基于单片机智能灌溉系统的设计.docx
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基于单片机智能灌溉系统的设计.docx
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基于单片机智能灌溉系统的设计
序号(学号):
XX大学
毕业设计(论文)
基于单片机智能灌溉系统的设计
姓名
学院
专业
班级
指导教师
2020
年
5
月
29
日
基于单片机智能灌溉系统的设计
摘要:
水是一切生命过程中不可替代的基本要素,水资源是国民经济和社会发展的重要基础资源。
我国是世界上13个贫水国之一,人均水资源占有量只有世界人均水平的1/4。
生产和生活占了大量用水。
其中农业灌溉用水占全国年总用水量的67%左右,是节水潜力最大的领域。
改变农业灌溉方式是节约农业用水的主要途径。
农业灌溉方式中,滴灌是目前最为有效的一种。
本设计包括硬件电路设计和软件设计两部分。
硬件电路部分主要包括时钟电路设计,复位电路设计,报警电路设计,土壤湿度传感器的选用,主控单片机的选用,数据存储电路和数据采集电路的设计,OLED显示部分和串行通信的设计。
单片机选用STM32:
数据存储电路采用外部静态数据存储器6264:
数据采集电路采用A/D转换器AD574实现数据转换:
设计的显示部分采用6位OLED显示,74LS138实现其位选,CD4543实现其段选。
土壤湿度传感器将采集到的数据送入A/D转换器AD574,数据存储到外部静态数据存储器6264,最终由LED显示部分显示,读出数据。
软件部分包括对主程序、数据采样子程序、数据处理子程序、显示子程序的简单设计。
本设计的本系统的硬件电路结构简单、系统的可靠性高。
关键词:
农业灌溉;单片机;传感器;A/D转换;OLED显示
Designofintelligentirrigationsystembasedonsinglechipmicrocomputer
Abstract:
Wateristheessentialbasicfactorforalllifecycles.waterresourceistheimportantbasicresourceforsocialeconomicsandsocietydevelopment.Chinaisoneofthe13countriesintheworldwhichhavetheshortageproblemwithwaterresource.theaveragewaterdistributionisonlyaquarteroftheworld.Productionindustryandeverydaylifeusageshavetakenupthemajorpartofwaterusage.Agriculturalindustryusesupabout67%ofthetotalwaterresourceanditisthemajorstreamforwatersaving.Makingchangestothewaysofagriculturalindustrywaterusageisthemaindirectionofsavingagriculturalwaterusage.Dripirrigationisthemosteffectivetechniquecurrentlyinagriculturealirrigation.Thisdesignincludeshardwareciruitdesignandsoftwaredesign.Inthistopic,thehardwarecircuitdesignincludesclockcircuitdesign,resetcircuitdesign,alarmcircuitdesign,theselectionofsoildampnessdetectors,theselectionofsinglechipmicrocomputer,datadetectionandstoredesign,OLEDmonitorpartandserialcommunicationcircuitdesign.SinglechipusesSTM32;datastoragecircuitusesexternalstabledatastorage6264;datadetectioncircuitusesA/DconverterAD574toachievetheconversion;thedisplaypartofthedesignusessixdigitsOLEDmonitor,74LS138achievespositionselection,CD4543achievesintervalselection.SoildampnessdetectorwilltransferdetecteddatatoA/DconverterAD574;dataisstoredtoexternalstabledatastoragespace6264,intheend,theOLEDmonitordisplayspartsofthedataforinterpretation.Softwareincludesthedesignofmainprogram,datadetectionsubprogram,datainterpretationsubprogram,anddatadisplaysubprogramdesigns.Thehardwaredesignhasadvantageinasimplecircuit,andhighreliabilityoftheprogram.
Keywords:
agricultural,irrigation,singlechip,detector,A/Dconverter,OLEDmonitor
第1章绪论
1.1课题研究目的及意义
1.1.1研究目的
水是生命之源,节约水源至关重要,是每一个人的责任,在节约水资源的基础上,提高浇水的质量,是本次研究智能浇水的主要目的,为了提高智能浇灌的精准度,对于植物根部的土壤,进行了湿度、酸碱度等详细分析,然后对浇水的强度加以控制,达到智能浇灌[1]的目的。
无论在家里、学校、单位等地养植花卉等植物可更好的改善我们的居住环境以及空气质量。
但是在我们养植这些花卉等植物的过程中,我们经常会因为人为原因疏忽了对我们所养植的花卉等植物的照顾,经常不能及时浇水,导致植物由于缺水导致的病害或缺素症等,严重可导致其干枯死亡,从而给我们带来无可挽回的精神和经济上的双重损失。
为避免这一类现象的发生导致花卉等植物缺水为人们造成的损失,所欲研发了一种浇水提醒器。
由此受到了启发,想到了花卉智能浇水系统,这一系统不仅智能,而且容易操作,能够每时每刻都检测到土壤的湿度,种植花卉的人可以通过自己设定参数,包括时间和湿度的参数,在到达参数值时,系统可以自动浇水。
可大量有效地减少由于人为原因对花卉的疏忽照顾,导致的不可挽回的损失。
花卉等植物在其生长发育过程中缺水会造成凋枯、矮生等病害。
该系统的关键,即对花卉植物的关键就是设计并且制做检测土壤湿度的电路。
该电路主要由两部分系统组成,第一部分是STM32单片机的核心部分,第二部分是ADC0832组成系统,输入的模拟信号是由湿度传感器采集,然后传送到ADC0832D的IN端。
湿度传感器的电路主要由以下几部分组成,即显示单片机译码、采集湿度等。
单片机在进行数据采集的时候,ADC0832在进行IN1通道选择时,根本依据是地址信号,进一步转换模拟信号,转换完成时,E0C通过高电平的输出,将转换的结果告诉单片机,接着单片机进行程序上的调节,达到读取最后数据的目的。
最后湿度数据会经过一系列程序上的处理,最终显示到OLED上。
自动浇水系统还有两种模式,一种是自动,一种是手动,可以随意的进行切换。
智能浇水指的是在单片机的系统中,设置上限和下限值,这个限制的设定要与土壤湿度相匹配,在低于下限值的时候系统会自动浇水,当高于上限值的时候,系统会自动停止浇水;手动浇水就是人为控制浇水的电源开关,自行决定是否浇水与浇水时间。
真正意义上做到“出差在外,花草无忧”。
此类花卉智能灌溉系统可有效减少人们对其所养植的花卉的照顾时间,因此越来越越来越多的人对这类系统表示认同。
开发并设计这样的一个花卉智能浇灌系统,并且还可以进行远程监控,远程监控的实现要依靠手机、传感器、网络、Aecuino硬件等共同组成,首先使用传感器去进行参数的采集,硬件平台来实现各种数据的处理,接着运用网络平台进行监控,从而实现通过手机等移动设备远程对花卉浇水进行操控,还可以有自动报警功能,以及自动处理数据,分析数据等[2]。
本次设计的智能系统可以为花卉等植物的养护与浇灌提供更加优良的环境条件,因而提高花卉等植物的生长速度以及避免其发生病害和缺素症等症状。
1.1.2研究意义
随着社会近年来的快步发展,我们对我们所生活、居住、工作的品质要求也提高了。
但是,由于在城市内楼房的建筑面积增多,致使绿化的面积逐渐减少,绿色植物可以净化空气,减少污染,吸收二氧化碳,释放更多的氧气供人类生活所需,吸收有害气体,使得我们所生活的环境中的空气愈加清新,让我们多了一分感受大自然清新与美好的机会,追求绿色生活的条件,让我们的生活更加舒适与安心,也会提高我们的生活质量。
在时代快速发展的今天,人们对盆栽的智能浇水也提出了需求,希望在出差、旅游的时候,即使长时间不在家,也可以对花卉盆栽进行浇灌。
根据大量的调查数据显示,因为不及时浇水导致花草生长有问题的高达80%以上[3]。
合理灌溉是花卉生产不能缺失和代替的,所以节水设备受到了人们的热烈欢迎,也在花卉种植行业得到了广泛的推广,随着人们对环保理念不断提高,对于浇灌花卉的要求也在逐渐提升[3]。
我们的日常生活中养殖各种各样的花卉,但是每一种花卉都有自己的浇灌要求,不能一概而论。
本系统的设备的供电系统,是采用太阳能供电,通过检测土壤本身的湿度,来确定相应的出水量,可以通过按键的方式,输入湿度阈值[3]。
本系统有着诸多优点,比如操作方便、结构单一、经济实用、保护环境、使用范围广、精度高,可以解决以上提出的所有问题,缓解不必要的精神损失以及经济损失等不必要的损失。
该浇灌系统科技感十足,满足新时代的需求,与此同时,也填补了花卉种植上浇灌方面的空白[4]。
该系统有很多优势,其成本低,运行稳定,并且具有较高的实用性、节能性、经济性。
目前在国内外地区已存在多种能够应用植物智能浇灌、养护、培育的设备,比如McCropdy其研究对蒸汽的沸腾量和土壤里的水分比例等的提取进行智能灌溉;Cliarck和Gariew共同设计出一个拥有自动灌溉和施肥功效的智能花盆;英国科学家皮特森研究出了一个智能花盆,这一智能花盆能用其发出的不同种类音色来表示花卉的不同需求;日本的一名科学家水郁夫发明了一个机器人花盆,该机器人花盆能都依据其内花卉的需要来移动花盆,从而满足花卉对温度和光照需求;国内的合鸣科技公司等也发明了关于智能花卉的产品,而且相关产品已在线上线下共同上市,同时取得了很高的共鸣。
为实现花卉的智能管理,定时对花卉进行浇灌、施肥、光照等,本文通过一系列相关技术的分析,设计了一项完美解决上述问题的花卉智能灌溉系统的设备。
1.2课题国内外研究现状
1.2.1国内研究现状
中国在很早就开始意识到智能浇灌的重要意义。
但是一直以来从国外引进技术的较多,自己研发成功且造成有一定影响的研发较少。
所以那些从国外引进的技术,大多数是依据国外的具体情况而研发的,没有把我国的特殊地理气候、土壤特性以及作物类型的因素考虑进去,致使那些技术并不适合我国的具体国情,因此在国内无法发挥那些先进技术的优势和特点,而且引进的价格非常昂贵。
虽然目前市场上有很多卖盆栽自动浇水器,但是价格昂贵,非一般人能承受,而且大多只是能够设定一直源源不断的给盆栽浇水,不能真正的做到适时适量;有些自动浇水器能够起到缺水报警作用,实际浇水操作还得人工操作,还是解决不了出差或者外出旅游等问题。
早在1964年,就有花卉生产工业化的绿色工厂,维也纳就是这个工厂的第一创始地。
这条生产线,光照系统选用的是三维的,用营养液代替了栽培土壤,在种植花卉的室内,温度、水分、湿度以及二氧化碳的补充,统统都是自动化监测,且同时也能自动进行控制。
这一工业生产链不仅缩短了生长周期,还提高了10倍的产量[5]。
虽然这个工厂看似很智能,但是这里的光照全是人工的,对于耗能来说,数量巨大,后通过不断改良,用光照系统采用了自然光。
通过我国具有前瞻性的研究院发表的文章显示,我国种植花卉有很多别的国家不具有的优势,主要表现在以下几方面,即大量的劳动力、适宜的气候、种植的品种资源、大量的销售市场、丰富的文化知识等。
我国有三大具有特色的花卉产业中心,第一大中心是生产鲜花的中心,主要位于云南和广州,这两个省的鲜花供给,占全国市场份额的50%以上;第二大中心是盆花中心,主要位于江苏、上海、广东、四川;第三个中心是种苗生产中心,主要位于浙江江苏、上海等地。
本系统非常具有特点,比如,十分节约水,用水量很少,并且冲击力也不大,非常适合浇灌密度大并且植物本身非常柔软。
现代人的生活节奏非常快,而且非常注重生活质量,懒人园艺用品自然的应运而生。
该设计将微喷的技术进行了不断地改进,适宜的用到了家庭盆栽中,从而帮助人们进行自动给盆栽浇水。
不仅如此,经营水培花卉还可以带来相当高的经济效益,比种植花卉带来的利益要高10%左右。
因为水培花卉的结构非常简单,因此不需要高超的技术就可以经营,即使没有相关的工作经验,只要进行短时间的培训也可以充分的掌握这项花卉技术。
专利摘要本着设计的实用新型是关于自动灌溉装置的。
实用新型由以下内容组成,即关于采集土壤信息的采集电路、判断灌溉信息的判断电路、用于执行以上结果的执行电路。
通过对土壤湿度的判断,进行最合适的浇灌,在此过程中,无需任何人工干预,系统将自行完成浇灌的整个过程。
1.2.2国外研究现状
在国外家用市场早已经实现了智能化,并且在家用智能方面已经有了纯熟的技术,中国在全国的制造链中有着至关重要的作用,也正因如此,中国才意识到了家用智能在我国的空缺发展,因此家用智能被引起了高度的重视,也刺激了家用智能技术在我国的迅速发展。
当然智能花盆也是我国重点的研究对象,虽然控制原理以及一些功能与花卉技术不同,但是都有相同的目的,就是保证花卉正常生长的同时,也能让人们更加方便的照顾。
在英国,有一个名字叫做瑞贝克皮特森的科学家,发明了智能花盆。
这种花盆能够自动检测土壤的湿度和温度,当有人靠近的时候,他就会发出声音,来说明自己需要浇灌,这种声音可以设置成歌曲或者话语。
用这种特殊的方式来传达自己的状态。
东京大学一副教授,带领自己的团队,研制出了花盆机器人,名字叫做“Plantroid”,这款花盆机器人有很多创新亮点,首先它的太阳能电池板材料特殊,由6块晶体硅组成,其次,在花盆的底端还有轮子,轮子主要靠电机驱动,可以进行任意的移动。
可以根据太阳升起和落下的时间,进行合适的移动,使植物得到最充足的光照,最大限度的提高光合作用,让植物更快更健康的生长。
美国还曾研制出一款电子花盆,灵感来自于航空航天局,这款花盆有一个好听的名字叫做ClickandGrow,是集浇水和施肥于一体的智能花盆。
英国一名大学生也研制了一款智能花盆,在花盆的下面有两种传感器。
即温度和湿度传感器,在花盆的体部还有光照传感器。
这些传感器可以实时监测植物的生长,如果生长环境不合格,花盆通过外部的指示灯自己就会发出报警。
很久以前,国外的智能花盆技术就很成熟,但相对于国内,如果需要这种花盆,智能通过进口方式,虽然质量上没问题,但是单价相当贵,对于普通家庭是消费不起的。
例如美国、法国、日本和英国等发达国家在早期就已经采用了比较先进的灌溉技术。
他们一路从水力控制研发到后来的机械控制再到两种混合的协调控制模式,控制的方法和精准度也越来越高,安全性及可靠性也有很大的进步。
而且他们还以易操作著称。
1.3课题主要研究内容及技术指标
1.3.1主要研究内容
本设计主要的内容包括硬件电路设计以及此设计关于环境保护和对社会经济效益的分析。
硬件设计包括底板电路的设计、显示屏的选择、土壤温湿度检测、控制步进电动机工作、智能灌溉以及电源电路模块等部分首先根据地址信号,ADC0832进行通道选择,然后选择了IN1通道,再转换模拟信号,以EOC的方式,将高电平输出,最后,将采集到的的相关数据,经过处理在OLED上显示。
智能盆栽灌溉系统的原理,主要是靠程序来进行温度和湿度的阈值设置,可以对土壤的湿度进行检测,如果低于阈值,就会自动浇水,如果高于阈值,就会停止浇水。
1.3.2技术指标
智能盆栽灌溉系统是通过单片机程序设计设置盆栽温湿度阈值,如果传感器检测到盆栽湿度低于阈值时,自己就可以主动进行浇灌,超过阈值,传感器就会自动停止浇灌。
智能盆栽灌溉系统内的定时控制器,即使在断电的情况下,仍然可以正常计时,所以可以用它来当作电源进行控制。
到了应该灌溉的时间内,定时器来连接电源,然后可编程控制器开始工作,按照编程内容有顺序的打开设备,并根据传递出的信号,执行相应的程序。
在不需要灌溉的时候,定时器可以自动断开,由此一来,不仅可以减少大量的耗电,还可以使设备的使用寿命得以延长。
自动转停功能:
该系统可以通过对土壤情况的检测,在土壤湿度低时,可以自己主动进行喷灌,电机随着喷灌所需,随之转动,喷灌5min,停止2min,继续喷灌5min,自己停止转动。
电动机的过载保护功能:
如果在运行的时候,电动机真正的做到了过载,那么电动机就会停止工作,不会继续转动,灌溉也将被迫中止,此时会有报警灯不断闪烁,不再过载了,就可以继续运行浇灌。
故障自动检测功能:
灌溉系统中的任何一部分出现故障,如水管坏了、电动机不转了、变频器不工作等,水泵都会不继续运行,而且会在出现故障的瞬间,立刻停止工作,关闭电磁阀,警笛声响的同时,报警灯也会不停闪烁。
按下消音键,可以使警笛声不在响,但是报警灯会一直闪烁,一直到故障解除,报警灯才会不闪。
第2章
系统总体设计
2.1系统总体设计方案
设计制作检测土壤湿度的电路。
该电路组成的核心部分有两个,即ADC0832以及STM32单片机,将已经采集到的的湿度数据,传输到ADC0832D的IN端,当做输入信号,湿度传感器的电路由以下几部分组成,AD转换、采集湿度、以及显示单片机的译码等。
在单片机开始工作,准备采集信号的时候,根据单片机发来的地址通道,然后对输入的模拟信号进行转换,转换结束时,E0C输出高电平,通知单片机可以读取转换结果,单片机通过调节中断程序,读取转换后的数据。
最后单片机把采集的湿度数据经过软件程序处理后送到LCD1602进行显示。
自动浇水系统设为智能和手动两部分;智能浇水部分是通过单片机程序设计浇水的上下限值与感应电路送入单片机的土壤湿度值相比较,当低于下限值时,单片机输出一个信号控制浇水,高于上限值时再由单片机输出一个信号控制停止浇水;手动部分是由通过关闭单片机电源,由外围电路供电进行浇灌。
图2.1系统总体设计框图
2.2接口电路模块选择
图2.1STM32单片机接口
STM32系列的单片机,是ST厂家极力推荐的一款,在单片机行业,有一款单片机系列质量超级好,功能也很齐全,性价比更是无人能及。
ARMCortex-M内核的设计,是专门满足高性能、功耗低、成本也低的需求,与此同时,还有高端的外设:
比如4兆位/秒的UART等,不仅如此,在集成度以及功耗方面也相当的超凡脱俗,虽然稍稍不及MSP430,但是也不会动摇它在工程师心中的位置,它结构简单,工具使用起来也更加方便,在加上它无人匹敌的强大功能,在行业中具有超高的知名度。
单片机控制灌溉有下面几点好处:
(1)可以将控制的可靠性大大的提高。
(2)数字控制选用未处理机,通过这种方式来双向传递信息,让传递能力得到提高,这样更容易连接上位机,使得控制参数更加及时。
(3)可以设计通用于很多硬件电路。
将软件模块化,更容易设计不同的算法,应用于各种各样的对象,来满足不同的需求。
(4)将信息存储的能力、分级控制的能力、监控的能力、诊断的能力等都进行提高,让每一部分的伺服系统,都更加智能化。
(5)系统要非常稳定,且性能要好。
本系统主要是由模拟系统组成,所以精度上不做过高的要求,但是稳定性方面,一定要过硬,至于延长时间以及检测范围方面,都是可以调节的。
(6)成本非常低。
装置本身体积较小、没有杂音、应用范围大,推广起来非常容易。
(7)还可以应用于园林方面,与开发商合作。
不仅可以减少人力、物力,还能让种植业受益颇多。
(8)应用于偏远的山区,提高当地的经济发展。
2.3显示屏的选择
OLED的结构就犹如一个三明治,ITO不仅薄,而且透明,连接电源的正极,金属作为阴极。
结构中主要包含三部分,即EL、HTL、ETL。
当电压达到合适值得时候,正极与阴极就会在发光层中完美的结合,继而发出光,由于配方不同,会产生红、蓝、绿,三种基本色彩。
OLED自己本身就可发光,这也是它的一大特点,不需要背光,所以有很高的可视度,同时也很亮,虽然很亮,但是并不需要那么高的电压,还有成本低、结构简单、反应迅速等优点,所以被公认为21世纪最有发展前景的产品。
图2.1OLED发光特性
OLED能够自己发光,是最大的特点,用的涂层不仅是有机的,而且非常薄,再加上它的玻璃基板,导致电流通过时,就会发光,不仅如此,OLED的显示屏可视角度非常广,还能省电,在2003年此项技术就用在MP3显示屏上。
OLED的发光材料有两种,分别是小分子器件,它的材料由染料和颜料组成,另一种是高分子器件,它的材料是共轭性高分子。
由于他们都有发光的特性,以及都有发光二极管整流的参与,所以小分子器件也被称作OLED,高分子器件又被称作PLED。
小分子OLED和高分子OLED在材料上都有各自的优点,但从各种发展层面来评判,小分子OLED更具有优势,也是利用率最高的,基本上都会选择使用小分子OLED。
2.4土壤温湿度传感器的选择
电源:
3.3V~5V
获取湿度信息的方式(2种可同时使用):
从传感器的D0引脚:
在湿度大于阈值的时候,D0输出的数值是0,在湿度小于阈值的时候,D0输出的值是1。
从传感器的A0引脚:
获取到模拟量,更加精确。
图2.1土壤湿度传感器
土壤水分传感器由两部分主要结构组成,即探针和探头,探针的材质是不锈钢,而探头的材质也是防水的,这样在说长期埋在土壤下,就不会生锈,从而影响对土壤的测值。
还可以与数据采集器联合使用,这种使用方法,在农业灌溉方面以及林业防护方面,有着更广泛的使用。
图2.2温湿度传感器
温度传感器的分辨率很高,可以达到9-12位,温度在转换12位数字的时候,最大值是750毫秒,可以广泛的应用于恒温系统、温度计、工业系统等一些列对热敏感的系统。
描述DS12B20的数字温度计,分辨率提供9-12位,依据1接线口,将信息进行发送,所以只有唯一的口线进行连接。
为了使温度转换的能量来自于本身,不需要再麻烦接一个电源供能。
事实上,每个DS18B20都有属于自己的序号,与众不同,因此多个DS18B20可以共用一条总线。
这样温度传感器就可以随意放置在很多地方了。
2.5储水箱水位传感器的选择
本课题所研究的智能灌溉系统采用超声波对检测水箱水位的高度
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