单片机智能温控灌溉系统设计与实现

陈石龙

（宁德师范学院 信息与机电工程学院，福建 宁德 352100）

巨峰葡萄是闽东地区主要的经济作物之一，据了解，仅福安市巨峰葡萄种植面积达7 万多亩（约4 666.69 hm2），产量为1.5 亿多斤，是我国东南沿海种植面积最大、规模连片、生产规范的县(市)级葡萄生产基地，被誉为“南国葡萄之乡”，是乡村振兴的一大支柱产业[1].葡萄避雨栽培的优点在于降低园中土壤水分和空气湿度，可有效地减轻黑痘病、灰霉病、炭疽病、霜霉病等病害发生，减少喷药次数和用药量，这样既有利于葡萄种植无公害化，又能提高坐果率，增大果粒，减轻裂果，增进品质，稳定产量，提高收入.福安气候潮湿多雨，尤其是夏季台风时节，要采用搭建避雨棚等措施对巨峰葡萄进行防水.但避雨棚也存在缺陷，由于棚上覆膜，因此光照减弱（光照比露地减少1/4～1/3），闷热时棚内温度异常偏高，常导致枝蔓徒长，节间增长，土壤干燥缺水，需定期进行灌溉，让土壤的湿度保持在65%～70%，防止出现烧苗现象.

如何减少劳力，节约成本，但又能有效灌溉，保证果树正常生长，成为当地果农一直关心的问题.本文根据实地情况，设计一款温度智能控制灌溉系统，实时采集避雨棚内多点的温度情况，进行有效灌溉，保证土壤湿度保持在65%～70%.

1 总体设计方案与工作原理

1.1 总体设计方案

本次设计采用ATMEL 公司AT89C52作为整个系统MCU，用其控制避雨棚下多点温度检测、土壤湿度检测、超温预警和启动灌溉等功能，以实现其既定的性能指标.该系统能实时采集周围的温度信息、土壤湿度值，将采集到的信息传送MCU 相应存储器中，各路采集的温度值与设定报警值上限比较，当有2路及以上的温度超过预警值，同时土壤湿度传感器采集到信息经A/D 转换后传送至MUC 中，经单片机分析处理，判断是否启动报警器和灌溉电路.根据实际应用情况，可设定温度报警值上下限和土壤湿度值上下限，单片机可根据相应设定参数进行有效判别，从而实现控制继电器工作.本次总体设计原理框图如图1所示.

1.2 工作原理

闽东地区每年的6月份开始，天气以湿热为主，避雨棚下温度达到40 ℃左右，在这种温度下，蒸发量明显增大，土壤大量失水，严重影响果树的正常生长.避雨棚特点是棚两端与外界通风，四周温度明显要低于棚内中间地带，因此在温度采集时候，采集点的选定尤为重要，要重点采集棚中间地带的温度，这样才能准确地把握当前环境温度，启动灌溉，达到降温目的.

通过采集比较以往棚内的温度，并根据植物正常生长的区间温度，总结得出棚内环境预警温度，通过键盘输入温度预警值，通过温度采集器，采集得到各点的环境温度值，传输到单片机中，同时通过显示电路，显示各点的采集温度值，单片机将每一路采集到的温度值与温度预警值进行对比，当有过半以上的温度超过预警值，同时采集到土壤湿度值低于65%时，单片机控制继电器启动水泵进行灌溉，当采集到土壤湿度值大于70%时，控制继电器关闭水泵停止灌溉[2].

2 系统硬件电路及功能

2.1 主控芯片选用

本次设计采用STC89C52作为系统处理单元，具有高性能、低功耗的优点，有较为灵巧的8位CPU和系统可编程Flash 存储器，具有标准功能特点，内含512 B 的RAM 单元，看门狗定时器，MAX810 复位电路，内置4KBEEPROM，3个16位定时器/计数器，具有全双工串行接口,内含32条可编程I/O 口线，5个中断源，2个优先级等[2]，其处理速度快，能够满足此次系统对程序处理要求.

2.2 温度采集电路及特点

2.2.1 温度采集电路的设计 在环境温度采集模块中，本次设计采用4片DS18B20温度传感器进行四路采集.DS18B20是一种单总线改进型数字温度传感芯片，可直接与处理单元连接，进行数据通信，其测量温度范围为-55～+125 ℃，且测量精度达到0.1 ℃[3]，完全满足本次设计要求，并且其最大优点在于不进行其余转换的条件下，可直接读取温度值，在单总线工作模式下，允许多个温度采集器同时工作，且不相互干扰，可实现全双工通信，占用端口少，节约资源，同时DS18B20具有内部EEPROM，不用担心断电而丢失设定的数据.DS18B20的寄存器是由9个字节组成，处理单元在读取温度程序时，可对寄存器中的CRC 位进行校验，且每次读数都要校验一次[4]，保证读取的准确性.暂存寄存器内部分布情况如表1所示.

表1 DS18B20暂存寄存器分布

2.2.2 温度采集点的分布 根据果农种植经验和实验测温数据可知温度较高地带主要集中在棚内中间部位，因此主要采集棚内中间地带的温度[5].大致测温点分布情况如图2所示.通过四路温度采集电路进行实时温度采集，将采集到的温度值传输到单片机中与预警值相对比[6]，若有两路及以上温度超过预警值时，单片机控制继电器吸合，启动水泵工作，同时开启警报.

图2 避雨棚内测温点分布示意图

2.3 土壤湿度采集模块

本系统土壤湿度采集电路是采用YL69土壤湿度传感器，将采集到的土壤湿度信息通过A/D转换后传入单片机，单片机将当前环境土壤湿度信息与预设的信息进行对比处理.土壤湿度采集电路设计如图3所示.

图3 土壤湿度采集电路

2.4 信息显示模块

本次设计采用液晶显示器LCD1602A作为信息显示输出，液晶显示器能够显示出数字、专用符号以及图形，且功耗低、色彩和亮度稳定，同时与单片机接口简单可靠，操作更加方便.

2.5 按键模块

本次设计采用传统模式的行列矩阵式键盘，该方法有效减少占用I/O口总线资源.在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接，一个端口（本次采用P1口）就可以构成16个按键，比直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，优势越明显.设计电路见图4.

图4 系统设计电路原理图

采用矩阵式键盘，可以直接设定0～9 数值输入键，不采用传统的增加键或减少键，使操作更加便捷，同时根据系统的使用情况增设一些功能键，满足工作需求.在本次设计中，可根据季节变化与葡萄果树的不同生长期实际情况，通过按键设定预警温度值和土壤湿度上下限值，使整个系统更加灵活实用.

2.6 系统温度采集电路

本次设计采用STC89C52 单片机作为系统数据处理单元，DS18B20 温度传感器作为环境温度采集器，将采集到的温度值传输到数据处理单元中，经读温子程序（A/D 转换）[7]、警报温度判断子程序、温度显示子程序等数据加工处理，实现该系统功能.根据实际需求，系统硬件电路搭载相应的时钟电路和硬件复位电路，构成最小系统电路，如图4所示.

3 软件设计

本次软件设计是基于Keil4软件进行编译，采用C语言进行编程，程序相对简便易懂.利用单片机实验室现有的最小系统开发板进行程序上的调试开发，同时利用Proteus 软件绘制硬件设计电路，将调试好的程序软件载入目标单元中，进行有效的仿真实验，得到验证结果后再进行硬件电路实施.这将大大提高了工作效率，同时为该设计提供了可扩展性.

以福安市赛江流域的葡萄种植大棚为实验测试环境，综合考虑该地区的气温情况和葡萄不同生长期的最优温度和湿度来设定预警温度值，不同地区根据气温情况进行相应的调整设置.初始警报温度是在初始化时进行人为设置的，可以通过键盘进行系统警报温度值、土壤湿度值设置，当设置完成后，按下启动键，系统进入正常工作模式.液晶显示器显示当前环境各路检测到的温度值.

本次设计测试，预警温度设定为38 ℃，土壤湿度值设置在65%～70%之间，根据实际情况可做温度值调整，在显示器中可显示出预警温度值和各测温电路监测到的相应环境温度值，若有两路及以上测得温度超过预警温度[8]，且湿度低于65%时，则蜂鸣器会发出警报，系统处理单元会控制继电器闭合，启动水泵进行灌溉.当检测到土壤湿度值大于70%，控制继电器关闭水泵停止灌溉，实现了智能控制.系统主程序流程图如图5所示.

图5 系统主程序流程图

4 实验数据分析

在硬件支持的环境下，通过Proteus 设计的电路进行仿真实验，将程序通过Keil 软件编译成芯片可识别的S51 文件，利用PC 机将程序写进利用Proteus 设计的电路图核心处理芯片内进行仿真测试，并对其出现的错误进行修正，直至完成预定目标.

在测试实验中，模拟土壤测试湿度值都低于65%，将四路测温模块分别放置在标准预设温度环境下，通过DS18B20模块进行测温，将测得温度显示在液晶屏上，同时对比测得温度与实际环境预设温度之间的误差情况.如表2所示，从测试记录的数据可知，本次设计测得的数据是相对稳定可靠的，误差在0.1～0.2 ℃之间.通过软件仿真结合硬件电路的调试，此次设计基本上达到预定的目标要求，能够满足该地区葡萄种植避雨棚灌溉需求.

表2 实验测温记录

5 结语

本次设计以STC89C52 为核心，利用DS18B20 温度传感器和YL69 土壤湿度传感器作为环境温度和土壤湿度信息采集部件，将采集到的信息传送至单片机，通过系统软件调试将采集到的温度显示在液晶器上，同时通过控制程序对继电器进行控制从而实现水泵的灌溉功能.该温湿控灌溉系统结构简单、成本低、操作简便，是一种最经济、最简单实用的设计，具有一定的推广意义.

[责任编辑 郭 涓]