基于单片机的智能节水灌溉装置设计

杨超 张其伟 李洪印 田聪 魏喜雯

摘 要：针对传统农业灌溉方式的不足，利用 AT89C52单片机和 GSM 技术设计了一种基于传感器数据采集，单片机的智能控制的灌溉装置。该装置能够根据土壤含水量（湿度），进行自动灌溉控制。通过软件编程和湿度传感器实现了对环境湿度数据采集，根据设定的控制规则，执行相应的操作，显示、报警，驱动继电器，开启执行机构，实现定量的浇水控制，满足植物正常的生长需求。

关键词：单片机;湿度传感器;自动灌溉;GSM

引 言

灌溉系统自动化水平较低是制约我国高效农业发展的主要原因。传统的灌溉模式，自动化程度极低，浪费大量人力、物力资源。因此必须发展智能节水灌溉控制技术。融合传感器技术、无线通信技术、计算机控制技术等技术的智能灌溉系统可以结合农作物生长规律，实现自动控制和管理，绿色环保，降低能耗，减少污染，可以进一步提高农业作物的质量和产量，降低种植成本，增加农民收益。实现智能灌溉，可以有效地提高农业灌溉税的利用率，节能减排，大大提高农业自动化水平，是农业现代化的发展的必然趋势。针对传统灌溉存在的主要问题，设计出一套基于单片机控制的智能节水灌溉控制装置，一方面能够节约大量的水资源和能源，可以按时按需为农作物供水，另一方面还可以节省大量的人力物力，为农业生产和人民生活带来一定社会效益和经济利益。

一、硬件电路设计

1.1整体方案设计。基于单片机的智能节水灌溉装置，以单片机为控制核心，实时采集土壤中的湿度信息，可以通过按键人工设定或调整湿度范围，并能将这些信息输出到LCD显示器上;系统上电后，实时监测土壤湿度，以实施相应控制。当前湿度低于设定的最小值时，即视为缺水状态，此时系统驱动水泵实施灌溉，同时予以报警，并向手机端发送信息提示，同时驱使水泵工作;当土壤湿度达到了植物生长所需要的水分时候（湿度达到设定的上限），水泵停止，系统继续监测土壤湿度，从而实现自动灌溉。

1.2主控电路硬件设计。智能节水灌溉控制装置的主控电路系统选用AT89C52单片机，实现对整个系统的控制作用。AT89C52片上资源丰富，功能强大，通用性很强，性价比高，功能强大。

1.3土壤湿度检测模块。土壤湿度检测模块采用YL-69土壤湿度传感器。YL-69可将土壤湿度值转换为电压信号，该信号是模拟量，需进行模/数转换，变成数字信号，才能被单片机接收。这里采用ADC0832芯片，分辨率为8位，其最高分辨可达256级，可以适应系统信号转换要求。在电路设计时，芯片的GND引脚接地，VCC引脚接电源;电源地和电源相连接;CH0与传感器相连接，接收湿度信息;CH1引脚悬空不用。

1.4 按键电路模块。按键在整个单片机系统设计中不可或缺，实现人机交互功能的，将指令命令、数据以及程序等与计算机连接。系统设计了4个按键，其中S1为复位键，按下按键S1可使系统复位;S2为设置按键，通过S2按键可以对湿度值的上下限进行设置;S3是调整值的加键，按动时，可以增加设置的湿度值;S4是调整值的减键，通过按键S4可以减小设置的湿度值。单片机通过判识相应应接口的电平，来判断按键状态，如按键按下时，单片机接口会产生输入低电平。

1.5 继电器电路模块。系统采用电磁继电器控制水泵，实施智能灌溉。单片机输入输出电流很小，不足以驱动水泵等执行机构，因此必须用继电器，连接水泵和单片机。继电器可以实现小电流去控制大的电流，这样不仅保证安全，还可以远程控制。

1.6 显示电路模块。显示模块用于显示控制信息，比如，湿度当前值等，采用LCD1602。电路设计时，单片机的P0口与LCD1602的数据口相连，用于输入显示数据。第3引脚加一个上拉电阻10k，用来调节字符的对比度。

1.7通信报警模块。通信模块采用GSM模块。采用一款紧凑型GSM/GPRS模块SIM900A，具有体积小、功耗低、集成度高、传输速率快等优点，支持双频，支持短信息、数据通信、语音传输等服务。SIM900A模块通过串行接口与单片机进行通信，根据主控的指令，完成无线通信功能，可将灌溉的实时信息发送至用户手机上。

采用蜂鸣器作为报警元件。单片机I/O口发出控制电平，输出低电平的时候，三极管导通，电流经放大后驱动蜂鸣器工作，发出声音进行报警。在本设计中，当检测到的湿度小于设定值最小值时，系统开始报警提示，并自动启动水泵进行灌溉，直至湿度处于系统设定的控制范围之内。

二、系统流程图

智能灌溉系统启动时，单片机复位，显示、通信等模块开始初始化。例如LCD1602显示系统默认的初始值，当前土壤的湿度值。经过初始化之后，可以通过按键模块设定灌溉的相关控制参数和范围，比如湿度的上限值、下限值、启动、复位按键等。设置完毕，灌溉系统就可以启动运行了。

三、系統调试

智能节水灌溉控制装置的调试过程，接通电源后，按下按键K2，切换到设置模式，此时灌溉系统暂停，转为设置状态;K3键是用来增加湿度的最值，K4键用以降低湿度的最值，同时K2键也充当确认键。系统默认显示湿度上限值和下限值，显示屏上，左侧为土壤实时检测的湿度值，右侧表示的是系统预先设定值，本系统设置的最小值湿度20%和最大值湿度41%。

通过测试发现，当LCD屏幕显示的土壤实时湿度值为16%，属于缺水状态，此时蜂鸣器报警，继电器驱动水泵开始自动浇水。当湿度值达到20%，指示灯停止闪烁，蜂鸣器停止工作，继电器关闭，停止浇水。当土壤的湿度位于20%-41%时，蜂鸣器不会报警;当环境湿度超出40%，水泵停止工作。系统测试证明装置的有效性。

四、结语

结合以往对自动灌溉的研究，设计出一套基于AT89C52单片机控制的智能节水灌溉控制装置。该系统由单片机控制模块、湿度传感器、AD转换电路、继电器驱动电路、LCD显示电路、按键电路等模块构成，能够实时采集土壤含水量（湿度）信息，发送给作为中央控制器的单片机，根据设定的控制规则，执行相应的操作，在液晶显示器上进行显示，缺水超限报警，驱动执行机构，达到自动检测和自动灌溉的目标要求。通过仿真测试，系统运行稳定，一方面能够节约大量的水资源和能源，可以按时按需为农作物供水，另一方面还可以节省大量的人力物力，为农业生产和人民生活带来一定社会效益和经济利益。

参考文献

[1] 张娣，曲子谦，罗文涛，邓旭东，董莉霞.智能灌溉系统的设计与实现[J].软件，2019，40（11）：65-67.

[2] 封居强，杨伟虎，伍龙.智能精细化灌溉自控系统的设计[J].九江学院学报（自然科学版），2019，34（01）：53-56.

[3] 李志博，田军仓.农田智能灌溉系统的研究进展[J].宁夏工程技术，2019，18（03）：275-279.

作者简介：杨超（1979-），男，副教授，黑龙江安达人，硕士;

张其伟，男，黑龙江工业学院16级电气工程及其自动化专业，学生;

李洪印，男，黑龙江工业学院17级电气工程及其自动化专业，学生;

田聪（1981-），女，黑龙江鸡西人，副教授，硕士，研究方向：电气工程、智能控制、实验教学。

项目来源：黑龙江省大学生创新创业训练计划项目（编号：201911445002 ）《基于单片机的智能节水灌溉装置研制》。

黑龙江省高等教育教学改革项目“新建应用型本科院校《Protel DXP》课程教学改革与探索”（SJGY20180433）成果。