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摘 要： 目前在温室中使用广泛的灌溉系统多为人工控制灌溉系统，不仅容易造成资源浪费，而且可能因不适量浇灌或停止浇灌不及时导致农作物枯死或溺亡，造成极大的经济损失。针对这一问题，本文设计了一个基于单片机的温室自动灌溉系统。该系统以 AT89C51 单片机及其外围电路作为控制部分的主机电路，采用YL-69土壤湿度传感器作为检测温室条件下土壤濕度的检测元件，实现高效、节约的自动化灌溉，具有较好的应用价值。
关键词： 单片机;湿度传感器;温室自动灌溉系统
中图分类号： TP368.1 文献标识码： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.05.006
本文著录格式：马得秀，韩佳奇，赵铭，等. 基于51单片机的温室自动灌溉系统设计[J]. 软件，2019，40（5）：3032
【Abstract】： At present， the irrigation systems widely used in greenhouses are mostly manually controlled irrigation systems， which not only easily cause waste of resources， but also may cause crops to die or drown due to inadequate irrigation or untimely stop of irrigation， thus causing great economic losses. To solve this problem， this project has implemented an automatic greenhouse irrigation system based on single chip microcomputer. The system uses AT89C51 single chip microcomputer and its peripheral circuits as the main circuit of the control part， and YL-69 soil humidity sensor as the detection element to detect soil humidity under greenhouse conditions， thus realizing an efficient and economical automatic irrigation system.
【Key words】： MCU; Humidity sensor; Irrigation system
0 引言
自古以来，我国是一个农业大国，将先进的农业技术引入我国的农业发展中是非常有必要[1]。在过去人们使用传统的灌溉方式，不能有效的控制灌溉水量，造成了水资源的浪费，而且还可能因为灌溉不适量，使得农作物腐烂，降低了农作物的产量，也使农作物的质量也受到了严重影响[2]。目前的温室农业发展迅速，但是自动化控制在温室农业中使用较少，还是采用比较费时费力的传统方式对温室进行管理，效率低下[3-4]。在对较大面积的温室进行灌溉作业时，往往需要人工操作才能实施灌溉，灌溉完毕时，同样需要人工操作关闭相关设备。这样既费力又耗时，并且使温室农业生产率低下[5-6]。为此，本文设计了一款基于AT89C51单片机的温室自动灌溉系统，该系统能对土壤湿度进行精准测量，并且还可以根据不同植物对土壤湿度和水分的不同需求，对其进行适时、适量灌溉，这样不仅可以降低人工成本，节约资源，还可以大大提高温室农业的生产率。
1 系统总体设计
系统总体结构图如图1所示。
本系统是以51系列单片机为核心，具体包括按键主机模块、土壤湿度传感器模块、LCD液晶显示显示器模块、灌溉水泵模块、输出驱动模块、按键输入模块、声光报警模块。整个系统的工作过程是：1）土壤湿度传感器将采集到的温室土壤湿度传入到A/D转换器中;2）A/D转换器通过模/数转换计算将土壤湿度模拟信号转换成数字信号;3）将A/D转换器中输出的数字信号输入单片机;4）单片机对输入的数字信号进行处理;5）单片机根据处理结果，输出控制信号驱动到输出驱动模块;6）输出驱动模块驱动喷灌水泵实施灌溉，使土壤湿度保持在给定区间。具体过程为：通过按键来设置土壤湿度值，当土壤湿度值小于设置的值时，将会自动启动喷灌水泵进行灌溉，同时通过土壤湿度传感器来检测土壤湿度，当土壤湿度大于设置值时，自动停止灌溉。如果检测值超低于或高于设定值时，将会进行声光报警，以便于及时进行人为操作，使土壤水分保持在设定值之间。
2 系统硬件设计
2.1 主机模块
单片机是微型计算机的一种，它具有处理速度快，运算能力强，控制性好等优势。该系统以AT89C51单片机为主要部分，系统中单片机的作用是将A/D转换器传入的信息进行处理，对按键输入模块中的设置值进行保存，对整个系统起控制作用。整个系统是在单片机的控制下进行土壤湿度的采集，转换，处理，传输，并根据控制作用完成所实现的功能。AT89C51传感器具备低电压、高性能特点，本身带有4K字节的FLASH存储器，满足系统设计要求[7-8]。
2.2 传感器模块
本系统采用YL-69土壤湿度传感器，由不锈钢探头和防水探头构成，外部以环氧树脂纯胶体封装，可直接埋入土壤中使用，并且不受腐蚀，对使用环境有较高的适用性[9-11]。测量参数土壤容积含水率量程0～100，从传感器的2引脚获取到3.3～5V的直流电压模拟量信号，经过A/D转换器后再送人单片机，为了得到更加精准的测量值，需要在传感器上串联一个10KΩ的电阻，将其连接在2V的电路上，这样就把传感器的阻值转换成电压值。连接电路如图2所示。 2.3 LCD液晶显示电路
传统的单片机系统中多采用数码管显示信息，本该系统因为需要显示较多信息，采用数码管难以胜任，而且使用数码管也会占据更多的I/O资源[8]。LCD1602液晶显示模块能够同时显示32种字符，具备很強的可操作性，易于使用，性价比较高。在本系统中选用LCD1602模块作为显示模块能够满足系统需求。LCD1602显示模块共有16个引脚，在系统设计中，将D0～D7引脚对应地连接到单片机的P0～P7引脚，如图3所示。
2.4 按键输入模块
按键输入模块主要用来设置土壤湿度的上限、下限值，并具有掉电保存功能，保存在AT89C单片机的内部，上电时无需重新设置。按键包括增大键、减小键、复位键和设置键。当实际值超过上限值时，亮“湿润灯”，则停止浇水;当实际值低于下限值时，亮“干燥灯”，则开始浇水。按键输入模块电路如图4所示。
2.5 继电器控制电路
系统的最终目的是根据单片机的输出的控制信号，对直流继电器实施控制，再由继电器控制喷灌水泵的启/停操作达到自动喷灌的目的。在实际应用中，可以根据实际需求设置喷灌水泵的档位。单片机的P2口高电平有效，由P2口的高低电平来控制水泵档位的通断。当P2口是高电平时，使水泵档位接通，开始喷灌，当达到喷灌时间后，高电平消失使得驱动电路掉电关闭后续电路，从而停止灌溉。
3 系统软件设计
单片机软件是单片机控制系统中的重要组成部分，在单片机软件和硬件的相互配合下，系统各个模块才能协调有序的工作。系统控制软件主要采用C语言编程实现，设计过程遵循面向过程的模块化设计思想。系统主要由初始化模块、参数设置模块、传感器信息采集模块、信号处理模块、比较控制模块、驱动电路、自动灌溉模块组成。系统流程图如图5所示。
4 结论
本文扼要地阐述了基于AT89C51单片机的温室自动灌溉系统的设计与实现。通过AT89C51单片机以及其外围电路的控制，根据土壤湿度传感器采集到的湿度值与设置值判断，从而实现自动灌溉的功能，克服了传统灌溉费时费力、浪费资源的缺点。本设计以AT89C51单片机为主控制器，使用 ADC0832数模转换，使用C语言编程，利用 Keil软件开发工具和Proteus软件进行了基于单片机的温室自动灌溉系统仿真。
参考文献
[1] 曹可欣. 基于单片机的小型自动灌溉系统的设计与实现[J]. 通信电源技术， 2018， 35（03）： 107-109.
[2] 贾亚飞， 翟娟. 道路温度报警与绿化浇水智能系统的研究[J]. 软件， 2018， 39（5）： 31-34
[3] 童超， 罗坤， 魏士博. 基于单片机的屋面雨水回收自动灌溉系统设计[J]. 数码设计， 2017， 6（10）： 96-97.
[4] 鞠永胜， 李兴凯， 包君. 基于单片机的蔬菜大棚自动灌溉系统研究设计[J]. 农机化研究， 2012， 34（10）： 187-190.
[5] 唐江. 基于AT89S52单片机的自动灌溉系统设计[J]. 南方农机， 2018， 49（09）： 95-96.
[6] 张争刚， 熊刚. 单片机技术在温室灌溉系统中的应用[J]. 自动化与仪器仪表， 2016（07）： 33-35.
[7] 郝亮， 刘雨繁， 南洋， 刘扬. 汽车驾驶员前视野拓展系统的设计[J]. 计量技术， 2019（02）： 60-62.
[8] 李瑞福. 基于单片机AT89C51 的一氧化碳浓度检测仪设计[J]. 软件， 2015， 36（9）： 106-108
[9] 丁月林. 基于STM32 的低功耗温湿度采集器实现[J]. 软件， 2015， 36（5）： 84-88
[10] 陈晓燕， 姚高伟， 张鲲， 等. 基于遗传算法的无线传感器节点定位在农业的应用[J]. 软件， 2015， 36（4）： 1-5
[11] 吴玉玉， 杨瑞珍， 马得秀， 庞文琦， 赵岩， 逯玉兰. 基于单片机的电子万年历设计[J]. 电子测试， 2018（23）： 31-32.
关键词： 单片机;湿度传感器;温室自动灌溉系统
中图分类号： TP368.1 文献标识码： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2019.05.006
本文著录格式：马得秀，韩佳奇，赵铭，等. 基于51单片机的温室自动灌溉系统设计[J]. 软件，2019，40（5）：3032
【Abstract】： At present， the irrigation systems widely used in greenhouses are mostly manually controlled irrigation systems， which not only easily cause waste of resources， but also may cause crops to die or drown due to inadequate irrigation or untimely stop of irrigation， thus causing great economic losses. To solve this problem， this project has implemented an automatic greenhouse irrigation system based on single chip microcomputer. The system uses AT89C51 single chip microcomputer and its peripheral circuits as the main circuit of the control part， and YL-69 soil humidity sensor as the detection element to detect soil humidity under greenhouse conditions， thus realizing an efficient and economical automatic irrigation system.
【Key words】： MCU; Humidity sensor; Irrigation system
0 引言
自古以来，我国是一个农业大国，将先进的农业技术引入我国的农业发展中是非常有必要[1]。在过去人们使用传统的灌溉方式，不能有效的控制灌溉水量，造成了水资源的浪费，而且还可能因为灌溉不适量，使得农作物腐烂，降低了农作物的产量，也使农作物的质量也受到了严重影响[2]。目前的温室农业发展迅速，但是自动化控制在温室农业中使用较少，还是采用比较费时费力的传统方式对温室进行管理，效率低下[3-4]。在对较大面积的温室进行灌溉作业时，往往需要人工操作才能实施灌溉，灌溉完毕时，同样需要人工操作关闭相关设备。这样既费力又耗时，并且使温室农业生产率低下[5-6]。为此，本文设计了一款基于AT89C51单片机的温室自动灌溉系统，该系统能对土壤湿度进行精准测量，并且还可以根据不同植物对土壤湿度和水分的不同需求，对其进行适时、适量灌溉，这样不仅可以降低人工成本，节约资源，还可以大大提高温室农业的生产率。
1 系统总体设计
系统总体结构图如图1所示。
本系统是以51系列单片机为核心，具体包括按键主机模块、土壤湿度传感器模块、LCD液晶显示显示器模块、灌溉水泵模块、输出驱动模块、按键输入模块、声光报警模块。整个系统的工作过程是：1）土壤湿度传感器将采集到的温室土壤湿度传入到A/D转换器中;2）A/D转换器通过模/数转换计算将土壤湿度模拟信号转换成数字信号;3）将A/D转换器中输出的数字信号输入单片机;4）单片机对输入的数字信号进行处理;5）单片机根据处理结果，输出控制信号驱动到输出驱动模块;6）输出驱动模块驱动喷灌水泵实施灌溉，使土壤湿度保持在给定区间。具体过程为：通过按键来设置土壤湿度值，当土壤湿度值小于设置的值时，将会自动启动喷灌水泵进行灌溉，同时通过土壤湿度传感器来检测土壤湿度，当土壤湿度大于设置值时，自动停止灌溉。如果检测值超低于或高于设定值时，将会进行声光报警，以便于及时进行人为操作，使土壤水分保持在设定值之间。
2 系统硬件设计
2.1 主机模块
单片机是微型计算机的一种，它具有处理速度快，运算能力强，控制性好等优势。该系统以AT89C51单片机为主要部分，系统中单片机的作用是将A/D转换器传入的信息进行处理，对按键输入模块中的设置值进行保存，对整个系统起控制作用。整个系统是在单片机的控制下进行土壤湿度的采集，转换，处理，传输，并根据控制作用完成所实现的功能。AT89C51传感器具备低电压、高性能特点，本身带有4K字节的FLASH存储器，满足系统设计要求[7-8]。
2.2 传感器模块
本系统采用YL-69土壤湿度传感器，由不锈钢探头和防水探头构成，外部以环氧树脂纯胶体封装，可直接埋入土壤中使用，并且不受腐蚀，对使用环境有较高的适用性[9-11]。测量参数土壤容积含水率量程0～100，从传感器的2引脚获取到3.3～5V的直流电压模拟量信号，经过A/D转换器后再送人单片机，为了得到更加精准的测量值，需要在传感器上串联一个10KΩ的电阻，将其连接在2V的电路上，这样就把传感器的阻值转换成电压值。连接电路如图2所示。 2.3 LCD液晶显示电路
传统的单片机系统中多采用数码管显示信息，本该系统因为需要显示较多信息，采用数码管难以胜任，而且使用数码管也会占据更多的I/O资源[8]。LCD1602液晶显示模块能够同时显示32种字符，具备很強的可操作性，易于使用，性价比较高。在本系统中选用LCD1602模块作为显示模块能够满足系统需求。LCD1602显示模块共有16个引脚，在系统设计中，将D0～D7引脚对应地连接到单片机的P0～P7引脚，如图3所示。
2.4 按键输入模块
按键输入模块主要用来设置土壤湿度的上限、下限值，并具有掉电保存功能，保存在AT89C单片机的内部，上电时无需重新设置。按键包括增大键、减小键、复位键和设置键。当实际值超过上限值时，亮“湿润灯”，则停止浇水;当实际值低于下限值时，亮“干燥灯”，则开始浇水。按键输入模块电路如图4所示。
2.5 继电器控制电路
系统的最终目的是根据单片机的输出的控制信号，对直流继电器实施控制，再由继电器控制喷灌水泵的启/停操作达到自动喷灌的目的。在实际应用中，可以根据实际需求设置喷灌水泵的档位。单片机的P2口高电平有效，由P2口的高低电平来控制水泵档位的通断。当P2口是高电平时，使水泵档位接通，开始喷灌，当达到喷灌时间后，高电平消失使得驱动电路掉电关闭后续电路，从而停止灌溉。
3 系统软件设计
单片机软件是单片机控制系统中的重要组成部分，在单片机软件和硬件的相互配合下，系统各个模块才能协调有序的工作。系统控制软件主要采用C语言编程实现，设计过程遵循面向过程的模块化设计思想。系统主要由初始化模块、参数设置模块、传感器信息采集模块、信号处理模块、比较控制模块、驱动电路、自动灌溉模块组成。系统流程图如图5所示。
4 结论
本文扼要地阐述了基于AT89C51单片机的温室自动灌溉系统的设计与实现。通过AT89C51单片机以及其外围电路的控制，根据土壤湿度传感器采集到的湿度值与设置值判断，从而实现自动灌溉的功能，克服了传统灌溉费时费力、浪费资源的缺点。本设计以AT89C51单片机为主控制器，使用 ADC0832数模转换，使用C语言编程，利用 Keil软件开发工具和Proteus软件进行了基于单片机的温室自动灌溉系统仿真。
参考文献
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