毕业设计（论文）-自动喷灌装置的设计与制作.doc

北京林业大学本科毕业论文（设计）自动喷灌装置的设计与制作摘要针对人工灌溉中存在的过量或少量、不及时等不足，本文设计一种基于51单片机和土壤湿度传感器实现计算机控制自动喷灌过程的方案。开始工作LCD将实时显示当前不同两点的湿度信息，用户可以分别设定每点的湿度值，传感器读取的湿度值大于该值+5度，将自动关闭该点相应的继电器从而关闭喷水阀门，当读取湿度值小于该值-5度，自动开启继电器。当读取湿度一直大于设定值+5度或小于设定值-5度一分钟时，发出警报。本系统可用于节水喷灌，对节约水资源、节省人力，效果良好，意义重要，在农林业、物联网有着广泛的应用前景。关键词：湿度，水喷灌，自动全套图纸加扣3012250582 IIDesign and manufacture of automatic Sprinkling irrigationElectronic information science and technology 11-2 Tang ShiSupervisor ChenYan-xiaAbstract For those an excess or a small amount or untimely which exist in artificial irrigation, the paper design a computer controlled automatic sprinkler process scheme which based on 51SCM and humidity sensor. When the system began to work,LCD will display different points of current humidity information in real-time , the user can set the humidity value of each point separately, humidity sensor reading is greater than the value +5 degrees,system will automatically shut down the corresponding relay to close the water valves, when reading the humidity value is less than the value of -5 degrees， automatically open relays. When reading the humidity has been greater than the set value +5 degrees or 5 degrees below the set value over a minute , alarm. This system can be used for water-saving irrigation, to save water, save manpower, to good effect, having a important meaning, in agriculture,forestry, or the internet of things,it have a wide range of applications.Key Words:Humidity，Sprinkler Irrigation，AutomaticIII 目录1 绪论11.1 课题研究的背景11.2 喷灌技术简介21.3 自动喷灌系统的发展31.3.1 自动喷灌系统的发展历史31.3.2 国外喷灌系统现状31.3.3 我国自动喷灌技术的发展51.4 课题实现的目的和意义62 自动喷灌装置设计的理论基础72.1 湿度和相对湿度72.2 喷灌自动控制的理论基础72.2.1 自动化和自动控制72.2.2 喷灌常用的自动控制模式82.3 喷灌自动化的传感器技术基础82.4 喷灌自动化的单片机技术基础93 自动喷灌装置的整体设计103.1系统设计要求103.2 系统设计原则103.3 系统总体设计113.3.1 系统各部分组成113.3.2 系统各部分实现114 系统具体设计的实现154.1 硬件设计154.2 软件设计154.3 软件仿真175 调试216 结论22致谢23参考文献24附录A26附录B26IV1 绪论1.1 课题研究的背景 灌溉，毫无疑问是农业的命脉，俗话说，“有收无收在于水”，灌溉在人类生产和生活中的作用和影响，可谓再重要不过了。在中国，一般旱田采取大水漫灌，水田是串畦淹灌的传统灌水方法。实践证明，不论干旱、半干旱还是湿润地区，几乎所有的作物都需要适时适量的灌溉20。灌溉的目的是补充自然供水的不足，调节农田水分状况，使灌溉水有效的、均匀的转化为土壤水，使土壤中的养料、通气、温度与水分等状况得到合理的调节，以满足作物生长发育对水分适时适量的需求20。过去，人都是看天吃饭，靠天来解决灌溉水的问题。随着时代进步，科学技术的发展，历经数十个世纪的探索，人类从挑水浇灌，到开始拦河蓄水，到利用筑坝挖渠引流等技术人为调配水资源，这些方法解决了一些过去完全依赖天气收成的问题，但实际对于作物的用水效率仍不高。从身边来看，农村自种的菜地，麦田，城市绿化，校园内园林绿化，普遍也还离不开人工浇灌：菜地仍需要挑水泼洒，多地麦田还是放水漫灌，我校部分绿化区域能实现自动喷洒，但部分仍采用人工持水管浇灌或者漫灌，综合来看，耗时耗力。随着当前人民生活水平的提高和轻重工业的快速发展，生活和工业用水逐渐增多，目前的农业用水更加紧缺。从用水的客体来说，农业是用水大户，但由于田间过量灌溉或者渠系水量调配不当等原因，我国的灌溉用水率远远低于发达国家7。我国是世界上13个贫困国家之一，人均淡水占有量为约2300立方米，是世界平均值的25%。而农业用水占全国用水量3/4，这就意味着发展部节水型农业，合理减少农业用水，不但关系到农业本身的可持续性发展问题，更直接影响着整个社会和国民经济发展5。同时，传统灌溉对生态环境引起的不良影响也更引起人们的关注，例如灌溉容易造成的土壤次生盐碱化问题、土壤流失等等问题。节水喷灌技术的推广和应用，不仅可以减少浪费，也可以改良土壤结构，防止径流及其带来的土壤流失，增加田间持水量，减少水分蒸发，改善土壤盐碱化。当前农业领域，大棚栽种已广泛用于盆花及切花栽培，用于葡萄、草莓、西瓜、甜瓜、桃及柑桔等果树产品栽种，用于林木育苗、观赏树木的培养等。大棚薄膜的气密性较强，且与自然环境相对隔离，大棚内作物生长因素几乎靠人工干预。棚内空气流动和交换受到限制，对湿度的控制要求比较严格，也要求更及时和精确。因此，对于林业、农业等在大棚或农田里进行的相关实验或生产，对湿度控制的要求更高，调节反应要求更快，这需要一套可以自动、精确调控的湿度监测控制装置。要从根本上解决这一系列农业用水的相关问题，应该从农业用水的方式着手，采取高效、科学、精确的节水管理办法，在开发水资源的同时，重视节水灌溉和缺水条件下的灌溉方法，使喷灌，滴灌等节水技术不断得到发展并广泛应用22。自动喷灌技术是其中一种重要方式。自动喷灌可以将人从过去人为查看土壤水况、视情况依经验放水关水的繁琐劳动中解放出来，用户只需按键运行，系统便代替人自动运行土壤水况监测和喷灌开关的控制。自动喷灌前端监测土壤湿度，是通过埋在土壤里的湿度传感器来测量，真正测量土壤内部湿度，这远比依靠经验人为观测地表水量更精确。通过控制程序的编写，自动喷灌装置就可以按照人设想的方式和条件来自动进行喷灌，控制方式不是一成不变的，根据实际作物的不同、生长情况的不同，或者实验的要求等，控制方法千变万化。控制喷灌也将更及时、准确，基本可以保持土壤持水量在一个定值小范围内，调控时做到作物需要多少水补充到多少水，及时又有保障。自动喷灌将大大减少用水浪费，节约水资源，节约生产成本。由于自动喷灌技术本身的优点，以及水资源的短缺和经济发展的需要，各国都非常重视这项技术的发展，这其中任何一个环节的发展和改善都将为社会带来巨大的经济效益。实现一套能保证节约用水的精密自动喷灌装置系统，具有非常重要的研究意义。1.2 喷灌技术简介喷灌是指喷洒灌溉的技术，是利用专门的系统加压、或者利用自然落差将水输送到田间，通过喷洒器或者喷头将水喷射到空中，并使水分散成细小的水滴后，均匀洒落在田间或地面进行灌溉的一种灌水方法。喷灌几乎适用于除水稻以外所有的大田作物，以及蔬菜、果树等7。同传统的灌溉方法相比，它具有节水，防止土壤冲刷和盐碱化，地形适应性强，可控性强，不易产生地表径流和深层渗漏等优点，最大优点则是，将农业灌溉从传统的人工灌溉变成半机械化，机械化，甚至全自动作业化。据有关研究结果表明，喷灌与传统地面灌水技术相比，可节水30%-50%，甚至更高，且灌溉均匀，质量高；减少田间内部沟渠、田埂占地，不需平整土地，不受地形条件限制；对某些作物病虫害起到防治作用，并能增加近地表层空气湿度，调节田间的小气候，有利于作物的生长，提高农产品的品质，一般可增产10%-20%13；喷灌机械化程度高可以大大降低灌水劳动强度、提高劳动生产率。当然喷灌也有一些局限性：受风的影响较大，大风时部分水滴在空中被吹走灌溉均匀度会大大降低；一次性投资高，固定式喷灌系统每公顷投资15000-18000元、半固定式12000-15000元/hm2，移动式轻小型机组3000元/hm2，大型喷灌机3000-6000元/hm27；耗能，喷灌必须要有压力使水流破碎成细小水滴喷洒出来，显然要消耗一定能源13。目前自动喷灌系统的形式有很多，固定管道式喷灌，半移动式管道喷灌，中心支轴式喷灌机，滚移式喷灌机，大型平移喷灌机，绞盘式喷灌机，中、小型喷灌机组等。每种喷灌系统的优缺点也有很大差别。当然，在真正处理问题时，适当因地制宜的选择喷灌装置的型号或者技术等是很重要的。1.3 自动喷灌系统的发展1.3.1 自动喷灌系统的发展历史最早的自动喷灌可以追溯到公元前560年巴比伦（现伊拉克）的空中花园，当时采用了称为人工降雨的自压喷灌22。1984年，美国艾奥瓦州一个叫查尔斯.斯凯纳的人发明了一种非常简单的喷水系统，开创了人类利用机械设施节水灌溉的先河。1933年，美国加州一个农民发明了世界上第一只摇臂喷头，对自动喷灌起到了革命性推动作用12。二次世界大战后，随着美国经济、技术的飞速发展，诞生了半固定式及固定式薄壁喷灌系统，实现了大面积采用自动喷灌系统的可能。1948年，美国农民发明了一种用拖拉机拉着管道一段走的端拖式喷灌机。1950年又出现了滚移式喷灌机27。1952年，美国科罗拉多州一农民发明了一种水力驱动，自动转圈，此后，水力驱动逐渐改为电力驱动，可靠性越来越高12。20世纪40年代末，以色列一位农业工程师在英国发明了滴灌技术，50年代，他将此技术带回以色列，应用于温室灌溉12。从60年代初开始，滴灌在以色列和美国加州得到广泛推广，主要应用于水果及蔬菜灌溉。1966年美国出现了用钢索导向绞盘牵引式喷灌机，而在德国、法国、奥地利出现了一种聚乙烯软管的绞盘式喷灌机27。20世纪70年代由于石油危机的影响,中心支轴式喷灌机的喷头由摇臂喷头改为低压微喷头，以达到节能的目的。20世纪70年代初，法国、意大利开发研制成功卷盘式喷灌机27。在自动喷灌发展的过程中，不同国家和地区根据本国实情，因地制宜发展着适宜本国的自动喷灌设备：美国大力推广中心支轴式和平移式喷灌机，适合美国农场现状；俄罗斯主要发展双悬臂喷灌机，近年来又从美国引进大型中心支轴式喷灌机；德国、法国、澳大利亚等国则重点发展绞盘式喷灌机，日本则多为管道式喷灌系统1。1.3.2 国外喷灌系统现状截至2011年，从ICID颁布的数据来看，如下表1.1，斯洛文尼亚，立陶宛，爱沙尼亚，英国，芬兰，以色列，斯洛伐克等国的喷灌和微灌技术程度都在99%以上，匈牙利为87.3%，俄罗斯78.2%，加拿大79.2%，法国51.1%，美国56.5%。 表1 ICID部分成员国的喷灌发展现状 Table.1The development status of sprinkler irrigation in ICID member countries国家整体灌溉面积（百万公顷）喷灌面积（公顷）微喷灌面积（公顷）喷、微喷所占百分比报导年份美国 24.7 12,348,178 1,639,676 56.5 2009印度 60.9 3,044,940 1,897,280 8.1 2010中国 59.3 2,926,710 1,669,270 7.8 2009英国 0.11 105,000 6,000 100.0 2005芬兰 0.07 60,000 10,000 100.0 2010俄罗斯 4.5 3,500,000 20,000 78.2 2008澳大利亚 2.545 690,200 214,200 35.5 2005以色列 0.231 60,000 170,000 99.6 2000加拿大 0.87 683,029 6,034 79.2 2004德国 0.54 525,000 5,000 98.1 2005法国 2.9 1,379,800 103,300 51.1 2011匈牙利 0.22 185,000 7,000 87.3 2008斯洛文尼亚 0.0073 8,072 733 100 2009爱沙尼亚 0.001 500 500 100 2010立陶宛 0.0044 4,463 0 100 2010斯洛伐克 0.313 310,000 2,650 99.9 2000注：资料来自ICID公报（2011-2012年度报告） 发达国家的灌溉水利用率大约为70%-80%，在自动喷灌等节水技术研究应用中，美国，前苏联，日本，澳大利亚等国，均采用先进的喷灌和微灌及自动化灌水技术。在美国，大型灌区都设有调度中心，实行自动化控制，许多灌区还采用遥感技术。美国管灌（节水灌溉）面积占耕地面积的40%，并在占耕地12%的面积上生产出全国粮食产量的1/4。以色列不论大小灌区全部采用自动化控制25，大量采用喷、滴灌技术，灌溉水的有效利用系数达到0.9 以上，在其灌溉面积中，40%为喷灌，60%为滴灌，是世界上微灌技术最有代表性的国家，在灌溉中，不仅注意精确控制水量，而且将施肥和灌溉结合在一起，即水肥灌，大大提高了灌溉水和肥料的利用率。澳大利亚是世界上推广微灌面积较多的国家之一，研制开发了多种补偿式滴头及微喷头，其在地下滴灌技术也比较先进，研制了T-TAPE微灌带16。日本20世纪80年代初新建或改建的灌区大多从渠道到各分水点都安装有遥测遥控装置， 近年来由微机代替原来的大型计算机实行中央控制管理。罗马尼亚大多数灌区在20世纪80年代初便实现了自动化或半自动化控制，各级渠道普遍采用水利自动闸门，进行长距离输水的水利自动控制。滴灌、微灌，结合施肥和计算机自动控制灌溉水量的技术己经普遍应用到全国2。近年来，意大利大量投入使用自动灌溉控制设备，通过计时仪表进行对传感器的控制。纵观国际自动化喷灌技术的发展，其趋势如下：（1） 自动化程度、集成度及智能化程度越来越高。（2） 综合利用清洁能源。开辟新能源利用，如风能，太阳能灯，就喷灌而言，最有利前途的是风能。美国、澳大利亚等开始利用风能灌溉，美国大平原地区有1.2亿亩的灌溉面积，在20世纪末有一半采用了风力泵。德国在卷盘式喷灌机上开始使用他太阳能。（3） 多目标利用。为提高设备利用率，减轻劳动强度，喷灌的多目标利用在一些先进国家进行了较多研究和应用，如病虫害防治、施肥、施药、家畜粪尿的喷施、防霜、防风蚀等1。1.3.3 我国自动喷灌技术的发展早在1906年，清政府就在北京设置农事试验场，开展灌溉实验工作。1911年，上海求新制造机器轮船厂研制出农田灌溉离心力汲水机，即水泵。20世纪20年代，我国著名农学家丁颖在广州进行了水稻灌溉实验。20世界50年代初期，我国就开始进行从苏联引进的喷灌技术的实验研究。到了80年代，我国已经具备了自己的一整套设备和技术12。截至2010年年底，全国节水灌溉工程面积达到2733.333万hm2，农田灌溉水有效利用系数为0.5012。在发展自动喷灌的过程中，我国对世界上大多数的自动喷灌形式都进行了深入细致的的研究和示范，在管网优化设计，喷头合埋组合、自压喷灌、喷头和喷灌自吸泵设计、施工技术等方面均达有了很多丰硕的成果。在喷、微喷灌系统自动控制灌溉方面，国内尚处于研制、试用阶段。经过近几十年的不断努力，我国从国外引进了微灌用灌溉自动控制系统、水稻灌溉节水增产自动检测技术、电子自动控制灌溉配水系统等自动控制系统。2003年，智能化半变量节水管理系统在中国科学院栾城农业生态系统试验站建成，其主体工程是全自动的智能化农田节水喷灌系统2。国家节水灌溉北京工程技术研究中心开发的灌溉用水管理测控设备与软件包括低功耗大容量自记式水位计、渠道闸门太阳能自动控制系统、灌溉管理决策支持系统，已应用于甘肃景泰及张掖、安徽、四川、宁夏等地的灌区。中国农业机械化研究院联合多家单位研制的2000型温室自动灌溉施肥系统，解决了计算机适时闭环控制、动态监测、施肥混合比可调等关键技术问题。天津市水利科学研究所研制的温室滴灌施肥智能化控制系统采用可编程序控制器和触摸屏控制技术，能控制24路阀门，具有人工干预灌溉施肥功能，定时、定量灌溉施肥。在精细地面灌溉控制设备方面，我国先后开发了太阳能驱动的波涌阀、灌溉闸管、水田自动给水栓等田间自动化灌溉设备，但规格少，如美国P&R公司生产的波涌阀有4#，6#，8#，10#，12#等5种尺寸规格，而我国只有单阀叶蝶型和双阀叶蝶型2种形式，每种形式也只有1种规格1。我国喷灌设备生产初具规模，与世界发达国家相比仍然存在较大差距，生产能力基本上可以满足我国现阶段自动喷灌发展的需求，但与国外先进水平相比，我国自动喷灌控制设备集成化、智能化方面差距较大，新的控制理论应用较少。国内自动喷灌装置等相关技术正在不断发展中，我们正在不断学习先进理论、技术和观念，努力减小与发达国家技术等水平间的差距，并在实际生产过程中，结合我国田地实情来进行完善和创新。1.4 课题实现的目的和意义农田灌水过程中，为了提高灌溉水的利用率，为了节约用水、降低成本，要将过去那种浇地的观念转化为浇作物的观点，从高新技术着手，结合当下飞速发展的传感器技术及测控技术等，实现一套操作简单、运行可靠、控制精确、自动喷灌的装置。这套装置通过埋在地下的湿度传感器实时探测土壤湿度信息，反馈至计算机，由计算机程序处理后发出指令，控制放水阀门进行喷灌。而我们要实现的自动喷灌装置，一是操作简单、可靠，整个灌溉过程不用人做太多的事，人们只需要在一开始设定要实现控制的湿度值，开始运行，整个装置就智能化控制运行，喷不喷灌、喷灌过程完全自动。二是节省人力，免去人为需要不停察看水况，经验作出判断，和相应的开启、关闭进水阀门，只要装置开始运行，人可以放心的去做别的事。三是节约灌溉用水，做到作物需要多少水，灌溉系统就能及时、准确的提供多少水，不浪费，又由于喷灌的特点，提高了水的利用效率。四是相对人为观测、控制精确，免却了一些人工控制过程中人的经验的影响，设定的湿度值精确，湿度监测也精确，补充的水量精确，对喷灌过程的控制可达到相当的精度，整个精确地实现灌溉水管理自动化。五是，这类装置的设计、研发和应用、改进，可以提高农业机械化程度，推动农业的高效化和精细化发展。2 自动喷灌装置设计的理论基础2.1 湿度和相对湿度 生产中常用相对湿度来衡量湿度状况。相对湿度指大气中实际水气压和最大水气压的比值。相对湿度越小，表明越干燥，低昂对湿度约到，空气越潮湿。当空气中相对湿度达到100%，意味着空气中水汽达到饱和，雾就开始形成18。设计过程中，湿度传感器测量出来的，需要设定的湿度值等，都是指相对湿度。2.2 喷灌自动控制的理论基础2.2.1 自动化和自动控制一件事物的发展，在初期，它往往有多种发展的可能性，由于某种条件或几种条件，它才最终朝着某一特定的方向发展下去。根据特定目标，改变条件，使被控制的对象沿着可能性空间内的某一确定方向发展，就形成了控制。因此，一切控制过程实际上都是由三个基本环节构成。一是了解事物面临的可能发生的空间是什么，二是在可能性空间内选择某一些状态为目的，三是控制条件，使事物向既定目标转化。机器或装置在无人干预的情况下按规定的 程序或指令自动进行操作或者控制的过程，叫自动化。生产及期货设备中，常常要使其中某些物理量（如温度，电压，转速）保持恒定或按照某一定的规律变化，要满足这种需求，就要对生产机械和设备进行及时控制，消除外界影响或制造一定影响。这种控制，由其他设备代替人工进行控制，即自动运行。用来完成这种控制的设备称为控制器，被控制的机械或设备被称为被控对象，被控对象和控制器一起，称为自动控制系统，自动进行操作或控制的过程称为自动化。自动化的数学表达形式如下：C(t)=r(t)C(t)-给定值的时间函数r(t)-被控量要用自动控制代替人工控制，则自动控制系统中必须有3中机构以便代替操作人员在人工控制中的作用，这3种机构如下：（1）测量机构 用来测量被控量（2）比较机构 用来比较被控量与给定值，得出误差（3）执行机构 按照误差的性质和最终处理指令做出控制动作2.2.2 喷灌常用的自动控制模式 自动控制器通过操作而使被控量回复至要求值。操作的方式被称为控制模式。常见的控制模式有：两点控制、三点控制、比例控制、积分控制、微分控制。所有的自动控制器都依据上述稍微一种或多种控制模式组合进行操作。本次设计的方案设想将用到开关控制，其他不做详细讨论。实际设计过程我们参考两点控制。两点控制通过操作调节器使其处于两个极端位置之一，而对于相应于设定值的偏离做出响应。控制器不可能将调节器控制在两个极端位置间的任何中间位置，因为这两点处于完全断开或完全闭合的状态。所以这种控制也称为开关控制。传感器为比较器提供输入数据，比较器将其与设定值进行比较，将其偏差或误差输出，代表被控装置的两个极端位置的输出量，送入调节器。在进行两点控制操作室，为了不发生过多的循环，一般要设定一个静带值。两点孔氏或卡关控制适用于泵站、管道配水系统、污水泵及电磁阀的操作。2.3 喷灌自动化的传感器技术基础传感器是将各种非电量如物理量、化学量、生物量按一定规律转换成便于传输和处理的另一种物理量（一般为电量）的测量装置。通常传感器由敏感元件和转换元件组成，其中，敏感元件是指传感器中直接感受被测量的部分，转换元件是指传感器能将敏感元件的输出转换为食欲传输和测量的电信号部分28。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。自动喷灌装置的湿度信息监测是建立在湿度传感基础上的。早在18世纪人类就发明了干湿球和毛发湿度计，而电子式湿度传感器是近几十年，特别是近20年才迅速发展起来的。湿敏传感器一般是由湿敏电阻构成，转换原理主要是利用电阻的湿度效应。近年来，国内外在湿度传感器研发领域都取得了长足进步。湿敏传感器正从简单的湿敏元件向集成化、智能化、多参数检测的方向迅速发展，为开发新一代湿度测控系统创造了有利条件。湿度传感器的选择，应针对具体应用情况、要实现的测量精度以及相关预算来综合决定。针对实际设计的情况，本次设计选用FC-28土壤湿度传感器，是湿敏电阻型电阻。传感器两级采用加宽的感应铜箔，采用表面镀镍工艺防止生锈，延长使用寿命，且对土壤湿度的检测更灵敏。而且传感器的价格相对便宜，可以满足我们的要求。FC-28传感器在使用时一端接ADC输入端，一端接地。2.4 喷灌自动化的单片机技术基础单片机就是把中央处理单元、存储器、输入/输出端口集成在一块芯片里。只要再配置几个小元件如电阻石英晶体、连接器等，就可构成一个完整的微型计算机8。单片机有体积小、功能强、功耗低、可靠性高等特点，在过程控制、机电一体化产品、智能仪器、家用电器等方面得到广泛应用。本次设计采用8051单片机。8051源自于intel公司的MCS-51系列，Atmel公司的89C51系列，其价格低廉，质量稳定，开发工具齐全，较为广泛采用。8051软件工具已有C级编译器及实时多任务操作系统RTOS，在RTOS的支持下，单片机的程序设计更简单，更可靠。基于Proteus电路设计、Keil C51程序设计以及两者联合仿真调试的方法，建立起单片机系统硬件电路设计、软件设计以及调试的全虚拟环境，使得全部的设计工作可以在PC上就能完成,可以显著提高系统设计开发的效率，降低开发成本。8051系统的开发流程可基本分为软件与硬件两部分，而这两部分是并行开发。硬件方面，主要是设计原型电路板就是目标板。在软件方面，则是编写源程序，再经过编译汇编成为可执行代码，然后进行排错、仿真。完成软件设计后，若硬件、软件设计无误，利用IC等烧录器将其可执行代码烧录到51单片机，将单片机插入目标板，即可运行，完成设计。3 自动喷灌装置的整体设计3.1系统设计要求自动喷灌装置系统应该不仅要能对土壤内部所含水量进行实时自动采集，而且要能根据用户实际需求来调节喷灌的开启和关闭，实现缺水则自动喷灌，水够即关闭自动喷灌，使土壤水分一直保持在某个确定、适宜的湿度值附近，一旦建立起系统，只要用户给出这一设定值，就能自动完成整个监测，调控的完整功能。这一基本的系统能够建立起来，其他类似功能的系统研发就变得容易多了，并且在此基础上完善或添加其他比如远程通信等功能也将会更加快捷，这样在自动喷灌装置的技术开发方面可以应用的更广泛。通过认真分析，本系统的开发需求实现以下功能： 1.实时监测和显示多点点湿度信息。实际设计过程中实现两点。2.监测点湿度应当保持在某一个较适宜的值，可由用户设定，同时我们采取选定一个静带，即用户设定值的上、下各5个单位。3.湿度在静带内（上下5个单位）波动，在这一范围内时，系统不做任何处理，系统不进行操作，阀门自然处于关闭状态。 4.该监测点湿度大于设定上限值时，该点对应的放水阀门关闭。5.该监测点湿度小于设定下限值时，开启该点放水阀门开始喷灌。6.当某点检测到湿度大于上限或小雨下限一定时间，实际设定为1min，报警。 7.多监测，每点编号，多路分别控制。实际设计成两路。 8.尽量使用普适性较好，稳定，价格低廉的元器件。3.2 系统设计原则在系统设计的理论准备和分析设计过程中，本自动喷灌装置的设计遵循了以下原则： 1.实用性 该装置应该是一个面向实际的应用操作系统，做出来应该是一个功能完整、实际可用的系统。系统应该操作简单，易用，参数应该可以由用户更改，设定。 2.各点独立性 每个监测点反馈的信息，单独控制负责这一区域的喷灌阀门，阀门开关闭之间，互不影响。不会出现有的监测点测地得小于监测下限，而控制所有区域内喷灌头全开的情况。 3.可靠性 有地方出现湿度一直无法调节可以报警，用户可查明并排除原因，重新启动装置。用户误操作，系统可重新上电恢复。湿度传感器等元器件可根据实际应用情况进行更换。 4.可扩充性本装置是自动喷灌装置最基础的设计，已实现一个自动控制的完整过程。任何一个过程在此基础上都可以进行修改和扩充。3.3 系统总体设计3.3.1 系统各部分组成由于本装置的设计重点在于自动喷灌的监测-控制处理过程，所以对自动喷灌系统里喷头型号等及管道铺设、水泵动力、湿度传感器的埋藏深度等系统因素，在此略去，实际应用中再针对具体情况选择相关部分。实际设计过程中，只设计从湿度检测到控制这一控制过程，简化为湿度检测部分即湿度传感器及ADC接口电路等，中央处理部分采用51单片机，处理控制部分包括输入键盘、显示器、报警器、继电器及接口电路等。如图3.1所示。图3.1 系统结构图Fig.3.1 System Block Diagram3.3.2 系统各部分实现电路依据功能分析，系统电路应分为以下几个模块：51单片机及其最小系统，按键输入模块，显示模块，湿度传感器测量模块，继电器控制模块，蜂鸣器模块。显示器选用LCD1602模块；湿度传感器选用FC-28土壤湿度传感器；由于设计是采集两个点的信息，选用ADC0832接口来进行AD转换输入至51单片机。主要元器件和模块电路连接示意图如下图所示：图3.2 51单片机及其最小系统Fig.3.2 51microcontroller and the smallest system 图3.3 按键输入模块 图3.4 蜂鸣器模块 Fig.3.3 Key input module Fig.3.4 Buzzer module图3.5 显示模块Fig.3.5 Display module图3.6 测湿模块Fig.3.6 Humidity measurement module图3.7 继电器控制模块Fig.3.7 Relay Controlling Module 4 系统具体设计的实现4.1 硬件设计 用protues里连接硬件电路图如下图所示，部分元器件没有原件，用了等效型号或是滑动电阻代替：图4.1 硬件电路图Fig.4.1 Hardware circuit4.2 软件设计 本系统的软件功能是通过AD转换器对湿度传感器读取数据、显示，和设定数据进行比较，进而产生控制继电器高低电平的判断和报警判断。整个软件分为主程序，按键设置子程序，1602子程序，读取湿度子程序，T0计时子程序，控制继电器子程序，其他子程序等。各部分程序功能如下所示：主程序通过调用各子程序：实现系统功能。主程序算法如图4.2，用户打开开关，系统首先自动调用湿度读取程序读取当前湿度并显示，再调用按键设置程序以供用户设定湿度值，开机时默认湿度值为50%比较方便用户加减数至想要的度数，然后调用继电器控制程序，对读取的数据和设定的数值进行比较，判定，发出下一步动作。 图4.2 主程序流程图 图4.3 按键设置子程序算法流程图Fig.4.2 The main program flow chart Fig.4.3 Button setting subroutine program flow chart按键设置子程序：通过按键分别设置第一路，第二路监测点的设定湿度值。算法流程图如图4.3。子程序运行，首先判定第一次按下是否为第一个键即key1，如果是，则选择设置第一路，第二个键key2和第三个键key3则没有动作。再判定第二次按键，如果是key1，则选择设置第二路；如果是key2,则设定值在现在设定值（初始默认50%）的基础上+1；如果是key3，则设定值在现在设定值（初始默认50%）的基础上-1。1602子程序：显示湿度信息。1602程序包括写命令指示LCD显示屏显示位置，写数据命令指示要显示的数据。写命令中参数0x38指显示模式，0x0c指显示开关光标设置，0x06显示光标移动设置，0x01显示清屏，0x80第一行首地址，0x80+0x40指第二行首地址。读取湿度AD子程序：采用三角窗率波算法。T0计时子程序：设置T0为计数器，进行计时，完成超出上下限一分钟报警中断。T0为16位的定时器，最大计数216即65536。如果5000表示需要定时器定时一次需要计数的个数。那么定时器的初始值就是(65536-50000)。需要把这个初值分别赋给 TH0（高8位)，字节就是这个数除以低字节256，即TH0=(65536-50000)/256。TL0=(65536-50000)%256则是低八位。其他子程序：延时函数等。控制继电器子程序：控制继电器开和关，以及判断是否超出上下限超时控制蜂鸣器。依次判断是否大于上限，或者下限，并且继续分别计时，即超出上限计时为计时1,超出下限为计时2，以便后续判断超出上限或者下限是否超时。如果在一测循环中判断结果既不大于上限也不小于下限清一次计时。接着判断计时1或计时2是否超时，如果超时报警。算法如下图4.4。图4.4 控制继电器子程序算法流程图Fig.4.3 Relay controlling subroutine program flow chart4.3 软件仿真 实际调试过程中，由于部分元器件没有相应的仿真功能,调整了电路，仿真用湿度传感器用滑阻代替。仿真图元器件管脚上标注红色表示高电平，蓝色表示低电平。1.程序开始，第一行自动显示当前湿度，LCD第二行显示默认设定湿度值为50%,如图4.5。 图4.5 仿真图1Fig.4.5 Simulation charts12. 通过按键设置成不同的湿度阀值，此时湿度传感器读出的实际湿度都低于（设定值-5），要开启继电器，p2.1和p2.2口都输出低电平。如图4.6。 图4.6 仿真图2 Fig.4.6 Simulation charts2图4.7 仿真图3Fig.4.7 Simulation charts3图4.8 仿真图4Fig.4.8 Simulation charts43.通过移动滑动滑动变阻器，模拟传感器调整输入，第一路即A，此时实际湿度小于（当前设定湿度+5），仍需要开启继电器，第二路即B，此时ADC读到的湿度大于设定湿度+5度，关闭继电器，p2.2口输出变成高电平。如上图4.7。4.第一路即A的湿度，低于（设定值-5）超过一分钟，蜂鸣器开始报警，p2.7口变蓝，输出低电平。如上图4.8。5 调试调试过程中，在keil C51里新建工程，选择单片机型号，添加头文件，新建main.C以及1602.C，敲入代码，如附录。编译运行，修改错误，程序无误后，点击target options键，选择Output栏，勾选Creat HEX File，再次便已运行，便可生成.hex文件，可以添加至Protues进行仿真，仿真达到效果后烧录，或直接烧录至51单片机。烧录过程中，开始是用现成的51单片机最小系统，用宏晶的stc-isp-15xx-v6.80来进行烧录，但是试了很多次软件都没有办法读出单片机，就这个问题询问了老师和很多同学，最后才得以解决。图5.1 实物图Fig.5.1 Physical map实物如上图5.1所示。实际操作该系统时，首先要上四块五号电池，大开关是系统开关，按下系统便可以运行，显示屏立即显示数据。三个按键依次为key1选择设置第几路，key2加参数，key3减参数。黄色的小块是继电器，当继电器开启旁边的led灯会点亮表示继电器开启了。报警之后按旁边单独的小按键作用和系统开关其实是一样的，按键之后重新恢复开机状态，是用于报警之后解除报警状态的。 6 结论 由于我国在农林业中计算机运用普及率低和有关微灌工程规划设计中的计算机辅助设计软件开发处于起步阶段，以及国民经济水平等因素的影响，结构简易、成本低的自动灌溉系统技术值得大力发展。目前一段时间内，采用自动化测控技术是节水灌溉的大趋势之一。该设计从节水的前提出发，确定以传感器到接口电路，51单片机接收接口信息然后进行控制的思路后，重点进行了自动控制环节的软件开发，和软硬件交互仿真，仿真结果表明：该装置控制端操作简单，用户可以输入所要设定的湿度值，系统能够实现实时湿度信息监测，和相应的自动控制，并且超时能够正确报警。该系统解决并实现了根据实际情况设定控制湿度对作物根域土壤进行适宜喷灌的自动控制，具有适合我国现阶段温棚、农业生产实际的特点。当然，随着国民经济的提高及技术的发展，符合我国国情的智能型节水自动灌溉技术尚有待进一步研究。 综合来说，本系统在以下几个方面取得了一些进步：1. 摒弃了以前用简单比较电路电路测定一个点湿度，用调节电路中变动电阻值来设定湿度上下限的做法，确定改用单片机和接口进行硬件控制，完成了硬件设计以及软件设计，并进行了交互仿真。仿真结果达到设计要求。为实际焊接电路板做了良好的准备。2.对每个监测点来说，用户只需要输入一次值，即设定需要的湿度值。程序自动设定上下5度来进行调节。 3.设计了两路监测点，实时显示两点的湿度信息，分别监控，分别控制。其意义在于拓展装置的控制个数，继续添加监测点及控制电路一个控制芯片就可以控制多个监测点。4.添加了超出上下限一分钟报警的新功能。其目的在于，系统运行过程中装置本身可能会出问题导致喷灌阀门开启关闭出现问题，以致出现湿度一直高于或低于警报值，无法调节湿度。或者如果在室外，碰上雨水天气导致湿度一直偏高无法调节等问题，发出警报，提醒人工排查原因。本系统由于时间、能力的不足等原因，只完成了最初设想，完成后测试中发现还有很多可以改进、完善之处。为了使该装置具有更好的性能，更加满足实际需求，现提出以下几点建议和设想：1） 报警可以提示报警线路，即是哪路监测点超时报警应有明确的指示。2） 加入无线功能，土壤湿度传感器改成无线发送信息至计算机，解决有线时的线路不够长或损毁等问题。3） 键盘改为4*4输入键盘，用户直接输入数字，不用连按按键。 4）用户可以自由输入更改控制的上下限度数。不再由程序直接设定为5度。致谢在林业大学的四年里，要感谢理学院为电子专业的我们提供了良好的学习环境。我要特别感谢各位理学院的老师，你们在学习中的悉心教导，生活中的关心和爱护，让我们学到了很多知识和东西。 感谢我的指导老师程艳霞老师，在我的毕设设计过程中，给予了我大力帮助和指导。从分析题目开始，一直到最后论文的反复修改、润色，程老师始终认真负责地给予我深刻而细致地指导，帮助我开拓研究思路，精心点拨、热忱鼓励。感谢张立老师和单宏、霍虎老师，在实验过程中他们给予了热情帮助，借各种实验器材给我，对实验提出了宝贵意见，解答疑问，指导我完成了实验。 在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的付出，在我迷茫的时候理解我，鼓励我，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成完成学业，感激他们一直以来对我的抚养与培育。感谢我的舍友，大学四年有你们的陪伴，每天在图书馆忙毕设，每一次深夜里的卧谈，往后回想起来也将很难忘。也要感谢电子11班的所有同学，在毕设的过程中给予了我很多帮助，和你们相遇在理学院，互相帮助，在这个班集体参与了四年的成长。 四年寒窗，我们所收获的不仅仅是愈加丰厚的知识，更重要的是在学习、阅读、实践中所培养的思维方式、表达能力和广阔视野。很庆幸这四年来我在电子11-2遇到了如此多的良师益友，无论在学习上、生活上，还是工作上，都给予了我无私的帮助和热心的照顾，让我在一个充满温馨的环境中度过四年的大学生活。在林业大学的四年，经历过的所有的事情，是我一生的财富。参考文献1 龚时宏,李光永,王建东等.喷灌与自动化灌溉设备的发展趋势及未来发展重点A./2004 年中国节水农业科技发展论坛论文集C.2004:414-419.2郑怀文,俞国胜,刘静.节水灌溉技术研究现状J.林业机械与木工设备,2006,34(10):7-10.3刘静.利用湿敏材料控制节水阀门的研究D.北京：北京林业大学,2007.4高勇.节水灌溉无线数据及语音传输控制方法的研究D.北京：北京林业大学,2008.5余承文.节水灌溉机械化技术设计要点J.广西农业机械化.2006.4:27.7吴普特,牛文全.节水灌溉与自动控制技术M.北京:化学工业出版社环境科学与工程出版中心,2002.2:1-6,58-72.8张义和,陈敌北.例说8051M.北京:人民邮电出版社,2010.1:8-9,29-32.9张齐.单片机原理与应用系统设