基于单片机的自动滴灌系统设计研究

2011-08-15付丹丹

科技传播 2011年4期

孙敏，付丹丹

1.海南政法职业学院，海南海口 571100

2.大庆师范学院，黑龙江大庆 163712

构建节约型社会是当今的一大主题，那么对于农业大国，节水就成了重点关注的课题之一。目前我国大部分地区采用传统的灌溉方式，即粗放的人工操作，自动化程度极低，对于供水时间及供水量控制都由操作人员而定，不仅浪费了大量的水资源，有时也会存在不能准确及时供水的情况。农业的根本出路在于科技，采用自动滴灌系统可以准确、定时、定量、高效地给作物自动补充水分，不仅提高灌溉效率，缩短劳动时间，更重要的是节约水资源。尤其是在缺水地区，能够更充分的利用有限的水资源是农业丰收的关键所在。

1 系统概述

1.1 自动滴灌系统概述

自动滴灌系统是通过测定湿度、温度，根据植物自动选择滴灌开时始时间、滴灌时间及出水量。这样可以将水和养份直接而精确地输送到作物根部，是一种低成本、长寿命、免维护、高效节能的浇水方式。它适用于单行或多行盆栽、吊蓝式种植、培植袋栽种作物、庭院式花园等，也适合家居大小花盆栽种的植物浇灌。

自动滴灌系统目前在缺水的发达国家应用十分广泛，目前在我国部分地区也逐渐应用。自动滴灌系统要求滴灌时间准确、出水量适中、系统操作方便，对于更好的辅助作物生长、节约水资源起到了极其重要的作用。

1.2 单片机概述

单片机又称单片微控制器，是一种集成电路芯片，相当于把一个计算机系统集成在一个小的芯片上。它具有控制功能强大、功耗低、体积小、扩展灵活的特点，因此使用十分方便。近年来，单片机与在各行各业广泛应用。

51单片机是目前工业测控系统中应用最广泛的、市场占有率高的单片机。本系统的控制芯片采用AT89C51单片机。AT89C51单片机是标准的40引脚双列直插式集成电路芯片。它是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位微处理器。

2 系统设计

2.1 自动滴灌系统组成

自动滴灌系统由水源、传感器、首部控制枢纽、干管、支管、毛管七大部分组成。家用自动滴灌系统最小可缩减为：水源、首部控制枢纽、毛管三部分。

首部控制枢纽部分作为自动滴灌系统的核心部分，通过对环境温度湿度的测试做出判断，以控制器来控制水泵、施肥罐、过滤装置及各种控制和量测设备。

2.2 自动滴灌系统控制器的设计

自动滴灌系统的控制系统以51单片机为核心，采用汇编语言对单片机进行编程，主要包括：主模块、数据采集处理模块、LED显示模块、报警模块。单片机可将土壤温度、湿度传感器检测到的土壤湿度、温度模拟量转换成数字量，显示于LED显示器上。

2.2.1 主模块

1）时钟电路

单片机的时钟信号用来提供单片机片内各种微操作的时间基准。

2）复位电路

为了初始化单片机内部的某些特殊功能寄存器，必须采用复位的方式。复位操作有两种情况，即上电复位和手动复位。本系统采用上电复位方式。

3）数据存储器的扩展电路

AT89C51单片机外接数据RAM时，P2口输出存储器地址的高8位，PO口分时输出地址的低8位和传送指令字节或数据。PO口先输出低8位地址信号，在ALE有效时将它锁存到外部地址锁存器中，然后PO口作为数据总线使用，本系统地址锁存器选用74LS373。

2.2.2 数据采集处理模块

针对测试器测试获得的土壤湿度、环境温度数据，进行分析判断，确定需要滴灌时驱动水泵、施肥罐、过滤装置及各种控制和量测设备开始工作。

系统统采用ADC0809转换器，进行模拟信号到数据信号的转换。ADC0809是一种8位逐次逼近式A/D转换器，内部具有锁存控制的8路模拟开关，外接8路模拟输入端，可同时对8路0-5V的输入模拟电压信号分时进行采集转换，本系统只用到INO和IN1两路输入通道。ADC0809转换器的分辨率为8位，最大不可调误差小于士1LSB，采用单一+5V供电，功耗为15mW，不必进行零点和满度调整。本系统中ADC0809与AT89C51单片机的接口采用等待延时方式。ADC0809的时钟频率范围要求在10-1280kHz，AT89C51单片机的ALE脚的频率是单片机时钟频率的1/6，因此当单片机的时钟频率采用6MHz，ADC0809输入时钟频率即为CLK=1MHz，发生启动脉冲后需延时100Us才可读取A/D转换数据。

2.2.3 LED显示模块

由于LED具有线路简单、耗电少、成本低、寿命长等优点，因此本系统选用LED来显示土壤湿度值，在灌水期间以倒计时的方式显示灌水剩余时间。本系统输出结果使用了4个LED显示。

因AT89C51单片机I/O口资源有限，必须对其Il0口进行扩展才能满足实现系统功能。本系统用8155扩展1/0口的4个8位LED动态显示器，显示扫描由程控实现，其中PA口输出字型码，PC口输出位选信号即扫描信号，选线CE和AT89C51的P2.7口相连，IO/ M选通输入线与P2.4口相连，该系统中当P2.7=0且P2.4=1时，选中8155芯片内三个I/O口。

2.2.4 报警模块

为了在土壤湿度值低于设定的最低值时，提醒操作人员及时处理，系统设计了声光自动报警功能。

报警设备选用压电式蜂鸣器，它约需要10mA的驱动电流，只需在其两条引线上加3V至15V的直流电压，即可产生3KHz左右的蜂鸣声音，蜂鸣器的一端接在高电平+SV，另一端接Pl.0，在初态Pl.0始终输出高电平1，当需要报警时，程序对其端口清零即可，声音的长短可用延时程序控制实现。接入的发光二极管LED为超高线报警器，当P1.1端输出为低电平“0”时，二极管导通，灯亮发出报警信号。