单片机控制的节水浇灌系统研究

毕海婷，任大伟

（1.烟台职业学院电气工程系，山东烟台264670；2.烟台冰轮股份有限公司，山东烟台264000）

单片机控制的节水浇灌系统研究

毕海婷1，任大伟2

（1.烟台职业学院电气工程系，山东烟台264670；2.烟台冰轮股份有限公司，山东烟台264000）

近年来水资源的缺乏越来越引起人们的关注，如何能充分地利用水资源已经成了我们关注的重要课题.本文就单片机控制下的节水浇灌系统展开研究.文章第一部分对单片机节水灌溉系统组成做了详细说明，第二部分针对单片机控制下的硬件电路进行了分析，第三部分就软件数据处理做了简要阐述，最后对单片机控制下的节水浇灌系统做了必要的总结和归纳.

单片机；控制；节水浇灌；系统

目前，由于我国的自动化节水技术不够发达，而且农业灌溉还未能打破原先的浇灌方式，一直局限于传统的粗放型浇灌模式，且农民的自动化节水意识不高，所以国内的自动化节水工程还未能得到很好的发展.目前，当务之急就是要加强对农业灌溉水资源的节约.因此，为了有效的节约水资源，就要科学合理的提高农业灌溉效率，缩短灌溉时间，特别是在微灌技术领域，国家更应加强对该项技术的研究，并要广泛的对此加以推广和使用，只有这样才能推动我国微灌技术的进一步发展，进而才能有效的节约农业灌溉所需的水资源.本文就是针对在单片机控制的情况下，对节水浇灌系统的研究与讨论.

1 单片机控制的节水灌溉系统总体设计

1.1 节水灌溉系统简介

1.1.1 微灌系统介绍

目前，微灌是世界上众多灌溉技术中最高效的一种节水灌溉技术，具有节水率高、节能性好的特点，并且是当前最先进的一种节水灌溉技术.所谓微灌，就是指在局部区域进行精细的灌溉，微灌技术与其它灌溉技术相比，在水的利用效率上是最高的，例如与地面灌相比，微灌要比地面灌节约一半的水资源.若与喷灌相比，则就要节约17%左右的水资源.利用微灌技术来灌水的同时还能施药，这样自然的就会提高了土地的肥效，从而就会提高农作物的产量.微灌系统是通过对微灌设备的组装而形成的.微灌节水技术的工作原理是通过管道将有压水传送到田地上，并以较小的流量来浇灌农作物根须部分的局部土壤.现如今，微灌已改变了原先的单一滴灌方式，并发展了多种新的灌水技术，例如微喷灌、渗灌以及涌流灌等.这些新的高效灌水技术主要用于一些果园、菜园或大棚的灌溉上.同时我国的一些缺水区在农作物的灌溉上也可利用这些灌水技术.

1.1.2 滴管系统介绍

滴灌不仅能避免地面的土壤流失、减少农作物间的水汽蒸发、有效的节约水资源，还能确保农作物根部的水份不会过于干燥或过于湿润，从而合理的保持土壤的通气性.同时，采用滴灌技术来对农作物进行灌溉还可以有效的节省劳动力资源，在遇到陡坡时也不需要凿开渠道.但是滴灌技术也存在着一定的缺陷，例如对滴灌的投资成本比较高，而且在滴灌的时候滴头很容易被堵塞.首部、管道系统、滴头是滴管系统的主要构成部分.①首部就是将从水源抽出的水进行加压，再将化肥融入有压水中通过过滤器将杂质过滤掉，然后再将水输入管道中；②管道系统主要是由干管、毛管及支管组成，它们都是通过对高压聚乙烯和聚氯乙烯的加工处理而制成的；③滴头本身具有消能的作用，所以在灌溉的过程中，可以让水流经滴头的孔隙，然后以水滴的形式对土壤进行灌溉.

1.2 基于单片机控制的节水灌溉系统组成

（1）单片机控制的节水灌溉系统工作流程主要是：在单片机控制的基础下，对灌溉工程的一系列设施进行监测，并对相关的信息进行检测与处理.

（2）单片机控制的节水浇灌系统工作原理是：通过土壤湿度传感器对种植物的土壤进行检测，并将信息转化为数据，然后通过AT89C51单片机来对相关的设备进行控制，若数据显示土壤湿度较高，那么就通过计算机操作来关闭程序，如数据显示土壤湿度过低，那么就要打开电磁阀对农作物进行灌溉.

1.3 单片机控制的节水浇灌系统器件的选取

1.3.1 对于单片机的选取

早期的单片机就是指单片微型计算机，也可称为微控制器，是在集成电路出现和发展的背景下而形成的一种芯片级的计算机，其实质就是将计算机的中央处理器、随机存储器、只读存储器以及各种I/O接口集成在同一个芯片上.由于单片机具有强大的功能、较小的体积、耗能低、集成度高、使用便捷且价格便宜等优势，所以在我国得到了广泛的推广和使用.早先的单片机是以嵌入式微控制器的形式出现的，并且在嵌入式系统的领域中，单片机是最受人们青睐的核心器件.当下，随着计算机技术的不断进步，以计算机为主导的一系列工业生产也取得了相应的发展，并且逐步的融入到了人们的生活中，例如在家用电器的制造中、工业生产的控制中以及医疗仪器的检测中都存在着单片机.当下，随着科技的发展，单片机制造公司也获得了相应的发展.在众多公司相继推出的各种单片机中，最受欢迎的就属INTEL公司所推出的具有很高性能的MCS-51系列单片机，这种单片机以精湛的技术和高性价比的优势，很快的就在一些工业测控以及自动化工程领域得到快速发展，并成为单片机领域的主打品牌.

除此之外，ATMEL公司所推出的89系列单片机也倍受青睐.89系列单片机又名Flash单片机，它主要是以8031作为核心而产生的，不仅具有INTEL公司所推出的MCS-51系列单片机的各项功能，还进一步的优化和扩展了原先单片机的功能.89系列的单片机内部设有Flash存储器和静态时钟，并且还能兼容AT80CS1的插座，最重要的是，当单片机出现编程错误时不会有废品生成，而且还能进行重复的系统实验.针对节水浇灌系统的特点以及各种型号单片机的优点特征比较，ATMEL公司所推出的89系列单片机是最合适的选择.由于89系列单片机内的芯片含有128字节的RAM，所以就不用对系统内的程序存储器进行再拓展.

1.3.2 对于土壤湿度传感器的选取

土钻法是当下最常用的测定土壤水分的方法，其基本原理就是用烘箱烘干钻出的土壤，然后再对烘干的土壤进行称量，进而计算出土壤中的含水量.同时也可以用石膏电阻法或负压法等来间接的测量土壤中的含水量.自1998年以后,TDR技术受到了很多研究者的欢迎.TDR技术能准确的测量土壤中的含水量并且不局限于土壤的类型，最重要的是无核辐射作用，对人体零伤害.土壤水分含量的多少直接的影响了农作物的生长，所以传感器的选择也很重要.若要选择高精度的土壤湿度传感器，那么就会使成本增加，若选用精度低的传感器，那么就不能对土壤湿度进行合理的控制.美国生产的AQUA-TEL-TDR便携式土壤水分仪具有TDR原理水分探头，且简单易携带，技术含量也很高，所以针对本文探讨的重点，选取AQUA-TEL-TDR便携式土壤水分仪测量土壤水分的含量最适合.

1.3.3 对于节水灌溉系统数模转换芯片的选取

数模转换的原理就是将模拟信号转换成数字信号，同时两者的大小要成正比，并且在数据采集系统中要以数模转换电路为核心.目前市场上的数模转换主要可分为逐次逼近式数模转换电路以及双积分式转数模转换电路.①逐次逼近式数模转换器在转换精度上比较高，转换速度也很快，且在具有很强分辨率的同时还能量化误差；②双积分式数模转换电路的转换精度最高，且具有很强的抗干扰能力，价格便宜，但在转换的速度上比其它的转换器要慢.综合考虑，选取逐次逼近式数模转换器最合适.

2 单片机控制的节水浇灌系统硬件电路设计

2.1 单片机主机上的时钟电路设计

单片机内的各项微操作是以时钟发出的信号为准基的，一般情况下时钟发出的信号是通过内部和外部震荡的形式而生成的.时钟电路的工作原理就是通过高增益反向放大器来构成振荡器，并将放大器的输入端与输出端分别于晶体振荡器或陶瓷谐振荡器相连接，从而形成振荡时钟脉冲.

2.2 单片机主机上的复位电路设计

只有采用复位的方式才能将单片机内部的功能寄存器初始化，同时，复位之后的单片机中央处理器和相应的设备都会变成初始状态.外来电路是让单片机复位的必要条件，并且只要RST引脚上的高电平能持续两个机器周期，就能让CPU以及系统中的各个设备复位.复位操作包括上电路复位和开关复位两种情况，单片机控制的节水浇灌系统采用的就是上电路复位的方式.

2.3 单片机主机上的超限报警电路设计

声光报警、闪光报警、鸣音报警以及语音报警是目前报警信号中最常用的几种类型.这几种报警信号能在一些紧急的状态下引起工作人员的注意，从而确保工作人员在工作时不会疏忽大意，能及时的发现并处理好问题.在单片机控制下的节水浇灌系统中所采用的就是声光报警电路，该电路中设置了压电路鸣器，且电路中蜂鸣器的两端连接在高电平与P1.0上，只要通过驱动电流就能产生蜂鸣声，因此，若要报警，就将蜂鸣器的端口清零，这样就能通过延长对程序的控制从而来延长声音的长短.

3 系统软件设计中的数据处理

3.1 数据处理中的数字滤波技术

数据处理中的数字滤波技术不仅能在统计规律的基础下减轻对有效信号的干扰，还能消除由于信号干扰而导致的误差.数字滤波技术只要改变相应软件中的运用参数并通过软件算法就能很快的转变自身的特性，且不需要任何的硬件.

3.2 数字显示的标度变换

所谓标度变换，就是指将数模转换的结果数字变换为温度值，且可供显示或打印.数字显示的标度变换原理就是将经过微机化测控系统处理后的原始数据输出显示器，并作为显示数据，然后将数据通过数模转换变成温度值.

4 对单片机控制的节水浇灌系统的总结与建议

4.1 单片机控制的节水浇灌系统具有：①在对农作物进行灌溉时，该系统具有很强大的适用性，只需启动系统以及对显示器上的参数进行设置就能有效的监控土壤的湿度；②该系统可以在适当的时候给作物灌溉适量的水，这样就会给作物提供一个优越的生长环境，并且还能有效的节约水资源，提高对水资源的利用率；③该系统的成本不高，且操作简单具有很强的扩展性，同时只要对系统稍微的改变一下，就能扩大其功能.

4.2 虽然在单片机控制下的节水浇灌系统在现代化农业发展过程中起到了很大的推动作用，但无论是在硬件还是在软件的设计上都存在一些不合理的地方.以下是对单片机控制的节水浇灌系统的若干建议：①单片机控制下的节水浇灌系统只是对水进行监测与控制，并没有对肥进行监控，因此，要想作物有效的生长，就要将水与肥有机的融合起来进行灌溉；②要全面的考虑土壤湿度与作物需水量之间的关系，准确的判断作物的需水量，从而对作物进行合理的灌溉；③虽然该系统在平时的模拟检测中运行良好，但是在实际的数据采样方面还不够稳定，因此，在数据采样的稳定性方面还要作进一步的完善.

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〔2〕马学良,吴晓光,苏音,王虎.我国滴灌技术应用发展若干问题分析.节水灌溉技术,2010(5):21-24.

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S277.9；TP29

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1673-260X（2013）07-0133-02