智能农田灌溉系统设计

2021-08-31李雅欣张洪瑞解云涛刘健飞李然然

农村实用技术 2021年7期

李雅欣张洪瑞解云涛刘健飞李然然

（太原科技大学，山西太原 030000）

随着农业自动化程度的提升，基于土壤湿度监测的微灌溉技术作为一种有效的现代农业节水灌溉技术，开始活跃于农业浇灌中。提高有效灌溉率并缩短工作时间，是智能节水和浇灌技术的关键。在世界发达国家，自动化智能浇灌系统已被广泛用于发展节水农业。通过采用遥感湿度传感器监测土壤和作物状况，根据农作物不同生长期对水分的需求量，对灌溉区的水管理进行自动遥控监测预报，实现灌溉区管理自动化和用水自动化[1]。智能浇灌系统的设计具有重要实用价值[2]。

1 系统工作原理

整个系统的工作过程是通过DHT11温湿度传感器采集湿度信号，经内部放大和A/D转换后以数字量输出，然后通过蓝牙传送给单片机AT89C51控制系统，最后经过LCD1602显示实时湿度以及阀值范围。整个系统的硬件电路主要包括51单片机控制系统模块，蓝牙通信模块，湿度采集电路模块，按键控制湿度阀值模块，LCD液晶显示模块，报警模块，电源模块。与设定初值比较时，当前所采集到的土壤湿度的实际值低于我们的设定值的下限时，报警器报警并且打开水泵增加灌溉；当前所采集到的土壤湿度的实际值高于我们的设定值上限时，则停止灌溉从而实现实时监控湿度值。系统总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构图

2 硬件系统设计

2.1 单片机控制系统

系统以单片机AT89C51为核心，其构成的单片机最小系统[3]如图2，时钟采用外部12MHz振荡电路，系统通过S键进行复位。

VCC：供电电压 GND：接地 RST：复位输入

P0：8位双向I/O口

P1：内部提供上拉电阻的8位双向I/O口

P2：内部提供上拉电阻的8位双向I/O口

P3：内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，也可作为一些特殊功能口

ALR/PROG：地址锁存信号

XTAL1，XTAL2：晶振信号

两个16位定时/计数器

五个中断源

2.2 HC-06蓝牙通信模块

蓝牙技术是一种无线通信技术，其对数据收发的可靠性和信息传输的安全性有极大的保障。2.4GHz是蓝牙技术在全球通用的通信频段，蓝牙信号的传输速率可以达到约1 Mbps。HC-06蓝牙模块主要性能参数:

（1）频率:2.4GHz;

（2）调制方式:GFSK;

（3）收发功率级别:class2;

（4）灵敏度:≤80dBm;

（5）通讯速率:2Mps;

（6）工作电压:33V;

（7）工作稳定温度范围: -20~+55℃。

HC-06蓝牙通讯模块电路图如图3所示:

图3 HC-06蓝牙模块电路

2.3 湿度测量电路

湿度检测采用一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器DHT11，采用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，具有较高的抗干扰性和应用稳定性。传感器包含1个NTC测温元件和1个电阻式测湿元件，可以与8位高性能单片机连接[4]。DHT11的引脚说明如表1所示，测量电路如图4所示，DHT11把采集到的温湿度数据以数字信号形式传送给单片机的P1.7口进行处理。测量范围:20-90%RH，0~50℃，测湿精度±5%RH，测温精度±2℃，能够满足大多生产对象温湿度测控范围。

表1 DHT11引脚说明

图4 测量电路图

2.4 显示电路

显示部分（如图5所示）采用的是LCD1602[5]，即两行，每行十六个字液晶模块。VSS为电源地，VCC接5V电源正极，V0为液晶显示器及对比度调整端，RS为寄存器选择端，RW为读写信号线，E端为使能端，D0-D7为8位数据双向端，与单片机的P0口相接。

图5 显示电路

2.5 按键电路

按键设置部分采用三个独立按键分别为K1、K2、K3，与单片机的P2.4，P2.5，P2.6口相连接。功能为K1为设置按键，K2为减按键，K3为加按键。

2.6 超常报警电路

报警电路由二极管与电阻连接，其中何时报警可以编写程序进行控制，本设计中报警电路与单片机P3.2口连接。当检测到低电平，蜂鸣器报警[6]。

2.7 电机电路

本设计中电机电路与单片机P3.7口连接。当检测到低电平，电机启动。

3 软件系统设计

软件系统主要包括土壤湿度检测和处理程序。键盘程序，LCD显示程序，时钟程序，土壤湿度检测和处理程序是关键程序，连续检测土壤的湿度值，并对采集到的的湿度数据进行处理且与设定值比较，去执行水泵程序。

首先将LCD初始化，然后读取湿度值进行处理和按键检测，并判断数值是否超出预设范围，超出则蜂鸣器报警。当实际湿度低于设定下限值，单片机启动水泵进行工作。

整个系统的软件设计流程图如图6所示：

图6 软件设计流程图

4 系统仿真

利用Keil软件和Proteus软件联合测试，把Keil软件程序生成的.HEX文件导入到Proteus仿真中的单片机中，然后开始运行，就可以看到Proteus原理图中模拟的实物运行的状态和过程[7]。显示器的Ct.humi代表测得的土壤湿度，RH代表设置的湿度上限，RL代表设置的湿度下限。湿度通过DHT11温湿度传感器测得。仿真条件：湿度采用10K滑动变阻器的分压值来代表，湿度在18%~15%之间，蜂鸣器不工作，水泵工作；湿度低于15%时，两者都工作；湿度高于18%时，两者都不工作。