投入式液位变送器等智能化仪表在现代农业灌溉系统中设计与实现

 
　　一、引言
随着农业现代化进程的推进，传统的的大水温灌的农业灌溉方式已经不能够满足现在农业的需要，因为传统型的人工操作不仅费时费力效率低，并且资源浪费严重，因此在农业灌溉急需要一种系统化的控制设备。为此一种基于单片机的智能农业灌溉系统装置应运而生。该系统包含了控制模块、传感模块、输入显示模块和灌溉模块，四大模块共同作用完成智能灌溉功能。本装置采用采用单片机将土壤湿度与设置的上下限值相比较判断是否需要浇水，土壤湿度传感器实时监测湿度并在LED 显示屏上显示，通过投入式液位变送器控制灌溉量，进而通过控制模块控制水泵实现智能灌溉。




 
在农业上，目前我国的农业灌溉方式仍然主要为大水漫灌，然而大水漫灌从各个层面上考虑并不是一种好的灌溉方式。*先，我国的淡水资源并不丰富，是一个缺水大国，同时在农业方面对水的需求量较大，并且利用率较低，在需要频繁浇水的蔬菜农植方面总体利用率更低。大水漫灌不仅浪费水容易使土地盐碱化，而且灌溉并不均匀，部分农作物会受到水流冲刷的伤害。二，不同的植物其适合生长的土壤湿度不尽相同，即便是一种植物在它不同的生长时期对土壤湿度的要求也不一样。因此传统的灌溉方式并不能实现合理的农业灌溉。生活中，部分家庭喜欢在家中养花，可以净化空气陶冶情操，却也时常遇到不便，比如有时出差、工作忙，花却无人照顾，经常犯懒或者记性不好忘记给花浇水等等。
 
为解决上述问题，经过对市场上现有相关产物的研究，提出一种智能农业灌溉系统，该系统包括电源模块、控制模块、灌溉模块、输入显示模块，传感器实时监控土壤湿度并根据设定的植物所需的土壤湿度范围值实现智能调控。该系统不仅适用于大面积农业灌溉，解决了传统灌溉方式带来的土壤盐碱化、水肥流失、粮食减产等问题，在家庭花卉的栽养中也同样适用，让花卉养殖者更为省心省力。
 
　　二、总体设计方案
系统包含智能灌溉和定时灌溉两种模式，以便满足用户的不同需求。智能灌溉模式下，利用数字图像处理技术进行植物识别，同时与互联网相连自动设置该植物所需的湿度范围( 如60% ～ 80%) ，用户也可以在按键模块中手动输入想要设定的湿度上下值，系统设定信息可在LED 显示屏上查看。由单片机接受该范围并控制土壤湿度传感器进行湿度检测，一旦检测到湿度低于60%，系统控制电磁阀打开开关，调用水箱中的水进行灌溉，当土壤湿度的测量值高于80% 时则终止灌溉。在定时模式下，由用户设定灌溉的起止时刻，根据所设置的起止时刻进行灌溉。但在此期间当土壤湿度达到上限值时，对植物开启灌溉保护模式，即便未到停止灌溉时刻也要终止灌溉。利用液位传感器控制水箱液位，液位低时系统报警提示补充水箱。
 
　　三、系统硬件软件设计
( 一) 系统硬件设计。本系统一共分为四个模块: 控制模块、传感模块、输入显示模块和灌溉模块。控制模块主要由AT89C51 单片机构成，传感模块主要由湿度传感器( 可用DHT11，不限于此型号) 构成，输入显示模块主要由键盘和液晶显示屏( 可用LCD1602，不限于此型号) 构成，灌溉模块主要由继电器、电磁阀、洒水喷头、水箱、液位传感器( 可用CYW11，不限于此型号) 构成，同时在51 单片机和电磁继电器之间添加S8050NPN 管来驱动。
 
　　1． 单片机控制模块。本装置将单片机控制模块作为核心组成部分，选用AT89C51 单片机为控制器件，通过为该单片机配置相应的外围电路来实现系统功能。AT89C51 单片机的性能强大、容易学习，语法结构较为简单。虽然51 单片机是8 位机，但其处理精度与速度可以满足本装置的设计要求，且低廉的价格有利于降低成本，使得本装置大批量生产。本系统通过外接数模转化器对湿度传感器所检测的数据进行采集，外接矩阵键盘与LED 液晶显示屏实现对湿度范围的设定与显示。采用外部中断，当湿度及液位达到上下限值时，CPU 将作出相关回应。
 
2． 传感模块。在土壤湿度检测上，选用DHT11 湿度传感器为传感元件。该传感器响应空气湿度范围为20 ～ 90ＲH、温度范围为0 ～ 60℃，具有较高的精度、良好的稳定性、轻巧的体积，满足本装置的需求。将传感器直接与5V 电源相连，完成0 ～ ****的土壤相对湿度检测，并通过A/D 转换将数据传送给51 单片机，单片机接收到数据后，对是否需要灌溉进行判断。由于DHT11 传感器长期暴露在太阳光下易使性能降低，因此在使用过程中应当注意避免阳光直射。
 
3． 输入显示模块。系统的输入显示模块能够通过矩阵键盘输入土壤湿度，并在LED 显示屏上显示系统调节的过程。LCD 液晶屏体积很小，便于安装和更换; 可现实4 行汉字传输，速率高、功耗小，工作电压在3. 3V ～ 3. 5V 之间; 性价比高，因此该液晶屏在该系统中得以应用。在实际应用中，将LED 显示屏与矩阵键盘结合使用，由于不同的植物对土壤相对湿度的要求有所不同，故使用按键模块按照用户需求设定土壤湿度的上下限值，显示模块用来显示该调节过程。此外，在对供水水箱的高度进行水位范围的设定时，显示模块同样起显示作用。
 
4． 灌溉模块。在设计液位控制部分时，*先需要对水箱液位进行检测，采用投入式液位变送器。投入式液位变送器内含压敏元件，利用压敏元件的压阻效应，将所测液压转换成为电信号输出。投入式液位变送器具有精度高、体积小、使用寿命长且价格相对便宜的优点，足以满足本系统的需求。在安装时直接将其置于水箱底部，即可测出其距水面的高度，操作简单容易安装。当对供水水箱的水位进行控制时，*先液位变送器检测出水位高度，经A/D转换后输出相对应的电压信号送入单片机。当水箱水位低于下限值时，单片机发出指令控制继电器从而使电磁阀给水箱加水，当液位高于设定的上限值时，关闭电磁阀停止灌溉。
 
灌溉部分主要包括继电器和电磁阀两部分。由于电磁阀需要24V 直流电压供电，而我国采用220V 交流电压为标准电压，因此需要利用开关电源完成交直流转换才可以使用。采用串联的连接方式连接继电器、开关电源及电磁阀，利用单片机控制继电器衔铁的吸合与释放，从而控制电磁阀的通断。尽管单片机的输出电压与继电器的输入电流均为5V，但单片机输出电流较小，不能够直接驱动继电器，因此需在单片机的输出引脚与继电器之间添加一个驱动装置，这里使用S8050NPN 管。S8050 是一种小功率三极管，利用S8050将单片机的微小输出电流放大为幅值较大的电信号。
 
( 二) 系统软件设计。系统的软件设计分为智能灌溉模式和定时灌溉模式两种情况，用户利用按键进行模式的选定。启动智能农业灌溉装置后，*先单片机对数据进行初始化，然后启动定时器中断与外部中断，等待中断的发生。利用定时器中断进行时间的累积，利用外部中断实现湿度上下值的设定。智能模式下，*先利用外部中断设定系统湿度范围，由单片机接受该范围值并控制土壤湿度传感器不断地对土壤湿度进行检测，通过A/D 转换将测量值输入到单片机中并与用户设定的湿度上下限值进行比较，判断是否需要进行浇水操作。定时模式下，用户可根据实际需求设定灌溉时间，A/D 准换后单片机进行读取，控制灌溉模块在用户设定的时间内进行灌溉操作。本设计系统原理图如图1 所示。
 
　　四、结语
本系统将单片机与传感器结合，用户可以随时了解当前土壤湿度情况，并根据实际需求自行设定土壤湿度实现定时控制与智能灌溉，为用户管理植物提供便利的同时避免了由于养殖经验不足而导致的植物死亡情况的发生。


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