智能灌溉系统设计方案

1 智能灌溉系统设计方案 第一章 绪论 言 水是一切生命过程中不可替代的基本要素，也是维系国民经济和社会发展的重要基础资源。过去，人们认为水是取之不竭、用之不尽的天然资源。因为在那些年代，科学技术不够发达，经济发展不够迅速，人口数量少，人们对水的使用总 是很随意，水资源似乎总也用不完。随着科技不断进步，经济高速发展，生产力极大提高以及人口只增不减，水资源危机开始显现并日渐明显。 随着中国农业现代化进程的高速发展、农业结构的调整以及我国加入世贸组织等因素，节水灌溉自动化技术的要求越来越高，灌溉控制器在我 国有着巨大的市场。节水灌溉控制器近期在中国应朝着价格低、性能可靠、操作简便的方向发展。但从长远利益考虑，新的智能化技术、传感技术和农业科技的引入、应用和普及，将会有智能化程度更高、功能更强、性能更趋于稳定和可靠的灌溉控制器出现。本课题以 片机为主要硬件模块，通过软件编程实现对土壤湿度的检测，当所测的实际湿度低于警戒值时，将触发灌溉控制器装置，进行自动灌溉，系统还可以实现时间控制方式，随时灌溉，从而也体现了多用途、人性化的现代智能化系统设计要求。根据本设计的功能要求，可确定此方案：以 片机为控制电路的核心，采用模块化的设计方案。在闭环控制方式下，利用湿度采集模块将不同地点检测到的湿度模拟量进行模数转化后传送给单片机，单片机将采集到的数据与警戒值比较；若采集数据低于警戒值，则启动继电器驱动模块进行灌溉；若采集数据高于警戒值，则不启动驱动模块进行灌溉。显示模块将采集数据和灌溉信息显示在显示屏上。灌溉时间一到，驱动电路则停止继电器工作，灌溉停止。在时间控制方式下，用户通过键盘输入进行灌溉的时间，时间一到，灌溉停止。 国内在开发灌溉自动控制系统方面还处于研制、试用阶段， 真正能投入实际应用，且应用较广的灌溉控制器还是很少。在开发的产品中有着代表性的，如 北京澳作生态仪器有限公司的澳作智能节水灌溉控制系统可与各种滴、喷灌系统连接，实时监测土壤墒情，根据要求活，手动、半自动、全自动任选且可随意在计算机上更改，基于 片机的智能灌溉系统的设计 2 可同时控制多个设备，受控区位置及形状，环境参数及设备状态可同时显示在中心计算机上。北京奥特思达科技有限公司研制的 微喷灌定时自动控制器，是一种供农业、草坪、果园、温室一般场合给水的电子灌溉自动控制系统。国外一些先进国家，如基于 片机的智能灌溉系统的设计 2 美国、以色列和加拿大等，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，并已经日趋成熟。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式控制，到现今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，操作也越来越简便。近年来随着农业对自动化程度要求的提高，以色列出现灌溉用的可编程逻辑控制器 (这种控制器通过把不同的网络连接到主机上进行数据采集和处理。随着控制技术、传感器技术的发展，以色列开发出了现代诊断式控制器，这种控制器把以前不可能采集到的信息通过不同的传感器来获 得，通过因特网、远程控制、 来实现数据传输，然后通过计算机中的一些模型来处理信息，作出灌溉计划。 随着水资源问题的加剧，发展节水型农业变得十分必要。目前，除了采用喷灌、微灌等节水灌溉技术，采用先进的自动化控制技术按作物实际需水为依据，实施精确灌溉，提高水的利用率的智能灌溉系统也逐渐受到青睐。使用智能灌溉系统，不但能有效的利用水资源，还能提高自动化生产效率，大大降低人力成本，降低管理成本，显著提高效益。 为了设计的完善，我们组各自分工。在本次设计中本 人主要负责原理图的绘制与 做之前，我查阅了相关的元器件资料并了解它的功能。然后在进行原理图的绘制及印制电路板的绘制。 3 第二章 系统硬件电路的设计 论文研究用单片机控制模拟智能灌溉系统对土壤湿度测量、土壤湿度和时间显示、湿度阈值设定及存储等基本功能进行分析与研究主要内容如下： （ 1）自动工作状态，根据湿度数据自动控制打开或关闭灌溉设备，以 亮指示； （ 2）手动工作状态，通过按键控制打开或关闭灌溉设备，以 亮指示； （ 3） 系统 上电后处于自动工作状态，系统初始湿度阈值为 50%，此时若湿度低于 50%，灌溉设备自动打开，达到 50%后，灌溉设备自动关闭； （ 4）灌溉设备打开或关闭通过继电器工作状态模拟。 如图 示 图 拟智能灌溉系统框图 图 示） 是一种带 8K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器基于 片机的智能灌溉系统的设计 4 （ 低电压，高性能 微处理器，俗称单片机。该器件采用 密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 令集和输出管脚相兼容。 图 脚图 引脚功能 电电压。 地。 ： 为一个 8 位漏极开路双向 I/O 口，每脚可吸收 8电流。当 时，被定义为高输入。 够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据、地址的第八位。在 程时， 作为原码输入口，当 行校验时， 出原码，此时 部必须被拉高。 ： 是 一 个 内 部 提 供 上 拉 电 阻 的 8 位 双 向 I/O 口， 口缓冲器能接 收输出 4电流。 管脚写入 1 后，被内部上拉为高，可用作输入， 被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在 作为第八位地址接收。 ： 为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I/缓冲器可接收， 输出 4个 电流，当 被写 “1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时， 的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内 部上拉的缘故。 6 位地址外部数据存储器进行存取时， 输出地址的高八位。在给出地址 “1”时，它利用内部上拉优势，当 对外部八位地址数据存储器进行读写时， 5 输出其特殊功能寄存器的内容。 在 程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 ： 管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I/O 口，可接收输出 4 个 电流。当 写入 “1”后， 它们被内部上拉为高电平， 并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平， 将输出电流（ 是由于上拉的缘故。 位输入 。当振荡器复位器件时， 脚 出现 两个机器周期 以上 的高电平 将使单片机复位。 访问外部程序存储器时， 址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的8 位字节。 序储存允许（ 输出是外部程序存储器的读选通信号，当 数据）时，每个机器周期两次 效，即输出两个脉冲。在此期间，当访问外部数据存储器，这两次有效的 号不出现。 荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。 荡反相放大器的输出端。 “模拟智能灌溉系统”通过读取 钟芯片相关寄存器获得时间， 片时、分寄存器在程序中设定为系统进行初始化设定，时间为 08 时 30 分。 本功能 以对年、月、日、周、日、时、分进行计时，且具有闰年补偿等多种功能。引脚图 如图 示。 脚 引脚排列 ,其中 后备电源， 主电源。在主电源关闭的情况下，基于 片机的智能灌溉系统的设计 6 也能保持时钟的连续运行。 者中的较大者供电。 于， 电。当 于 ， 电。 2 是振荡源，外接 振。 复位 /片选线，通过把 入驱动置高电平来启动所有的数据传送。 入有两种功能：首先， 通控制逻辑 ， 允许地 址 /命令序列送入移位寄存器其次， 高电平时，所有的数据传送被初始化，允许对 行操作。如果在传送过程中 为低电平，则会终止此次数据传送， I/O 引脚变为高阻态。上 电运行时，在 前， 须保持低电平。只有在 低电平时，才能将 为高电平。 I/O 为串行数据输入输出端 (双向 )。 制字节的最高有效位 (位 7)必须是逻辑 1，如果它为 0，则不能把数据写入 ，位 6 如果为 0 则表示存取日历时钟数据，为 1 表示存取 据 ;位 5 至位 1 指示操作单元的地址 ;最低有效位 (位 0)如为 0 表 示 要进行写操 作，为 1 表示进行读操作，控制字节总是从最低位开始输出。 键模块 键盘的工作原理 键盘的基本工作原理就是实时监视按键，将 按键信息送入计算机。在键盘的内部设计中有定位按键位置的键位扫描电路、产生被按下键代码的编码电路以及将产生代码送入计算机的接口电路等等，这些电路被统称为键盘控制电路 如图 示。在本次设计中只需运用四个按键，故选用独立按键。 图 键连接单片机原理 将模拟量转化成数字量。 通过数据采集到的信号有两种：数字信号和模拟信号。对 7 于数字信号，单片机可以直 接的进行处理 ， 但是对于模拟信号， 单片机不能直接处理 ，就必须要一个模数转化的模块 。 项目中的数据采集到的湿度都是模拟信号，要使单片机能直接进 行控制，必须要加相应的模数转化的模块，同时，系统对每一个参数的要求不一样，就需要精度不同的模数转化装置。针对要求精度高的特性，采用 功能包括多路模拟输入、内置跟踪保持、 8数转换和 8模转换。引脚图（如图 示） 图 脚图 （ 2） 引脚功能 拟信号输入端。 脚地址端。 源端。（ 6V） 线的数据线、时钟线 。 部时钟输入端，内部时钟输出端。 部、外部时钟选择线，使用内部时钟时 地。 拟信号地。 D/A 转换输出端。 准电源端。 数据格式 在传输数据的时候， 必须在时钟的高电平周期保持稳定， 高或低电平状态只有在 的时钟信号是低电平时才能改变。 如图 示。 基于 片机的智能灌溉系统的设计 8 图 是高电平时， 从高电平向低电平切换，这个情况表示起始条件； 是高电平时， 由低电平向高电平切换，这个情况表示停止条件。 如图 示 图 继电器 （如图 示） 是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种 “自动开关 ”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作 用。当输入量 (如电压、电流 )达到规定值时，使被控制的输出电路导通或断开的 电器。具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点。广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。 在本次设计中继电器控制灌溉的开始与结束 而二极管起着对继电器的保护作用。 9 图 电器 数码管 （如图 示） 是一种半导体发光器件，其基本单元是发光二极管 。数码管按段数分为七段数码管和八段数码管，八段数码管比七段数码管多一个发光二极管单元(多一个小数点显示 )；按能显示多少个“ 8”可分为 1 位、 2 位、 4 位等等数码管；按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴数码管。共阳数码管在应用时应将公共极 到 +5V， 当某一字段发光二极管的阴极为低电平时，相应字段就点亮。 当某一字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。 共阴数码管在应用时应将公共极 到当某一字段发光二极管的阴极为 高 电平时，相应字段就点亮。 当某一 字段的阴极为高电平时，相应字段就不亮。 在本次设计中用的是共阳型数码管因为它的共阳端直接接电源，亮度高。 图 脚图 基于 片机的智能灌溉系统的设计 10 7474图 8 位数据锁存器，缓冲控制输入，三态总线驱动输出。当 高电平时， Q 输出将随数据（ D） 输入而改变。当 低电平时，输出将锁存在已建立的数据电平上。输出控制不影 响锁存器内部工作，即老数据可以保持，甚至当输出被关闭时，新的数据也可以置入。 图 74脚图 44一款高速 件， 74脚兼容低功耗肖特基 列。 74码器可接受 3 位二进制加权地址输入（ 并当使 能时，提供8 个互斥的低有效 输出（ 74有 3 个使能 输入端：两个低有效（ 一个高有效（ 。除非 低且 高，否则 74H 保持所有输出为高。利用 这种复合使能特性， 仅需 4 片 74片和 1 个反相器，即可轻松实现并行扩展，组合成为一个 15 线到 32 线）译码器。任选一个低有效使能输入端作为数据输入，而把其余的使能输入端作为选通 端，则 74可充当一个 8 输出多路分配器， 未使用的使能输入端必须保持绑定在各自合适的高有效或低有状。 管脚如图 示 11 图 4脚图 系统通过 储湿度阈值，自动工作状态下，可通过按键 置和保存阈值信息。本次设计 采用 24 24串行 2存储器件，遵循二线制协议，其具有接口方便，体积小，数据掉电不失真等特点。引脚如图 图 脚图 引脚功能 件地址选择 行数据、地址 行时钟 保护 作电压 地 基于 片机的智能灌溉系统的设计 12 第三章 原理图的设计 澳大利亚 司于 2002 年推出的一款垫子设计自动化软件。它的主要功能 包括：原理编辑、印制电路板设计、电路仿真分析、可编程逻辑器件的设计。用户使用最多的是该款软件的原理图编辑和印制电路板设计功能。 004 单击“开始” “程序” 004 命令。 004 启动后，系统出现启动画面，几秒后系统进入程序主界面，示。 图 004 主界面 （ 1）新建 目：单击“文件” “创建” “项目” “ 目”命令，如图 示。 （ 2）新建原理图设计文件：单击“文件” “创建” “原理图”命令，新建了一个名为智能灌溉系统 原理图设计文件，显示在 13 下方，如图 示。 （ 3）保存原理图设计文件：单击“文件” “保存”命令，在弹出的对话框中将原理图设计文件保存为 ”智能灌溉系统电路图 （ 4）保存设计项目：单击“文件” “另存项目为”命令，在弹出的对话框中将项目保存为 “智能灌溉系统 图 建项目 图 能灌溉系统 原理图 在“元件库”下拉列表框中找到相应的元件库，依据所要找的元器件双击并移到图纸上。 在本次设计中有一些元器件没有，如四合一数码管，则需创建一个新的原理图库 ,如图 示。 基于 片机的智能灌溉系统的设计 14 图 理图库 然后单击工具栏上的“绘制矩形”按钮，如图 示。移动鼠标到图纸第四象限的原点处单击确定矩形的左上角点。然后拖动光标画一个矩形，再次单击确定矩形的右下角，如图 示 图 绘制矩形 ”按钮 根据元器件所需的电气图形在矩形框中画出相应的图形并放上引脚如图 示。 15 图 制好引脚的四合一数码管 依据图纸将元器件放在图纸上并连接相应的元器件。如图 示。 图 能灌溉原理图 基于 片机的智能灌溉系统的设计 16 设计 印制电路板的英文全称为 称为 一种印制或蚀刻了导电材料，是电子产品重要部件之一。电子元器件安装在这种板子上，有引线连接各个元件，进行装配，构成工作电路。 （ 1）新建印制电路板文件：选择“文件” “创建” “ 件”命令，新建一个为 印制电路板文件，显示在 目“模拟智能灌溉系统电路 下方。 （ 2）保存印制电路板文件：单击工具栏中的“保存”按钮，在弹出的对话框中选择保存路径为“ 板 模拟智能灌溉电路 ”,将印制电路板文件保存为模拟智能灌溉电路 。 保存后，文件面板中的文件名也同步更新为“模拟智能灌溉电路 右边的黑底灰线网格图纸就是 004 的印制电路板绘制的工作区域，如图 示。 图 建并保存印制电路板文件 根据智能灌溉原理图中的元器件的多少，来规划所用印制电路板的大小。通常情况下元器件摆在电路板上要紧凑且适宜，要遵循电气的连接方式，不能乱放 。 在电路图转化成印 制电路板之前，首先要进行对元器件的封装进行确认。如果在元器件的属性中封装没有，则需在封装库中进行查找：如元器件 74的元器件封装没有需要画：如蜂鸣器，则需创建一个 ，如图 示。 17 图 建 点击“工具”新元件弹出一个元件封装向导点击“取消”按钮如图 示 图 建新元件封装 用游标卡尺测量蜂鸣器的实物直径为 12 中画图。放好相应的焊盘并标明电气属性。如图 示。 图 鸣器封装图 基于 片机的智能灌溉系统的设计 18 (1)打开“模拟智能 灌溉电路”原理图，选择“设计” “ 拟智能灌溉系统电路图 令，弹出如图 示的“工程变化订单”对话框。 图 工程变化订单 ”对话框 （ 2）单击“使变化生效”按钮，系统将检查所有的更改是否有效 ，如果有效，将在右边的“检查”栏的对应位置打钩；如果有错误，“检查 ”栏中将显示红色错误标识。 （ 3）单击“执行变化”按钮，系统将执行所有的更改操作，如果执行成功，“状态”区域中的“完成”列表栏将被勾选，执行结果如图 示。 图 行变化 19 单击 “关闭 ”按钮退出。 辑区变成如图 示。元器件封装已导入当前 件被更新。 图 入元器件封装的 本次设计中所用的元器件都是通孔元器件故选带孔电路板。在放置元器件时也要注意元件布局。在通常条件下，所有的元件均应分布在印制电路的同一面上，只有在顶层元件过密时，才能将一些高度有限并且发热量小的器件，如贴片电阻、贴片电容、贴片放在底层。在保证电器性能的前提下，元件应放置在网格上且相互平行或垂直排列，以求整齐、美观，一般情况下不允许元件重叠；元件 排列要紧凑，输入和输出元件尽量远离。元件在整个板面上应分布均匀、疏密一致。 （ 2）布线规则设置。如图 示 图 线规则设