晁陽

摘要：文章針對我國西北地區(qū)傳統(tǒng)溫室蔬菜大棚自動化程度低和水資源浪費的問題，設計了基于單片機的自動噴灌控制器。該系統(tǒng)具有閥值設置、實時檢測、超限報警、智能調(diào)節(jié)等功能。通過應用實例，該系統(tǒng)維護成本低廉，使用效果良好，操作簡單，能滿足中小蔬菜大棚種植戶對節(jié)水灌溉的日常需求，能提高生產(chǎn)效率，具有一定的經(jīng)濟效益。

關(guān)鍵詞：單片機；傳感器；蔬菜大棚；節(jié)水灌溉；

中圖分類號：TP273文獻標識碼：A

Abstract：This paper aimed at the problem of the low automation and the waste of water resources in traditional vegetable greenhouse in Northwest China，an automatic irrigation controller based on single chip computer is designed.The system has threshold setting，realtime detection，alarm and intelligent adjustment function.and with low cost，good effect and simple operation，can meet the daily needs of greenhouse vegetable growers of watersaving irrigation，and improve the production efficiency，it also has certain economic benefits.

Key words：singlechip microcomputer；sensor；greenhouse；watersaving irrigation

1前言

我國西北干旱半干旱地區(qū)，地下水資源相對缺乏，加之受到氣候影響，降雨分布不均，導致部分地區(qū)季節(jié)性缺水問題突出。2011年中央1號文件《關(guān)于加快水利改革發(fā)展的決定》提出，農(nóng)田水利設施建設的滯后影響了我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的穩(wěn)定發(fā)展，未來將投資四萬億用于農(nóng)田水利設施建設、加快節(jié)水灌溉技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的推廣和應用[1]。

當前，隨著我國制造業(yè)、信息技術(shù)和機電裝備生產(chǎn)制造水平不斷提高和溫室大棚種植技術(shù)的不斷普及，自動和智能節(jié)水灌溉設備在蔬菜種植大棚的應用日益廣泛，經(jīng)過多年的研發(fā)和推廣，大量功能強大的灌溉的自動化控制系統(tǒng)已投入使用，然而這些系統(tǒng)普遍造價高昂、功能復雜、操作難度大、維護成本較高，使多數(shù)中小農(nóng)戶望而卻步[2]。因此，設計一款價格低廉、功能夠用、維護簡單的蔬菜大棚自動噴灌控制器，可以滿足大多數(shù)從事大棚蔬菜種植的中小農(nóng)戶的需求，具有廣闊的推廣意義和社會效益。

2系統(tǒng)總體設計

21設計目標

系統(tǒng)能自動實時檢測土壤濕度，根據(jù)不同作物對土壤濕度的需要通過鍵盤設定閥值，當土壤水分超過設定值時，自動開啟潛水泵對作物進行噴灌，直到土壤濕度滿足作物需要的最大值時關(guān)閉水泵；噴灌過程中指示燈點亮，噴灌結(jié)束后指示燈熄滅，以便工作人員能及時獲得水泵的工作狀態(tài)[3]。系統(tǒng)有自動、手動、停止三種工作狀態(tài)，使用三位的轉(zhuǎn)換開關(guān)SA完成各種狀態(tài)的切換，“停止”工作狀態(tài)用于系統(tǒng)不工作的時候，“手動”工作狀態(tài)用于設備的調(diào)試、檢修過程中，也可用于工作人員根據(jù)特殊需要臨時開啟系統(tǒng)，“自動”工作狀態(tài)用于系統(tǒng)日常運行和作物正常生長過程中，實現(xiàn)蔬菜大棚噴灌的自動運行和無人值守[4]。

22控制原理

系統(tǒng)的核心控制器為STC89C52型單片機，檢測模塊為土壤濕度傳感器，執(zhí)行器為揚程為2米的微型潛水泵（或離心泵）。系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)各模塊通電，同時綠色指示燈點亮，提示工作人員系統(tǒng)處于等待狀態(tài)，之后檢測部分能自動檢測到土壤濕度的數(shù)據(jù)信息，實時傳送給控制器，工作人員通過鍵盤提前設定土壤濕度的上下限閥值，單片機將其與設定值不斷進行比對，當土壤濕度過低，即土壤較缺水時，單片機發(fā)出指令，驅(qū)動潛水泵（或離心泵）工作，同時紅色指示燈點亮，提醒工作人員目前系統(tǒng)正處于工作當中；當經(jīng)過一段時間的澆灌，土壤濕度達到作物需求的濕度最大值時，單片機發(fā)出指令，停止?jié)撍茫ɑ螂x心泵）工作，同時紅色指示燈熄滅，綠色指示燈重新點亮，系統(tǒng)重新回到等待狀態(tài)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

3系統(tǒng)硬件設計

31控制器

宏晶公司生產(chǎn)的STC89C52型單片機具有高性能、低功耗、運行速度快的特點，并且能與51單片機完全兼容，該型號的單片機具有8位CPU為系統(tǒng)提供運算和控制功能，4個并行I/O端口均可以做輸入/輸出端口[5]。RAM隨機存儲器有256字節(jié)容量，最大可擴展到64KB，用于存儲運算中間結(jié)果和暫存數(shù)據(jù)；ROM用戶存儲器有8KB容量，最大可擴展到64KB，用于程序存儲；片內(nèi)RAM區(qū)域中設置了通用寄存器，用于暫存數(shù)據(jù)[6]。還具有T/C0、T/C1、T/C2、串口中斷、INT0、INT1等6個中斷源，T/C0、T/C1、T/C2、串口中斷等4個內(nèi)部中斷源，T/C0、T/C1、T/C2等三個定時計數(shù)器[7]。該型號單片機功能強大，完全可以滿足系統(tǒng)控制功能的需要。

32傳感器

系統(tǒng)采用一款小型的具有DO輸出的傳感器。為了提高導電的性能，器件表面采用鍍鎳處理并加寬，這樣的工藝不僅能防止器件因過渡接觸土壤而生銹，還有效的延長了器件的使用壽命。感測部分可以在較寬范圍檢測土壤的濕度，將其轉(zhuǎn)換為電信號，通過電位器調(diào)節(jié)控制相應閥值（即多么濕才算濕，也就是常說的靈敏度），濕度低于設定值時，DO輸出高電平，高于設定值時，DO輸出低電平，單片機的p2.3端口如果檢測到高電平[8]，就說明濕度低，要補水，如果檢測到低電平，就說明濕度高，不需要補水。本系統(tǒng)對土壤濕度采用開關(guān)量控制，使用時直接與單片機I/O口連接，通過單片機來檢測高低電平，由此來檢測土壤濕度；實物如圖2所示，與單片機接口電路如圖3所示。endprint

33執(zhí)行設備及電源模塊

考慮到節(jié)水灌溉的特性和溫室蔬菜種植大棚的結(jié)構(gòu)特點，系統(tǒng)采用FL6208型可調(diào)銅噴頭微型噴灌交流泵作為噴灌執(zhí)行設備，其性能特點如表1所示。需要注意的是出水口和進水口相互區(qū)別，水泵上有箭頭的方向是出水口，水管不能反接，否則將會燒壞水泵[9]。

34電源模塊

系統(tǒng)的控制部分為單片機、傳感器等，工作電壓多為5 V，因此系統(tǒng)電源模塊采用自制電源為各模塊供電，其實現(xiàn)方法為將220 V交流電經(jīng)過變壓、整流、濾波、穩(wěn)壓后變成5 V直流電，為控制器、傳感器、及弱電部分提供電源。電源電路設計圖如圖4所示。

35驅(qū)動電路

系統(tǒng)中執(zhí)行設備和指示燈的工作電壓為220 V交流電，控制器工作電壓為5 V，因此需要將執(zhí)行設備與控制器進行電氣隔離以保證系統(tǒng)正常工作[10]。G3MB2O2P型固態(tài)繼電器具有安全性高、電路通斷時無燃弧，輸入端與輸出端之間絕緣電阻高的特性，是進行強弱電隔離較為理想的設備。

36管路配置

陜西渭北旱塬地區(qū)由于地形、光照、土壤性質(zhì)等因素，溫室蔬菜種植大棚多坐北朝南建造，采用土墻或磚墻搭配鋼結(jié)構(gòu)的方式，因此合理設計管路裝配系統(tǒng)有助于發(fā)揮最大的節(jié)水灌溉作用[11]，大棚結(jié)構(gòu)及管路配置示意圖如圖5所示。根據(jù)蔬菜種植大棚寬度，布置若干沿其長度方向的支路管道，閥門1為干路總閥門，手動開啟或關(guān)閉，用于管網(wǎng)某一段時間沒有灌溉任務或整條管網(wǎng)停機檢修、安裝調(diào)試等情況下開啟和關(guān)閉管路；閥門2、5為各支路電磁閥，用于自動模式下，受控制系統(tǒng)控制開啟或關(guān)閉；閥門3、4、6、7為各支路手動閥門，用于更換電磁閥或本支路沒有灌溉任務時關(guān)閉本支路。

4系統(tǒng)軟件設計

根據(jù)控制要求，系統(tǒng)采用由多個子程序模塊組合而成的思路。上電后，主程序首先初始化，其次進入?yún)?shù)預設子程序，使用鍵盤對所種植作物對濕度要求進行上下限設置或讀取，再次系統(tǒng)檢測當前土壤濕度，并將其與設定值進行比較并得出結(jié)果，若當前土壤濕度低于設定最低值，則驅(qū)動水泵動作及打開電磁閥，同時驅(qū)動報警子程序點亮紅色指示燈并熄滅綠色指示燈，直到當前值到達設定的最高值停止；若沒有低于設定最低值，則輸出指令點亮綠色指示燈，并經(jīng)過延時后重新測量當前值，如此循環(huán)。程序流程圖如圖6所示。

5應用實例

本控制系統(tǒng)于2015年3月設計制作完成并選擇楊凌示范區(qū)大寨鎮(zhèn)某小型溫室蔬菜大棚進行測試和應用，該蔬菜大棚長50 m、寬5.8 m，主要進行西紅柿的反季節(jié)種植。根據(jù)作物生長的需要，以及現(xiàn)有設備噴灌的覆蓋面積，在大棚中線附近沿長度方向布設一根主管道，每隔4 m布設噴頭一個，共布設噴頭12個。水泵選擇潛水泵布設在大棚外水箱中，控制箱安裝在控制室內(nèi)，控制器與導線和電磁閥通過導線相連，樣機實物如圖7所示。

為了測試傳感器測量數(shù)據(jù)是否正常，精度是否滿足要求，我們使控制器工作在自動模式下，同時通過儀器對現(xiàn)場環(huán)境人為干預使其升溫，并進行手工測量以對比其與自動測量的誤差誤差，土壤濕度傳感器性能測試數(shù)據(jù)如表1所示，測試表明，控制系統(tǒng)對濕度的檢測與手動檢測誤差最大為2，最小為-1，誤差較小。

經(jīng)過一年來的試驗及運行，系統(tǒng)可以對各種作物所需求的土壤濕度進行設置并精準噴灌，從而保證大棚內(nèi)土壤的濕度符合所種植作物的需求，精確控制作物的生長，同時極大的提高了作物的成活率，降低了人工成本，節(jié)約了水資源。另外，本系統(tǒng)成本低廉，操作簡單，易于維護和安裝，能夠滿足中小蔬菜大棚種植戶的需求，受到用戶的極大歡迎。

參考文獻

[1]王旭.幾種節(jié)水灌溉新技術(shù)應用現(xiàn)狀與研究進展[J].節(jié)水灌溉.2016，（10）：109-116.

[2]龍建明.基于液位繼電器的蔬菜大棚節(jié)水控制系統(tǒng)設計[J].陜西農(nóng)業(yè)科學.2011，（04）：279-280.

[3]張曉翠.自動化噴灌系統(tǒng)在滑子菇溫室中的應用[J].水利規(guī)劃與設計.2016，（04）：89-91.

[4]金永奎.高效節(jié)水灌溉自動控制模式研究及應用[J].中國農(nóng)機化學報.2016，（05）：253-257.

[5]于華麗.溫室節(jié)水自動噴灌系統(tǒng)的設計[J].農(nóng)機化研究.2013，（02）：98-104.

[6]李志鵬.智能溫室自動噴灌系統(tǒng)功能設計[J].中國科技信息.2015，（24）：54.

[7]齊松濤.智能灌溉在現(xiàn)代休閑農(nóng)業(yè)中的應用試驗[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學.2016，（44）：421-423.

[8]王旭.幾種節(jié)水灌溉新技術(shù)應用現(xiàn)狀與研究進展[J].節(jié)水灌溉.2016，（10）：109-116.

[9]韓紅亮.我國溫室微灌技術(shù)的現(xiàn)狀與展望[J].安徽農(nóng)業(yè)科學.2015，（43）：302-303.

[10]任文濤.溫室節(jié)點式滲灌自動控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學報.2009，（08）：59-63.

[11]王先運.微型自動噴灌控制系統(tǒng)的設計[J].上海應用技術(shù)學院學報：自然科學版，2009，（12）：255-257.endprint