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        基于單片機的智能節(jié)水灌溉裝置設(shè)計

        2020-10-20 15:21:04楊超張其偉李洪印田聰魏喜雯
        西部論叢 2020年7期
        關(guān)鍵詞:單片機

        楊超 張其偉 李洪印 田聰 魏喜雯

        摘 要:針對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉方式的不足,利用 AT89C52單片機和 GSM 技術(shù)設(shè)計了一種基于傳感器數(shù)據(jù)采集,單片機的智能控制的灌溉裝置。該裝置能夠根據(jù)土壤含水量(濕度),進行自動灌溉控制。通過軟件編程和濕度傳感器實現(xiàn)了對環(huán)境濕度數(shù)據(jù)采集,根據(jù)設(shè)定的控制規(guī)則,執(zhí)行相應(yīng)的操作,顯示、報警,驅(qū)動繼電器,開啟執(zhí)行機構(gòu),實現(xiàn)定量的澆水控制,滿足植物正常的生長需求。

        關(guān)鍵詞:單片機;濕度傳感器;自動灌溉;GSM

        引 言

        灌溉系統(tǒng)自動化水平較低是制約我國高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要原因。傳統(tǒng)的灌溉模式,自動化程度極低,浪費大量人力、物力資源。因此必須發(fā)展智能節(jié)水灌溉控制技術(shù)。融合傳感器技術(shù)、無線通信技術(shù)、計算機控制技術(shù)等技術(shù)的智能灌溉系統(tǒng)可以結(jié)合農(nóng)作物生長規(guī)律,實現(xiàn)自動控制和管理,綠色環(huán)保,降低能耗,減少污染,可以進一步提高農(nóng)業(yè)作物的質(zhì)量和產(chǎn)量,降低種植成本,增加農(nóng)民收益。實現(xiàn)智能灌溉,可以有效地提高農(nóng)業(yè)灌溉稅的利用率,節(jié)能減排,大大提高農(nóng)業(yè)自動化水平,是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展的必然趨勢。針對傳統(tǒng)灌溉存在的主要問題,設(shè)計出一套基于單片機控制的智能節(jié)水灌溉控制裝置,一方面能夠節(jié)約大量的水資源和能源,可以按時按需為農(nóng)作物供水,另一方面還可以節(jié)省大量的人力物力,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活帶來一定社會效益和經(jīng)濟利益。

        一、硬件電路設(shè)計

        1.1整體方案設(shè)計。基于單片機的智能節(jié)水灌溉裝置,以單片機為控制核心,實時采集土壤中的濕度信息,可以通過按鍵人工設(shè)定或調(diào)整濕度范圍,并能將這些信息輸出到LCD顯示器上;系統(tǒng)上電后,實時監(jiān)測土壤濕度,以實施相應(yīng)控制。當前濕度低于設(shè)定的最小值時,即視為缺水狀態(tài),此時系統(tǒng)驅(qū)動水泵實施灌溉,同時予以報警,并向手機端發(fā)送信息提示,同時驅(qū)使水泵工作;當土壤濕度達到了植物生長所需要的水分時候(濕度達到設(shè)定的上限),水泵停止,系統(tǒng)繼續(xù)監(jiān)測土壤濕度,從而實現(xiàn)自動灌溉。

        1.2主控電路硬件設(shè)計。智能節(jié)水灌溉控制裝置的主控電路系統(tǒng)選用AT89C52單片機,實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的控制作用。AT89C52片上資源豐富,功能強大,通用性很強,性價比高,功能強大。

        1.3土壤濕度檢測模塊。土壤濕度檢測模塊采用YL-69土壤濕度傳感器。YL-69可將土壤濕度值轉(zhuǎn)換為電壓信號,該信號是模擬量,需進行模/數(shù)轉(zhuǎn)換,變成數(shù)字信號,才能被單片機接收。這里采用ADC0832芯片,分辨率為8位,其最高分辨可達256級,可以適應(yīng)系統(tǒng)信號轉(zhuǎn)換要求。在電路設(shè)計時,芯片的GND引腳接地,VCC引腳接電源;電源地和電源相連接;CH0與傳感器相連接,接收濕度信息;CH1引腳懸空不用。

        1.4 按鍵電路模塊。按鍵在整個單片機系統(tǒng)設(shè)計中不可或缺,實現(xiàn)人機交互功能的,將指令命令、數(shù)據(jù)以及程序等與計算機連接。系統(tǒng)設(shè)計了4個按鍵,其中S1為復(fù)位鍵,按下按鍵S1可使系統(tǒng)復(fù)位;S2為設(shè)置按鍵,通過S2按鍵可以對濕度值的上下限進行設(shè)置;S3是調(diào)整值的加鍵,按動時,可以增加設(shè)置的濕度值;S4是調(diào)整值的減鍵,通過按鍵S4可以減小設(shè)置的濕度值。單片機通過判識相應(yīng)應(yīng)接口的電平,來判斷按鍵狀態(tài),如按鍵按下時,單片機接口會產(chǎn)生輸入低電平。

        1.5 繼電器電路模塊。系統(tǒng)采用電磁繼電器控制水泵,實施智能灌溉。單片機輸入輸出電流很小,不足以驅(qū)動水泵等執(zhí)行機構(gòu),因此必須用繼電器,連接水泵和單片機。繼電器可以實現(xiàn)小電流去控制大的電流,這樣不僅保證安全,還可以遠程控制。

        1.6 顯示電路模塊。顯示模塊用于顯示控制信息,比如,濕度當前值等,采用LCD1602。電路設(shè)計時,單片機的P0口與LCD1602的數(shù)據(jù)口相連,用于輸入顯示數(shù)據(jù)。第3引腳加一個上拉電阻10k,用來調(diào)節(jié)字符的對比度。

        1.7通信報警模塊。通信模塊采用GSM模塊。采用一款緊湊型GSM/GPRS模塊SIM900A,具有體積小、功耗低、集成度高、傳輸速率快等優(yōu)點,支持雙頻,支持短信息、數(shù)據(jù)通信、語音傳輸?shù)确?wù)。SIM900A模塊通過串行接口與單片機進行通信,根據(jù)主控的指令,完成無線通信功能,可將灌溉的實時信息發(fā)送至用戶手機上。

        采用蜂鳴器作為報警元件。單片機I/O口發(fā)出控制電平,輸出低電平的時候,三極管導(dǎo)通,電流經(jīng)放大后驅(qū)動蜂鳴器工作,發(fā)出聲音進行報警。在本設(shè)計中,當檢測到的濕度小于設(shè)定值最小值時,系統(tǒng)開始報警提示,并自動啟動水泵進行灌溉,直至濕度處于系統(tǒng)設(shè)定的控制范圍之內(nèi)。

        二、系統(tǒng)流程圖

        智能灌溉系統(tǒng)啟動時,單片機復(fù)位,顯示、通信等模塊開始初始化。例如LCD1602顯示系統(tǒng)默認的初始值,當前土壤的濕度值。經(jīng)過初始化之后,可以通過按鍵模塊設(shè)定灌溉的相關(guān)控制參數(shù)和范圍,比如濕度的上限值、下限值、啟動、復(fù)位按鍵等。設(shè)置完畢,灌溉系統(tǒng)就可以啟動運行了。

        三、系統(tǒng)調(diào)試

        智能節(jié)水灌溉控制裝置的調(diào)試過程,接通電源后,按下按鍵K2,切換到設(shè)置模式,此時灌溉系統(tǒng)暫停,轉(zhuǎn)為設(shè)置狀態(tài);K3鍵是用來增加濕度的最值,K4鍵用以降低濕度的最值,同時K2鍵也充當確認鍵。系統(tǒng)默認顯示濕度上限值和下限值,顯示屏上,左側(cè)為土壤實時檢測的濕度值,右側(cè)表示的是系統(tǒng)預(yù)先設(shè)定值,本系統(tǒng)設(shè)置的最小值濕度20%和最大值濕度41%。

        通過測試發(fā)現(xiàn),當LCD屏幕顯示的土壤實時濕度值為16%,屬于缺水狀態(tài),此時蜂鳴器報警,繼電器驅(qū)動水泵開始自動澆水。當濕度值達到20%,指示燈停止閃爍,蜂鳴器停止工作,繼電器關(guān)閉,停止?jié)菜?。當土壤的濕度位?0%-41%時,蜂鳴器不會報警;當環(huán)境濕度超出40%,水泵停止工作。系統(tǒng)測試證明裝置的有效性。

        四、結(jié)語

        結(jié)合以往對自動灌溉的研究,設(shè)計出一套基于AT89C52單片機控制的智能節(jié)水灌溉控制裝置。該系統(tǒng)由單片機控制模塊、濕度傳感器、AD轉(zhuǎn)換電路、繼電器驅(qū)動電路、LCD顯示電路、按鍵電路等模塊構(gòu)成,能夠?qū)崟r采集土壤含水量(濕度)信息,發(fā)送給作為中央控制器的單片機,根據(jù)設(shè)定的控制規(guī)則,執(zhí)行相應(yīng)的操作,在液晶顯示器上進行顯示,缺水超限報警,驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu),達到自動檢測和自動灌溉的目標要求。通過仿真測試,系統(tǒng)運行穩(wěn)定,一方面能夠節(jié)約大量的水資源和能源,可以按時按需為農(nóng)作物供水,另一方面還可以節(jié)省大量的人力物力,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活帶來一定社會效益和經(jīng)濟利益。

        參考文獻

        [1] 張娣,曲子謙,羅文濤,鄧旭東,董莉霞.智能灌溉系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].軟件,2019,40(11):65-67.

        [2] 封居強,楊偉虎,伍龍.智能精細化灌溉自控系統(tǒng)的設(shè)計[J].九江學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2019,34(01):53-56.

        [3] 李志博,田軍倉.農(nóng)田智能灌溉系統(tǒng)的研究進展[J].寧夏工程技術(shù),2019,18(03):275-279.

        作者簡介:楊超(1979-),男,副教授,黑龍江安達人,碩士;

        張其偉,男,黑龍江工業(yè)學(xué)院16級電氣工程及其自動化專業(yè),學(xué)生;

        李洪印,男,黑龍江工業(yè)學(xué)院17級電氣工程及其自動化專業(yè),學(xué)生;

        田聰(1981-),女,黑龍江雞西人,副教授,碩士,研究方向:電氣工程、智能控制、實驗教學(xué)。

        項目來源:黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(編號:201911445002 )《基于單片機的智能節(jié)水灌溉裝置研制》。

        黑龍江省高等教育教學(xué)改革項目“新建應(yīng)用型本科院?!禤rotel DXP》課程教學(xué)改革與探索”(SJGY20180433)成果。

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