基于AT89C51的節(jié)水灌溉系統(tǒng)設計
劉 曉，張一銘，黃文強，范明明
（哈爾濱理工大學榮成學院，山東 威海 264300）
摘要：自動控制節(jié)水灌溉技術水平的高低代表著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展狀況，自動化節(jié)水灌溉水平較低是制約我國高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要原因。設計了一個單片機節(jié)水灌溉自動系統(tǒng)，可對土壤濕度、溫度進行監(jiān)控，并進行適時、適量的灌水，從而達到節(jié)水目的。經(jīng)測試本系統(tǒng)能實現(xiàn)穩(wěn)定、高效、節(jié)能的效果。
關鍵詞：節(jié)水灌溉；自動化灌溉；AT89C51單片機 中圖分類號：TP273
0 引言
水是可持續(xù)發(fā)展最重要的資源之一，許多國家都重視有效利用水資源。灌溉管理的自動化是發(fā)展高效農(nóng)業(yè)的重要途徑，劉楷等進行了基于AT-MEGA128單片機節(jié)水灌溉系統(tǒng)的設計，系統(tǒng)自動檢測土壤水分含量并通過電磁閥模糊控制實現(xiàn)及時適當?shù)墓喔取Ｓ魰詰c等設計了一套由單片機、無線傳感器網(wǎng)絡、GSM無線通信和可變控制技術集成的精確灌溉閉環(huán)遠程監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)按需灌溉，可節(jié)約20%的用水量。顧博飛等設計了一個光伏電源自動灌溉系統(tǒng)，可解決偏遠地區(qū)電力短缺問題，提高灌溉效率。
本文設計了一套蔬菜大棚自動灌溉控制系統(tǒng)，以改善手動澆水現(xiàn)狀，通過設定所需土壤溫度、濕度的范圍值，利用傳感器測量土壤溫度和濕度，采用模糊控制實現(xiàn)自動灌溉。
1 節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的總體方案
本系統(tǒng)采用溫、濕度傳感器檢測土壤溫、濕度，所得電壓信號通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，送入單片機處理，根據(jù)處理結(jié)果控制電磁閥，溫、濕度用LCD1602進行顯示，系統(tǒng)整體方案框圖如圖1所示。
1.1 液晶顯示器、振蕩、復位電路
LCD1602與AT89C51的接口電路如圖2所示。LCD1602是一種使用5×7點陣圖形LCD模塊、可顯示1 6（字符）*2（行）的液晶顯示器，包括控制器、驅(qū)動器和顯示裝置3部分。LCD1602具有體積小、功耗低、顯示操作簡單、顯示值清晰等特點，正常溫度范圍為-20 ℃~+60 ℃。
1.2 土壤濕度檢測及A/D轉(zhuǎn)換電路及其接口
土壤濕度檢測及A/D轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。濕度傳感器將土壤濕度轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)調(diào)理后送入ADC0809．產(chǎn)生數(shù)字信號，再送入單片機。ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器是帶有8位A/D轉(zhuǎn)換器、8位多路開關以及微處理機兼容的控制邏輯CMOS組件。該裝置的轉(zhuǎn)換時間為100 μs時，時鐘頻率為500 kHz。圖3中，ALE用作時鐘信號，P0.0～P0.2與ADC0809的地址線A、B和C連接，選擇模擬信道，用P2.6、RD、WR生成START、ALE和OE信號，ADC0809的DO～D7數(shù)據(jù)線直接與AT89C51的雙向數(shù)據(jù)傳輸P0口相連。ADC0809的轉(zhuǎn)換結(jié)束(EOC)信號取反后與AT 89C51的INT1引腳連接，通過查詢法檢查A/D轉(zhuǎn)換是否結(jié)束。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，通過P0口讀取結(jié)果。
1.3 電磁繼電器驅(qū)動電路
采用雙穩(wěn)態(tài)電磁閥控制水閥，電磁閥只在轉(zhuǎn)換的時候才消耗電能，在保持狀態(tài)下不消耗電能。通過輸出口的電壓信號控制電磁閥的通斷。電磁閥驅(qū)動電路如圖4所示，其中輸入信號IN由單片機控制，光耦U3起隔離作用，該電路采用雙電源(+5 V和+12 V)供電。
1.4鍵盤控制電路
通過4個獨立按鍵設置土壤溫度和濕度的上下限，鍵盤電路如圖5所示。K1和K2用于溫度設定，K3和K4用于濕度設定，R5、R6、R7和R8是上拉電阻。
1.5 光伏發(fā)電系統(tǒng)
節(jié)水灌溉應用光伏發(fā)電系統(tǒng)可以節(jié)省能源，簡化設計。光伏發(fā)電系統(tǒng)原理如圖6所示，主要由太陽能電池板、電池組、太陽能控制器和DC- DC轉(zhuǎn)換器組成。太陽能電池板將太陽能轉(zhuǎn)換成電能；電池組儲存電能；太陽能控制器能調(diào)節(jié)充放電速率，保證太陽能電池板以最大功率輸出；DC- DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生5V電壓源。
2 節(jié)水灌溉的模糊控制
模糊控制的關鍵是模糊控制器的設計，須解決以下幾個問題：輸入量的模糊化、建立模糊控制規(guī)則、生成模糊控制表、對輸出量進行模糊判斷。單片機控制器根據(jù)模糊變量，實時查模糊控制表，進行模糊輸出。
首先求出與設定土壤濕度值的偏差E及偏差變化率E，，，考慮土壤濕度是一個緩慢變量，間隔10 min運算一次，以避免電磁閥頻繁啟閉現(xiàn)象。模糊控制算法的思路是：對土壤濕度值進行A/D處理，記錄采樣濕度值，求取平均值，計算出偏差E及偏差變化率E c并對其進行模糊量化，查表確定輸出控制量的值。
設E、E c和控制結(jié)果U的模糊語言變量分為7個
模糊控制規(guī)則見表1，U的模糊控制表見表2。根據(jù)表2的U值決定開啟電磁繼電器的數(shù)量N，如表3所示。節(jié)水灌溉模糊控制流程圖如圖7所示。
3 系統(tǒng)軟件調(diào)試
系統(tǒng)軟件程序由液晶顯示子程序、土壤濕度檢測子程序、A/D轉(zhuǎn)換子程序、電磁閥驅(qū)動子程序、鍵盤控制子程序和模糊控制子程序組成。液晶顯示子程序在系統(tǒng)上電后進行LCD1602的初始化，LCD1602顯示子程序流程圖如圖8所示。上電后先進行模擬通道的初始化并啟用A/D轉(zhuǎn)換，A/D轉(zhuǎn)換子程序流程圖如圖9所示。總的系統(tǒng)流程圖如圖10所示。
程序調(diào)試使用Kei151。在Proteus中建立系統(tǒng)模型，將系統(tǒng)程序?qū)懭雴纹瑱C模型中，進行仿真，得到預想結(jié)果。
4 系統(tǒng)測試
在實驗室環(huán)境下測試本系統(tǒng)裝置，將土壤溫、濕度傳感器插在剛澆過水的杜鵑花盆中，測得的溫、濕度值由LCD1602顯示，此時濕度值高于上限設定值，電磁閥斷開不進行灌水。將土壤溫、濕度傳感器插在干燥的仙人掌花盆．中，土壤濕度低于下限設定值，電磁閥閉合進行灌水；當土壤濕度達到上限時，電磁閥斷開，停止灌水。
5 結(jié)論
本文研制了一款基于AT89C51的太陽能供電自動節(jié)水灌溉系統(tǒng)，能將測量的土壤溫度值與濕度值顯示在LCD1602液晶顯示器上，根據(jù)測得的濕度和溫度值模糊控制灌水速度。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠正確和有效地工作。
