关 键 词：稻作区；单片机；一体化；智能灌溉
引 言
【研究意义】我国是世界上最大的粮食生产国和消费国，长期以来粮食生产一直处在波动发展之中，特别是水稻生产仍处于传统模式，生产环境条件原始，尤其以农业水资源短缺、浪费问题较为突出。科研人员为了提高粮食等产量和品质做出了大量努力[1]。结合现代农业技术与水稻高效生产农艺技术，转变现有的粗放灌溉模式，实现农业用水精细化管理[2]，发展稻作区田间智能灌溉势在必行，对促进农业增产、实现农民增收具有重要的理论和实践意义。
【研究进展】近年来，随着现代农业的快速发展，运用新一代信息技术，研发智能化、自动化的农业灌装备已经成为趋势。顾哲等[3]设计了一种卷盘式喷灌太阳能智能驱动控制系统，为实现卷盘式喷灌机变量灌溉提供了有效的实现方式和技术手段。骆寅等[4]研发了一种基于STM32F103ZET6单片机设计的灌溉泵智能运行监测系统，实时获取农业灌溉泵的性能参数信息以及农业灌溉用水水质信息。史中兴等[5]基于自动化控制、网络通信和测量等技术，设计并研发了能够实现信息采集-处理-决策-信息反馈-监控-共享一体化的灌区闸门测控设备。
【切入点】目前我国大部分稻作区田间灌溉设施选用单体提拉式闸门，采用离散手动操作和开环控制[6]，灌溉方式粗放，管理方式落后，田间灌溉水资源流失严重。【拟解决的关键问题】为此，以安徽省沿淮中上游区域水稻生产为研究对象，针对稻作区田间难以铺设电路等难题，利用太阳能为电能来源，通过设计太阳能供电模块提供电源，研究一种基于AT89S52 单片机的稻作区智能灌溉控制系统，实现水稻生产灌溉智能化和精准化，提高农业灌溉水资源利用效率，将为沿淮中上游区域水稻可持续高产提供技术支撑。
1 系统架构
1.1 总体结构设计
本文设计的基于 AT89S52 单片机的稻作区智能灌溉控制系统包括一体化提拉式水闸、灌溉硬件子系统和灌溉软件子系统。稻作区智能灌溉控制系统特点为：工作时安装于各级水渠的一体化机械水闸在灌溉硬件子系统的有序操控下，实现闸门的开启与关闭；灌溉硬件子系统采用单片机 AT89S52 为控制核心，实现智能灌溉控制系统的各项预定功能；灌溉软件子系统将感知水稻生长环境信息进行运算处理，有效控制灌溉硬件子系统正常运行。通过将闸门控制、环境感知和流量计算等结合为一个有机整体实现智能控制渠道灌溉，一个完整的稻作区智能灌溉控制系统架构框图见图 1 所示。
1.2 机械结构设计
一体化提拉式水闸机械结构如图 2、图 3 所示，采用一体化设计，将太阳能光伏板与矩形闸门通过机械结构结合形成提拉式水闸，主要包括：太阳能光伏板、控制箱、闸门板、主体框架、电动机、螺栓连接、伸缩杆、定位销、蓄电池、太阳能控制器、传感器控制器和 360 度旋转轴等。工作原理：水闸正常工作时，电机调用串口电信号通过电机驱动继电器调用电动机工作，经传动机构驱动伸缩杆，伸缩杆通过螺栓连接驱使闸门板提拉开启和关闭，当闸门板与底板垂直接触时，形成局部密闭空间，隔断水流。采用太阳能光伏板和蓄电池为本系统的供电电源，解决田间设施电路铺设难题，为系统高效运行创造条件。在闸门板两侧设置定位销装置，当闸门运行至预定开度时，通过定位销装置锁定闸门板，降低闸门板所受水流横向冲击力，延长使用寿命。为满足闸门长期在水下工作的强度和刚度要求，主体框架和闸门板采用奥氏体-铁素体双相不锈钢，其合金元素含量较高，铬、镍的质量分数分别大于 22%和 5%[7]，具有超塑性、高强度、耐腐蚀和焊接性能强等特点，便于加工和降低装置整体重量，有效减轻供电系统负荷。
2 硬件结构设计
2.1 灌溉硬件子系统方案
灌溉硬件子系统采用双面 PCB 覆铜板作为电子元器件电气连接的载体，其在现代电子设备中具有广泛的应用[8-9]，具有高的信号传输速度、传输损失小，传输延迟时间短、信号传输失真小等特性[10]。以AT89S52 单片机为中央处理单元模块控制核心，连接传感器感知模块、太阳能供电模块和电机运行模块，组成系统方案。详见图 4。
2.2 中央处理单元模块
2.2.1 AT89S52 控制单元
中央处理单元电路采用 AT89S52 单片机为控制器，其价格低廉、应用广泛、使用简单、低功耗、高性能的 8 位微控制器，与 80C51 系列产品指令和引脚完全兼容[11-12]，各端口的使用情况见图 5。
为避免“程序飞走”“死机”等现象，采用手动按键复位方式，设计复位电路，保证单片机系统的正常工作；采用 11.052 9 MHz 晶振为 AT89S52 提供时钟脉冲信号，设计晶振电路，实现控制各单元工作和数据的正常运算处理，详见图 6、图 7。
2.2.2 LCD 液晶显示单元
在电路设计中，需要将模拟量转换为数字量以供单片机使用，本系统采用 TI 公司的 12 位串行模数转换器 TLC2543，使用开关电容逐次逼近式技术控制A/D 转换电路，具有分辨率高，成本低、节省 I/O 资源等诸多特点[13]，电路详见图 8。
液晶显示电路用于实时显示运行数据。本系统使用 LCD12864 液晶显示屏，由 128 列 64 行液晶显示点组成 128×64 阵列，5 V 电压驱动，带背光，带中文字库[14]，LCD12864 与单片机引脚的连接详见图 9。
2.2.3 程序下载单元
2.3 传感器感知模块
2.4 太阳能供电模块
3 软件系统设计
3.1 闸门终端控制软件
3.2 上位机控制软件
4 系统应用
4.1 实验场地和方法
4.2 系统运行测试
4.3 流量模型
5 结 论
（1）区别于其他同类产品（如管道灌溉），本文设计的稻作区智能灌溉控制系统将太阳能光伏板与矩形闸门通过机械结构结合形成一体化提拉式水闸，具有集成度高、安装简单易维护、使用寿命长等优势；利用太阳能和铅酸蓄电池为供电电源，解决田间生产作业难以铺设电路的难题，实现田间灌溉无人化，降低配套基础设施（电力等）建设成本和人工灌溉成本。
（2）以 AT89S52 单片机为控制核心进行了系统研究，探索了利用新一代电子信息技术实现灌溉水闸智能控制的可行性，开发了控制系统工作的闸门终端控制软件，实现与 PC 上位机连接，为快速、准确地获取系统工况数据与环境条件参数创造条件，有效提高稻作区灌溉智能化水平。
（3）模拟试验表明，研制的基于 AT89S52 单片机的稻作区智能灌溉控制系统，运行安全稳定，在室外环境条件下响应速度快，传感器适应能力强，电机自动控制响应时间˂1 s，闸门开度控制误差˂1.5 mm，闸前、后水位控制误差˂8 mm，数据传输丢包率最大为 0.11%，自由出流状态下闸门流量计算误差˂1%，淹没出流状态下闸门流量计算误差˂1.2%，能够满足稻作区田间灌溉复杂环境下用水智能化和精准化的要求。
参考文献（略）
