基于单片机的自动灌溉系统设计

基于单片机的自动灌溉系统摘要 自动灌溉系统的设计应用对于我国这个农业大国有着重要的意义。本论文提出一种基于单片机的自动灌溉系统的设计方案，系统由若干节点组成，以STC12C5A60S2单片机作为控制芯片。节点采用土壤湿度检测模块YL-69对土壤的湿度进行检测，通过单片机A/D转换进行数据处理并显示在液晶显示器上。系统具有安全可靠，经济实用，节能低耗，软硬件扩展性强等特点。关键词：自动灌溉，STC12C5A60S2，土壤湿度，A/D转换AbstractThe design of automatic irrigation system is of great significance for our agricultural country. This thesis presents a design scheme of automatic irrigation system based on single chip microcomputer, and the system is composed of several nodes, STC12C5A60S2 single-chip microcomputer being the control chip. Nodes use soil moisture detection module YL - 69 to test the soil humidity, through the MCU A/D transformation and data processing and then display on the LCD. This system is safe and reliable, economical and practical, energy saving and with low consumption and great extensibility of the hardware and software and so on. Keywords:automatic irrigation, STC12C5A60S2,soil humidity,A/D transformation 目录1 前言11.1选题背景及意义11.2国内外自动灌溉系统研究现况11.3内容章节概述32 自动灌溉系统设计方案42.1系统设计目标及技术指标42.1.1系统功能特点42.1.2技术指标42.2系统结构43 节点的硬件设计63.1硬件设计63.1.1中心节点63.1.2土壤湿度检测节点73.1.3液晶检测节点73.2主要功能电路83.2.1单片机最小系统83.2.2土壤湿度检测电路103.2.3 5V电源电路113.2.4单片机与计算机串行通信电路123.2.5液晶显示电路133.2.6蜂鸣器电路144 单片机软件设计184.1中心节点程序流程185 总结20附录21参考文献27致谢2828281 前言1.1选题背景及意义水资源是人类赖以生存的基础性资源，是农业的命脉，是生态环境的控制性要素，同时又是战略性的经济资源。一方面我国的水资源却十分紧缺。虽然我国水资源总量居世界第六位，但人均占有量只有2500m,约为世界人均水量的1/4，在全世界属于贫水国家之一。另一方面，我国作为世界上的农业大国之一，农业用水浪费十分严重，就全国范围而言，水资源的利用率仅%为45%，而水资源利用率高的国家已达70%80%。由于农业灌溉用水的利用率低下，因此，提高节水灌溉的利用率，对于解决我国农业灌溉用水，缓解水资源的紧缺非常重要。我国的自动灌溉技术，在经过几十年的快速发展，在总结相关成果的基础上，初步形成了相应的技术体系，在某些方面已经达到或接近国家先进水平。但由于受我国经济发展水平及科研体制的限制，我国的自动灌溉技术与发达国家还有很大的差距。随着我国水资源的供需矛盾日益尖锐，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的压力，如果快速发展我国的节水灌溉技术及配套设备，从而缓解我国农业用水压力已经成为一个不容忽视的严峻问题。在灌溉系统中，合理地推广自动化控制，不仅可以提高水资源的利用率，从而缓解我国水资源日趋紧张矛盾，还可以减少大量的人力物力，从而减低农产品的生成成本，为了我国农业的发展提供技术保障十分必要。当前我国包括灌溉水和降水在内的农田利用效率也很低，单方水生产粮食的能力约为0.84kg，一些发达国家大体都在2kg以上，差距很大。为了提高灌溉水的利用率，使单方水生产粮食的能力得到提高，为保证21世纪中国的粮食安全，靠传统的灌水方式是很难达到期望的，必须从高新技术入手，在管理上下功夫，从过去那种浇地转变成浇植物的思想观念。做到作物需要多少水，灌溉系统就能及时而准确的提供多少水。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实现。因此，实现灌溉系统的自动控制，对节水、提高灌溉的利用率以及对我国粮食安全将起到极为重要的作用，具有重要的实现意义。1.2国内外自动灌溉系统研究现况国内自 20 世纪 70 年代以来就非常重视灌溉设备的研制，但引进较多，自主开发且有影响的成果较少。灌区灌水自动控制技术在“九五”期间才真正开始研制，进行示范。目前我国在灌溉控制系统方面还处于研制、试用阶段，能实际投入应用，且应用广泛的灌溉控制器还不多见。 节水农业就是以节约用水、提高农业用水效率为核心的农业，是现代化农业的重要内涵。其核心是在有限的水资源条件下，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 WTO 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。节水灌溉技术是发展节水农业的基础性工作，选择适当的技术有助于节水农业的发展；研究开发节水灌溉技术，有助于提高节水农业的效益。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。 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。节水农业在国外的发展已有几十年的历史，在西方发达国家，节水灌溉的应用面积和产业化程度很高。目前，约有80多个国家和地区推广应用微灌技术。美国、前苏联的喷灌面积己占其总灌溉面积40以上，英国、德国、奥地利、丹麦、瑞典、日本等国的旱地灌溉面积中90以上采用喷灌。一些发达国家的喷灌系统中广泛使用多功能压力流量控制设备，如法国和日本均开发并使用集给水拴、压力控制、流量显示、水量控制等功能于一体的多功能压力流量控制给水拴。节能效果良好的恒压喷灌技术也得到了广泛的应用，如日本在大多数旱地灌溉系统的五泵站中使用调压罐控制。微灌领域，以色列和美国水平很高。他们对灌溉的新概念是：把含有肥料的水一滴滴的输入作物根系层的土壤中，使土壤中的水、肥、气、热等保持协调关系，达到作物高产的目的。尤其是以色列，在水资源极度缺乏的情况下，通过发展节水农业和节水灌溉工程技术，建立起了高度发达的外向型农业产业。世界著名的耐特费姆Netfim灌溉设备和滴灌系统公司生产的微灌系统基本由计算机自动控制运行，可根据作物的生长及水、肥状况进行灌水和施肥，节约大量人力，且管理及时，使作物产量和品质都有较大幅度的提剐161。除了大力推广微灌与喷灌技术外，发达国家发展高效农业的另一个重要途径是灌溉管理的自动化旧。如美国、法国、英国、日本、以色列等发达国家已采用了先进的灌溉系统。他们采用先进的节水灌溉制度，由传统的充分灌溉向非充分灌溉发展，对灌区用水进行监测预报，实行动态管理，采用遥感技术，监测土4壤墒情和作物生长，开发和制造了一系列用途广泛，功能强大的数字式灌溉控制器，并得到了广泛的应用。仍然以以色列为例，以色列是世界上微灌技术发展最具有代表性的国家，目前全国农业土地基本上实现了灌溉管理自动化，并且普遍推行自动控制系统，按时、按量将水、肥直接送入作物根部，水资源利用率和单方水的粮食产量都相当高。北美、澳大利亚、韩国等国家和地区都已有发展成熟并形成系列的灌溉控制器产品，微灌方式普遍采用计算机控制，埋在地下的湿度传感器可以传回有关土壤水分的信息，还有的传感器系统能通过检测植物的茎和果实的直径变化来决定对植物的灌水间隔。在温室等设施内较多使用小型灌溉管、理程序，浇水时间可按日期设定每次每路灌水起止时闻，操作便于小规模经营。计算机化操作运行精密、可靠、节省人力，对灌溉过程的控制可达到相当的精度，在以色列，已经出现了在家里利用电脑对灌溉过程进行全部控制无线、有线的农场主。 总之，目前国外灌溉控制器已逐步趋于成熟、系列化，并朝着大型分布式控制系统和小面积单机控制两个方向发展，产品一般都能与微机进行通信，并由微机对其施行控制。1.3内容章节概述本章是前言，对课题的研究背景、意义以及国内外的发展现状和前景进行论述。第2章提出以单片机为控制系统的土壤湿度监测系统的总体设计方案，详细列出系统的设计目标和技术性能，并给出系统组成框图。第3章分别对节点的硬件和软件设计进行详细的分析。首先介绍传感器节点和中心节点的硬件设计，然后对各功能模块的实现和主要元器件进行详细论述，最后细述传感器节点和中心节点的软件设计思路。第4章首先介绍单片机软件设计的开发环境，然后该系统程序设计的思路的流程图。第5章为本系统的测试结果与分析。第6章总结本设计实现的功能和系统的特点，简要分析本设计的实用价值。2 自动灌溉系统设计方案自动灌溉系统的检测和控制方式可以有多种，本章以性能可靠、实用经济的角度出发，提出以单片机为控制系统的土壤湿度监测系统的总体设计方案，该方案可以解决目前土壤湿度监测系统中布线、成本、数量、通信等方面存在的诸多问题，实现自动化灌溉。2.1系统设计目标及技术指标 2.1.1系统功能特点课题研究预期功能 现实生活中很多农作物温度、湿度和光照需要保持在一个既定的值上，超出或者低于这个预定值将对农作物的生长产生影响。该系统要求用单片机测控来实现农作物生长环境因子信息数据的实时采集、处理，而后输出控制执行机构，以实现环境湿度的测控，达到节水节能，省时省工的效果。具体功能如下: （1）实现按需灌溉功能。按照农作物的需求开启和关闭灌溉系统，实现一般的控制。具有结构简单，成本低，操作方便。 （2）通过土壤湿度传感器检测农作物生长的环境湿度，依据设定的植物要求的湿度的上下限值，由单片机来控制灌溉开关，从而调节湿度。当土壤湿度高于上限值时，自动关闭灌溉开关。2.1.2技术指标系统的技术指标主要涉及传感器测量精度和A/D转换精度等，具体参数如下：（1）传感器测量范围：湿度：2090%RH；（2）传感器测量精度：湿度：5.0%RH（2090%RH）；（3）A/D转换精度：8通道10位高速ADC，速度可达25万次/秒；（4）电源管理：节点和传感器均使用5V直流电源。2.2系统结构本系统由土壤湿度传感模块、带A/D单片机最小系统、液晶显示模块三大部分组成。如图2-1所示，单片机最小系统作为系统的中枢，YL-69土壤湿度检测模块通过探头对土壤湿度进行检测，并通过其内置的信号处理电路把土壤湿度转换成模拟信号，STC12C5A60S2单片机通过内置A/D转换模块把模拟信号进行转换和处理，并显示在LCD液晶模块上。当土壤湿度值到达下限值时，单片机启动灌溉电路。 图2-1 系统组成框图3 节点的硬件设计3.1硬件设计本设计的硬件系统由以STC12C5A60S2系列单片机为核心的中心节点和传感器检测节点组成，它们均由Altium Designer 09进行布线及画PCB板8。3.1.1中心节点中心节点的硬件结构如图3-1所示，主要由STC12C5A60S2单片机、发光二极管、LCD1602、5V直流电源电路和串口通信电路组成。发光二极管用于当土壤湿度低于预设的报警值时发光报警；LCD1602作为人机交互界面，显示土壤湿度节点采集到的实时数据；1x3矩阵键盘是控制器件，可以按相应的按键进行LCD1602显示界面切换、预设报警值；5V电源电路采用7805作为直流稳压芯片，为单片机和土壤湿度模块提供电源；串口通信电路使用MAX232作为电平转换芯片，实现单片机与计算机的数据通信。图3-1 中心节点结构框图LED 3.1.2土壤湿度检测节点土壤湿度节点的硬件结构如图3-2所示，主要由土壤湿度探头、处理电路、5V直流电源和带有A/D转换功能的单片机组成。土壤湿度探头通过插于土壤中以获得一个信号，该信号经过处理电路的处理后向STC12C5A60S2单片机传送一个模拟电信号，最后经过A/D转换后获得一个数字信号。5V直流电源电路用于为处理电路和A/D转换电路提供电源。A/D转换土壤湿度探头直流电源图3-2 温度检测节点结构框图 3.1.3液晶显示节点液晶显示节点的硬件结构如图3-3所示，主要由STC12C5A60S2单片机、蜂鸣器、发光二极管、LCD1602液晶、和5V电源电路组成。STC12C5A60S2单片机负责把A/D转换后的值进行数据处理；蜂鸣器用于当湿度低于预设的报警值时发出声音警报；发光二极管用于当湿度低于预设的报警值时发出光信号警报；LCD1602液晶作为人机交互界面，显示该节点采集到的实时数据和湿度报警值； 5V直流电源电路为LCD、单片机和报警电路提供电源。直流电源LCDSTC单片机报警电路图3-3 湿度检测节点结构框图3.2主要功能电路3.2.1单片机最小系统 STC12C5A60S2单片机是宏晶科技公司生产的单时钟周期(1T)单片机，是高速、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，但速度快8-12倍，工作频率范围是035MHz9。它还具有高速SPI串行通信端口和硬件看门狗功能，采用宏晶最新的第六代加密技术，有全球唯一ID号，无法解密，能完全满足本系统低成本和相应的功能要求，具体的特点如下：（1）增强型8051 CPU，单时钟周期，指令代码完全兼容传统8051单片机；（2）工作电压：4.55.5V；（3）用户应用程序空间：60K字节；（4）片上集成1280字节RAM；（5）通用I/O口36/40/44个，每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过55mA；（6）在系统可编程（ISP）/在应用可编程（IAP），无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口直接下载用户程序，数秒即可完成；（7）时钟源：外部高精度时钟，内部R/C振荡器（温漂为5%10），精度要求不高时可选择使用内部时钟；（8）共4个16位定时器：两个与传统8051兼容的定时/计数器，再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器；（9）2个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟；（10）外部中断I/O口7路，传统的下降沿中断或低电平触发中断，并新增支持上升沿中断的PCA模块；（11）通用全双工异步串行口，可再用定时器或PCA软件实现多串口；（12）工作温度范围：-40+85。图3-4为STC12C5A60S2单片机的最小系统电路图。单片机最小系统由单片机、电源、复位电路、晶振电路组成，本设计所有单片机晶振电路都采用11.0592MHz的外部石英晶振。单片机最小系统的5V电源电路如图3-5所示，S1为电路板的电源开关，陶瓷电容C3和电解电容C2的作用是增强系统供电的稳定性，发光二极管D1作为电路板的电源指示灯。图3-4 单片机最小系统图3-5 电源电路3.2.2土壤湿度检测电路土壤湿度传感器 又名：土壤水分传感器、土壤墒情传感器。主要用来测量土壤容积含水量，做土壤墒情监测及农业灌溉和林业防护 目前常用到的土壤湿度传感器有 FDR 型和 TDR 型目前比较流行的是 FDR 型 FDRFrequency Domain Reflectometry频域反射仪是一种用于测量土壤水分的仪器，它利用电磁脉冲原理、根据电磁波在介质中传播频率来测量土壤的表观介电常数，从而得到土壤容积含水量v，FDR 具有简便安全、快速准确、定点连续、自动化、宽量程、少标定等优点。是一种值得推荐的土壤水分测定仪器。本系统采用雁凌公司生产的土壤湿度传感器YL-69是一种 FDR 型传感器。该传感器的技术参数、应用及特点如下：测量参数：土壤容积含水率单 位： m3/m3量 程：20%90%RH 探针长度：5.3cm探针直径：3mm探针材料：不锈钢密封材料：环氧树脂测量精度：5.0%RH工作温度范围：-2055工作电压：3.35V工作电流：2126mA数字输出信号：0.5V或5V模拟输出信号：2.5V5V测量稳定时间：2秒响应时间：0;x-) for(y=1100;y0;y-);/*LCD1602写命令程序*/void write_com(unsigned char com) lcden=0; lcdrs=0; lcdrw=0; P0=com; _nop_(); _nop_(); _nop_(); lcden=1; delay(10); lcden=0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); /*LCD1602写数据程序*/void write_data(unsigned char date) lcden=0; lcdrs=1; lcdrw=0; P0=date; _nop_(); _nop_(); _nop_(); lcden=1; delay(10); lcden=0; _nop_(); _nop_(); _nop_();/*LCD1602初始化程序*/void InitLCD(void) unsigned char data i,k;write_com(0x01);write_com(0x38);write_com(0x0c);/开显示，不显示光标write_com(0x06); /写字符后，地址指针加一。整屏不移动write_com(0x80); /设置数据地址指针for(i=0;i8;i+) write_data(tablei); delay(5);write_com(0xc0); /设置数据地址指针for(k=0;k0;num-)write_com(0xC9+num);write_data(0x30+shidu%10);shidu=shidu/10;write_com(0xCC);write_data(%);串口通信源代码：#includemain.hbit btUartSendFinishFlag = TRUE;extern uchar adc_low;void InitUart(void) TMOD = (TMOD&0x0F)|0x20; TH1 = 0xFA; /波特率9600 TL1 = 0xFA; SCON = 0x50; PCON = PCON|0x80; TR1 = 1; ES = 1;/*串口通讯*/void Uart(void) interrupt 4 if(TI=1) TI = 0; if(btUartSendFinishFlag=FALSE) SBUF = adc_low; btUartSendFinishFlag = TRUE; else RI = 0;报警电路源代码：#includemain.hsbit led = P17;sbit bell = P36;unsigned char yushezhi = 50; /设定土壤湿度预设值 extern shidu;void baojing(void)if (shidu yushezhi)led = 0;bell = 0;else led = 1;bell = 1;参考文献1广州奥松电子有限公司.数字温湿度传感器DHT11G,2008.2北京雁凌电子有限公司.土壤湿度传感器YL-69G,2008.3穆秀春,冯新宇,王宇. Altium Designer原理图与PCB设计M. 北京：电子工业出版社, 2011.4陈纯,卜佳俊,俞琦. 分布式传感网络前沿技术及实时应用J. 国际学术前沿,2