2907 基于單片機(jī)的節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2907 基于單片機(jī)的節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì),基于,單片機(jī),節(jié)水,灌溉,自動(dòng)控制系統(tǒng),設(shè)計(jì) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開(kāi) 題 報(bào) 告設(shè) 計(jì) 題 目 : 基于單片機(jī)的節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)院 系 名 稱: 機(jī)電工程學(xué)院 專(zhuān) 業(yè) 班 級(jí): 機(jī)械 08—3 學(xué) 生 姓 名: 岳躍宏 導(dǎo) 師 姓 名: 孫玉芳 開(kāi) 題 時(shí) 間: 2012 年 3 月 1 日 指導(dǎo)委員會(huì)審查意見(jiàn)：簽字： 年 月 日1﹑課題研究的目的和意義1.1 設(shè)計(jì)目的農(nóng)業(yè)足人類(lèi)社會(huì)最古老的行業(yè)，是各行各業(yè)的基礎(chǔ)，也是人類(lèi)賴以生存的最重要的行業(yè)。農(nóng)業(yè)的發(fā)展從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看非常重要，一是水的問(wèn)題，二是科技的問(wèn)題。農(nóng)業(yè)的根本出路在科技，在教育。由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變，由粗放經(jīng)營(yíng)向集約經(jīng)營(yíng)轉(zhuǎn)變，必須要求農(nóng)業(yè)科技有一個(gè)大的發(fā)展，進(jìn)行一次新的農(nóng)業(yè)技術(shù)革命。農(nóng)業(yè)與工業(yè)、交通等行業(yè)相比仍然比較落后，農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)尤其落后。灌溉系統(tǒng)自動(dòng)化水平較低是制約我國(guó)高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要原因。傳統(tǒng)的灌溉模式自動(dòng)化程度極低，基本上屬粗放的人工操作，即便對(duì)于給定的量，在操作中也無(wú)法進(jìn)行有效的控制，為了提高灌溉效率，縮短勞動(dòng)時(shí)問(wèn)和節(jié)約水資源，必須發(fā)展節(jié)水灌溉控制技術(shù)。1.2 設(shè)計(jì)意義現(xiàn)代智能型控制器足進(jìn)行灌溉系統(tǒng)田間管理的有效手段和工具，它可提高操作準(zhǔn)確性，有利于灌溉過(guò)程的科學(xué)管理，降低對(duì)操作者本身素質(zhì)的要求。除了能大大減少勞動(dòng)量，更重要的是它能準(zhǔn)確、定時(shí)、定量、高效地給作物自動(dòng)補(bǔ)充分，以提高產(chǎn)量、質(zhì)量，節(jié)水、節(jié)能?，F(xiàn)代灌溉控制器的研究使用在我國(guó)農(nóng)、林、及園藝為數(shù)不多，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，有較大的差距，還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動(dòng)化控制系統(tǒng)，也是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法來(lái)確定每天灌溉次數(shù)和每次灌溉最。如果灌溉量與作物實(shí)際需水量相比太少，便不能有效的促進(jìn)作物健康成長(zhǎng)；而灌溉量太多，肥水流失，又會(huì)造成資源浪費(fèi)。同時(shí)傳統(tǒng)的灌溉法還需要相關(guān)專(zhuān)家的實(shí)時(shí)觀察并經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)生產(chǎn)，勞動(dòng)生產(chǎn)率低，這也不能與現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)向優(yōu)化、高效化方向發(fā)展要求同步。我國(guó)先后引進(jìn)了以色列、美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)等國(guó)家的部分先進(jìn)灌溉控制設(shè)備，但價(jià)格昂貴，維護(hù)保養(yǎng)困難，多數(shù)用于農(nóng)業(yè)示范區(qū)、科研單位或高校，而且不符合我國(guó)土壤的應(yīng)用特點(diǎn)。我國(guó)自己的現(xiàn)代灌溉控制器的研制和使用尚處于起步階段，因此，作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，中國(guó)研究開(kāi)發(fā)自己的先進(jìn)的低成本、使用維護(hù)方便、系統(tǒng)功能強(qiáng)且擴(kuò)展容易的國(guó)產(chǎn)化數(shù)字式節(jié)水灌溉器是一項(xiàng)極有意義的工作。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)和傳感器的價(jià)格日益降低，可靠性日益提高，用信息技術(shù)改造農(nóng)業(yè)不僅是可能的而且是必要的。用高新技術(shù)改造農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，實(shí)施節(jié)水灌溉己成為我國(guó)農(nóng)業(yè)乃至國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展帶戰(zhàn)略性的根本大事。本文旨在設(shè)計(jì)一套能對(duì)作物生長(zhǎng)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控的系統(tǒng)，它能對(duì)作物進(jìn)行適時(shí)、適量的灌水，起到高效灌溉、節(jié)水、節(jié)能的作用。2、文獻(xiàn)綜述2.1 國(guó)內(nèi)節(jié)水農(nóng)業(yè)研究狀況和發(fā)展趨勢(shì)國(guó)內(nèi)自20世紀(jì)50年代即開(kāi)始節(jié)水灌溉的研究，并對(duì)當(dāng)時(shí)主要農(nóng)作物的需水量和需水規(guī)律、灌溉制度進(jìn)行了許多試驗(yàn)研究，繪制了全國(guó)主要農(nóng)作物的需水量等值線圖，建立了全國(guó)灌溉試驗(yàn)資料數(shù)據(jù)庫(kù)。20世紀(jì)70年代主要集中在節(jié)水灌溉制度方面的研究。節(jié)水灌溉制度包括灌水時(shí)期、灌水定額和輪灌周期等內(nèi)容。根據(jù)水與作物生長(zhǎng)、發(fā)育及產(chǎn)量間的關(guān)系，通過(guò)有限水量在作物生育期內(nèi)的最優(yōu)分配，以提高有限灌溉水屠下作物根系吸收轉(zhuǎn)化和光合作用向經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量轉(zhuǎn)化的效率為目標(biāo)，進(jìn)而達(dá)到高產(chǎn)和高水分生產(chǎn)率。但此時(shí)期的研究是基于傳統(tǒng)的充分灌溉基礎(chǔ)上的。2.2 國(guó)外節(jié)水農(nóng)業(yè)研究狀況和發(fā)展趨勢(shì)節(jié)水農(nóng)業(yè)在國(guó)外的發(fā)展已有幾十年的歷史，在西方發(fā)達(dá)國(guó)家，節(jié)水灌溉的應(yīng)用面積和產(chǎn)業(yè)化程度很高。目前，約有80多個(gè)國(guó)家和地區(qū)推廣應(yīng)用微灌技術(shù)。美國(guó)、前．蘇聯(lián)的噴灌面積己占其總灌溉面積40％以上，英國(guó)、德國(guó)、奧地利、丹麥、瑞典、日本等國(guó)的旱地灌溉面積中90％以上采用噴灌。一些發(fā)達(dá)國(guó)家的噴灌系統(tǒng)中廣泛使用多功能壓力流量控制設(shè)備，如法國(guó)和日本均開(kāi)發(fā)并使用集給水拴、壓力控制、流量顯示、水量控制等功能于一體的多功能壓力流量控制給水拴。節(jié)能效果良好的恒壓噴灌技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用，如日本在大多數(shù)旱地灌溉系統(tǒng)的五泵站中使用調(diào)壓罐控制。微灌領(lǐng)域，以色列和美國(guó)水平很高。他們對(duì)灌溉的新概念是：把含有肥料的水一滴滴的輸入作物根系層的土壤中，使土壤中的水、肥、氣、熱等保持協(xié)調(diào)關(guān)系，達(dá)到作物高產(chǎn)的目的。尤其是以色列，在水資源極度缺乏的情況下，通過(guò)發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)和節(jié)水灌溉工程技術(shù)，建立起了高度發(fā)達(dá)的外向型農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)。世界著名的耐特費(fèi)姆(Netfim)灌溉設(shè)備和滴灌系統(tǒng)公司生產(chǎn)的微灌系統(tǒng)基本由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制運(yùn)行，可根據(jù)作物的生長(zhǎng)及水、肥狀況進(jìn)行灌水和施肥，節(jié)約大量人力，且管理及時(shí)，使作物產(chǎn)量和品質(zhì)都有較大幅度的提剮161。除了大力推廣微灌與噴灌技術(shù)外，發(fā)達(dá)國(guó)家發(fā)展高效農(nóng)業(yè)的另一個(gè)重要途徑是灌溉管理的自動(dòng)化舊。如美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、日本、以色列等發(fā)達(dá)國(guó)家已采用了先進(jìn)的灌溉系統(tǒng)。他們采用先進(jìn)的節(jié)水灌溉制度，由傳統(tǒng)的充分灌溉向非充分灌溉發(fā)展，對(duì)灌區(qū)用水進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，實(shí)行動(dòng)態(tài)管理，采用遙感技術(shù)，監(jiān)測(cè)土4壤墑情和作物生長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)和制造了一系列用途廣泛，功能強(qiáng)大的數(shù)字式灌溉控制器，并得到了廣泛的應(yīng)用。仍然以以色列為例，以色列是世界上微灌技術(shù)發(fā)展最具有代表性的國(guó)家，目前全國(guó)農(nóng)業(yè)土地基本上實(shí)現(xiàn)了灌溉管理自動(dòng)化，并且普遍推行自動(dòng)控制系統(tǒng)，按時(shí)、按量將水、肥直接送入作物根部，水資源利用率和單方水的糧食產(chǎn)量都相當(dāng)高。北美、澳大利亞、韓國(guó)等國(guó)家和地區(qū)都已有發(fā)展成熟并形成系列的灌溉控制器產(chǎn)品，微灌方式普遍采用計(jì)算機(jī)控制，埋在地下的濕度傳感器可以傳回有關(guān)土壤水分的信息，還有的傳感器系統(tǒng)能通過(guò)檢測(cè)植物的莖和果實(shí)的直徑變化來(lái)決定對(duì)植物的灌水間隔。在溫室等設(shè)施內(nèi)較多使用小型灌溉管、理程序，澆水時(shí)間可按日期設(shè)定每次每路灌水起止時(shí)聞，操作便于小規(guī)模經(jīng)營(yíng)。計(jì)算機(jī)化操作運(yùn)行精密、可靠、節(jié)省人力，對(duì)灌溉過(guò)程的控制可達(dá)到相當(dāng)?shù)木?，在以色列，已?jīng)出現(xiàn)了在家里利用電腦對(duì)灌溉過(guò)程進(jìn)行全部控制(無(wú)線、有線)的農(nóng)場(chǎng)主?？傊?，目前國(guó)外灌溉控制器已逐步趨于成熟、系列化，并朝著大型分布式控制系統(tǒng)和小面積單機(jī)控制兩個(gè)方向發(fā)展，產(chǎn)品一般都能與微機(jī)進(jìn)行通信，并由微機(jī)對(duì)其施行控制。3、基本內(nèi)容、擬解決的主要問(wèn)題3.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容1)根據(jù)噴灌技術(shù)的特點(diǎn)，進(jìn)行節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的整體研究與設(shè)計(jì)。2）基本方案的選擇：選擇 AT89C51 微控器作為此次課題的最小控制系統(tǒng)，通過(guò)具體技術(shù)要求判斷是否需要對(duì)硬件（程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等硬件的擴(kuò)展及人機(jī)接口）的擴(kuò)展。對(duì)于軟件方面的選擇，應(yīng)配合硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)，并用proteus 軟件進(jìn)行繪圖。3）單片機(jī)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)：?jiǎn)纹瑱C(jī)硬件設(shè)計(jì)原則：一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴(kuò)展，即單片機(jī)內(nèi)部的功能單元，如ROM、RAM、I/O、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時(shí)，必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展，選擇適當(dāng)?shù)男酒?，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路。二是系統(tǒng)的配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤(pán)、顯示器、打印機(jī)、A/D、D/A 轉(zhuǎn)換器等，要設(shè)計(jì)合適的接口電路。 4）單片機(jī)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)：整個(gè)程序包括主程序和子程序兩部分。子程序包括 BCD 碼變換子程序、延時(shí)子程序、啟動(dòng)子程序、參數(shù)掃描子程序、外部中斷子程序等。程序編制采用了模塊化結(jié)構(gòu)，對(duì)各個(gè)程序段的出入口、占用內(nèi)部寄存器或 RAM 均做了明確規(guī)定，可分別調(diào)試，具有較強(qiáng)的靈活通性。本程序除了能夠?qū)崿F(xiàn)各階段的功能外，最大的特點(diǎn)是：輸入時(shí)，4 組數(shù)據(jù)在 00～99 之間任意可調(diào), 并根據(jù)硬件設(shè)計(jì)需要編寫(xiě)相應(yīng)程序及制圖。 3.2 擬解決的主要問(wèn)題：1）設(shè)計(jì)節(jié)水控制系統(tǒng)裝置：主要設(shè)計(jì)由單片機(jī)為系統(tǒng)控制的自動(dòng)澆灌和自動(dòng)停止?jié)补唷?）具有故障報(bào)警功能：?jiǎn)纹瑱C(jī)故障報(bào)警系統(tǒng)隨時(shí)對(duì)需檢測(cè)點(diǎn)兒進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)，一旦出現(xiàn)故障能立即響聲報(bào)警，并通過(guò)聲響大小可以判斷出大故障和小故障。待故障排除后，聲響報(bào)警自動(dòng)撤除。 4、技術(shù)路線或研究方法（1）對(duì)于硬件部分：根據(jù)課題技術(shù)要求擬選擇 Intel 公司的 AT89C51 微控器作為控制與數(shù)據(jù)處理的核心以構(gòu)成自動(dòng)節(jié)水的控制系統(tǒng)。根據(jù)技術(shù)要求判斷是否需要外部采用可編程程序存儲(chǔ)器以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器對(duì)微控器進(jìn)行擴(kuò)展，并實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。（2）對(duì)于軟件部分：設(shè)計(jì)硬件時(shí)應(yīng)同時(shí)考慮軟件的設(shè)計(jì)方法，爭(zhēng)取采用最簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)方法使兩者相輔相成。設(shè)計(jì)后期用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)程序并用相關(guān)繪圖軟件繪制系統(tǒng)外部接線圖、軟件流程圖、系統(tǒng)框圖。5、進(jìn)度安排2012.2.27——2012.3.2 ： 接受任務(wù)，收集相關(guān)資料，撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告；2012.3.5——2012.3.16 ： 擬定總體設(shè)計(jì)方案，繪制系統(tǒng)的方框圖；2012.3.19——2012.3.30： 器件選型；2012.4.2——2012.5.4 ： 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)；解決問(wèn)題，修改完善；2012.5.7——2012.6.1： 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)；2012.6.1——2012.6.10 ： 撰寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)并用計(jì)算機(jī)繪圖；2012.6.11——20121.6.15 ： 完成論文及圖紙，準(zhǔn)備答辯。6、參考文獻(xiàn)[1]吳景社，李久生，李英能等．紀(jì)節(jié)水農(nóng)業(yè)中的高新技術(shù)重點(diǎn)研究領(lǐng)域[J]。農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2008.[2] 趙德安等.單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004. 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