孫偉剛 張發(fā)菊 沈月娟 劉悅婷

(蘭州文理學(xué)院傳媒工程學(xué)院,甘肅蘭州 730000)

0 引言

水是戰(zhàn)略性的經(jīng)濟(jì)資源,是生態(tài)環(huán)境的控制性要素,是全球可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵前提。我國的水資源已處于匱乏狀態(tài),要實(shí)現(xiàn)水資源的合理利用,重視節(jié)水供水,是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)[1-2]。在發(fā)達(dá)國家,如美國、加拿大和以色列等國家,智能灌溉系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用,技術(shù)發(fā)展也相對成熟,將先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)運(yùn)用到農(nóng)業(yè)灌溉中,有效地提高了用水效率。目前我國已經(jīng)將智能灌溉系統(tǒng)成功地應(yīng)用在農(nóng)業(yè)中[3-4]。本文以STC89C52單片機(jī)作為主控芯片,完成了系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了土壤灌溉系統(tǒng)的定時(shí)澆水模式和非定時(shí)澆水模式。

1 總體設(shè)計(jì)概述

抽水灌溉系統(tǒng)由單片機(jī)主控模塊、土壤濕度傳感器、溫濕度傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、微型水泵、時(shí)鐘模塊、顯示模塊、光敏電阻、報(bào)警模塊和設(shè)置按鍵等組成,系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1。單片機(jī)選用STC89C52,土壤濕度傳感器選用YL-69,環(huán)境溫濕度傳感器選用DHT11,模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊選用ADC0832,時(shí)鐘模塊選用DS1302。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 土壤濕度傳感器

土壤濕度的采集可以用濕度傳感器來實(shí)現(xiàn)。將濕度傳感器看作可調(diào)變阻器,當(dāng)濕度傳感器采集到濕度時(shí),電阻值發(fā)生變化,電路的輸出電壓也隨之變化[5-6]。調(diào)節(jié)電阻值的大小,可得到想要的電壓,滿足電路的需求。

YL-69是土壤濕度傳感器,其原理為濕敏電容,當(dāng)環(huán)境的濕度改變時(shí),會使?jié)衩綦娙莪h(huán)境中的介質(zhì)改變,導(dǎo)致濕敏電容中的電容數(shù)值變化,電容的數(shù)值正比于濕度值。由于濕敏電容有很高的靈敏度、響應(yīng)速度快、滯后量小的特點(diǎn),易于小型化和集成化,YL-69表面采用鍍鎳處理,有加寬的感應(yīng)面積,可提高導(dǎo)電性能,防止接觸土壤容易生銹的問題,延長使用壽命。因此本設(shè)計(jì)采用土壤濕度傳感器YL-69,如圖2為YL-69與外部元件的連接圖。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Block diagram of the overall system design

2.2 溫濕度傳感器

DHT11是一款溫濕度傳感器,引腳如圖3所示,可以用來測試環(huán)境溫濕度,該傳感器的溫度測量范圍為0～50℃,誤差為2℃;濕度測量范圍為在0℃時(shí)為30%～90%RH,環(huán)境溫度為25℃時(shí),濕度測量范圍為20%～90%RH,在50℃時(shí),測量范圍是20%～80%。本設(shè)計(jì)選用DHT11實(shí)時(shí)檢測環(huán)境的溫濕度,并送給單片機(jī)處理。

圖2 YL-69與外部元件的連接圖Fig.2 Connection diagram between YL-69 and external components

2.3 時(shí)鐘模塊DS1302

DS1302是一款實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片,可以提供秒、分、小時(shí)、日期、月、年等信息,還有自動調(diào)整的能力;它有31字節(jié)數(shù)據(jù)存儲RAM,采用串行I/O通信方式;DS1302采用雙電源供電,工作電壓為2.0V～5.5V。該芯片功耗較低,當(dāng)工作電壓為2.0V時(shí),工作電流小于300nA。為了保證信號穩(wěn)定,計(jì)時(shí)的準(zhǔn)確性,DS1302一般與單片機(jī)IO口相連時(shí)要加上拉電阻,提高IO口的驅(qū)動能力,如圖4是DS1302與外圍電路的連接圖。

2.4 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊ADC0832引腳如圖5所示,它是8路8位A/D轉(zhuǎn)換器,具有鎖存控制的8路模擬開關(guān);易與各種微控制器接口;可鎖存三態(tài)輸出,輸出與TTL兼容;模擬輸入電壓范圍0～5V,無需外部零點(diǎn)和滿度調(diào)整;低功耗,約15mW。本設(shè)計(jì)采用ADC0832將檢測到的溫濕度數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,再傳輸給單片機(jī)。ADC0832與單片機(jī)STC89C52的連接圖如圖6所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

本抽水灌溉系統(tǒng)能根據(jù)檢測到的土壤濕度值,實(shí)現(xiàn)土壤灌溉系統(tǒng)的智能控制。當(dāng)檢測到的土壤濕濕度值低于報(bào)警值,說明土壤干燥,啟動水泵澆花。當(dāng)檢測到的環(huán)境溫度值大于上限設(shè)定值,啟動報(bào)警。將以上檢測到的土壤濕度值、環(huán)境的溫度和濕度通過LCD1602顯示,用戶可以通過按鍵設(shè)置土壤濕度的上限、下限值。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)定時(shí)澆水模式和非定時(shí)澆水模式,在定時(shí)澆水模式下,可以人為設(shè)置澆水的時(shí)間間隔和澆水時(shí)長;在非定時(shí)模式下,系統(tǒng)能夠根據(jù)人為設(shè)定的濕度上下限值進(jìn)行澆水。系統(tǒng)運(yùn)行的主程序流程如圖7所示。

圖3 DHT11引腳圖Fig.3 DHT11 pin diagram

圖4 DS1302與外圍電路的連接圖Fig.4 Connection diagram of DS1302 and peripheral circuit

圖5 ADC0832引腳圖Fig.5 ADC0832 pin diagram

圖6 ADC0832與單片機(jī)STC89C52的連接圖Fig.6 The connection diagram of ADC0832 and single chip microcomputer STC89C52

圖7 主程序流程圖Fig.7 Main program flow chart

4 結(jié)語

本設(shè)計(jì)以單片機(jī)STC89C52為控制芯片,用YL-69檢測土壤濕度,用DHT11檢測環(huán)境溫濕度,用ADC0832實(shí)現(xiàn)檢測溫濕度的模數(shù)轉(zhuǎn)換,用時(shí)鐘模塊DS1302顯示日期、時(shí)間,能夠?qū)崿F(xiàn)定時(shí)澆水模式和非定時(shí)澆水模式。本設(shè)計(jì)完成了系統(tǒng)的硬件電路圖設(shè)計(jì)、C語言程序的軟件設(shè)計(jì),通過Proteus和Kei軟件聯(lián)調(diào)仿真,結(jié)果表明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了土壤灌溉系統(tǒng)的智能控制,具有良好的應(yīng)用前景。