基于单片机技术的智能水利灌溉控制装置

周琳博

(哈尔滨市水务科学研究院，哈尔滨 150001)

1 概 述

我国农业用水量约占总用水量的80%左右，由于农业灌溉用水的利用率普遍偏低，就全国而言，水的利用率仅为45%，而水资源利用率高的国家已达70%～80%。采用传统的灌溉模式，灌溉定额普遍偏高。农业灌溉采取的模式是定时灌溉，定时灌溉是指在设定的时间内对农田进行定点的灌溉，定时灌溉并不能给予农作物合理科学的灌溉量，而且水资源过于浪费。

随着电子技术、传感技术、单片机技术的发展，在灌溉系统中合理推广自动化技术，不仅可以提高水资源的利用率，还可以增加农作物的产量。按照作物需水要求和水源供水状况，有计划地控制温度以及引、蓄、配、灌，合理组织用水，以控制、调节土壤温湿度来满足作物的生长要求，是作物生长管理工作的中心内容。为此，需要及时掌握作物的生长规律，各发育期的需水量和适宜的生长温度，而这些最根本的是土壤的含水量。土壤湿度作为土壤灌溉的基本参量，对农作物的生长十分重要，通过人为手段创造出适合作物生长的湿度环境，可以提高单位面积产量，提升农产品的质量，从而实现高效农业生产的目的。本文是在土壤湿度测量模块的基础上，设计一种具有自动灌溉功能的节水控制器系统，在测得土壤缺水时，予以及时灌溉，同时用户还可以根据实际需要自行设置启动抽水泵工作的阈值参数。

2 系统的组成与功能介绍

本文以51系列单片机AT89S52为主要控制核心，利用土壤湿度传感器对土壤湿度进行测量，利用A/D转换器将测量的电压值转换为数字量，最终将土壤中的含水数值实时显示在4位共阳极的数码管上。该数值与单片机内部预设的阈值进行比较，进而控制与继电器相连的大功率抽水泵开关，从而实现含水值测量、数值显示及智能灌溉的节水控制。

本文在控制抽水泵灌溉土壤的基础上，同时设置了手工调节土壤湿度阈值的设计，用户可以根据实际需要自行设置抽水泵工作的启动阈值。该灌溉系统还设有数码管显示模块和控制按键模块，具有以下功能：①本系统开机后，4位共阳极数码管实时显示土壤湿度；②控制按键部分可以完成土壤湿度设置阈值调整操作功能；③当实时土壤湿度低于设置湿度，抽水泵自动启动进行灌溉；当湿度超过设置湿度时，抽水泵立即停止工作。

硬件系统主要包括单片机数据处理控制模块、土壤含水值数码管显示系统模块、土壤湿度采集模块、参数设置按键控制模块、A/D模数转换模块、大功率抽水泵控制模块。系统组成见图1。

图1 智能水利灌溉控制系统框图

3 硬件电路的设计

3.1 单片机控制电路的设计

单片机控制电路可以概括为单片机最简系统的设计。它是由供电电路、单片机、晶振电路和复位电路构成。AT89S52系列单片机是新一代高速、低功耗、超强抗干扰的单片机，AT89S52单片机中有一个用于构成内部震荡器的放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶体或者陶瓷谐振器构成自激振荡器，它们分别与电容C2、C3接在放大器的反馈电路中构成并联振荡电路。复位电路接单片机的RST端。EA 端接 VCC 的电源，目的是采用程序内部ROM读取方式。单片机控制系统电路见图2。

图2 单片机控制系统电路图

3.2 土壤湿度测量电路的设计

本设计采用的是土壤湿度计，土壤传感器遇到不同的土壤湿度会输出不同的电压值。所以，本设计采用模拟量的A/D转换处理，测量原理为土壤湿度计处于空气中输出电压为0，标定湿度为0%，土壤湿度计处于水中输出电压为5 V，标定湿度为100%，将此对应关系利用8位ADC0804模数转换芯片进行标度变换，再将5 V电压值分成256份，精度为0.01 V，即可测量出土壤相对湿度范围为0～100%的具体数值。

本文将芯片片选信号/CS直接接地，时钟保持低电平；数据读出控制端/RD接至单片机的P30端口，使用时严格按照ADC0804芯片的时序图进行操作，低电平时为数据读出有效控制操作；模/数转换启动信号/WR接至单片机的P31端口，低电平时执行一次模/数转换操作。8位数字信号输出位与单片机的P1口相连，参考电压为5 V，R3与C0组成RC时钟振荡电路，保证ADC0804芯片能够正常工作即可。本设计的土壤传感器的湿度测量电路见图3。

图3 土壤湿度测量电路

3.3 继电器控制电路的设计

本系统的继电器部分采用高品质5 V松乐品牌五脚继电器制作，可以直接实现对最高直流30 VDC/10 A或者交流250 VAC/10 A抽水泵的常开常闭控制，采用低电平控制信号继电器的吸合、高电平控制信号继电器的断开。在自动控制工作模式下，一旦来自单片机P37端口输出的低电平信号，继电器立即吸合，抽水泵启动。继电器控制电路见图4。

图4 继电器控制电路

4 软件程序的设计

系统主程序首先对系统进行初始化，包括土壤阈值、单片机及数码管显示、湿度数据采集模块的初始化。整个系统通电后，单片机及外设开始正常工作，单片机内部程序开始执行，其步骤如下：①程序开始执行，显示土壤湿度参数信息；②判断实时测量的土壤湿度是否处于下限阈值范围之外；③如果检测到低于设置下限阈值，继电器立即吸合控制抽水泵自动浇水；此时传感器一直检测土壤湿度，如果土壤湿度超过设置土壤湿度阈值下限，继电器立即断开，抽水泵停止控制工作。系统的软件设计采用结构化程序设计方法，主程序设计流程见图5。

图5 主程序流程图

5 结 语

本文设计的智能水利灌溉控制装置，选用的土壤湿度检测模块，小巧便捷，传感器探头是一对针状探片组成，容易插入土壤，对土壤结构影响小。选用单片机与继电器控制抽水泵来实现智能灌溉，与同类传统测试系统相比具有智能化、结构简单、体积小、成本低、通用性好等特点，同时，还可以根据用户需求进行二次开发。