基于单片机的节水灌溉自动控制系统的设计Word文档格式.docx

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1.2.1选题背景

生命之起源，水为必要条件，没有了水，地球上的生命将会枯竭。

随着21世纪的到来，能源危机将接踵而至。

比能源危机更可怕的是，作为人类生命之源的水的短缺到了前所未有的程度，这一状况还将随着时间的推移和社会的发展继续恶化。

水资源危机已成为全球性的突出问题，利用科技手段缓解这一危机，将是人类主要的出路。

农业是人类社会最古老的行业，是各行各业的基础，也是人类顿以生存的最重要的行业。

农业的发展从长远来看很重要，一是水的问题，二是科技的问题。

农业的根本出路在科技，在教育。

由传统农业向现代化农业转变，由粗放经营向集约经营转变，必须要求农业科技有一个大的发展，进行一次新的农业技术革命。

农业与工业、交通等行业相比仍然比较落后，农业灌溉技术尤其落后。

灌溉系统自动化水平较低是制约我国高效农业发展的主要原因。

传统的灌溉模式自动化程度极低，基本上属粗放的人工操作，即便对于给定的量，在操作中也无法进行有效的控制，为了提高灌溉效率，缩短劳动时间和节约水资源，必须发展节水灌溉控制技术。

现代智能型控制器是进行灌溉系统田间管理的有效手段和工具，它可提高操作准确性，有利于灌溉过程的科学管理，降低对操作者本身素质的要求。

除了能大大减少劳动量，更重要的是它能准确、定时、定量、高效地给作物自动补充水分，以提高产量、质量，节水、节能。

现代灌溉控制器的研究使用在我国农、林、及园艺为数不多，与发达国家相比，有较大的差距，还基本停留在人工操作上，即使有些地方搞了一些灌溉工程的自动化控制系统，也是根据经验法来确定每天灌溉次数和每次灌溉量，如果灌溉量与作物实际需水量相比太少，便不能有效的促进作物健康成长;

而灌溉量太多，肥水流失，又会造成资源浪费，同时传统的灌溉法还需要相关专家的实时观察并经验指导生产，劳动生产率低，这也不能与现代化农业向优化、高效化方向发展要求同步。

随着计算机技术和传感器技术的迅猛发展，计算机和传感器的价格日益降低，可靠性日益提高，用信息技术改造农业不仅是可能的而且是必要的。

用高新技术改造农业产业，实施节水灌溉已成为我国农业乃至国民经济持续发展带战略性的根本大事。

本文旨在设计一套能对作物生长的土壤湿度进行自动监控的系统，它能对作物进行适时、适量的灌水，起到高效灌溉，节水、节能的作用。

1.2.2研究的目的与意义

农业是人类社会最古老的行业，是各行各业的基础，也是人类赖以生存的最重要的行业。

农业的发展从长远来看非常重要，一是水的问题，二是科技的问题。

传统的灌溉模式自动化程度极低，基本上属粗放的人工操作，即便对于给定的量，在操作中也无法进行有效的控制，为了提高灌溉效率，缩短劳动时问和节约水资源，必须发展节水灌溉控制技术。

现代智能型控制器进行灌溉系统田间管理的有效手段和工具，它可提高操作准确性，有利于灌溉过程的科学管理，降低对操作者本身素质的要求。

除了能大大减少劳动量，更重要的是它能准确、定时、定量、高效地给作物自动补充分，以提高产量、质量，节水、节能。

现代灌溉控制器的研究使用在我国农、林、及园艺为数不多，与发达国家相比，有较大的差距，还基本停留在人工操作上。

即使有些地方搞了一些灌溉工程的自动化控制系统，也是根据经验法来确定每天灌溉次数和每次灌溉最。

如果灌溉量与作物实际需水量相比太少，便不能有效的促进作物健康成长；

而灌溉量太多，肥水流失，又会造成资源浪费。

同时传统的灌溉法还需要相关专家的实时观察并经验指导生产，劳动生产率低，这也不能与现代化农业向优化、高效化方向发展要求同步。

我国先后引进了以色列、美国、法国、德国等国家的部分先进灌溉控制设备，但价格昂贵，维护保养困难，多数用于农业示范区、科研单位或高校，而且不符合我国土壤的应用特点。

我国自己的现代灌溉控制器的研制和使用尚处于起步阶段，因此，作为一个农业大国，中国研究开发自己的先进的低成本、使用维护方便、系统功能强且扩展容易的国产化数字式节水灌溉器是一项极有意义的工作。

用高新技术改造农业产业，实施节水灌溉己成为我国农业乃至国民经济持续发展带战略性的根本大事。

本文旨在设计一套能对作物生长进行自动监控的系统，它能对作物进行适时、适量的灌水，起到高效灌溉、节水、节能的作用。

1.3研究内容

本设计需研究的内容为：

节水灌溉自动控制系统的发展状况；

节水灌溉自动控制系统的结构及组成，即选择系统设计的基本方案与硬件及软件等方面的设计。

在硬件方面，需研究整体硬件框图以及各种器件的选型及连接方法；

在软件方面，要明确主程序及各个主要部分的流程以及相应的程序控制清单。

1.4节水灌溉控制系统国内外的研究现状及存在问题

国内自20世纪50年代即开始节水灌溉的研究，并对当时主要农作物的需水量和需水规律、灌溉制度进行了许多试验研究，绘制了全国主要农作物的需水量等值线图，建立了全国灌溉试验资料数据库。

20世纪70年代主要集中在节水灌溉制度方面的研究。

节水灌溉制度包括灌水时期、灌水定额和轮灌周期等内容。

根据水与作物生长、发育及产量间的关系，通过有限水量在作物生育期内的最优分配，以提高有限灌溉水屠下作物根系吸收转化和光合作用向经济产量转化的效率为目标，进而达到高产和高水分生产率。

但此时期的研究是基于传统的充分灌溉基础上的。

20世纪80年代开始，许多研究者放弃了充分灌溉的研究，转向节水型劣态或亚劣态试验，结果表明与充分灌溉相比，节水灌溉条件下的产量降低并不严重。

随后，调亏灌溉技术发展很快。

喷、微灌技术是当今世界上节水效果最明显的技术，是当前诸多现代灌溉技术中省水率最高。

应用最为广泛的灌溉方法，目前研究很多。

如：

喷灌水量分布均匀性评价指标的实验研究漫灌和喷灌条件下土壤养分运移特征的初步研究川，研究了漫灌、喷灌入渗条件下，土壤养分运移的特征；

喷灌条件下小气候变化规律的研究，研究了最大温差和最大相对湿度与喷灌时间、喷灌工作压力、风力、风向以及光照强度的关系；

喷灌条件下冬小麦生理特征及生态环境特点的实验研究。

喷灌硬件设施方面的研究有：

低压管喷及其节水高产机理研究；

水田自动给水灌溉系统中非均匀出流问题的研究；

田间喷管结合灌水技术体系的研究；

灌区灌溉中的模糊控制；

GPS节水灌溉系统的研究。

我国的微灌技术在70年代就有所研究发展。

我国最早的渗灌工程是山西临汾的龙子祠引泉工程和河南省济源的合瓦地灌排工程。

1975年以后，山西省万荣县、河南省许昌市及江苏省的常熟、雌宁、南通、启东、徐州等地进行了渗灌试点。

然而，这些试点仅限于试验阶段，没有得到广泛应用，而且也没有采用自动化控制的思想。

我国节水灌溉自动化研究处于起步阶段，自动化程度低，目前开发的自动灌溉控制系统还处于研制、试用阶段。

在开发的产品中有代表性的如中国农业机械化研究院联合多家单位研制的2000型温室自动灌溉施肥系统，具有手动控制、程序控制和自动控制等多种灌溉系统模式，可按需要灵活应用，在大连，北京等地已经投入应用，效果良好，但其成本较高，适用于温室内作物。

由中国灌排技术开发公司开发的集中或分散式微灌自动监控系统，根据灌溉计划能自动对微灌工程进行监视，控制和事故处理，其核心控制部件为8098单片机。

北京农业工程大学研制的自动化灌溉控制系统是以8031单片机为核心，可对多通道土壤水分进行检测，实现对多路通道进行自动灌溉控制的功能。

但以上两种系统选用的芯片功能较少，由于电路扩展而使系统复杂化，而且系统运行不稳定。

福建省水利建设技术中心研制的节水灌溉自动化控制系统，其应用计算机技术，通讯技术，自动控制技术和生态农业技术进行集成化与优化配置，可对大田作物采取三种模式灌溉方式，即定时、恒湿及人工模式。

北京奥特思达科技有限公司研制的我国的微灌技术在70年代就有所研究发展。

总之，在我国，虽然有多种灌溉控制器，但多数规模较小，局限于实验和理论的探讨，而且开发出来的产品价格昂贵，农民尽管知道能节能、节水、增产，但由于一次性投资太大，多数农民承受不起，所以根本无法普及应用。

节水农业在国外的发展已有几十年的历史，在西方发达国家，节水灌溉的应用面积和产业化程度很高。

目前，约有80多个国家和地区推广应用微灌技术。

美国、前．苏联的喷灌面积己占其总灌溉面积40％以上，英国、德国、奥地利、丹麦、瑞典、日本等国的旱地灌溉面积中90％以上采用喷灌。

一些发达国家的喷灌系统中广泛使用多功能压力流量控制设备，如法国和日本均开发并使用集给水拴、压力控制、流量显示、水量控制等功能于一体的多功能压力流量控制给水拴。

节能效果良好的恒压喷灌技术也得到了广泛的应用，如日本在大多数旱地灌溉系统的／；

H／五泵站中使用调压罐控制。

微灌领域，以色列和美国水平很高。

他们对灌溉的新概念是：

把含有肥料的水一滴滴的输入作物根系层的土壤中，使土壤中的水、肥、气、热等保持协调关系，达到作物高产的目的。

尤其是以色列，在水资源极度缺乏的情况下，通过发展节水农业和节水灌溉工程技术，建立起了高度发达的外向型农业产业。

世界著名的耐特费姆（Netfim）灌溉设备和滴灌系统公司生产的微灌系统基本由计算机自动控制运行，可根据作物的生长及水、肥状况进行灌水和施肥，节约大量人力，且管理及时，使作物产量和品质都有较大幅度的提剐161。

除了大力推广微灌与喷灌技术外，发达国家发展高效农业的另一个重要途径是灌溉管理的自动化旧。

如美国、法国、英国、日本、以色列等发达国家已采用了先进的灌溉系统。

他们采用先进的节水灌溉制度，由传统的充分灌溉向非充分灌溉发展，对灌区用水进行监测预报，实行动态管理，采用遥感技术，监测土4壤墒情和作物生长，开发和制造了一系列用途广泛，功能强大的数字式灌溉控制器，并得到了广泛的应用。

仍然以以色列为例，以色列是世界上微灌技术发展最具有代表性的国家，目前全国农业土地基本上实现了灌溉管理自动化，并且普遍推行自动控制系统，按时、按量将水、肥直接送入作物根部，水资源利用率和单方水的粮食产量都相当高。

北美、澳大利亚、韩国等国家和地区都已有发展成熟并形成系列的灌溉控制器产品，微灌方式普遍采用计算机控制，埋在地下的湿度传感器可以传回有关土壤水分的信息，还有的传感器系统能通过检测植物的茎和果实的直径变化来决定对植物的灌水间隔。

在温室等设施内较多使用小型灌溉管、理程序，浇水时间可按日期设定每次每路灌水起止时闻，操作便于小规模经营。

计算机化操作运行精密、可靠、节省人力，对灌溉过程的控制可达到相当的精度，在以色列，已经出现了在家里利用电脑对灌溉过程进行全部控制（无线、有线）的农场主。

总之，目前国外灌溉控制器已逐步趋于成熟、系列化，并朝着大型分布式控制系统和小面积单机控制两个方向发展，产品一般都能与微机进行通信，并由机对其施行控制。

我国节水灌溉自动控制器研发行业与国外研发企业相比存在如下几点问题:

1、从中国整个灌溉系统设计行业的产品发展来看：

产品主要以仿制国外产品为主，缺乏自主创新;

2、技术开发体系没有受到应有的重视和规范：

一方面，技术开发规划工作缺乏，预见性不强；

另一方面，技术开发过程不规范，对开发周期、成本和风险等方面的控制有待加强;

3、技术开发体系没有受到应有的重视和规范：

4、产品立项前的市场管理活动没有规范化：

市场信息收集和分析工作薄弱，生产厂家对新产品近3-5年的产品路标规划也不清晰，往往只有1-2年的开发项目计划；

5、产品研发缺乏一个整合企业资源的清晰的研发流程：

产品线建设明显滞后于资源线的建设

6、专业研发人才缺乏：

在培养关键性研发人才上，缺少相应的机制保障。

第2章灌溉系统总体设计方案

2.1计算机控制系统的基本形式

计算机控制系统的种类繁多，但归纳起来，目前实现计算机控制的方式基本上属于下面五种形式：

1、成套的计算机控制系统产品:

目前世界上已出现了许多与硬件产品配套的，具有不同特点、适用于不同控制对象的软件产品，像HONEYWELL、WDPF等DCS（集散系统）系统。

2、以实时操作系统为基础，由控制系统设计人员设计在操作系统上运行的实时应用软件:

目前通用有一大批IRMXRTOX，PSOS的实时操作系统。

这类系统要求用户自己编写应用程序，设计程序的流向，而由操作系统对应用程序进行实时调度和占先，循环处理，因此减少了应用软件开发的难度。

但要求程序员熟悉实时多任务编程技术，而且图形界面不太好。

3、集成的实时系统开发软件:

例如：

Citect，Intouch，由软件制造商提供，是专门为实时服务的开发环境和运行环境。

系统本身已经构建了实现不同功能的软件包、程序模块和控键。

用户只需要按照规定方式，根据实际对象要求，调用相应模块，即可构成应用程序。

4、在通用操作系统例了如DOS，WINDOWS环境下:

采用实时核实现程序的实时多任务特性。

RTX，RTKERNEL，RTOS等都是应用广泛的实时核。

5、直接从系统的最底层采用高级语言或汇编语言编制实时应用程序:

这种方法先把系统划分层次，明确目标，任务，对各个任务的子过程进行结构化编程，然后还要另外编写计时、中断、调度等控制程序。

程序设计的难度和工作量很大，但整个程序对于设计人员来说是完全透明的，适应性强。

2.2系统总体方案

根据实际情况及系统技术要求，拟采用AT89C51微控器作为控制与数据处理的核心以构成节水灌溉控制系统。

该系统采用AT89C51单片机来实现。

用湿度检测电路中的湿敏电阻对土壤湿度进行采集，所得电流信号经处理得到可用的电压信号，输入到A/D转换器ADC0809转换成数字信号进行处理。

系统将检测得土壤的湿度值，送到LED显示电路显示，从而实现对土壤湿度的监测监控，能进行适度范围设置和显示，同时通过模糊控制算法实现对水泵开关的只能控制。

该电路主要由AT89C51系统电路、电源电路、湿度检测电路、显示电路、开关控制电路等组成。

软件选用汇编语言编程。

单片机可将土壤湿度传感器检测到的土壤湿度模拟量转换成数字量，并传输给控制系统检测是否该灌溉。

该系统灵活性强，成本低，可靠性高，在实际应用中前景广阔。

系统框图如图2.1所示

图2.1系统框图

2.2.1AT89C51微控器构成的最小系统

根据本设计的技术要求来判断是否需要对此微控器进行片外程序存储器及数据存储器的扩展。

若需要，则对AT89C51微控器进行片外存储器扩展，以构成控制系统的最基本部分。

若不需要，则单片机及其时钟电路与复位电路等构成最小系统。

2.2.2数据采集部分

ADC0809是一种8位逐次逼近式A/D转换器，内部具有锁存控制的8路模拟开关，外接8路模拟输入端，可同时对8路0-5V的输入模拟电压信号分时进行采集转换，本系统只用到INO和INl两路输入通道。

ADC0809转换器的分辨率为8位，最大不可调误差小于士1LSB，采用单一+5V供电，功耗为15mW,不必进行零点和满度调整。

由于ADC0809转换器的输出数据寄存器具有可控的三态输出功能，输出具有TTL三态锁存缓冲器，故其8位数据输出引脚可直接与数据总线相连。

A/D转换器需外部控制启动转换信号方能进行转换，这一启动转换信号可由CPU提供，不同型号的A/D转换器，对启动转换信号的要求也不同，分脉冲启动和电平启动两种，ADC0809采用脉冲启动转换，只需给A/D转换器的启动控制转换的输入引脚（（START）上，加入正脉冲信号，即启动A/D转换器进行转换，转换开始后，转换结束信号输出端（EOC）信号变低，转换结束时，EOC返回高电平，以通知主机读取转换结果的数字量，这个信号可以作为A/D转换器的状态信号供查询，也可以用作中断请求信号。

本系统中ADC0809与AT89C51单片机的接口如图5所示，采用等待延时方式。

ADC0809的时钟频率范围要求在10-1280kHz,AT89C51单片机的ALE脚的频率是单片机时钟频率的1/6，因此当单片机的时钟频率采用6MHz,ADC0809输入时钟频率即为CLK=1MHz，发生启动脉冲后需延时100Us才可读取A/D转换数据。

ADC0809的8位数据输出引脚可直接与数据总线相连，地址译码引脚A,B,C分别与74LS373的A,B,C相连，以选通INO-IN7中的一个通道。

AT89C51的p2.6作为片选信号，在启动AM转换时，由单片机的写信号WR和p2.。

控制ADC的地址锁存和转换启动。

由于ALE与START连在一起，因此ADC0809在锁存通道地址的同时也启动转换，在读取转换结果时，用单片机的读信号RD和p2.。

引脚一级或非门产生的正脉冲作为OE信号，用以打开三态输出锁存器。

2.2.3显示部分

微机化测控系统中常用的测量数据的显示器有发光二极管显示器（简称LED或数码管）和液晶显示器（简称LCD）。

这两种显示器都具有线路简单、耗电少、成本低、寿命长等优点，本系统输出结果选用4个LED显示。

数码管有共阴共阳之分，本系统采用8段共阴型LED，每位数码管内部有8个发光二极管，公共端由8个发光二极管的阴极并接而成，正常显示时公共端接低电平（GND），各发光二极管是否点亮取决于a-dp各引脚上是否是高电平。

LED数码管的外形结构，外部有10个引脚，其中3,8脚为公共端也称位选端，其余8个引脚称为段选端，当要使某一位数码管显示某一数字（（0-9中的一个）必须在这个数码管的段选端加上与数字显示数字对应的8位段选码（也称字形码），在位选端加上低电平即可。

2.2.4供电电源单元

采用变压器、整流滤波及稳压等电路组成，分别给以上各部分提供所需要的电压，可以提供+5V,+12V,+40V的稳定电压。

由于电压源是现成的设备，可以在市场上订制，所以不在涉及范围内，不再予以讲述。

2.3本章小结

本章首先介绍了计算机控制系统的五种基本形式，根据实际情况与技术要求，画出了系统结构框图，并拟定了系统总体设计方案，包括数据采集单元、键盘及显示单元、控制与执行单元、系统各部分所需电源等输入与输出通道，并对每一部分都进行了较详细的叙述。

第3章系统硬件电路设计

3.1本系统的硬件设计概述

从总体上讲，本系统硬件电路根据技术需求，由以AT89C51单片机为核心的主控电路以及其外围接口电路组成。

概括为以单片机为主的主控电路、单片机输入部分接口电路、单片机输出部分接口电路。

主控电路是以单片机为核心和必要的外围接口电路组成的，包括单片机最小系统、存储器扩展（若需要）、复位电路等。

输入部分接口电路包括各种模拟信号，数字信号与单片机的接口信号调理电路以及按键接口电路。

输出部分接口电路包括电机驱动电路，电磁阀驱动电路，LED显示驱动电路。

其中各种接口电路设计的好坏直接关系到系统运行的稳定性。

从硬件具体组成来看，整个硬件电路包括主控电路部分（主要由AT89C51单片机、数字接口、模拟接口组成）、土壤湿度信号采集电路部分（主要由湿度传感器、必要的数字接口电路组成）、时钟电路、数据存储扩展电路、LED显示电路组成。

3.2单片机的选择及分析

3.2.1单片机的定义和特点

所谓单片机就是把CPU、寄存器、RAM/ROM、I/O接口电路集成在一块集成电路芯片上，构成一个完整的微型计算机。

单片机的主要特点有：

1、集成度高、功能强

微型计算机通常由中央处理器（CPU）、存储器（RAM,ROM）以及I/O接口组成，其各部分分别集成在不同的芯片上。

例如，大家熟悉的Z80微型计算机就是由Z80-CPU、存储器（RAM,ROM）,PIO等芯片组成的，单片机则不同，它把CPU,RAM,ROM,I/O接口，以及定时器/计数器都集成在一个芯片上。

目前应用得最多的是MCS-51系列单片机。

和微型计算机进行比较，单片机不仅体积大大减小，而且功能大为增强。

MCS-51系列单片机内的定时/计数器为16位，而Z80微型计算机只有8位，MCS-51系列单片机中不但有4个并行I/O接口，而且还有串行接口，且时钟频率可达12MHz。

2、结构合理

目前单片机大多采用Harvard结构。

这是数据存储器与程序存储器相互独立的一种结构。

而在许多微型计算机（如Z80,Inte18085,M6800等）中，大都采用两类存储器合二为一（即统一编址）的方式。

单片机采用上述结构主要有四点好处——存储量大、速度快、抗干扰性、强指令丰富。

3.2.2单片机的