1、LANZHOU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY毕 业 设 计题 目 节水灌溉智能控制系统设计 学 生 姓 名 赵 胜 学 号 08220301 专 业 班 级 自 动 化 （ 3） 班 指 导 教 师 成 娟 娟 学 院 电 信 工 程 学 院 答 辩 日 期 2012.6.12 兰 州 理 工 大 学 毕 业 设 计摘 要节水灌溉智能控制技术的高低代表着农业现代化的发展状况，灌溉系统智能化水平较低是制约我国高效农业发展的主要原因。本文就此问题研究了单片机控制的节水灌溉系统，该系统对土壤的湿度进行监控，并按照作物对土壤湿度的要求进行适时、适量灌水，其核心是单片机通过采用 PI
2、D 算法对土壤湿度的控制部分，主要对灌溉控制技术及系统的硬件、软件编程各个部分进行了深入的研究。单片机控制部分采用 AT89C51 单片机为核心，主要由土壤湿度传感器，AD 转换器，显示电路，输出控制电路，故障报警电路等组成；软件选用 C 语言编程。系统主要具有以下功能：单片机可根据土壤湿度传感器检测到的土壤湿度，自动控制灌溉系统，并且同时显示出当前土壤的湿度值。该系统灵活性强，易于操作，可靠性高，将会有更广阔的开发前景。关键词：节水灌溉；湿度传感器；单片机 ；自动控制兰 州 理 工 大 学 毕 业 设 计AbstractThe level of auto-control water-savi
3、ng irrigation technology reflects the development condition of agriculture modernizationThe low automatic level of irrigation system is the main reason that prevented our agricultures developmentAs to this condition，this paper mainly studies the drip water-saving irrigation system that controlled by
4、 MCU(Microcontroller Unit)This system call supervise and control moisture of different soilIt can irrigate to different farm corps with the right amount of water at the well timeIts core is the MCU through the use of the PID algorithm for soil moisture control section Research work hand been carried
5、 Oil to the relationship between soil moisture and water, irrigate control technology, hardware and software program and so on.It adopts the top and bottom form to realize the control function of drip irrigation systemBased onAT89C5lMCU,the bottom hardware system mainly consists of soil moisture sen
6、sor, Signal transfer circuit，monitor display circuit，out port control circuit， malfunction display circuit and the procedure programmed with C language.Part of SCM AT89C51 miscrocontroller as the core, mainly by the soil moisture sensors,AD converter, display circuit,the output confrol circuit,the f
7、ault alam circuit and other components;software selection of the C programming language.The system has the following functions:MCU can be detected in soil moisture soil moisture sensor and automatic control of irrigation systems,and also shows the current soil moisture.The system is flexible,easy op
8、eration,high reliability,there will be more broad prospects of development.Keywords: Water-saving irrigation;Humidity sensors;MCU(Micro-controller Unit);Automatic control兰 州 理 工 大 学 毕 业 设 计目 录第一章 绪论 .- 1 -1.1 研究的背景 .- 1 -1.1.1 节水灌溉智能系统的研究背景 .- 1 -1.1.2 农业高效节水的必要性 .- 1 -1.2 国内外灌溉智能控制技术研究现状 .- 2 -1.2.
9、1 国外研究现状 .- 2 -1.2.2 国内研究现状 .- 2 -1.3 滴灌技术 .- 3 -1.3.1 滴灌系统的分类 .- 3 -1.3.2 滴灌系统的组成 .- 3 -1.3.3 微喷与滴灌的使用 .- 4 -1.3.4 滴灌技术的特点 .- 4 -1.4 课题研究的目的和意义 .- 5 -1.5 课题研究内容 .- 6 -第二章 系统方案设计 .- 8 -2.1 研究方案的选择 .- 8 -2.1.1 PLC 系统 .- 8 -2.1.2 微机测控技术 .- 8 -2.2 节水灌溉自动控制系统的原理 .- 9 -2.3 系统总体设计 .- 10 -第三章 硬件设计 .- 11 -3
10、.1 系统硬件介绍 .- 11 -3.2 硬件选型及介绍 .- 11 -3.2.1 土壤湿度传感器 .- 11 -3.2.2 AT89C51 单片机 .- 17 -3.2.3 8155 芯片 .- 21 -3.3 硬件各部分设计 .- 23 -3.3.1 单片机主机控制电路 .- 23 -3.3.2 并行 IO 口的扩展 .- 24 -3.3.3 数据采集处理电路 .- 25 -3.3.4 LED 显示电路 .- 25 -3.3.5 控制电路部分 .- 27 -3.3.6 报警电路 .- 28 -3.3.7 无线发射模块 .- 28 -第四章 系统软件设计 .- 31 -4.1 主程序 .-
11、31 -4.2 PID 算法 .- 32 -4.3 显示部分 .- 33 -4.4 键盘 .- 34 -4.5 湿度采集 .- 35 -4.6 输出执行部分 .- 36 -4.7 无线发送子程序 .- 37 -兰 州 理 工 大 学 毕 业 设 计设计总结 .- 38 -参考文献 .- 39 -外文文献翻译 .- 40 -致 谢 .- 56 -附录 .- 57 -兰 州 理 工 大 学 毕 业 设 计- - 1 - -第一章 绪论1.1 研究的背景1.1.1 节水灌溉智能系统的研究背景水资源是人类赖以生存的基础性资源，我国一方面水资源十分紧缺。虽然水资源的总量居世界第 6 位，但人均占有量只有
12、 2500m，约为世界人均水量的 1/4，属于全球贫水国家之一。另外一方面农业用水浪费又十分严重，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。我国的节水灌溉技术，在经过近几十年的快速发展，在总结相关成果的基础上，初步形成了其技术体系，在某些方面已经达到或接近国际先进水平。但由于受我国经济发展水平及科研体制的限制，我国的节水灌溉技术与发达国家还有很大的差距。随着我国水资源供需矛盾日益尖锐，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
13、源短缺对我国农业发展的压力，如何快速发展我国的节水灌溉技术及其配套设备，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，合理地推广智能化控制，不仅可以提高水资源的利用率，缓解水资源日趋紧张矛盾，还可以提高农作物的产量，降低农产品的生产成本，为我国农业的发展提供技术保障是十分必要的。1.1.2 农业高效节水的必要性当前，占世界人口总量 40的 80 个国家缺水，其中 26 个国家严重缺水。我国有 28 万亿 m3 的水资源总量，全世界排第 6 位，但人均水资源不足世界水 1 资源的 14，排在世界人均占有水资源量的第 109 位，是世界上人均占有水资源最贫乏的 13 个国家
14、之一。目前，我国每年缺水量近 400 亿 m3，其中农业缺水约 300 亿m3。我国用水大户仍然是农业用水，约占 70，而农业用水的 90是灌溉用水，因此节水首先要在农业节水上做文章。采用传统的灌溉模式，灌溉定额普遍偏高，全国平均每亩实际灌水量达到 450-500 m3，超过实际需水量的 1 倍左右，有的地区高达 2 倍以上。与一些发达国家相比，我国农业的用水效率还是相当低的，灌溉水资源的浪费情况相当严重，节水的潜力十分巨大。据统计：目前我国灌溉水利用率只有 40左右，水分生产率不足 10 kgm 3；而发达国家的灌溉水利用率可达兰 州 理 工 大 学 毕 业 设 计- - 2 - -8090
15、，水分生产率在 20 kgm 3 以上。如果采用先进的灌溉技术，将我国的灌水利用率提高到 6070，则在目前情况下每年可节约灌溉用水O10O15 万亿 m 3m1。这样，通过发展节水灌溉，在减少 (最起码不增加)农业用水总量的前提下，满足灌溉需要，同时把节约出来的水量用于城市生活、工业生产和生态用水，以水资源的可持续利用促进经济社会的可持续发展。1.2 国内外灌溉智能控制技术研究现状1.2.1 国外研究现状一些西方先进国家，如美国、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模式控制
16、，到当前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，操作也越来越简单。在美国，早在 1984 年，Benami 和 Offen 公司就开发了一套节水灌溉控制器，通过监测土壤水分来确定是否打开灌水阀门。Phene 和 Howell 分别在灌溉系统的控制中使用了土壤湿度传感器，通过土壤水分传感器把湿度反馈给控制系统，根据传感器获得的数据决定是否灌溉，是作物根部总跟保持一定的湿度。加拿大、澳大利亚和韩国等国家和地区都有发开成功并形成系列的灌溉控制器产品，其中比较有代表性的如澳大利亚的 HARDIE IR-RGATION 公司的灌溉控制器，已形成了 M
17、ICRO-MASTER、RAINJET 等多个系列，几十种型号的产品。1.2.2 国内研究现状国内自 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
18、 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，我们非常有兰 州 理 工 大 学 毕 业 设 计- - 3 - -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。1.3 滴
19、灌技术滴 灌 技 术 是 通 过 干 管 、 支 管 和 毛 管 上 的 滴 头 ， 在 低 压 下 向 土 壤 经 常 缓 慢 地 滴水 ； 是 直 接 向 土 壤 供 应 已 过 滤 的 水 分 、 肥 料 或 其 它 化 学 剂 等 的 一 种 灌 溉 系 统 。 它没 有 喷 水 或 沟 渠 流 水 ， 只 让 水 慢 慢 滴 出 ， 并 在 重 力 和 毛 细 管 的 作 用 下 进 入 士 壤 。滴 人 作 物 根 部 附 近 的 水 ， 使 作 物 主 要 根 区 的 土 壤 经 常 保 持 最 优 含 水 状 况 。 这 是 一种 先 进 的 灌 溉 方 法 。 1.3.1 滴
20、灌系统的分类1 固 定 式 滴 灌 系 统 。 这 是 最 常 见 的 。 在 这 种 系 统 中 ， 毛 管 和 滴 头 在 整 个 灌水 期 内 是 不 动 的 。 所 以 ， 对 于 滴 灌 密 植 作 物 毛 管 和 滴 头 的 用 量 很 大 ， 系 统 的 设备 投 资 较 高 。 2 移 动 式 滴 灌 系 统 。 塑 料 管 固 定 在 一 些 支 架 上 ， 通 过 某 些 设 备 移 动 管 道 支架 。 另 一 种 是 类 似 时 针 式 喷 灌 机 ， 绕 中 心 旋 转 的 支 管 长 200 米 ， 由 五 个 塔 架 支承 。 以 上 属 于 机 械 移 动 式
21、系 统 。 人 工 移 动 式 滴 灌 系 统 是 支 管 和 毛 管 由 人 工 进 行 昼夜 移 动 的 一 种 滴 灌 系 统 ， 其 投 资 最 少 ， 但 不 省 工 。 1.3.2 滴灌系统的组成滴 灌 系 统 主 要 由 首 部 枢 纽 、 管 路 和 滴 头 三 部 分 组 成 1 首 部 枢 纽 ： 包 括 水 泵 (及 动 力 机 )、 化 肥 罐 过 滤 器 、 控 制 与 测 量 仪 表 等 。其 作 用 是 抽 水 、 施 肥 、 过 滤 ， 以 一 定 的 压 力 将 一 定 数 量 的 水 送 入 干 管 。 2 管 路 ： 包 括 干 管 、 支 管 、 毛 管
22、 以 及 必 要 的 调 节 设 备 (如 压 力 表 、 闸 阀 、流 量 调 节 器 等 )。 其 作 用 是 将 加 压 水 均 匀 地 输 送 到 滴 头 。3 滴 头 ： 其 作 用 是 使 水 流 经 过 微 小 的 孔 道 ， 形 成 能 量 损 失 ， 减 小 其 压 力 ，使 它 以 点 滴 的 方 式 滴 人 土 壤 中 。 滴 头 通 常 放 在 土 壤 表 面 ， 亦 可 以 浅 埋 保 护 。软管滴灌系统是近几年发展起来的新型节水灌溉设施，加节水，而且施工简单，易于操作，成本低，是目前蔬菜棚室中茄果类、甘蓝类、瓜类、豆类蔬菜较理想的一种节水灌溉形式。其原理是把一定压力
23、的水流输送到经过特殊处理的带有微孔的兰 州 理 工 大 学 毕 业 设 计- - 4 - -黑色聚乙烯膜管中，以细小的水流沿着膜管的微孔缓慢下渗到作物根部。软管滴灌系统由水泵等供水装置和输水管道组成。 水源。微喷与滴灌对水源的要求是：水量充足，水质无污染。水库水、河流水、井水等均可。供水装置。供水装置主要包括自吸泵、施肥罐、过滤器三部分。自吸泵的选择一般要根据一次性灌溉面积大小和灌溉类型确定。一般每 667M2微喷选用 750W 单相自吸泵，流量最小达到 3t/h。每 667M2 选用 370-550W 单项自吸泵,流量最大达到 1t/h。施肥罐容积是 50L，过滤器的型号是 6.6CM 网式
24、过滤器。安装时，把施肥罐的进出口分别并联在自吸泵出水管的前端，并分别在施肥罐的进出水管的中端和所夹的主出水管之间，装上相应的调节阀，便于控制施肥量。紧接着把施肥罐出水口下端的主出水管与过滤器的进水口连接，过滤器的出水口管送出泵房与棚室内的相应浇灌设施连接。棚内设施。棚内设施主要由控制阀、输水管和微喷头（带有微孔的软膜管）三部分连接组成。1.3.3 微喷与滴灌的使用开启自吸泵开关，水就进入微喷（软管滴灌）系统。在使用过程中要注意六点：一是首次使用时，要清洗管路 5-10min（分），防止管内杂质堵塞出水口。二是施肥时把可溶性肥料先溶于容器中再倒入施肥罐中，通过自吸泵吸力进入系统。三是使用系统要经
25、常检查是否破损、漏水，保持水源清洁，经常清洗过滤器和打开堵头清洗输水管道。四是使用过程中要掌握好压力，压力小则滴水慢、喷水范围小，压力大则水管易破损漏水。使用软管滴灌可以看软管的充水程度，以软管充水后近圆形，水声不大为宜，如果软管绷得很紧，水声很大，说明水压过大，可用棚外截止阀调节。五是每次灌溉时间可根据土壤湿度和作物特性来确定，微喷最好在无风的条件下使用。六是用该系统施肥浓度应控制在 0.2-0.3%，不能太高。1.3.4 滴灌技术的特点 滴灌技术较之传统沟灌和畦灌，具有显著的优点。 （一）节水、节肥、省工 滴灌属全管道输水和局部微量灌溉，使水分的渗漏和损失降低到最低限度。同兰 州 理 工
26、大 学 毕 业 设 计- - 5 - -时，又由于能做到适时地供应作物根区所需水分，不存在外围水的损失问题，又使水的利用效率大大提高。灌溉可方便地结合施肥，即把化肥溶解后灌注入灌溉系统，由于化肥同灌溉水结合在一起，肥料养分直接均匀地施到作物根系层，真正实现了水肥同步，大大提高了肥料的有效利用率，同时又因是小范围局部控制，微量灌溉，水肥渗漏较少，故可节省化肥施用量，减轻污染。滴灌系统仅通过阀门人工或自动控制，又结合了施肥，故又可明显节省劳力投入，降低了生产成本。 （二）控制温度和湿度 传统沟灌的大棚，一次灌水量大，地表长时间保持湿润，不但棚温、地温降低太快，回升较慢，且蒸发量加大，室内湿度太高，
27、易导致蔬菜或花卉病虫害发生。因滴灌属于局部微灌，大部分土壤表面保持干燥，且滴头均匀缓慢地向根系土壤层供水，对地温的保持、回升，减少水分蒸发，降低室内湿度等均具有明显的效果。 （三）保持土壤结构 在传统沟畦灌较大灌水量作用下，使设施土壤受到较多的冲刷、压实和侵蚀，若不及时中耕松土，会导致严重板结，通气性下降，土壤结构遭到一定程度破坏。而滴灌属微量灌溉，水分缓慢均匀地渗入土壤，对土壤结构能起到保持作用，并形成适宜的土壤水、肥、热环境。 （四）改善品质、增产增效 由于应用滴灌减少了水肥、农药的施用量以及病虫害的发生，可明显改善产品的品质。总之，较之传统灌溉方式采用滴灌后，可大大提高产品产量，提早上市
28、时间，并减少了水肥、农药的施用量和劳力等的成本投入，因此经济效益和社会效益显著。滴灌技术是通过干管、支管和毛管上的滴头，在低压下向土壤经常缓慢地滴水；是直接向土壤供应已过滤的水分、肥料或其它化学剂等的一种灌溉系统。它没有喷水或沟渠流水，只让水慢慢滴出，并在重力和毛细管的作用下进入士壤。滴人作物根部附近的水，使作物主要根区的土壤经常保持最优含水状况。这是一种先进的灌溉方法。1.4 课题研究的目的和意义农业是人类社会最古老的行业，是各行各业的基础，也是人类赖以生存的最重要的行业。农业的发展从长远来看很重要，一是水的问题，二是科技的问题。农业的根本出路在科技，在教育。由传统农业向现代化农业转变，由粗放经营向集约经营转变，必须要求农业科技有一个大的发展，进行一次新的农业技术革命。农业与工业、交通等行业相比仍然比较落后，农业灌溉技术尤其落后。灌溉系统自动化水平较低是制约我国高效农业发展的主要原因。传统的灌溉模式自动化程度极低，基
