基于FDR原理的自动灌溉系统设计*

张瑞卿，戈振扬，单 伟，于英杰，李厚春

（昆明理工大学现代农业工程学院，云南昆明 650500）

0 引言

水是植物生存的主要环境因子。土壤水分含量是土壤的重要物理参数，对于植物的生长、存活、净生产力等方面具有极其重要的意义［1，2］，对植物的需水规律研究也具有十分重要的现实意义［3］。

对于土壤水分的测量是生态、农业、水文和水土保持等研究领域工作中的一项基础工作［4］。土壤水分的测量有多种方法［5，6］，一是直接测量土壤的容积含水率，如烘干称重法;二是通过测量土壤的传导性间接获得，如时域反射（time domain reflectometry，TDR）法、频域反射（frequeny domain reflectometry，FDR）法;再就是测量土壤的基质势，如，张力仪法、干湿计法等。烘干法是国际上测量土壤含水量的标准方法，但其存在费时、费力、深层取样困难等缺点。TDR法具有快速准确、连续测定等优点，但仪器设备昂贵;FDR几乎具有TDR法的所有优点，不会扰动土壤，能够自动监测土壤水分及其变化，且价格便宜。

目前，我国大部分土壤水分调控设施简单、自动化程度较低、系统功能不完善［7］，与现代农业要求还不相适应，因此，设计出一种能够根据土壤含水情况进行合理灌溉并且价格相对低廉的自动灌溉系统十分有必要。

1 FDR测量原理

FDR的水分探头被称为介电传感器，传感器主要由一对电极组成一个电容器，其间的土壤充当电介质，电容器与振荡器组成一个调谐电路，振荡器工作频率随土壤电容的增加而降低［8］。FDR法使用扫频频率来检测共振频率，土壤含水量不同的时候，发生共振的频率不同。

前人多年来的研究表明:介电常数的平方根与土壤容积含水量存在线性关系，且这种关系适宜于多种土壤;土壤的介电常数强烈地依赖体积含水量，土壤中水的介电常数明显大于土壤基质材料和空气。在20℃，1个标准大气压状态时，纯水的介电常数是80.4，土壤基质材料约为3～7，空气为1。而对土壤类型、密度、温度（＞0℃），可溶性盐含量的依赖性很小，所以，测得的土壤介电常数能灵敏地指示土壤的体积含水量［9］。

2 系统组成与工作原理

系统以AT89S52单片机为核心，由电源模块、土壤水分信号采集和处理模块（电压式土壤水分传感器）、数码管显示模块和控制灌溉模块组成，电源模块使用开关电源，如图1所示。

图1 自动灌溉系统原理框图Fig 1 Principle block diagram of automatic irrigation system

工作原理:通过基于FDR法原理的土壤水分传感器采集植物土壤水分信息，传感器内部的转换电路将土壤水分含量线性转换为0～5 V直流电压信号，经A/D转换送至单片机进行判断处理，当土壤水分含量低于设定的最小值时，继电器打开，开启电磁阀进行喷灌，并且能够根据测得数值的大小控制电磁阀的开闭时间，实现定量灌溉;当水分含量高于上限阈值时，继电器断开，电磁阀关闭，停止喷灌。水分含量的实时变化在数码管上以电压的形式显示出来。

2.1 土壤水分传感器的选择和标定

选用上海搜博公司生产的SM2801V电压型土壤水分传感器，电源工作电压范围为直流12～24 V，本系统中传感器的电源电压选作12V，测量频率100MHz，测量范围0%～100%，输出为0～5 V直流电压信号，测量区域为以中央探针为中心，周围30 mm，高为70 mm的区域。

为了能够准确测量土壤的含水情况，并实现定量灌溉，需对土壤水分传感器进行标定［10］。与此同时，对每个土样用烘干法计算其土壤体积含水率。

对2种测量方法的结果加以对照，描绘出相应的曲线，如图2所示，可以看出:传感器输出电压与土壤体积含水率是呈线性相关的。将物理量线性转换成电压量，后续的控制单元模块可以方便地读取信号。标定时发现:传感器在插入纯水中时最大电压值在4.5 V左右。因此，在软件设计时，根据传感器此时的量程范围（0～4.5 V）进行灌溉范围的划分。根据实际情况，划分为3个灌溉阶段:0～1，1～2，2～3 V，当测量值达到3 V或以上时，系统会自动停止工作。

图2 土壤体积含水率与传感器输出电压的关系Fig 2 Relationship between soil volumetric water content and sensor output voltage

2.2 继电器和电磁阀的选择

采用松乐1路继电器模块，输出驱动能力满足系统要求。输入IN1口可直接与单片机I/O口连接，输入高电平时继电器吸合，输入低电平时继电器释放。工作电压为5 V，吸合电流约为70 mA，带状态指示灯，采用三极管驱动继电器动作。

选用2W160—15型直动式电磁阀，工作电压为交流220 V，公称通径为2 mm，压力范围为1～8 MPa。

2.3 开关电源

整个系统中多个电子器件需要供电，且供电电压不完全相同，因此，需选用开关电源，以保证系统能够正常工作，依据系统设计，开关电源应具备5，12，24 V三种电压选择。

3 控制单元电路原理图设计

控制单元首先测量土壤水分传感器转换得到的电压信号。核心部件AT89S52单片机对数据进行处理，根据测得的不同电压数值，通过控制电磁阀的打开时间进行定量灌溉的控制。控制单元电路设计如图3所示。

ADC0809的引脚26与土壤水分传感器的输出电压测量输入端相连，引脚16与传感器的接地端相连。数码管采用共阴极接法，7只发光管加上小数点分别由字母a，b，c，d，e，f，g，dp 表示，与 AT89S52 单片机 P1 口的8 个引脚依次相连;位选引脚s1～s4依次与AT89S52单片机的P2.0～P2.3相连。AT89S52单片机的引脚25与继电器的输入端IN1口相连，通过引脚的高低电平控制继电器的通断，继而控制电磁阀的开闭。

4 软件设计调试

在Keil uvision4编程环境中，使用C语言进行编程，实现数据的读取、转换、显示以及继电器的开关时间控制。完成程序的编写以实现上述功能后，进行编译，调试无误后，将其下载到单片机里。使用USB ISP下载线，它具有支持Windows操作系统，支持AT89S51，52及AVR全系列芯片烧录，方便笔记本电脑用户使用等优点，并且使用Atmel公司推荐的标准IDC10PIN接口。

图3 控制单元电路原理图设计Fig 3 Design of control unit circuit principle diagram

4.1 主程序

主程序流程如图4所示。系统上电，首先进行单片机的初始化，然后单片机向传感器发送测量命令，对测量数据进行采集处理，查询转换结束后，数码管实时显示测量数据，再根据不同的测量值进行定时开闭继电器的动作，测量数值在灌溉范围内，循环过程一直进行，直至达到灌溉的上限阈值时，停止灌溉。

图4 主程序流程图Fig 4 Main program flowchart

4.2 USB驱动安装与程序下载

将USB ISP下载线插入到电脑USB接口，然后按照安装说明进行驱动程序软件安装。在下载程序前，要完成下载线与AT89S52单片机对应引脚的连接。

完成以上工作后，用智峰Progisp1.72软件下载程序，将程序下载到单片机中。将整个系统的硬件部分进行组装，完成整个装配工作，之后检查各供电线路，确保电路处于通路且无短路、断路情况后，分别给传感器、继电器、电磁阀、单片机供电，在实验室完成系统的初步调试。整个自动灌溉装置如图5所示。

图5 自动灌溉装置实物图Fig 5 Photo of automatic irrigation device

初步调试的结果显示，当传感器测量电压在0～1 V时，继电器平均动作时间为22.81 s;当传感器测量电压在1～2 V时，继电器平均动作时间为13.73 s;当传感器测量电压在2～3 V时，继电器平均动作时间为4.56 s;三者的灌溉时间比符合预先设定5︰3︰1的比例，时间误差控制在0.37%以内。

5 系统性能测试试验

系统性能测试试验在学院科研温室内进行。以龟背竹为试验对象，试验前，试验植物已处于缺水状态，系统测量初值为0.72 V，控制单元根据内置的判断语句，执行闭合继电器的动作，同时电磁阀工作，执行灌溉命令，随着灌溉的进行，测量值不断增大，一次性浇灌的时间变短，当测量值达到灌溉的上限阈值3 V时，停止灌溉。系统工作过程中测量值随灌溉次数的变化情况如图6所示。

图6 测量值随灌溉次数变化图Fig 6 Diagram of measured values change with irrigation times

通过多次试验发现，控制单元感知信号的灵敏度较高，能在较短的时间内完成灌溉工作，效果良好，均匀度较高。上述试验中整个灌溉过程用时4分15秒。

6 结论

1）基于FDR法原理设计出了一种自动灌溉系统，该系统通过开关电源，分别给传感器、单片机、继电器、电磁阀供电，供电电压分别为 12，5，5，220 V;

2）将传感器的工作电压选作12V，并进行标定试验，测量结果与烘干法对比，完成对传感器的线性标定;

3）在Keil uvision4编程软件下，使用C语言进行编程，功能实现，编译无误后，用智峰Progisp1.72软件下载程序，将程序下载到单片机中。

4）通过系统测试试验发现，整个系统工作正常，反应灵敏，能够较好地实现自动灌溉功能，具有可行性。

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