郭小冬 侯春光

（濰坊科技學(xué)院，山東 濰坊262700）

隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，越來越多的地方開始選擇種植不同與常規(guī)種植的農(nóng)作物。這些農(nóng)作物相對于小麥、水稻、玉米等，可以帶來更大的收益，但同時也會在種植過程中出現(xiàn)更多的問題。無籽西瓜便是一個例子，雖然可以帶來很高的收益，但是在種植過程中需要多次的施肥和澆水。因?yàn)闊o籽西瓜是夏季農(nóng)作物，北方地區(qū)夏季又多出現(xiàn)少水、干旱、氣溫高等情況，所以在種植的過程中需要進(jìn)行多次的灌溉，如果不進(jìn)行灌溉則會影響作物的生長不良，產(chǎn)量降低等問題，嚴(yán)重甚至導(dǎo)致作物灼傷或死亡等情況。我國大部分地區(qū)的灌溉還是使用人工漫灌或者人工滴管，這樣會對水資源造成大量的浪費(fèi)，以及人力財力的耗費(fèi)。本設(shè)計(jì)可以大大的節(jié)省在澆灌過程中的人力物力的耗費(fèi)，以及水資源的浪費(fèi)，大幅度的提高了工作效率。

圖1 系統(tǒng)框圖

1 自動灌溉技術(shù)的設(shè)計(jì)與原理

1.1 系統(tǒng)總體介紹

圖2 系統(tǒng)仿真圖

根據(jù)系統(tǒng)功能，設(shè)計(jì)了自動灌溉系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)。該自動灌溉技術(shù)的控制方式分為自動控制和手動控制兩種方式。本系統(tǒng)是以AT89C52 單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心，采用了SHT11 智能傳感器作為檢測空氣中的溫度和土壤中的含水率。為了達(dá)到更好的效果，以及滿足數(shù)據(jù)顯示的需要，顯示器選擇的是LCD1602 的液晶顯示模塊與單片機(jī)相連，將傳感器檢測到的溫濕度數(shù)值，和鍵盤電路設(shè)置的土壤濕度的上限,下限值以及選擇的操作模式(手動/自動)顯示在LCD1602 屏幕上便于用戶觀察。驅(qū)動電路是收到單片機(jī)的指令之后控制電磁閥的關(guān)斷或打開從而控制水泵出水噴灑。自動控制模式下可以實(shí)現(xiàn)智能的澆灌，設(shè)置好溫濕度的數(shù)據(jù)，便可以實(shí)現(xiàn)在無人監(jiān)管下的自動灌溉，該系統(tǒng)除了自動控制模式，還設(shè)置了手動控制模式，當(dāng)用戶需要時，即可進(jìn)行手動操作來實(shí)現(xiàn)在特殊情況下的需要。此外，為了防止在出現(xiàn)超限無法察覺的情況，該系統(tǒng)還設(shè)置了報警裝置。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

1.2 工作原理

接通電源開關(guān)K 啟動系統(tǒng)，然后初始化系統(tǒng)程序，在使用該系統(tǒng)時用戶可以根據(jù)需要在鍵盤控制面板上設(shè)置好土壤濕度的上限和下限后，SHT11 智能傳感器開始檢測土壤中的含水率數(shù)據(jù)，并且在經(jīng)過傳感器內(nèi)置的A/D 數(shù)模轉(zhuǎn)換器將信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號經(jīng)過I2C 總線傳送給單片機(jī)控制系統(tǒng)，單片機(jī)進(jìn)行分析、處理，與提前設(shè)定好的數(shù)值進(jìn)行對比，當(dāng)SHT11 濕度傳感器模塊檢測到的土壤濕度數(shù)據(jù)低于提前設(shè)定的土壤含水率上限時，單片機(jī)開始由P2 輸出高電平信號到驅(qū)動控制模塊，驅(qū)動控制模塊收到指令后驅(qū)動電磁閥打開，水泵開始工作從蓄水池中將水灌溉到指定位置。與此同時SHT11 濕度傳感器會繼續(xù)監(jiān)測土壤中含水率并傳送給單片機(jī)，一旦高于設(shè)定值時，單片機(jī)P2 口高電平消失驅(qū)動系統(tǒng)自動停止驅(qū)動，關(guān)閉電磁閥，水泵停止工作，這一過程只要系統(tǒng)通電便會一直重復(fù)進(jìn)行自動灌溉，時刻保持農(nóng)作物西瓜地土壤的濕潤度。當(dāng)SHT11 濕度傳感器模塊檢測到的土壤濕度數(shù)據(jù)高于提前設(shè)定的土壤含水率上限時，則直接將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)，顯示在顯示屏中，這一過程中如果出現(xiàn)特殊情況，用戶可以選擇手動控制模式，來實(shí)現(xiàn)人工灌溉從而達(dá)到灌溉目的。溫度傳感器則是用來實(shí)時檢測空氣中溫度，當(dāng)溫度較高時，我們就可以選擇手動模式對農(nóng)作物進(jìn)行定時的噴灑，保證西瓜苗不會被強(qiáng)烈的太陽光灼傷，造成瓜苗的死亡。液晶顯示器LCD1602 的D0-D7 引腳對應(yīng)接到單片機(jī)的P0-P7引腳上，這樣整個過程中單片機(jī)會將傳感器傳過來的溫濕度數(shù)據(jù)信息輸出給液晶屏直觀的顯示出來，以便及時的做出調(diào)整灌溉的計(jì)劃。

如圖2 所示，根據(jù)全自動無籽西瓜自動灌溉技術(shù)的控制原理，確定了灌溉系統(tǒng)由單片機(jī)+SHT11 智能傳感器+LCD 液晶顯示+驅(qū)動電路+鍵盤電路+報警器組成，由上面的系統(tǒng)流程圖可以把該系統(tǒng)分為下面幾個部分：控制裝置、檢測裝置和執(zhí)行裝置。本系統(tǒng)的控制裝置選用的是Atmel 公司生產(chǎn)的AT89C52 單片機(jī)，該型號的單片機(jī)具有低能耗、價格低廉、操作簡單、高性能等優(yōu)點(diǎn)。AT89C52 內(nèi)含8k 字節(jié)得Flash 和256 的隨機(jī)存儲數(shù)據(jù)儲存器(RAM)，內(nèi)置了定時器和計(jì)數(shù)器，并且具有低功耗空閑和斷電模式下的睡眠和喚醒功能，進(jìn)一步提高了該系統(tǒng)的可靠性。鍵盤電路和LCD1602 液晶顯示屏也屬于控制電路中的一部分，鍵盤電路由五個設(shè)置開關(guān)組成，分別為S1 設(shè)置、S2 增大、S3 減小、S4 復(fù)位功能、S5 切換手動/自動模式。通過按鍵可以直接設(shè)置土壤濕度的上限和下限值，并未具有掉電儲存功能，設(shè)置好的數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)進(jìn)行處理和儲存，再次給電時無需重新設(shè)置數(shù)據(jù)。LCD1602 液晶顯示屏則用來將單片機(jī)傳送過來的土壤的濕度和空氣中的溫度數(shù)據(jù)顯示到液晶屏上以便用戶查看，并根據(jù)天氣等其他特殊情況來選擇選擇手動/自動控制模式。檢測部分包括傳感器檢測模塊（溫濕度傳感器和土壤濕度傳感器）和報警器。傳感器檢測模塊的主要功能是利用材料的電氣特性或機(jī)械性能將外部采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號器件。這也是該系統(tǒng)比較最重要的一部分，隨著技術(shù)的不斷更新，常規(guī)的傳感器已經(jīng)無法滿足需求，為了提高整個系統(tǒng)的精確和穩(wěn)定性，該系統(tǒng)的傳感器選擇的是高精度、高精度、高集成度的一體化的SHT11 智能溫濕度傳感器。SHT11 智能傳感器是一片集成檢測相對溫度和濕度的傳感器模塊，并且自己內(nèi)置了14 位A/D 數(shù)模轉(zhuǎn)換器和CRC 發(fā)生器能夠輸出經(jīng)過校正的溫度和濕度數(shù)據(jù)。將SHT11 的串行時鐘輸入線SCK 和串行數(shù)據(jù)線線Date 分別與單片機(jī)的P3.6 和P3.7 連接。在采集到數(shù)據(jù)之后便可直接將信號通過I?C 總線傳送給單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)的分析和處理之后發(fā)送給控制裝置進(jìn)行執(zhí)行。在使用時SHT11 傳感器不在需要外接模擬電子電路，有較高的穩(wěn)定性，可以直接埋入土壤中使用。報警器電路則是采用的三極管放大電路和蜂鳴器組成，用來監(jiān)測數(shù)據(jù)是否出現(xiàn)異常，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常時時蜂鳴器蜂鳴，便可以及時發(fā)現(xiàn)問題。驅(qū)動裝置模塊是使用繼電器模塊來驅(qū)動電磁閥通斷電，從而達(dá)到控制水泵得開關(guān)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)噴頭的灌溉。

2 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

圖3 中的流程圖為改自動灌溉系統(tǒng)的流程圖，首先給該系統(tǒng)通電初始化程序模塊，然后在面板上設(shè)置好溫濕度的上下限數(shù)值，讀取傳感器的檢測到的數(shù)值，在主程序中與設(shè)定好的數(shù)值進(jìn)行對比，根據(jù)得到的結(jié)果可以執(zhí)行相應(yīng)的命令，再配合硬件設(shè)備相互協(xié)調(diào)合作，從而達(dá)到自動控制灌溉的目的。除此之外在出現(xiàn)特殊情況是可以通過手動控制來實(shí)現(xiàn)人工操控灌溉。

圖3 主程序流程圖

3 結(jié)論

相對于其他灌溉系統(tǒng)而言，該系統(tǒng)選擇智能處理器AT89C52，使得控制功能的實(shí)現(xiàn)更加靈活。溫濕度傳感器SHT11相對傳統(tǒng)的傳感器檢測到的數(shù)值更準(zhǔn)確，性能更穩(wěn)定，耐腐蝕能力更強(qiáng)，可以直接埋入土壤中,液晶顯示屏LCD1602 的選用使得人機(jī)交互更加清晰方便，具有較強(qiáng)的操作性，相比于數(shù)碼管，顯示的內(nèi)容更加靈活。綜合上面所述，本套基于單片機(jī)AT89C52 的自動灌溉系統(tǒng)的成本低廉、易于操作、準(zhǔn)確性更高、更穩(wěn)定、并且擴(kuò)展性比較強(qiáng)，若需實(shí)現(xiàn)其它功能，稍微的修改就可增加其他功能。實(shí)現(xiàn)了自動/手動灌溉于一體的人性化灌溉管理，能夠有效地克服傳統(tǒng)人工灌溉中嚴(yán)重浪費(fèi)人力和物力以及時間的缺點(diǎn)，提高了在無籽西瓜種植生產(chǎn)中的工作效率。