基于AT89C51的自动灌溉控制器设计

0   引言

农田土壤中的水分含量是决定农作物生产的关键性因素之一。农田土壤中合适的水分含量对帮助农作物的健康生长有着重要意义。土壤中水分含量是否适宜至关重要，它的高低决定着农作物尤其是作物根部的发育情况，影响农作物的产量。在含水量高的土壤中，农作物根部发育迟缓而且只能扎根在浅土层中。若含水量低，农作物根部则会生长到深层。农作物含水量达不到其需求量，就会滞缓其生长，甚至导致死亡。如果超过了农作物的需求量，农作物的根部就会窒息缺氧、直至枯萎。而且农作物根部的吸水与叶片的蒸腾作用只有在合适的土壤湿度中才会达到均衡状态，因此合适的土壤湿度至关重要^[1]。我国属于水资源短缺型国家，目前95% 以上的农田都采用地面灌溉方法。采用先进的地面灌溉技术，积极推广节水型农业是保持我国灌溉农业可持续发展的必由之路。节水灌溉是发展节水型农业的核心，它采用先进的灌溉技术将水分最大限度的均匀分配到农田土壤中，让其保持作物的最适生长湿度来实现灌溉水利用率的提高^[2-3]。

李向欣等人利用频域反射的测量原理设计出一种灌溉器，利用介电特性来反映土壤的含水量^[4]。李景志设计了一个分布式灌溉管理系统，这个系统安装了四条管道和四个水闸，通过控制不同分支中的水闸开度，来实现对农田的自动灌溉^[5]。甘肃农业大学的安进强等人通过田间管闸设计了一种自动灌溉控制系统，运用接触器和功能性的电子电路构成自动灌溉系统，并投入使用^[6]。本文在借鉴前人设计的基础上，设计了一款在没有人干预的情况下自动根据设定好的程序指令对整个灌溉系统进行实时控制，自动的完成浇水灌溉的任务，实现智能化灌溉。

1   自动灌溉控制器的硬件电路设计

自动灌溉控制器的硬件电路主要包括AT89C51 单片机最小系统电路、数据采集电路、显示电路、驱动电路和电源电路等。系统总体框架如图1 所示。

图1 系统总体框架

1.1 AT89C51单片机最小系统电路

AT89C51 单片机功率损耗低、运行速度快、抗干扰能力强、性价比高^[7]，单片机最小系统电路和电源电路如图2 所示。采用12 MHz 晶振，时钟电路中电容为30 pF。复位电路中电容采用10 μF，电阻采用10 kΩ。

1.2 显示模块

湿度测量值以及设定的湿度上下限值用LCD显示，它同时可以显示两行。第一行显示测量元件实时测得的数据，第二行显示设定的阈值。为了有更好的显示效果，第3 引脚接入电阻来调节显示屏的灰度。D0~D7 数据端口接单片机的P0 端口。同时选择10 kΩ 的电阻接在P0 口。显示电路的接线图如图3 所示。

本设计通过LED 灯来指示电路是否正常工作。在指示模块中，LED 的正极接电源，负极接在P2.0 和P2.2 端口上。两种颜色的灯分开代表不同的信号，红色表示警告，绿色代表正常工作。红色灯接电阻为2.2 kΩ，绿色指示灯所接电阻为220 Ω。当系统启动运行时，主控元件通过输出低电平来控制LED 灯亮。若绿色指示灯亮，表示土壤的湿度在设定的湿度范围内或者是系统处于按键设置阶段；如果土壤的湿度低于下限值，则控制模块驱动执行模块工作，并且红色的指示灯亮起来。指示模块的接线图如图4 所示。

1.3 土壤湿度检测模块

传感器用来检测土壤容积含水率，土壤湿度传感器可分为FDR 型（频域型）和TDR 型（时域型）两种，本设计采用HS1101 湿度传感器^[8]，生产厂家为法国的HUMIREL 公司。土壤湿度传感器输出的模拟信号经过ADC0832 送入单片机，检测电路如图5 所示。

1.4 按键模块

采用三个按键，分别接AT89C51 的P2.6、P2.7 和P3.7 三个端口，K1 为设置选择按键，K2 和K3 为数值调整按键，其电路图如图6 所示。

1.5 报警模块

采用蜂鸣器作为报警装置，单片机的P2.5 端口通过PNP 型晶体管放大电路进行驱动，其电路连接图如图7 所示。

1.6 输出驱动电路

本设计的输出驱动电路为一个继电器电路，继电器的功用相当于一个自动开关，单片机通过控制继电器的闭合就可以控制喷头的启用停止。图8 中的二极管为反向续流晶体，防止三极管关断时继电器线圈释放的电流破坏元件。三极管起开关作用。电阻R 作为限流电阻，用来降低三极管的功率损耗。

2   软件设计

根据自动灌溉控制器的作业要求，控制器需实现以下功能：单片机检测到传感器发来的信号，能够及时响应并控制电机的运行，实时调整灌溉量的大小。本设计采用Keil 软件进行程序的编写，程序结构图是由主程序加各个模块的子程序构成，如图9 所示。

系统启动后，进入主程序，先进行初始化，然后对土壤湿度进行检测，将检测到数据送入单片机进行处理。在数据处理之前先判断按键是否处于工作状态，若按键为工作状态，则先要采集按键输入的数值进行数据处理，否则跳过。然后处理所有采集的数据，分析目前的湿度状态是否满足农作物的需求。若采集到的湿度值不在设定的阈值内，则单片机发出信号驱动水泵进行灌溉，直至湿度达到设定值为止。其流程图如图10 所示。

3   系统调试及试验

自动灌溉控制器启动后，首先初始化状态，然后对湿度传感器测量的数据进行显示和处理，该控制器的湿度检测模块实时对土壤的湿度进行采集并分析。本文中初始的湿度阈值的上限是70%，下限是20%。在初始化状态下，控制器程序比较测量的湿度值与设定值的大小，判断是否驱动水泵浇水灌溉。比如土壤湿度值是18%，单片机将检测到的数据经过处理就会在P2.1 引脚输出低电平，驱动水泵进行工作，同时蜂鸣器发出鸣叫提示系统正在浇水灌溉，并且辅助指示模块的红色指示灯亮起来。若湿度值在阈值内，则绿色指示灯亮起来，水泵驱动模块停止工作，蜂鸣器关闭。

4   结语

该自动灌溉控制器基于AT89C51 单片机设计，实现了对灌溉量及时、准确控制，从而可实现土壤湿度的精确控制，并具有抗干扰性强、实时性强、应用范围广等优点。

参考文献：

[1] 张凤珍,张沛明,公晓霞,等.水分对农作物生长的影响[J].吉林农业C版,2012,(12):205.

[2] 楼豫红.自动控制灌溉系统介绍[J].四川农机,2003(01):25.

[3] 邓忠,翟国亮,吕谋超,等.我国农业应对干旱灾害的技术研究现状及展望[J].节水灌溉,2016(08):162-165.

[4] 李向欣,周洁娴,李国豪,等.基于自动控制的土壤灌溉系统研究[J].电脑知识与技术,2016,12(27):204+221.

[5] 李景志.分布式水利灌溉自动控制系统的研究与设计[D].兰州:兰州理工大学,2008.

[6] 安进强,黄高宝,成自勇,等.田间管闸自动控制灌溉系统的研制与实践[J].甘肃农业大学学报,2007(04):114-117.

[7] 郭文川.MCS-51单片机原理、接口及应用[M].北京:电子工业出版社,2013.

[8] 林敏,于忠得,侯秉涛,等.HS1100/HS1101电容式湿度传感器及其应用[J].仪表技术与传感器,2001,(10):44-45.

（本文来源于威廉希尔 官网app 杂志2021年2月期）