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基于单片机的温室自动灌溉系统设计

孟珩 2023/1/21 16:10:20

   (泰山科技学院 山东泰安 271000)
   摘要:温室种植在我国北方是一种重要的农业生产方式,以其不受季节影响的优势,建设面积逐年扩大。针对温室土壤湿度监测及灌溉的需求,设计了一种基于单片机的温室自动灌溉系统。该系统采用51单片机作为控制器,搭载多个四线制土壤湿度计监测模块对温室土壤进行监测,监测数据经单片机串口通信传至PC端,采用基于Labview设计的上位机界面进行参数及设备状态的显示,采集数据与预设值比较后,单片机控制喷灌、滴管等设备进行动作,以达到温室合理自动灌溉的目的。经实验证明,设计的基于单片机的温室自动灌溉系统达到了预期效果,满足了温室自动灌溉的需求,该设计为实际温室农业生产提供了一定的参考价值。
   关键词:温室灌溉;51单片机;数据采集;Labview上位机界面
  
   温室作为我国设施农业的重要组成部分,其在蔬菜作物培育、调整农业产业结构等方面发挥了重要作用。据统计,截止到2020年我国温室总面积达到187.3万公顷,在我国水资源匮乏且分布不均的背景下,传统的温室灌溉方式还在采用人工监测旱情,并以“大水漫灌”的方式进行,主要特点一是水资源利用不充分,作物培育方式不合理;二是多以人工方式进行,增加了生产成本。因此,研发温室自动灌溉系统就显得尤为重要。
   近年来,国内专家学者对温室灌溉系统的研究取得了较多成果。李雅静等以西门子S7-200PLC作为控制器,采用水位节点控制的方法,对温室作物进行智能化灌溉[1]。刘斌等设计了基于Smith预估器的温室灌溉模糊控制策略,有效提高了灌溉系统的控制精度和实用性[2]。盛强针对温室花卉对生长环境的需求,设计基于Modbus-RTU通信的灌溉控制系统,以轮询方式对温室环境因子进行采集,并上传至MCGS触摸屏进行监控,通过变频器实现对花卉的按需灌溉,以达到精细化管理的目的[3]。王蕾等采用STM32单片机作为控制器,通过WIFI无线传输的方式,对温室内部信息进行全方位监测,实现对其的合理化灌溉[4]。薛岩等以温室黄瓜种植为例,分析该作物在不同气象条件、不同生长阶段下的需水模型,设计了精细化灌溉控制的策略[5]。杜佳豪等针对温室节水灌溉需求,设计了基于ZigBee的温室灌溉系统,实现了控制过程中数据的无线采集、发送,有效对温室作物进行了灌溉[6]。本文主要设计基于51单片机的温室自动灌溉系统,其主要研究内容如下:
   (1)对温室灌溉系统进行需求分析和整体系统设计,确定每个功能子模块。
   (2)对元器件进行选型,完成该控制系统的硬件电路设计,并采用模块化编程,对各个模块子程序进行设计,实现土壤墒情监测及自动灌溉。
   (3)设计基于Labview的上位机界面,实现温室土壤湿度的远程监测及灌溉控制。
  
   1 温室灌溉系统总体设计
   1.1 系统需求分析
   (1)温室环境存在时空差异性,温室不同区域的土壤湿度存在差异,中部土壤湿度较小,靠近棚架两侧的区域,因受棚外水分渗透及棚膜上水滴的流淌,湿度较大,要求对温室分区域进行土壤墒情监测。
   (2)对该温室作物的灌溉,可实现棚外远距离操作,设计上位机界面,可远端监控土壤墒情,及手动和自动控制温室灌溉。
   1.2 温室灌溉系统整体设计框架
   根据设计过程中温室环境数据采集、传输、应用的需求,在符合可扩展、可靠实用及科学性等多项原则下,将温室灌溉控制系统分为物理感知层、数据处理层、应用管理层,其中在物理感知层针对棚架左侧、中央、右侧三个点布设了三个传感器,进行数据采集。系统整体结构图如图1所示。
  


   图1 温室灌溉系统整体结构图
   2 温室灌溉系统硬件设计
   根据温室灌溉系统的需求和设计原则,采用AT89C51单片机作为控制器,连接多个四线制土壤湿度计监测模块完成分区域数据采集,通过串口与PC端进行通信,整个硬件电路分为了单片机最小系统、传感器采集模块电路、串口通信模块电路、电源模块电路、继电器控制电路、报警电路及按键电路等,整体硬件电路框架如图2所示。
  

   图2 温室灌溉系统硬件电路结构图
   2.1 单片机最小系统
   单片机最小系统是由电源、复位电路及时钟电路组成,设计采用AT89C51单片机作为控制器,该型号单片机采用5V直流电进行供电,时钟电路在XTAL1和XTAL2两个引脚间跨接(未完,下一页

  

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