基于CMOS单片机对土壤湿度控制的智能灌溉系统设计
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作者:周霄轩
摘要：随着温湿度检测系统的广泛运用，诸多领域和行业对温湿度检测有着更高的要求和标准。该系统采用了AT89S51单片机，作为土壤温湿度控制系统的信号发射与接收设备，温湿度传感器选用YL-69型传感器，显示模块采用LCD1602型显示屏，通过YL-69温湿度传感器检测土壤中水分含量，将采集到的模拟信号转化为数字信号交由单片机处理，同时支持多个按键实现检测仪的各种操作以及切换功能。通过实验数据表明，该系统，功能多样，性能稳定，实现了对于农作物的检测，达到了节水灌溉、有效光照的智能监测作用。
关键词：智慧农业；灌溉系统；物联网；大数据；节水灌溉
中图分类号：TP311 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2022）30-0080-03
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
1 引言
是否能够培养出高产的庄稼作物，根本在于对土壤温湿度的控制。人为去控制、维护土壤，不仅误差大，而且效率低，因此我们需要的是精密的仪器、完善的系统，对其进行实时监测，从而改善土壤条件，实现低成本，高产量的成果。目前，我国农业水平总体处于逐步趋向现代化的发展中阶段，正在逐步实现农业统一化，水资源的利用率也处在不断提高的时期。其中能否充分利用水资源是能否实现高产农业现代化一根本性的问题，本项目旨在实现合理分配水资源，实现节约农业用水问题。本文将详细介绍智能检测灌溉系统的主要硬件组成以及其主要实现功能。
2 主要研究背景及意义
在中国，农业有着上千年的历史，它从古至今都是我们人们社会生活不可或缺的一部分。但是随着社会的不断发展，人们生活水平质量不断地提高，我国农业现代化正处于不断提高完善的阶段。在21世纪，由于我国正处于发展中阶段，各个领域都还在发展阶段。随着中国经济以及科技水平的不断提升，农业种植规模也在不断地扩大，由于大规模的乡村城镇化以及农业现代化，传统的农业生产方式早已无法满足人们在不同季节对不同农作物品质和质量的需求[1]。在传统的农业工作模式中，大多数的工作，例如对农作物生长环境的监控，水资源的利用，都是由人工操作，又因为我国总体占地面积广，地形复杂，气候多变，对农作物的生长有着极大的影响。因此，如果还采用旧时代传统农业工作方式，是无法提供目前农作物生长的最优环境。智慧农业是我们由传统农业发展为现代化农业的必经之路，为了解决这种环境上的问题，温室大棚农业化脱颖而出，越来越多的农民开始搭建温室大棚，给予农作物适宜的生长环境。而随着互联网的普遍性以及物联网技术的传播，物联网技术产业因此广泛应用于各种行业之中，例如：智能家居，智慧农业等领域。现代化信息技术的发展使得我国传统的农业生产方式得到改善，通过物联网技术，提高了我国农作物的产量和质量，并且大大节省了劳动资源，因此，让智慧农业与农业大棚技术相结合，在很大程度上解决了人们对于水资源利用不得当、不合理的问题，使得人们随时都能买到反季节性食物，使得我国农业成为促进经济发展的一大重要组成部分[2]。现代化农业与传统农业主要的区别在于：首先，大大提高了测试环境参数的精准性。其次，利用各种传感器，例如通过温度传感器，湿度传感器监控土壤的温湿度，利用光照传感器，检测光照强度，使得能时刻保持农作物生长环境的最优化。有效地减少了因环境条件造成的农作物产量降低，大大节省了人工开支。
为了更好地实现智慧农业有效灌溉功能，本系统使用AT89S51单片机结合YL-69湿度传感器以及BH1750光照传感器，时刻检测农业大棚中土壤的湿度状态，通过单片机分析传感器传送的数据进行环境的合理调整并配备抽电水机，通过程序合理判断是否需要灌溉，大大节约了水资源。
2.1 系统设计技术架构
智能检测灌溉系统主要包括由主控系统、传感系统、输入系统、电源系统以及灌溉系统所构成。
主控系统：利用复位电路，时钟电路，并以AT89S51单片机为核心组成。
传感系统：主要包括YL-69湿度传感器，BH1750光照传感器，可以精确测量土壤湿度以及光照强度。
电源系统：采用一个5伏的直流电源接口，对系统进行供电。
显示系统：采用的是LCD1602型显示屏，以便显示土壤湿度的详情和当前系统处于什么模式。
灌溉系统：使用抽水电机，使用按键实现大棚的自动灌溉。
警报系统：配备蜂鸣器，与传感器相互合作，当土壤温湿度不在设定范围内时，电机工作，蜂鸣器报警，直至水分到达预定值，蜂鸣器解除警报，电机停止工作。但到达预定范围内，电机则就不工作，蜂鸣器同样不报警系统处于良好的运作中。整体技术架构如图 1 所示。
2.2 硬件设计
2.2.1单片机控制板块
AT89S51单片机是一种低效率，高性能CMOS八位的单片机，它是由ATMEL公司采用高精密性、非易失性储藏工艺技术所制成，它不仅能够很好地兼容于国际标准MCS-51指令系统，而且还能够使用软件控制开启省电模式，以及设置振荡频率[3]。在不工作时，中央处理器保持在静止状态，但通过内存时间计数器，中断系统开始持续工作，掉电模式冻结了温度传感器而保留了RAM的数据，终止芯片其他功能直至另外中断激活或将硬件恢复，这就没有由于工作人员的疏忽而引起检测系统的停机工作。并且，该芯片还拥有PDIP、TQFP和PLCC三个基本封装形式，以满足各种产品的需要。所以在本系y中，可以选择AT89S51为控制系统芯片。
2.2.2土壤温湿度传感器板块
本系统采用的是最新的YL-69湿度传感器，它是一种最简单的土壤湿度感应器，它的基本结构主要是由湿敏电容所组成，但是随着土地温湿的不断改变，将导致电容中生态环境中存在的介质数量产生变化，从而使得湿敏电容中的电容数量出现了改变，而电容的位置正比于土壤相对湿度变化。湿敏电容具有较高的敏感度、响应快、滞后率小的特性，这使得湿敏电容非常易于小型化和集成[4]。在农业系统中，对土壤湿度信息的收集主要是由YL-69实现的。
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2.2.3 光照传感器
本系统采用的是BH1750FVI数字型光强度传感器集成芯片。其电路工作原理为：BH1750的内部由ADC采集，光敏二极管、运算放大器、晶振组成。光敏二极管主要将输入的光信号转换成电信号，通过运算放大器放大后，利用ADC采集电压，最后再通过逻辑电路转换成16位二进制数存储在内部的寄存器中[5]。因此大棚冉入的光的强度决定了电流的大小，因此电压也就变大，即通过衡量电压的大小来判别光照强度的大小，而当电压发生改变的时候，我们就能第一时间观测到光照是否会影响农作物的生长状况，从而再通过控制系统来改变参数，达到稳定情况。因此在系统工作时，我们不仅可以选择不同的工作方式，还可以接收到寄存器中光照强度的数据。
2.2.4 LCD1602型显示器
LCD1602液晶显示器是由字符型液晶显示器，HD44780型控制驱动电路，少量电阻以及扩展电路HD44100，配有电容的PCB板组成[6]。该显示器具有多种不同的方式连接单片机，本系统采用的是直接控制方式，即将LCD的数据线以及控制线与单片机直接相连，相连后可以正常工作。在本系统中显示器的主要作用是写入命令和数据，因此，可将显示器的读与写去选择控制端直接连接地线，这样不仅节约了成本，还使得本连接系统能够更加稳定地工作。
2.2.5 按键输入
对于按键的设计：采用4个键位进行不同功能的控制。分别是：复位功能按键―C1，设置湿度预定值范围按键―C2，调整按键为C3以及C4，C3用于增加湿度预定值，C4用于减少湿度预定值功能。另外，该系统可以一键设置最大值和最小值。
2.2.6 报警电路设计
对于报警模块的设计，是为了及时能做出对于土壤应实施的相应的操作。当测量土壤温度时，依据预先设定好的湿度峰值，做到及时报警提醒工作人员的作用。这样能有效地减少工作人员在夜间工作的疲劳程度，大大提高人员效率。本系统采用的报警电路原理是：根据高低不同的湿度值，使得发光二极管发射出不同颜色的光，与此同时，蜂鸣报警器发出提示音。
2.2.7 时钟电路模块以及复位电路的设计
晶振时钟电路：主要是由一个晶振电路以及两个电容元件组成，而晶振的大小决定了AT89S51单片机的时钟信号。
复位电路：构成复位电路的主要元件是电阻以及少量电容，且复位电路有两个不同的电路分别是上电复位电路，以及针对按键的按键电路[6]。本系统采用的是按键复位，因此还多加了一个微动开关。主要作用就是将电路初始化，使其到达能确定的状态。系统总体硬件设计如图2 所示。
2.3 系统主程序设计模块
软件程序设计是系统至关重要的一部分，它决定了系统效率的高低。本系统主要程序实现流程为：打开开关，利用按键电路，输入湿度以及光照强度预定值；再由YL-69湿度传感器读取预定值；转换电路将湿度传感器传送的湿度值模拟信号转化为数字信号供AT89S51识别；再将数字信号传送到LCD1602型显示屏上显示出来；报警模块：利用YL-69湿度传感器检测到的湿度通过单片机中央处理程序，判断湿度是否在预定值范围之内，若不在，报警系统启动，发光二极管发出红光，同时蜂鸣器开始发出警报声。光照模块原理也是如此，利用BH1750光照传感器，结合单片机可实现任意自主编程程序，当单片机从BH1750光照传感器中接收到的光照值不在预定范围之内时，报警系统启动。系统各中功能采用分块化设计：报警模块，抽水模块，模拟信号与数字信号转换模块等。系统设计流程如图 3所示。
2.4 系统测试
2.4.1 测试场所及条件
在室内大棚中进行测试，室温条件下，打开电机进行通电。通过按键设置土壤湿度以及光照强度的上下限阈值；将YL-69湿度传感器装备在大棚中种有农作物的土壤中，BH1750光照传感器放置于大棚上方挂起，连接LCD显示屏，观察当前土壤湿度以及大棚内光照强度。系统配有两种灌溉模式，手动灌溉以及自动灌溉。
手动灌溉模式：人工通过按键控制抽水机工作，按动抽水键，抽水机开始工作，等待灌溉完成后，再次按下抽水键，即可停止工作。
自动灌溉模式：在自动灌溉模式中，有三种不同的情况。第一种：若当前土壤中的湿度值在预先设定的预定值之内的，电机不工作，报警系统不开启。第二种：若当前土壤中的湿度值超过设定值上限时，警报系统启动，蜂鸣器开始发声，二极管发出紫色光芒。第三针：若当前土壤中的湿度值突破预定值下限时，抽水电机开始工作，同时警报系统启动，蜂鸣器发声，二极管发出红色光芒，直至当前湿度值符合预定值范围内时，抽水电机停止工作，二极管不再发光。
2.4.2 测试结果
本次测试，设置的湿度上下限阈值分别为：56%，27%，主要测试，在三种不同条件下（分别是：预定值范围内，预定值以下，预定值之上），系统给予的反映情况。
测试结果如表1：
本次测试，分别进行了手动模式的测试，以及自动模式的测试，在不同条件下，本系统给予的响应均正确，在符合预定结果。因此，可以证明本系统可在农业大棚中起到正确有效的监控灌溉作用，确实能够提高农产效率，减少不必要的人工开支，提高水资源的可用率，形成高产智慧农业大棚。
3 结论
本设计是一款通过YL-69湿度传感器测试再经由AT89S51单片机控制的智能农业检测灌溉系统，是以AT89S51为核心控制器，实现了智能化农业灌溉的功能。主要模块包括：报警模块，灌溉模块，显示模块。最终实验结果中，能实现通过YL-69传感器收集从0到100范围内的土壤湿度信号，实现灌溉智能化。通过实验，证明了该智能系统的可行性，利用该智能检测灌溉系统，为我国现代化农业高产做出一点贡献，可大大减少人工精力，时刻保持农作物生长的最适条件，有效提高水资源的利用率。
参考文献：
[1] 王福瑞.单片微机测控系统设计大全[M].北京：北京航空航天大学出版社，1998.
[2] 程捷.基于单片机的温湿度检测系统设计与实现[J].仪表技术，2019（9）：43-45.
[3] 徐学良.农业水资源利用与生态环境保护[J].环境与发展，2018，30（7）：167-168.
[4] 郭玉萍，杨一平，杨福营.蔬菜大棚温度、湿度传感器检测系统的设计[J].制造业自动化，2010，32（14）：221-225.
[5] 黄志刚，赵之赫.通用型1602LCD自定义字符的显示[J].电子世界，2013（22）：182.
[6] 满红，邹存名，冀勇钢.基于单片机的仓库温湿度智能控制系统设计[J].现代电子技术，2011，34（9）：118-120.
【通联编辑：梁书】
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