60 電子制作 2021 年 09月 自動化技術 0 引言 溫室大棚種植蔬菜是北方冬季人們獲取新鮮蔬菜的主 要方式 隨著人們生活水平的提高 大棚蔬菜種植面積也在 逐年增加 由于我國淡水資源短缺 人們越來越重視農(nóng)作物 的節(jié)水灌溉 現(xiàn)階段大棚蔬菜的灌溉主要依據(jù)菜農(nóng)的經(jīng)驗采 用大水漫灌方式實現(xiàn) 這種粗放的灌溉方式不僅浪費了寶貴 的水資源 還耗費了大量的人力 降低了蔬菜的生產(chǎn)效率和 品質(zhì) 影響了菜農(nóng)種植蔬菜的經(jīng)濟效益 通過研究 本文設 計了一種溫室大棚蔬菜自動噴灌系統(tǒng) 解決了以上問題 1 系統(tǒng)設計 溫室大棚蔬菜自動噴灌系統(tǒng)組成如圖 1 所示 該系統(tǒng) 以STC89C52單片機作為控制單元 土壤溫度含水量傳感 器組 噴灌水溫傳感器將采集到的土壤含水量信號 水溫信 號傳給單片機 單片機將采集到的信號與根據(jù)當前蔬菜的品 種和生長周期設定的數(shù)值進行比較 對電磁閥及水泵驅(qū)動電 路模塊發(fā)出控制指令 控制噴灌系統(tǒng)工作 保證土壤含水量 在合理范圍內(nèi) 該系統(tǒng)主要實現(xiàn)以下功能 1 能自動檢測多點土壤溫度含水量和噴灌水源水溫 能 根據(jù)系統(tǒng)設定數(shù)值和算法 自動控制噴灌系統(tǒng)的開啟和關閉 2 按照實際要求 可通過按鍵設置調(diào)整時鐘 設定水溫 土壤含水量允許上下限值并可實現(xiàn)斷電存儲 STC89C52 單片機 土壤溫度含水量 傳感器組 噴灌水源水溫傳 感器 電磁閥及水泵驅(qū)動 電路 LCD顯示模塊 手動輸入模塊 實時時鐘 圖 1 溫室大棚自動噴灌系統(tǒng)原理框圖 2 系統(tǒng)硬件設計 1 系統(tǒng)控制單元選用8位STC89C52單片機 單片 機內(nèi)置 8K 字節(jié) Flash 512 字節(jié) RAM 4KB EEPROM 32 個外部雙向輸入 輸出 I O 端口 能夠滿足系統(tǒng)需求 EEPROM 用于存儲設定土壤含水量 噴灌水源水溫數(shù)據(jù) 2 液晶顯示模塊選用LCD1602液晶顯示器 使用并 行方式與單片機 I O 連接 實現(xiàn)土壤溫度 含水量 噴灌水 源水溫 實時時鐘顯示 單片機與 LCD1602 連接見圖 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 圖 2 單片機與 LCD1602 連接原理圖 3 蔬菜在不同生長周期對土壤含水量和溫度的需求不 同 系統(tǒng)中增加了實時時鐘模塊 該模塊選用 DS1302 時鐘 芯片 DS1302 是美國 DALLAS 公司生產(chǎn)的一種實時時鐘電 路 可以對年 月 日 周 時 分 秒進行計時 使用三 線制與單片機進行通信 為保證系統(tǒng)斷電時 DS1302 正常工 作 電路中增加了掉電保護電源 該電源采用 CR2032 鋰錳 紐扣電池 使用壽命可達 6 年 實時時鐘用于自動標定蔬 菜不同生長周期 DS1302 與單片機連接見圖 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 圖 3 DS1302 與單片機連接圖 溫室大棚蔬菜自動噴灌系統(tǒng)設計 王睿錚 1 曹文軍 2 趙意如 3 1 華北理工大學人工智能學院 河北唐山 063210 2 華北理工大學電氣工程學院 河北唐山 063210 3 華北理工大學以升創(chuàng)新教育基地 河北唐山 063210 摘要 為了提高溫室大棚蔬菜的品質(zhì)和產(chǎn)量 減輕工作人員的勞動強度 節(jié)約用水 本文設計了一套溫室大棚蔬菜種植自動噴灌控制系 統(tǒng) 該系統(tǒng)以單片機作為控制核心 把傳感器采集到的土壤含水量 噴灌水源水溫信號送入單片機中 單片機將接收到的數(shù)據(jù)與標準數(shù)據(jù) 進行分析比較 根據(jù)比較結(jié)果來控制噴灌水泵工作 關鍵詞 單片機STC89C52 土壤含水量傳感器組 水溫傳感器 DOI 10 16589 11 3571 tn 2021 17 017 www ele169 com 61 自動化技術 4 手動輸入模塊采用 3 個獨立按鍵 分別為功能鍵 參數(shù)設置加 1 鍵和參數(shù)設置減 1 鍵 實現(xiàn)實時時鐘校準和 參數(shù)設置 獨立按鍵與單片機連接見圖 4 K1 K2 K3 P2 1 P2 2 P2 3 圖 4 獨立按鍵與單片機連接圖 5 考慮到灌溉水溫過低會影響蔬菜正常生長 系統(tǒng)設 置了噴灌水源水溫傳感器 型號為 DS18B20 DS18B20 是 采用單總線協(xié)議的數(shù)字式溫度傳感器 它直接將溫度信號轉(zhuǎn) 換成數(shù)字信號 可直接與單片機 I O 口連接 測量溫度范圍 在 55 125 單片機與 DS18B20 連接見圖 5 當系統(tǒng) 檢測到水溫低于設定溫度時 噴灌系統(tǒng)停止工作并報警 VCC P1 0 R 10K GN D 1 I O 2 V C C 3 DS18B20 圖 5 單片機與 DS18B20 連接圖 6 土壤溫度含水量傳感器選用山東威盟士科技有 限公司生產(chǎn)的土壤溫度水分傳感器 型號為VMS 3000 TR N01 該傳感器是一款校準數(shù)字信號輸出的溫度含水量 復合傳感器 可以同時測量土壤溫度和含水量 工作電壓 DC 4 5 30V 測量土壤水分量程為 0 10 0 測量土 壤溫度量程為 40 80 輸出為 RS485 Modbus 協(xié)議 信 號 由于同種蔬菜種植區(qū)域不同點的土壤含水量差別較大 為提高控制測量精度 系統(tǒng)采用了多點測量的方式 將傳感 器組通過 RS485 總線 485 收發(fā)器與單片機 TXD RXD 口 連接 實現(xiàn)多點土壤含水量的準確測量 傳感器組與單片機 連接框圖見圖 6 3 系統(tǒng)軟件設計 1 系統(tǒng)軟件由主程序 土壤含水量采集子程序 噴灌 水源溫度采集子程序 實時時鐘采集子程序 獨立按鍵掃描 子程序 LCD 顯示子程序組成 2 系統(tǒng)通電后首先進行初始化 初始化完成后 系統(tǒng) 運行按鍵掃描子程序 若掃描到有按鍵按下 系統(tǒng)進入設置 界面 并將設置的參數(shù)保存在單片機的 EEPROM 中 系統(tǒng) 對噴灌水源溫度參數(shù)進行采集 若檢測到水溫低于設定溫 度 系統(tǒng)將禁止啟動噴灌操作 同時LCD顯示水源低溫警告 若檢測到水溫高于設定溫度 系統(tǒng)將對實時時鐘 土壤溫度 含水量進行采集 單片機計算出土壤含水量算術平均值 系 統(tǒng)以此算術平均值作為控制依據(jù) 與蔬菜不同生長周期對應 的上下限值做比較 以確定系統(tǒng)是否啟動噴灌作業(yè) 系統(tǒng)主 程序流程圖見圖 7 N Y N Y N Y 開始 系統(tǒng)初始化 按鍵掃描 啟動噴灌 實時時鐘采集 噴灌水源溫度采集 含水量 下限 含水量 上限 水源水溫 設定值 水源低溫報警 土壤溫度含水量采集 采集 參數(shù)計算 關閉噴灌 圖 7 系統(tǒng)主程序流程框圖 3 由于現(xiàn)場布線交錯 環(huán)境復雜 電磁干擾大 系統(tǒng) 可能會出現(xiàn)采樣值誤差大 波動大等不穩(wěn)定問題 系統(tǒng)采用 了軟件濾波的方法盡可能保證采樣值的準確 其工作原理是 下轉(zhuǎn)第 79 頁 圖 6 傳感器組與單片機連接框圖 RS485總線 土壤含水量傳感器1 土壤含水量傳感器N 485收發(fā)器單片機 土壤含水量傳感器2 www ele169 com 79 電子基礎 3 2 模糊 PID 算法 系統(tǒng)采用位置式PID算法與模糊算法相結(jié)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 選擇光強度誤差 e 和光強度誤差變化率 ec 作為模糊控 制器的輸入變量 經(jīng)量化因子作用后得到模糊化變量 E 和 Ec 輸入到模糊控制器 然后確定好輸入 輸出變量的模 糊論域以及隸屬函數(shù) 根據(jù)系統(tǒng)響應前和響應過程中模糊 PID 參數(shù)整定原則 結(jié)合實驗調(diào)整參數(shù)的經(jīng)驗 得到 p K i K 和 d K 模糊規(guī)則表 經(jīng)過模糊推理 反模糊化后得到對應 的輸出 p K 第一條模糊規(guī)則的隸屬度函數(shù)如公式 2 所示 1 kp NB NB Emm mEc 2 依此類推 可求出 p K 所對應的不同光強度誤差和光強 度誤差變化率下的所有模糊規(guī)則的隸屬度 根據(jù)重心法解模 糊化得到 p K 的輸出模糊值 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 為初值 p Q 為比例系數(shù) p K 為模糊推理 得到的調(diào)節(jié)值 同理可得 i K 和 d K 的自整定公式 4 系統(tǒng)實物測試 系統(tǒng)實物如圖 6 所示 在實驗室進行了系統(tǒng)功能的初 步測試 首先遮擋四方位光電傳感器中的某一個 模擬太陽 光無法直射太陽能電池板 系統(tǒng)能實現(xiàn)自動追光功能 然后 采用大功率鼓風機模擬大風等惡劣天氣 系統(tǒng)的追光模式切 換 停止追蹤等功能正 常 同時 在實際工作 環(huán)境中對系統(tǒng)進行了為 期一周的測試 系統(tǒng)能 夠?qū)崿F(xiàn)自動追光 模式 切換 網(wǎng)絡通信等功能 基本實現(xiàn)了預期要求 5 結(jié)語 本文研制了基于 STM32的太陽能電池板 智能追光控制系統(tǒng) 論 文提出了系統(tǒng)的設計方 案 搭建了相應的硬件電路 編寫了主程序和模糊 PID 控 制算法 通過光電追蹤和雙軸追蹤相結(jié)合的方法 系統(tǒng)能自 動 精確地調(diào)整電池組方陣的姿態(tài) 實現(xiàn)太陽光精準跟蹤 通過測試表明 系統(tǒng)控制精度高 抗干擾能力強 運行穩(wěn)定 可靠 本文的研究工作對于提高太陽能的發(fā)電效率 提升裝 置的智能化水平具有十分重要的現(xiàn)實意義和應用價值 參考文獻 1 俞磊 基于 DSP 的太陽追蹤系統(tǒng)設計與實現(xiàn) D 北京郵電大 學 2017 2 李瑞程 宋少杰 三維電子向日葵追光系統(tǒng)技術策略及實現(xiàn) J 高校實驗室工作研究 2017 2 117 119 3 賈丹平 王陽 太陽能電池板自動追光系統(tǒng)研究 J 儀表技術 與傳感器 2018 05 78 82 4 趙永鑫 黃韜 陳衛(wèi) 等 基于單片機的光伏追日系統(tǒng)設計 J 現(xiàn)代電子技術 2021 44 06 125 128 參考文獻 1 佟巍 我國水資源現(xiàn)狀 J 才智 2012 6 215 2 劉芳香 我國農(nóng)作物噴灌技術探討 J 河南科技 2012 10 17 3 陳衛(wèi)華 基于AT89C52單片機的智能微噴灌控制系統(tǒng)設計 D 天津 天津大學 2010 4 郭天祥 新概念 51 單片機 C 語言教程 M 北京 電子工業(yè) 出版社 2008 167 170 5 于華麗 趙曉順 高立艾 溫室節(jié)水自動噴灌系統(tǒng)的設計 J 農(nóng)機化研究 2013 35 2 98 100 系統(tǒng)一次性采樣 N 個數(shù)據(jù) 通過對比剔除 N 個數(shù)據(jù)中的最 大值和最小值 計算出剩余數(shù)據(jù)的算術平均值 以此作為系 統(tǒng)分析判斷的有效數(shù)值 4 結(jié)束語 通過實際驗證 本文設計的溫室大棚蔬菜自動噴灌系 統(tǒng)比傳統(tǒng)灌溉系統(tǒng)節(jié)約用水約 20 蔬菜平均生長周期縮 短了 2 天 該系統(tǒng)的應用不僅減輕了工作人員的勞動強度 提高了商品蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì) 同時該系統(tǒng)結(jié)構簡單 成本 低廉 便于操作 取得了良好的經(jīng)濟效益 上接第 61 頁 圖 6 系統(tǒng)實物圖