智能灌溉裝置(大學生創(chuàng)新).doc

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重慶科技學院 優(yōu)秀創(chuàng)新人才培養(yǎng)資助計劃 項 目 申 報 書 項目名稱 智能灌溉裝置 項目負責人 學 院 電氣與信息工程學院 專業(yè)班級 自動化1001班 聯(lián)系電話 13658355657 指導教師 郭利霞老師 2011 年 11 月 25 日 項目名稱 智能灌溉裝置 申請經費 10000元 起止時間 2011年 12月～ 2013年 12 月 項目組成員 姓 名 學 號 所在院系 聯(lián)系電話 項目分工 電氣與信息工程學院 負責人 電氣與信息工程學院 要運通 電氣與信息工程學院 齊世文 電氣與信息工程學院 張玉平 電氣與信息工程學院 指導教師 姓 名 職稱/職務 聯(lián)系電話 郭利霞 副教授 15520037710 立項依據 現(xiàn)狀分析： 水是生命之源，是包括人類在內的各種生物生存的必要元素。而我國是聯(lián)合國認定的“水資源緊缺”國家，人均淡水資源占用量僅為世界人均水平的1/4。所以對水資源的有效利用及節(jié)水成為一個重要課題。隨著人們生活質量提高和對健康生活的追求，對花卉、樹木等綠色植物的種植越來越多，然而以往對花木的澆灌、施肥等工作都需要靠人工來實現(xiàn)。一方面，人工灌溉不能準確把握澆灌量，不僅造成了水資源的較大浪費，不符合當前對“節(jié)約用水”的倡導，同時也損害了花木的健康生長；另一方面，由于現(xiàn)代生活節(jié)奏的加快，人們往往因忙于工作或長期外出而無暇顧及對花木照料。已有的澆水器大多局限于定時澆灌，不能根據植物正常生長所需要的濕度、溫度、PH來實時調節(jié)植物生長環(huán)境的參數(shù)。 針對這些現(xiàn)象，我組成員設計了此款澆灌裝置，它是一款集雨水收集裝置、配料裝置、土壤濕度、溫度、PH傳感器、旋轉澆灌裝置等多種傳感和控制裝置為一體的基于單片機的自動、智能澆灌裝置。用以達到對植物進行定時、合理的智能灌溉和節(jié)水目的。 項目意義： 1.利用學校提供的資源給學生以更廣闊的發(fā)揮空間，提高學生的自主創(chuàng)新能力，增加動手實踐能力，把專業(yè)理論知識轉化為實際應用產品；。 2.以自動控制、自動檢測研究、單片機開發(fā)技術等熱點和前沿課題相結合，以問題法、探究式教育法培養(yǎng)學生運用知識和拓展研究能力。 3．本著節(jié)水利國利民和著眼于市場缺少廉價高效的智能節(jié)水澆灌裝置，本設計將填補這一市場的空白，為家庭小區(qū)甚至是大中型園藝栽培市場提供更經濟、更高效、更節(jié)能、更易操作的智能澆灌裝置。 自身具備的知識條件、自己的特長、興趣： 作為此項目的申報團隊，我們對科技創(chuàng)新有著執(zhí)著的追求，極力想通過各種創(chuàng)新活動用以增強自身在科技創(chuàng)新方面的經驗和素養(yǎng)。我們熱愛科學，希望通過自身的努力，創(chuàng)造出自己的作品。對于知識條件，我相信我們具備知識方面的優(yōu)勢，我們已完成了《C語言》、《電路原理》和單片機技術的學習，以后還要陸續(xù)學習《電機拖動基礎》、《電子技術》、《單片機原理》、《自動控制原理》、《電力電子技術》等課程，通過本專業(yè)知識的學習將提升我們完成此項目的能力。我們也有能力學好本專業(yè)知識，因為在學習上我們從未落后。我們善于接受新的知識，熱衷實踐探索，在知識儲備和后天發(fā)展中，我們有著極大的自信。 項目方案 具體方案: 在老師的指導下以及自己學習自動檢測和自動控制，借助于多功能單片機、電機拖動等技術，自主完成多功能智能澆灌裝置。提高自己對知識靈活應用的水平,將所學課程的內容融會貫通到實際應用領域,并為可能開發(fā)的新技術﹑新產品提供堅實的理論實踐基礎。 一、硬件整體框圖 1．數(shù)據采集模塊 數(shù)據采集的主要功能是采集外界環(huán)境的參數(shù):溫度、濕度、PH值等一系列的與植物生長有密切關系的因素。這些因素對植物的生長有很大的影響，只有當這三者達到適當比例時，植物才能達到最好的生長狀態(tài)。 1.1 溫度采集 溫度的采集采用的DS18B20溫度傳感器，通過溫度傳感器來檢測空氣的溫度來判斷當前的天氣狀況，以此溫度作為參考是否灌溉的一個標準。DS18B20溫度傳感器有超小的體積，超低的硬件開消，抗干擾能力強，精度高，附加功能強等優(yōu)點，而且全數(shù)字溫度轉換及輸出，最高12位分辨率，精度可達土0.5攝氏度。檢測溫度范圍為–55C ~+125C (–67F ~+257F)，完全適用于本產品的開發(fā)與要求。 1.2 濕度采集 濕度采集采用的是AM1001濕度傳感器，一方面可以實時檢測土壤中的濕度，土壤過濕或者過干，通過濕度傳感器檢測的土壤濕度來判斷植物是否缺水。另一方面，通過采集大氣中水分的多少來判斷當前天氣的情況（如，是否將要下雨），進而結合土壤的濕度考慮是否灌溉。濕度傳感器AM1001具有低功耗，小體積、帶溫度補償、單片機校準線性輸出、使用方便、成本低、完全互換、超長的信號傳輸距離、精確校準等優(yōu)點。采集外界的模擬信號，傳給單片機處理。 1.3 土壤PH的采集 PH值的采集主要采用的是HI9125N傳感器，通過HI9125N傳感器檢測土壤 項目方案 的酸堿度，酸堿度對植物的影響很大，過酸過堿對作物的傷害都是很大的。采用PH值的采集可以有效地預防過酸過堿情況的發(fā)生，有效地保護植物。不同的植物對PH的要求也各有差異。HI9125N具有良好的防水性，即使在惡劣的環(huán)境中也有很好的精度和準確度。內置5個校準點（PH4.01，6.86,7.01,9.18，10.01）當電量過低時將自動關機避免測量誤差。 2. 模數(shù)轉化模塊 通過數(shù)據采集到的信號有兩種：數(shù)字信號和模擬信號。對于數(shù)字信號，單片機可以直接的進行處理，但是對于模擬信號，單片機不能直接處理，就必須要一個模數(shù)轉化的模塊。模數(shù)轉換(ADC)亦稱模擬-數(shù)字轉換，與數(shù)/模(D/A)轉換相反，是將連續(xù)的模擬量（如象元的灰階、電壓、電流等）通過取樣轉換成離散的數(shù)字量。項目中的數(shù)據采集到的濕度、PH等信號都是模擬信號，要使單片機能直接進行控制，必須要加相應的模數(shù)轉化的模塊，同時，系統(tǒng)對每一個參數(shù)的要求不一樣，就需要精度不同的模數(shù)轉化裝置。 針對要求精度高的特性，采用ADS8412模數(shù)轉化芯片，ADS8412是一款2Msps采樣速率的16位逐次逼近模數(shù)轉化芯片。它具有功耗小、精度高、安全性好等優(yōu)點。完全能達到理想的要求。 3. 液晶顯示模塊 數(shù)據采集到的信號通過模數(shù)轉化傳送給單片機，單片機把數(shù)據以數(shù)字的形式在液晶屏上顯示出來，便于人工觀測、比對，能更好的控制澆灌系統(tǒng)。 4. 灌溉控制模塊 4.1 智能灌溉模塊 啟動電機，單片機綜合各種傳感器傳送過來的數(shù)據有針對性的發(fā)出澆灌指令，通過電機帶動目的。當濕度傳感器檢測到土壤水分過少或者溫度偏高時，啟動電機進行灌溉，時刻檢測水分，當濕度達到最適值時，關閉電機停止灌溉，以達到智能控制的效果。 4.2 手動控制 手動控制也是灌溉系統(tǒng)必不可缺的一部分。在自動控制不方便或出現(xiàn)某些故障（如，溫度感應器失靈）的情況下，可以啟動手動控制灌溉。同時，通過手動控制還可以檢測到水管堵塞等一系列的故障。 5. 配料裝置 5.1 作用 作用一：使土壤中的ＰＨ保持在正常范圍內，當ＰＨ值過酸或者過堿時，配料裝置開啟，添加相應所需的酸或堿； 作用二：按照人工設定的植物生長所需營養(yǎng)液比例，將肥料（液體肥）和 項目方案 澆灌水進行合理配置。 5.2 配制方法 加料輸送管與自來水管相接，通過控制 自來水導入水速與加料流速的比率來實現(xiàn)水與肥料的合理比例配比。（如下圖所示） 酸性液 堿性液 液體肥料 符合比例的混合液 自來水與加料混合區(qū) 自來水區(qū) 自來水管 加料導管 附：軟件控制流程圖（如下圖所示） 項目方案 三、可行性分析： 本裝置是通過單片機實現(xiàn)和完成的。利用各種濕度和溫度傳感器、電機和自檢裝置輔助實現(xiàn)。而這一系列的知識和技術將會在我的大學里全部學習到。該裝置通過上述的一系列方法讓自動智能澆灌變成了可能。滿足了忙于生活而無暇顧及對花木進行澆灌的人的需求，因此，此類裝置擁有廣闊的市場前景。因本款智能澆灌裝置具有雨水收集、溫度濕度檢測、PH檢測、自檢等功能，所以它比其他同類產品更具優(yōu)勢。是一個很實用的家庭、園林小助手，所以此項目具有很強的可行性，實用價值高、市場前景更加廣闊。 二、實施計劃： 第一階斷：(2012.01—2012.05) 智能澆灌裝置項目的調研： 完成對花木正常生長條件數(shù)據和項目所需元件資料的搜集與整理。 第二階斷：(2012.05—2012.09) 數(shù)據采集模塊和模數(shù)轉化模塊： 完成溫度、濕度和PH模塊、液晶顯示模塊的硬件組裝和程序編寫。 第三階斷：(2012.09—2012.012) 配料裝置： 完成對配料裝置的硬件設計和程序編輯。 第四階斷：(2012.12—2013.06) 灌溉控制模塊： 完成數(shù)據采集模塊、液晶顯示模塊、電機裝置與單片機的連接，手動控 模塊的設計，單片機整體控制程序的編寫。 第五階斷：(2013.06—2013.12) 1. 組裝調試各模塊，將其統(tǒng)一成一個完善的整體。 2. 完成裝置結題報告書和論文發(fā)表。 成果形式 1．設計完整的硬件模型，完整的軟件，實現(xiàn)預期各項功能； 2．爭取進一步推廣，實現(xiàn)其實用價值； 3．公開發(fā)表創(chuàng)新實驗開發(fā)研究論文一篇； 4．爭取將其廣泛利用在校園中； 5. 努力爭取申請專利。 特色與創(chuàng)新 裝置特色： 1. 立足單片機技術，實現(xiàn)濕度、溫度、PH值測定、簡易時鐘于一體的多功能裝置； 2. 本裝置外形簡潔美觀，安裝方便； 3. 智能調節(jié)澆灌，最大限度的節(jié)約了水資源； 4. 采用自動、手動兩種操作模式，防止了因感應器失靈等故障引起的不能 澆灌的現(xiàn)象。 創(chuàng)新之處： 1. 能分析植物所處生長土壤的參數(shù)，并與植物適宜的生長土壤參數(shù)進行對比，以澆灌的方式對土壤作出合理的調解； 2. 智能配料裝置，可根據植物正常生長所需PH環(huán)境，自動向自來水中添加酸或堿鹽溶液，調節(jié)土壤PH；根據主人設定的肥料與自來水比例，精確將肥料調和入自來水中； 3. 采用兩套濕度感應器，一套用于對土壤濕度的檢測，控制澆灌程度；另一套用于檢測大氣濕度，自動分析是否降雨。避免了在降雨前澆灌對水源的浪費； 4. 可以通過感應裝置檢測實時溫度，必要時，實施澆水降溫，實現(xiàn)對植物的最好保護。 特殊條件要求 1. 主要用于澆灌面積較小的區(qū)域，如，植物盆栽、花壇、草坪等； 2. 要注意防火防止線路老化； 3. 定時對裝置進行檢查，對故障進行及時處理。 經費預算 支 出 科 目 金額（元） 計 算 根 據 及 理 由 實驗材料費 （濕度，溫度，PH等）傳感器 1000 電機與噴頭 1000 模具材料 800 配料裝置 500 數(shù)據顯示裝置 300 灌溉控制模塊 2000 連接裝置購買 600 電線及相關耗材 300 其他預計費用 資料費用 500 項目資料查詢、下載、打印 論文發(fā)表 1000 綜合數(shù)據處理 300 通過后期數(shù)據等進行分析， 修改項目內容 交通費用 500 小組成員分工分目的的調研 其 它 1000 作為資金儲備，以備不時之需 合 計 9800元 指導教師意見： 指導教師（簽字）： 年 月 日 學院專家組成員 姓名 性別 年齡 職務 工作單位 簽字 學院初評意見： 主管院長 (簽字)： （公章） 年 月 日 學校專家組成員 姓名 性別 年齡 職務 工作單位 簽字 學校專家組評審意見： 專家組組長(簽字)： 年 月 日 主管校長審批意見： 主管校長(簽字)： 年 月 日