基于CMOS單片機對土壤濕度控制的智能灌溉系統設計

周霄軒

摘要：隨著溫濕度檢測系統的廣泛運用，諸多領域和行業對溫濕度檢測有著更高的要求和標準。該系統采用了AT89S51單片機，作為土壤溫濕度控制系統的信號發射與接收設備，溫濕度傳感器選用YL-69型傳感器，顯示模塊采用LCD1602型顯示屏，通過YL-69溫濕度傳感器檢測土壤中水分含量，將采集到的模擬信號轉化為數字信號交由單片機處理，同時支持多個按鍵實現檢測儀的各種操作以及切換功能。通過實驗數據表明，該系統，功能多樣，性能穩定，實現了對于農作物的檢測，達到了節水灌溉、有效光照的智能監測作用。

關鍵詞：智慧農業；灌溉系統；物聯網；大數據；節水灌溉

中圖分類號：TP311? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）30-0080-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

1 引言

是否能夠培養出高產的莊稼作物，根本在于對土壤溫濕度的控制。人為去控制、維護土壤，不僅誤差大，而且效率低，因此我們需要的是精密的儀器、完善的系統，對其進行實時監測，從而改善土壤條件，實現低成本，高產量的成果。目前，我國農業水平總體處于逐步趨向現代化的發展中階段，正在逐步實現農業統一化，水資源的利用率也處在不斷提高的時期。其中能否充分利用水資源是能否實現高產農業現代化一根本性的問題，本項目旨在實現合理分配水資源，實現節約農業用水問題。本文將詳細介紹智能檢測灌溉系統的主要硬件組成以及其主要實現功能。

2 主要研究背景及意義

在中國，農業有著上千年的歷史，它從古至今都是我們人們社會生活不可或缺的一部分。但是隨著社會的不斷發展，人們生活水平質量不斷地提高，我國農業現代化正處于不斷提高完善的階段。在21世紀，由于我國正處于發展中階段，各個領域都還在發展階段。隨著中國經濟以及科技水平的不斷提升，農業種植規模也在不斷地擴大，由于大規模的鄉村城鎮化以及農業現代化，傳統的農業生產方式早已無法滿足人們在不同季節對不同農作物品質和質量的需求[1]。在傳統的農業工作模式中，大多數的工作，例如對農作物生長環境的監控，水資源的利用，都是由人工操作，又因為我國總體占地面積廣，地形復雜，氣候多變，對農作物的生長有著極大的影響。因此，如果還采用舊時代傳統農業工作方式，是無法提供目前農作物生長的最優環境。智慧農業是我們由傳統農業發展為現代化農業的必經之路，為了解決這種環境上的問題，溫室大棚農業化脫穎而出，越來越多的農民開始搭建溫室大棚，給予農作物適宜的生長環境。而隨著互聯網的普遍性以及物聯網技術的傳播，物聯網技術產業因此廣泛應用于各種行業之中，例如：智能家居，智慧農業等領域。現代化信息技術的發展使得我國傳統的農業生產方式得到改善，通過物聯網技術，提高了我國農作物的產量和質量，并且大大節省了勞動資源，因此，讓智慧農業與農業大棚技術相結合，在很大程度上解決了人們對于水資源利用不得當、不合理的問題，使得人們隨時都能買到反季節性食物，使得我國農業成為促進經濟發展的一大重要組成部分[2]。現代化農業與傳統農業主要的區別在于：首先，大大提高了測試環境參數的精準性。其次，利用各種傳感器，例如通過溫度傳感器，濕度傳感器監控土壤的溫濕度，利用光照傳感器，檢測光照強度，使得能時刻保持農作物生長環境的最優化。有效地減少了因環境條件造成的農作物產量降低，大大節省了人工開支。

為了更好地實現智慧農業有效灌溉功能，本系統使用AT89S51單片機結合YL-69濕度傳感器以及BH1750光照傳感器，時刻檢測農業大棚中土壤的濕度狀態，通過單片機分析傳感器傳送的數據進行環境的合理調整并配備抽電水機，通過程序合理判斷是否需要灌溉，大大節約了水資源。

2.1 系統設計技術架構

智能檢測灌溉系統主要包括由主控系統、傳感系統、輸入系統、電源系統以及灌溉系統所構成。

主控系統：利用復位電路，時鐘電路，并以AT89S51單片機為核心組成。

傳感系統：主要包括YL-69濕度傳感器，BH1750光照傳感器，可以精確測量土壤濕度以及光照強度。

電源系統：采用一個5伏的直流電源接口，對系統進行供電。

顯示系統：采用的是LCD1602型顯示屏，以便顯示土壤濕度的詳情和當前系統處于什么模式。

灌溉系統：使用抽水電機，使用按鍵實現大棚的自動灌溉。

警報系統：配備蜂鳴器，與傳感器相互合作，當土壤溫濕度不在設定范圍內時，電機工作，蜂鳴器報警，直至水分到達預定值，蜂鳴器解除警報，電機停止工作。但到達預定范圍內，電機則就不工作，蜂鳴器同樣不報警系統處于良好的運作中。整體技術架構如圖 1 所示。

2.2 硬件設計

2.2.1單片機控制板塊

AT89S51單片機是一種低效率，高性能CMOS八位的單片機，它是由ATMEL公司采用高精密性、非易失性儲藏工藝技術所制成，它不僅能夠很好地兼容于國際標準MCS-51指令系統，而且還能夠使用軟件控制開啟省電模式，以及設置振蕩頻率[3]。在不工作時，中央處理器保持在靜止狀態，但通過內存時間計數器，中斷系統開始持續工作，掉電模式凍結了溫度傳感器而保留了RAM的數據，終止芯片其他功能直至另外中斷激活或將硬件恢復，這就沒有由于工作人員的疏忽而引起檢測系統的停機工作。并且，該芯片還擁有PDIP、TQFP和PLCC三個基本封裝形式，以滿足各種產品的需要。所以在本系統中，可以選擇AT89S51為控制系統芯片。

2.2.2土壤溫濕度傳感器板塊

本系統采用的是最新的YL-69濕度傳感器，它是一種最簡單的土壤濕度感應器，它的基本結構主要是由濕敏電容所組成，但是隨著土地溫濕的不斷改變，將導致電容中生態環境中存在的介質數量產生變化，從而使得濕敏電容中的電容數量出現了改變，而電容的位置正比于土壤相對濕度變化。濕敏電容具有較高的敏感度、響應快、滯后率小的特性，這使得濕敏電容非常易于小型化和集成[4]。在農業系統中，對土壤濕度信息的收集主要是由YL-69實現的。

2.2.3 光照傳感器

本系統采用的是BH1750FVI數字型光強度傳感器集成芯片。其電路工作原理為：BH1750的內部由ADC采集，光敏二極管、運算放大器、晶振組成。光敏二極管主要將輸入的光信號轉換成電信號，通過運算放大器放大后，利用ADC采集電壓，最后再通過邏輯電路轉換成16位二進制數存儲在內部的寄存器中[5]。因此大棚內進入的光的強度決定了電流的大小，因此電壓也就變大，即通過衡量電壓的大小來判別光照強度的大小，而當電壓發生改變的時候，我們就能第一時間觀測到光照是否會影響農作物的生長狀況，從而再通過控制系統來改變參數，達到穩定情況。因此在系統工作時，我們不僅可以選擇不同的工作方式，還可以接收到寄存器中光照強度的數據。

2.2.4 LCD1602型顯示器

LCD1602液晶顯示器是由字符型液晶顯示器，HD44780型控制驅動電路，少量電阻以及擴展電路HD44100，配有電容的PCB板組成[6]。該顯示器具有多種不同的方式連接單片機，本系統采用的是直接控制方式，即將LCD的數據線以及控制線與單片機直接相連，相連后可以正常工作。在本系統中顯示器的主要作用是寫入命令和數據，因此，可將顯示器的讀與寫去選擇控制端直接連接地線，這樣不僅節約了成本，還使得本連接系統能夠更加穩定地工作。

2.2.5 按鍵輸入

對于按鍵的設計：采用4個鍵位進行不同功能的控制。分別是：復位功能按鍵—C1，設置濕度預定值范圍按鍵—C2，調整按鍵為C3以及C4，C3用于增加濕度預定值，C4用于減少濕度預定值功能。另外，該系統可以一鍵設置最大值和最小值。

2.2.6 報警電路設計

對于報警模塊的設計，是為了及時能做出對于土壤應實施的相應的操作。當測量土壤溫度時，依據預先設定好的濕度峰值，做到及時報警提醒工作人員的作用。這樣能有效地減少工作人員在夜間工作的疲勞程度，大大提高人員效率。本系統采用的報警電路原理是：根據高低不同的濕度值，使得發光二極管發射出不同顏色的光，與此同時，蜂鳴報警器發出提示音。

2.2.7 時鐘電路模塊以及復位電路的設計

晶振時鐘電路：主要是由一個晶振電路以及兩個電容元件組成，而晶振的大小決定了AT89S51單片機的時鐘信號。

復位電路：構成復位電路的主要元件是電阻以及少量電容，且復位電路有兩個不同的電路分別是上電復位電路，以及針對按鍵的按鍵電路[6]。本系統采用的是按鍵復位，因此還多加了一個微動開關。主要作用就是將電路初始化，使其到達能確定的狀態。系統總體硬件設計如圖2 所示。

2.3 系統主程序設計模塊

軟件程序設計是系統至關重要的一部分，它決定了系統效率的高低。本系統主要程序實現流程為：打開開關，利用按鍵電路，輸入濕度以及光照強度預定值；再由YL-69濕度傳感器讀取預定值；轉換電路將濕度傳感器傳送的濕度值模擬信號轉化為數字信號供AT89S51識別；再將數字信號傳送到LCD1602型顯示屏上顯示出來；報警模塊：利用YL-69濕度傳感器檢測到的濕度通過單片機中央處理程序，判斷濕度是否在預定值范圍之內，若不在，報警系統啟動，發光二極管發出紅光，同時蜂鳴器開始發出警報聲。光照模塊原理也是如此，利用BH1750光照傳感器，結合單片機可實現任意自主編程程序，當單片機從BH1750光照傳感器中接收到的光照值不在預定范圍之內時，報警系統啟動。系統各中功能采用分塊化設計：報警模塊，抽水模塊，模擬信號與數字信號轉換模塊等。系統設計流程如圖 3所示。

2.4 系統測試

2.4.1 測試場所及條件

在室內大棚中進行測試，室溫條件下，打開電機進行通電。通過按鍵設置土壤濕度以及光照強度的上下限閾值；將YL-69濕度傳感器裝備在大棚中種有農作物的土壤中，BH1750光照傳感器放置于大棚上方掛起，連接LCD顯示屏，觀察當前土壤濕度以及大棚內光照強度。系統配有兩種灌溉模式，手動灌溉以及自動灌溉。

手動灌溉模式：人工通過按鍵控制抽水機工作，按動抽水鍵，抽水機開始工作，等待灌溉完成后，再次按下抽水鍵，即可停止工作。

自動灌溉模式：在自動灌溉模式中，有三種不同的情況。第一種：若當前土壤中的濕度值在預先設定的預定值之內的，電機不工作，報警系統不開啟。第二種：若當前土壤中的濕度值超過設定值上限時，警報系統啟動，蜂鳴器開始發聲，二極管發出紫色光芒。第三針：若當前土壤中的濕度值突破預定值下限時，抽水電機開始工作，同時警報系統啟動，蜂鳴器發聲，二極管發出紅色光芒，直至當前濕度值符合預定值范圍內時，抽水電機停止工作，二極管不再發光。

2.4.2 測試結果

本次測試，設置的濕度上下限閾值分別為：56%，27%，主要測試，在三種不同條件下（分別是：預定值范圍內，預定值以下，預定值之上），系統給予的反映情況。

測試結果如表1：

本次測試，分別進行了手動模式的測試，以及自動模式的測試，在不同條件下，本系統給予的響應均正確，在符合預定結果。因此，可以證明本系統可在農業大棚中起到正確有效的監控灌溉作用，確實能夠提高農產效率，減少不必要的人工開支，提高水資源的可用率，形成高產智慧農業大棚。

3 結論

本設計是一款通過YL-69濕度傳感器測試再經由AT89S51單片機控制的智能農業檢測灌溉系統，是以AT89S51為核心控制器，實現了智能化農業灌溉的功能。主要模塊包括：報警模塊，灌溉模塊，顯示模塊。最終實驗結果中，能實現通過YL-69傳感器收集從0到100范圍內的土壤濕度信號，實現灌溉智能化。通過實驗，證明了該智能系統的可行性，利用該智能檢測灌溉系統，為我國現代化農業高產做出一點貢獻，可大大減少人工精力，時刻保持農作物生長的最適條件，有效提高水資源的利用率。

參考文獻：

[1] 王福瑞.單片微機測控系統設計大全[M].北京：北京航空航天大學出版社，1998.

[2] 程捷.基于單片機的溫濕度檢測系統設計與實現[J].儀表技術，2019（9）：43-45.

[3] 徐學良.農業水資源利用與生態環境保護[J].環境與發展，2018，30（7）：167-168.

[4] 郭玉萍，楊一平，楊福營.蔬菜大棚溫度、濕度傳感器檢測系統的設計[J].制造業自動化，2010，32（14）：221-225.

[5] 黃志剛，趙之赫.通用型1602LCD自定義字符的顯示[J].電子世界，2013（22）：182.

[6] 滿紅，鄒存名，冀勇鋼.基于單片機的倉庫溫濕度智能控制系統設計[J].現代電子技術，2011，34（9）：118-120.

【通聯編輯：梁書】