基于单片机的智能灌溉系统设计

彭汉莹+王宇++韩改宁++张洁++李颖

摘 要：为了实现水资源合理利用，发展节水供水，改善生态环境，利用物联网技术，使传统的灌溉技术得以突破。本设计以单片机为处理器，采用AT89S52芯片，使用步进电机控制水流量，利用温湿度传感器进行数据的采集，与设定数据进行对比，进行检测并控制。通过实验验证，本系统能实时监测到数据，并对非正常情况做出报警提示。

关键词：灌溉系统；单片机；温湿度传感器

中图分类号：TP39.1 文献标识码：A

1 引言（Introduction）

世界各国越来越认识到水已成为21世纪可持续发展的一个关键问题。中国水资源已处于相当匮乏的状态，并且全国大量的废、污水未经处理或处理未达标就直接排放造成了严重的水污染，少量的河流水质低于农田供水标准。水是农业的命脉，是生态环境的控制性要素，同时又是战略性的经济资源。为了实现水资源合理利用，发展节水供水，改善生态环境，采用智能灌溉系统抽取地下水灌溉农田，是我国目前物联网农业的关键，也是实现可持续发展的基础。

利用智能灌溉系统，使传统的灌溉模式得以突破和发展，是当今世界供水、节水技术发展的总趋势。智能灌溉系统在一些发达国家应用的比较广泛，技术发展也相对成熟，起步也比较早，特别是以色列、美国和加拿大等国家，先进的物联网技术、计算机和控制技术运用到了农业灌溉中，有效地提高了用水效率和生产。

2 智能灌溉系统的组成（Composition of intelligent

irrigation system）

本系统将分为四大模块组成：

（1）数据采集模块（SHT10温湿度传感器）

本系统所采用的温湿度传感器是由瑞士Sensirion公司推出的SHT10单片数字温湿度集成传感器。该传感器具有出色的长期稳定性和极高的可靠性，是由于该公司采用CMOS过程微加工专利技术（CMOSenstechnology）[1]。该传感器是由一个能隙式测温元件和一个电容式聚合体测湿元件，同时与一个14位A/D转换器和一个2-wire数字接口在单芯片中无缝结合，使得该产品具有抗干扰能力强、反应快、功耗较低等优点。

（2）电机控制模块（控制水阀及营养液输送）

当检测到的温湿度不在规定到的范围中时，通过步进电机和直流电机来调控温湿度。用步进电机来控制湿度，通常情况下，步进电机的精度为步距角的3%到5%，同时不累积。根据电机负载及大小情况而定，大电机的起步速度一般对应较低。用直流电机来控制温度，电机旋转的角度正比于脉冲数，只有数字输入脉冲可以确定电机的响应。直流电机有很好的起停和反转响应，所以可靠性比较高，从而电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命[2]，由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。

（3）数据显示模块（LCD显示温度和湿度）

将采集到的温度和湿度的数据显示在LCD1602液晶屏幕上，该1602液晶显示屏也叫1602字符型液晶显示屏，这是一种专门用来显示符号、数字、字母等的点阵型液晶模块。该液晶屏是由多个5×7或5×11的点阵字符位组成，一个点阵字符位可以显示一个字符，每位之间都有一个点距的间隔，行与行之间也有间隔，起到了行间距及字符间距的作用，但是它显示图形的效果不佳。

（4）LED灯和报警喇叭

当温度和湿度超过管理员设置的温度与湿度，LED灯会亮，同时报警器也会报警。当温度低于所设范围时，D1亮并喇叭报警；当温度高于所设范围时，D2亮并喇叭报警；当湿度低于所设范围时，D3亮并喇叭报警；当湿度高于所设范围时，D4亮并喇叭报警。

3 硬件系统设计 （Hardware system design）

基于单片机的智能灌溉系统的电路包含几类：传感器数据采集电路、报警电路。硬件系统的总体设计如图1所示。

3.1 元器件的选择

通过市场调研，考虑性价比的前提下，在本次设计中选择的元件型号为：

（1）核心芯片：AT89S52单片机

AT89S52单片机是一种功耗低高性能的CMOS8位微控制器，內置8kB可在线编程闪存。工作电源范围：4.0—5.5V，有三个16位定时器/计数器，32条可编程I/O线，8个中断源，以及灵活的在线编程[3]。如图2所示。

（2）直流电机和步进电机

直流点电机可通过调节电压大小就可以调速，比较方便；步进电机通过脉冲数来控制其前进的步数，步进电机控制更加稳定。如图3所示。

（3）LCD液晶：LCD1602

该液晶屏主要是用于显示温度和湿度的数值，因此从性价比上考虑，选择了LCD1602字符式显示器，该显示器的显示容量是16×2个字符，带I2C模块LCD1602连接到核心芯片AT89S52单片机[3]。显示电路设计如图4所示。

（4）温湿度传感器：SHT10传感器为测量模块，如图5所示。

（5）报警系统：LED灯和报警喇叭，如图6所示。

当温度和湿度超过管理员设置的温度与湿度，LED灯会亮，同时报警器也会报警。

3.2 硬件电路原理图

采用AT89S52单片机作为核心芯片，运用步进电机控制温湿度传感器，通过LED灯和报警器发出报警，温湿度是由管理人员根据植物的生长环境手动设置，在LCD显示屏上显示当前环境下的温度和湿度。如图7所示。

4 智能灌溉系统软件设计（Intelligent irrigation

system software design）

本系统的控制元件较多，程序代码较多，所以对SHT10和LCD1602的控制程序使用封装好的库文件。因此，采用模块化程序设计方法，以C语言实现的控制程序，按模块储存在AT89S52芯片内，无需单片机扩展存储器接口，简化了系统硬件结构，减低了成本，同时又提高了系统的稳定性[5]。

该软件系统流程，如图8所示。

测量温湿度函数

chars_measure（unsigned char *p_value， unsigned char *p_checksum， unsigned char mode）

{

unsignedfalse=0；

unsignedintx；

s_transstart（）； //启动传输函数

switch（mode）

{ //发送命令到传感器

case0：false+=s_write_byte（MEASURE_TEMP）； break；

case1：false+=s_write_byte（MEASURE_HUMI）； break；

default ： break；

}

for （x=0；x<65535；x++） if（DATA==0） break； //直到测量温度湿度完毕

if（DATA） false+=1； //判断是否在测量过程中发送错误

*（p_value）=s_read_byte（ACK）；

*（p_value+1）=s_read_byte（ACK）；

*p_checksum=s_read_byte（noACK）； //读取校验码

return false； //返回错误标志

}

定时器中断函数：控制马达正转、反转

void timer1（void） interrupt 3 //T1溢出中断

{

static unsigned char count2； //

if（flag2==1）

{

if （count2<=PWM_ON2）

PWMZ2=1；

else

PWMZ2=0；

}

if（flag2==0）

{

if （count2<=PWM_ON2）

PWMF2=1；

else

PWMF2=0；

}

count2++；

if（count2==CYCLE2）

{

count2=0；

}}

5 软硬件测试（Hardware and software testing）

将软件应用程序下载到硬件电路中，在proteus和keilc联合测试如图9所示。

x6 结论（Conclusion）

针对目前世界各国越水资源相当紧缺的问题，利用单片机设计的智能灌溉系统，采用AT89S52芯片作为该系统的核心芯片，使用步进电机控制水流量，利用温湿度传感器进行数据的采集，与理想数据进行对比，进行检测并控制。設计了面向农业应用的智能灌溉系统。该系统还可以应用于其他需要灌溉的服务行业。

参考文献（References）

[1] 林惠贞.分布式机房温湿度集中监控系统的设计[D].汕头大学，2011.

[2] 黄俊，翁惠辉.基于单片机技术的汽车空调控制系统的设计[J].长江大学学报（自科版），2012，09（1）：124-126.

[3] 韩改宁，韩丽娜，张清文.基于Arduino开发平台的学生宿舍门禁系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2016，16（9）：64-68.

[4] 娄国强.基于ZigBee技术的无线测控网络平台研制[D].山东轻工业学院，2011.

[5] 毕庆生，等.面向智能灌溉的物联网应用研究[J].农业网络信息，2014（5）：40-43.

作者简介：

彭汉莹（1995-），本科生.研究领域：物联网工程.

王 宇（1996-），本科生.研究领域：物联网工程.

韩改宁（1977-），博士生，副教授.研究领域：单片机与嵌入式

系统应用开发.本文通讯作者.

张 洁（1995-），本科生.研究领域：物联网工程.

李 颖（1995-），本科生.研究领域：物联网工程.