng)，能夠有效解決傳統(tǒng)灌溉中水資源浪費的問題。因而，本文設(shè)計了一個智能自動灌溉系統(tǒng)，它可以根據(jù)實際情況進行智能自動化的灌溉，實現(xiàn)智能自動灌溉的目的。該系統(tǒng)的優(yōu)勢在于節(jié)省人力，更是可以達(dá)到節(jié)約用水的目的，具有良好的推廣應(yīng)用價值。

2 設(shè)計目標(biāo)與系統(tǒng)整體方案設(shè)計

本設(shè)計是以基于單片機智能澆灌系統(tǒng)的工作原理為參考，它由大棚內(nèi)的溫濕度采集模塊、單片機主控模塊、LCD液晶顯示模塊、系統(tǒng)報警模塊、供水模塊構(gòu)成。這是一個集信息采集、單片機控制、顯示、報警和供水于一體的溫室大棚智能自動灌溉系統(tǒng)。

本設(shè)計的整體方案不僅要有智能自動方式[7-8]，還需要有手動按鍵方式，在傳感器部分出現(xiàn)故障后可通過按鍵操作繼續(xù)進行灌溉，而不受制于其它模塊。

在智能自動灌溉的模式下，首先我們需要設(shè)定大棚內(nèi)的適宜農(nóng)作物生長的正常溫濕度范圍，其次將大棚內(nèi)溫濕度采集模塊采集到的實際溫濕度值通過數(shù)據(jù)處理后輸送到單片機內(nèi)，在溫度值高于預(yù)設(shè)溫度最高值時，或者低于預(yù)設(shè)濕度最低值時，單片機主控模塊將會同時給供水模塊和報警模塊發(fā)出灌溉和報警的指令，直到溫濕度采集模塊采集到的信息回到設(shè)定的溫度范圍，單片機主控模塊才會給供水模塊和報警模塊發(fā)出停止工作的指令。其中，本設(shè)計大棚內(nèi)溫濕度的采集部分，由于傳感器采集到的信號不能直接用于單片機AT89C51，因此在這加了一個數(shù)據(jù)處理流程，處理過的溫濕度信息輸送到單片機內(nèi)，再由顯示模塊進行直觀顯示。在手動灌溉模式下，直接用手動按鍵控制灌溉的開始與結(jié)束。

總體電路圖如圖1所示。

圖1 總體電路圖

2.1 溫濕度采集模塊

（1）溫度傳感器：本設(shè)計選用的溫度傳感器是DS18B20，因使用便捷，準(zhǔn)確度高，非常適合本設(shè)計中大棚實時溫度的采集。且DS18B20是數(shù)字溫度傳感器，AD轉(zhuǎn)換過程在DS18B20里進行處理，它的輸出信號可以讓單片機直接接收。每個DS18B20溫度傳感器和其他同型號的溫度傳感器作用在同一條總線上并不會影響其功能，所以可在大棚內(nèi)許多不同的地方放置溫度靈敏器件，全面對大棚內(nèi)溫度進行監(jiān)測。

（2）濕度傳感器：選用4線制HR202濕敏電阻器的濕度傳感器，它作為新型的濕度傳感器，本身的濕度敏感元件的探測范圍廣，加上穩(wěn)定性能高，可用于本設(shè)計。本設(shè)計采用HR202濕敏電阻的濕度傳感器可長期穩(wěn)定地監(jiān)測土壤濕度。HR202濕敏電阻器采用高分子材料濕敏電阻元件作為敏感元件，屬水分子親和力型濕敏元件。它的測濕原理是通過濕敏電阻的感濕導(dǎo)電，通過濕度的變化構(gòu)成阻抗，從而產(chǎn)生相應(yīng)的線性電壓信號，隨后線性電壓信號通過A/D轉(zhuǎn)換成濕度量。

2.2 單片機主控模塊

本設(shè)計選取單片機AT89C51作為核心芯片，其中引腳RXD、TXD為串口收發(fā)端，INT0、INT1為外部觸發(fā)，WR、RD分別為外部寫選通和外部讀選通。可設(shè)定為四種模式：準(zhǔn)雙向口，推免，高阻，開漏。P1口第二功能為AD口和ISP下載口P0口自帶上拉電阻。

2.3 LCD液晶顯示模塊

選用LCD1602液晶顯示屏，它的每個點陣字符位都可以顯示1個字符，且之間也有一定的間隔，所以符合本設(shè)計實現(xiàn)顯示實時監(jiān)測的大棚溫濕度和設(shè)定的溫濕度閾值的要求。

2.4 報警模塊

此報警模塊擁有LED燈和蜂鳴報警的聲光報警。該系統(tǒng)首先是用單片機程序設(shè)定澆灌的上下閾值，然后將大棚內(nèi)溫濕度采集模塊輸送到單片機的實際溫濕度值與設(shè)定閾值相比較，如果實際溫濕度不在設(shè)定的安全范圍內(nèi)，單片機將給報警模塊發(fā)出開始報警的指令，這時聲光報警開始，直到實際溫濕度值回到安全范圍內(nèi)，單片機發(fā)出停止報警為止，聲光報警停止。

2.5 供水模塊

系統(tǒng)的供水模塊采用單片機控制直流水泵抽水來改善濕度情況，采用三極管放大加以驅(qū)動。供水模塊接收來自于單片機的信號，從而進行澆灌，這是一個工蟻型的模塊。本次設(shè)計將大棚內(nèi)需要灌溉的區(qū)域分為ABC三個區(qū)域，供水模塊的三個灌溉區(qū)域是通過接收單片機主控模塊的指令，從而進行開啟灌溉和停止灌溉的工作。

3 系統(tǒng)仿真結(jié)果

首先設(shè)定好溫濕度的上下限值輸送到單片機內(nèi)，再由單片機的I/0接口顯示在LCD1602顯示屏上，實際的溫濕度通過數(shù)據(jù)處理后輸送到單片機內(nèi)，也顯示到LCD1602顯示屏上，并由單片機主控模塊對實際溫濕度值和設(shè)定的溫濕度值進行對比，在溫度值高過于預(yù)設(shè)溫度最高值時，或者在濕度值低于預(yù)設(shè)濕度最低值時，單片機主控模塊將會同時給供水模塊和報警模塊分別發(fā)出灌溉和報警的指令，直到溫濕度采集模塊采集到的信息回到設(shè)定的溫度范圍，單片機主控模塊才會給供水模塊和報警模塊發(fā)出停止工作的指令。

為了更直觀地觀察仿真結(jié)果，分別做了實時濕度值低于設(shè)定濕度下限值時和實時溫度高于設(shè)定溫度上限值的兩個定量實驗，用聲光報警電路的LED燈的工作正常與否來判斷仿真是否可以實現(xiàn)預(yù)定功能。

仿真測試一：在保持測試溫度在設(shè)定溫度值的安全范圍內(nèi)，將測試濕度值低于設(shè)定的安全濕度值以下，通過觀察報警系統(tǒng)可否正常報警，來測試系統(tǒng)是否可以實現(xiàn)應(yīng)有的功能，測試結(jié)果如圖2，報警電路的LED燈閃爍，本次的仿真實驗成功。

圖2 軟件仿真測試（濕度）

仿真測試二：在保持測試濕度在設(shè)定濕度值的安全范圍內(nèi)，將測試溫度值高于設(shè)定的安全溫度值以上，測試系統(tǒng)是否可以實現(xiàn)應(yīng)有的功能，測試結(jié)果如圖3，報警電路的LED燈閃爍，本次的仿真實驗成功。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一個智能自動灌溉系統(tǒng)。根據(jù)總體的設(shè)計方案，該系統(tǒng)采用單片機AC89C51為核心元件，通過檢測和控制土壤濕度和大棚溫度來實現(xiàn)節(jié)水灌溉，系統(tǒng)具有廣泛的適用性且操作簡易，系統(tǒng)在界面中有相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置，使用者設(shè)置好參數(shù)后系統(tǒng)便能實時對大棚溫濕度進行監(jiān)控，滿足不同的作物對水分和溫度的不同需求，實時監(jiān)控適量灌溉，不僅能夠高效節(jié)水，還能為作物創(chuàng)造良好的生長環(huán)境，從而提高作物的產(chǎn)量，且該系統(tǒng)的成本低廉，可延展性強，有利于大范圍地推廣使用。

圖3 軟件仿真測試（溫度）