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基于单片机的温室自动灌溉系统设计

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村乡科技XIANGCUNKEJI

122XIANGCUNKEJI2018年8月（下）基于单片机的温室自动灌溉系统设计

肖丽

（郑州轻工业学院继续教育学院，河南郑州450002）

［摘要］针对目前温室灌溉系统存在传感器节点多、线路复杂、成本高、环境适应能力差等问题，本

文将单片机引入温室大棚控制系统中，进行信号采集模块、人机交互模块、控制驱动模块和通讯接口模块

等硬件系统设计，并搭建仿真系统，进行仿真测试试验。结果表明，该灌溉系统可以实现定时、定量地进行自

动灌溉。

［关键词］温室灌溉；自动控制；单片机；湿度采集

［中图分类号］TP391［文献标识码］A［文章编号］1674-7909（2018）24-122-4

随着科技的进步、人们对农业技术重视度及人们生

活水平的提高，越来越多的反季节水果蔬菜出现在人们

的生活中。大棚的数量也越来越多，因此，温室大棚内环

境的控制便成为一个非常重要的研究课题［1］。传统的温

室大棚控制措施存在一些问题，已经难以满足人们的要

求，如温室灌溉技术落后、智能化程度低和农作物生长吸

水效率低等。近年来，我国许多学者开展了温室自动化

控制系统的研究，取得了一些成果。例如，潘荣敏等［2］综

合利用传感器技术、MESH自组网络技术、无线互联网等

嵌入式技术设计了一套基于物联网技术的温室智能灌溉

系统。陈晓燕等［3］基于LabVIEW软件和ZigBee网络技

术设计了一种温室节水灌溉系统。刘俊岩等［4］设计了一

套基于ZigBee的温室自动灌溉系统，该系统采用太阳能

供电，具有节能环保的特点。梁月云等［5］根据温室环境

复杂且很难建立精确数学模型的特点，设计了基于模糊

控制的温室节水灌溉系统。部分灌溉管理系统研究成果

已经在一些规模化果园和温室中得以应用，但存在传感

器节点多、线路复杂、成本高、环境适应能力差等问题，导

致自动灌溉的研究成果没有得到大范围应用。

本文将单片机引入温室大棚控制系统中，选用

AT89C51单片机作为温室大棚控制系统的核心模块，外

接湿度信号采集模块、人机交互模块、控制驱动模块及通

讯接口模块，设计一种温室自动灌溉系统，并进行了仿真

实验测试。

1系统总体设计方案

根据温室的实际情况及系统的技术要求，采用

AT89C51微控器作为控制与数据处理的核心，以构成温

室自动灌溉系统。该系统的总体设计思路如图1所示，

系统通过信息采集模块获取土壤湿度信息，送至中央处

理模块进行处理，由中央处理模块给出灌溉控制信息，执行机构继电器收到此灌溉控制信息后进一步转化为水泵

的通断来实现智能灌溉，以达到准确、定时、定量、高效地给作物自动补充水分的目的，从而提高农作物的产量。

土壤湿度信号采集

A/D信号转换电源电路单片

机

放大驱动

水泵键盘输入报警电路

LCD显示

时钟电路

复位电路

图1控制系统总体框图

该系统采用AT89C51单片机来实现，单片机是整个

控制系统的核心［6-7］。单片机可将土壤湿度传感器检测到

的土壤湿度模拟量通过芯片ADC0832转换成数字量，并

传输给控制系统，单片机根据湿度传感器监测到的数据

进行运算处理，进而控制继电器的通断，继电器控制水泵

的启停，从而实现智能灌溉。

2自动灌溉系统硬件电路设计

根据温室自动灌溉系统的功能需求，其硬件电路分

为四大功能模块：信号采集模块、人机交互模块、控制驱

动模块和通讯接口模块。各个模块共同构成一个具有适

时适量灌溉功能的智能全自动温室灌溉系统。

2.1信号采集模块

湿度信号采集是温室自动灌溉系统的关键组成部

分，主要负责采集大棚的环境温度和土壤湿度信息。获

取的信息越精确，越有利于提高智能灌溉系统的功能，同

时也是实现智能全自动温室灌溉的重要前提。本设计采

作者简介：肖丽（1981—），女，本科，助教，研究方向：计算机科学与技术。XIANGCUNKEJI2018年8月（下）123用土壤湿度传感器检测土壤的含水率，并将此信息传送

给单片机，经过单片机的运算和处理来进行判断是否需

要灌溉，从而达到智能灌溉的目的。

本系统选用YL－69湿度传感器，选用LM393作为

电压比较器，ADC0832作为数模转换器。湿度采集模块

的电路设计如图2所示。

模拟信号的输出通道1直接与芯片ADC0832的CH1

端子相连接，通过AD转换模块得到土壤湿度的数字量。

并传送给芯片ADC0832进行AD转换进而得出湿度值，然

后再送给单片机的P2.1口进行运算处理，实现智能灌溉。

2.2人机交互模块设计

人机交互模块的设计主要是便于操作温室自动灌溉

系统，主要由三部分组成，即键盘、LCD显示和报警电

路。设计键盘是为了设置温室自动灌溉系统的重要参

数，如土壤湿度的阈值、灌溉时间等。设计LCD显示可

以让用户直观地观察到当前的土壤湿度以及用户所设置

的土壤湿度阈值，还可以用来显示灌溉时间和灌溉流

量。报警电路用来报警，当土壤湿度低于阈值时，报警器

会发出响声，提醒用户即将进行灌溉。

液晶显示器选用1602－LCD型号。显示器的RS、

RW、E管脚连接单片机的P2.7、P2.6、P2.5端口。第2引脚

连接一个10K的电位器，用来调节屏幕的对比度。D0～D7

引脚连接单片机的P0.0～P0.7口，用来进行数据传输。单

片机与显示器的数据线之间接着上拉电阻，阻值为10K。这是因为单片机的P0口没有自带上拉电阻，需要外接。

上拉电阻可以将输出电平拉高，以拉高输出信号，提高信

号的抗干扰能力。另外，还能起到限流的作用，防止液晶

显示器被烧坏。LCD显示模块的电路图如图3所示。

图3LCD显示模块电路设计

为了安全起见，本系统设置报警电路，选用声光报警

电路。当温室内土壤湿度低于用户预设值的下限时，报

警器会发出响声同时继电器通电线圈吸合，开启水泵进

行灌溉。当土壤湿度达到预设值的上限时，继电器断电，

关闭水泵停止灌溉，报警器同样会发出响声。当温室自

动灌溉系统出现异常情况时，如果需要灌溉时水泵并没

有处于工作状态或者土壤湿度达到要求时仍在灌溉等，VCCP3

1

2R810K1234C7104

GND

GND土壤探头接口U2OUTAINA-INA+GNDINB+INB-VCCOUTB8765VCCC8104GNDLM393LED3LED4VCC10KINR11R10R91K1K10KP4

4321P22

GND1234

ADC0832GNDCH1CH0CSVCCCLKDODIU3VCC

GND

8765P21P20

图2湿度采集模块电路设计村乡科技XIANGCUNKEJI

124XIANGCUNKEJI2018年8月（下）报警器将会一直发出警报，这时需要人工手动关闭。报

警器的作用是用来引起人们的注意，避免事故的发生。

报警电路的蜂鸣器选用的是无源蜂鸣器。

2.3控制驱动模块设计

水泵是温室自动灌溉系统的执行设备，通过控制水

泵的开关，实现对温室大棚内水果、蔬菜的自动浇灌。当

土壤传感器测量的土壤湿度低于湿度预设值的下限时，

单片机发出信号给控制驱动模块，使电磁继电器带电吸

合线圈，进而开启水泵，实现自动灌溉任务。

当土壤湿度传感器测到的土壤湿度值低于预设值的

最低值时，单片机的P2.3口会变为低电平，三极管导通，

使得电磁继电器带电吸合线圈开启水泵进行浇灌。由单

片机输出的信号都很微弱，所以选用三极管进行放大驱

动电磁继电器，通过继电器的闭合来实现对水泵的控制。在继电器两端并联一个二极管是为了保护三极管，

防止三极管被击穿。发光二极管是用来显示水泵的工作

状态。当水泵工作时，他就会发光，是用户直观看出水泵

当前的工作状态。控制驱动电路原理图如图4所示。

图4控制驱动模块电路图

2.4通讯接口模块设计

温室自动灌溉系统的通讯接口模块采用的是典型的

USB接口，在PC机上编写程序，下位机可以通过USB接

口从上位机中下载程序，也可以通过USB接口数据线将

上位机与下位机相连，进而实现上位PC机与下位机之间

的通讯。用户可以通过人机交互模块按照实际情况设定

土壤湿度的预设值范围，并将此范围传输给单片机，单片

机也可以及时将采集的环境信息和温室自动系统的运行

状态反馈给上位机显示。

通讯接口电路原理图如图5所示，该模块是用来实

现电脑与单片机之间的通讯，采用的是典型的程序下载

电路USB转串口电路，其主要控制芯片为PL2303。该芯

片可以转换USB信号与RS232信号。上位PC机和单片

机存储的都是USB数据，通过芯片PL2303可以将USB

信号转换成RS23信号，从而实现二者之间的通讯。

3系统软件设计

系统功能的实现是通过程序来完成的，软件的设计直接决定系统的运行效率和可靠性。本系统采用C语言

编程，首先要设计好主程序，然后将子程序设计好封装起

来，设计的系统主程序流程如图6所示。初始化程序包

括液晶显示初始化和定时器中断系统初始化两部分。子程序包括土壤湿度采集子程序、显示子程序、按键处理子

程序和数据处理子程序。图5通讯接口电路设计开始调用初始化子程序调用读取按键程序采样湿度湿度值传输给单片机并显示

土壤湿度是否达到预设值是否报警灌溉停止灌溉

显示当前湿度

图6系统主程序流程图

4系统仿真

在硬件设计和软件设计的基础上，Proteus软件搭建

了温室自动灌溉系统仿真系统。采用的是Proteus软件

绘制电路图，用一个电位器来模拟土壤湿度信号，用

KeilC51来编译调试程序，然后把程序导入单片机系统中

进行电路仿真。仿真结果如图7所示。通过调整湿度阈

值信息，水泵可以根据湿度信息自动启动和关断，达到定

时、定量地给作物自动灌溉的目的。模拟水泵故障信息，

报警系统能够及时报警，实现故障报警功能。（下转第126页）

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基于单片机的温室灌溉双湿度控制系统设计

基于单片机的温室灌溉双湿度控制系统设计

龙源期刊网

基于单片机的温室灌溉双湿度控制系统设计

作者：彭祥祥 吴迪 饶成晨

来源：《中国机械》2013年第20期

摘要：针对目前现代温室控制系统操作复杂、成本高昂等问题，设计了一款简单实用型温室灌溉双湿度控制系统。系统以单片机作为主控单元，采用SHT系列传感器采集湿度信号，通过电磁阀启闭实现水流控制。设计了双湿度控制策略，实现了土壤湿度和空气湿度双因素关联控制温室灌溉的功能。

关键词：单片机；双湿度；控制系统；传感器

温室大棚是现代化农业生产的重要手段[1]，但现代温室大棚利用计算机等控制，能耗太高，运行成本较高，多用于观光、示范等 [2]。虽然现在很多大型农场对于温室的智能控制系统有了一定的应用，但由于其高昂的成本还是不能全面普及到一些偏远的小农场[3]。目前，很多温室湿度控制只考虑了土壤湿度对植物生长的影响，忽略了空气湿度对植物的影响。

基于以上问题，通过系统整体方案设计、硬件设计（传感器的选择、电磁阀的选型、光耦的选型、单片机选型、电路焊接等）和软件设计（控制程序的编写）开发出一款简单实用的温室灌溉双湿度控制器。

1. 系统整体方案设计

1.1.设计思路

温室灌溉双湿度控制系统由湿度信息采集装置、湿度信息处理与输出装置、电磁阀、输出终端等组成。空气湿度和土壤湿度是采集信息的主要参数，它是通过湿度传感器检测，传送至总控制器；总控制器是用于处理湿度信息的单片机，负责对来自湿度传感器的信息进行汇总处理，并依据程序处理结果对电磁阀进行控制； 电磁阀作用是开启和关闭水流，经过电磁阀的导通将水流运至输出终端；输出终端是旋转喷头，能够实现全圆喷灌。

温室灌溉系统是以AT89C51作为控制器，使用SHT系列湿度传感器分别采集土壤和空气中湿度信息，并转换成电信号，经过SHT系列湿度传感器内置的A/D转换电路将模拟信号转换至数字信号输入到单片机中；单片机控制器由内部设定程序对湿度信号进行处理，由于土壤湿度优先级高于空气湿度，首先判断土壤中湿度是否大于设定阈值，如果高于阈值，说明土壤湿度饱和，不宜进行补水，此时电磁阀1、2均关闭；如果土壤湿度低于阈值，单片机继续判断空气湿度是否超过设定阈值，如果空气湿度高于设定阈值，单片机控制电磁阀1打开二电磁阀2关闭，使下层管路水流开启并经喷头喷洒至地表，增加土壤湿度，不改变空气湿度；如果空气湿度低于阈值，则控制电磁阀1、2均打开，上下两层管路和喷头工作，分别将水喷洒在空中和地表，改变空气湿度和土壤湿度。如此循环进行自动控制灌溉。 龙源期刊网

基于单片机的大棚智能节水灌溉系统设计

基于单片机的大棚智能节水灌溉系统设计

基于单片机的大棚智能节水灌溉系统设计

大棚智能节水灌溉系统设计采用AT89C51单片机为信息处理核心，系统主要由土壤湿度传感器、空气温度传感器、空气湿度传感器、液晶显示电路和故障报警电路等组成。系统在进行智能灌溉的同时，还能调节大棚内空气的湿度和温度。经过测试，该系统可以在无人的情况下实现智能节能，并根据作物的需要进行适时、有效的灌溉，并有效的调节大棚内的湿度和温度，做到定时喷洒农药。

标签：AT89C51单片机；节水灌溉；控制系统

随着农业现代化的发展，智能节水灌溉的需求越来越大[1]，然而，智能灌溉由于成本等因素发展缓慢[2]。本设计通过对大棚内土壤湿度的控制和大棚内空气温度和湿度分析，设计了一个简单经济实用的智能灌溉系统。

1 系统总体设计

系统总原理方框图如图1所示。硬件电路包括了传感器电路、单片机数据处理电路、液晶显示电路，继电器电磁阀电路，农药喷洒电路。首先，数据采样电路将土壤湿度传感器采集到的数据通过A/D转换后，将信息传递给单片机，然后单片机将测量的数据通过处理后在液晶显示屏上反应出来，同时控制电路将根据指令完成操作。

2 硬件部分设计

（1）系统主电路布局。该设计包括DH11温湿度电路，LED显示电路，晶振电路，继电器电池阀驱动电路，继电器风扇驱动电路，DH11温度湿度电路将土壤湿度通过A/D转换将数据传输给单片机主芯片，然后，单片机主芯片首先对数据做出判断，然后会分别对各个下属电路做出指示，LED电路的作用是显示工作的状态，农药喷洒系统的作用是定时定量喷洒农药。（2）DH11温度传感器电路设计。温度传感器采用DH11温湿度传感器，由于传感器的电阻较小，通电作用下，很容易被烧坏[3]，故此电路会选择串联一个电阻值较大的电阻，该电路中串联的电阻选择的是R3=43K的电阻来保护传感器。（3）DH11湿度传感器电路设计。土壤湿度传感器采用DH11，和温度传感器一样，R2的作用是保护传感器不被烧坏，这里R2取47K，3端口用不到，故此悬空。（4）继电器风扇驱动电路。当大棚中的空气湿度比设定好的温度高时，温度传感器将接受到的信号经过A/D转化后传输给单片机，单片机会调用散热子程序，完成三极管导通，使的继电器闭合，开启散热功能，当温度降到设定温度时，风扇就会停止转动，散热就会结束[4]。同样的，当空气湿度高于设定湿度时，电风扇会转动降低湿度，当湿度低于设定湿度时，电扇就会停止转动，散湿结束。

基于单片机的智能温室控制系统设计

基于单片机的智能温室控制系统设计

基于单片机的智能温室控制系统设计

随着科技的发展和人类对生活品质的追求，农业领域对智能温室控制系统的需求也日益增加。这种控制系统能够提供更精确的环境控制，提高作物产量和质量，降低能源消耗，并实现农业生产的自动化和智能化。本文将探讨基于单片机的智能温室控制系统设计的可能性。

一、系统需求分析

智能温室控制系统需要监控和调节温室内的环境因素，包括温度、湿度、光照、CO2浓度等。单片机作为一种微型计算机，具有体积小、价格低、可靠性高等优点，适合用于构建智能温室控制系统。

二、硬件设计

1、单片机选择：根据实际需求，选择合适的单片机作为主控芯片。例如，STM32单片机具有丰富的外设和强大的处理能力，适合用于构建复杂的控制系统。

2、传感器模块：选择合适的传感器来监测温室内的环境因素。例如，温度传感器可以监测温室内的温度，湿度传感器可以监测温室内的湿度。 3、执行器模块：根据控制需要，选择适当的执行器来调节温室环境。例如，电动阀可以调节温室内的温度，水泵可以调节温室内的湿度。

4、人机界面：设计合适的人机界面，以便用户可以直观地查看和控制温室环境。

三、软件设计

1、算法设计：根据控制需要，设计合适的控制算法来控制执行器的动作。例如，模糊控制算法可以用于温度控制，以实现更精确的温度调节。

2、程序编写：使用合适的编程语言编写程序，实现控制算法和控制逻辑。

3、数据处理：通过数据分析处理模块对传感器数据进行处理分析，为控制算法提供准确的环境数据输入。

四、系统测试与优化

1、硬件测试：对硬件电路进行测试，确保传感器、执行器和人机界面等设备能够正常工作。

2、软件测试：在硬件测试通过后，进行软件测试，确保软件程序能够正常运行并实现预期的控制效果。

3、系统优化：根据测试结果，对系统进行优化和改进，以提高系统的性能和稳定性。

4、用户反馈：收集用户反馈意见，对系统进行进一步优化和改进，以满足用户需求。

五、结论

基于单片机的智能灌溉系统设计

基于单片机的智能灌溉系统设计

基于单片机的智能灌溉系统设计

随着现代农业技术的不断进步，智能化农业、智能化灌溉已经成为农业领域的研究热点和发展方向。基于单片机的智能灌溉系统通过无线通讯、传感器控制等技术手段，实现对水源、土壤、气候等情况的实时监测和掌控，从而实现对灌溉的精准控制、降低浪费，提高作物产量和质量，助力农业现代化建设。

本文将介绍基于单片机的智能灌溉系统的设计，主要包括系统的硬件、软件设计与实现等方面。

一、系统硬件设计

1.传感器模块

智能灌溉系统需要使用多种传感器来实现对土壤、空气、水源等信息的测量和控制。目前常用的传感器有土壤湿度传感器、温度传感器、湿度传感器、光照度传感器和PH值传感器等。

2.控制模块

控制模块是系统的核心组成部分，它通过对传感器的测量值进行分析和处理，得出灌溉时机、灌溉量等决策，并通过执行器如水泵、阀门等,实现自动灌溉控制。

3.执行器模块

执行器模块主要由水泵、阀门等组件构成，负责将水源供给给灌溉点。 在水泵的控制方面，可以使用PWM技术，控制电机的转速，从而实现灌溉量的精准控制。

1.数据采集模块

数据采集模块需要定时测量土壤湿度、温度、湿度、光照度和PH值等参数，并将数据存储在数据库中，为后续的决策和操作提供支持。

控制决策模块对采集到的各种参数进行分析和处理，根据设定的灌溉策略，制定相应的灌溉控制方案。例如，当土壤湿度低于一定水平时，控制模块会根据该阈值点打开水泵并持续一定时间。

智能灌溉系统需要与互联网相连，实现实时数据采集、传输和操作控制。采用WiFi、GPRS等方式实现无线通讯，并在网页上实时显示各种参数信息和操作控制界面。

三、系统实现 在基于单片机的智能灌溉系统的实现过程中，需要进行硬件和软件的相互配合和优化。硬件的调试和测试需要结合软件的开发，完成各个模块的调试和优化。