基于单片机的节水灌溉自动控制器的设计

林耀忠 广东省高级技工学校 516100

【文章摘要】

随着我国农业化进程的发展和农业结构的调整，特别是我国加入WTO 之后，更加注重农业灌溉自动化技术的发展。而灌溉控制器在我国农业市场上占据着重要地位，其中在水资源日益紧张的环境下节水灌溉自动控制器的应用比较广泛，在这方面我国灌溉控制系统可供选择的空间还比较大。为了提高控制器的智能化技术含量，现在市面上开始广泛应用一种单片机形式的自动控制器，具有较好的应用效果。本文主要分析这种单片机在节水灌溉方面自动控制器的设计。

【关键词】

单片机；节水灌溉；自动控制器；设计

我国是一个农业大国，农产品的生产需要有大量的水做保障，但是我国水资源匮乏，而且农业用水中浪费比较严重，灌溉成了制约我国农业生产的重要因素。所以我国农业发展必须走节水道路。近年来，喷灌、微灌技术发展较快，起到了较好的社会效益，但是我国的现代化灌溉技术与发达国家相比仍然具有较大的差距，为了提高灌溉效益，减少灌溉中水资源的浪费，我们应用单片机的灌溉控制器，其能够根据时间、温度、湿度有效的控制灌溉，实现灌溉的定量控制，提高灌溉的经济效益。

1 控制器的总体设计思路

在农业灌溉中，自动灌溉的实现首先要考虑控制其的设计，基于单片机的节水灌溉自动控制器的总体设计思路是：控制器的核心系统采用LG 公司生产的完全兼容的8051 单片机；利用分布式管理进行单片机和计算机设备的管理，主要任务是控制单片机的现场任务，结合个人计算机监视和历史数据的储存对其进行合理的管理；控制器设计中特让水势的测量利用测量传感器，这个设计系统在测量时能够连接三路传感器，并且系统也可以控制10 路输出，系统在操作时能够完成对传感器循环控制、时钟控制、全手动控制等，也就是自动闭环控制；此控制器还设有排水量警示标志和单片机数据上传的功能，也具有灌溉总时间和掉电自动记录以及保护等功能；系统功能操作有各个引导显示和按键组成，此系统总体硬件结构如图一。

2 控制器有关硬件电路设计

2.1 单片机主机电路分析

此控制器系统设置，在运行过程中必须具有长时间无人值守功能和时间判断的功能，以便实现自动化喷灌。单片机在设计时要利用计数器以及查询按钮等，这些硬件设备占用的资源空间比较多，外部扩展芯片能够较好的解决资源不足的问题。主机电路主要由总线、编程、引脚组成，这三部分相互协调完成对各个寄存器速写时间的设定和读取。

2.2 数据采集处理电路

图一：系统总体硬件结构图018

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此系统中存在较多的传感信号传输， 但是系统接收端只有一个，为了解决这个冲突问题，系统采用应答式控制，以便控制各个系统硬件，实现系统信号的采集转换。此系统采用的是A/D 转换器为ADC0809 芯片，这种芯片内部有8 为模拟开关，可以实现同时对8 路输入电压的信号的分时采集。

2.3 驱动电路与键盘显示

此单片机采用的键盘格局为3×8 模式，8 为LED 显示和CPU 地接口逻辑的电路原理图见图二。图二中CPU 外接一片8155，这样能够节省CPU 资源， 提高其工作效率。8155 的RAM 地址为7E00H ～ 7EFFH，8155 的PA 口是输入口，用控制键盘的列线Y0 ～ Y7 作为扫描键盘口，同时也是显示器的扫描口，8155 的C 出口为输入口，PB 为显示器的断线据口。采用行列扫描确定键盘输出和扫描。单片机的键盘和显示器电路工作必须稳定可靠，显示器一般要选择高亮度的清晰显示器；键盘操作要反应灵敏、可靠，整个电路要能够较好的完成这个系统的工作。

2.4 监控PC 间的通讯电路设计

在此控制器的设计中，监控PC 间的通讯主要采用的是双全工的通信方式，这种通信方式使用的是一种串行通信总线标准，同时也是DTE 是和DEC 间传输串行数据的接口总线。此系统间各个不同类型的电平之间不能直接互联，只有先经过必要的电平转换才能实现电平间的互联的作用。系统自实际运行是利用能够自动实现利用最少的信号线完成整个通信任务，以便降低系统的设备连线的成本，使系统更加简单、完善。此系统电路使用总线类型进行设计，通过干多站的互联作用，简化系统电路形式。而且这种方式的通信距离较远，传输数据量比较快，通信距离比较远，可达到1200 米左右。监控PC 的通信接口芯片选择使用MAXl480B 类型芯片，这种通信接口芯片是一种完全电隔离的半双工通信接口芯片，工作中所需电伏为5V，隔离电压比较高，可以达到1500V。所以在运行中不需要再增加其他隔离电压类型；另外，此芯片具有较高的数据传输速度，高速度的数据传输满足了控制器的通信要求，能够使控制器在运行过程中通信更加流程。

2.5 看门狗电路设计

看门狗在系统工作恶劣的环境下容易受到较大的干扰，产生一些列的损害， 比如运行时看门狗的指针PC 指发生改变，导致系统程序运行异常，致使程序飞出或者使系统数据区的存储数据发生严重的损坏。为了解决这个问题，我们必须采取一定的措施预防此种故障的出现。此系统的看门狗电蹄是由X25045 芯片米组成，此类芯片是一种可以编程的看门狗控制系统。它能够为系统提供独立的保护作用，如果系统出现故障，系统自动启动看门狗定时器，使各部分设备继续正常工作，以便于保护系统的安全，这是RESET 信号也会发生反应，变为高电压、系统复位状态；在此微循环控制器运行时对控制器进行刷新，防止中断定时器。另外，看门狗超时周期设置状态，要与寄存器中各个位置点相呼应，超时周期一旦选定，就算是电源周期发生变化，超时周期也不会发生改变。

2.6 其他功能电路设计分析

在基于单片机的节水灌溉自动控制器中除了以上我们所说的几种硬件电路设计之外，单片机控制器系统内还有很多类型电路设计，比如主电板电路设计、传感器信号电路设计、电源连接电路设计、v ／ F 转换电路设计、存储器扩展电路设计等，总之自动控制器系统比较复杂，电路设计繁多，在设计时一定要注意各个电路间设计关键点，以便能够提高控制器工作效率。

3 自动化控制器软件设计分析

基于单片机的自动化灌溉控制器中硬件是其重要保障，那么软件就是其实现自动化的关键，是整个系统的灵魂。只有在软件系统的调配下，控制器才会实现自动化灌溉，否则和其他传统的控制器没有太大的区别。在农业灌溉中控制器的系统软件和硬件相互配合工作，实现实时灌溉。它能够通过本地区的温度、土壤湿度和灌溉时间等确定一片区域的灌溉时间和需水量，从而完成全过程无人值守的效果。但是在运行过程中工作人员要注意系统的正确操作，不要出现误操作现象，否则会影响系统的正常运行。控制器的软件程序采用C 语言编程，主要包含键盘中断程序、主程序以及数据采集程序等，这些程序相互关联，共同完整系统的运行，系统在运行时一般采用中断方式的相应按钮，以便能够提供工作效率。

4 结语

基于单片机的节水灌溉自动化控制器通过硬件和软件的设计与应用，能够根据时间、温度、湿度等参数实现灌溉的自动控制。用户能够通过显示按键盘查询、修改控制器参数，控制器的运行状态由LED 灯进行实时显示，通过工作模式的选择能够实现自动、手段工作模式的切换。这种设计从农业的实际情况出发较好的控制浇灌，实现灌溉中的实时控制，大大减少了水资源的浪费，提高水资源利用率符合可持续发展的理念，提高了农业用水的社会效益与经济效益。

【参考文献】

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【作者简介】

林耀忠，1974 年3 月，男，汉，广东省博罗县，2009 年毕业于惠州学院电气工程及其自动化专业，本科，现供职于广东省高级技工学校；教师；研究方向：自动化控制。

图二：键盘与显示驱动电路019