灌溉節(jié)水控制系統(tǒng)

基于單片機(jī)的遠(yuǎn)程灌溉節(jié)水控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

我國是一個(gè)典型的農(nóng)業(yè)大國，對(duì)于農(nóng)作物的灌溉大部分采用地面灌溉的方式。此種方式效率較低，并且根據(jù)人工經(jīng)驗(yàn)來判斷時(shí)長和灌溉的程度。傳統(tǒng)的底面灌溉浪費(fèi)了大量人力和物力，并且灌溉的水資源不能被農(nóng)作物及時(shí)的吸收。除此之外，我國的水資源比較緊缺，因此節(jié)水的灌溉技術(shù)更合適發(fā)展的需要。

節(jié)水的灌溉技術(shù)在國外已經(jīng)成熟，這主要是由于他們起步早，并且運(yùn)用比較先進(jìn)的電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)。如果全部引進(jìn)國外的灌溉系統(tǒng)，不僅技術(shù)受到國外的控制，而且成本的費(fèi)用也較高。另外，我國的自然氣候土地狀況也不盡相同?；诖吮疚脑O(shè)計(jì)了以單片機(jī)STC89C52核心的控制系統(tǒng)，闡述了控制系統(tǒng)的硬件電路，主要包括電源電路、顯示電路、數(shù)據(jù)采集電路和驅(qū)動(dòng)電路等，并利用開發(fā)軟件Keil設(shè)計(jì)程序，主要包括監(jiān)控程序、時(shí)鐘程序等。經(jīng)過最終的調(diào)試，該控制系統(tǒng)能很好的實(shí)現(xiàn)預(yù)期要求，達(dá)到農(nóng)作物合理灌溉的目的，且易于推廣。

一、遠(yuǎn)程灌溉節(jié)水控制系統(tǒng)工作原理和結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程灌溉系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心的，同時(shí)對(duì)其它設(shè)備進(jìn)行控制、處理以及監(jiān)控等，總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。整體的灌溉系統(tǒng)主要包括單片機(jī)的控制系統(tǒng)、管道運(yùn)水系統(tǒng)、濕度傳感器和電源電路等。根據(jù)圖1中的介紹，其工作原理如下所示。

(1)灌溉的裝置主要是由水泵、壓力表、流量計(jì)等組成，一定的壓強(qiáng)下可以將水和肥料相互融合，此時(shí)先將雜質(zhì)過濾出來，然后形成的有用的液體進(jìn)入管道內(nèi)部。

(2)運(yùn)水的管道系統(tǒng)主要是主干管道、支路管道、毛管等組成。一般情況下，主管和直管的直徑大約為37.5～100mm，毛管的直徑在10mm左右。為了更好的實(shí)現(xiàn)水在管道內(nèi)部的順利流通，各個(gè)不同的管道之間用二通或者三通的閥連接。

(3)滴頭的功能主要是將水流的形狀轉(zhuǎn)變?yōu)槲⑿〉乃危M(jìn)而充分的浸濕土壤。

(4)濕度傳感器主要是測量土壤內(nèi)部的濕度，能夠收集控制系統(tǒng)的大量數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)灌溉的程度和需求進(jìn)行及時(shí)的評(píng)價(jià)。

(5)單片機(jī)是灌溉系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，主要是由中央處理器、存儲(chǔ)器、定時(shí)器等組成。灌溉系統(tǒng)中的上位機(jī)和單片機(jī)是以串行通信ＲS232連接，濕度傳感器根據(jù)A/D接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送和轉(zhuǎn)換，控制系統(tǒng)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理，并運(yùn)用驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁閥系統(tǒng)的控制，進(jìn)一步完成農(nóng)作物的灌溉。

二、遠(yuǎn)程灌溉節(jié)水控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的硬件電路由單片機(jī)控制電路、時(shí)鐘及復(fù)位電路、人機(jī)對(duì)話電路、數(shù)據(jù)采集電路、電磁閥驅(qū)動(dòng)電路和電源模塊等組成。

2.1單片機(jī)電路設(shè)計(jì)

單片機(jī)STC89C52是由ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能8位控制機(jī)，含有8K的只讀存儲(chǔ)器和256K的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。它有40引腳、32個(gè)雙向輸入端口、2個(gè)中斷接口、3個(gè)16位計(jì)數(shù)器和2個(gè)串行通信接口等，并且兼容MCS－51指令系統(tǒng)。時(shí)鐘頻率為0～24MHz，電源的接入端為－5～+5V。

2.2時(shí)鐘及復(fù)位電路設(shè)計(jì)

該單片機(jī)采用內(nèi)部振蕩器組成，為高增益反向增大器。XTAL1和XTAL2分別為輸入端和輸出端。當(dāng)系統(tǒng)工作的時(shí)候，如果遇到故障或者復(fù)雜狀態(tài)的時(shí)候，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。此單片機(jī)的自動(dòng)復(fù)位功能互主要是通過電容充放電實(shí)現(xiàn)的。手動(dòng)按鍵復(fù)位主要是通過電阻與電源相接通。

2.3人機(jī)接口電路設(shè)計(jì)

人機(jī)接口電路主要實(shí)現(xiàn)人與計(jì)算機(jī)進(jìn)行信息、數(shù)據(jù)的交換。目前最常用的輸出和輸入設(shè)備包括顯示器和鍵盤，下顯示接口面對(duì)LED的顯示接口電路和鍵盤電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的簡化，該控制系統(tǒng)采用的是四位一體的數(shù)碼管。它是由8位的共陽極管路組成，并且是動(dòng)態(tài)顯示的。

為了更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制，采用4位獨(dú)立的鍵盤，按鍵的數(shù)量較少并且操作速度較快。整體的結(jié)構(gòu)簡單、成本低。

2.4數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

要想精確的實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物的灌溉，必須選用精確的傳感器。目前土壤的濕度傳感器是FDＲ型。此類型的傳感器簡單、安全、自動(dòng)測量。根據(jù)實(shí)際的情況，選用SWＲ－2傳感器。

當(dāng)傳感器采集后，需要進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，據(jù)此選擇TLC549轉(zhuǎn)換器。它是8位逐漸逼近式串行A/D芯片。

當(dāng)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)后，就需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。由于測量的數(shù)據(jù)比較多，根據(jù)要求就選擇AT24C16存儲(chǔ)器。它具有2048個(gè)8位字節(jié)，有16K串行存儲(chǔ)器，通過總線進(jìn)行操作。

2.5輸出驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

繼電器是輸出電路的重要組成部分，其作用主要是對(duì)電磁閥的驅(qū)動(dòng)和控制，進(jìn)而完成噴頭的動(dòng)作。另外，為了提高整個(gè)系統(tǒng)的抗干擾性能，采用光耦隔離作用在繼電器和單片機(jī)之間。此供電系統(tǒng)為雙電源供電。

三、遠(yuǎn)程灌溉節(jié)水控制系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)

模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是灌溉系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì)所主要采用的方式之一，其結(jié)構(gòu)都有相應(yīng)的模塊程序完成，主要包括不同信號(hào)采集模塊、信號(hào)的初始化模塊、系統(tǒng)控制模塊、限定時(shí)間顯示模塊等。上述各部分模塊，相互配合，能夠在限定時(shí)間內(nèi)完成農(nóng)作物的灌溉?？刂葡到y(tǒng)具有通用性強(qiáng)、安全性高、調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)。

當(dāng)單片機(jī)STC89C52上電后，首先進(jìn)行的是系統(tǒng)程序的初始化，初始化的主要內(nèi)容包括所需芯片接口的初始化以及不同標(biāo)志位以及變量的初始化。完成這些后，整個(gè)系統(tǒng)程序就會(huì)進(jìn)入主程序，單片機(jī)根據(jù)采集的土壤濕度信息，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器進(jìn)行變換，后與程序中設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行比較，經(jīng)過一定的對(duì)比，LED顯器就會(huì)顯示實(shí)況下土壤的濕度情況。如果得到的數(shù)值比標(biāo)準(zhǔn)值大，軟件程序就會(huì)不停的采集程序和數(shù)值的顯示，反之程序就會(huì)按照步驟進(jìn)行，啟動(dòng)設(shè)計(jì)好的子程序，進(jìn)一步對(duì)電磁閥控制和噴頭時(shí)間的限定，直到土壤的濕度值和設(shè)定的值相差不大。整個(gè)系統(tǒng)也是有時(shí)間限定，若超過時(shí)間定值，則會(huì)重新初始化，并重新開始農(nóng)作物的灌溉。

軟件系統(tǒng)的時(shí)鐘程序主要完成的是對(duì)單片機(jī)STC89C52的定時(shí)和計(jì)時(shí)。單片機(jī)的接口T0可以通過編程調(diào)整整個(gè)系統(tǒng)時(shí)間顯示情況以及對(duì)象的確定。

軟件的鍵盤掃描程序主要針對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中軟件的抖動(dòng)和按鍵狀態(tài)的測試。整個(gè)掃描程序是每隔50ms進(jìn)行一次掃描。為了更好的防止鍵在操作的過程中發(fā)生沖突，系統(tǒng)只執(zhí)行一次按鍵。

LED顯示程序的設(shè)計(jì)主要是根據(jù)所采用的共陽極數(shù)碼管情況進(jìn)行。當(dāng)整個(gè)二極管的陽極為高電平時(shí)，此時(shí)數(shù)碼管就會(huì)點(diǎn)亮。因此，并列的共陽極數(shù)碼管就能清晰的顯示時(shí)間的變化。在進(jìn)行動(dòng)態(tài)系現(xiàn)實(shí)的時(shí)候，數(shù)碼管內(nèi)的數(shù)字以一定的格式保存在ＲOM中，通過翻譯過來的不同數(shù)碼，調(diào)用存儲(chǔ)的內(nèi)容，進(jìn)一步顯示時(shí)間的變化。

在進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換的時(shí)候，TLC549轉(zhuǎn)換器根據(jù)模式輸入、A/D變換、數(shù)據(jù)輸出。數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)主要是AT24C16，此時(shí)采用的數(shù)據(jù)總線為I2C。根據(jù)其芯片的不同情況的尋址和應(yīng)答內(nèi)容，及時(shí)的寫入不同的字節(jié)?？偩€的傳送并不影響時(shí)鐘線電平的變化，在滿足空閑的情況，數(shù)據(jù)傳送的信號(hào)就會(huì)啟動(dòng)。

四、遠(yuǎn)程灌溉節(jié)水控制系統(tǒng)調(diào)試

控制系統(tǒng)的軟件程序設(shè)計(jì)是基于KeilC51開發(fā)的。其仿真調(diào)試也可以由Keil軟件完成。最終生成的目標(biāo)代碼通過編程器JDT－2008燒入所需的STC89C52單片機(jī)中。

經(jīng)過驗(yàn)證，傳感器檢測數(shù)的數(shù)值與實(shí)際的數(shù)值相差不大，基本上滿足要求。

總結(jié)

隨著時(shí)代的發(fā)展，我國的水資源日益緊缺，因此對(duì)農(nóng)作物的灌溉方式選擇就顯得格外重要。根據(jù)實(shí)際需求，本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)STC89C52的遠(yuǎn)程節(jié)水灌溉系統(tǒng)。

首先介紹了國內(nèi)外灌溉系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，并在此基礎(chǔ)上，闡述了灌溉系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理。然后，對(duì)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括單片機(jī)電路設(shè)計(jì)、時(shí)鐘及復(fù)位電路設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、人機(jī)接口電路設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)等。完成硬件設(shè)計(jì)，就需要對(duì)軟件進(jìn)行程序編寫，軟件程序的設(shè)計(jì)主要包括主監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)時(shí)鐘程序設(shè)計(jì)、按鍵識(shí)別和處理程序設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)顯示程序設(shè)計(jì)等。最后，對(duì)設(shè)計(jì)的灌溉系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試和驗(yàn)證。經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)的要求，設(shè)計(jì)成本低、運(yùn)行可靠、安全性高、操作比較簡單。它不僅克服了設(shè)計(jì)傳輸?shù)睦щy，而且為同類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考。

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