基于单片机的温室自动灌溉系统设计与实现—毕业设计论文.doc

基于单片机的温室自动灌溉系统设计与实现摘要我国设施农业节水灌溉已成为农业工程领域中重点关注的问题之一，由于国内外的自动灌溉系统造价高、使用复杂而难以推广，开发满足当前设施农业生产需求的灌溉控制系统具有重要意义。本文设计了一种基于单片机的温室自动灌溉系统，实现了作物根系处土壤湿度的监测与自动控制。该系统以CC2430单片机为核心，采用模块化设计思路，主要包含微处理器模块、数据采集模块、控制模块、电源供应模块及人机交互模块。系统将周期采集的土壤湿度数据传送到微处理器模块，由决策算法对数据进行分析后做出是否灌溉的指令，在灌溉过程中由数据采集模块持续监测土壤湿度，并根据监测结果，反馈控制灌溉设备的启停，以此实现土壤湿度维持在预设范围。系统采用人机交互模块实现灌溉阈值的可配置，满足不同设施作物种植的参数定制需求，同时提供实时土壤湿度查看和灌溉设备状态管理功能。初步试验表明，系统把土壤湿度提高30所需的时间在5060min之内，控制误差在3以内，且运行稳定，操作简单，准确性和快速性指标能满足设施农业灌溉要求。系统成本低、可维护性强，从而具有良好的推广应用前景。关键词：温室自动灌溉；土壤湿度监测；单片机DesignandImplementationofGreenhouseAutomaticIrrigationSystemBasedonMCUAbstractChinaswater-savingirrigationoffacilitiesforagriculturalinagricultureengineeringhasbecomethefocusofoneoftheconcerns.Theautomaticirrigationsystemathomeandabroadbecauseofhighcost,theuseofcomplexaredifficulttopromote,thedevelopmentofagriculturalproductionfacilitiestomeetthecurrentneedsofirrigationcontrolsystemisimportant.ThegreenhouseautomaticirrigationsystembasedonMCUrealizedtheautomaticcontrolofsoilmoistureatcroproot.Therearefivemodules:microprocessormodule,monitormodule,controlmodule,powermoduleandinteractivemodule.Whenthesystemoperated,thesoilmoisturedatawillbecollectedbythemonitormoduletothemicroprocessormodule,fromwhichthedecisionalgorithminthedataanalysisismadeofinstructionsirrigation,atthesametimemonitoringmoduleforreal-timemonitoringofsoilmoisture.Meanwhilethemicroprocessormodulemakesinstructionsofirrigationwhethertocontinueaccordingtosoilmoisture,untilthesoilmoisturetomaintaintheirrigationofourpre-setthresholdtostoptheirrigation.Thesystemusesinteractivemoduleirrigationthresholdcanbeconfiguredtomeettheparametersofdifferentcropscustomfacilityneeds,whileprovidingreal-timeviewofsoilmoistureandirrigationequipmentstatusmanagementfunctions.Preliminaryexperimentationsshowthatthetimeneeded5060mintoraisesoilmoistureby30，thecontrolerrorwas3,andtheoperationofthesystemwassteady.Thesystemiseasytooperate,andtheaccuracyandrapidityofitareabletosatisfytheagriculturetechnicalrequirementsItalsohascertainvalueofapplication.Keywords:automaticirrigation；real-timemonitoringofsoilmoisture；MCUI目录1绪论.-1-1.1研究背景.-1-1.2研究现状.-1-1.3研究目的.-2-1.4论文结构.-2-2系统结构设计及器件选型.-3-2.1系统结构设计.-3-2.2器件选型.-4-2.2.1微处理器选型.-4-2.2.2土壤湿度传感器选型.-5-2.2.3LCD液晶显示模块选型.-6-2.3本章小结.-6-3硬件电路设计与实现.-7-3.1应用软件介绍.-7-3.2微处理器模块设计.-8-3.2.1CC2430概述.-8-3.2.2CC2430外围电路设计.-8-3.2.3微处理器复位及调试接口电路设计.-9-3.3数据采集模块设计.-10-3.4电源供应模块设计.-10-3.5控制模块硬件设计.-11-3.6人机交互模块设计.-12-3.6.1显示模块原理图设计.-12-3.6.2按键电路设计.-12-3.7PCB电路板制作.-13-3.7.1绘制PCB板.-13-3.8系统实物制作.-16-3.9本章小结.-16-4系统软件设计.-17-4.1应用软件介绍.-17-4.2系统需求分析.-18-4.3系统程序设计.-19-4.3.1系统主程序设计.-19-4.3.2传感器采集程序设计.-21-4.3.3显示程序设计.-22-4.4灌溉模型设计.-24-4.5系统应用方案设计.-26-4.5.1控制方式的选择.-26-4.5.2工作方式的选择.-26-4.6本章小结.-27-5系统应用验证.-29-II5.1验证内容.-29-5.2本章小结.-30-6总结与展望.-31-6.1总结.-31-6.2展望.-31-参考文献.-32-附录一.-33-附录二.-39-致谢.-45-绪论-1-1绪论1.1研究背景自古以来，我国就是一个以农业为主的国家，即便到了现代社会，农业仍是我国国民经济的基础。但我国农业生产效率低下，长期以来一直以经验种植为主，农业生产效率仅为发达国家的1/10。为解决三农问题，国家正大力发展现代农业，温室是其中一个重要的组成部分，可增加作物年均成熟次数，增大作物产量，提高农业生产效率，因此，大力发展温室产业，对我国这样一个人口多耕地少的国家而言具有极大的战略意义1。目前，我国的温室面积已突破210万hm2，总面积达世界第一，但我国温室管理水平落后，大多控制系统采用定时控制或者手动控制方式2。在灌溉管理方面，通常存在浇水不及时、不均、灌水不足或过量灌水等现象3。自动灌溉系统通常对作物根系的土壤湿度进行实时监测，获得作物根系的需水量，以此作为自动灌溉的依据。温室自动灌溉可实现土壤湿度和营养成分的有效管理，是保证设施作物优质高产的重要措施4。随着精准感知技术、定量控制技术的迅速发展,自动控制技术在节水灌溉中有了新的发展5，通过灌溉控制器适时、适量地灌水，在节省水、人工和提高作物产量方面取得了一定的成效，可显著提高灌溉精准度，提高水的利用率。本文设计一种操作简单、精确灌溉的低成本自动化控制灌溉系统，使之既能保证植物的良好的生长状态，又能做到尽量节水，对温室农业的发展具有重要意义。1.2研究现状在国外，早在20世纪50年代，利用电子设备、计算机设备和程序控制的灌排系统就得到很大发展，并在法国、美国、日本等发达国家得到日益广泛的应用。1966年美国利用虚拟仪器技术开发了一套AgriMate自动灌溉系统，系统中的现场处理器由LabVIEW的个人计算机控制。现场处理器配置了模拟输入、锁存和继电器板，用户可以监控水箱水位、阀门位置、泵的状态和土壤湿度等，而修改设定点即可改变灌溉计划。水的用法、水箱水位和降水情况等都是存储在灌溉数据库文件里的数据，用户能够读出这些数据以与当前数据进行比较，以图形方式显示给定月份的土壤湿润度和外加的水，其发展程度已经非常高6。相关研究依靠气象数据，通过对比过去灌区的蒸发量及灌水量，结合各分灌区的植物种类分布、地形、土壤成分等数据进行自动分析，并自动制定出当前各项灌溉指标的灌溉系统，存在灌溉依据的间接性，很可能偏离灌溉目标5。近年来相关研究已经深入到将气象因素、蒸腾量和土壤含水率相结合的综合灌溉控制系统。但国外的设备普遍价格昂贵、专业性较强，不适合普通用户使用。国内在这方面的研究起步较晚，但也取得一定成就7-12，比如北京农业工程大学研制了以INTEL公司的8031系统单片机为核心的自动化灌溉系统，该系统为多通道土壤水分检测、多路控制灌溉的控制系统。张建丰等研发的多功能网络式自动灌溉方法及其基于单片机的温室自动灌溉系统设计与实现-2-装置，实现了定时、定量，根据土壤湿度，预先制定灌溉计划的灌水功能。但总体上，国内灌溉自动化程度不高，相关设备落后，与国外的先进水平还有很大的差距。国内外专家在这方面已做出了不可否认的成就9-16，但这些自动灌溉系统由于造价高、专业性强而难以推广。本文设计的系统通过实时监测作物根域的土壤湿度信号，从而对作物进行适时适量按需灌溉，不但可以做到精准灌溉，达到节水的目的，而且操作简单，开发成本低，适于推广。1.3研究目的温室在作物生长过程中，根系会从土壤孔隙中吸取水分，通过对作物根域附近的土壤湿度的实时监测直接反映作物根系的需水量。我国现阶段大多灌溉控制系统采用定时控制或者手动控制方式，浇水不及时、不均、灌水不足或过量灌水现象时有发生；更为先进的，依靠气象数据和对比过去灌区的蒸发量及灌水量制定出当前各项灌溉指标的灌溉系统，存在灌溉依据的间接性，很可能偏离灌溉目标。本课题将研究解决以上问题，设计了一种基于单片机的信息采集与自动灌溉控制一体化系统，它具有设备成本低、可维护性强、可靠性高等独特的优势，并能给用户提供预警支持，从而减少农民劳作强度，增加产量。1.4论文结构本论文章节结构按如下安排：第一章介绍温室自动灌溉系统的研究背景、国内外研究现状、研究目的和论文结构。第二章给出系统设计原理框图，选择器件类型以及对设计中用到的元器件的介绍。第三章硬件电路的设计，包括微处理器模块、数据采集模块、控制模块、电源供应模块以及人机交互模块电路设计。第四章主要是软件设计与实现，介绍单片机开发软件IAR，重点是各个模块软件设计。第五章主要是系统的应用与验证。第六章主要是总结与展望。系统结构设计及器件选型-3-2系统结构设计及器件选型本系统以单片机(CC2430)为核心，采用模块化设计方法，主要由微处理器模块、数据采集模块、控制模块、电源供应模块、人机交互模块及相关软件组成。单片机是整个系统的核心，它控制本系统的各种功能，因此选择性能可靠的单片机就显得尤为重要，考虑到满足功能要求、稳定性、性价比、开发等因素，选用TI生产的CC2430。土壤湿度传感器是本系统的测量元件，传感器性能的好坏直接影响到本系统性能的好坏。本设计采用的FDS-100，其技术参数为：工作电压512V，工作电流15mA，测量精度3%，探针长度5.3cm，输出模拟信号。在本系统中，采用LCD作为显示单元，LCD液晶显示器具有功耗低、寿命长、无辐射、不易引起视疲劳等优点，正在广泛应用于仪表、家用电器、计算机、医疗仪器及交通和通信领域。本系统采用OCM12864-9液晶显示模块，它是128×64点阵型液晶模块，可显示各种字符及图形，可与CPU直接接口。2.1系统结构设计所谓的模块化设计，简单的说就是将产品的某些要素组合起来，构成一个具有特定功能的子系统，将这个子系统作为通用性的模块与其他产品要素进行多种组合，构成新的系统，产生多种不同功能或相同功能、不同性能的系列产品。模块化是在传统设计基础上发展起来一种新的设计思想，现已成为一种新的设计思想被广泛采用，尤其是信息时代电子产品不断推陈出新，模块化设计的产品正在不断涌现。模块化设计已被广泛用于机床、电子产品、航空、航天等设计领域。模块化设计是绿色设计方法之一，它已经从理念转变为比较成熟的设计方法17。本文设计的温室自动灌溉系统是实现温室作物根系处土壤湿度的自动控制，采用模块化设计方法，系统主要由微处理器模块、数据采集模块、控制模块、电源供应模块以及人机交互模块组成。整个系统以单片机(CC2430)为控制核心，系统运行时，首先将数据采集模块采集到的土壤湿度数据传送到微处理器模块上，并将采集到的土壤湿度数据显示在液晶屏上,由存储在单片机的决策算法对数据进行分析后做出是否灌溉的指令，与此同时数据采集模块对土壤湿度进行实时监测，将土壤湿度参数信息送入微处理器模块发出是否继续灌水的指令，直到土壤湿度维持在我们预先设定的灌溉阈值停止灌水。另外系统针对不同农作物及其不同发育期，可预先通过人机交互模块输入相关参数，使得土壤湿度达到我们预期的标准，达到节水和精确灌溉的目的，灵活适用于多种场合。系统示意图如2-1所示：基于单片机的温室自动灌溉系统设计与实现-4-2.4GHzFLASHCC2420CC2430A/D电源供应模块（电池/市电/太阳能可选）光耦TLP521驱动模块灌溉设备水流开关控制模块通用数字I/O8051MPU人机交互模块计算机通用数字I/OUARTLCD按键FDS-100数据采集模块图2-1温室自动灌溉系统示意图2.2器件选型在系统的硬件设计上，最重要的是低功耗的设计。低功耗的设计可以分为硬件和软件两个方面，在硬件方面体现在芯片的选择上。2.2.1微处理器选型微处理器是整个系统的核心，直接关系到系统的整体性能、价位、开发难度等。在选择微处理器芯片时需考虑以下因素：A、芯片集成度高低有些芯片内部集成有FLASH、AD等外围设备，外围设备越多，硬件电路越简单，系统功耗也会越小，因此应尽量选择集成度高的芯片。B、开发商开发套件完备程度不同的开发商提供的开发系统不尽相同，开发套件完备程度关系到系统开发的难度，选择芯片时应考虑开发商提供的资料是否满足开发需求。C、价格高低下面首先对当前几种主流的微处理器芯片加以介绍。（1）TI公司的CC2430A、高性能8位8051微控制器核，是常规8051CPU处理速度的8倍。B、128KB可编程FLASH和8KB的RAM。C、接收模式功耗低于27mA，发射模式低于25mA。D、休眠模式仅0.9A的功耗，在待机模式时少于0.6A的功耗。E、集成可编程的8-14位8路输入模数转换ADC。（2）SN250：系统结构设计及器件选型-5-A、16位XAP2b微处理器。B、128KB的FLASH及5KB的RAM。C、两种休眠模式：处理器空闲Processoridle；深度休眠Deepsleep，功耗1.0uA。D、集成有12位ADC。（3）JN5121：A、16MHz32位的RISC处理器。B、96KRAM,64KROM。对比以上各芯片的性能参数，TI公司的CC2430具有最低的系统功耗，较高的主频速度，较多的外围设备。低功耗对以电池供电的温室设备而言极为重要，超低工作功耗并具有休眠功能的CC2430在此方面有着最为出色的表现；8路8-14位的内部可编程ADC应用方便，可以省去外接ADC芯片，集成的128KB可编程闪存和8KB的RAM，系统设计时不需考虑外接ADC和扩展存储器。2.2.2土壤湿度传感器选型当前土壤水分传感器基本为模拟型号，数字型的非常少见，下面罗列了几种型号：A、FDS-100土壤水分传感器：测量范围：0100%；测量精度：±3%；供电：5V10V；输出信号：02.0VDC；工作电流：21mA。B、SWR2土壤水分传感器：测量范围：0100%；测量精度：050%（m3/m3）范围内为±2%；供电：4.5V5.5V；输出信号：02.5VDC；工作电流：60mA。C、TR-5A型土壤水分传感器：测量范围：0100%；测量精度：050%（m3/m3）范围内为±2%；供电：12V24V；输出信号：420mA标准电流环；工作电流：50mA。比较以上几种传感器，FDS-100传感器功耗最低，测量精度虽然稍为逊色，但价格最为便宜，并且应用也最多，主要考虑功耗和价格因素，因此本系统采用FDS-100型传感器用于测量土壤水分含量。土壤湿度传感器FDS-100实物照片如图2-2所示。图2-2土壤湿度传感器FDS-100实物照片