周琳博

(哈爾濱市水務(wù)科學(xué)研究院，哈爾濱 150001)

1 概 述

我國農(nóng)業(yè)用水量約占總用水量的80%左右，由于農(nóng)業(yè)灌溉用水的利用率普遍偏低，就全國而言，水的利用率僅為45%，而水資源利用率高的國家已達70%～80%。采用傳統(tǒng)的灌溉模式，灌溉定額普遍偏高。農(nóng)業(yè)灌溉采取的模式是定時灌溉，定時灌溉是指在設(shè)定的時間內(nèi)對農(nóng)田進行定點的灌溉，定時灌溉并不能給予農(nóng)作物合理科學(xué)的灌溉量，而且水資源過于浪費。

隨著電子技術(shù)、傳感技術(shù)、單片機技術(shù)的發(fā)展，在灌溉系統(tǒng)中合理推廣自動化技術(shù)，不僅可以提高水資源的利用率，還可以增加農(nóng)作物的產(chǎn)量。按照作物需水要求和水源供水狀況，有計劃地控制溫度以及引、蓄、配、灌，合理組織用水，以控制、調(diào)節(jié)土壤溫濕度來滿足作物的生長要求，是作物生長管理工作的中心內(nèi)容。為此，需要及時掌握作物的生長規(guī)律，各發(fā)育期的需水量和適宜的生長溫度，而這些最根本的是土壤的含水量。土壤濕度作為土壤灌溉的基本參量，對農(nóng)作物的生長十分重要，通過人為手段創(chuàng)造出適合作物生長的濕度環(huán)境，可以提高單位面積產(chǎn)量，提升農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量，從而實現(xiàn)高效農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的目的。本文是在土壤濕度測量模塊的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種具有自動灌溉功能的節(jié)水控制器系統(tǒng)，在測得土壤缺水時，予以及時灌溉，同時用戶還可以根據(jù)實際需要自行設(shè)置啟動抽水泵工作的閾值參數(shù)。

2 系統(tǒng)的組成與功能介紹

本文以51系列單片機AT89S52為主要控制核心，利用土壤濕度傳感器對土壤濕度進行測量，利用A/D轉(zhuǎn)換器將測量的電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，最終將土壤中的含水?dāng)?shù)值實時顯示在4位共陽極的數(shù)碼管上。該數(shù)值與單片機內(nèi)部預(yù)設(shè)的閾值進行比較，進而控制與繼電器相連的大功率抽水泵開關(guān)，從而實現(xiàn)含水值測量、數(shù)值顯示及智能灌溉的節(jié)水控制。

本文在控制抽水泵灌溉土壤的基礎(chǔ)上，同時設(shè)置了手工調(diào)節(jié)土壤濕度閾值的設(shè)計，用戶可以根據(jù)實際需要自行設(shè)置抽水泵工作的啟動閾值。該灌溉系統(tǒng)還設(shè)有數(shù)碼管顯示模塊和控制按鍵模塊，具有以下功能：①本系統(tǒng)開機后，4位共陽極數(shù)碼管實時顯示土壤濕度；②控制按鍵部分可以完成土壤濕度設(shè)置閾值調(diào)整操作功能；③當(dāng)實時土壤濕度低于設(shè)置濕度，抽水泵自動啟動進行灌溉；當(dāng)濕度超過設(shè)置濕度時，抽水泵立即停止工作。

硬件系統(tǒng)主要包括單片機數(shù)據(jù)處理控制模塊、土壤含水值數(shù)碼管顯示系統(tǒng)模塊、土壤濕度采集模塊、參數(shù)設(shè)置按鍵控制模塊、A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、大功率抽水泵控制模塊。系統(tǒng)組成見圖1。

圖1 智能水利灌溉控制系統(tǒng)框圖

3 硬件電路的設(shè)計

3.1 單片機控制電路的設(shè)計

單片機控制電路可以概括為單片機最簡系統(tǒng)的設(shè)計。它是由供電電路、單片機、晶振電路和復(fù)位電路構(gòu)成。AT89S52系列單片機是新一代高速、低功耗、超強抗干擾的單片機，AT89S52單片機中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部震蕩器的放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或者陶瓷諧振器構(gòu)成自激振蕩器，它們分別與電容C2、C3接在放大器的反饋電路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。復(fù)位電路接單片機的RST端。EA 端接 VCC 的電源，目的是采用程序內(nèi)部ROM讀取方式。單片機控制系統(tǒng)電路見圖2。

圖2 單片機控制系統(tǒng)電路圖

3.2 土壤濕度測量電路的設(shè)計

本設(shè)計采用的是土壤濕度計，土壤傳感器遇到不同的土壤濕度會輸出不同的電壓值。所以，本設(shè)計采用模擬量的A/D轉(zhuǎn)換處理，測量原理為土壤濕度計處于空氣中輸出電壓為0，標(biāo)定濕度為0%，土壤濕度計處于水中輸出電壓為5 V，標(biāo)定濕度為100%，將此對應(yīng)關(guān)系利用8位ADC0804模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進行標(biāo)度變換，再將5 V電壓值分成256份，精度為0.01 V，即可測量出土壤相對濕度范圍為0～100%的具體數(shù)值。

本文將芯片片選信號/CS直接接地，時鐘保持低電平；數(shù)據(jù)讀出控制端/RD接至單片機的P30端口，使用時嚴(yán)格按照ADC0804芯片的時序圖進行操作，低電平時為數(shù)據(jù)讀出有效控制操作；模/數(shù)轉(zhuǎn)換啟動信號/WR接至單片機的P31端口，低電平時執(zhí)行一次模/數(shù)轉(zhuǎn)換操作。8位數(shù)字信號輸出位與單片機的P1口相連，參考電壓為5 V，R3與C0組成RC時鐘振蕩電路，保證ADC0804芯片能夠正常工作即可。本設(shè)計的土壤傳感器的濕度測量電路見圖3。

圖3 土壤濕度測量電路

3.3 繼電器控制電路的設(shè)計

本系統(tǒng)的繼電器部分采用高品質(zhì)5 V松樂品牌五腳繼電器制作，可以直接實現(xiàn)對最高直流30 VDC/10 A或者交流250 VAC/10 A抽水泵的常開常閉控制，采用低電平控制信號繼電器的吸合、高電平控制信號繼電器的斷開。在自動控制工作模式下，一旦來自單片機P37端口輸出的低電平信號，繼電器立即吸合，抽水泵啟動。繼電器控制電路見圖4。

圖4 繼電器控制電路

4 軟件程序的設(shè)計

系統(tǒng)主程序首先對系統(tǒng)進行初始化，包括土壤閾值、單片機及數(shù)碼管顯示、濕度數(shù)據(jù)采集模塊的初始化。整個系統(tǒng)通電后，單片機及外設(shè)開始正常工作，單片機內(nèi)部程序開始執(zhí)行，其步驟如下：①程序開始執(zhí)行，顯示土壤濕度參數(shù)信息；②判斷實時測量的土壤濕度是否處于下限閾值范圍之外；③如果檢測到低于設(shè)置下限閾值，繼電器立即吸合控制抽水泵自動澆水；此時傳感器一直檢測土壤濕度，如果土壤濕度超過設(shè)置土壤濕度閾值下限，繼電器立即斷開，抽水泵停止控制工作。系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計方法，主程序設(shè)計流程見圖5。

圖5 主程序流程圖

5 結(jié) 語

本文設(shè)計的智能水利灌溉控制裝置，選用的土壤濕度檢測模塊，小巧便捷，傳感器探頭是一對針狀探片組成，容易插入土壤，對土壤結(jié)構(gòu)影響小。選用單片機與繼電器控制抽水泵來實現(xiàn)智能灌溉，與同類傳統(tǒng)測試系統(tǒng)相比具有智能化、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、成本低、通用性好等特點，同時，還可以根據(jù)用戶需求進行二次開發(fā)。