基于PIC单片机的农田灌溉智能控制系统研究

1、基于PIC单片机的农田灌溉智能控制系统研究庄志红󰀁(常州工学院电子信息与电气工程学院,江苏常州213002)摘要󰀁以PIC16F877新型单片机为核心设计了全自动智能灌溉控制系统,该系统可根据土壤湿度传感器检测水分信息和天气环境温度来模糊决策灌水量,克服了以往以土壤湿度信息进行灌溉决策的不精确性,可以满足现代农业精量灌溉的需求。关键词󰀁节水灌溉;模糊控制;PIC单片机中图分类号󰀁S274.2󰀁󰀁文献标识码󰀁A󰀁󰀁文章编号󰀁0517-66

2、11(2010)30-17225-02FieldIrrigationIntelligentControlSystemBasedonPICSinglechipZHUANGZhi󰀁hong󰀁(SchoolofElectronicInformation&ElectricEngineering,ChangzhouInstituteofTechnology,Changzhou,Jiangsu213002)󰀁󰀁我国水资源非常贫乏,人均水资源占有量约2300m,为3大大缩短研发时间、简化外围电路并降低费用。天气温度传感器是DALLAS公

3、司生产的DS18B20,即单总线器件,具有线路简单,体积小的特点。该产品只要求1个端口即可实现通信;在DS18B20中的每个器件上都有独一无二的序列号;实际应用中不需要外部任何元器件即可实现测温;测量温度范围为-55󰀂125󰀂数字温度计的分辨率用户可以在912位进行选择;内部有温度上、下限告警设置。压力传感器为PTH501传感器,采用全不锈钢封焊结构,具有良好的防潮能力及优异的介质兼容性。该传感器的量程为-0.1150.0MPa;综合精度为0.1%FS;输出信号分别为:420mA(二线制)、05、15和010V(三线制)2.2󰀁信号输入ϗ

4、041;在大田中土壤深度10cm处设置3路湿度传感器,然后把传感器信号通过双绞线送入单片机,同时通过温度传感器检测天气温度,把温度信号送入单片机;压力传感器所产生的电压信号送入单片机的A/D端。然后把采集到的信号存放在数据存储器中,根据设计好的模糊规则对输入的信号进行模糊化处理,根据模糊决策的结果,决定是否灌溉水量。2.3󰀁显示和报警󰀁显示器选用4位7段数字显示器,通过世界人均1/4。农业用水约占总供水的80%,随着工农业现1代化水平对用水量的增加,节水灌溉显的越来越重要。为此,笔者设计单片机来控制农田灌溉。1󰀁工作原理农田灌溉智能系统的工作原理

5、是把土壤水分传感器测定土壤水分信息和天气温度信息送到单片机,然后单片机根据其设定的模糊控制规则,对输入的信号模糊决策,根据模2糊推理值决定是否进行灌溉以及灌水量。该系统通过压力传感器检测管道压力,并配有报警系统。系统的硬件结构框如图1所示。图1󰀁控制系统的硬件结构示意Fig.1󰀁Thehardwareframeworkofcontrolsystem按键来选定显示土壤湿度、管道压力、天气温度以及应该灌溉的水量。系统借助RS485实现远程数据采集,利用EEP󰀁ROM实现经验数据的存储。3󰀁模糊规则的制定对作物进行适时适量的灌溉对作物生

6、长非常重要,作物灌溉受不同作物生长规律、季节、气候环境等一系列因素的影响,建立精确的作物灌溉模型比较困难,因此,以往的大田灌溉多数根据人为经验。模糊控制不依赖于系统精确的数学模型,是基于长期灌溉经验的总结,并通过学习可不断更新。因此,模糊控制模型的智能性非常好。笔者设计的农田灌溉模糊控制系统将输入的土壤湿度和天气温度信号进行模糊运算,得到作物的控制输出量,然后将模糊控制量U转换为精确值,得到作物的实际最佳灌水量,去控制执行机构。󰀁󰀁652󰀁硬件结构󰀁系统的硬件电路图如图2所示,系统微处理器采用PIC16F877新型单片机3。为防止

7、单一土壤湿度传感器检测信息误差大,系统采用3路土壤湿度传感器检测值取平均值。输出通过隔离驱动来控制2个灌区的6路电磁阀和水泵电机。2.1󰀁传感器选择󰀁土壤湿度传感器选用瑞士Sensirion推出的SHT71系列数字温湿度传感器,该设备采用基于领先4世界的CMOSens数字传感技术,具有极高的可靠性和长期稳定性。全量程标定,2线数字接口,可与单片机直接相连,基金项目󰀁2008常州市青年科技人才培养计划项目(CQ2008009)资助。作者简介󰀁庄志红(1968-),男,江苏丹阳人,讲师,从事智能控制技术研究。收稿日期󰀁

8、2010󰀁08󰀁0217226󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁安徽农业科学󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁&#

9、983041;󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2010年图2󰀁Fig.2󰀁控制系统的硬件电路示意Thehardwarecircuitdiagramofcontrolsystem气温度(t)的模糊子集为:s=负大,负中,负小,零,正小,正中,正大,t=负大,负中,负小,零,正小,正中,正大,分别量化为7个等级:s=-3,-2,-1,0,+1,+2,+3;t=-3,-2,-1,0,+1,+2,+3。模糊变量(s,t)隶属度值如表1所示。表1󰀁模糊变量(s,t)隶属度函数值关系t天气环境温度按推

10、理合成规则来确定,即U=s,t R这里算符! 代表sup󰀁min合成推理,整个过程也被称为模糊决策。经过模糊推理所决定的控制量U是1个模糊矢量,按照隶属度最大原则确定控制量U,即最佳灌溉量。4󰀁小结笔者运用新型单片机构建了灌溉控制系统,系统包括输入电路、输出显示和控制输出部分,在控制软件方面采用了模糊控制模型,通过土壤湿度信息和天气温度信息来综合决策作物的灌溉水量。参考文献1张兵,袁寿其,成立.国内外节水灌溉自动化技术发展现状与展望J.排灌机械,2003(2):37-41.2吴普特,牛文全.节水灌溉与自动控制技术M.北京:化学工业出版社,2001.3窦建中,汪立

11、森.PIC系列单片机应用设计与实例M.北京:航空航天大学出版社,2001.4徐爱军.智能化测量控制仪表原理与设计M.北京:航空航天大学出版社,1995.5张兵.智能化节水灌溉控制系统的设计与研究D.镇江:江苏大学,2003.6景东升.单片机自动灌溉控制系统的研究设计与应用D.北京:北京农业工程大学,1994.3.2󰀁模糊规则󰀁根据长期灌溉经验设计模糊控制规则,模糊控制规则的语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页)4PRANODA,CORPUSC.Microbialmethodofproducinginosito:lUnitedStates