基于单片机的节水灌溉自动控制系统的设计

2017-08-30杨光

中国设备工程 2017年16期

关键词：离合器电磁节水

杨光

（北京邮政新闻宣传中心，北京 100001）

基于单片机的节水灌溉自动控制系统的设计

杨光

（北京邮政新闻宣传中心，北京 100001）

随着科学技术的持续发展，计算机和单片机技术在不断的进步，其性价比、稳定性以及效率也在不断的提高，使其在农业领域方面的应用也成为了现实并逐步的发展起来。本文基于单片机设计了一套灌溉自动控制系统，实现了对农作物进行适时适量的灌溉，同时实现了节水和节能的高效灌溉。

单片机；灌溉自动控制系统；节水

我国农业生产技术的现代化建设，在水力灌溉方面需要自动化技术来代替，这样才能满足大面积灌溉的实际需求。灌溉自动控制系统成为农业灌溉自动化的重要研究方向。随着市场的扩大，灌溉自动控制系统在我国有了一个基础并且应用也相对广泛。同时，在研究和发展的过程中，新的技术也会不断的产生并应用到农业生产中，随着人们节水意识的提高，新的节水自动化控制技术应用到水力灌溉中，会产生一种更新的、更节水的灌溉自动控制系统。节水灌溉自动控制系统是农业灌溉管理的主要自动化管理工具，在作业过程中，该系统不需要去过分的要求操作者的自身节水意识，完全通过自动化去进行节水灌溉管理，在大大提高灌溉效率的同时也大大的节省了劳动成本。除此之外，最重要的是该系统在按要求设置完成后，在节水的基础上能够定时定量的去进行灌溉，大大提高了农作物的灌溉效率和产量。

1 系统总体设计

灌溉自动控制系统是当前农业灌溉自动化中必不可少的一项技术，在我国农业生产中的应用也越来越普遍，并在使用过程对存在的问题进行解决，逐步的研发出新的技术，例如，在农业生产中，人们对节水意识的提高，这样的一个需求方向就让节水自动化控制技术在水力灌溉中逐步完善。单片机是一个微型计算机，该计算机将CPU、寄存器、RAM/ROM、I/O接口电路通过合理的联接在一起并集成在一块电路芯片上。本文通过对技术和实际情况进行研究，确定采用AT89C51单片机节水灌溉控制系统的核心部分。

在系统中，通过土壤湿度传感器去检测电路中的湿敏电阻完成对土壤的湿度检测，同时检测到的电流信号通过相应处理转变成电压信号，电压信号输入到A/D转换器ADC0809中，输出数字信号。系统首先对土壤的湿度进行检测，将检测结果传输到LED显示电路进行显示，这样能够实时的去监测土壤的湿度，在系统中对土壤的温度范围进行设置，然后通过相应的模糊算法来完成对水阀的开关控制。整个系统主要由AT89C51系统电路、电源电路、湿度检测电路、显示电路、开关控制电路等设备组成。在系统中，土壤湿度传感器对土壤的湿度进行检测，将检测的模拟信号传输到单片机，单片机能够将该模拟信号转变为数字信号，数字信号传输到系统控制中心，控制中心根据信号信息自动的判断该土壤当前是否需要进行灌溉。系统框图如图1所示。

图1 系统总体架构图

2 系统硬件电路设计

本系统硬件电路主要包括：单片机主系统电路、时钟电路、数据的存储扩展电路、LED显示电路等组成。

2.1 单片机主系统电路

AT89C51单片机是51系列单片机的一种，它是由8051单片机进行简化而产生的。该单片机内部自带2K字节可编程FLASH存储器的低电压、高性能COMS八位微处理器，与Intel MCS-51系列单片机的指令和输出管脚相兼容。由于将多功能八位CPU和闪速存储器结合在单个芯片中，所以该单片机在单片机系列中具有很多的优势，它的结构非常简单，价格比较低，工作效率却非常的高，AT89C51单片机摒除了外部的RAM和ROM等接口，大大降低了硬件方面的开销，降低了成本，整个单片机的性价比得到了大大的提高，如图2所示。

2.2 数据存储的扩展电路

AT89C51单片机当需要与数据RAM进行外部连接时，在P2端口处就会输出存储器的地址，该地址为高8位，相应的低8位在P0端口输出，同时输出的还有相应的传送指令字节。当P0端口在输出低八位的地址后，通过ALE能够将该地址存储在地址锁存器中，这时的P0端口就能够当作数据总线进行其它工作，在系统中，地址锁存器采用了74LS373，电路图如图3所示。

图3 数据存储扩展电路

图2 单片机主机系统图

2.3 数据采集处理电路

ADC0809是一种8位逐次逼近式A/D转换器，该转换器内部包括八路模拟式开关和八路模拟输入端，这些开关都具有相应的锁存控制功能，这些输入端能够对电压信号进行转换。ADC0809是种分辨率能够达到八位的转换器，其存在的误差最大为1LSB，供电方式为+5V电压，功耗达到了15mW,无需对零点以及满度进行相应调整。因为ADC0809转换器在运行过程中，其输出数据的寄存器能够进行可控的三态输出，并且输出时有着相应的TTL三态锁存缓冲器，所以当其数据输出产生的引脚能够和数据总线进行连接。A/ D转换器进行转换时，首先需要通过控制器来完成对转换信号的启动，在启动的过程需要由CPU进行相应的转换信号，对于A/D转换器的型号不同，所需要的启动转换信号的方式和要求也不相同，主要包括分脉冲启动和电平启动，ADC0809是通过脉冲启动进行相应的转换，需要为A/D转换器添加一个正脉冲，这个正脉冲需要添加到A/D转换器的引脚上，在转换进行的过程中，输出端信号就会自动的降低。当转换完成时，输出端信号就会升高，然后发送信息到主机，主机就会对转换完成的数字量进行分析，这个数字量信号能够当作A/D转换器的一个状态信号，方便后期的信号查询，也能够当作一种中断请求信号，电路图如图4所示。

图4 信号采集电路

3 电磁离合器异步电动机

3.1 电机概念介绍

电磁离合器电机称为电磁调速异步电动或滑差电机，使电机能够实现恒转矩交流的变速电动机。电磁离合器能够实现设备的主动轴和从动轴的快速结合、快速分离以及停止等操作，这些设备可能正在高速的运动中或者在高负载下，电磁离合器是一种非常高效的自动电磁元件，在当前各种系统或设备中应用非常广泛。对于动作特别快的离合器，能够应用在一些高精确的工作中。电磁离合器的整个运行过程包括启动、力矩上升和离合器断开三部分。它的速度调节范围非常广泛，同时在调节过程中速度转化也非常的平滑稳定，在启动的过程中离合器的转矩非常的大，但所需求的功率却非常小。通过这些优点能够看出，电磁离合器是节水灌溉自动控制系统中必不可少的效益电磁元件。

电磁调速异步电动机有很大的优势，但也存在缺点，当电动机在空载或轻载的状态时，就会产生反馈不明显的现象，从而造成失控；调整的过程中，当转速逐步的变低时，离合器在整个过程中功率以及效率的输出也会相应的降低。根据以上分析，电磁调速异步电动机一般实用于较长时间稳定运转或者短期低速运转的系统中。电磁调速异步电动机在使用的过程中，当该电动机为主驱动，搭配一台三相异步电动机来实现低速动作，这样能够更加高效的动作。

3.2 电磁离合器电机结构及原理

电磁离合器电机主要包括异步电动机、电磁滑差离合器和电气控制装置三部分。该电机的原动机为异步电动机，异步电动机启动后能够带动离合器一起旋转，电气控制装置是提供滑差离合器励磁线圈励磁电流的装置。在整个动作过程中的核心部分为电磁滑差离合器，主要由电枢、磁极和励磁线圈组成。电枢是一种圆筒状的钢制部件，电枢和异步电动机的转轴通过转带结合在一起，它们构成了整个电机的主动部分；磁极是一种爪状的钢制部件，它一般安装的位置是负载轴，构成了整个电机的从动部分。在电机中，主动和从动两部分在整个动作过程中没有直接关联。在动作过程中，励磁线圈通过电流时产生磁场，爪状结构在整个磁场中能够产生许多的磁极。这个时候如果电枢被异步电动机带着旋转，就会对磁场进行切割，产生相应的转矩，从动的磁极就会和主动的电柜同时进行旋转，从动的速度比主动的速度要低，原因在于只有电枢和磁场的运动轨迹是相对的时，电枢才会对磁力线进行切割。