CN205511339U - 用于树苗育苗的自动灌水系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于单片机技术的能够根据土壤湿度自动进行灌水、灌水量更加精确、整体成本较低、可靠性高的用于树苗育苗的自动灌水系统，它包括单片机、用于检测土壤湿度的湿度传感器、用于设定土壤湿度上下界限时的输入装置、用于控制水泵工作的控制器、显示器，湿度传感器、输入装置、控制器、显示器均与单片机电连接；水泵的输出管位于土壤内。

Description

用于树苗育苗的自动灌水系统

技术领域

本实用新型涉及自动灌水系统。

背景技术

树苗育苗时，为了保证树苗的成活率，首要保证的就是水量供应充足，而天然降水受季节影响较大，雨量又很难控制，大多都难以达到幼苗成活成荫所需的用水量。因此，在幼苗成长的时候大多使用人工辅助灌溉措施。

我国在1994年构建了一个以单片机为核心的全自动化灌溉控制器，它具有两种工作方式，即可以按照预先设定的任意周期进行定时灌溉，也可以根据检测到的土壤水分状况进行自动控制，采用模块化的组合方式，可根据场合的不同进行不同的组合，能够控制多路灌溉系统进行灌溉，可靠性强、操作简便实用，可与滴灌、喷灌等灌水系统配合使用。中国研究院周国宏后来根据农业灌溉的特点，采用8031单片机构建了一套开关控制和模糊控制相结合的双模控制灌溉方案。2001年，中科院院士杨林又针对现有节水灌溉系统的设计缺陷，研究出了一种适应面广的积水灌溉计算机监控系统，为了解决节水灌溉控制中的分区域和多任务机制，系统的运行是在基于单片机工作的机制下进行的。总之，目前在我国，虽然已经有很多种灌溉控制器问世，但多数自动灌溉系统规模较小，只是局限于实验和理论的探究，而国外的技术很先进，但一直忽略小范围灌溉，且开发出来的产品价格昂贵。

现有的自动灌溉系统，大多需要外加高压电源供电，存在一定的安全隐患，而且普遍自动灌溉装置的程序一般只是在系统的程序存储器内固化，存在不能灵活的设置灌溉时间及循环时间等缺点。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种基于单片机技术的能够根据土壤湿度自动进行灌水、灌水量更加精确、整体成本较低、可靠性高的用于树苗育苗的自动灌水系统。

本实用新型所述的用于树苗育苗的自动灌水系统，包括单片机、用于检测土壤湿度的湿度传感器、用于设定土壤湿度上下界限时的输入装置、用于控制水泵工作的控制器、显示器，湿度传感器、输入装置、控制器、显示器均与单片机电连接；水泵的输出管位于土壤内。

上述的自动灌水系统，湿度传感器为YL-69湿度传感器，YL-69湿度传感器通过A/D转换器ADC0832与单片机相连，单片机为AT89C51单片机。

上述的自动灌水系统，控制器为继电器。

上述的自动灌水系统，它还包括与单片机电连接的蜂鸣器。

本实用新型的有益效果：本系统是对树苗育苗过程中自动灌水系统进行分析与设计，以计算机数据采集分析为手段，实时监控土壤含水量的变化，实现智能监测与自动灌水的功能。本设计主要包括两个方面，一是测量，通过湿度传感器获取土壤水分信息，并根据土壤水分、湿度和植物需水特性的多少来确定灌水的水量。二是控制，根据对土壤研究及植物需水特性进行合理的灌水决策，即将传统的只是凭经验由人工手控制洒水器的方式，变化为自动进行适量的、适时的、按需的灌溉控制。系统根据由测量土壤湿度，通过抽水装置控制给水量的多少，从而使得水资源能够得到高效的使用，同时也节省了人力，达到智能灌水的目的。并且通过最直接的地灌方式（水泵的输出管插入土壤层），可以真正做到自动灌水节水化。

尤其是采用AT89C51单片机作为控制中心，使用YL-69作为土壤湿度传感器对土壤湿度进行检测，采用LCD1602作为显示器显示传感器检测的数据，使用蜂鸣器作为报警器对缺水时候发出报警，采用作为输入装置的按键是用来设定报警和灌溉区间的数值，即时实现对树苗的灌水，提高了育苗培植的存活率，而且整个系统成本低，运行可靠。

附图说明

图1的自动灌水系统原理图；

图2是显示电路、组合复位电路、按键电路等电路图；

图3是YL-69湿度传感器与AD转化器连接电路图；

图4是继电器控制水泵电路图；

图5是蜂鸣器报警电路图；

图6是自动灌水系统的整体电路图。

具体实施方式

参见图1所示，本自动灌水系统主要包括单片机主控模块、LCD显示模块、土壤湿度传感器的检测模块、按键设置输入模块、继电器与水泵灌水模块、蜂鸣器发出警报模块等六大模块。主控模块位AT89C51单片机是负责对采集到的数据的分析及处理；YL-69湿度传感器作为检测土壤湿度的湿度检测模块核心；通过按键模块设置输入湿度值的上下限；LCD显示模块是显示土壤湿度检测器检测出来的湿度值及其上下限数值；最后继电器与水泵灌水和蜂鸣器报警是用来执行系统命令的。详细电路原理图见图2。

1 单片机主控模块

单片机作为本系统的主控模块，选取由ATMEL公司生产的AT89C51芯片，考虑作为一款低电压、高性能CMOS8位单片机芯片，有着便宜的价格，并且它和MCS-51系列有着很好的兼容性。因此在这个系统中采用AT89C51作为控制芯片。

AT89C51单片机作为本系统的主控模块，主要负责对YL-69湿度传感器采集到的数据进行分析及处理，并且可以通过按键设置输入湿度值的上下限，然后将采集的数据和设置数值输出到LCD显示器，如果缺水，则会驱动蜂鸣器发出报警，并且输出信号给继电器，驱动水泵灌水。

AT89S51主要的性能参数：4K字节可重复擦写Flash闪速存储器；1000次擦写周期；4.0—5.5V的工作电压范围；全静态工作模式：0HZ—24HZ；32个可以编程的I/O接口；有6个中断源；内部RAM字节为128*8；2个16位定时计数器；全双工串行UART通道；看门狗（WDT）及双数据指针；掉电标识和快速编程特性。

其中在单片机AT89C51里面，有一个高增益方向的发达器，就是XTAL1和XTAL2引脚，它们各为放大器的输入端与输出端，为了构成一个稳定的自激式的振荡电路，则需要在XTAL1与XTAL2引脚上再串联一个晶体振荡器，该振荡器电路的输出可直接送入内部时序电路，即为单片机的时钟电路。

在单片机上通电的时候，AT89C51单片机的复位端RST端口中，时钟电路才会进行工作，如果在工作过程中有大于2个周期的高电平通过RST端口，那么单片机将会进行复位运作，复位后的单片机，PC=0000H，CPU从程序存储器的0000H开始取值执行，这便是单片机的复位电路原理。在单片机的系统中，为了能够使复位键稳定的工作，需要将RC电力连接施密特电路以后，再和单片机复位键相连接，这样是为了能够使系统的干扰性大大提高。如果在系统中需要多个复位芯片时，而这些复位芯片的要求和单片机的复位系统相同时，可以将芯片的复位端连接到单片机的复位端。

在通电的一瞬间，由于电容存在固有特性使得其两端的电压不能瞬间发生改变，所以单片机的RST引脚电压端，VR的电压为VCC，在电容重的时候，RST引脚的电压会下降，随时间的增加电容会充完电，RST端口的电压将会接近0V。

参见图2，在组合复位电路，电阻R2的数值大多是较小的，仅仅为几十欧姆，在按下复位按钮之后，电容C3快速通过电阻R2进行放电，放电完成后VR=（R1*Vcc）/（R1+R2），由于R2远远小于R1，电压VR与VCC基本相同，使得RST引脚的电压为高电平，将复位键松开后，过程与上电复位相同。单片机复位后，ALE和为输入状态；片内 RAM 不受复位影响；P0 ～ P3口输出高电平，且这些双向口皆处于输入状态，堆栈指针SP被置成07H，PC被置成0000H，接着，单片机将从程序存储器的0000H开始重新执行程序。因此，单片机运行出错或进入死循环时，可通过复位使其重新运行。

2 LCD显示模块

在系统的设计过程需要一个显示器来显示检测到的土壤湿度值，相比较LED数码管，参见图2，LCD1602是一种专门可以显示英文字母、阿拉伯数字及符号的点阵型液晶，它能够同时显示16*02即32个字符，它由若干个5×7点阵字符位组成，每个点阵字符都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔。其中：1脚：GND为电源地；2脚：VCC接5V电源正极；3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高；4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器；5脚：RW为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作；6脚：E(或EN)端为使能(enable)端,高电平（1）时读取信息，负跳变时执行指令。7～14脚：D0～D7为8位双向数据端，分别与单片机的VCC口~P0.7口相接，并串联一个PO上拉电阻电路，增加P0口的驱动能力；15脚背光正极，16脚背光负极。

3 土壤湿度检测模块

YL-69土壤湿度传感器作为土壤湿度检测模块的核心，其原理为湿敏电容，当环境的湿度发生改变时，会使得湿敏电容周围环境中的介质发生改变，导致湿敏电容中的电容值产生变化，电容值正比于湿度值。

最终校验证明湿度的采集是可以用湿度传感器来实现，树苗的灌水域值也可以以采集到的数据为参照进行输入。将湿度传感器看作可调变阻器，当湿度传感器采集到湿度时，电阻值发生变化，湿度最小时的电阻值为10K，湿度最大时微0.1Ω。 变化的幅度是根据湿度传感器采集到的湿度大小而定。随着电阻值的变化，电路的输出电压也跟着变化。调节电阻值的大小，可得到想要的电压，满足电路的需求。

此次设计采用的是土壤湿度传感器YL-69，其表面采用镀镍处理，有加宽的感应面积，可以提高导电性能，防止接触土壤容易生锈的问题，延长使用寿命。还可以宽范围控制土壤的湿度，通过电位器调节控制相应阀值，湿度低于设定值时，DO输出高电平，若高于设定值时，DO输出低电平。另外YL-69传感器主要采用三线制，接电简单，只需把VCC外接5V电压，GND外接数字地，DO“小板数字量输出接口（0和1）”接到单片机即可。

由于单片机不能直接收到湿度传感器的输出信号，所以在设计时考虑对湿度传感器的信号进行A/D转换，因此与ADC8032芯片相接，把数据进行AD转化。ADC0832是由一家名为NS（National Semiconductor）的公司生产的串行接口8位A/D转换器，它性价比高、耗能低，适用于小型的智能设备中。ADC0832与单片机三根线相连，是8位分辨率的，所以其分辨率最高级能够达到256级，一般的模拟量都不成问题。ADC0832的数据校对是通过双数据输出来完成的，这是为了达到减少误差的目的，转换的速度快并且有很强的稳定性。ADC0832为了减少数据的误差，其校对数据是使用具双数据的，有较快转换速度并且稳定性强。ADC0832能独立输入，因此处理器能够更方便的驱动控制多个器件。使用DI端进行数据输入，可以让通道功能的选择变的简单。

因此YL-69湿度传感器在系统中电路原理图如图3所示，YL-69探头与ADC8032芯片相接，把数据进行AD转化,ADC9032芯片的CS端为低电平，所以与单片机的P1.4口相接；CH0，CH1为两路模拟信号的输入端，所以接到YL-69的JP2脚口；DI口为数据信号输入端，选择通道控制，DO为数据信号输出端，转换数据输出，所以与单片机的P1.3口相接；CLK为串行时钟输入端，所以与单片机的P1.1口相接；Vcc/REF作为电源的输入和参考电压输入，GND作为电源地。

4 按键设置输入模块

按键设计如图2中所示，S1位复位键、S2位设置湿度值的按键、S3湿度值调整加键、S4湿度值调整减键，设置键接AT89C51P3.0口，加减键分别接P3.1口和P3.2口。

5 继电器与水泵灌水模块

继电器是当输入量（激励量）的变化抵达器件规定要求时，在电气输出的电量里会被控制发生预定阶跃变化的一种电控制的电器。继电器的控制系统（输入回路）与被控制系统（输出回路）之间是相互有着联系的。继电器常常被应用其控制自动化的电路中，其实际上可以看做是用小电流去控制较大的电流工作的一类“自动开关”。因此继电器在电路中起着保护电路、自动开关的作用。

本系统采用的是电磁继电器，电磁继电器大多数是由线圈、铁芯、衔铁及触点簧片等构成的。只要有一定的电流在线圈的两端流过，继电器内部就会产生电磁效应产生磁力，在磁力吸引的作用下，衔铁快克服了弹簧拉力的作用，将会吸附在常开触点上，使得电机M开始工作。在线圈没有通上电的时候，电磁效应也会同时消失，衔铁快会在弹簧拉力的作用下回到其原有的位置即断开触点，通过控制线圈的通电与断电，从而达到衔铁快与两触点之间的选择连接，使得达到电路断开及导通的目的。

图4中Q2PNP型三级管的b基级低电位时，三极管串联一个10k电阻接AT89C51P3.7口，三极管导通，继电器控制K1单刀双掷开关向右边偏离，电机M水泵通电，D2的LED灯亮起，水泵开始工作。

6 蜂鸣器警报模块

蜂鸣器：蜂鸣器位本系统中涉及的报警系统部分。三极管串联一个10k电阻接AT89C51芯片P1.5口，当PNP三极管导通时，蜂鸣器响起。蜂鸣器电路如图5所示。

本此灌水系统根据单片机控制原理，运用土壤湿度传感器进行数据的收集统计，设定一个树苗需水量的域值，然后通过设置按键来调整湿度值的上下限，再通过单片机实现数据收集并进行分析及处理，进而判断幼苗在生长过程中所需的湿度值。假如土壤湿度低于幼苗所需湿度值设置的下限值，则通过单片机发出信号，使得继电器控制水泵灌水，同时蜂鸣器发出通知，当土壤湿度值使得到达设置的上限值就发出命令，停止灌水，警报消除，从而达到自动灌溉的目的。

本实验主要完成以下的几个功能：用YL-69检测土壤湿度；使用LCD1602显示测量的数据；通过分析树苗生长时的所需湿度值设置灌水的上下限；使用单片机对采集到的数据进行分析和处理，并发出一系列的命令，继电器控制水泵是否需要进行灌水，蜂鸣器是否报警。

本系统区别以往的自动灌水系统的地方在于精确灌溉，就某种已调研且需水量大的速生科研苗进行灌溉。普通的灌溉系统都是对很多植物进行喷灌和滴灌，这样会浪费大量的水，而本系统经过前期考察研究，对某种速生科研苗的需水量进行具体研究，经过微处理器的分析灌水，并且通过最直接的地灌方式（水泵的输出皮管灌水插入土壤层），可以真正做到自动灌水节水化，并且本系统低成本设计，最终能够实现智能监控和自动灌溉。

该自动灌溉系统具有投资少、效益高、运行可靠、节水显著、故障低、节约人工等优点，是高科技在农业生产中的具体应用，具有广阔的发展前景。

Claims (4)

1.用于树苗育苗的自动灌水系统，其特征是：包括单片机、用于检测土壤湿度的湿度传感器、用于设定土壤湿度上下界限时的输入装置、用于控制水泵工作的控制器、显示器，湿度传感器、输入装置、控制器、显示器均与单片机电连接；水泵的输出管位于土壤内。

2.如权利要求1所述的自动灌水系统，其特征是：湿度传感器为YL-69湿度传感器，YL-69湿度传感器通过A/D转换器ADC0832与单片机相连，单片机为AT89C51单片机。

3.如权利要求2所述的自动灌水系统，其特征是：控制器为继电器。

4.如权利要求2所述的自动灌水系统，其特征是：它还包括与单片机电连接的蜂鸣器。