基于单片机的模拟智能灌溉控制系统 - 图文

1 绪论

1.1 课题研究背景

水资源是人类生产生活最关键的自然资本，亦是贯穿社会发展和国民经济的最首要的基础资源。但我国当今水资源存在着两个方面的主要问题：第一个问题是水资源贫乏。虽然我国水资源的总量居全球第六位，可人均占有量却只有2500立方米，仅仅只达到了世界人均水量的四分之一，是全世界人均水资源最贫乏的国家之一。第二个问题是水资源的严重污染和浪费。就全中国而言，我们对水资源的利用率仅为45%，而那些水资源利用率高的国家已经达到了70%--80%，因此，提高水资源的利用率，对于解决我国的农业灌溉用水和缓解水资源紧缺非常重要[1]。

经过几十年的快速发展，我国的节水智能灌溉技术初步形成了其技术体系，并且在某些方面已经达到或接近了国际先进水平，但由于受到我国经济发展水平及科研体制的限制，我国的智能控制灌溉技术与一些发达国家仍然存在着相当大的差距。随着我国水资源供需矛盾的日益加剧，农业用水分配额减少的问题势必日益突出，同时为了缓解我国水资源短缺对我国农业发展造成的压力，如何快速发展我国的节水智能控制灌溉技术及其配套设施，从而缓解我国农业用水压力已经成为一个不容忽视的问题[1]。

1.2 课题研究的目的和意义

农业是人类社会赖以生存的最古老也是最重要的行业，农业的发展从长远来打算主要存在着两个方面的问题。一个是水资源的问题、另一个是科技发展方面的问题。而现阶段我国包括灌溉用水和降水在内的农田利用率很低，单位立方水生产粮食的能力大约为0.84kg，而以色列等一些发达国家大多数都在2kg以上，差距很大。为了提高灌溉水的利用率，为了保证全中国人口的粮食安全，使单位立方水生产粮食的能力得到提高，依靠传统的灌溉方式是很难达到的，必须从高新技术入手，在管理上下功夫，从过去的“浇地”思想观念转变为“浇植物”的思想观念。做到作物生长需要多少水，灌溉系统就能及时而准确地提供多少水。要实现这一目标，只有发展先进的灌溉系统，使灌溉过程达到自动控制才有可能。因此实现灌溉系统的智能控制，对节水、提高灌溉水的利用率以及对我国的粮食安全将起到极为重要的作用，具有重要的实现意义[3]。

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1.3 国内外现状

1.3.1国内研究现状

我国一直以来都非常重视灌溉设备的研制，但由于自主开发程度低，且有影响的成果较少，所以我国的灌溉设备大多数都是通过引进国外的成果，可以说我国对于智能灌溉控制技术的研制真正开始于“九五”期间。目前我国在智能灌溉控制系统方面还处于研制、试用阶段，能真正投入应用，并且应用广泛的智能灌溉控制器还不多见[5]。

节水农业的核心就是节约用水和提高农业用水率，是现代化农业的重要内涵，其核心是在有限水资源的条件下，通过采用先进的工程技术、适宜的农业技术和用水管理等综合技术措施，充分提高农业用水利用率和水的生产效率及效益，保证农业持续稳定发展。面对World Trade Organization的挑战，节水农业更应该赋予其新的内涵，其内涵应扩展为节水、高产、高效、优质的农业[5]。

要发展节水农业最基本的工作就是要有先进的节水灌溉技术，适当的技术是节水农业发展的前提条件，研究和开发节水灌溉技术，对提高节水农业的效益有很大的帮助。因此，我们非常有必要对现状节水灌溉技术，节水的水平以及技术的适应性，发展现状及存在问题做认真分析，为真正实现提高农业用水效率和水的生产效率打好基础[5]。

结合我国各地区特点，认为适宜各地区推广应用的节水农业技术主要有，渠道防渗技术、低压管道输水技术、地面灌水技术、雨水利用技术、农业节水配套技术、劣质水利用技术及农业节水管理等技术[5]。 1.3.2国外研究现状

西方的一些先进国家，运用先进的电子技术、计算机和控制技术，在节水灌溉技术方面起步较早，并日趋成熟。这些国家从最早的水力控制、机械控制，到后来的机械电子混合协调模式控制，到当前应用广泛的计算机控制、模糊控制和神经网络控制等，控制精度和智能化程度越来越高，可靠性越来越好，操作也越来越简单[5]。

在美国，早在1984年，Benami和Offen公司就开发了一套节水灌溉控制器，通过监测土壤水分来确定是否打开灌水阀门，Phene和Howell分别在灌溉系统的控制中使用了土壤湿度传感器，通过土壤水分传感器把湿度反馈给控制系统，根据传感器获得的数据决定是否灌溉，是作物根部总跟保持一定的湿度[5]。

加拿大、澳大利亚和韩国等国家和地区都有发开成功并形成系列的灌溉控制器产品，其中比较有代表性的如澳大利亚的HARDIE IR-RGATION公司的灌溉控制器，已形成了MICRO-MASTER、RAINJET等多个系列几十种型号的产品[5]。

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1.4本文主要工作

经过对大量关于智能灌溉系统、单片机、传感器等文献的学习与研究，本文对基于单片机的智能灌溉控制系统的设计作出了较为详细的介绍，并且还做出了硬件实物，经操作测试，符合目标要求 。本论文的内容安排如下：

第一章，主要介绍了智能灌溉控制系统的研究背景、目的与意义以及国内外智能灌溉系统的发展现状。对整个论文的书写以及毕业设计的方向起引导作用。

第二章，对整个系统设计做了一个规划。系统需要实现什么样的功能？怎样设计才能实现这样的功能？

第三章，对整个灌溉系统的硬件部分进行一个设计，先介绍了系统工作的总原理、总电路，然后再是一一对每个模块进行介绍，将每个模块的电路设计、功能以及一些引脚的特性加以介绍。

第四章，对系统的软件部分进行设计，根据系统需要实现的功能以及各元件的特性，设计出一个总的程序流程图，然后再编写出能够实现此功能的源程序和主要功能模块的程序。

第五章，对硬件实物进行测试并对测试的结果进行分析，并介绍一下测试的环境，然后附上各个阶段的状态图，并加以相应的解释。

第六章，介绍程序的调试过程以及将编写好的程序录入到单片机中的过程。 第七章，结论。介绍了在毕业设计的整个过程中，我所做的准备工作、碰到的困难、学到的东西以及自己的感想。

最后，在论文的末尾，我介绍了整个设计过程中所参考的文献，对老师、同学、父母的致谢和一些程序、元件清单等的附录。

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2 系统总体设计

2.1系统功能要求

自动灌溉控制系统要实现的具体任务：

1）本设计采用STC89C52RC单片机为灌溉系统的主控芯片，外接土壤温湿度传感器模块、电源模块、水泵驱动模块、LCD1602液晶显示模块和按键模块。

2）使温湿度传感器对土壤的实际温湿度进行实时监测，并且把检测到的实际温湿度值的数字信号传送给单片机，单片机对其进行处理之后再将实际温湿度值显示在液晶显示屏上。

3）使用者可以通过按键自行调节温湿度的下限值，当传感器检测到的湿度值低于设定湿度值的10%时，启动继电器，开启水泵，进行灌溉，当检测到的湿度值达到设定值时，继续灌溉直至湿度值高于设定值10%再停止灌溉。本系统的温度值仅仅是一个参考值，用户可以根据液晶显示屏上显示的实际温度来设定相应而合理的湿度下限值。

4）本设计用一个绿色指示灯代表水泵模块，当指示灯亮起时，表示正在进行灌溉，当指示灯熄灭时，表示停止灌溉。

2.2系统总体设计方案

本设计利用STC89C52单片机设计了自动灌溉系统，利用温湿度传感器检测土壤的温湿度，将采集到的温湿度传送到单片机芯片，单片机根据温湿度控制是否进行灌溉，如果需要灌溉，那么单片机的一个引脚将置高电平，给水泵驱动芯片信号，打开水泵抽水，实现自动灌溉（即绿色指示灯亮起）。设计还配有一块LCD1602液晶显示器，用于显示土壤温湿度实际数值和设定用户温湿度值。系统还配有4个独立按键辅助设定温湿度值。自动灌溉系统方框图如图2-1所示。

图2-1 自动灌溉系统整体设计框图

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