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1、自主浇灌设计研究摘要种植盆栽需要科学合理的浇灌方式。为此，设计了基于微控制器的浇灌装置。该装置充分考虑了给植物浇灌各种主要因素，如季节、水温等，采用了传感器、加热部件、继电器等检测控制部件。该装置在硬件平台上移植了嵌入式操作系统,更好地实现了多任务调度。虽然本装置是基于盆栽的小型浇灌系统，但也可以用于大规模的浇灌系统，具有很强的推广性。关键词:盆栽;智能浇灌;微控制器;操作系统目录1弓Is22系统的设计与实现32.1vf-32.25史件设I十实现32.2.1智能控制模块32.2.2参数输入模块42*2*31.liXJi52.2.4浇灌电路模块52.3件设十z3实现53实验结果74I.7参、j乂
2、、X1引言随着社会经济的不断发展，人们生活条件的不断改善，室内花卉、树木等绿色植物也渐渐受到了人们的青睐，人们可以通过种植花卉来陶冶情操，净化空气,美化家庭环境。对植物合理的灌溉不仅仅有利于植物的生长，也是对水资源的一种高效的利用。但是，目前这些绿化浇灌工作仍依赖于人工操作，而人工灌溉质量不能时时得到保证，这就在很大程度上影响了用于花卉浇灌的水资源的利用率。另一方面，植物的健康成长需要外界提供一定的生长环境。如果仅仅单一的根据种植经验和用户的直接感官来对植物进行浇灌，那么就会因不能及时或者不能精确地控制浇灌的水量使得植物生长趋于不健康的状态。除此之外，随着现代生活节奏的不断加快，人们往往会因繁
3、忙的工作行程而忘记及时地为花卉补充水分或者无法保证浇水的持续性，从而导致花卉枯萎的结果等等。目前，我国在节水和智能农业上的技术主要有地下滴灌技术、专家系统、智能农业系统和温室监控系统。地下滴灌技术是微灌技术的典型应用形式之一，它是利用水通过地埋毛管上的灌水器缓慢的渗透到附近土壤，同时，借助毛细管作用或重力作用将水分扩散到整个农作物根层的技术。目前该技术主要应用在大田滴灌、温室大棚、果园及绿化带等，其节水生产效益明显，可大量的节省劳力和资源。但是其存在滴灌流量小，浇灌时间长及滴灌管行距离无法完全满足种植要求，智能化程度不高的限制条件。虽然专家系统、智能农业系统和温室监控系统对于节能减排和提高农业
4、系统整体的质量和生产效益有着强有力的保证，但是专家系统需要收集大量的、正确的农作物各方面的数据，建立知识涵盖广的数据库,其实用性和普适性相对较低，而对于智能农业系统和温室监控系统，则需要建立庞大和复杂的系统，成本开销大，并不适用家庭型的浇灌系统。近几年，市场上也存在着一些自动浇灌的器件，例如利用虹吸和渗透原理，对花卉进行浇灌使得土壤始终处于湿润的状态，这样就能够保证了花卉的正常生长。但这样的浇灌器件并不能够综合考虑影响植物生长的多种因素来对花卉进行浇灌。除此之外，大多数的自动浇灌器件只能对植物进行整体性浇灌，而对于多点独立浇灌并不多见。综上所述，为了能够很好的解决无人照料的情况下仍然保证室内盆
5、栽植物的健康生长和提高水资源的利用率的问题，本文设计了一种结构简单、成本廉价，综合考虑土壤类型、环境温度和土壤湿度的条件来对多盆花卉进行独立浇水的智能化浇灌系统。2系统的设计与实现2.1 系统总体设计本系统主要采用STC89C54RD单片机进行微控制的智能化浇灌系统。系统主要实现的是根据土壤类型，室内环境温度和土壤的湿度条件对多盆盆栽进行自动浇灌和根据实际情况进行定时浇灌的功能。本系统由四个功能模块构成，分别是参数输入模块、智能控制模块、显示模块和浇灌电路模块。智能化浇灌系统总体设计结构图如图2.1所示。水泉生内温庚二花卉卜康图2.1智能化浇灌系统总体设计结构图参数输入模块主要为系统提供所需要
6、的室内环境温度，土壤类型及土壤湿度的信息和根据用户的实际情况进行定时的时刻信息进行采集。将所采集到的数据传送至智能控制模块进行分析和处理。显示模块主要显示采集到的土壤类型，实时时钟和通过智能控制模块分析信息得到的当前花卉的土壤湿度值和探测对象序号。浇灌电路模块主要接收经过智能控制模块分析处理后得到的打开/关闭电磁阀和浇灌水量的信号，从而达到自动调节浇水时间的目的。2.2 硬件设计与实现2.2.1 智能控制模块本系统智能控制模块采用STC89C54RD单片机进行智能化控制。该系列是宏晶科技推出的新一代高速、低功耗、超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机。工作电压为5.5-3.3V
7、（5V单片机）和3.82.0V（3V单片机）。工作频率在。40MHZ范围之间，实际工作频率可达48MHz。用户应用程序空间为8KB,片上集成512BRAM。其体积小，价格低廉，功能强大，稳定可靠，运算速度快，功耗低，扩展容易，抗干扰能力强，使用方便灵活等优点，广泛应用于工业过程控制、自动监测、智能仪器仪表、家用电器等领域。2.2.2 参数输入模块参数输入模块主要由温度传感器、土壤湿度采集电路和操作按键电路组成O系统的温度传感器采用DS18B20单线数字式温度传感器，可测试温度范围为-55125C（满足本系统530C的需求），只需单总线进行信息交互。温度传感器电路图如图2.2所示。图2.2温度传
8、感器电路图土壤湿度采集电路图如图2.3所示。该电路是由两根相距IOCm的探针和PCF8591组成。根据土壤电阻率和土壤相对湿度的关系，在单片机中预先存放一张土壤电阻率理论值的表单。通过探针测量土壤电压值，经过PCF8591量化得到土壤实际电阻率。为了确保在实际测量中能找到某一土壤类型的电阻值，即保证所测量的电压值在量化范围内，需要在探针外部串联一个电阻电路，对5V电压进行分压处理。系统将量化后的土壤实际电阻率与表中预先计算的理论值进行比较，如果量化值略大于或等于标准值，那么此时的湿度值等于标准值所对应的湿度值。如果量化值略小于标准值，那么系统认为此刻的湿度值等于标准值所对应的温度值。除此之外，
9、如果所得到的湿度值高于系统湿度限定的最大值时，系统便认为此时的湿度值便约为湿度最大值，即土壤己经达到了湿度极其湿润的状态。图2.3土壤湿度采集电路图2.2.3 显示模块显示模块主要由一个1.CDl602点阵型液晶显示器、一个光敏电路完成显示部分的功能。由于显示模块主要是用来实现土壤类型和实时时钟，土壤湿度值和探测点序号的显示，不涉及图像显示和多行同时显示。所以，采用了专门显示字母、数字和符号的1.CD1602点阵型液晶模块作为显示模块的核心器件。224浇灌电路模块浇灌电路模块是本系统的重要组成部分之一，也是实现对多盆盆栽进行独立浇灌和浇水量控制的关键部分。该模块主要由74573,CD4067U
10、N1.2003多个继电器和一个电磁阀电路所组成。其浇灌电路实现步骤如下：(1)当到达用户设定浇灌时刻或者系统自动浇灌时刻时，单片机通过74573和CD4067对探测点进行扫描检测，同时分别采集环境温度、土壤湿度信息。(2)单片机根据所采集的数据信息进行分析判断是否需要对花卉进行浇灌。(3)如果需要浇灌，则单片机发出浇灌信号，并在1.CDI602显示器上显示探测点的序号和土壤湿度值，通过继电器打开电磁阀，并发送所需要浇灌的水量。当浇灌结束后，关闭电磁阀。如果不需要浇灌，系统继续对下一个探测点进行扫描,重复步骤(2)。(4)当所有的探测点扫描结束后，关闭探测点，系统返回步骤(1)。本设计的创新点在
11、于独立完成多盆盆栽的浇灌。为了确保系统良好的实用性，特地组装了只有一个入水口(接至水龙头开关)和两个出水口的电磁阀(出水口为6分螺纹，出水外径为12mm)。单片机可以分别发送打开/关闭信号来控制多个出水口的开关，从而实现了对各个花卉进行单独浇灌的功能。2.3 软件设计与实现本系统选用了适时性强、透明度高的C语言作为编程语言，并且系统软件的开发全部采用KeilVision3o系统软件主要由如下程序模块组成:参数采集，状态信息显示和浇水电路控制等。智能化浇灌系统的主程序流程图如图1.4所示。(1)系统上电后初始化，扫描检查所有的电磁继电器状态以保证处于关闭的状态。(2)用户输入种植花卉的土壤类型，
12、输入完毕后按下“确认”按键,1.CD显示土壤类型和系统时钟信息。(3)用户根据实际需求决定是否需要输入定时时间，若需要输入，则从时分秒逐位进行调整，输入完毕后用户按下“确认”按键，系统进入智能控制模块。若不需要自定义定时时间，则直接按下“确认”按键，系统直接进入智能控制模块(此时的浇灌时刻由系统自动每隔30min进行浇灌判断和处理操作)。(4)当时钟到达用户自定义的定时浇灌时刻或者系统自动浇灌时刻，系统立即通过DS18B2O对当前环境的温度进行数据采集，转至步骤(5);否则，重复步骤(4),直到浇灌时刻的到来。(5)对采集到的温度进行分析，如果在所限定花卉浇灌的温度范围内(即530C),系统对
13、探测点进行扫描，采集土壤湿度信息，转至步骤(6);否则，系统返回步骤(4),继续等待下一次浇灌时刻的到来。图2.4通系统主程序流程图(6)当前土壤湿度适合浇灌时，系统便启动浇水电路，同时通过1.CD显示探测点序号和当前土壤湿度值，对探测点序号的盆栽进行浇灌。否则不启动浇水电路，进入下一个探测点的扫描。(7)重复步骤(6),直到所有探测点扫描结束。(8)关闭浇水器电路，重复步骤(4)。3实验结果根据土壤含水量的多少及环境温度的高低影响土壤电阻率的变化原理，通过实验，希望系统能够综合考虑土壤类型、环境温度和土壤湿度因素实现自动浇灌的目的。选用了一个上口直径为13cm,下口直径为8cm,高度为14C
14、m的花盆,装入高为8cm的黄士,分别进行了在不同温度情况下的同一土壤湿度值的浇水时间测量和在同一温度下不同黄壤湿度值的浇水时间测量的两组实验。系统电磁阀的流水量为550mlmin实验结果如图2.1所示。2-OIUlUUUUUUUUUU3029282726252423222120温度/C（八）在16%黄壤湿度值条件下，不同温度对系统浇水时间的测量结果50505050332211S=三,次(b)在27时，不同的黄壤湿度对系统浇水时间的测量结果由图5（八）可以看到:在同一土壤湿度的情况下，温度越高，土壤含水量蒸发越快，所需要的浇灌水量也就越多，因此系统浇灌的时间也就越长。由图5(b)可以看到:在同一环境温度的情况下，随着土壤湿度的增加，系统浇灌的时间呈递减趋势。当达到饱和湿度值26%时，系统不启动浇灌操作，因此浇灌时间为Oso通过对浇灌时间的分析，可以初步证明所设计的系统能够实现综合环境温度和土壤湿度条件下对花卉进行自动调节水量的浇灌功能。4结束语本系统是基于单片机微控制器的浇灌装置。在设计时，充分考虑了给植物浇灌各种主要因素：如季节、水温、早晚环境温差等因素，加入了温湿度传感器检测水温、土壤温度以及加热部件，浇灌部分采用了节水的滴灌管。软件设计方面,为了更好地实现多任务调度，在硬件平台上移植了嵌入式操作系统。本系统是一种较为智
