基于土壤湿度监测的智能浇灌系统设计

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1、基于土壤湿度监测的智能浇灌系统设计江莹旭　陈如清（嘉兴学院机电工程学院，浙江嘉兴314001）【摘　要】基于AT89C51单片机，设计了基于土壤湿度监测的智能浇灌系统。整套系统由控制、传感、执行三部分构成，用于实时监控智慧农业大棚中土壤的湿度。工作时通过对土壤湿度的采集和对比，当实际湿度低于设定下限或高于设定上限值时，单片机启动水泵或风机工作，避免土壤因过旱或过涝给植物造成的影响。总体上能实现实时测量温室土壤的湿度，并根据不同植物生长周期对其进行适时适量灌溉，有效提高了温室设施的农业自动化程度。..关键词湿度监测；单片机；传感器；智能浇

2、灌0　引言随着农业自动化程度的提升，基于土壤湿度监测的微灌溉技术作为一种有效的现代农业节水灌溉技术，开始活跃于农业浇灌中。提高有效灌溉率并缩短工作时间，是智能节水和浇灌技术的关键[1]。在世界发达国家，自动化智能浇灌系统已被广泛用于发展节水农业。通过采用遥感湿度传感器监测土壤和作物状况，根据农作物不同生长期对水分的需求量，对灌溉区的水管理进行自动遥控监测预报，实现灌溉区管理自动化和用水自动化[2]。智能浇灌系统的设计具有重要实用价值[3]。1　系统工作原理本系统可用于智慧农业大棚中植物土壤水分的实时监控，目前主要针对西红花（生长期从11

3、月到来年5月，此期间相对湿度保持在60-70%）的栽培。整个系统的工作过程是通过SHT11数字式温湿度传感器采集湿度信号，经内部放大和A/D转换后以数字量输出，然后传送给单片机AT89C51控制系统，最后经过LCD显示实时湿度。整个系统的硬件电路主要包括51单片机控制系统模块、湿度采集电路模块、键盘模块、LCD液晶显示模块、报警模块、时钟模块、湿度控制模块、电源模块。每一种植物都有适宜的湿度范围，据此来设定湿度初值。与设定初值比较时，当前所采集到的土壤湿度的实际值低于我们的设定值下限时，打开水泵增加灌溉；当前所采集到的土壤湿度的实际值高

4、于我们的设定值上限时，打开风机进行通风，从而实现实时监控湿度值。系统总体结构如图1所示。2　硬件系统设计2.1　单片机控制系统设计采用AT89C51单片机作为控制器，通过P0口与LCD1602传递数据，P1.7为水泵电机的驱动接口和湿度下限报警的接口，P1.6为风机的驱动接口和湿度上限报警的接口，P2.0-P2.2为时钟芯片的接口，P1.3-P1.4是温湿度传感器SHT11时钟、数据口，P3.4-P3.7为键盘电路接口。2.2　湿度采集电路设计选择合适的湿度传感器是实现精确土壤湿度监测的关键。实际中常用相对湿度表示水蒸气的饱和度的高低[

5、4]。根据湿度范围为20%-90%RH，精度为±5%RH的测量要求，选用集成度较高的SHT11传感器（测湿范围为0-100%RH），经校准的输出数字信号使其具有卓越的长期稳定性和超低能耗，适用于超长的信号传输距离。湿度采集电路使用集成湿度传感器SHT11，它将相对湿度传感器、放大器、A/D转换器、接口、存储器及控制单元集成一体，形成数字化湿度传感器，在功能和微型化方面均有重大突破。2.3　键盘电路的设计利用键盘实现对湿度上下限的设置，设计时采用4个独立按键，分别为加、减、设置、退出。湿度上加键接P3.6口，按加形式设置湿度；湿度下减键接

6、P3.7口，按减形式设置湿度；液面初始化下显示实时时间和湿度，设置键接P3.5口，按一下设置键显示湿度上限，再按一下设置键显示湿度下限，通过加和减键就可以调节湿度上下限；退出键接P3.4口，返回初始界面。2.4　LCD液晶显示电路的设计采用14条引脚的字符型LCD1602，少了背光电源线VCC（15脚）和地线GND（16脚）两条线，但和16脚的LCD完全一样。D0～D7脚分别接CPU的P0.0-P0.7，由于51芯片内部P0口没有上拉电阻，所以要外接排阻RP1，提供足够的电流和电压。2.5　报警电路的设计单片机的P1.6接LED湿度上限

7、报警灯，P1.7接LED湿度下限报警灯，起着控制温度湿度的报警作用，只要控制单片机接口的高低电平就可以实现报警提醒。当湿度低于设置下限时，单片机控制P1.7脚由高电平变为低电平，D2导通变亮；当湿度超过设置上限时，单片机控制P1.6脚变为高电平，D3导通变亮。2.6　时钟电路的设计在本系统设计中，需要显示现场土壤湿度值的实时时间，便于用户记录植物生长状况。所以采用DS1302时钟芯片与单片机结合设计的时钟电路可以显示出实时年、月、日、时、分、秒等信息。DS1302的RST、SCLK、I/O口分别与单片机P2.0-P2.2相接。但实际使用

8、中DS1302表现出实时时间的传送出现误差，这主要是由晶振造成的，所以要选用具有6pF负载电容的晶振进行补偿。2.7　湿度控制电路的设计湿度控制电路可使用L298步进电机驱动或控制电磁阀驱动，本系统采用电磁