温室大棚蔬菜自动喷灌系统设计.pdf

60 电子制作 2021 年 09月 自动化技术 0 引言 温室大棚种植蔬菜是北方冬季人们获取新鲜蔬菜的主 要方式 随着人们生活水平的提高 大棚蔬菜种植面积也在 逐年增加 由于我国淡水资源短缺 人们越来越重视农作物 的节水灌溉 现阶段大棚蔬菜的灌溉主要依据菜农的经验采 用大水漫灌方式实现 这种粗放的灌溉方式不仅浪费了宝贵 的水资源 还耗费了大量的人力 降低了蔬菜的生产效率和 品质 影响了菜农种植蔬菜的经济效益 通过研究 本文设 计了一种温室大棚蔬菜自动喷灌系统 解决了以上问题 1 系统设计 温室大棚蔬菜自动喷灌系统组成如图 1 所示 该系统 以STC89C52单片机作为控制单元 土壤温度含水量传感 器组 喷灌水温传感器将采集到的土壤含水量信号 水温信 号传给单片机 单片机将采集到的信号与根据当前蔬菜的品 种和生长周期设定的数值进行比较 对电磁阀及水泵驱动电 路模块发出控制指令 控制喷灌系统工作 保证土壤含水量 在合理范围内 该系统主要实现以下功能 1 能自动检测多点土壤温度含水量和喷灌水源水温 能 根据系统设定数值和算法 自动控制喷灌系统的开启和关闭 2 按照实际要求 可通过按键设置调整时钟 设定水温 土壤含水量允许上下限值并可实现断电存储 STC89C52 单片机 土壤温度含水量 传感器组 喷灌水源水温传 感器 电磁阀及水泵驱动 电路 LCD显示模块 手动输入模块 实时时钟 图 1 温室大棚自动喷灌系统原理框图 2 系统硬件设计 1 系统控制单元选用8位STC89C52单片机 单片 机内置 8K 字节 Flash 512 字节 RAM 4KB EEPROM 32 个外部双向输入 输出 I O 端口 能够满足系统需求 EEPROM 用于存储设定土壤含水量 喷灌水源水温数据 2 液晶显示模块选用LCD1602液晶显示器 使用并 行方式与单片机 I O 连接 实现土壤温度 含水量 喷灌水 源水温 实时时钟显示 单片机与 LCD1602 连接见图 2 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 RESET 9 P30 RXD 10 P31 TXD 11 P32 INT0 12 P33 INT1 13 P34 T0 14 P35 T1 15 P36 WR 16 P37 RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19 GND 20 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE 30 EA 31 P07 32 P06 33 P05 34 P04 35 P03 36 P02 37 P01 38 P00 39 VCC 40 STC89C52 VCC VCC VCC R2 10K RS RW EN P00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 R3 10K P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 VSS 1 VCC 2 VO 3 RS 4 RW 5 EN 6 D0 7 D1 8 D2 9 D3 10 D4 11 D5 12 D6 13 D7 14 A 15 K 16 LCD 160 2 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 RS RW EN 图 2 单片机与 LCD1602 连接原理图 3 蔬菜在不同生长周期对土壤含水量和温度的需求不 同 系统中增加了实时时钟模块 该模块选用 DS1302 时钟 芯片 DS1302 是美国 DALLAS 公司生产的一种实时时钟电 路 可以对年 月 日 周 时 分 秒进行计时 使用三 线制与单片机进行通信 为保证系统断电时 DS1302 正常工 作 电路中增加了掉电保护电源 该电源采用 CR2032 锂锰 纽扣电池 使用寿命可达 6 年 实时时钟用于自动标定蔬 菜不同生长周期 DS1302 与单片机连接见图 3 Vcc1 8 SCLK 7 X2 3 GND 4 Vcc2 1 I O 6 X1 2 CE 5 U1 DS1302 VCC BT1 CR2032 P1 2 P1 4 P1 3Y1 3276 8 图 3 DS1302 与单片机连接图 温室大棚蔬菜自动喷灌系统设计 王睿铮 1 曹文军 2 赵意如 3 1 华北理工大学人工智能学院 河北唐山 063210 2 华北理工大学电气工程学院 河北唐山 063210 3 华北理工大学以升创新教育基地 河北唐山 063210 摘要 为了提高温室大棚蔬菜的品质和产量 减轻工作人员的劳动强度 节约用水 本文设计了一套温室大棚蔬菜种植自动喷灌控制系 统 该系统以单片机作为控制核心 把传感器采集到的土壤含水量 喷灌水源水温信号送入单片机中 单片机将接收到的数据与标准数据 进行分析比较 根据比较结果来控制喷灌水泵工作 关键词 单片机STC89C52 土壤含水量传感器组 水温传感器 DOI 10 16589 11 3571 tn 2021 17 017 www ele169 com 61 自动化技术 4 手动输入模块采用 3 个独立按键 分别为功能键 参数设置加 1 键和参数设置减 1 键 实现实时时钟校准和 参数设置 独立按键与单片机连接见图 4 K1 K2 K3 P2 1 P2 2 P2 3 图 4 独立按键与单片机连接图 5 考虑到灌溉水温过低会影响蔬菜正常生长 系统设 置了喷灌水源水温传感器 型号为 DS18B20 DS18B20 是 采用单总线协议的数字式温度传感器 它直接将温度信号转 换成数字信号 可直接与单片机 I O 口连接 测量温度范围 在 55 125 单片机与 DS18B20 连接见图 5 当系统 检测到水温低于设定温度时 喷灌系统停止工作并报警 VCC P1 0 R 10K GN D 1 I O 2 V C C 3 DS18B20 图 5 单片机与 DS18B20 连接图 6 土壤温度含水量传感器选用山东威盟士科技有 限公司生产的土壤温度水分传感器 型号为VMS 3000 TR N01 该传感器是一款校准数字信号输出的温度含水量 复合传感器 可以同时测量土壤温度和含水量 工作电压 DC 4 5 30V 测量土壤水分量程为 0 10 0 测量土 壤温度量程为 40 80 输出为 RS485 Modbus 协议 信 号 由于同种蔬菜种植区域不同点的土壤含水量差别较大 为提高控制测量精度 系统采用了多点测量的方式 将传感 器组通过 RS485 总线 485 收发器与单片机 TXD RXD 口 连接 实现多点土壤含水量的准确测量 传感器组与单片机 连接框图见图 6 3 系统软件设计 1 系统软件由主程序 土壤含水量采集子程序 喷灌 水源温度采集子程序 实时时钟采集子程序 独立按键扫描 子程序 LCD 显示子程序组成 2 系统通电后首先进行初始化 初始化完成后 系统 运行按键扫描子程序 若扫描到有按键按下 系统进入设置 界面 并将设置的参数保存在单片机的 EEPROM 中 系统 对喷灌水源温度参数进行采集 若检测到水温低于设定温 度 系统将禁止启动喷灌操作 同时LCD显示水源低温警告 若检测到水温高于设定温度 系统将对实时时钟 土壤温度 含水量进行采集 单片机计算出土壤含水量算术平均值 系 统以此算术平均值作为控制依据 与蔬菜不同生长周期对应 的上下限值做比较 以确定系统是否启动喷灌作业 系统主 程序流程图见图 7 N Y N Y N Y 开始 系统初始化 按键扫描 启动喷灌 实时时钟采集 喷灌水源温度采集 含水量 下限 含水量 上限 水源水温 设定值 水源低温报警 土壤温度含水量采集 采集 参数计算 关闭喷灌 图 7 系统主程序流程框图 3 由于现场布线交错 环境复杂 电磁干扰大 系统 可能会出现采样值误差大 波动大等不稳定问题 系统采用 了软件滤波的方法尽可能保证采样值的准确 其工作原理是 下转第 79 页 图 6 传感器组与单片机连接框图 RS485总线 土壤含水量传感器1 土壤含水量传感器N 485收发器单片机 土壤含水量传感器2 www ele169 com 79 电子基础 3 2 模糊 PID 算法 系统采用位置式PID算法与模糊算法相结合 位置式 PID 算法如公式 1 所示 0 1 k pi d n uk Kek K en K k kee 1 选择光强度误差 e 和光强度误差变化率 ec 作为模糊控 制器的输入变量 经量化因子作用后得到模糊化变量 E 和 Ec 输入到模糊控制器 然后确定好输入 输出变量的模 糊论域以及隶属函数 根据系统响应前和响应过程中模糊 PID 参数整定原则 结合实验调整参数的经验 得到 p K i K 和 d K 模糊规则表 经过模糊推理 反模糊化后得到对应 的输出 p K 第一条模糊规则的隶属度函数如公式 2 所示 1 kp NB NB Emm mEc 2 依此类推 可求出 p K 所对应的不同光强度误差和光强 度误差变化率下的所有模糊规则的隶属度 根据重心法解模 糊化得到 p K 的输出模糊值 如公式 3 所示 49 0 49 0 pj p kpj j p p kpj j kkm k km 3 p K 的自整定公式如公式 4 所示 p pp p KKQK 4 式中 p K 为初值 p Q 为比例系数 p K 为模糊推理 得到的调节值 同理可得 i K 和 d K 的自整定公式 4 系统实物测试 系统实物如图 6 所示 在实验室进行了系统功能的初 步测试 首先遮挡四方位光电传感器中的某一个 模拟太阳 光无法直射太阳能电池板 系统能实现自动追光功能 然后 采用大功率鼓风机模拟大风等恶劣天气 系统的追光模式切 换 停止追踪等功能正 常 同时 在实际工作 环境中对系统进行了为 期一周的测试 系统能 够实现自动追光 模式 切换 网络通信等功能 基本实现了预期要求 5 结语 本文研制了基于 STM32的太阳能电池板 智能追光控制系统 论 文提出了系统的设计方 案 搭建了相应的硬件电路 编写了主程序和模糊 PID 控 制算法 通过光电追踪和双轴追踪相结合的方法 系统能自 动 精确地调整电池组方阵的姿态 实现太阳光精准跟踪 通过测试表明 系统控制精度高 抗干扰能力强 运行稳定 可靠 本文的研究工作对于提高太阳能的发电效率 提升装 置的智能化水平具有十分重要的现实意义和应用价值 参考文献 1 俞磊 基于 DSP 的太阳追踪系统设计与实现 D 北京邮电大 学 2017 2 李瑞程 宋少杰 三维电子向日葵追光系统技术策略及实现 J 高校实验室工作研究 2017 2 117 119 3 贾丹平 王阳 太阳能电池板自动追光系统研究 J 仪表技术 与传感器 2018 05 78 82 4 赵永鑫 黄韬 陈卫 等 基于单片机的光伏追日系统设计 J 现代电子技术 2021 44 06 125 128 参考文献 1 佟巍 我国水资源现状 J 才智 2012 6 215 2 刘芳香 我国农作物喷灌技术探讨 J 河南科技 2012 10 17 3 陈卫华 基于AT89C52单片机的智能微喷灌控制系统设计 D 天津 天津大学 2010 4 郭天祥 新概念 51 单片机 C 语言教程 M 北京 电子工业 出版社 2008 167 170 5 于华丽 赵晓顺 高立艾 温室节水自动喷灌系统的设计 J 农机化研究 2013 35 2 98 100 系统一次性采样 N 个数据 通过对比剔除 N 个数据中的最 大值和最小值 计算出剩余数据的算术平均值 以此作为系 统分析判断的有效数值 4 结束语 通过实际验证 本文设计的温室大棚蔬菜自动喷灌系 统比传统灌溉系统节约用水约 20 蔬菜平均生长周期缩 短了 2 天 该系统的应用不仅减轻了工作人员的劳动强度 提高了商品蔬菜的产量和品质 同时该系统结构简单 成本 低廉 便于操作 取得了良好的经济效益 上接第 61 页 图 6 系统实物图