郭海濤，洪元蛟，徐師博，王創(chuàng)展

（廣東建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 清遠(yuǎn) 511500）

2019年，全國水資源總量29 041.0億m3，其中地表水資源量27 993.3億m3，地下水資源量8 191.5億m3，全國人均綜合用水量431 m3，農(nóng)業(yè)用水3 682.3億m3。目前城市供水基本可滿足生活需要，因此水資源匱乏問題多未引起人們的足夠重視，尤其是發(fā)達(dá)地區(qū)的居民沒有體驗(yàn)到缺水導(dǎo)致的生活不便，水資源保護(hù)已刻不容緩[1]。在灌溉方面，給水技術(shù)的進(jìn)步和普及已經(jīng)擺脫了大水漫灌的方式，逐步向噴淋型和滴灌型普及。但當(dāng)前的噴淋澆灌系統(tǒng)多采用定時(shí)定量固定澆灌模式，無智能化控制模塊。特別是大雨過后土壤浸潤，噴淋系統(tǒng)依然重復(fù)灌溉，又造成水資源的無端浪費(fèi)。

如果可以精確控制灌溉過程，根據(jù)實(shí)際需水量進(jìn)行精準(zhǔn)灌溉，則可以最大限度地實(shí)現(xiàn)節(jié)省水資源。要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉的目標(biāo)，需要構(gòu)建單片機(jī)或以芯片為核心的控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)的前端傳感器要能夠靈敏檢測(cè)土壤濕度，并通過總線將信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，通過單片機(jī)的程序編寫，進(jìn)行閾值判別，如果檢測(cè)到土壤濕度低于設(shè)定閾值，則驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器進(jìn)行灌溉控制[2]。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，由于土壤濕度為模擬信號(hào)，所以需要由A/D轉(zhuǎn)換模塊完成模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換。單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力較弱，在電路設(shè)計(jì)過程中可能還需要采用繼電器獨(dú)立控制模塊。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

隨著傳感器設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步，土壤溫濕度等各類型傳感器的性能指標(biāo)已經(jīng)較為可靠。用于信號(hào)采集與處理功能的單片機(jī)（或片上系統(tǒng)）功耗較低，性能穩(wěn)定，這就使得該硬件設(shè)備具備了在戶外惡劣（日曬雨淋）環(huán)境下穩(wěn)定工作的能力。

土壤濕度傳感器一般植入土表之下5～15 cm處，傳感器檢測(cè)到的土壤濕度數(shù)據(jù)經(jīng)信號(hào)調(diào)理模塊轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，與單片機(jī)程序中設(shè)定的臨界值進(jìn)行比較，如果測(cè)量值低于設(shè)定值，則自動(dòng)啟動(dòng)噴淋裝置工作。設(shè)備內(nèi)置時(shí)間模塊，可以自定義澆水時(shí)間。不同區(qū)域澆灌時(shí)間有差異，以草坪為例，露天草坪澆水時(shí)間長，樹蔭下澆水時(shí)間短。從設(shè)備功能角度來說，它屬于傳感器智能控制型系統(tǒng)，系統(tǒng)的工作模式可以采用程序設(shè)計(jì)語言進(jìn)行編寫和自定義設(shè)計(jì)。通過軟件編程設(shè)定不同的工作模式，以滿足不同區(qū)域環(huán)境、不同植物品種對(duì)于水源供給制式的差異化需求。

1.1 傳感器選型

傳感器要完成土壤濕度的檢測(cè)任務(wù)，目前常用的土壤濕度傳感器探頭是金屬體，工作在潮濕的土壤環(huán)境中，較容易生銹，因此其表面常采取鍍鉻或鍍鎳方式進(jìn)行防銹處理。為了提升傳感器的電信號(hào)傳導(dǎo)能力，可以擴(kuò)大傳感器的感應(yīng)和接觸面積。其相關(guān)參數(shù)如下：

傳感器與信號(hào)調(diào)理模塊如圖1所示，基本參數(shù)為DC3.6V直流供電；靜態(tài)功率6 mA*12 V，分辨率0～50%內(nèi)誤差率0.3%，50%～100%內(nèi)誤差率在1%以內(nèi)；電導(dǎo)率0～104μs；內(nèi)置溫度補(bǔ)償，補(bǔ)償范圍0～50℃，量程-40～80℃；可以全部埋入被測(cè)介質(zhì)，電極長度70 mm。

圖1 傳感器模塊與信號(hào)調(diào)理模塊

濕度信號(hào)屬于模擬信號(hào)，無法直接被單片機(jī)讀取，需要通過信號(hào)調(diào)理模塊進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，換成單片機(jī)所能識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。信號(hào)調(diào)理模塊負(fù)責(zé)將土壤濕度信號(hào)轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)，通過IO通訊端口傳輸給單片機(jī)。信號(hào)調(diào)理模塊可以進(jìn)行靈敏度調(diào)整，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)電位器能夠提高傳感器的閾值，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)電位器能夠降低其閾值。

濕度檢測(cè)探頭要能夠?qū)挿秶鷻z測(cè)土壤的濕度，并通過電位器調(diào)節(jié)控制其靈敏度，探頭與程序代碼中的閾值相互配合完成濕度閾值的設(shè)定[3]。在灌溉過程中，土壤結(jié)構(gòu)較為松散，水的浸潤導(dǎo)致濕度信號(hào)檢測(cè)的抖動(dòng)。因此傳感器探頭要與帶延時(shí)功能的模塊配合工作，信號(hào)調(diào)理模塊的延時(shí)時(shí)間以3～5 s為宜。當(dāng)檢測(cè)濕度在臨界狀態(tài)時(shí)繼電器不會(huì)抖動(dòng)或頻閃。系統(tǒng)所采用的繼電器要能控制電磁閥，所以要求繼電器可以承受1 500 W負(fù)載，為了顯示直觀和操作方便性，產(chǎn)品具有電源指示和繼電器吸合指示2個(gè)附加模塊。

信號(hào)調(diào)理模塊如圖2所示，其延時(shí)功能屬于必要設(shè)計(jì)，要調(diào)節(jié)濕度值時(shí)，每調(diào)1次需要等待幾秒鐘左右，觀察繼電器的變化，并通過顯示性綠色的LED燈顯示相應(yīng)的變化范圍，直到調(diào)到符合要求為止。信號(hào)調(diào)理模塊屬于弱電控制模塊，其供電電壓 DC12V輸入電流；大于100 mA。在執(zhí)行器選型過程中，其控制器參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)為220 V、10 A交流或30 V、10 A的直流。

圖2 信號(hào)調(diào)理模塊接線圖

調(diào)理模塊的輸出信號(hào)作為集成運(yùn)放的一個(gè)輸入信號(hào)，通過與集成運(yùn)放的另一輸入端的參考信號(hào)進(jìn)行比較得到高電平或低電平，該高/低電平作為輸入信號(hào)輸入單片機(jī)的IO口，通過編程處理，得到土壤濕度的實(shí)時(shí)量化數(shù)值。濕度傳感器得到的輸出值與集成運(yùn)算放大器的參考電壓進(jìn)行比較，如果小于參考電壓，集成運(yùn)放的輸出端輸出為高電平。同理，如果土壤濕度對(duì)應(yīng)的輸出電壓大于參考電壓，運(yùn)放輸出低電平。單片機(jī)如果檢測(cè)到濕度值超過閾值，驅(qū)動(dòng)繼電器模塊打開水流控制電磁閥，同時(shí)蜂鳴器模塊啟動(dòng)，一個(gè)帶報(bào)警設(shè)備的水流開關(guān)控制系統(tǒng)構(gòu)建完成[4]。

濕度計(jì)量檢測(cè)模塊采用5 V電壓供電；信號(hào)調(diào)理模塊采用M393芯片作為核心硬件模塊；工作電壓5 V，為方便安裝，設(shè)有固定螺栓孔和安裝孔；其PCB尺寸為31 mm*14 mm。

不同植被對(duì)土壤濕度的要求是不同的，因此還可以通過電位器旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)土壤濕度控制閥值對(duì)不同工作環(huán)境下植被濕度的精準(zhǔn)控制，以區(qū)分菜園、花園和家庭花盆等不同場(chǎng)景下土壤濕度的差異化要求。

單片機(jī)功率低，電磁閥驅(qū)動(dòng)需要大功率設(shè)備。因此需要輸出信號(hào)控制無觸點(diǎn)開關(guān)，無觸點(diǎn)開關(guān)作為外圍大功率繼電器的控制開關(guān)，實(shí)現(xiàn)小信號(hào)驅(qū)動(dòng)大功率設(shè)備的目標(biāo)。無觸點(diǎn)開關(guān)受傳感器間接控制，大功率設(shè)備的啟動(dòng)又受到無觸點(diǎn)開關(guān)斷開或閉合的直接影響。設(shè)立延時(shí)功能，也是為了解決濕度臨界狀態(tài)時(shí)繼電器不斷吸合斷開、信號(hào)燈閃爍問題。

土壤濕度控制系統(tǒng)的前端觸發(fā)系統(tǒng)為傳感器，它檢測(cè)到濕度低于設(shè)定濕度閾值，控制繼電器自動(dòng)吸合，啟動(dòng)電磁閥打開澆灌設(shè)備進(jìn)行給水操作，當(dāng)傳感器檢測(cè)到濕度超過閾值，繼電器和電磁閥自動(dòng)停止供水。

1.2 硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

采用的主控單片機(jī)為STC89C52RC（也可以選擇STM32F103C8T6芯片）。硬件電路引入8 MHz的晶振振蕩電路為單片機(jī)提供標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)。為了提高抗干擾性能，晶振電路引入10 μf電容穩(wěn)定振蕩電路輸出，如圖3所示。

圖3 單片機(jī)硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2 軟件代碼程序設(shè)計(jì)

3 結(jié)束語

本項(xiàng)目完成過程中，采用通用型控制模式，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。輸出控制端設(shè)備采用的電磁閥控設(shè)備可靠耐用。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)制作的植被灌溉設(shè)備，技術(shù)成熟、價(jià)格較低，因此有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力、設(shè)備實(shí)用性強(qiáng)，能夠在住宅小區(qū)、辦公場(chǎng)景和市政環(huán)境中廣泛應(yīng)用，具備了良好的市場(chǎng)推廣前景。

考慮到長期植根于土壤中，傳感器探頭雖然進(jìn)行了鍍鎳處理，減緩了金屬在潮濕環(huán)境下生銹的速度，但長期工作于潮濕環(huán)境下，其對(duì)探頭的敏感度、老化性能要求較高。