一种智能土壤湿度测量与控制系统设计

论文总字数：17193字

目 录

1绪论 1

1.1选题背景及意义 1

1.2国内外现状 1

1.3设计的主要内容 2

1.4本文章节安排 2

2系统硬件设计 3

2.1主控模块 3

2.1.1 时钟模块 4

2.1.2 复位模块 4

2.2湿度检测模块 5

2.2.1土壤湿度传感器 5

2.2.2模数转换 6

2.3按键模块 6

2.4显示模块 6

2.5报警模块 7

2.6驱动模块 8

2.7本章小结 8

3系统软件设计 9

3.1 软件设计工具 9

3.2软件系统 9

3.2.1主程序 9

3.2.2湿度传感器采集子程序 10

3.2.3 LCD显示子程序 10

3.2.4报警子程序 11

3.3本章小结 12

4系统调试与集成 12

4.1软件调试 12

4.2系统仿真 13

4.3硬件调试 16

4.4本章小结 17

5结论 17

参考文献 18

致谢 20

一种智能土壤湿度测量和控制系统

陈怡甜

,China

Abstract：In order to reduce the cost of artificial management of crop growth environment, to realize the automatic control of soil moisture,and to free people from the tedious watering work, based on STC89C52 singlechip and YL-69 type soil moisture sensor, an intelligent system of soil moisture measurement and automatic control is designed. The whole system is composed of six parts: single chip microcomputer main control module, humidity measurement module, display module, keystroke module, alarm module and driving module. It can be used to monitor the soil moisture in real time and adjust the threshold flexibly to meet the requirements of different crops to soil moisture, and take the measures of irrigation and ventilation. The system saves resources and effectively improves the level of agricultural intelligentization.

Key words：Soil moisture monitoring;single chip microcomputer;intelligence

1绪论

1.1选题背景及意义

中国人口众多，是农业生产方面的大国，农作物的产出与国民经济息息相关。一方面，农作物的生长过程对土壤墒情有着极高的要求。并且对于不同的农作物，其生长所需土壤的环境湿度是各不相同的。土壤墒情与农作物的营养物质吸收和生长发育有着紧密联系，同时还关系到各种养分在土壤中的活性。湿度过高或过低，都会导致作物不能正常生长，严重的甚至会导致其死亡，在经济方面对农户造成不可挽回的损失。另一方面，在目前的中国人力管理是主要的手段，农户仅仅依据表象来判别农作物的土壤环境是不是适宜，这种方式既不能准确测量土壤墒情的实时变化，也给农户带来了更大的成本。为此，从事农业生产的人们急需一种廉价、简便而又能进行可靠土壤湿度测量和控制的仪器，来方便人们对种植土壤湿度的监测，从而实现对土壤墒情的自动控制，降低人工管理成本，实现智能化测控。智能土壤湿度测量与控制系统的设计具有重要的实用价值。

1.2国内外现状

随着科技的进步，农业自动化程度逐步提升，基于土壤湿度测量和控制的浇灌技术而设计的一种有效的农业智能灌溉系统，开始被广泛应用于实际操作中。这种技术提高了作物的灌溉率并降低了人工成本，是智能浇灌系统的关键。

20世纪90年代后，由于计算机在全球的广泛普及，计算机控制技术在各行各业中有了空前的发展，很多部门的管理运行模式也从传统的人工管理转变为以计算机控制技术为主的智能监控模式，这一先进的模式也逐渐在智能灌溉系统中得到了应用。我国国内在开发智能灌溉控制系统方面仍处于调试阶段，还未能广泛应用于实际操作中。研发出的产品中有着代表性的，如北京澳作生态仪器有限公司研发的澳作智能浇灌控制器，该控制仪器能实现与各种滴、喷灌系统的连接，智能化测量和控制土壤湿度。这种控制器有3种操作方式：手动、半自动、全自动，可以在控制计算机上任意选择或修改，极其灵活。而且在中心计算机上还可以同时显示被监测区的位置和形状，各环境参数及设备状态。

国外的智能浇灌技术起步比较早，已广泛用于发展节水农业。他们利用遥感湿度传感器来观察土壤墒情的变化，并根据农作物在不同生长时期对土壤水分需求量的差异，进行智能化管理。如加拿大、美国等，已有相对完善的智能浇灌的技术方案和管理体系。他们的管理体系从早先简单的人力控制、机械控制，到后来机械电子的混合协调式控制，再到现如今无线网络化和智能自动化的不断发展等等，浇灌控制的精确度和智能化水平不断提高，可靠性变强，运作也更加方便^[1]。20世纪后期，计算机智能设备就被美国人用来管理和控制作物的生长环境，他们研发了一种智能灌溉系统。此后很多发达国家也将计算机技术运用在作物生长环境的监控中。到20世纪末，这种智能测量与控制系统不断发展和完善，在做到实时智能调节作物生长所需的环境参数的基础上，还能调节花草等特殊作物的生长周期以满足市场的不同需求。由于以色列当地水资源的匮乏，为了更加有效地利用水资源，他们开发出了现代诊断式控制器，该仪器能把以前不可能采集到的信息通过不同的传感器来获得，并通过网络、GSM、远程控制等来实现数据的传输，然后通过算法模型来分析环境信息的数据，最后通过精确的控制进行灌溉，最大化利用有效资源。

1.3设计的主要内容

主要介绍了一种智能土壤湿度测量与控制系统的设计与实现，经过各种方案的对比，本次系统的设计挑选了最适合的设计方案组合，从一开始的设计方案，到硬件设计，再到软件程序设计对本次系统作了完整的阐述和研究。本次系统的实现能优化管理不同作物的土壤环境，给农户降低成本并带来切实的便利，在实际的土壤环境智能管理中有不错的应用前景。

本系统是以STC89C52单片机为核心，配合YL-69型土壤湿度传感器，以及相关的报警电路等组成了湿度测量与控制系统，通过终端的湿度传感器测量土壤中的水分含量，输出接收到的土壤环境的湿度信号，主控模块对采集到的湿度数据进行处理和传输，通过液晶显示屏幕可以查看设定的湿度阈值和显示的实时湿度数值，智能测量与控制土壤墒情，若土壤中测量到的水分过于充足，容易导致农作物根部腐烂，则开启风扇除湿，若水分缺失，农作物吸收不到足够水分，则启动水泵电机进行灌溉。本次设计中湿度信号的转换采用了ADC0832型的模数转换器，转变为相应的数字信号传输到主控模块，主控模块再对报警模块和控制模块发出相应的处理信号，同时在液晶显示屏上显示测量的土壤湿度数值。本次设计方案如图1.1所示。

图1.1 设计方案

1.4本文章节安排

本论文的章节设计具体如下:

第一章绪论：主要叙述了一种智能土壤湿度测量与控制系统的开发和设计意义，然后对智能灌溉系统的研究现状作了阐述，再总体描述了本次设计的主要内容，对本次系统的设计方案流程图系统实现功能的过程进行了介绍，最后阐述本文的章节内容安排。

第二章硬件电路设计：首先，对智能土壤湿度测量与控制系统的硬件电路设计作一个总的陈述。然后对比了本次系统设计的一些可行性方案，选择了更为适合本次设计的方案。将电路分为六个模块进行设计，对每个模块中元器件和方案的筛选以及电路图的设计进行了详细的阐述。

第三章软件设计：这一章节依据上一章的设计内容进行软件程序的编写，将软件设计模块化，介绍了主程序调用各个子程序以及子程序功能实现的情况。

第四章系统调试：在硬件设计和软件设计均完成的情况下对系统进行调试，调试分为三部分。第一部分对硬件的调试，检查是否合理设计电路，第二部分对软件的调试，检查是否合理编写程序，第三部分将硬件与软件结合进行联调，查看系统的总体功能是否完善。本章节还阐述了在调试过程中遇到的问题和解决问题的过程。

第五章结论:提出了本次设计的智能土壤湿度测量与控制系统的优缺点，对本文进行了简要的总结。

2系统硬件设计

整个系统设计的基础就是硬件电路的设计，系统硬件的设计需要依据各类元器件的大小以及工作原理，设计出工作稳定的电路，方便以后软件程序的设计。本文所研究设计的智能土壤湿度检测量与控制系统，如下图2.1所示是本次设计的系统硬件总电路。

图2.1 系统总电路

2.1主控模块

在本次设计的系统中，主控模块是整个系统信号接收、传输和处理的核心。本次设计的主控模块选用了单片机STC89C52，它的优点有可靠性高、性价比高、轻便、还有功耗低等，它有4K可编程存储器和8K灵活的可在线编程Flash程序存储器^[2],足以胜任本次设计中的信息处理，基于上述优点选择STC89C52作为系统主要控制模块。STC89C52单片机作为主控模块包括其时钟电路和复位电路，是整个电路的核心，湿度检测数据经过模数转换后，单片机获取实时湿度数值并对报警模块和控制模块发出相应的指令，并把实时的数据在显示模块中进行显示。

2.1.1 时钟模块

时序就是研究在指令执行过程中，各地址信号之间的相互关系。同步时序电路之所以称之为同步，是因为运行的整个电路必须在一个严格的时钟信号调度下运行，而单片机就是这样一个同步时序电路。

单片机的内部有其自己的时钟振荡器，最高的工作频率为12MHZ。所以本次系统设计选用12MHZ的晶振频率。其原理图如图2.2所示。也可以选用更快的晶体振荡频率，但是考虑到时钟频率可以直接影响单片机的速度，振荡频率高，则工作速度快，功率的消耗就大，受到的干扰也大，最终选用了12MHZ的晶振。

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