一种新型智能监测浇灌系统的研究

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[摘 要]电容法土壤潮湿度智能监测浇灌系统，可设定土壤潮湿度浇水阀值，将测得的潮湿度实时显示，自动判断植物是否需要浇水，造价低廉，操作简易，自动化程度高，具有较好的实用和推广前景。

[关键词]电容法；土壤潮湿度；智能监测浇灌

中图分类号：TH788 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）26-0188-02

一、绪论

土壤含水量是影响种植业生产的重要因素之一，自动化控制的浇灌系统可以将人力从繁琐的人工观察监测和浇灌劳作中解放出来。

由于现阶段的土壤潮湿度检测仪器造价昂贵，难以和自动浇水设备组合运用，目前市场上的自动浇灌系统，其浇灌原理多为定时定量浇灌，只要到了设定的时间，不管土壤含水量多少，系统都会自动浇水，这是一个致命缺点。

本文中设计的这套智能浇灌系统，检测原理科学合理，造价低廉，操作简易，自动化程度高，具有较好的实用和推广前景。

二、电容法测量土壤潮湿度

2.1 土壤潮湿度的定义

本文中土壤潮湿度定义为单位质量的土壤中的水分的质量Mwater与烘干后的土壤质量Msoil之比。表达式为：

g=Mwater/Msoil×100%

通过测量土壤的电容量来间接测定土壤的潮湿度。用两块尺寸相同、相隔一定距离、平行相对的金属板，这就形成了一个最简单的平板电容器Cx，电容量与两平板中的介质（被测土壤）的介电常数成正比，即：Cx=εS/d。式中d为两电极板之间的距离，S为极板的面积，ε为介电常数。

由于水的介电常数远大于一般物质的介电常数（差值在80左右）。因此被测土壤中含水量有极微小的变化，就会引起Cx有较大的变化。将Cx接入振荡电路中，Cx的变化便可转化为电压或频率等电信号的变化，测出此变化值，即可得出潮湿度与电压或频率曲线。

2.2 电容法测量土壤潮湿度电路

如图1，以555集成电路作为振荡器产生方波信号，当土壤潮湿度改变时，引起电容Cx的改变，555电路的输出端输出的方波频率也一起改变。

在555电路的输出端接上一块芯片――CD4040分频器，经CD4040分频后的方波信号再输入单片机内处理，这样可有效抑制一些高脉冲和低脉冲产生，使单片机处理的数字信号更稳定，更准确。

本文选用微控制器为ATMEL公司生产的AT89S52单片机（电路连接如图2），单片机所选晶振为24M，运算速度为2MHz。振荡器产生的方波经CD4040分频后接入单片机的外部计数引脚，对脉冲信号进行定时计数，从而得出振荡器产生的方波频率，进而测出土壤含水量。显示电路如图4，浇水阀值设定按键如图3，能直观的显示土壤的潮湿度，设置显示浇水阀值，可根据不同植物的最适需水量进行浇水设置。

三、电容Cx的设计及振荡电路

3.1 电容Cx的设计

电容Cx在使用时必须将其埋入泥土中，以便可以对土壤含水量进行监控，必须考虑到酸碱和水分对金属极板的腐蚀，特别是金属极板不能直接与土壤相接触。接触了会使振荡电路停止工作。设计时由于加工条件有限，笔者用雕刻机裁割了两块大小和形状都相同的覆铜板作为金属电极。为了防水，又用了4块厚度约3.5mm的塑料板，用雕刻机将其中两块凹刻深度约为2mm，形状大小均和覆铜板电极一样，再将两块覆铜板电极连上导线，嵌入凹槽中，用另外两块塑料板将其封装起来，再用溶胶封上缝隙。又用了两块厚度相同的塑料块粘接在塑料板的边沿，以使两极板间的距离一定。具体形状如图5：

由于本设计有部分控制电路需要在室内操作和控制，而电容Cx为埋入土壤的部分，为了延长检测的距离，笔者在第一次测试电路时只将电容的两只引脚延长到室外，振荡电路和控制电路在同一块电路板上，发现电路工作极不稳定，经过分析，主要是因为电容Cx连得线太长，干扰大，而电容Cx的电容量又很小，因此导线太长，两导线之间的电容也会影响振荡电路的工作。特别是在导线形状改变时都会带来振荡不稳定。笔者经过改进，将振荡电路封装在电容的其中一块极板背面的塑料块上，把原来的电容Cx引脚延长改为延长电源线和数据线，因为数据线传播的是方波信号，故干扰很小，而且传输的电源是低压电源（5V），即使电源在传输过程中有微小损耗也不影响振荡电路的工作，因为555的工作电压范围为3.5～18V。改进后的振荡器安装位置如图6：

3.2 浇水驱动电路及电磁阀

浇水时由单片机控制驱动电路驱动电磁阀浇水，此电路中的电磁阀额定工作电压为220V/50Hz的交流电，单片机为低压直流。

采用光电隔离法，无触点开关控制，电路连接如图7。

驱动电路中所选可控硅型号为BT136双向可控硅，用一个定值电阻与一个光敏电阻相串联，将一个发光二极管的发光帽与光敏电阻的感光面相接触，然后用黑胶带将其封装起来，形成一个光电耦合器，达到光电隔离的效果，通过低压控制发光二极管的亮灭，来控制光敏电阻阻值的大小，从而达到控制可控硅开关的效果，实现单片机对电磁阀的控制。

电磁阀是控制是否浇水的装置，安装在浇水管上，为了便于维护，可安装在室管段上，传感器电容Cx距浇水点约50cm，电容Cx埋入地表约10cm深，以便电容能实时感应土壤潮湿度。

3.3 编程与软件设计

本设计在采集土壤数据时没有用AD转换，而是直接用单片机定时计数器对振荡电路产生的方波脉冲进行定时计数，从而得出土壤在不同潮湿度时对应振荡电路的方波脉冲频率。在检测时开启了单片机的定时器T0和计数器T1。T0控制计数提取时间，T1计振荡电路的方波脉冲数。测试发现，在电容Cx两极板间的介质为空气时（此时振荡电路频率最大），振荡电路产生的方波脉冲在经过CD4040的8分频后，用示波器观察所得到的频率约为32.67KHz到32.89KHz，1MHz的单片机可直接使用定时计数器完成对土壤潮湿度信息的监测。

在对方波脉冲进行计数时，难免会有少许高频或低频的脉冲混入其中，被单片机计数，造成了信号采集的误差。克服这一干扰的方法有多种。第一：多次采样，取平均值，能减少误差，误差的大小与采样的频率有关，理论上是采样次数越多，求均值后误差越小，但事实并非如此，因为许多干扰是周期性的，故单用此法不太准确。第二：中间值法，此方法的思路是采集多组数据，将其按大小排序，取中间的一个为有效值。此方法中，误差的来源主要是偶然误差，有时，其中一组有效数据会偏离太多。对此，可以首先采用中间值法，消去大部分错误数据，得出一组有效数据。然后再得出多组这样的有效数据相加求平均值，可消除许多误差。

具体的程序设计操作方法为：用计数器T1对振荡电路产生的脉冲计数，每秒提取一次数据，提取9个数据为一组，对该组数据用冒泡法排序后，取中间的一个为有效值。用此方法提取10个这样的有效值求平均值得出的结果为有效值，得出一组有效数据的时间为90秒。

在电容Cx两极板间的介质为空气时，振荡电路产生的方波脉冲在经过CD4040的8分频后，用单片机计数，数码管显示，在一小时内随机记录了10次数据，如表1：

用示波器观察所得到的频率约为32.67KHz到32.89KHz。由上表可看出，处理后的数据较为稳定，数据的最大值与最小值之差为2Hz，这个差值在本设计的误差允许范围之内。

浇水控制程序：在系统中包含了便宜的数码管显示和按键输入功能。按键总共6个，一个为复位按键，一个为浇水阀值设定按键，一个确认按键，一个加和一个减，一个为强制浇水按键。数码管显示的是土壤的实时潮湿度和可以调节的浇水阀值，总共四位。平时显示的是土壤的潮湿度。当按下浇水设定按键时，进入浇水阀值设定程序，按键加和减用来调节浇水的阀值，步进为1，此时数码管显示的是浇水阀值，设定好阀值之后，按确定键退出浇水阀值设定程序。浇水设定主要是针对一些对水份要求比较特殊的植物，由用户自己设定浇水阀值。复位按键按下之后所有用户之前设定好的程序都将会回到初始状态，强制浇水按键被按下时，即使还没有达到浇水阀值，系统也会强制浇水10分钟后自动停止。

四、故障自检电路的原理及设计

本系统设计了故障自检功能，方便用户在使用过程中维护与检修，系统发生故障时，浇水作业停止，故障时相应模块的蜂鸣器发出报警声。

4.1电源故障的监测电路（图8）

4.2振荡电路故障监测电路（图9）

4.3主控单元故障（图10）

参考文献

[1] 《一种土壤水份检测仪的设计》，白泽生著，《微型计算机信息》2007年第03S期.

[2] 《土壤湿度检测仪》，薛居宝著，《科技辅导员》2001年第5期.