杜瑞娟，米娜瓦爾·吾買爾，霍大勇

(1.南陽(yáng)理工學(xué)院，河南 南陽(yáng) 473004；2.喀什大學(xué)，新疆 喀什 844006)

0 引言

隨著信息技術(shù)和智能控制技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)灌溉技術(shù)朝著智能化、便捷化的無(wú)人操作化方向發(fā)展，已有很多大型企業(yè)在智能型自動(dòng)澆水技術(shù)方面取得了重大突破，如水泵機(jī)組噴灌技術(shù)、閥門技術(shù)、微噴灌技術(shù)、中心控制系統(tǒng)軟硬件技術(shù)、農(nóng)田自動(dòng)施肥及施藥技術(shù)等。在新疆南部地區(qū)，其綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)的特點(diǎn)，對(duì)節(jié)約用水、智能化灌溉具有更加強(qiáng)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(fèi)，加劇了灌溉用水的供需矛盾；同時(shí)，漫灌作業(yè)還存在灌溉不均勻、作業(yè)效率低、浪費(fèi)人工工時(shí)等缺點(diǎn)。基于此，設(shè)計(jì)了一套基于單片機(jī)控制的智能化澆水系統(tǒng)。該系統(tǒng)在阿克蘇某農(nóng)場(chǎng)試用一年，獲得了較好的效果，應(yīng)用于百畝棗園和3.3hm2棉田的自動(dòng)灌溉，同比節(jié)水38%，每3.3hm2農(nóng)田平均節(jié)約人工25個(gè)工作日；但附加了設(shè)備、電力成本和系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)成本。

1 總體方案

智能型自動(dòng)澆水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是由AT89S51單片機(jī)為核心，配合外圍溫濕度檢測(cè)電路組成。

在硬件電路設(shè)計(jì)方面，選擇穩(wěn)定性強(qiáng)的AT89S51 單片機(jī)，能很好地保證整個(gè)澆水系統(tǒng)的正常工作。通過(guò)與外圍電路的配合可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的采集、傳輸、處理等操作，并且直觀體現(xiàn)出來(lái)。

程序是這個(gè)澆水系統(tǒng)的靈魂，它將每個(gè)部分相互連接起來(lái)，讓其有條不紊的工作。程序執(zhí)行時(shí)，首先對(duì)采集的信息進(jìn)行處理、比較與判斷，再將信息通過(guò)LCD顯示器顯示，同時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)澆水。系統(tǒng)具有工作過(guò)程穩(wěn)定，可以實(shí)時(shí)反應(yīng)環(huán)境變化，準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)澆水的優(yōu)點(diǎn)。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 AT89S51單片機(jī)

單片機(jī)內(nèi)部電路主要由CPU、存儲(chǔ)器、定時(shí)器及I/O接口組成。本次設(shè)計(jì)采用的AT89S51單片機(jī)是一款功耗低、高性能的單片機(jī)，擁有一個(gè)4kB的Flash程序存儲(chǔ)器，一個(gè)128 B的高速RAM，在提升單片機(jī)運(yùn)行速度的同時(shí)還降低了功耗。片內(nèi)有2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，5個(gè)中斷請(qǐng)求源。

2.2 溫度傳感器

溫度傳感器對(duì)溫度的采集選用PR-35封裝的DS18B20 測(cè)量實(shí)際溫度。DS18B20數(shù)字溫度計(jì)可以直接讀取數(shù)字溫度，使單片機(jī)對(duì)它的控制十分簡(jiǎn)單，也省去了復(fù)雜的測(cè)溫電路。它的DQ引腳與單片機(jī)引腳相連，數(shù)據(jù)的傳輸和供電都可以通過(guò)DQ引腳，當(dāng)然也可以外接電源。DS18B20最高測(cè)量溫度是+125 ℃最低測(cè)量溫度是-55 ℃，誤差在±5 ℃之間。

溫度測(cè)量開(kāi)始后，單片機(jī)首先對(duì)DS18B20發(fā)出一個(gè)復(fù)位的信號(hào)，DS18B20收到信號(hào)后會(huì)回執(zhí)單片機(jī)一個(gè)脈沖，單片機(jī)與DS18B20之間的數(shù)據(jù)通信開(kāi)始；接下來(lái)單片機(jī)會(huì)發(fā)送一個(gè)ROM指令給DS18B20，再發(fā)送一個(gè)存儲(chǔ)器操作指令，該指令的功能是規(guī)定DS18B20怎樣工作。當(dāng)要讀取溫度值時(shí)，就要執(zhí)行兩次這樣的工作周期，然后就得到了溫度值。

設(shè)計(jì)中DS18B20采用寄生電源的方法與單片機(jī)進(jìn)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(jī)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(gè)長(zhǎng)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(cè)電阻的大小。即水分較多時(shí)土壤導(dǎo)電能力大，電阻就?。凰稚贂r(shí)土壤導(dǎo)電能力弱，電阻就大。另一部分是信息處理部分，一個(gè)LM393芯片，功能是將檢測(cè)到的濕度與設(shè)定值相比較，芯片上還有一個(gè)靈敏度調(diào)節(jié)電位器，可以通過(guò)它設(shè)置濕度的上下限值。

濕度傳感器的特性：

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

以水稻穗部抽出葉鞘1 cm為標(biāo)準(zhǔn)記錄生育期，將生育期及對(duì)應(yīng)株號(hào)記錄在牌子上并將牌子掛在對(duì)應(yīng)單株上。收獲時(shí)分單株收獲，同時(shí)測(cè)量并記錄對(duì)應(yīng)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(zhǎng)、每穗粒數(shù)、單株粒重、單株干重和千粒重?？挤N時(shí)考察每個(gè)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(jī)上就可以傳輸數(shù)據(jù)。

濕度傳感器需要通過(guò)ADC0832進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換單片機(jī)才能讀取數(shù)據(jù)，ADC0832是一個(gè)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(jī)驅(qū)動(dòng)電路

單片機(jī)對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)是用兩個(gè)不同的繼電器實(shí)現(xiàn)的。繼電器KA1由常開(kāi)繼電器與常開(kāi)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(dāng)單片機(jī)判斷需要澆水時(shí)，單片機(jī)會(huì)發(fā)出一個(gè)信號(hào)，讓繼電器KA1開(kāi)關(guān)吸合，電源被接通，電路自鎖，電機(jī)開(kāi)始工作；當(dāng)單片機(jī)判斷不需要澆水時(shí)，繼電器KA2開(kāi)關(guān)吸合，電源斷開(kāi)，電機(jī)停止工作。其原理如圖5所示。

2.5 智能型自動(dòng)澆水系統(tǒng)原理圖

智能型自動(dòng)澆水系統(tǒng)的控制原理如圖6所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)方面采用的是C語(yǔ)言編程，編程工具是keil。程序以單片機(jī)驅(qū)動(dòng)繼電器工作為最終目的，通過(guò)對(duì)比采集到的數(shù)據(jù)，通過(guò)顯示器顯示并對(duì)繼電器輸出相應(yīng)指令，使其工作。自動(dòng)澆水系統(tǒng)流程圖如圖7所示。

圖5 繼電器控制電動(dòng)機(jī)電路

圖6 智能型自動(dòng)澆水原理圖

圖7 澆水自動(dòng)控制流程圖

4 田間試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)基本條件

田間性能試驗(yàn)在位于阿克蘇地區(qū)的阿拉爾市幸福農(nóng)場(chǎng)進(jìn)行。試驗(yàn)農(nóng)田1為棗園，面積6.7hm2，樹(shù)齡8年，處于掛果盛期；試驗(yàn)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(yàn)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(shí)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(yàn)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(yàn)?zāi)甓?-9月平均溫度23℃，最高溫度51℃。

4.2 試驗(yàn)方法

4.2.1 棗園

自動(dòng)澆水系統(tǒng)投入前，試驗(yàn)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)決定灌溉時(shí)間和灌溉量。棗園整個(gè)生育期灌水3～5次，每次灌水量1 650m3/hm2。

投入的自動(dòng)澆水系統(tǒng)采用自動(dòng)控制的滴灌方式，根據(jù)土壤溫度和濕度控制灌溉節(jié)點(diǎn)，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(gè)區(qū)域進(jìn)行控制，以利于控制土壤含水量。

4.2.2 棉田

自動(dòng)澆水系統(tǒng)投入前，試驗(yàn)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)決定灌溉時(shí)間和灌溉量。整個(gè)生育期灌水4～6次，每次灌水量1 500m3/hm2。

投入的自動(dòng)澆水系統(tǒng)采用自動(dòng)控制的滴灌方式，根據(jù)土壤溫度和濕度控制灌溉節(jié)點(diǎn)，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(gè)塊狀區(qū)域進(jìn)行控制，以利于控制土壤含水量。

4.3 試驗(yàn)結(jié)果

智能型澆水系統(tǒng)控制器實(shí)物如圖8所示。

圖8 控制器實(shí)物圖

智能型自動(dòng)澆水系統(tǒng)實(shí)施的試驗(yàn)結(jié)果，如表1所示。

經(jīng)兩季耕作的實(shí)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(dòng)澆水系統(tǒng)實(shí)施的試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)成功地實(shí)現(xiàn)了智能型自動(dòng)澆水的目的。當(dāng)植物需要澆水時(shí)，溫濕度傳感器能接收到信息，單片機(jī)便會(huì)控制電機(jī)進(jìn)行澆水，全程無(wú)需工人看守，且檢測(cè)精確度高，系統(tǒng)穩(wěn)定性好，實(shí)現(xiàn)了智能化、自動(dòng)化。該系統(tǒng)分別應(yīng)用于6.7hm2棗園和3.3hm2棉田的自動(dòng)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(gè)工作日。但相應(yīng)產(chǎn)生了設(shè)備和電力成本約180元/hm2，同時(shí)附加了系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)成本75元/hm2。

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