基于单片机的蔬菜大棚自动喷灌控制器的设计

晁阳

摘要：文章针对我国西北地区传统温室蔬菜大棚自动化程度低和水资源浪费的问题，设计了基于单片机的自动喷灌控制器。该系统具有阀值设置、实时检测、超限报警、智能调节等功能。通过应用实例，该系统维护成本低廉，使用效果良好，操作簡单，能满足中小蔬菜大棚种植户对节水灌溉的日常需求，能提高生产效率，具有一定的经济效益。

关键词：单片机；传感器；蔬菜大棚；节水灌溉；

中图分类号：TP273文献标识码：A

Abstract：This paper aimed at the problem of the low automation and the waste of water resources in traditional vegetable greenhouse in Northwest China，an automatic irrigation controller based on single chip computer is designed.The system has threshold setting，realtime detection，alarm and intelligent adjustment function.and with low cost，good effect and simple operation，can meet the daily needs of greenhouse vegetable growers of watersaving irrigation，and improve the production efficiency，it also has certain economic benefits.

Key words：singlechip microcomputer；sensor；greenhouse；watersaving irrigation

1前言

我国西北干旱半干旱地区，地下水资源相对缺乏，加之受到气候影响，降雨分布不均，导致部分地区季节性缺水问题突出。2011年中央1号文件《关于加快水利改革发展的决定》提出，农田水利设施建设的滞后影响了我国农业发展的稳定发展，未来将投资四万亿用于农田水利设施建设、加快节水灌溉技术在农业生产中的推广和应用[1]。

当前，随着我国制造业、信息技术和机电装备生产制造水平不断提高和温室大棚种植技术的不断普及，自动和智能节水灌溉设备在蔬菜种植大棚的应用日益广泛，经过多年的研发和推广，大量功能强大的灌溉的自动化控制系统已投入使用，然而这些系统普遍造价高昂、功能复杂、操作难度大、维护成本较高，使多数中小农户望而却步[2]。因此，设计一款价格低廉、功能够用、维护简单的蔬菜大棚自动喷灌控制器，可以满足大多数从事大棚蔬菜种植的中小农户的需求，具有广阔的推广意义和社会效益。

2系统总体设计

21设计目标

系统能自动实时检测土壤湿度，根据不同作物对土壤湿度的需要通过键盘设定阀值，当土壤水分超过设定值时，自动开启潜水泵对作物进行喷灌，直到土壤湿度满足作物需要的最大值时关闭水泵；喷灌过程中指示灯点亮，喷灌结束后指示灯熄灭，以便工作人员能及时获得水泵的工作状态[3]。系统有自动、手动、停止三种工作状态，使用三位的转换开关SA完成各种状态的切换，“停止”工作状态用于系统不工作的时候，“手动”工作状态用于设备的调试、检修过程中，也可用于工作人员根据特殊需要临时开启系统，“自动”工作状态用于系统日常运行和作物正常生长过程中，实现蔬菜大棚喷灌的自动运行和无人值守[4]。

22控制原理

系统的核心控制器为STC89C52型单片机，检测模块为土壤湿度传感器，执行器为扬程为2米的微型潜水泵（或离心泵）。系统上电后，系统各模块通电，同时绿色指示灯点亮，提示工作人员系统处于等待状态，之后检测部分能自动检测到土壤湿度的数据信息，实时传送给控制器，工作人员通过键盘提前设定土壤湿度的上下限阀值，单片机将其与设定值不断进行比对，当土壤湿度过低，即土壤较缺水时，单片机发出指令，驱动潜水泵（或离心泵）工作，同时红色指示灯点亮，提醒工作人员目前系统正处于工作当中；当经过一段时间的浇灌，土壤湿度达到作物需求的湿度最大值时，单片机发出指令，停止潜水泵（或离心泵）工作，同时红色指示灯熄灭，绿色指示灯重新点亮，系统重新回到等待状态。系统结构框图如图1所示。

3系统硬件设计

31控制器

宏晶公司生产的STC89C52型单片机具有高性能、低功耗、运行速度快的特点，并且能与51单片机完全兼容，该型号的单片机具有8位CPU为系统提供运算和控制功能，4个并行I/O端口均可以做输入/输出端口[5]。RAM随机存储器有256字节容量，最大可扩展到64KB，用于存储运算中间结果和暂存数据；ROM用户存储器有8KB容量，最大可扩展到64KB，用于程序存储；片内RAM区域中设置了通用寄存器，用于暂存数据[6]。还具有T/C0、T/C1、T/C2、串口中断、INT0、INT1等6个中断源，T/C0、T/C1、T/C2、串口中断等4个内部中断源，T/C0、T/C1、T/C2等三个定时计数器[7]。该型号单片机功能强大，完全可以满足系统控制功能的需要。

32传感器

系统采用一款小型的具有DO输出的传感器。为了提高导电的性能，器件表面采用镀镍处理并加宽，这样的工艺不仅能防止器件因过渡接触土壤而生锈，还有效的延长了器件的使用寿命。感测部分可以在较宽范围检测土壤的湿度，将其转换为电信号，通过电位器调节控制相应阀值（即多么湿才算湿，也就是常说的灵敏度），湿度低于设定值时，DO输出高电平，高于设定值时，DO输出低电平，单片机的p2.3端口如果检测到高电平[8]，就说明湿度低，要补水，如果检测到低电平，就说明湿度高，不需要补水。本系统对土壤湿度采用开关量控制，使用时直接与单片机I/O口连接，通过单片机来检测高低电平，由此来检测土壤湿度；实物如图2所示，与单片机接口电路如图3所示。endprint

33执行设备及电源模块

考虑到节水灌溉的特性和温室蔬菜种植大棚的结构特点，系统采用FL6208型可调铜喷头微型喷灌交流泵作为喷灌执行设备，其性能特点如表1所示。需要注意的是出水口和进水口相互区别，水泵上有箭头的方向是出水口，水管不能反接，否则将会烧坏水泵[9]。

34电源模块

系统的控制部分为单片机、传感器等，工作电压多为5 V，因此系统电源模块采用自制电源为各模块供电，其实现方法为将220 V交流电经过变压、整流、滤波、稳压后变成5 V直流电，为控制器、传感器、及弱电部分提供电源。电源电路设计图如图4所示。

35驱动电路

系统中执行设备和指示灯的工作电压为220 V交流电，控制器工作电压为5 V，因此需要将执行设备与控制器进行电气隔离以保证系统正常工作[10]。G3MB2O2P型固态继电器具有安全性高、电路通断时无燃弧，输入端与输出端之间绝缘电阻高的特性，是进行强弱电隔离较为理想的设备。

36管路配置

陕西渭北旱塬地区由于地形、光照、土壤性质等因素，温室蔬菜种植大棚多坐北朝南建造，采用土墙或砖墙搭配钢结构的方式，因此合理设计管路装配系统有助于发挥最大的节水灌溉作用[11]，大棚结构及管路配置示意图如图5所示。根据蔬菜种植大棚宽度，布置若干沿其长度方向的支路管道，阀门1为干路总阀门，手动开启或关闭，用于管网某一段时间没有灌溉任务或整条管网停机检修、安装调试等情况下开启和关闭管路；阀门2、5为各支路电磁阀，用于自动模式下，受控制系统控制开启或关闭；阀门3、4、6、7为各支路手动阀门，用于更换电磁阀或本支路没有灌溉任务时关闭本支路。

4系统软件设计

根据控制要求，系统采用由多个子程序模块组合而成的思路。上电后，主程序首先初始化，其次进入参数预设子程序，使用键盘对所种植作物对湿度要求进行上下限设置或读取，再次系统检测当前土壤湿度，并将其与设定值进行比较并得出结果，若当前土壤湿度低于设定最低值，则驱动水泵动作及打开电磁阀，同时驱动报警子程序点亮红色指示灯并熄灭绿色指示灯，直到当前值到达设定的最高值停止；若没有低于设定最低值，则输出指令点亮绿色指示灯，并经过延时后重新测量当前值，如此循环。程序流程图如图6所示。

5应用实例

本控制系统于2015年3月设计制作完成并选择杨凌示范区大寨镇某小型温室蔬菜大棚进行测试和应用，该蔬菜大棚长50 m、宽5.8 m，主要进行西红柿的反季节种植。根据作物生长的需要，以及现有设备喷灌的覆盖面积，在大棚中线附近沿长度方向布设一根主管道，每隔4 m布设喷头一个，共布设喷头12个。水泵选择潜水泵布设在大棚外水箱中，控制箱安装在控制室内，控制器与导线和电磁阀通过导线相连，样机实物如图7所示。

为了测试传感器测量数据是否正常，精度是否满足要求，我们使控制器工作在自动模式下，同时通过仪器对现场环境人为干预使其升温，并进行手工测量以对比其与自动测量的误差误差，土壤湿度传感器性能测试数据如表1所示，测试表明，控制系统对湿度的检测与手动检测误差最大为2，最小为-1，误差较小。

经过一年来的试验及运行，系统可以对各种作物所需求的土壤湿度进行设置并精准喷灌，从而保证大棚内土壤的湿度符合所种植作物的需求，精确控制作物的生长，同时极大的提高了作物的成活率，降低了人工成本，节约了水资源。另外，本系统成本低廉，操作简单，易于维护和安装，能够满足中小蔬菜大棚種植户的需求，受到用户的极大欢迎。

参考文献

[1]王旭.几种节水灌溉新技术应用现状与研究进展[J].节水灌溉.2016，（10）：109-116.

[2]龙建明.基于液位继电器的蔬菜大棚节水控制系统设计[J].陕西农业科学.2011，（04）：279-280.

[3]张晓翠.自动化喷灌系统在滑子菇温室中的应用[J].水利规划与设计.2016，（04）：89-91.

[4]金永奎.高效节水灌溉自动控制模式研究及应用[J].中国农机化学报.2016，（05）：253-257.

[5]于华丽.温室节水自动喷灌系统的设计[J].农机化研究.2013，（02）：98-104.

[6]李志鹏.智能温室自动喷灌系统功能设计[J].中国科技信息.2015，（24）：54.

[7]齐松涛.智能灌溉在现代休闲农业中的应用试验[J].江苏农业科学.2016，（44）：421-423.

[8]王旭.几种节水灌溉新技术应用现状与研究进展[J].节水灌溉.2016，（10）：109-116.

[9]韩红亮.我国温室微灌技术的现状与展望[J].安徽农业科学.2015，（43）：302-303.

[10]任文涛.温室节点式渗灌自动控制系统设计与实现[J].农业工程学报.2009，（08）：59-63.

[11]王先运.微型自动喷灌控制系统的设计[J].上海应用技术学院学报：自然科学版，2009，（12）：255-257.endprint