毕业设计基于单片机的节水灌溉系统的研究

沈 阳 化 工 大 学 科 亚 学 院本 科 毕 业 论 文题 目： 基于单片机的节水灌溉系统的研究 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 电气 1205 班 学生姓名： 李佳 指导教师： 任艳 论文提交日期： 年 月 日论文答辩日期： 年 月 日沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 摘 要随着计算机技术和传感器技术的迅猛发展，用信息技术改造农业可能的而且是必要的。实施节水灌溉已成为我国农业乃至国民经济持续发展带战略性的根本大事。节水灌溉技术是一种有效的现代节水技术，国内进步缓慢，制约我国自动化节水工程发展的主要原因是自动化水平不高，多采用传统的灌溉模式，自动化意识低下，仍然属于粗放型的灌溉操作，因此，提高有效灌溉率、缩短人力工作时间，是节水的关键，节水技术则是重中之重。本文旨在针对已经存在的作物生长土地湿度自动监控系统的理论进行研究，并且提出相应的修正措施，进而能够极大地发挥其本身的优越性，使其促进作物生长的同时，节约大量的水，降低能耗。自动根据目标土地的湿度控制节水灌溉的技术的高低代表着农业现代化的发展状况，目前我国的灌溉系统自动化水平较低。所以用单片机控制的节水灌溉系统可以对不同土壤进行湿度监控，并根据作物对土壤湿度的要求进行适时、适量灌水。根据实际情况及系统技术要求，本文采用 STC 公司的型号为 STC89C52RC 的单片机芯片为单片机核心控制部分，由湿度传感器电路， 44 矩阵键盘电路，12864 液晶动态显示电路，超限报警电路，水泵开关控制电路，电源电路等组成。利用湿度检测电路中的湿敏电阻对土壤湿度进行采集，所得电流信号经处理得到可用的电压信号，单片机可将土壤湿度传感器检测到的土壤湿度模拟量转换成数字量，在沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 12864 液晶屏上动态显示，并且可以通过矩阵键盘设定该节水灌溉系统的上限和下限警戒阈值，从而实现对土壤湿度的监测监控，能进行适度范围设置和显示，同时通过控制算法实现对水泵开关的控制。与此同时，当该系统超过警戒阈值时系统可以通过 GPRS 无线远程数据传送电路向目标手机发送报警短信，及时通知系统所处状态，并且在发送短信的时候通过蜂鸣器和 LED 发光二极管实现系统的声光报警功能。该系统具有较强的灵活性和较高的可靠性，便于操作，较好的实现了人机交互这一理念，将会有更广阔的开发前景。关键词： 自动化；单片机；GPRS；无线远程数据传送；传感器沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 AbstractWith the rapid development of computer technology and sensor technology, using information technology to transform agriculture possible but necessary. Implement water-saving irrigation has become Chinas sustainable development of agriculture and the national economy with a fundamental strategic priority. Water-saving irrigation technology is an effective modern water-saving technologies, domestic progress is slow, restricting Chinas water-saving automation engineering development is mainly due to the automation level is not high, the use of traditional irrigation mode, low awareness of automation, still belongs to the extensive irrigation operation, therefore, improve the effective irrigation rate, shorten working time manpower is the key water-saving, water-saving technology is a top priority.This paper aims to conduct research on existing crop land theory humidity automatic monitoring system, and propose appropriate corrective action, and thus can greatly play their own advantages to promote crop growth while saving a lot of water, reduce energy consumption. According to automatic humidity control target land of water-saving irrigation technology represents the level of development of agricultural modernization, the current low level of automation of irrigation systems. Therefore, water-saving irrigation system MCU can control different soil moisture monitoring, soil moisture and crop according to the requirements of timely, adequate irrigation. According to the actual situation and system technical requirements, we use STCs model STC89C52RC microcontroller chip to control part of the microcontroller core, by the humidity sensor circuit, 4 4 matrix keyboard circuit, 12864 dynamic display circuit, limit alarm circuit pump switch control circuit, a power supply circuit. Use humidity detection circuit humidity resistance of the soil moisture is collected, Analog Microcontroller soil moisture soil moisture sensor can be converted to digital, dynamic display on the LCD screen 12864, and can set the upper and lower alert thresholds that water saving irrigation system through the matrix keyboard, enabling the soil 沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 moisture monitoring and control can be set and displayed moderate range, while achieving the pump switch controlled by the control algorithm. At the same time, when the system is above the warning threshold system can be sent via GPRS wireless remote data transfer circuit alarm SMS to the target phone, promptly notify the system in which the state, and send text messages when the buzzer and LED light-emitting diodes system sound and light alarm. The system has a strong flexibility and high reliability, ease of operation, better realization of the concept of human-computer interaction, there will be a broader development prospects.Keywords: Automation; SCM; GPRS; Wireless remote data transmission; sensor沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 目 录第一章 绪论 .11.1 基于单片机的节水灌溉系统开发背景分析 .11.2 本文研究内容及章节安排 .21.3 系统总体结构框图 .2第二章 系统硬件电路设计 .32.1 微控制器模块设计 .32.1.1 控制器芯片 .32.1.2 STC89C52 单片机最小系统设计 .42.3 GPRS 远程数据传输模块设计 .52.3.1 SIM900A 模块使用设计 .52.4 传感器监测电路设计 .62.4.1 土壤湿度传感器的设计 .72.5 键盘输入电路设计 .72.6 水泵开关电路及声光报警电路的设计 .82.7 LCD1602 液晶显示电路设计 .92.8 电源电路设计 .102.8.1 电源方案选择 .102.8.2 电源电路设计 .11第三章 系统软件结构设计 .133.1 系统软件设计及总体流程图 .133.2 GPRS 信息发送实现 .143.3 LCD1602 液晶显示实现 .173.4 湿度补偿函数实现 .18沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 3.5 按键控制实现 .18 第四章 系统测试方案 .234.1 系统调试方法与测试说明 .234.2 调试过程及调试结果分析 .23 第五章 设计总结 .25参考文献 .26致 谢 .27附 录 I.28附 录 II .30沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 0第一章 绪论1.1 基于单片机的节水灌溉系统开发背景分析随着计算机技术、通信技术以及大规模集成电路技术的快速发展，在工农业生产等领域中，节水灌溉技术在软、硬件方面的研究都有了一定的进展8。在国外，节水灌溉技术发展的比较成熟，已将数字式传感器应用于节水灌溉系统。数字式传感器采用了半导体集成电路与微控制器的最新技术，不仅能完成湿度检测的功能，还能完成预置范围温湿度、多路A/D 转换、温度补偿、报警等功能。因数字式湿度传感器输出的是数字量，不需要进行模数转换，从而解决了一些湿度信号长距离传输以及传输过程中因干扰和衰减而导致精度降低等棘手的问题9。节水灌溉系统的基础是数据采集系统，随着电子技术的发展，数据采集装置已经历了几个不同的发展阶段。将数据采集系统应用于传感器测控系统，对实际运用意义重大。国外的大型传感器企业特别重视传感器测试技术的研究，八十年代芬兰Vaisala 公司、日本Figaro 公司研制了气体传感器自动测试系统，保证了传感器产品在世界传感器市场的领先地位。九十年代Tsuchida 公司生产了集成温度测量套件。Boltshauser 研制了用于集成湿度传感器的测试系统1011。加拿大、美国等在监控技术方面发展的较快12，农业节水灌溉产品已经广泛使用高科技数字式传感器，并且推出了一定数量的检测系统，提高了监测的精度和速度。目前，国内农业节水灌溉系统的研究主要采用的硬件有电阻式湿度传感器、采样器、模数转换器等，线路比较复杂，并且不易于维护13。自1978 年开始，利用电阻式湿度传感器、采样器、模数转换器、报警器等组成的检测系统的出现，它可以对各个测量点进行巡回检测，提高了检测的精度和速度，并降低了劳动强度，但是由于电阻传感器的灵敏度比较低，一般达不到预定的要求，使检测的精度以及系统的可靠性还不够完善14。1990 年，检测系统有了较大的提高和改善，在布线方面，系统采用布线技术为矩阵式，数据采集部分的线路被简化，还应用了热电偶、半导体传感器件；采用串行传输方式线路，减少了传输线条数。因传感器存在线性度差，导致系统检测精度不高，因此没有得到大范围推广利用15。随着单片机技沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 1术及功能的日益强大，对检测的稳定性和准确性有了更高的要求。所以节水灌溉系统研究的重点是寻求最佳的配置与最优性价比。总之，农业节水灌溉技术在软、硬件方面的研究，国外有较先进的研究经验，国内有经验也有不足，这为本课题提供了一定的研究基础和研究空间。1.2 本文研究内容及章节安排本文共由五部分组成，其结构如下：第一章为绪论，介绍研究的背景及基于单片机的节水灌溉系统的发展历程。并对系统的总体架构进行设计。第二章设计了系统的硬件部分，包括核心主控电路、GPRS 无线远程通信电路、湿度传感器电路，44 矩阵键盘电路，LCD1602 液晶动态显示电路，超限报警电路，水泵开关控制电路，电源电路。第三章为系统进行软件设计，包括各部分的程序流程设计及代码编写。第四章是对系统的测试及结果分析。第五章对全文进行总结。1.3 系统总体结构框图具体结构框图如下图所示：PC 机GPRS 模块RS-232 模块STC89C52LCD12864 显示和1616 矩阵键盘模块用户传感器模块电源模块图 1.1 系统总体结构框图水泵开关模块沈阳化工大学科亚学院学士学位论文 2第二章 系统硬件电路设计系统硬件电路采用 STC 公司的型