一种智能抽水灌溉系统的设计*

孙伟刚 张发菊 沈月娟 刘悦婷

(兰州文理学院传媒工程学院,甘肃兰州 730000)

0 引言

水是战略性的经济资源,是生态环境的控制性要素,是全球可持续发展的关键前提。我国的水资源已处于匮乏状态,要实现水资源的合理利用,重视节水供水,是实现可持续发展的基础[1-2]。在发达国家,如美国、加拿大和以色列等国家,智能灌溉系统已经被广泛应用,技术发展也相对成熟,将先进的物联网技术、计算机控制技术运用到农业灌溉中,有效地提高了用水效率。目前我国已经将智能灌溉系统成功地应用在农业中[3-4]。本文以STC89C52单片机作为主控芯片,完成了系统的硬件和软件设计,实现了土壤灌溉系统的定时浇水模式和非定时浇水模式。

1 总体设计概述

抽水灌溉系统由单片机主控模块、土壤湿度传感器、温湿度传感器、模数转换模块、微型水泵、时钟模块、显示模块、光敏电阻、报警模块和设置按键等组成,系统总体设计框图如图1。单片机选用STC89C52,土壤湿度传感器选用YL-69,环境温湿度传感器选用DHT11,模数转换模块选用ADC0832,时钟模块选用DS1302。

2 硬件电路设计

2.1 土壤湿度传感器

土壤湿度的采集可以用湿度传感器来实现。将湿度传感器看作可调变阻器,当湿度传感器采集到湿度时,电阻值发生变化,电路的输出电压也随之变化[5-6]。调节电阻值的大小,可得到想要的电压,满足电路的需求。

YL-69是土壤湿度传感器,其原理为湿敏电容,当环境的湿度改变时,会使湿敏电容环境中的介质改变,导致湿敏电容中的电容数值变化,电容的数值正比于湿度值。由于湿敏电容有很高的灵敏度、响应速度快、滞后量小的特点,易于小型化和集成化,YL-69表面采用镀镍处理,有加宽的感应面积,可提高导电性能,防止接触土壤容易生锈的问题,延长使用寿命。因此本设计采用土壤湿度传感器YL-69,如图2为YL-69与外部元件的连接图。

图1 系统总体设计框图Fig.1 Block diagram of the overall system design

2.2 温湿度传感器

DHT11是一款温湿度传感器,引脚如图3所示,可以用来测试环境温湿度,该传感器的温度测量范围为0～50℃,误差为2℃;湿度测量范围为在0℃时为30%～90%RH,环境温度为25℃时,湿度测量范围为20%～90%RH,在50℃时,测量范围是20%～80%。本设计选用DHT11实时检测环境的温湿度,并送给单片机处理。

图2 YL-69与外部元件的连接图Fig.2 Connection diagram between YL-69 and external components

2.3 时钟模块DS1302

DS1302是一款实时时钟芯片,可以提供秒、分、小时、日期、月、年等信息,还有自动调整的能力;它有31字节数据存储RAM,采用串行I/O通信方式;DS1302采用双电源供电,工作电压为2.0V～5.5V。该芯片功耗较低,当工作电压为2.0V时,工作电流小于300nA。为了保证信号稳定,计时的准确性,DS1302一般与单片机IO口相连时要加上拉电阻,提高IO口的驱动能力,如图4是DS1302与外围电路的连接图。

2.4 模数转换模块

模数转换模块ADC0832引脚如图5所示,它是8路8位A/D转换器,具有锁存控制的8路模拟开关;易与各种微控制器接口;可锁存三态输出,输出与TTL兼容;模拟输入电压范围0～5V,无需外部零点和满度调整;低功耗,约15mW。本设计采用ADC0832将检测到的温湿度数据转换为数字信号,再传输给单片机。ADC0832与单片机STC89C52的连接图如图6所示。

3 软件设计

本抽水灌溉系统能根据检测到的土壤湿度值,实现土壤灌溉系统的智能控制。当检测到的土壤湿湿度值低于报警值,说明土壤干燥,启动水泵浇花。当检测到的环境温度值大于上限设定值,启动报警。将以上检测到的土壤湿度值、环境的温度和湿度通过LCD1602显示,用户可以通过按键设置土壤湿度的上限、下限值。系统能够实现定时浇水模式和非定时浇水模式,在定时浇水模式下,可以人为设置浇水的时间间隔和浇水时长;在非定时模式下,系统能够根据人为设定的湿度上下限值进行浇水。系统运行的主程序流程如图7所示。

图3 DHT11引脚图Fig.3 DHT11 pin diagram

图4 DS1302与外围电路的连接图Fig.4 Connection diagram of DS1302 and peripheral circuit

图5 ADC0832引脚图Fig.5 ADC0832 pin diagram

图6 ADC0832与单片机STC89C52的连接图Fig.6 The connection diagram of ADC0832 and single chip microcomputer STC89C52

图7 主程序流程图Fig.7 Main program flow chart

4 结语

本设计以单片机STC89C52为控制芯片,用YL-69检测土壤湿度,用DHT11检测环境温湿度,用ADC0832实现检测温湿度的模数转换,用时钟模块DS1302显示日期、时间,能够实现定时浇水模式和非定时浇水模式。本设计完成了系统的硬件电路图设计、C语言程序的软件设计,通过Proteus和Kei软件联调仿真,结果表明系统实现了土壤灌溉系统的智能控制,具有良好的应用前景。