投入式液位變送器等智能化儀表在現代農業灌溉系統中設計與實現

 
　　一、引言
隨著農業現代化進程的推進，傳統的的大水溫灌的農業灌溉方式已經不能夠滿足現在農業的需要，因為傳統型的人工操作不僅費時費力效率低，并且資源浪費嚴重，因此在農業灌溉急需要一種系統化的控制設備。為此一種基于單片機的智能農業灌溉系統裝置應運而生。該系統包含了控制模塊、傳感模塊、輸入顯示模塊和灌溉模塊，四大模塊共同作用完成智能灌溉功能。本裝置采用采用單片機將土壤濕度與設置的上下限值相比較判斷是否需要澆水，土壤濕度傳感器實時監測濕度并在LED 顯示屏上顯示，通過投入式液位變送器控制灌溉量，進而通過控制模塊控制水泵實現智能灌溉。




 
在農業上，目前我國的農業灌溉方式仍然主要為大水漫灌，然而大水漫灌從各個層面上考慮并不是一種好的灌溉方式。*先，我國的淡水資源并不豐富，是一個缺水大國，同時在農業方面對水的需求量較大，并且利用率較低，在需要頻繁澆水的蔬菜農植方面總體利用率更低。大水漫灌不僅浪費水容易使土地鹽堿化，而且灌溉并不均勻，部分農作物會受到水流沖刷的傷害。二，不同的植物其適合生長的土壤濕度不盡相同，即便是一種植物在它不同的生長時期對土壤濕度的要求也不一樣。因此傳統的灌溉方式并不能實現合理的農業灌溉。生活中，部分家庭喜歡在家中養花，可以凈化空氣陶冶情操，卻也時常遇到不便，比如有時出差、工作忙，花卻無人照顧，經常犯懶或者記性不好忘記給花澆水等等。
 
為解決上述問題，經過對市場上現有相關產物的研究，提出一種智能農業灌溉系統，該系統包括電源模塊、控制模塊、灌溉模塊、輸入顯示模塊，傳感器實時監控土壤濕度并根據設定的植物所需的土壤濕度范圍值實現智能調控。該系統不僅適用于大面積農業灌溉，解決了傳統灌溉方式帶來的土壤鹽堿化、水肥流失、糧食減產等問題，在家庭花卉的栽養中也同樣適用，讓花卉養殖者更為省心省力。
 
　　二、總體設計方案
系統包含智能灌溉和定時灌溉兩種模式，以便滿足用戶的不同需求。智能灌溉模式下，利用數字圖像處理技術進行植物識別，同時與互聯網相連自動設置該植物所需的濕度范圍( 如60% ～ 80%) ，用戶也可以在按鍵模塊中手動輸入想要設定的濕度上下值，系統設定信息可在LED 顯示屏上查看。由單片機接受該范圍并控制土壤濕度傳感器進行濕度檢測，一旦檢測到濕度低于60%，系統控制電磁閥打開開關，調用水箱中的水進行灌溉，當土壤濕度的測量值高于80% 時則終止灌溉。在定時模式下，由用戶設定灌溉的起止時刻，根據所設置的起止時刻進行灌溉。但在此期間當土壤濕度達到上限值時，對植物開啟灌溉保護模式，即便未到停止灌溉時刻也要終止灌溉。利用液位傳感器控制水箱液位，液位低時系統報警提示補充水箱。
 
　　三、系統硬件軟件設計
( 一) 系統硬件設計。本系統一共分為四個模塊: 控制模塊、傳感模塊、輸入顯示模塊和灌溉模塊?？刂颇K主要由AT89C51 單片機構成，傳感模塊主要由濕度傳感器( 可用DHT11，不限于此型號) 構成，輸入顯示模塊主要由鍵盤和液晶顯示屏( 可用LCD1602，不限于此型號) 構成，灌溉模塊主要由繼電器、電磁閥、灑水噴頭、水箱、液位傳感器( 可用CYW11，不限于此型號) 構成，同時在51 單片機和電磁繼電器之間添加S8050NPN 管來驅動。
 
　　1． 單片機控制模塊。本裝置將單片機控制模塊作為核心組成部分，選用AT89C51 單片機為控制器件，通過為該單片機配置相應的外圍電路來實現系統功能。AT89C51 單片機的性能強大、容易學習，語法結構較為簡單。雖然51 單片機是8 位機，但其處理精度與速度可以滿足本裝置的設計要求，且低廉的價格有利于降低成本，使得本裝置大批量生產。本系統通過外接數模轉化器對濕度傳感器所檢測的數據進行采集，外接矩陣鍵盤與LED 液晶顯示屏實現對濕度范圍的設定與顯示。采用外部中斷，當濕度及液位達到上下限值時，CPU 將作出相關回應。
 
2． 傳感模塊。在土壤濕度檢測上，選用DHT11 濕度傳感器為傳感元件。該傳感器響應空氣濕度范圍為20 ～ 90ＲH、溫度范圍為0 ～ 60℃，具有較高的精度、良好的穩定性、輕巧的體積，滿足本裝置的需求。將傳感器直接與5V 電源相連，完成0 ～ ****的土壤相對濕度檢測，并通過A/D 轉換將數據傳送給51 單片機，單片機接收到數據后，對是否需要灌溉進行判斷。由于DHT11 傳感器長期暴露在太陽光下易使性能降低，因此在使用過程中應當注意避免陽光直射。
 
3． 輸入顯示模塊。系統的輸入顯示模塊能夠通過矩陣鍵盤輸入土壤濕度，并在LED 顯示屏上顯示系統調節的過程。LCD 液晶屏體積很小，便于安裝和更換; 可現實4 行漢字傳輸，速率高、功耗小，工作電壓在3. 3V ～ 3. 5V 之間; 性價比高，因此該液晶屏在該系統中得以應用。在實際應用中，將LED 顯示屏與矩陣鍵盤結合使用，由于不同的植物對土壤相對濕度的要求有所不同，故使用按鍵模塊按照用戶需求設定土壤濕度的上下限值，顯示模塊用來顯示該調節過程。此外，在對供水水箱的高度進行水位范圍的設定時，顯示模塊同樣起顯示作用。
 
4． 灌溉模塊。在設計液位控制部分時，*先需要對水箱液位進行檢測，采用投入式液位變送器。投入式液位變送器內含壓敏元件，利用壓敏元件的壓阻效應，將所測液壓轉換成為電信號輸出。投入式液位變送器具有精度高、體積小、使用壽命長且價格相對便宜的優點，足以滿足本系統的需求。在安裝時直接將其置于水箱底部，即可測出其距水面的高度，操作簡單容易安裝。當對供水水箱的水位進行控制時，*先液位變送器檢測出水位高度，經A/D轉換后輸出相對應的電壓信號送入單片機。當水箱水位低于下限值時，單片機發出指令控制繼電器從而使電磁閥給水箱加水，當液位高于設定的上限值時，關閉電磁閥停止灌溉。
 
灌溉部分主要包括繼電器和電磁閥兩部分。由于電磁閥需要24V 直流電壓供電，而我國采用220V 交流電壓為標準電壓，因此需要利用開關電源完成交直流轉換才可以使用。采用串聯的連接方式連接繼電器、開關電源及電磁閥，利用單片機控制繼電器銜鐵的吸合與釋放，從而控制電磁閥的通斷。盡管單片機的輸出電壓與繼電器的輸入電流均為5V，但單片機輸出電流較小，不能夠直接驅動繼電器，因此需在單片機的輸出引腳與繼電器之間添加一個驅動裝置，這里使用S8050NPN 管。S8050 是一種小功率三極管，利用S8050將單片機的微小輸出電流放大為幅值較大的電信號。
 
( 二) 系統軟件設計。系統的軟件設計分為智能灌溉模式和定時灌溉模式兩種情況，用戶利用按鍵進行模式的選定。啟動智能農業灌溉裝置后，*先單片機對數據進行初始化，然后啟動定時器中斷與外部中斷，等待中斷的發生。利用定時器中斷進行時間的累積，利用外部中斷實現濕度上下值的設定。智能模式下，*先利用外部中斷設定系統濕度范圍，由單片機接受該范圍值并控制土壤濕度傳感器不斷地對土壤濕度進行檢測，通過A/D 轉換將測量值輸入到單片機中并與用戶設定的濕度上下限值進行比較，判斷是否需要進行澆水操作。定時模式下，用戶可根據實際需求設定灌溉時間，A/D 準換后單片機進行讀取，控制灌溉模塊在用戶設定的時間內進行灌溉操作。本設計系統原理圖如圖1 所示。
 
　　四、結語
本系統將單片機與傳感器結合，用戶可以隨時了解當前土壤濕度情況，并根據實際需求自行設定土壤濕度實現定時控制與智能灌溉，為用戶管理植物提供便利的同時避免了由于養殖經驗不足而導致的植物死亡情況的發生。


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