土壤濕度感應控制型自動灌溉裝置的設計與實現

郭海濤，洪元蛟，徐師博，王創展

（廣東建設職業技術學院 機電工程學院，廣東 清遠 511500）

2019年，全國水資源總量29 041.0億m3，其中地表水資源量27 993.3億m3，地下水資源量8 191.5億m3，全國人均綜合用水量431 m3，農業用水3 682.3億m3。目前城市供水基本可滿足生活需要，因此水資源匱乏問題多未引起人們的足夠重視，尤其是發達地區的居民沒有體驗到缺水導致的生活不便，水資源保護已刻不容緩[1]。在灌溉方面，給水技術的進步和普及已經擺脫了大水漫灌的方式，逐步向噴淋型和滴灌型普及。但當前的噴淋澆灌系統多采用定時定量固定澆灌模式，無智能化控制模塊。特別是大雨過后土壤浸潤，噴淋系統依然重復灌溉，又造成水資源的無端浪費。

如果可以精確控制灌溉過程，根據實際需水量進行精準灌溉，則可以最大限度地實現節省水資源。要實現精準灌溉的目標，需要構建單片機或以芯片為核心的控制系統，該控制系統的前端傳感器要能夠靈敏檢測土壤濕度，并通過總線將信號傳輸到單片機中，通過單片機的程序編寫，進行閾值判別，如果檢測到土壤濕度低于設定閾值，則驅動執行器進行灌溉控制[2]。在系統設計過程中，由于土壤濕度為模擬信號，所以需要由A/D轉換模塊完成模擬信號到數字信號的轉換。單片機的驅動能力較弱，在電路設計過程中可能還需要采用繼電器獨立控制模塊。

1 硬件電路設計

隨著傳感器設計技術的進步，土壤溫濕度等各類型傳感器的性能指標已經較為可靠。用于信號采集與處理功能的單片機（或片上系統）功耗較低，性能穩定，這就使得該硬件設備具備了在戶外惡劣（日曬雨淋）環境下穩定工作的能力。

土壤濕度傳感器一般植入土表之下5～15 cm處，傳感器檢測到的土壤濕度數據經信號調理模塊轉換成標準電壓信號，與單片機程序中設定的臨界值進行比較，如果測量值低于設定值，則自動啟動噴淋裝置工作。設備內置時間模塊，可以自定義澆水時間。不同區域澆灌時間有差異，以草坪為例，露天草坪澆水時間長，樹蔭下澆水時間短。從設備功能角度來說，它屬于傳感器智能控制型系統，系統的工作模式可以采用程序設計語言進行編寫和自定義設計。通過軟件編程設定不同的工作模式，以滿足不同區域環境、不同植物品種對于水源供給制式的差異化需求。

1.1 傳感器選型

傳感器要完成土壤濕度的檢測任務，目前常用的土壤濕度傳感器探頭是金屬體，工作在潮濕的土壤環境中，較容易生銹，因此其表面常采取鍍鉻或鍍鎳方式進行防銹處理。為了提升傳感器的電信號傳導能力，可以擴大傳感器的感應和接觸面積。其相關參數如下：

傳感器與信號調理模塊如圖1所示，基本參數為DC3.6V直流供電；靜態功率6 mA*12 V，分辨率0～50%內誤差率0.3%，50%～100%內誤差率在1%以內；電導率0～104μs；內置溫度補償，補償范圍0～50℃，量程-40～80℃；可以全部埋入被測介質，電極長度70 mm。

圖1 傳感器模塊與信號調理模塊

濕度信號屬于模擬信號，無法直接被單片機讀取，需要通過信號調理模塊進行A/D轉換，換成單片機所能識別的數字信號。信號調理模塊負責將土壤濕度信號轉換成標準電信號，通過IO通訊端口傳輸給單片機。信號調理模塊可以進行靈敏度調整，順時針轉動電位器能夠提高傳感器的閾值，逆時針旋轉電位器能夠降低其閾值。

濕度檢測探頭要能夠寬范圍檢測土壤的濕度，并通過電位器調節控制其靈敏度，探頭與程序代碼中的閾值相互配合完成濕度閾值的設定[3]。在灌溉過程中，土壤結構較為松散，水的浸潤導致濕度信號檢測的抖動。因此傳感器探頭要與帶延時功能的模塊配合工作，信號調理模塊的延時時間以3～5 s為宜。當檢測濕度在臨界狀態時繼電器不會抖動或頻閃。系統所采用的繼電器要能控制電磁閥，所以要求繼電器可以承受1 500 W負載，為了顯示直觀和操作方便性，產品具有電源指示和繼電器吸合指示2個附加模塊。

信號調理模塊如圖2所示，其延時功能屬于必要設計，要調節濕度值時，每調1次需要等待幾秒鐘左右，觀察繼電器的變化，并通過顯示性綠色的LED燈顯示相應的變化范圍，直到調到符合要求為止。信號調理模塊屬于弱電控制模塊，其供電電壓 DC12V輸入電流；大于100 mA。在執行器選型過程中，其控制器參數標準為220 V、10 A交流或30 V、10 A的直流。

圖2 信號調理模塊接線圖

調理模塊的輸出信號作為集成運放的一個輸入信號，通過與集成運放的另一輸入端的參考信號進行比較得到高電平或低電平，該高/低電平作為輸入信號輸入單片機的IO口，通過編程處理，得到土壤濕度的實時量化數值。濕度傳感器得到的輸出值與集成運算放大器的參考電壓進行比較，如果小于參考電壓，集成運放的輸出端輸出為高電平。同理，如果土壤濕度對應的輸出電壓大于參考電壓，運放輸出低電平。單片機如果檢測到濕度值超過閾值，驅動繼電器模塊打開水流控制電磁閥，同時蜂鳴器模塊啟動，一個帶報警設備的水流開關控制系統構建完成[4]。

濕度計量檢測模塊采用5 V電壓供電；信號調理模塊采用M393芯片作為核心硬件模塊；工作電壓5 V，為方便安裝，設有固定螺栓孔和安裝孔；其PCB尺寸為31 mm*14 mm。

不同植被對土壤濕度的要求是不同的，因此還可以通過電位器旋轉調節，實現土壤濕度控制閥值對不同工作環境下植被濕度的精準控制，以區分菜園、花園和家庭花盆等不同場景下土壤濕度的差異化要求。

單片機功率低，電磁閥驅動需要大功率設備。因此需要輸出信號控制無觸點開關，無觸點開關作為外圍大功率繼電器的控制開關，實現小信號驅動大功率設備的目標。無觸點開關受傳感器間接控制，大功率設備的啟動又受到無觸點開關斷開或閉合的直接影響。設立延時功能，也是為了解決濕度臨界狀態時繼電器不斷吸合斷開、信號燈閃爍問題。

土壤濕度控制系統的前端觸發系統為傳感器，它檢測到濕度低于設定濕度閾值，控制繼電器自動吸合，啟動電磁閥打開澆灌設備進行給水操作，當傳感器檢測到濕度超過閾值，繼電器和電磁閥自動停止供水。

1.2 硬件電路設計與實現

采用的主控單片機為STC89C52RC（也可以選擇STM32F103C8T6芯片）。硬件電路引入8 MHz的晶振振蕩電路為單片機提供標準時鐘信號。為了提高抗干擾性能，晶振電路引入10 μf電容穩定振蕩電路輸出，如圖3所示。

圖3 單片機硬件系統實現

2 軟件代碼程序設計

3 結束語

本項目完成過程中，采用通用型控制模式，系統穩定性好。輸出控制端設備采用的電磁閥控設備可靠耐用。本項目設計制作的植被灌溉設備，技術成熟、價格較低，因此有較強的競爭力、設備實用性強，能夠在住宅小區、辦公場景和市政環境中廣泛應用，具備了良好的市場推廣前景。

考慮到長期植根于土壤中，傳感器探頭雖然進行了鍍鎳處理，減緩了金屬在潮濕環境下生銹的速度，但長期工作于潮濕環境下，其對探頭的敏感度、老化性能要求較高。