智能灌溉裝置(大學(xué)生創(chuàng)新).doc

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重慶科技學(xué)院 優(yōu)秀創(chuàng)新人才培養(yǎng)資助計(jì)劃 項(xiàng) 目 申 報(bào) 書 項(xiàng)目名稱 智能灌溉裝置 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人 學(xué) 院 電氣與信息工程學(xué)院 專業(yè)班級 自動(dòng)化1001班 聯(lián)系電話 13658355657 指導(dǎo)教師 郭利霞老師 2011 年 11 月 25 日 項(xiàng)目名稱 智能灌溉裝置 申請經(jīng)費(fèi) 10000元 起止時(shí)間 2011年 12月～ 2013年 12 月 項(xiàng)目組成員 姓 名 學(xué) 號(hào) 所在院系 聯(lián)系電話 項(xiàng)目分工 電氣與信息工程學(xué)院 負(fù)責(zé)人 電氣與信息工程學(xué)院 要運(yùn)通 電氣與信息工程學(xué)院 齊世文 電氣與信息工程學(xué)院 張玉平 電氣與信息工程學(xué)院 指導(dǎo)教師 姓 名 職稱/職務(wù) 聯(lián)系電話 郭利霞 副教授 15520037710 立項(xiàng)依據(jù) 現(xiàn)狀分析： 水是生命之源，是包括人類在內(nèi)的各種生物生存的必要元素。而我國是聯(lián)合國認(rèn)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(gè)重要課題。隨著人們生活質(zhì)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(shí)現(xiàn)。一方面，人工灌溉不能準(zhǔn)確把握澆灌量，不僅造成了水資源的較大浪費(fèi)，不符合當(dāng)前對“節(jié)約用水”的倡導(dǎo)，同時(shí)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(shí)澆灌，不能根據(jù)植物正常生長所需要的濕度、溫度、PH來實(shí)時(shí)調(diào)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(shè)計(jì)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(zhuǎn)澆灌裝置等多種傳感和控制裝置為一體的基于單片機(jī)的自動(dòng)、智能澆灌裝置。用以達(dá)到對植物進(jìn)行定時(shí)、合理的智能灌溉和節(jié)水目的。 項(xiàng)目意義： 1.利用學(xué)校提供的資源給學(xué)生以更廣闊的發(fā)揮空間，提高學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，增加動(dòng)手實(shí)踐能力，把專業(yè)理論知識(shí)轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用產(chǎn)品；。 2.以自動(dòng)控制、自動(dòng)檢測研究、單片機(jī)開發(fā)技術(shù)等熱點(diǎn)和前沿課題相結(jié)合，以問題法、探究式教育法培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用知識(shí)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(jià)高效的智能節(jié)水澆灌裝置，本設(shè)計(jì)將填補(bǔ)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(jīng)濟(jì)、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(shí)條件、自己的特長、興趣： 作為此項(xiàng)目的申報(bào)團(tuán)隊(duì)，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(dòng)用以增強(qiáng)自身在科技創(chuàng)新方面的經(jīng)驗(yàn)和素養(yǎng)。我們熱愛科學(xué)，希望通過自身的努力，創(chuàng)造出自己的作品。對于知識(shí)條件，我相信我們具備知識(shí)方面的優(yōu)勢，我們已完成了《C語言》、《電路原理》和單片機(jī)技術(shù)的學(xué)習(xí)，以后還要陸續(xù)學(xué)習(xí)《電機(jī)拖動(dòng)基礎(chǔ)》、《電子技術(shù)》、《單片機(jī)原理》、《自動(dòng)控制原理》、《電力電子技術(shù)》等課程，通過本專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)將提升我們完成此項(xiàng)目的能力。我們也有能力學(xué)好本專業(yè)知識(shí)，因?yàn)樵趯W(xué)習(xí)上我們從未落后。我們善于接受新的知識(shí)，熱衷實(shí)踐探索，在知識(shí)儲(chǔ)備和后天發(fā)展中，我們有著極大的自信。 項(xiàng)目方案 具體方案: 在老師的指導(dǎo)下以及自己學(xué)習(xí)自動(dòng)檢測和自動(dòng)控制，借助于多功能單片機(jī)、電機(jī)拖動(dòng)等技術(shù)，自主完成多功能智能澆灌裝置。提高自己對知識(shí)靈活應(yīng)用的水平,將所學(xué)課程的內(nèi)容融會(huì)貫通到實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域,并為可能開發(fā)的新技術(shù)﹑新產(chǎn)品提供堅(jiān)實(shí)的理論實(shí)踐基礎(chǔ)。 一、硬件整體框圖 1．?dāng)?shù)據(jù)采集模塊 數(shù)據(jù)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(guān)系的因素。這些因素對植物的生長有很大的影響，只有當(dāng)這三者達(dá)到適當(dāng)比例時(shí)，植物才能達(dá)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(dāng)前的天氣狀況，以此溫度作為參考是否灌溉的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。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(qiáng)，精度高，附加功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而且全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出，最高12位分辨率，精度可達(dá)土0.5攝氏度。檢測溫度范圍為–55C ~+125C (–67F ~+257F)，完全適用于本產(chǎn)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(shí)時(shí)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(dāng)前天氣的情況（如，是否將要下雨），進(jìn)而結(jié)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(bǔ)償、單片機(jī)校準(zhǔn)線性輸出、使用方便、成本低、完全互換、超長的信號(hào)傳輸距離、精確校準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)。采集外界的模擬信號(hào)，傳給單片機(jī)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(xiàng)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(yù)防過酸過堿情況的發(fā)生，有效地保護(hù)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(zhǔn)確度。內(nèi)置5個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)（PH4.01，6.86,7.01,9.18，10.01）當(dāng)電量過低時(shí)將自動(dòng)關(guān)機(jī)避免測量誤差。 2. 模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊 通過數(shù)據(jù)采集到的信號(hào)有兩種：數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)。對于數(shù)字信號(hào)，單片機(jī)可以直接的進(jìn)行處理，但是對于模擬信號(hào)，單片機(jī)不能直接處理，就必須要一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)化的模塊。模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)亦稱模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換，與數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量。項(xiàng)目中的數(shù)據(jù)采集到的濕度、PH等信號(hào)都是模擬信號(hào)，要使單片機(jī)能直接進(jìn)行控制，必須要加相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)化的模塊，同時(shí)，系統(tǒng)對每一個(gè)參數(shù)的要求不一樣，就需要精度不同的模數(shù)轉(zhuǎn)化裝置。 針對要求精度高的特性，采用ADS8412模數(shù)轉(zhuǎn)化芯片，ADS8412是一款2Msps采樣速率的16位逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)化芯片。它具有功耗小、精度高、安全性好等優(yōu)點(diǎn)。完全能達(dá)到理想的要求。 3. 液晶顯示模塊 數(shù)據(jù)采集到的信號(hào)通過模數(shù)轉(zhuǎn)化傳送給單片機(jī)，單片機(jī)把數(shù)據(jù)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(dòng)電機(jī)，單片機(jī)綜合各種傳感器傳送過來的數(shù)據(jù)有針對性的發(fā)出澆灌指令，通過電機(jī)帶動(dòng)目的。當(dāng)濕度傳感器檢測到土壤水分過少或者溫度偏高時(shí)，啟動(dòng)電機(jī)進(jìn)行灌溉，時(shí)刻檢測水分，當(dāng)濕度達(dá)到最適值時(shí)，關(guān)閉電機(jī)停止灌溉，以達(dá)到智能控制的效果。 4.2 手動(dòng)控制 手動(dòng)控制也是灌溉系統(tǒng)必不可缺的一部分。在自動(dòng)控制不方便或出現(xiàn)某些故障（如，溫度感應(yīng)器失靈）的情況下，可以啟動(dòng)手動(dòng)控制灌溉。同時(shí)，通過手動(dòng)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(nèi)，當(dāng)ＰＨ值過酸或者過堿時(shí)，配料裝置開啟，添加相應(yīng)所需的酸或堿； 作用二：按照人工設(shè)定的植物生長所需營養(yǎng)液比例，將肥料（液體肥）和 項(xiàng)目方案 澆灌水進(jìn)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(dǎo)入水速與加料流速的比率來實(shí)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(dǎo)管 附：軟件控制流程圖（如下圖所示） 項(xiàng)目方案 三、可行性分析： 本裝置是通過單片機(jī)實(shí)現(xiàn)和完成的。利用各種濕度和溫度傳感器、電機(jī)和自檢裝置輔助實(shí)現(xiàn)。而這一系列的知識(shí)和技術(shù)將會(huì)在我的大學(xué)里全部學(xué)習(xí)到。該裝置通過上述的一系列方法讓自動(dòng)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(jìn)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(chǎn)品更具優(yōu)勢。是一個(gè)很實(shí)用的家庭、園林小助手，所以此項(xiàng)目具有很強(qiáng)的可行性，實(shí)用價(jià)值高、市場前景更加廣闊。 二、實(shí)施計(jì)劃： 第一階斷：(2012.01—2012.05) 智能澆灌裝置項(xiàng)目的調(diào)研： 完成對花木正常生長條件數(shù)據(jù)和項(xiàng)目所需元件資料的搜集與整理。 第二階斷：(2012.05—2012.09) 數(shù)據(jù)采集模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)和程序編輯。 第四階斷：(2012.12—2013.06) 灌溉控制模塊： 完成數(shù)據(jù)采集模塊、液晶顯示模塊、電機(jī)裝置與單片機(jī)的連接，手動(dòng)控 模塊的設(shè)計(jì)，單片機(jī)整體控制程序的編寫。 第五階斷：(2013.06—2013.12) 1. 組裝調(diào)試各模塊，將其統(tǒng)一成一個(gè)完善的整體。 2. 完成裝置結(jié)題報(bào)告書和論文發(fā)表。 成果形式 1．設(shè)計(jì)完整的硬件模型，完整的軟件，實(shí)現(xiàn)預(yù)期各項(xiàng)功能； 2．爭取進(jìn)一步推廣，實(shí)現(xiàn)其實(shí)用價(jià)值； 3．公開發(fā)表創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)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(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)濕度、溫度、PH值測定、簡易時(shí)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(diào)節(jié)澆灌，最大限度的節(jié)約了水資源； 4. 采用自動(dòng)、手動(dòng)兩種操作模式，防止了因感應(yīng)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(jìn)行對比，以澆灌的方式對土壤作出合理的調(diào)解； 2. 智能配料裝置，可根據(jù)植物正常生長所需PH環(huán)境，自動(dòng)向自來水中添加酸或堿鹽溶液，調(diào)節(jié)土壤PH；根據(jù)主人設(shè)定的肥料與自來水比例，精確將肥料調(diào)和入自來水中； 3. 采用兩套濕度感應(yīng)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(dòng)分析是否降雨。避免了在降雨前澆灌對水源的浪費(fèi)； 4. 可以通過感應(yīng)裝置檢測實(shí)時(shí)溫度，必要時(shí)，實(shí)施澆水降溫，實(shí)現(xiàn)對植物的最好保護(hù)。 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(shí)對裝置進(jìn)行檢查，對故障進(jìn)行及時(shí)處理。 經(jīng)費(fèi)預(yù)算 支 出 科 目 金額（元） 計(jì) 算 根 據(jù) 及 理 由 實(shí)驗(yàn)材料費(fèi) （濕度，溫度，PH等）傳感器 1000 電機(jī)與噴頭 1000 模具材料 800 配料裝置 500 數(shù)據(jù)顯示裝置 300 灌溉控制模塊 2000 連接裝置購買 600 電線及相關(guān)耗材 300 其他預(yù)計(jì)費(fèi)用 資料費(fèi)用 500 項(xiàng)目資料查詢、下載、打印 論文發(fā)表 1000 綜合數(shù)據(jù)處理 300 通過后期數(shù)據(jù)等進(jìn)行分析， 修改項(xiàng)目內(nèi)容 交通費(fèi)用 500 小組成員分工分目的的調(diào)研 其 它 1000 作為資金儲(chǔ)備，以備不時(shí)之需 合 計(jì) 9800元 指導(dǎo)教師意見： 指導(dǎo)教師（簽字）： 年 月 日 學(xué)院專家組成員 姓名 性別 年齡 職務(wù) 工作單位 簽字 學(xué)院初評意見： 主管院長 (簽字)： （公章） 年 月 日 學(xué)校專家組成員 姓名 性別 年齡 職務(wù) 工作單位 簽字 學(xué)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