基于单片机控制的园林智能浇水系统设计.pdf

智能制造技术基于单片机控制的园林智能浇水系统设计刘强强，李海潮，王爽，廖世豪（新疆科技学院化工与纺织工程学院，新疆库尔勒8 41 0 0 0）【摘要】为了有效缓解水资源短缺，实现园林智能化节水灌溉的目的，需优化园林智能浇水系统设计。本文利用利用AT89C51单片机、模数转换器、湿度采集传感器和其他的零部件，依靠相应的自动化程序，完成兼顾自动监测与定时控制的智能浇水系统设计。通过电路仿真和模型制作，对智能化浇水系统进行了试验，基本实现了智能化自动浇水和定时开启浇水的功能，达到了初步的设计要求，为实现更加智能化和人文化的灌溉管理提供技术理论参考依据。关键词：智能浇水；单片机；节水灌溉中图分类号：S24DOl:10.12147/ki.1671-3508.2023.10.060Design of Intelligent Garden Watering System Based on MCU Control(School of Chemical and Textile Engineering,Xinjiang University of Science and Technology,AbstractIn order to effectively alleviate the shortage of water resources and realize the pur-pose of intelligent water-saving irrigation of gardens,it is necessary to optimize the design of in-telligent garden watering system.Automatic monitoring and timing control of intelligent wateringsystem are designed.by the system included MCUADCO809,humidity acquisition sensor,andother components,relying on the automated program.Through circuits simulation and modelmaking,the intelligent watering system was tested,the functions of intelligent automatic water-ing and timing watering were basically realized,which met the preliminary design requirements.It provides technical and theoretical reference for realizing more intelligent and humanistic irri-gation management.Key words:intelligent watering;MCU;water-saving irrigation1引言随着水资源供需矛盾的日益加剧，世界各国都非常重视发展节水型农业的建设和发展。更加先进的自动化控制技术也应用到了节水灌溉行业中。据有关统计，我国人均水资源占有量约为2 2 0 0 m，是世界上缺水国家之一。我国目前园林灌溉普遍采用的是*基金项目：2 0 2 1 年新疆自治区级大学生创新创业项目“水驱刷洗式自清洗泵前过滤器研究（项目编号：S202113561005)的研究成果。190文献标识码：BLiu Qiangqiang,Li Haichao,Wang Shuang,Liao ShihaoKorla,Xinjiang 841000,CHN)人工滴灌或者喷灌设备进行浇灌，不利于实施精准灌溉。近年来，国内专家学者均对智能化灌溉浇水系统进行过设计。匡秋明等采用单片机，传感器技术，设计了一套闭环控制的精准灌溉系统 2 。目前许多的专家和科研人员集中在自动浇灌系统的设计，但忽略了一系列人为的控制因素 3 。本文提出利用单片机、模数转换器、湿度采集传感器等，依靠相应的程序完成自动浇水系统设计。设备和程序简单，成本低廉，同时兼顾自动监测与定时控制，更具有智能化和人性化。此系统通过单片机程序设计浇水的上下限阈值模具制造2 0 2 3 年第1 0 期智能制造技术与感应电路送入单片机的土壤湿度值相比较，当低于下限值时，输出信号控制水路进行浇灌作业，高于上限值时再输出一个信号控制水路停止浇灌。在此系统中也同时设计一个定时浇水部分，通过按键开关设置不同的浇水时间段，在时间段以内时，单片机驱动浇水系统，开始浇水，如若不在时间段内，则不浇水。2智能浇水系统总体设计2.1系统需求分析本系统设计需求分为控制和功能两个方面。(1)在系统的控制方面。需要对土壤的湿度进行监控，湿度传感器将采集到的数据直接传送到模数转换器。单片机需要采集数据时，发出指令启动模数转换器工作，通知单片机可以读取转换结果，通过调用中断程序，读取转换后的数据。(2)在系统的功能实现方面。通过单片机内的程序判断是否要进行浇水作业，若需浇水，则单片机系统发出浇水信号，开始浇水。同时定时浇水功能还能够设置在相应的时间段内进行浇水作业。2.2系统整体结构设计根据设计要求，需要实现湿度监控，并完成相应的浇水作业。本系统的核心是单片机、温湿度采集、显示电路以及继电器驱动电路构成的检测控制部分和定时浇水部分。单片机选用的是AT89C51。土壤湿度采集模块可将检测到的土壤湿度模拟量通过模数转换器放大转换成数字量输入到单片机中。显示电路模块通过连接单片机的输出端，将单片机进行处理的相对湿度数据送到LED数码管进行显示。继电器驱动模块则连接单片机接收单片机发出的信号，当干燥度达到一定值时，传递到驱动装置进行浇水作业。定时启动模块则通过按键设置当前时间以及定时浇水时间，当时间处在所设置的浇水时间内时，单片机发出控制信号，开始浇水作业。3系统硬件设计3.1单片机模块本次系统采用的是AT89C51单片机。AT89C51单片机采用中断方式与外设进行数据传送 4。同时有一个振荡电路和时钟发生器，为实现湿度检测和定时开关提供了基本的硬件保障。3.2土壤湿度采集模块湿度采集模块主要是由土壤湿度传感器和模数转换器组成 5 。土壤湿度传感器由不锈钢探针和防水模具制造2 0 2 3 年第1 0 期探头构成，可长期埋设于土壤内使用，能够对表层和深层土壤的干湿度进行监测和测量。模数转换器将传感器输人的信号进行处理和转换，当OE端输人高电平时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。3.3显示电路模块本系统设计采用八段数码管进行显示，将传感器转换成的数字信号通过单片机内程序处理，将相对的湿度数值显示在数码管上。数码管的内部段已连接好，在进行电路连接时只需要将相应的引脚与单片机进行连接就能实现其显示功能。3.4继电器驱动模块继电器驱动模块连接单片机的输出和控制开关，主要作用是接收单片机的信号，当土壤的干燥度达到一定数值后，通过继电器打开开关从而进行灌溉浇水作业。3.5定时启动模块定时器部分以单片机为控制核心，通过程序设置完成相应的动作功能。主要通过连接单片机的按键开关对当前时间以及定时浇水时间进行设置，数码管进行显示，当时间到达所设定的浇水时间内时，单片机发出控制信号，进行作业。否则，系统处于关闭状态。4系系统软件设计系统软件的设计主要通过编程对单片机进行相应的命令控制。土壤湿度的采集和显示以传感器和模数转换器为感应电路，将检测到的土壤湿度值送人单片机，再由单片机的输出到电子数码管进行显示。同时此湿度值也作为一个参考值被判定是否需要进行浇水作业。同时此系统还可以被设计为定时启动部分：此部分是由单片机从数码管读入时钟时刻。主要通过按键开关对当前时间以及定时浇水时间进行设置，数码管进行显示，当时间到达所设定的浇水时间时，单片机发出控制信号，打开开关，开始作业。系统主程序流程图如图1 所示。5软硬件调试本系统设计为土壤干湿度检测自动浇水系统，启动系统时先进行初始化设定，设定土壤水分为0，电子数码管显示2 5 0，即干燥度为2 5 0 个单位。将土壤传感器插人泥土，数值下降，假如显示1 2 5，即目前土壤干燥度为1 2 5 个单位，因此可以算出土壤湿度在5 0%左右。如果进行土壤浇水，此数值会下降，即为干燥度降低，土壤湿度增大。数码管显示的为干燥度。在:191智能制造技术进行程序的编制和控制设定时，如果目前数码管显示125，可以进行设置自动浇水启动的数值为2 0 0，当土壤越来越干，数值到达2 0 0 单位时，继电器启动，进行浇水作业。软硬件调试中，可以通过Proteus软件进行相应的电路仿真，判断系统功能是否能够正常实现，如图2 所示。通过清除按键对干燥度数值进行设定，同时该数值会显示在电子数码管上，当干燥值变大，达到相应的数值时红灯亮。开始程序初始化设置阅值范围设置定时时间检测土壤湿度否判断是香浇水是启动浇水作业否判断是否结束浇水Y是送闭开关图1系统主程序流程图一上上H元图2 系统仿真图启动浇水装置。由于传感器不能正确地在仿真软件中设置，所以仿真设计只提供部分参考，具体相应的功能还需要进行相应的实物模型制作和测验。根据原理图，应将电子元器件和电路板连接，进行相应功能的测试和试验，进而对整个系统进行试验，如图3 所示。测试后，电路的各个模块功能能够初步实现，无论是通过干燥度阈值实现的自动浇水还是通过手动设定的定时启动部分，都能够达到基本的功192:能要求。8日.8.8图3 系统模型试验否6结束语本文以园林绿化灌溉浇水行业的智能化需求为出发点，利用简单的电子元器件进行了此系统设计。此系统使用的设备和程序更加简单方便,同时兼顾自动监测与人员定时控制，更具有人性化。通过对整套系统硬件、软件等的设计，明确了相应的功能实现需要的设备和方法。最后通过仿真和模型制作，对相应的功能进行了初步测试，测试结果表明，能够基本实现智能化自动浇水的功能，达到了初步的设计要求。此系统成本低廉、功能全面，能够为实现更加智能化和人文化的灌溉管理提供技术理论参考依据。参考文献1 刘玉明.我国水资源现状及高效节水型农业发展对策 J.农业科技与信息,2 0 2 0(1 6):8 0 8 1+8 3.2 压秋明,赵燕东,白陈祥.节水灌溉自动控制系统的研究 J.L5农业工程学报,2 0 0 7(0 6):1 3 6 1 3 9.3 徐晓霞.基于单片机的自动灌溉系统设计 J.现代信息科技,2 0 2 2,6(0 6):1 7 2 1 7 4+1 7 7.4 王世传,宋陆飞，崔卫超，等.基于单片机的智能可控浇花装置的设计 J.电子质量,2 0 1 8(1 2):47 49.5 谢维成,杨加国.单片机原理与应用及C51程序设计 M.北京：清华大学出版社，2 0 1 4.第一作者简介：刘强强，男,2 0 0 0 年4月生，汉族，浙江温州人，本科，研究方向：染整设备设计。通讯作者：李海潮，男，1 9 9 2 年6 月生，汉族，河北唐山人，硕士研究生，讲师，研究方向：机械设计制造。（收稿日期：2 0 2 3-0 4-2 1)DMM模具制造2 0 2 3 年第1 0 期