农田自动喷灌系统设计

论文总字数：21859字

目 录

1.绪论 1

1.1 研究目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3主要研究内容及技术路线 2

2.系统总体设计 3

2.1灌溉控制器设计的原则 3

2.2系统整体结构设计 5

3.系统硬件设计 5

3.1单片机选型及其外围电路设计 5

3.2湿度检测模块 7

3.3模数转换模块 8

3.4液晶显示模块 10

3.5继电器模块 12

3.6蜂鸣器报警模块 13

3.7按键模块 13

3.8灌溉设备的选择 14

4.系统软件设计 14

4.1主程序 15

4.2液晶显示子程序 15

4.3按键子程序 17

4.4 A/D转换子程序设计 19

5.仿真设计与硬件调试 19

5.1 仿真设计 19

5.2 硬件调试 20

6.实验验证 21

总结与展望 23

致谢 27

附录一：原理图 28

附录二：源程序 28

农田自动灌溉系统的设计

许刘勇

，China

Abstract: With the continuous progress and development of science and technology, smart agriculture is gradually attracting people's attention. Automatic irrigation is an important step in smart agriculture. Traditional manpower irrigation has many problems, such as time-consuming, laborious, and low utilization of water resources. In view of the above problems, the design elaborated an automatic irrigation control technology for farmland, discussed the hardware and software design of the system, the system used STC89C51 single-chip microcomputer as the main controller, soil moisture sensor as the humidity detection device, LCD1602 as the display, and the electromagnetic valve as the irrigation implementation. Institutions, using the C language to program the system, proposed an executable plan: soil moisture sensor detects soil moisture in real time, the collected signal is transmitted to the microcontroller through A/D conversion for processing, such as the current humidity is lower than the humidity limit, the starting sound The light alarms and drives the solenoid valve for irrigation. When the humidity is higher than the humidity limit, the irrigation is stopped. During the entire system working process, the current humidity value and humidity limit are displayed by the LCD1602 liquid crystal display, which is easy for the user to read. Through experiments, the system has been operating stably and has achieved the expected results. It has basically achieved automatic irrigation under no-one's participation and has broad application prospects in the field of agricultural intelligence.

Keys words: Smart Agriculture; Single Chip Microcomputer; Humidity detection; Automatic irrigation

1.绪论

1.1 研究目的及意义

在过去，由于劳动生产率较低，人口数量较少，人们对于水资源的需求量也相对较少。社会生产的发展以及世界人口的激增，使得人们对用水的需求量越来越大。在水资源的使用过程中，因用水方式不当而造成水资源大量浪费的现象也时有发生，同时，生态环境的恶化，污水的超标排放，严重影响了现有水资源的质量。这些都使得可供使用的水资源愈发地减少，由此带来了用水短缺的问题。用水短缺已不可避免地影响到了人们正常的生产和生活，正日益引起广大国家和人民的重视。

我国占有着2.8万亿m3的淡水资源，从总量上看，这个量值位居世界各国前列。但是鉴于我国人口基数庞大，淡水资源人均占有量仅为2300m3，人均的淡水资源占有量低于世界上绝大多数国家。此外，在我国不同地区，水资源的占有量差别很大，西部、北方地区水资源相对偏少，在我国西北部分地区，严重缺水的现象近几年来十分地突出。因此，在应对水资源危机这方面，我国所面临的挑战也更为严峻。我国对水资源的使用主要是农业用水、工业用水和生活用水，其中，农业用水的贡献率约为70%，在部分农业发达的省份，这个比重更是在80%以上，而农业灌溉几乎消耗了农业用水的90%。与此同时，受经济条件的限制和传统观念的影响，我国绝大部分地区仍采用传统的灌溉方式，这种粗放的经营模式，耗费了大量的人力物力，水资源利用率不高。据统计，采用传统的漫灌的灌溉方式，仅有40%的水资源能够被有效利用。而在一些农业科技领先的国家，通过依靠先进的自动灌溉技术，可将灌溉水的利用率提高至80%甚至更高。如果我国也将这种自动灌溉技术推广起来，每年能够节约大量的水资源用于其他生产活动中。这对于我国推进发展高效农业、缓解水资源危机都具有重大现实意义。

1.2 国内外研究现状

发展高效农业，提高农业生产效率，就必须逐步实现农田的自动化灌溉。国际上农业科技发展比较快的国家，如美国、加拿大以色列和一些欧洲国家，他们凭借着雄厚的经济实力和先进的科学技术，较早地开始研究自动灌溉技术，取得了很大的进展，并且在国内得到了广泛的应用。以色列这个国家地理位置特殊，70%的国土均为荒漠，用水短缺问题表现得异常突出，这使得他们不得不积极发展节水灌溉技术。经过几十年的发展和推广，以色列在自动灌溉技术方面取得了举世瞩目的成就，目前，以色列的大部分农田都已经采用自动灌溉的方式。最早研制出来的自动灌溉控制设备是定时器装置，这种控制器仅能通过定时来控制灌溉时间，功能过于单一。自动控制技术的发展推动了检测技术的进步，通过检测土壤湿度值来确定是否灌溉的控制器随之产生，灌溉控制系统的结构也越来越复杂，功能更加强大。再后来，计算机控制技术应用到灌溉控制系统的设计中，进一步提高了灌溉管理的自动化程度。

1984年，美国研制出了一套灌溉控制器，它可以通过检测土壤中水分含量来决定是否开启灌溉控制器的阀门。1990年，红外线热电偶应用于空气温度测量中，将土壤湿度、空气温度等多种因素考虑在其中，通过综合决策来判断是否启动灌溉，对原有灌溉控制设备进行了改进。1992年，一种新的灌溉控制系统研制成功，它以作物的蒸腾量为参考，以此计算作物的需水量，从而进行灌溉控制。1997年，模糊控制理论被应用于灌溉控制器的设计，模糊控制器稳态性能较好，大大提高了灌溉控制系统的稳定性。

与国外发达国家相比，我国的节水自动灌溉技术尚有很大差距，主要原因是我国在这方面的研究起步较晚，加之受传统灌溉方式的影响，我国农田灌溉总体自动化水平不高，推广范围较小。近年来，我国农业的快速发展也使得节水自动灌溉技术取得了一定的突破。1994年，中国农业大学构建了一个多通道灌溉控制器，它以8031单片机为主控制芯片，多通道检测土壤湿度，来对多路通道进行灌溉控制，这是我国自主研发的第一个全自动化的灌溉控制系统。2001年，设计出了一种适应面广的节水灌溉系统，它融合了计算机监控系统，整个系统是在多个单片机工作的机制下运行的，有效地解决了灌溉过程中存在的分区域和多任务的问题，弥补了此前灌溉控制系统所存在的一些缺陷。2004年，设计出了一套基于模糊控制的节水灌溉系统，它综合考虑了土壤含水量和作物需水量，来进行模糊决策，是自动灌溉走向智能化的重要一步。 2005年，有学者做了相似的研究，以三星单片机作为控制器的核心单元，将灌溉控制系统进行分段模糊控制，经实验验证，起到了良好的节水灌溉效果。

鉴于我国自动灌溉技术落后于发达国家、水资源短缺等以上问题，我国必须大力发展节水灌溉技术，提高灌溉的自动化水平，对传统的灌溉方式进行合理的改进，开发出能够推广起来的灌溉控制设备。近年来，我国农业现代化进程加快，农业结构不断优化，计算机技术、检测技术、自动控制技术等被应用于农业领域中。可以预测，未来我国农田灌溉的发展趋势是精准控制灌溉，不断实现灌溉管理的自动化、智能化。

1.3主要研究内容及技术路线

为了实现一小型区域的自动灌溉，本设计提供了一套快速、准确、稳定的灌溉控制系统。本设计的研究内容主要包括以下几个方面：

(1) 设计了基于STC89C51节水灌溉控制系统的硬件部分。选用STC89C51单片机作为主控制器件。以此为核心构建土壤湿度检测电路、A/D转换电路、液晶屏显示电路以及继电器控制电路。此外，在硬件部分中，还包括电源电路、蜂鸣器报警电路和按键电路。

(2) 设计完成了灌溉控制系统的软件程序。采用C语言对系统的软件部分进行设计，在keil uVision4编程软件中编写控制系统的程序。根据功能要求，整个灌溉控制系统的程序主要包括主程序、A/D采集子程序、液晶显示子程序、按键子程序等。

(3) 设计基于STC89C51灌溉控制器的硬件原理图，在Proteus中仿真无误后焊接相应的元器件，完成整个灌溉控制器的装配。焊接完成后，进行软硬件的联合调试，并通过实验对系统的性能加以测试。

依据上述的研究内容，确立了相应的技术路线。具体技术路线如图 1所示。

图 1 技术路线

2.系统总体设计

2.1灌溉控制器设计的原则

灌溉控制器的设计是依据测控系统的基本组成来进行的，现代测控系统的基本组成如图 2所示。测控系统的前向为各种类型的传感器，传感器能够感受被测物理量的信息，并通过内部的转换电路将其转化为电信号输出。经传感器输出的信号一般较弱，并含有噪声，需要送至信号调理电路进行处理，再经模数转换将其转换为数字信号。计算机控制系统能够识别这种数字信号并根据内置的要求对信号进行判断处理，处理后的结果通过驱动电路控制执行机构进行相关的操作。同时，为了便于获取测控系统的所需信息，通常外加一个显示系统。这样，就构成了一个完整的测控系统，通过这样一个系统就可达到所需的要求。

图 2 现代测控系统的基本组成

为了使灌溉控制系统能够达到预期的效果，应当对灌溉控制系统进行整体的方案设计。系统在功能上应该满足以下几点要求：

(1)较高的稳定性和可靠性

作物的生长环境是一个复杂的系统，不可避免地会受到各种干扰的影响。这就要求所设计的灌溉控制系统具有较强的抗干扰能力和较长的使用寿命。这样能够保证系统长时间地正常工作而不发生故障。稳定性和可靠性是确保灌溉控制系统正常工作的最基本的条件。

(2)满足精度要求

用于采集土壤信息的传感器作为灌溉控制系统的测量装置，它采集到的数据是控制系统所要控制的对象，传感器测量结果的准确性与精度，将会直接影响到整个灌溉控制器性能的好坏。此外，传感器的非线性失真、A/D转换的转换精度等方面都应当给予考虑。

(3)具有可扩展性

灌溉执行机构是灌溉控制系统的后向部分，有时可能需要多个执行机构才能满足要求，这就要求灌溉控制器具有一定的扩展空间。通过留有余量的端口，增大灌溉执行机构的数量，可实现灌溉区域的扩展，使其作用范围更广。

(4)程序易于修改

在灌溉控制器工作过程中，可能会因外界环境和功能需求的改变，而对控制器中的程序加以修改，这就要求程序的设计应该遵循模块化的原则，易于更改和实现。

2.2系统整体结构设计

本文设计的农田自动灌溉系统由软件部分和硬件部分组成，硬件部分可划分为单片机、湿度传感器、模数转换、LCD显示模块、按键输入模块、蜂鸣器报警模块、继电器控制模块，并配以电源电路。软件部分按照功能要求进行模块化设计，软件程序包括系统的主程序和子程序，子程序主要有液晶显示子程序、A/D转换子程序、按键输入子程序等。

整个系统实现自动灌溉的过程是：使用土壤湿度传感器采集作物根系周围土壤水分信息，传感器内部的转换电路可将土壤水分含量转换为直流电压信号输出。传感器输出的信号经A/D转换后送至单片机处理，根据用户设置的湿度上下限，单片机判断是否执行灌水动作。当湿度低于设置的湿度下限时，单片机通过控制继电器来控制水泵开启进行滴灌，同时蜂鸣器响起。当土壤湿度达到湿度上限时，继电器断开，灌溉过程完成。当测得的土壤湿度不在灌溉范围之内时，执行机构不动作，继电器处于常开状态。湿度上下限的值用户可通过按键输入进行调整，设置的湿度上下限和当前测得的湿度值实时显示在液晶显示屏上。为了保证测量精度，测量结果保留小数点后一位。

3.系统硬件设计

3.1单片机选型及其外围电路设计

(1)单片机型号的选择

本设计所采用的主控制器类型为宏晶科技有限公司生产的STC89C51单片机，它是MCS-51系列的一种，采用40引脚双列直插式结构。在指令系统和引脚功能上，与通用的80C51系列的单片机兼容。具有低功耗、抗干扰能力强、支持ISP在系统可编程等特点。同时，该类型的单片机性价比较高、稳定性好，在电子设计中有着广泛的应用。因此本设计采用STC89C51单片机符合设计的要求和原则。STC89C51单片机的主要参数如下：

●4KB可重复擦写1000次的只读程序存储器；

●512字节数据读写存储器；

●2个16位定时器/计数器；

●支持在线系统编程，不需要编程器；

●看门狗与通用异步串行口

(2)单片机最小系统的组成

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