溫室大棚蔬菜自動(dòng)噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì).pdf

60 電子制作 2021 年 09月 自動(dòng)化技術(shù) 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(guó)淡水資源短缺 人們?cè)絹?lái)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(yàn)采 用大水漫灌方式實(shí)現(xiàn) 這種粗放的灌溉方式不僅浪費(fèi)了寶貴 的水資源 還耗費(fèi)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(jì)效益 通過(guò)研究 本文設(shè) 計(jì)了一種溫室大棚蔬菜自動(dòng)噴灌系統(tǒng) 解決了以上問(wèn)題 1 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 溫室大棚蔬菜自動(dòng)噴灌系統(tǒng)組成如圖 1 所示 該系統(tǒng) 以STC89C52單片機(jī)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(hào) 水溫信 號(hào)傳給單片機(jī) 單片機(jī)將采集到的信號(hào)與根據(jù)當(dāng)前蔬菜的品 種和生長(zhǎng)周期設(shè)定的數(shù)值進(jìn)行比較 對(duì)電磁閥及水泵驅(qū)動(dòng)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(shí)現(xiàn)以下功能 1 能自動(dòng)檢測(cè)多點(diǎn)土壤溫度含水量和噴灌水源水溫 能 根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定數(shù)值和算法 自動(dòng)控制噴灌系統(tǒng)的開啟和關(guān)閉 2 按照實(shí)際要求 可通過(guò)按鍵設(shè)置調(diào)整時(shí)鐘 設(shè)定水溫 土壤含水量允許上下限值并可實(shí)現(xiàn)斷電存儲(chǔ) STC89C52 單片機(jī) 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(dòng) 電路 LCD顯示模塊 手動(dòng)輸入模塊 實(shí)時(shí)時(shí)鐘 圖 1 溫室大棚自動(dòng)噴灌系統(tǒng)原理框圖 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 1 系統(tǒng)控制單元選用8位STC89C52單片機(jī) 單片 機(jī)內(nèi)置 8K 字節(jié) Flash 512 字節(jié) RAM 4KB EEPROM 32 個(gè)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(chǔ)設(shè)定土壤含水量 噴灌水源水溫?cái)?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(jī) I O 連接 實(shí)現(xiàn)土壤溫度 含水量 噴灌水 源水溫 實(shí)時(shí)時(shí)鐘顯示 單片機(jī)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(jī)與 LCD1602 連接原理圖 3 蔬菜在不同生長(zhǎng)周期對(duì)土壤含水量和溫度的需求不 同 系統(tǒng)中增加了實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊 該模塊選用 DS1302 時(shí)鐘 芯片 DS1302 是美國(guó) DALLAS 公司生產(chǎn)的一種實(shí)時(shí)時(shí)鐘電 路 可以對(duì)年 月 日 周 時(shí) 分 秒進(jìn)行計(jì)時(shí) 使用三 線制與單片機(jī)進(jìn)行通信 為保證系統(tǒng)斷電時(shí) DS1302 正常工 作 電路中增加了掉電保護(hù)電源 該電源采用 CR2032 鋰錳 紐扣電池 使用壽命可達(dá) 6 年 實(shí)時(shí)時(shí)鐘用于自動(dòng)標(biāo)定蔬 菜不同生長(zhǎng)周期 DS1302 與單片機(jī)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(jī)連接圖 溫室大棚蔬菜自動(dòng)噴灌系統(tǒng)設(shè)計(jì) 王睿錚 1 曹文軍 2 趙意如 3 1 華北理工大學(xué)人工智能學(xué)院 河北唐山 063210 2 華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院 河北唐山 063210 3 華北理工大學(xué)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(dòng)強(qiáng)度 節(jié)約用水 本文設(shè)計(jì)了一套溫室大棚蔬菜種植自動(dòng)噴灌控制系 統(tǒng) 該系統(tǒng)以單片機(jī)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(hào)送入單片機(jī)中 單片機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù) 進(jìn)行分析比較 根據(jù)比較結(jié)果來(lái)控制噴灌水泵工作 關(guān)鍵詞 單片機(jī)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(dòng)化技術(shù) 4 手動(dòng)輸入模塊采用 3 個(gè)獨(dú)立按鍵 分別為功能鍵 參數(shù)設(shè)置加 1 鍵和參數(shù)設(shè)置減 1 鍵 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)時(shí)鐘校準(zhǔn)和 參數(shù)設(shè)置 獨(dú)立按鍵與單片機(jī)連接見圖 4 K1 K2 K3 P2 1 P2 2 P2 3 圖 4 獨(dú)立按鍵與單片機(jī)連接圖 5 考慮到灌溉水溫過(guò)低會(huì)影響蔬菜正常生長(zhǎng) 系統(tǒng)設(shè) 置了噴灌水源水溫傳感器 型號(hào)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(hào)轉(zhuǎn) 換成數(shù)字信號(hào) 可直接與單片機(jī) I O 口連接 測(cè)量溫度范圍 在 55 125 單片機(jī)與 DS18B20 連接見圖 5 當(dāng)系統(tǒng) 檢測(cè)到水溫低于設(shè)定溫度時(shí) 噴灌系統(tǒng)停止工作并報(bào)警 VCC P1 0 R 10K GN D 1 I O 2 V C C 3 DS18B20 圖 5 單片機(jī)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(hào)為VMS 3000 TR N01 該傳感器是一款校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫度含水量 復(fù)合傳感器 可以同時(shí)測(cè)量土壤溫度和含水量 工作電壓 DC 4 5 30V 測(cè)量土壤水分量程為 0 10 0 測(cè)量土 壤溫度量程為 40 80 輸出為 RS485 Modbus 協(xié)議 信 號(hào) 由于同種蔬菜種植區(qū)域不同點(diǎn)的土壤含水量差別較大 為提高控制測(cè)量精度 系統(tǒng)采用了多點(diǎn)測(cè)量的方式 將傳感 器組通過(guò) RS485 總線 485 收發(fā)器與單片機(jī) TXD RXD 口 連接 實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)土壤含水量的準(zhǔn)確測(cè)量 傳感器組與單片機(jī) 連接框圖見圖 6 3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 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(shí)時(shí)時(shí)鐘采集子程序 獨(dú)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(jìn)行初始化 初始化完成后 系統(tǒng) 運(yùn)行按鍵掃描子程序 若掃描到有按鍵按下 系統(tǒng)進(jìn)入設(shè)置 界面 并將設(shè)置的參數(shù)保存在單片機(jī)的 EEPROM 中 系統(tǒng) 對(duì)噴灌水源溫度參數(shù)進(jìn)行采集 若檢測(cè)到水溫低于設(shè)定溫 度 系統(tǒng)將禁止啟動(dòng)噴灌操作 同時(shí)LCD顯示水源低溫警告 若檢測(cè)到水溫高于設(shè)定溫度 系統(tǒng)將對(duì)實(shí)時(shí)時(shí)鐘 土壤溫度 含水量進(jìn)行采集 單片機(jī)計(jì)算出土壤含水量算術(shù)平均值 系 統(tǒng)以此算術(shù)平均值作為控制依據(jù) 與蔬菜不同生長(zhǎng)周期對(duì)應(yīng) 的上下限值做比較 以確定系統(tǒng)是否啟動(dòng)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(dòng)噴灌 實(shí)時(shí)時(shí)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(shè)定值 水源低溫報(bào)警 土壤溫度含水量采集 采集 參數(shù)計(jì)算 關(guān)閉噴灌 圖 7 系統(tǒng)主程序流程框圖 3 由于現(xiàn)場(chǎng)布線交錯(cuò) 環(huán)境復(fù)雜 電磁干擾大 系統(tǒng) 可能會(huì)出現(xiàn)采樣值誤差大 波動(dòng)大等不穩(wěn)定問(wèn)題 系統(tǒng)采用 了軟件濾波的方法盡可能保證采樣值的準(zhǔn)確 其工作原理是 下轉(zhuǎn)第 79 頁(yè) 圖 6 傳感器組與單片機(jī)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(jī) 土壤含水量傳感器2 www ele169 com 79 電子基礎(chǔ) 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(qiáng)度誤差 e 和光強(qiáng)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(yīng)前和響應(yīng)過(guò)程中模糊 PID 參數(shù)整定原則 結(jié)合實(shí)驗(yàn)調(diào)整參數(shù)的經(jīng)驗(yàn) 得到 p K i K 和 d K 模糊規(guī)則表 經(jīng)過(guò)模糊推理 反模糊化后得到對(duì)應(yīng) 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(duì)應(yīng)的不同光強(qiáng)度誤差和光強(qiáng) 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(shí)物測(cè)試 系統(tǒng)實(shí)物如圖 6 所示 在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了系統(tǒng)功能的初 步測(cè)試 首先遮擋四方位光電傳感器中的某一個(gè) 模擬太陽(yáng) 光無(wú)法直射太陽(yáng)能電池板 系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)追光功能 然后 采用大功率鼓風(fēng)機(jī)模擬大風(fēng)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(shí) 在實(shí)際工作 環(huán)境中對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了為 期一周的測(cè)試 系統(tǒng)能 夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)追光 模式 切換 網(wǎng)絡(luò)通信等功能 基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期要求 5 結(jié)語(yǔ) 本文研制了基于 STM32的太陽(yáng)能電池板 智能追光控制系統(tǒng) 論 文提出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方 案 搭建了相應(yīng)的硬件電路 編寫了主程序和模糊 PID 控 制算法 通過(guò)光電追蹤和雙軸追蹤相結(jié)合的方法 系統(tǒng)能自 動(dòng) 精確地調(diào)整電池組方陣的姿態(tài) 實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光精準(zhǔn)跟蹤 通過(guò)測(cè)試表明 系統(tǒng)控制精度高 抗干擾能力強(qiáng) 運(yùn)行穩(wěn)定 可靠 本文的研究工作對(duì)于提高太陽(yáng)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(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值 參考文獻(xiàn) 1 俞磊 基于 DSP 的太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) D 北京郵電大 學(xué) 2017 2 李瑞程 宋少杰 三維電子向日葵追光系統(tǒng)技術(shù)策略及實(shí)現(xiàn) J 高校實(shí)驗(yàn)室工作研究 2017 2 117 119 3 賈丹平 王陽(yáng) 太陽(yáng)能電池板自動(dòng)追光系統(tǒng)研究 J 儀表技術(shù) 與傳感器 2018 05 78 82 4 趙永鑫 黃韜 陳衛(wèi) 等 基于單片機(jī)的光伏追日系統(tǒng)設(shè)計(jì) J 現(xiàn)代電子技術(shù) 2021 44 06 125 128 參考文獻(xiàn) 1 佟巍 我國(guó)水資源現(xiàn)狀 J 才智 2012 6 215 2 劉芳香 我國(guó)農(nóng)作物噴灌技術(shù)探討 J 河南科技 2012 10 17 3 陳衛(wèi)華 基于AT89C52單片機(jī)的智能微噴灌控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) D 天津 天津大學(xué) 2010 4 郭天祥 新概念 51 單片機(jī) C 語(yǔ)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(dòng)噴灌系統(tǒng)的設(shè)計(jì) J 農(nóng)機(jī)化研究 2013 35 2 98 100 系統(tǒng)一次性采樣 N 個(gè)數(shù)據(jù) 通過(guò)對(duì)比剔除 N 個(gè)數(shù)據(jù)中的最 大值和最小值 計(jì)算出剩余數(shù)據(jù)的算術(shù)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(yǔ) 通過(guò)實(shí)際驗(yàn)證 本文設(shè)計(jì)的溫室大棚蔬菜自動(dòng)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(zhǎng)周期縮 短了 2 天 該系統(tǒng)的應(yīng)用不僅減輕了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度 提高了商品蔬菜的產(chǎn)量和品質(zhì) 同時(shí)該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 成本 低廉 便于操作 取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益 上接第 61 頁(yè) 圖 6 系統(tǒng)實(shí)物圖