刘 晓，张一铭，黄文强，范明明
（哈尔滨理工大学荣成学院，山东 威海 264300）
摘要：自动控制节水灌溉技术水平的高低代表着农业现代化的发展状况，自动化节水灌溉水平较低是制约我国高效农业发展的主要原因。设计了一个单片机节水灌溉自动系统，可对土壤湿度、温度进行监控，并进行适时、适量的灌水，从而达到节水目的。经测试本系统能实现稳定、高效、节能的效果。
关键词：节水灌溉；自动化灌溉；AT89C51单片机 中图分类号：TP273
0 引言
水是可持续发展最重要的资源之一，许多国家都重视有效利用水资源。灌溉管理的自动化是发展高效农业的重要途径，刘楷等进行了基于AT-MEGA128单片机节水灌溉系统的设计，系统自动检测土壤水分含量并通过电磁阀模糊控制实现及时适当的灌溉。郁晓庆等设计了一套由单片机、无线传感器网络、GSM无线通信和可变控制技术集成的精确灌溉闭环远程监控系统，实现按需灌溉，可节约20%的用水量。顾博飞等设计了一个光伏电源自动灌溉系统，可解决偏远地区电力短缺问题，提高灌溉效率。
本文设计了一套蔬菜大棚自动灌溉控制系统，以改善手动浇水现状，通过设定所需土壤温度、湿度的范围值，利用传感器测量土壤温度和湿度，采用模糊控制实现自动灌溉。
1 节水灌溉控制系统的总体方案
本系统采用温、湿度传感器检测土壤温、湿度，所得电压信号通过A/D转换器转化为数字信号，送入单片机处理，根据处理结果控制电磁阀，温、湿度用LCD1602进行显示，系统整体方案框图如图1所示。
1.1 液晶显示器、振荡、复位电路
LCD1602与AT89C51的接口电路如图2所示。LCD1602是一种使用5×7点阵图形LCD模块、可显示1 6（字符）*2（行）的液晶显示器，包括控制器、驱动器和显示装置3部分。LCD1602具有体积小、功耗低、显示操作简单、显示值清晰等特点，正常温度范围为-20 ℃~+60 ℃。
1.2 土壤湿度检测及A/D转换电路及其接口
土壤湿度检测及A/D转换电路如图3所示。湿度传感器将土壤湿度转换为电压信号，经调理后送入ADC0809．产生数字信号，再送入单片机。ADC0809模数转换器是带有8位A/D转换器、8位多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑CMOS组件。该装置的转换时间为100 μs时，时钟频率为500 kHz。图3中，ALE用作时钟信号，P0.0～P0.2与ADC0809的地址线A、B和C连接，选择模拟信道，用P2.6、RD、WR生成START、ALE和OE信号，ADC0809的DO～D7数据线直接与AT89C51的双向数据传输P0口相连。ADC0809的转换结束(EOC)信号取反后与AT 89C51的INT1引脚连接，通过查询法检查A/D转换是否结束。A/D转换结束后，通过P0口读取结果。
1.3 电磁继电器驱动电路
采用双稳态电磁阀控制水阀，电磁阀只在转换的时候才消耗电能，在保持状态下不消耗电能。通过输出口的电压信号控制电磁阀的通断。电磁阀驱动电路如图4所示，其中输入信号IN由单片机控制，光耦U3起隔离作用，该电路采用双电源(+5 V和+12 V)供电。
1.4键盘控制电路
通过4个独立按键设置土壤温度和湿度的上下限，键盘电路如图5所示。K1和K2用于温度设定，K3和K4用于湿度设定，R5、R6、R7和R8是上拉电阻。
1.5 光伏发电系统
节水灌溉应用光伏发电系统可以节省能源，简化设计。光伏发电系统原理如图6所示，主要由太阳能电池板、电池组、太阳能控制器和DC- DC转换器组成。太阳能电池板将太阳能转换成电能；电池组储存电能；太阳能控制器能调节充放电速率，保证太阳能电池板以最大功率输出；DC- DC转换器产生5V电压源。
2 节水灌溉的模糊控制
模糊控制的关键是模糊控制器的设计，须解决以下几个问题：输入量的模糊化、建立模糊控制规则、生成模糊控制表、对输出量进行模糊判断。单片机控制器根据模糊变量，实时查模糊控制表，进行模糊输出。
首先求出与设定土壤湿度值的偏差E及偏差变化率E，，，考虑土壤湿度是一个缓慢变量，间隔10 min运算一次，以避免电磁阀频繁启闭现象。模糊控制算法的思路是：对土壤湿度值进行A/D处理，记录采样湿度值，求取平均值，计算出偏差E及偏差变化率E c并对其进行模糊量化，查表确定输出控制量的值。
设E、E c和控制结果U的模糊语言变量分为7个
模糊控制规则见表1，U的模糊控制表见表2。根据表2的U值决定开启电磁继电器的数量N，如表3所示。节水灌溉模糊控制流程图如图7所示。
3 系统软件调试
系统软件程序由液晶显示子程序、土壤湿度检测子程序、A/D转换子程序、电磁阀驱动子程序、键盘控制子程序和模糊控制子程序组成。液晶显示子程序在系统上电后进行LCD1602的初始化，LCD1602显示子程序流程图如图8所示。上电后先进行模拟通道的初始化并启用A/D转换，A/D转换子程序流程图如图9所示。总的系统流程图如图10所示。
程序调试使用Kei151。在Proteus中建立系统模型，将系统程序写入单片机模型中，进行仿真，得到预想结果。
4 系统测试
在实验室环境下测试本系统装置，将土壤温、湿度传感器插在刚浇过水的杜鹃花盆中，测得的温、湿度值由LCD1602显示，此时湿度值高于上限设定值，电磁阀断开不进行灌水。将土壤温、湿度传感器插在干燥的仙人掌花盆．中，土壤湿度低于下限设定值，电磁阀闭合进行灌水；当土壤湿度达到上限时，电磁阀断开，停止灌水。
5 结论
本文研制了一款基于AT89C51的太阳能供电自动节水灌溉系统，能将测量的土壤温度值与湿度值显示在LCD1602液晶显示器上，根据测得的湿度和温度值模糊控制灌水速度。试验结果表明，该系统能够正确和有效地工作。
