關(guān)鍵詞：獼猴桃；滴灌；單片機(jī)；自動(dòng)控制

0引言

獼猴桃是一種營(yíng)養(yǎng)豐富的果品，近年來(lái)深受消費(fèi)者的喜愛(ài)，我國(guó)獼猴桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭迅猛。獼猴桃樹(shù)是一種需水量大且耐干旱性較弱的樹(shù)種，在獼猴桃生長(zhǎng)的全育期必須保證獼猴桃樹(shù)根部的水分需求。目前對(duì)于獼猴桃樹(shù)多采用地面大水漫灌、微噴灌、滴灌等方式，伴隨著勞動(dòng)力成本上漲、水資源短缺等問(wèn)題，生產(chǎn)者迫切需求適宜于獼猴桃優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、高效的灌溉方式和方法[1]。

不同于傳統(tǒng)的地面灌溉選擇去濕潤(rùn)大面積的表面土壤，滴灌系統(tǒng)采用的方式為用低壓管道將水或肥料定時(shí)、定量、緩慢地運(yùn)送到植物根部，水滴浸潤(rùn)使根部土壤始終保持水分充足，通過(guò)滴灌可以使得每一株植物能都得到恰如其分的養(yǎng)料和水，是一種高效的灌溉措施。但傳統(tǒng)的滴灌系統(tǒng)需要人工及其經(jīng)驗(yàn)才能在恰當(dāng)時(shí)間手動(dòng)打開(kāi)水泵，若對(duì)滴灌系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制，不僅節(jié)約人力成本，并且對(duì)滴灌參數(shù)控制更為精確，這對(duì)提高獼猴桃的品質(zhì)和產(chǎn)量有重要意義。近年來(lái)，有越來(lái)越多的專家學(xué)者將目光投放在滴灌系統(tǒng)的自動(dòng)控制方向。熊金泉[2]設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)時(shí)采集土壤濕度、空氣濕度等數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后由微處理器確定灌溉量，然后發(fā)出控制信號(hào)結(jié)合相關(guān)指令實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控的目的。范錦杰選擇模糊控制作為滴灌自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制策略，分別設(shè)計(jì)了水肥EC值和pH值的模糊控制器，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)灌溉。盛會(huì)等[4]針對(duì)傳統(tǒng)滴灌技術(shù)中布線煩瑣及對(duì)人工經(jīng)驗(yàn)的過(guò)度依賴等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)田滴灌自動(dòng)控制系統(tǒng)。SUDARMAJI A等[5]根據(jù)沿海沙地植物的需求提出了一種緊湊而簡(jiǎn)單的自動(dòng)化灌溉方法，優(yōu)化利用了能源和水資源。

滴灌系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制對(duì)于節(jié)約人力成本、優(yōu)化水資源利用、提高生產(chǎn)效率有重要意義。本研究基于STC89C52型單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種獼猴桃滴灌系統(tǒng)自動(dòng)控制裝置，使滴灌系統(tǒng)做到灌溉時(shí)間和水量地精準(zhǔn)控制，推動(dòng)獼猴桃產(chǎn)業(yè)的智能化發(fā)展。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

在固定式滴灌系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行自動(dòng)控制裝置研究，包括控制器模塊、傳感器模塊、顯示模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和驅(qū)動(dòng)執(zhí)行模塊等。

以STC89C52型單片機(jī)作為控制機(jī)構(gòu)，土壤濕度傳感器電路、液晶顯示電路、蜂鳴器報(bào)警電路和水泵控制電路等構(gòu)成執(zhí)行機(jī)構(gòu)。具體工作過(guò)程：環(huán)境溫度傳感器、土壤濕度傳感器將檢測(cè)到的溫、濕度信號(hào)經(jīng)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳給單片機(jī)，由單片機(jī)判斷當(dāng)前溫度和濕度是否適宜灌溉，只有當(dāng)溫度值和濕度值都適合時(shí)才開(kāi)始進(jìn)一步工作。如當(dāng)檢測(cè)到的土壤濕度值低于設(shè)定下限時(shí)，蜂鳴器報(bào)警，滴灌系統(tǒng)水泵被啟動(dòng)開(kāi)始進(jìn)行滴灌；直到土壤濕度值高于設(shè)定上限，蜂鳴器停止報(bào)警，水泵也停止工作，完成滴灌系統(tǒng)的自動(dòng)控制過(guò)程[7]?？刂葡到y(tǒng)整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

2硬件選型

2.1單片機(jī)控制模塊

單片機(jī)微控制器（Micro Controller Unit，MCU），可以用于進(jìn)行信息采集、信息處理和硬件控制。根據(jù)對(duì)環(huán)境溫度、土壤濕度傳感器信號(hào)的檢測(cè)處理及驅(qū)動(dòng)滴灌系統(tǒng)水泵等的設(shè)計(jì)要求，選用相比于同系列性價(jià)比更高的STC89C52型單片機(jī)，其指令和代碼與以往的51單片機(jī)完全兼容，并有12時(shí)鐘／6時(shí)鐘機(jī)器周期可以進(jìn)行選擇，具備工作效率高、超低功耗、運(yùn)行穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)及性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)[8]。

2.2顯示器顯示模塊

根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，選擇了LCD1602型顯示屏（LiquidCrystal Display），對(duì)于當(dāng)前環(huán)境的溫度值、土壤濕度值、已設(shè)置好的土壤濕度上限及下限，并且顯示的土壤濕度的上、下限值應(yīng)隨著人工調(diào)整而變化等可以全部顯示。LCD1602型顯示屏作為一款字符型液晶顯示屏，一次性能夠展現(xiàn)出多個(gè)字母、數(shù)字及中文字符，還有8個(gè)自定義字符，顯示的內(nèi)容可以多種多樣，并具有功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)[9]。

2.3轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換模塊

A/D轉(zhuǎn)換模塊（Analog to Digital）把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)[10]。選用廣泛的逐級(jí)比較式ADC0832型轉(zhuǎn)換器來(lái)完成模數(shù)轉(zhuǎn)換。ADC0832型轉(zhuǎn)換器擁有8位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換，支持兩路模擬量信號(hào)輸入。采用串行通訊接口，因此具有個(gè)頭小巧、兼容能力高、性能好和成本低等特點(diǎn)。

2.4傳感器檢測(cè)模塊

在獼猴桃樹(shù)灌溉作業(yè)中，不僅要考慮土壤濕度的影響，也要考慮環(huán)境對(duì)滴灌系統(tǒng)作用效果的影響，如溫度、風(fēng)速、光照和水壓等。

2.4.1土壤濕度傳感器

本文選用應(yīng)用廣泛且性價(jià)比高的YL-69型土壤濕度傳感器。將傳感器的兩個(gè)探頭插片插入獼猴桃樹(shù)根部附近的土壤中，由于土壤中水分變化會(huì)導(dǎo)致土壤的電阻值不同，一般來(lái)說(shuō)土壤濕度越大，則兩個(gè)探頭插片間的電阻值越小，通過(guò)電阻值的變化就能反映土壤濕度的變化。

2.4.2環(huán)境溫度傳感器

選用應(yīng)用廣泛的DS18820型溫度傳感器。作為數(shù)字溫度傳感器，單片機(jī)可以直接讀取數(shù)字溫度，不需要數(shù)模轉(zhuǎn)換器，因而其控制電路簡(jiǎn)單、易擴(kuò)展、抗干擾性強(qiáng)。該溫度傳感器測(cè)溫范圍在-55～125℃，誤差范圍土5℃，測(cè)溫范圍符合獼猴桃生長(zhǎng)環(huán)境溫度變化范圍。

2.4.3液位傳感器

液位傳感器的作用：一是檢測(cè)管道里是否有水流通過(guò)，防止出現(xiàn)自動(dòng)控制裝置正常工作卻沒(méi)有達(dá)到滴灌的效果；二是防止管道里的水壓不夠大，導(dǎo)致毛管的水無(wú)法正常呈水滴狀滴入獼猴桃根部。滴灌系統(tǒng)負(fù)責(zé)滴灌的毛管直徑為10mm，管道內(nèi)部不適合安裝傳感器，故選用XKY-Y26型外貼片式液位傳感器。

2.4.4風(fēng)速傳感器

獼猴桃樹(shù)滴灌系統(tǒng)的毛管未直接接觸獼猴桃樹(shù)根部，而是懸掛在根部附近。當(dāng)風(fēng)速過(guò)大時(shí)，毛管形成的水滴在大風(fēng)的影響下可能會(huì)產(chǎn)生偏斜無(wú)法準(zhǔn)確到達(dá)獼猴桃樹(shù)根部，這樣就會(huì)降低工作效率同時(shí)造成水資源的浪費(fèi)。安裝風(fēng)速傳感器可以查看當(dāng)前風(fēng)速，避免風(fēng)速過(guò)大造成的資源浪費(fèi)。故選用常見(jiàn)的CYT-601型三杯式風(fēng)速傳感器。

2.5蜂鳴器報(bào)警模塊

當(dāng)檢測(cè)到土壤濕度低于所設(shè)置的下限時(shí)，系統(tǒng)應(yīng)有相應(yīng)的信號(hào)來(lái)提示單片機(jī)開(kāi)始控制水泵工作。蜂鳴器作為一種將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲音信號(hào)的器件，經(jīng)常被用來(lái)作為系統(tǒng)的報(bào)警器。選用內(nèi)部自帶振蕩源，可持續(xù)發(fā)聲、頻率固定的有源蜂鳴器。只需要將蜂鳴器接人單片機(jī)接口，再輸入直流電壓就可以發(fā)聲。由于蜂鳴器功率較大，單片機(jī)I/O口的驅(qū)動(dòng)能力不能滿足，因此選用一個(gè)三極管（PNP）開(kāi)關(guān)作為驅(qū)動(dòng)電路。蜂鳴器報(bào)警驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

2.6水泵驅(qū)動(dòng)模塊

單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，滴灌系統(tǒng)的水泵得電，開(kāi)始抽水滴灌。一般控制電路的電流都比較小，難以驅(qū)動(dòng)水泵進(jìn)行抽水，需要用較小的電流去控制較大的電流，繼電器正好可以滿足這個(gè)要求，所以選用繼電器來(lái)連接滴灌系統(tǒng)水泵電路。由于單片機(jī)的I/O驅(qū)動(dòng)能力不足，選用三極管（PNP）開(kāi)關(guān)作為驅(qū)動(dòng)電路。繼電器驅(qū)動(dòng)水泵電路如圖3所示。

2.7其他輔助模塊

本研究共有3個(gè)按鍵K1、K2、K3用來(lái)改變模式及設(shè)置上下限值。其中K1連接單片機(jī)表示模式切換，K2、K3連接單片機(jī)表示濕度值上下值的增減。初始化后，第1次按下Ki按鍵表示開(kāi)始設(shè)置濕度，此時(shí)按下K2、K3鍵可以調(diào)節(jié)濕度上限，同理第2次按下K1鍵可以設(shè)置濕度下限。如需退出設(shè)置濕度模式、只需再次按下K1鍵即可。

土壤濕度上下限的設(shè)置會(huì)影響滴灌水量，從而影響獼猴桃的生長(zhǎng)發(fā)育及果實(shí)品質(zhì)，一般來(lái)說(shuō)濕度下限的影響更大。不同生長(zhǎng)周期的濕度下限需求不同，不同植株部分的濕度下限需求也不同，故確切的濕度下限因由實(shí)地種植環(huán)境、種植品種、種植周期和植株的生理活動(dòng)等多因素共同決定。硬件選型如表1所示，完成后，對(duì)整個(gè)硬件電路進(jìn)行連接，如圖4所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制程序利用KEIL軟件及C語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)和模塊化編程。

3.1控制程序

主程序流程如圖5所示，軟件部分的主函數(shù)程序如圖6所示。主要由4部分組成。①預(yù)編譯、單片機(jī)接口選定。②初始化I/O口，單片機(jī)接收溫度信號(hào)，當(dāng)溫度值高于設(shè)定值時(shí)滴灌系統(tǒng)不會(huì)開(kāi)啟，LCD1602型顯示系統(tǒng)關(guān)閉，溫度低于某一溫度時(shí)正常工作。③當(dāng)溫度與濕度顯示均低于設(shè)定值時(shí)，如果按鍵電路沒(méi)有按下，則蜂鳴器響，繼電器得電吸合，水泵開(kāi)始工作；如果按鍵電路按下并選定需要調(diào)節(jié)的濕度值，則根據(jù)調(diào)節(jié)后的濕度下限決定是否開(kāi)啟水泵。④當(dāng)?shù)喂嗪蟮耐寥罎穸戎荡笥谠O(shè)定上限時(shí)，蜂鳴器和水泵電路關(guān)閉。

3.2模塊化編程

模塊化編程包含了LCD1602型顯示模塊、DS18820型溫度檢測(cè)模塊、Delay延遲模塊和ADC0832型濕度模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。

3.2.1顯示模塊

選用LCD1602型顯示屏，初始化后，首先接收溫度值，當(dāng)溫度高于設(shè)定值時(shí)，屏幕顯示系統(tǒng)關(guān)閉；當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí)，首行標(biāo)明實(shí)時(shí)溫度值、濕度值，次行則是已設(shè)置的濕度上下閾值，并根據(jù)單片機(jī)傳來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)更改屏幕顯示數(shù)據(jù)。顯示程序如圖7所示。

3.2.2溫度模塊

環(huán)境溫度檢測(cè)選用DS18820型傳感器，主要用于檢測(cè)當(dāng)前環(huán)境溫度，并把溫度信號(hào)傳遞給單片機(jī)進(jìn)行分析處理。

如圖8所示，初始化后，先寫(xiě)入溫度數(shù)據(jù)，完成溫度轉(zhuǎn)換后經(jīng)由單片機(jī)讀出當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)，與設(shè)定值作比較，判定當(dāng)前環(huán)境溫度是否適合滴灌系統(tǒng)工作。

3.2.3延遲模塊

延遲模塊Delay，用于程序中的延遲、消抖。主要有MS、US兩種延遲函數(shù)，通過(guò)Delay（）函數(shù)可以達(dá)到想要的延遲效果。

3.2.4濕度模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

數(shù)據(jù)讀取程序流程如圖9所示。濕度模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，選用ADC0832型轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。啟動(dòng)一啟用芯片-MCU產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)—選擇輸入通道一讀取數(shù)據(jù)值一校驗(yàn)數(shù)據(jù)值—將數(shù)據(jù)值輸入到寄存器—結(jié)束。ADC0832型主要用于土壤濕度傳感器的信號(hào)處理。

4自動(dòng)控制裝置仿真測(cè)試

軟件設(shè)計(jì)完成后，還要結(jié)合所設(shè)計(jì)的整體硬件電路進(jìn)行軟件程序調(diào)試和電路仿真。在仿真過(guò)程中還需不斷優(yōu)化程序和電路，以確保能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能。Proteus是一款常用的電路仿真軟件，可以提供各種如顯示器、單片機(jī)控制器、傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器等仿真元器件。選用AT89C51型代替STC89C52型作為控制器，LM016L型代替LCD1602型作為顯示屏，選用滑動(dòng)變阻器來(lái)代替土壤濕度傳感器，通過(guò)改變接人電路的滑動(dòng)變阻器的阻值來(lái)模擬土壤濕度值的變化以調(diào)試程序，在Proteus軟件中整體仿真電路如圖10所示。

單片機(jī)對(duì)滴灌系統(tǒng)的控制如圖11所示。在仿真過(guò)程中單片機(jī)控制滴灌系統(tǒng)是否工作主要取決于溫度、濕度兩個(gè)參數(shù)。預(yù)設(shè)定滴灌系統(tǒng)工作溫度上限為30℃，濕度上限為200%RH，濕度下限為50%RH（RH為相對(duì)濕度單位），選取的電位器模擬濕度變化范圍為1%RH～255%RH。

通過(guò)調(diào)節(jié)不同的溫濕度來(lái)實(shí)現(xiàn)電路的仿真。最終在全部仿真過(guò)程中，運(yùn)行穩(wěn)定、無(wú)異常現(xiàn)象，說(shuō)明該軟硬件設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期目的。

5結(jié)束語(yǔ)

基于單片機(jī)固定式滴灌系統(tǒng)自動(dòng)控制裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)獼猴桃樹(shù)精準(zhǔn)科學(xué)灌溉，較好地解決了傳統(tǒng)滴灌系統(tǒng)中無(wú)實(shí)際數(shù)據(jù)采集、對(duì)人工經(jīng)驗(yàn)過(guò)分依賴的問(wèn)題。該自動(dòng)控制裝置結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)，以較低的成本投入中產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證表明，可達(dá)到預(yù)期效果。