基于PIC單片機(jī)的農(nóng)田灌溉智能控制系統(tǒng)研究

1、基于PIC單片機(jī)的農(nóng)田灌溉智能控制系統(tǒng)研究莊志紅󰀁(常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院,江蘇常州213002)摘要󰀁以PIC16F877新型單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了全自動(dòng)智能灌溉控制系統(tǒng),該系統(tǒng)可根據(jù)土壤濕度傳感器檢測(cè)水分信息和天氣環(huán)境溫度來模糊決策灌水量,克服了以往以土壤濕度信息進(jìn)行灌溉決策的不精確性,可以滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)精量灌溉的需求。關(guān)鍵詞󰀁節(jié)水灌溉;模糊控制;PIC單片機(jī)中圖分類號(hào)󰀁S274.2󰀁󰀁文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼󰀁A󰀁󰀁文章編號(hào)󰀁0517-66

2、11(2010)30-17225-02FieldIrrigationIntelligentControlSystemBasedonPICSinglechipZHUANGZhi󰀁hong󰀁(SchoolofElectronicInformation&ElectricEngineering,ChangzhouInstituteofTechnology,Changzhou,Jiangsu213002)󰀁󰀁我國水資源非常貧乏,人均水資源占有量約2300m,為3大大縮短研發(fā)時(shí)間、簡化外圍電路并降低費(fèi)用。天氣溫度傳感器是DALLAS公

3、司生產(chǎn)的DS18B20,即單總線器件,具有線路簡單,體積小的特點(diǎn)。該產(chǎn)品只要求1個(gè)端口即可實(shí)現(xiàn)通信;在DS18B20中的每個(gè)器件上都有獨(dú)一無二的序列號(hào);實(shí)際應(yīng)用中不需要外部任何元器件即可實(shí)現(xiàn)測(cè)溫;測(cè)量溫度范圍為-55󰀂125󰀂數(shù)字溫度計(jì)的分辨率用戶可以在912位進(jìn)行選擇;內(nèi)部有溫度上、下限告警設(shè)置。壓力傳感器為PTH501傳感器,采用全不銹鋼封焊結(jié)構(gòu),具有良好的防潮能力及優(yōu)異的介質(zhì)兼容性。該傳感器的量程為-0.1150.0MPa;綜合精度為0.1%FS;輸出信號(hào)分別為:420mA(二線制)、05、15和010V(三線制)2.2󰀁信號(hào)輸入ϗ

4、041;在大田中土壤深度10cm處設(shè)置3路濕度傳感器,然后把傳感器信號(hào)通過雙絞線送入單片機(jī),同時(shí)通過溫度傳感器檢測(cè)天氣溫度,把溫度信號(hào)送入單片機(jī);壓力傳感器所產(chǎn)生的電壓信號(hào)送入單片機(jī)的A/D端。然后把采集到的信號(hào)存放在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中,根據(jù)設(shè)計(jì)好的模糊規(guī)則對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行模糊化處理,根據(jù)模糊決策的結(jié)果,決定是否灌溉水量。2.3󰀁顯示和報(bào)警󰀁顯示器選用4位7段數(shù)字顯示器,通過世界人均1/4。農(nóng)業(yè)用水約占總供水的80%,隨著工農(nóng)業(yè)現(xiàn)1代化水平對(duì)用水量的增加,節(jié)水灌溉顯的越來越重要。為此,筆者設(shè)計(jì)單片機(jī)來控制農(nóng)田灌溉。1󰀁工作原理農(nóng)田灌溉智能系統(tǒng)的工作原理

5、是把土壤水分傳感器測(cè)定土壤水分信息和天氣溫度信息送到單片機(jī),然后單片機(jī)根據(jù)其設(shè)定的模糊控制規(guī)則,對(duì)輸入的信號(hào)模糊決策,根據(jù)模2糊推理值決定是否進(jìn)行灌溉以及灌水量。該系統(tǒng)通過壓力傳感器檢測(cè)管道壓力,并配有報(bào)警系統(tǒng)。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框如圖1所示。圖1󰀁控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)示意Fig.1󰀁Thehardwareframeworkofcontrolsystem按鍵來選定顯示土壤濕度、管道壓力、天氣溫度以及應(yīng)該灌溉的水量。系統(tǒng)借助RS485實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集,利用EEP󰀁ROM實(shí)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。3󰀁模糊規(guī)則的制定對(duì)作物進(jìn)行適時(shí)適量的灌溉對(duì)作物生

6、長非常重要,作物灌溉受不同作物生長規(guī)律、季節(jié)、氣候環(huán)境等一系列因素的影響,建立精確的作物灌溉模型比較困難,因此,以往的大田灌溉多數(shù)根據(jù)人為經(jīng)驗(yàn)。模糊控制不依賴于系統(tǒng)精確的數(shù)學(xué)模型,是基于長期灌溉經(jīng)驗(yàn)的總結(jié),并通過學(xué)習(xí)可不斷更新。因此,模糊控制模型的智能性非常好。筆者設(shè)計(jì)的農(nóng)田灌溉模糊控制系統(tǒng)將輸入的土壤濕度和天氣溫度信號(hào)進(jìn)行模糊運(yùn)算,得到作物的控制輸出量,然后將模糊控制量U轉(zhuǎn)換為精確值,得到作物的實(shí)際最佳灌水量,去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)。󰀁󰀁652󰀁硬件結(jié)構(gòu)󰀁系統(tǒng)的硬件電路圖如圖2所示,系統(tǒng)微處理器采用PIC16F877新型單片機(jī)3。為防止

7、單一土壤濕度傳感器檢測(cè)信息誤差大,系統(tǒng)采用3路土壤濕度傳感器檢測(cè)值取平均值。輸出通過隔離驅(qū)動(dòng)來控制2個(gè)灌區(qū)的6路電磁閥和水泵電機(jī)。2.1󰀁傳感器選擇󰀁土壤濕度傳感器選用瑞士Sensirion推出的SHT71系列數(shù)字溫濕度傳感器,該設(shè)備采用基于領(lǐng)先4世界的CMOSens數(shù)字傳感技術(shù),具有極高的可靠性和長期穩(wěn)定性。全量程標(biāo)定,2線數(shù)字接口,可與單片機(jī)直接相連,基金項(xiàng)目󰀁2008常州市青年科技人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目(CQ2008009)資助。作者簡介󰀁莊志紅(1968-),男,江蘇丹陽人,講師,從事智能控制技術(shù)研究。收稿日期󰀁

8、2010󰀁08󰀁0217226󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁&#

9、983041;󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2010年圖2󰀁Fig.2󰀁控制系統(tǒng)的硬件電路示意Thehardwarecircuitdiagramofcontrolsystem氣溫度(t)的模糊子集為:s=負(fù)大,負(fù)中,負(fù)小,零,正小,正中,正大,t=負(fù)大,負(fù)中,負(fù)小,零,正小,正中,正大,分別量化為7個(gè)等級(jí):s=-3,-2,-1,0,+1,+2,+3;t=-3,-2,-1,0,+1,+2,+3。模糊變量(s,t)隸屬度值如表1所示。表1󰀁模糊變量(s,t)隸屬度函數(shù)值關(guān)系t天氣環(huán)境溫度按推

10、理合成規(guī)則來確定,即U=s,t R這里算符! 代表sup󰀁min合成推理,整個(gè)過程也被稱為模糊決策。經(jīng)過模糊推理所決定的控制量U是1個(gè)模糊矢量,按照隸屬度最大原則確定控制量U,即最佳灌溉量。4󰀁小結(jié)筆者運(yùn)用新型單片機(jī)構(gòu)建了灌溉控制系統(tǒng),系統(tǒng)包括輸入電路、輸出顯示和控制輸出部分,在控制軟件方面采用了模糊控制模型,通過土壤濕度信息和天氣溫度信息來綜合決策作物的灌溉水量。參考文獻(xiàn)1張兵,袁壽其,成立.國內(nèi)外節(jié)水灌溉自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望J.排灌機(jī)械,2003(2):37-41.2吳普特,牛文全.節(jié)水灌溉與自動(dòng)控制技術(shù)M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2001.3竇建中,汪立

11、森.PIC系列單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計(jì)與實(shí)例M.北京:航空航天大學(xué)出版社,2001.4徐愛軍.智能化測(cè)量控制儀表原理與設(shè)計(jì)M.北京:航空航天大學(xué)出版社,1995.5張兵.智能化節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究D.鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué),2003.6景東升.單片機(jī)自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)與應(yīng)用D.北京:北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué),1994.3.2󰀁模糊規(guī)則󰀁根據(jù)長期灌溉經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)模糊控制規(guī)則,模糊控制規(guī)則的語言形式可以表示如下:(1)if󰀁s=PB󰀁t=PB󰀁󰀁then󰀁U=Z0(2)if󰀁s=PM&

12、#983041;t=PB󰀁󰀁then󰀁U=PM󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁(35)if󰀁s=NB󰀁t=PB󰀁󰀁then󰀁U=PB(36)if󰀁s=PB󰀁t=NB󰀁󰀁then󰀁U=PM(上接第17187頁)4PRANODA,CORPUSC.Microbialmethodofproducinginosito:lUnitedStates