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基于单片机的时间控制灌溉系统设计
高国宏1，刘毅2，傅俊辉1，王英俊1
- 河南科技学院信息工程学院
河南新乡453003 Sanyuerj03@126.com
- 重庆大学软件学院
重庆，中国，400044 Liuyi@126.com
摘要 - 介绍了基于单片机（AT89S52）在农业和园林灌溉系统中的应用，设计了一种时间控制灌溉系统。 系统可以设置工作时间，并可以在无人参与下自动灌溉田地。 如果设置时间结束，系统可以自动停止灌溉和报警。 它通过本地调试满足了需求，有利于节约用水和节省人力。
关键词：定时灌溉; AT89S52;定时报警;电磁阀
- 介绍
中国是一个农业大国，农业灌溉需要消耗大量的水，在实现农田自动化灌溉的同时，我们也要考虑如何节约用水，由于我国在这个领域起步较晚，农业自动化程度相对较低，不能在实际生产中得到广泛应用[1]。在农业和园林绿化生产中，漫灌的灌溉方式和落后的灌溉技术已不能满足现代农业的要求，发展节水灌溉势在必行。 灌溉自动化可以大大降低灌溉劳动强度，提高劳动生产率，减少灌溉用水损失，这是灌溉管理现代化的一个标志，是灌溉农业发展的方向。
目前，硬件控制的灌溉系统更多的是采用PLC，作为工业控制的机器，PLC控制的系统较简单，运行稳定性较差。而计算机控制系统作为下一个较优越的系统其功能尚未充分体现。本文结合农业和园林灌溉的特点，研究灌溉系统的控制问题，提出以单片机AT89S52为控制核心，在对农田和园林进行灌溉时通过控制灌溉时间以降低系统灌溉成本，提高灌溉生产效率。
II. 系统设计
控制系统如图1所示。系统核心单元采用AT89S52单片机。 通过单片机提供的定时器可以实现灌溉时间的定时。系统的设计包括定时输入单元、定时报警单元、电磁阀驱动单元。
图 1 系统结构图
A. 硬件电路
系统的硬件设计主要包括时钟单元，定时输入单元，报警单元，显示单元和电磁阀驱动单元等5个部分。
1) 时钟单元
AT89S52内部具有一个高增益的反相放大器，用来构成振荡器，反相放大器的输入端是XTAL1，输出端是XTAL2，两端跨接石英晶体，两端的两个电容可以形成一个稳定的自激振荡器。 电容器C1和C2的选择通常是30uF左右，这可以稳定频率并具有微调效应。 脉冲振荡的频率范围为0-24MHZ。 振荡信号从XTAL2端输入到片内时钟发生器，用户可以通过AT89S52内部的计数器编程实现定时控制的功能。 系统的电磁阀可设定开启和关闭时间，当灌溉时间值达到设定的时间值时，电机自动停止灌溉。
2) 定时输入单元
定时输入单元电路总共使用五个按钮，S0作为复位按钮，S1作为开始/暂停按钮，S2作为设置键，S3调节加键，S4调节减键。通常情况下，按键所连接的输入数据线为1（高电平），当按键按下时，线设置为0（低电平），所以通过单片机的位处理指令判断是否按下按键。 用户可以通过S0对系统进行复位，然后使用S3的加键和S4的减键来调整时间。
3) 报警单元
当设置的灌溉时间结束时，微控制器控制电磁阀断开，灌溉系统停止工作，此时，报警单元会按设定方式发出报警通知。在设计电路时，单片机的P1.6口与晶体管基极相连，当P1.6输出高电平时，晶体管导通，蜂鸣器两端的电压约为 5V，并响起; 当P1.6输出低电平时，晶体管截止，蜂鸣器停止，系统恢复正常。
4) 显示单元
该系统的显示单元是控制数字动态显示。 采用这种控制方式是为了解决由于单片机的高电平输出而导致数码管电源不足的问题，动态显示需要CPU来控制刷新显示。理论上来说，如果两次显示之间的时间间隔小于32ms，人眼无法区分。因此，为了达到这个要求，LED的扫描频率一般按照如下公式计算出来：
f = 32 N
其中：f是扫描频率，对应于定时器的定时（T = 1 / f），32是32ms的转换转换时间，32ms正好对应于32Hz的频率; N是一组LED总的个数。
由上述公式求得的扫描频率f实际上是LED驱动扫描的最小频率，如果低于此频率，可能会导致LED闪烁。 当然，f不能越高越好。 如果扫描频率过高，每组LED的照明时间过短，可能导致LED显示屏亮度不足，不能达到使用要求。
5) 电磁阀驱动单位
电磁阀驱动单元需要将单片机输出的5V电压转换为24V，才能驱动电磁阀关闭。 由于电磁阀电流较大，如果它们与微控制器直接连接，在出现短路或尖峰脉冲时，可能会损坏微控制器，因此在本机中，它适用光耦合器P521。
具体的定时控制电路图如2所示
图2 定时控制电路图
B. 软件实现
软件部分主要完成所有要使用的存储单元的初始化，设置中断，设置定时器模式，并调用相关的子程序。程序流程图如图3所示。
1) 定时模块程序的实现
在AT89S52单片机中，定时器数量有限，但在农业或园林灌溉过程中，可能需要设置多个定时器。为了使定时器完成多个定时任务，设计采用了时间操作失误方式，即将大量的定时时间队列存储到一个连续的单元中，然后按照24H执行指令。并行设置，完成定时。部分如下：
void timer2_init（void）//初始化定时器T2
{
TCCR2 = 0x00; //禁用计时器
ASSR = 0x00; //异步时钟模式
TCNT2 = 0x00; //初始值
OCR2 = 0x7F;
TIMSK | = 0x00; //中断使能
TCCR2 = 0x61; //启动计时器
}
2）显示模块编程的实现
显示模块可以显示定时时间和当前时间，使用动态扫描显示所有数据。
RAM显示单元分配如下：
显示单元为2DH-2AH，34H-35H，27H-26H。
2DH-2AH：当时钟高电平，低电平，次高电平，低电平时，显示四个模块。
34H-35H：显示时间间隔。
35H：不定时存储子间隔峰值，34H：定时存储时间间隔低限。
26H-27H：存储当前时间的高点和低点。
该部分的主要程序如下：
INC 3AH //定时器单元加1
MOV A，3AH //定期比较定时单元的数量和时间的显示
CJNE A，＃64H，SETT //如果小于定时范围，则跳转设置
MOV 3AH，＃00H //否则清零
MOV 24H，＃40H //初始化24H和25H单元
MOV 25H，＃40H //清除26H和27H
MOV 26H，＃00H
MOV 27H，＃00H
III. 设计的使用说明和结果
（1）存储环境和注意事项。①避免阳光直射；②周围温度为0〜55℃；③相对湿度在10％〜90％RH范围内；④避免湿度和温度快速变化的结露环境；⑤避免接触腐蚀物、易燃气体与盐；⑥避免灰尘、铁粉、药水和油滴；⑦避免直接剧烈震动和碰撞。
（2）使用要求。①请使用规定的电压，否则会烧毁微电脑控制系统；②拧紧微机控制系统的接线板和螺钉；③必须接地，否则可能导致触电；④连接电源前，检查开关和接线的设置；⑤不要擅自修理和改装可编程控制器。
(3)使用效果。使用该灌溉系统实现了灌溉定时控制，减轻了人员工作量，提高了资源利用率，有效缓解了水资源紧张日益加剧的矛盾，同时提高了农作物产量，降低了农产品成本。据估计，使用该系统后，可节省17％的水，节省15％的电力。
IV. 结论
中国节水灌溉政策的核心是农业灌溉。本文介绍了利用微控制器构建自动化灌溉系统，该系统将有效解决传统农业灌溉存在的问题。实验验证结果表明，该灌溉控制系统稳定可靠，能够充分满足生产实际需要，使用方便，有效提高了控制和管理水平。
参考文献
[1]杨曦.基于嵌入式系统的农业节水灌溉系统的应用研究.安徽农业科学，2009, 37 (6): 2793-2794.
[2]林青,王冀. 基于嵌入式技术的智能灌溉系统的设计. 通讯技术, Vol.42,No.05,2009.
[3]Trung-Kien,Nguyen,Chung-Hwan,KimGook,JuIhm.CMOS Low noise amplifier design optimization techniques [J].Microwave Theory and Techniques (IEEE Transactions),2004,52(5):1433-1442.
[4]谢寿永,李希文,杨树梓.基于PLC的模糊控制灌溉系统的设计与实现[J].中国科学技术大学学报,2007,23（6）：208-210.
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[6] J.A.Costa,N,Patwari,and A.O.Hero.“Distributed multidimensional scaling with adaptive weithting for node localization in sensor networks”, IEEE/ACM Trans.Sensor Networks,(to appear) [Online].Available:http://www.eecs.umich.edu/～hero/com.html.
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