土壤湿度感应控制型自动灌溉装置的设计与实现

郭海涛，洪元蛟，徐师博，王创展

（广东建设职业技术学院 机电工程学院，广东 清远 511500）

2019年，全国水资源总量29 041.0亿m3，其中地表水资源量27 993.3亿m3，地下水资源量8 191.5亿m3，全国人均综合用水量431 m3，农业用水3 682.3亿m3。目前城市供水基本可满足生活需要，因此水资源匮乏问题多未引起人们的足够重视，尤其是发达地区的居民没有体验到缺水导致的生活不便，水资源保护已刻不容缓[1]。在灌溉方面，给水技术的进步和普及已经摆脱了大水漫灌的方式，逐步向喷淋型和滴灌型普及。但当前的喷淋浇灌系统多采用定时定量固定浇灌模式，无智能化控制模块。特别是大雨过后土壤浸润，喷淋系统依然重复灌溉，又造成水资源的无端浪费。

如果可以精确控制灌溉过程，根据实际需水量进行精准灌溉，则可以最大限度地实现节省水资源。要实现精准灌溉的目标，需要构建单片机或以芯片为核心的控制系统，该控制系统的前端传感器要能够灵敏检测土壤湿度，并通过总线将信号传输到单片机中，通过单片机的程序编写，进行阈值判别，如果检测到土壤湿度低于设定阈值，则驱动执行器进行灌溉控制[2]。在系统设计过程中，由于土壤湿度为模拟信号，所以需要由A/D转换模块完成模拟信号到数字信号的转换。单片机的驱动能力较弱，在电路设计过程中可能还需要采用继电器独立控制模块。

1 硬件电路设计

随着传感器设计技术的进步，土壤温湿度等各类型传感器的性能指标已经较为可靠。用于信号采集与处理功能的单片机（或片上系统）功耗较低，性能稳定，这就使得该硬件设备具备了在户外恶劣（日晒雨淋）环境下稳定工作的能力。

土壤湿度传感器一般植入土表之下5～15 cm处，传感器检测到的土壤湿度数据经信号调理模块转换成标准电压信号，与单片机程序中设定的临界值进行比较，如果测量值低于设定值，则自动启动喷淋装置工作。设备内置时间模块，可以自定义浇水时间。不同区域浇灌时间有差异，以草坪为例，露天草坪浇水时间长，树荫下浇水时间短。从设备功能角度来说，它属于传感器智能控制型系统，系统的工作模式可以采用程序设计语言进行编写和自定义设计。通过软件编程设定不同的工作模式，以满足不同区域环境、不同植物品种对于水源供给制式的差异化需求。

1.1 传感器选型

传感器要完成土壤湿度的检测任务，目前常用的土壤湿度传感器探头是金属体，工作在潮湿的土壤环境中，较容易生锈，因此其表面常采取镀铬或镀镍方式进行防锈处理。为了提升传感器的电信号传导能力，可以扩大传感器的感应和接触面积。其相关参数如下：

传感器与信号调理模块如图1所示，基本参数为DC3.6V直流供电；静态功率6 mA*12 V，分辨率0～50%内误差率0.3%，50%～100%内误差率在1%以内；电导率0～104μs；内置温度补偿，补偿范围0～50℃，量程-40～80℃；可以全部埋入被测介质，电极长度70 mm。

图1 传感器模块与信号调理模块

湿度信号属于模拟信号，无法直接被单片机读取，需要通过信号调理模块进行A/D转换，换成单片机所能识别的数字信号。信号调理模块负责将土壤湿度信号转换成标准电信号，通过IO通讯端口传输给单片机。信号调理模块可以进行灵敏度调整，顺时针转动电位器能够提高传感器的阈值，逆时针旋转电位器能够降低其阈值。

湿度检测探头要能够宽范围检测土壤的湿度，并通过电位器调节控制其灵敏度，探头与程序代码中的阈值相互配合完成湿度阈值的设定[3]。在灌溉过程中，土壤结构较为松散，水的浸润导致湿度信号检测的抖动。因此传感器探头要与带延时功能的模块配合工作，信号调理模块的延时时间以3～5 s为宜。当检测湿度在临界状态时继电器不会抖动或频闪。系统所采用的继电器要能控制电磁阀，所以要求继电器可以承受1 500 W负载，为了显示直观和操作方便性，产品具有电源指示和继电器吸合指示2个附加模块。

信号调理模块如图2所示，其延时功能属于必要设计，要调节湿度值时，每调1次需要等待几秒钟左右，观察继电器的变化，并通过显示性绿色的LED灯显示相应的变化范围，直到调到符合要求为止。信号调理模块属于弱电控制模块，其供电电压 DC12V输入电流；大于100 mA。在执行器选型过程中，其控制器参数标准为220 V、10 A交流或30 V、10 A的直流。

图2 信号调理模块接线图

调理模块的输出信号作为集成运放的一个输入信号，通过与集成运放的另一输入端的参考信号进行比较得到高电平或低电平，该高/低电平作为输入信号输入单片机的IO口，通过编程处理，得到土壤湿度的实时量化数值。湿度传感器得到的输出值与集成运算放大器的参考电压进行比较，如果小于参考电压，集成运放的输出端输出为高电平。同理，如果土壤湿度对应的输出电压大于参考电压，运放输出低电平。单片机如果检测到湿度值超过阈值，驱动继电器模块打开水流控制电磁阀，同时蜂鸣器模块启动，一个带报警设备的水流开关控制系统构建完成[4]。

湿度计量检测模块采用5 V电压供电；信号调理模块采用M393芯片作为核心硬件模块；工作电压5 V，为方便安装，设有固定螺栓孔和安装孔；其PCB尺寸为31 mm*14 mm。

不同植被对土壤湿度的要求是不同的，因此还可以通过电位器旋转调节，实现土壤湿度控制阀值对不同工作环境下植被湿度的精准控制，以区分菜园、花园和家庭花盆等不同场景下土壤湿度的差异化要求。

单片机功率低，电磁阀驱动需要大功率设备。因此需要输出信号控制无触点开关，无触点开关作为外围大功率继电器的控制开关，实现小信号驱动大功率设备的目标。无触点开关受传感器间接控制，大功率设备的启动又受到无触点开关断开或闭合的直接影响。设立延时功能，也是为了解决湿度临界状态时继电器不断吸合断开、信号灯闪烁问题。

土壤湿度控制系统的前端触发系统为传感器，它检测到湿度低于设定湿度阈值，控制继电器自动吸合，启动电磁阀打开浇灌设备进行给水操作，当传感器检测到湿度超过阈值，继电器和电磁阀自动停止供水。

1.2 硬件电路设计与实现

采用的主控单片机为STC89C52RC（也可以选择STM32F103C8T6芯片）。硬件电路引入8 MHz的晶振振荡电路为单片机提供标准时钟信号。为了提高抗干扰性能，晶振电路引入10 μf电容稳定振荡电路输出，如图3所示。

图3 单片机硬件系统实现

2 软件代码程序设计

3 结束语

本项目完成过程中，采用通用型控制模式，系统稳定性好。输出控制端设备采用的电磁阀控设备可靠耐用。本项目设计制作的植被灌溉设备，技术成熟、价格较低，因此有较强的竞争力、设备实用性强，能够在住宅小区、办公场景和市政环境中广泛应用，具备了良好的市场推广前景。

考虑到长期植根于土壤中，传感器探头虽然进行了镀镍处理，减缓了金属在潮湿环境下生锈的速度，但长期工作于潮湿环境下，其对探头的敏感度、老化性能要求较高。