殷丽艳

1 引言

随着农林业的发展，为了解决普通农户的温室大棚生产管理中的节水灌溉和人力消耗等问题，智能灌溉系统应运而生。由于目前水源不足严重影响人类的生产和生活[1]，传统的灌溉方式已无法适应市场需求，减少水资源的浪费亟待解决。现代智能型微机控制灌溉系统正在逐渐推广[2-5]，它是集传感器、通讯、计算机等技术于一体的理论系统，能够有效解决传统灌溉中水资源浪费的问题。因而，本文设计了一个智能自动灌溉系统，它可以根据实际情况进行智能自动化的灌溉，实现智能自动灌溉的目的。该系统的优势在于节省人力，更是可以达到节约用水的目的，具有良好的推广应用价值。

2 设计目标与系统整体方案设计

本设计是以基于单片机智能浇灌系统的工作原理为参考，它由大棚内的温湿度采集模块、单片机主控模块、LCD液晶显示模块、系统报警模块、供水模块构成。这是一个集信息采集、单片机控制、显示、报警和供水于一体的温室大棚智能自动灌溉系统。

本设计的整体方案不仅要有智能自动方式[7-8]，还需要有手动按键方式，在传感器部分出现故障后可通过按键操作继续进行灌溉，而不受制于其它模块。

在智能自动灌溉的模式下，首先我们需要设定大棚内的适宜农作物生长的正常温湿度范围，其次将大棚内温湿度采集模块采集到的实际温湿度值通过数据处理后输送到单片机内，在温度值高于预设温度最高值时，或者低于预设湿度最低值时，单片机主控模块将会同时给供水模块和报警模块发出灌溉和报警的指令，直到温湿度采集模块采集到的信息回到设定的温度范围，单片机主控模块才会给供水模块和报警模块发出停止工作的指令。其中，本设计大棚内温湿度的采集部分，由于传感器采集到的信号不能直接用于单片机AT89C51，因此在这加了一个数据处理流程，处理过的温湿度信息输送到单片机内，再由显示模块进行直观显示。在手动灌溉模式下，直接用手动按键控制灌溉的开始与结束。

总体电路图如图1所示。

图1 总体电路图

2.1 温湿度采集模块

（1）温度传感器：本设计选用的温度传感器是DS18B20，因使用便捷，准确度高，非常适合本设计中大棚实时温度的采集。且DS18B20是数字温度传感器，AD转换过程在DS18B20里进行处理，它的输出信号可以让单片机直接接收。每个DS18B20温度传感器和其他同型号的温度传感器作用在同一条总线上并不会影响其功能，所以可在大棚内许多不同的地方放置温度灵敏器件，全面对大棚内温度进行监测。

（2）湿度传感器：选用4线制HR202湿敏电阻器的湿度传感器，它作为新型的湿度传感器，本身的湿度敏感元件的探测范围广，加上稳定性能高，可用于本设计。本设计采用HR202湿敏电阻的湿度传感器可长期稳定地监测土壤湿度。HR202湿敏电阻器采用高分子材料湿敏电阻元件作为敏感元件，属水分子亲和力型湿敏元件。它的测湿原理是通过湿敏电阻的感湿导电，通过湿度的变化构成阻抗，从而产生相应的线性电压信号，随后线性电压信号通过A/D转换成湿度量。

2.2 单片机主控模块

本设计选取单片机AT89C51作为核心芯片，其中引脚RXD、TXD为串口收发端，INT0、INT1为外部触发，WR、RD分别为外部写选通和外部读选通。可设定为四种模式：准双向口，推免，高阻，开漏。P1口第二功能为AD口和ISP下载口P0口自带上拉电阻。

2.3 LCD液晶显示模块

选用LCD1602液晶显示屏，它的每个点阵字符位都可以显示1个字符，且之间也有一定的间隔，所以符合本设计实现显示实时监测的大棚温湿度和设定的温湿度阈值的要求。

2.4 报警模块

此报警模块拥有LED灯和蜂鸣报警的声光报警。该系统首先是用单片机程序设定浇灌的上下阈值，然后将大棚内温湿度采集模块输送到单片机的实际温湿度值与设定阈值相比较，如果实际温湿度不在设定的安全范围内，单片机将给报警模块发出开始报警的指令，这时声光报警开始，直到实际温湿度值回到安全范围内，单片机发出停止报警为止，声光报警停止。

2.5 供水模块

系统的供水模块采用单片机控制直流水泵抽水来改善湿度情况，采用三极管放大加以驱动。供水模块接收来自于单片机的信号，从而进行浇灌，这是一个工蚁型的模块。本次设计将大棚内需要灌溉的区域分为ABC三个区域，供水模块的三个灌溉区域是通过接收单片机主控模块的指令，从而进行开启灌溉和停止灌溉的工作。

3 系统仿真结果

首先设定好温湿度的上下限值输送到单片机内，再由单片机的I/0接口显示在LCD1602显示屏上，实际的温湿度通过数据处理后输送到单片机内，也显示到LCD1602显示屏上，并由单片机主控模块对实际温湿度值和设定的温湿度值进行对比，在温度值高过于预设温度最高值时，或者在湿度值低于预设湿度最低值时，单片机主控模块将会同时给供水模块和报警模块分别发出灌溉和报警的指令，直到温湿度采集模块采集到的信息回到设定的温度范围，单片机主控模块才会给供水模块和报警模块发出停止工作的指令。

为了更直观地观察仿真结果，分别做了实时湿度值低于设定湿度下限值时和实时温度高于设定温度上限值的两个定量实验，用声光报警电路的LED灯的工作正常与否来判断仿真是否可以实现预定功能。

仿真测试一：在保持测试温度在设定温度值的安全范围内，将测试湿度值低于设定的安全湿度值以下，通过观察报警系统可否正常报警，来测试系统是否可以实现应有的功能，测试结果如图2，报警电路的LED灯闪烁，本次的仿真实验成功。

图2 软件仿真测试（湿度）

仿真测试二：在保持测试湿度在设定湿度值的安全范围内，将测试温度值高于设定的安全温度值以上，测试系统是否可以实现应有的功能，测试结果如图3，报警电路的LED灯闪烁，本次的仿真实验成功。

4 结论

本文设计了一个智能自动灌溉系统。根据总体的设计方案，该系统采用单片机AC89C51为核心元件，通过检测和控制土壤湿度和大棚温度来实现节水灌溉，系统具有广泛的适用性且操作简易，系统在界面中有相应的参数设置，使用者设置好参数后系统便能实时对大棚温湿度进行监控，满足不同的作物对水分和温度的不同需求，实时监控适量灌溉，不仅能够高效节水，还能为作物创造良好的生长环境，从而提高作物的产量，且该系统的成本低廉，可延展性强，有利于大范围地推广使用。

图3 软件仿真测试（温度）