江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院 夏子浦 徐穎秦 倪 榮 孫絲韜 沈錦程 張 欣

基于STC89C52單片機(jī)的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)

江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院 夏子浦 徐穎秦 倪 榮 孫絲韜 沈錦程 張 欣

基于STC89C52（以下簡(jiǎn)稱C52）單片機(jī)設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)灌溉系統(tǒng)。該系統(tǒng)由C52型單片機(jī)及控制電路、溫濕度傳感器、數(shù)據(jù)采集電路、AD轉(zhuǎn)換電路、繼電器、蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路、LCD顯示電路、按鍵電路等模塊構(gòu)成。其中以C52單片機(jī)為控制核心，通過(guò)軟件編程和溫濕度傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)采集，LCD1602液晶進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示及實(shí)時(shí)報(bào)警等功能。最后通過(guò)仿真驗(yàn)證，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能。

自動(dòng)灌溉；單片機(jī)；溫濕度傳感器

1.引言

灌溉系統(tǒng)自動(dòng)化程度代表著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展水平?；趩纹瑱C(jī)控制的灌溉系統(tǒng)可對(duì)不同土壤溫濕度進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控，并按照作物對(duì)土壤要求進(jìn)行適時(shí)噴灌。其核心部分是由單片機(jī)控制，通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)溫濕度傳感器對(duì)環(huán)境溫濕度數(shù)據(jù)采集，再由LCD1602液晶進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，繼電器驅(qū)動(dòng)電磁閥打開(kāi)水管路完成自動(dòng)噴灌。該系統(tǒng)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)和手動(dòng)兩種噴灌方式，簡(jiǎn)單靈活，易于操作，可靠性高，有一定的實(shí)用價(jià)值和發(fā)展前景[1]。

2.硬件組成及設(shè)計(jì)原理

基于單片機(jī)的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)硬件組成原理如圖1所示。溫濕度傳感器電路將采集到的模擬溫濕度信號(hào)通過(guò)AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送到C52；繼電器模塊驅(qū)動(dòng)電磁閥開(kāi)度實(shí)現(xiàn)自動(dòng)噴灌；通過(guò)LCD模塊顯示當(dāng)前溫濕度值；通過(guò)按鍵模塊設(shè)定溫濕度初始值、系統(tǒng)復(fù)位和手動(dòng)操作；蜂鳴器模塊起報(bào)警提示作用；電源模塊給各模塊提供電源。C52控制電路是所有模塊的控制中心，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、顯示以及繼電器控制等功能。

圖1 系統(tǒng)組成原理圖

2.1 單片機(jī)主控電路

本設(shè)計(jì)選用宏晶科技STC89C52型單片機(jī)，其內(nèi)部有8KB ROM以及2KB EEPROM，容量足夠無(wú)須擴(kuò)展。主控電路由復(fù)位電路、晶振電路、報(bào)警電路和電源開(kāi)關(guān)等電路組成。單片機(jī)管腳功能如圖2所示，P0-P3口與后續(xù)的模塊相連以實(shí)現(xiàn)各種功能。

圖2 單片機(jī)主控電路

2.2 AD轉(zhuǎn)換電路

AD轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換功能。本設(shè)計(jì)采用以ADC0804芯片為核心的AD轉(zhuǎn)換模塊。Vin(+)接濕度傳感器輸出的模擬電壓，Vin(-)接地，因此Vin(+)端的電壓即為ADC0804的模擬輸入電壓。圖中電阻起限流保護(hù)作用，由于Vin可在0-VCC之間變化，故ADC0804數(shù)字輸出值在0x00-0xFF范圍內(nèi)。

圖3 AD轉(zhuǎn)換電路

2.3 溫濕度傳感器電路

濕度傳感器電路實(shí)現(xiàn)土壤濕度的檢測(cè)。設(shè)計(jì)中采用LM393比較電路檢測(cè)土壤濕度，通過(guò)電位調(diào)節(jié)器控制相應(yīng)閥值，濕度低于設(shè)定值比較器輸出高電平，反之輸出低電平。模擬輸出AO與AD轉(zhuǎn)換模塊相連，獲得土壤濕度精確值。本設(shè)計(jì)采用將AO端口與AD模塊相連，由AO端口對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，如圖4所示。

溫度傳感器以DS18B20為核心構(gòu)成。單片機(jī)P2.2口與DS18B20的I/O口相連，采用單總線協(xié)議將環(huán)境溫度轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，以數(shù)字碼方式串行輸出，簡(jiǎn)化了傳感器與微處理器的接口[2]。

圖4 濕度傳感器電路

圖5 繼電器模塊電路

2.4 繼電器模塊電路

繼電器模塊中的核心器件為光耦合器和繼電器，如圖5所示。圖中光耦合器為PC817，其結(jié)構(gòu)相當(dāng)于把發(fā)光二極管和光敏三極管封裝在一起，主要用于將控制電路與外部電源隔離，防止電磁干擾。

單片機(jī)P2.0口與光耦合器的IN端相連。當(dāng)P2.0為低電平時(shí)，三極管導(dǎo)通繼電器線圈帶電，常開(kāi)觸點(diǎn)吸合電磁閥工作。在繼電器驅(qū)動(dòng)電路中設(shè)置二極管保護(hù)電路，用于防止繼電器斷電時(shí)產(chǎn)生很高的反向電動(dòng)勢(shì)，擊穿驅(qū)動(dòng)三極管。

2.5 液晶顯示電路

本設(shè)計(jì)中，AD輸出的數(shù)字量經(jīng)算法處理后，采用LCD1602液晶顯示器顯示當(dāng)前環(huán)境溫濕度值，顯示容量為16×2個(gè)字符。首次使用時(shí)通過(guò)旋轉(zhuǎn)電位器調(diào)節(jié)顯示器的對(duì)比度，調(diào)節(jié)至液晶顯示出黑色小格為止。

3.系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖6為自動(dòng)噴灌系統(tǒng)主程序流程圖。在程序開(kāi)始時(shí)先進(jìn)行模塊初始化，通過(guò)按鍵設(shè)定濕度上、下限值，讀取并顯示當(dāng)前濕度值。在主循環(huán)中將設(shè)定值與當(dāng)前濕度值比較，根據(jù)比較結(jié)果，跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)執(zhí)行程序。

圖6 主程序流程圖

4.結(jié)論

本設(shè)計(jì)以STC89C52單片機(jī)為控制核心，通過(guò)濕度傳感器對(duì)土壤濕度參數(shù)進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，將檢測(cè)的結(jié)果送入AD轉(zhuǎn)換電路并通過(guò)液晶顯示，輸出控制信號(hào)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)土壤濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和自動(dòng)噴灌，能在濕度異常情況下實(shí)現(xiàn)、報(bào)警，并具有手動(dòng)和自動(dòng)兩種操作功能。該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是適用性強(qiáng)，可對(duì)作物進(jìn)行適時(shí)、適量灌水，系統(tǒng)成本低廉，操作簡(jiǎn)單，可擴(kuò)展性強(qiáng)，只要稍加改變，即可增加其他使用功能。

[1]寧玉偉,李明剛,何玉靜等．基于單片機(jī)控制的定量灌溉系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]． 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2010, 44: 311-313．

[2]郭天祥． 51單片機(jī)C語(yǔ)言教程-入門提高開(kāi)發(fā)拓展全攻略[M]．北京: 電子工業(yè)出版社, 2015． 147-156．

徐穎秦，高級(jí)工程師。

2016年江南大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目。