基于AT89S51单片机的智能型自动浇水系统

杜瑞娟，米娜瓦尔·吾买尔，霍大勇

(1.南阳理工学院，河南 南阳 473004；2.喀什大学，新疆 喀什 844006)

0 引言

随着信息技术和智能控制技术的发展，自动灌溉技术朝着智能化、便捷化的无人操作化方向发展，已有很多大型企业在智能型自动浇水技术方面取得了重大突破，如水泵机组喷灌技术、阀门技术、微喷灌技术、中心控制系统软硬件技术、农田自动施肥及施药技术等。在新疆南部地区，其绿洲生态农业的特点，对节约用水、智能化灌溉具有更加强烈的需求。但目前该地区在农田灌溉方面还是以漫灌为主，造成了有限的水资源的浪费，加剧了灌溉用水的供需矛盾；同时，漫灌作业还存在灌溉不均匀、作业效率低、浪费人工工时等缺点。基于此，设计了一套基于单片机控制的智能化浇水系统。该系统在阿克苏某农场试用一年，获得了较好的效果，应用于百亩枣园和3.3hm2棉田的自动灌溉，同比节水38%，每3.3hm2农田平均节约人工25个工作日；但附加了设备、电力成本和系统运行维护成本。

1 总体方案

智能型自动浇水系统的设计是由AT89S51单片机为核心，配合外围温湿度检测电路组成。

在硬件电路设计方面，选择稳定性强的AT89S51 单片机，能很好地保证整个浇水系统的正常工作。通过与外围电路的配合可以实现对信息的采集、传输、处理等操作，并且直观体现出来。

程序是这个浇水系统的灵魂，它将每个部分相互连接起来，让其有条不紊的工作。程序执行时，首先对采集的信息进行处理、比较与判断，再将信息通过LCD显示器显示，同时驱动电机工作，实现浇水。系统具有工作过程稳定，可以实时反应环境变化，准确实现浇水的优点。

2 硬件设计

2.1 AT89S51单片机

单片机内部电路主要由CPU、存储器、定时器及I/O接口组成。本次设计采用的AT89S51单片机是一款功耗低、高性能的单片机，拥有一个4kB的Flash程序存储器，一个128 B的高速RAM，在提升单片机运行速度的同时还降低了功耗。片内有2个16位的定时器/计数器，5个中断请求源。

2.2 温度传感器

温度传感器对温度的采集选用PR-35封装的DS18B20 测量实际温度。DS18B20数字温度计可以直接读取数字温度，使单片机对它的控制十分简单，也省去了复杂的测温电路。它的DQ引脚与单片机引脚相连，数据的传输和供电都可以通过DQ引脚，当然也可以外接电源。DS18B20最高测量温度是+125 ℃最低测量温度是-55 ℃，误差在±5 ℃之间。

温度测量开始后，单片机首先对DS18B20发出一个复位的信号，DS18B20收到信号后会回执单片机一个脉冲，单片机与DS18B20之间的数据通信开始；接下来单片机会发送一个ROM指令给DS18B20，再发送一个存储器操作指令，该指令的功能是规定DS18B20怎样工作。当要读取温度值时，就要执行两次这样的工作周期，然后就得到了温度值。

设计中DS18B20采用寄生电源的方法与单片机进行连接，即将VDD电源引脚与单总线并联，如图1和图2所示。

图1 DS18B20的引脚图

图2 DS18B20与单片机连接图

2.3 湿度传感器

YL-69土壤湿度传感器由两部分组成：一部分是两个长引脚的湿度采集部分，引脚上面做了镀镍处理，工作原理类似于检测电阻的大小。即水分较多时土壤导电能力大，电阻就小；水分少时土壤导电能力弱，电阻就大。另一部分是信息处理部分，一个LM393芯片，功能是将检测到的湿度与设定值相比较，芯片上还有一个灵敏度调节电位器，可以通过它设置湿度的上下限值。

湿度传感器的特性：

1)为了延长传感器的使用寿命和提高导电性能，特地在两脚的感应面上做了镀镍处理；

以水稻穗部抽出叶鞘1 cm为标准记录生育期，将生育期及对应株号记录在牌子上并将牌子挂在对应单株上。收获时分单株收获，同时测量并记录对应株高（从地面到最高穗顶部的高度）。收获的单株在挂藏室里阴干后考种，分别考察有效穗数、穗长、每穗粒数、单株粒重、单株干重和千粒重。考种时考察每个单株的所有穗及单穗上所有谷粒。

2) 电源引脚Vcc接3.3～5 V的电压，GND引脚接地。D0引脚接到单片机上就可以传输数据。

湿度传感器需要通过ADC0832进行数据转换单片机才能读取数据，ADC0832是一个8位分辨率的A/D转换芯片，在模拟量转换方面表现优越。图3是ADC083的引脚图；图4是湿度传感器与ADC0832连接图。

图3 ADC0832引脚图

图4 湿度传感器与ADC0832连接图

2.4 电机驱动电路

单片机对电机的驱动是用两个不同的继电器实现的。继电器KA1由常开继电器与常开接触器SB1并联，继电器KA2由常闭继电器与常闭接触器SB2串联。当单片机判断需要浇水时，单片机会发出一个信号，让继电器KA1开关吸合，电源被接通，电路自锁，电机开始工作；当单片机判断不需要浇水时，继电器KA2开关吸合，电源断开，电机停止工作。其原理如图5所示。

2.5 智能型自动浇水系统原理图

智能型自动浇水系统的控制原理如图6所示。

3 软件设计

软件设计方面采用的是C语言编程，编程工具是keil。程序以单片机驱动继电器工作为最终目的，通过对比采集到的数据，通过显示器显示并对继电器输出相应指令，使其工作。自动浇水系统流程图如图7所示。

图5 继电器控制电动机电路

图6 智能型自动浇水原理图

图7 浇水自动控制流程图

4 田间试验

4.1 试验基本条件

田间性能试验在位于阿克苏地区的阿拉尔市幸福农场进行。试验农田1为枣园，面积6.7hm2，树龄8年，处于挂果盛期；试验农田2为棉田，面积 3.3hm2。该地区农田属于硫酸盐盐化潮土，质地中壤，土壤干容重1.43～1.53g/cm3。田间持水量为28%～32%，饱和含水量为43%～50%。试验农田自然降水与蒸发量：年平均降水量79.6mm，主要降雨时段集中在5-9月。该地区年蒸发量为1 680～2 202mm，是年降水量的27倍，一年之中以5-8月蒸发量最大，月平均蒸发量260～360mm，冬季蒸发量较小为20mm左右。试验农田土壤温度：平均温度12.0～15.1 ℃，地面极端最高温度62.4～71 ℃，极端最低温度-27～-20 ℃；试验年度5-9月平均温度23℃，最高温度51℃。

4.2 试验方法

4.2.1 枣园

自动浇水系统投入前，试验农田的灌溉均为自然漫灌，地面以下20cm处土壤平均水分含量5%～7%。根据农民的实践经验决定灌溉时间和灌溉量。枣园整个生育期灌水3～5次，每次灌水量1 650m3/hm2。

投入的自动浇水系统采用自动控制的滴灌方式，根据土壤温度和湿度控制灌溉节点，保持地面以下20cm处土壤平均含水量8%～10%。滴灌系统采用网格化管理，把百亩枣园分为5个区域进行控制，以利于控制土壤含水量。

4.2.2 棉田

自动浇水系统投入前，试验农田的灌溉均为自然漫灌，地面以下10cm处土壤平均水分含量20%～30%。根据农民的实践经验决定灌溉时间和灌溉量。整个生育期灌水4～6次，每次灌水量1 500m3/hm2。

投入的自动浇水系统采用自动控制的滴灌方式，根据土壤温度和湿度控制灌溉节点，保持地面以下10cm 处土壤平均含水量30%±5%。滴灌系统采用网格化管理，把3.3hm2棉田分为5个块状区域进行控制，以利于控制土壤含水量。

4.3 试验结果

智能型浇水系统控制器实物如图8所示。

图8 控制器实物图

智能型自动浇水系统实施的试验结果，如表1所示。

经两季耕作的实际使用证明，采用该系统可以有效提高作物产量，并可节水。

表1 智能型自动浇水系统实施的试验结果

5 结论

本设计成功地实现了智能型自动浇水的目的。当植物需要浇水时，温湿度传感器能接收到信息，单片机便会控制电机进行浇水，全程无需工人看守，且检测精确度高，系统稳定性好，实现了智能化、自动化。该系统分别应用于6.7hm2枣园和3.3hm2棉田的自动灌溉，同比节水均在38%左右;3.3hm2农田可节约浇水人工25个工作日。但相应产生了设备和电力成本约180元/hm2，同时附加了系统运行维护成本75元/hm2。

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