1、滴灌与土壤水分监测自动控制系统毕业设计 毕业设计论文题目 滴灌与土壤水分监测自动控制系统 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照
2、学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学
3、位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录
4、（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装
5、订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订滴灌与土壤水分监测自动控制系统摘要 节水灌溉自动控制的研究方案是将传感技术与单片机控制相结合，设计一个简单、低成本、易推广的控制系统，能够实时检测土壤及作物的一些灌溉控制参数，根据检测结果按需、精确灌溉，达到高效节水、优质高产的目的。本设计是通过传感器接受输入信号即湿度，然后对所采集数据进行比较分析后，单片机控制系统发出是否灌水的指令。系统根据指令来启动电机，实现节水灌溉的自动运行。关键词 AT89C52 ; LCD1602 ; YL-69 ; ADC0832 ; 继电器The automatic con
6、trol system of drip irrigation and soil moisture monitoringTian Ting（Grade11,Class2,Major Electronic Information Science and Technology, Physical and telecommunication engineering institute,Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723001,Shaanxi）Tutor:Zhou PingHeAbstract：Automatic control of water
7、saving irrigation research program will sensing technology and single-chip microcomputer control are combined to design a simple, low cost and easy to popularize the control system to real-time detection of soil and crop irrigation control parameters according to the test results according to need,
8、precision irrigation, water saving and high efficiency, good quality and high yield.This design is through the sensor accept input signal and the temperature and humidity, and the collected data were compared and analyzed, single-chip microcomputer control system issued instructions for irrigation.T
9、he system to start the motor according to the instruction,realize the automatic operation of water saving irrigation. Key words: AT89C52 ; LCD1602 ; YL-69 ; ADC0832 ; Relay引言随着生活水平的提高，人们已不再满足只追求温饱的生活，而是希望自己的居住生活的环境变的更加好，有清洁的空气，所以很多人在休闲的时候在自家的阳台上种植一些植物。植物是离不开水的，花盆存储水分容量是有限的，需要经常浇水，很多大城市工作者因工作可能会忘记去浇水
10、，这样会导致植物由于缺乏水分枯萎而死。因为不同的农作物花草需要的水分不同，所以合理地滴灌会使植物生长更加良好，也能达到节约用水的目的，因此，高效的灌溉系统是能够依据人们的想法进行适量的方向发展。所以，本设计主要包括两个方面，一是监测，获取土壤的水分信息，并根据土壤水分、湿度和植物需水特性的多少来确定滴灌的水量。这样将摆脱过去，按照浇水的经验给植物浇水，而提高在科学基础上的决策。二是控制，根据对土壤研究及植物需水特性进行合理的浇水决策，即传统的滴灌方式变化为自动的。现在进行适量的、适时的、按需的灌溉控制。系统依据由测量来的土壤湿度和植物合理的生活环境，通过抽水装置控制给水量的多少，从而使得水资源
11、得到了高效的使用，同时也节省了很多人力，从而能达到智能灌溉的目的。1 概述1.1 课题的研究背景在农业生产和日常生活中都离不开水，而我国又是人口众多的国家，所以水资源显得异常珍贵，能合理地利用水资源对我国实现可持续发展尤为重要。本次课题正是利用自动滴灌系统对水资源可以得到合理利用达到工农业的需求为目的的一项设计。滴灌技术的成熟代表着我国农业发展的状况，现在滴灌技术在农业园林方面使用的并不是很普遍，我国与一些发达国家还有一定的距离，基本上还有很多地方都是进行人工滴灌，真正的扩大规模进行自动滴灌可以加快我国农业现代化进程。而且自动控制系统有利于滴灌的科学管理，大大的减少劳动力，能准确地对土壤的湿度
12、得到监测。更重要的是特能准确、定量、合理的进行滴灌可以提高产量和达到节水。1.2 课题相关领域的研究现状以及发展趋势自动化控制系统自20世纪80年代开始在美国、以色列等国家得以研究以应用，由于技术复杂、应用难度大、价格昂贵，控制灌溉设备最早要应用于园林绿化。20世纪90年代，计算机和通讯技术的飞速发展，使得其难度和成本大幅度降低，从而使控制系统在农田里得到应用。在国外，节水灌溉发展时间长，电子技术水平高，所以比较先进。我国灌溉自动化正处于初步阶段，目前主要依靠人工来测量和控制，不利于水的精细管理和合理灌溉。随着滴灌技术的发展,滴灌与施肥之间相结合,实现精准化、自动化,势必会成为现代农业的一个发
13、展方向。在研究国内外滴灌与施肥技术发展现状的基础上,对适合我国现代农业现状的滴灌施肥自动控制系统进行了多次研究。研究认为,依靠固有的滴灌资源,在采集农作物生长土壤信息的基础上,依据农作物在不同的生长区域、阶段对于肥料养分的需求、水肥结合效应及目标产量,由变量施肥生成处方,精确地确定施肥量,是一种可行的而且科学的生产方法。本设计是用单片机技术设计制作一款土壤水分监测和自动滴灌系统，以实现农业及种植业节水生产，有良好的现实意义。本装置的工作过程是：设定土壤湿度要求，装置自动检测土壤湿度，当湿度土壤湿度低于设定值时，电路自动驱动电磁水阀进行滴灌，当土壤湿度达到预设湿度后，关闭电磁阀，停止滴灌。周而复
14、始，实现自动滴灌。1.3 本课题设计的主要内容本课题解决的主要问题是通过对土壤水分进行检测，来进行对农作物进行浇灌，从而使得水资源得到充分利用，而避免土壤的恶化和水资源的浪费。主要的设计思路线是：设定土壤湿度要求，装置自动检测土壤湿度，当湿度土壤湿度低于设定值时，电路自动驱动电磁水阀进行滴灌，当土壤湿度达到预设湿度后，关闭电磁阀，停止滴灌。周而复始，实现自动滴灌。采用YL-69湿度传感器。其传感器的电容量随着所测空气湿度的增大而逐渐增大。不需校准的完全互换性，可靠和稳定，快速响应时间。采用液晶显示屏，滴灌电磁阀控制驱动可用继电器驱动或无触点模块驱动。设计方案：节水灌溉自动控制的研究方案是将传感
15、器技术与单片机控制技术相结合，设计一个简单、低成本、易推广的控制系统，能够实时性来检测土壤湿度及作物的一些灌溉控制参数，根据检测结果按需求去精确灌溉，从而达到高效节水、优质高产的目的。整个控制系统主要应该有四个模块：检测模块、数据处理模块、显示模块及控制模块。技术路线：本系统通过传感器接受输入信号即湿度，然后对所采集数据进行比较分析后，单片机控制系统发出报警然后发出是否滴灌的指令。系统根据发出的指令来启动电机，实现节水灌溉的准确自动运行。2 系统的总体方案设计2.1 总体方案设计在国内外都是用自动灌溉装置，其中大部分都是使用虹吸原理进行灌溉的，即是使用渗透的方法灌溉，这种灌溉的方法是连续地、不
16、间断的。采用这种浇灌系统仅仅只能保证作物不应缺水而干枯死，但是对于植物来讲并不是其生长的良好环境，并且浪费水资源。本设计提出了一种智能的浇灌系统，这个控制系统可以在完全没有人的环境下在对植物进行智能浇灌，在浇水的过程中,根据植物需要水分的不同，对植物进行浇水控制。这个系统是根据单片机原理，运用土壤湿度传感器进行数据的收集，然后通过按键调整上下限，在通过单片机对采集来的数据的分析和处理，进而判断外界土壤的湿度值，假如土壤湿度低于设置的下限，单片机控制水泵浇水同时蜂鸣器发出通知，即当土壤的湿度达到上限就停止浇水，达到自动滴灌的目的。本实验重要完成以下的几个功能：1.用YL-69检测土壤湿度；2.使
17、用LCD1602显示所采集的数据3.通过不同植物生存的最佳湿度环境设置浇灌的上下限；4.使用单片机对采集到的数据进行分析和处理，在控制水泵是否需要进行浇灌。这个系统是由硬件部分及软件部分组成的，硬件划分为单片机主控、范围显示、土壤湿度的检测、按键控制、水泵浇灌、蜂鸣器发出报警六大模块。主控模块位AT89C51单片机是负责对数据的分析及处理；YL-69作为湿度采集模块；湿度的上下限是由按键模块来设定；显示模块是呈现土壤湿度传感器检测出来的湿度数值及其上限数值；水泵和蜂鸣器是用来执行系统命令的。硬件的配置与软件结构之间相适应，同样使用模块化，它主要包括主程序、湿度采集程序、按键子程序、显示子程序、
18、执行子程序及系统定时中断服务程序等组成。这个系统很灵活，有较强的交互性，可以随时设置湿度的上下限；在本系统的开发及设计中，应当将软件与硬件相互结合起来，并且个个部件都使用模块化的设计思路。实验检验说明，该系统采集数据误差较小、运行比较稳定，有着很可行的使用效果，所以可以被广泛的推广使用。芯片的选择：AT89C51是由Atmel生产的低电压、高性能8位单片机，同时AT89C51有着便宜的价格，而且它和MCS-51系列有这很好的兼容性。因此在这个系统中采用AT89C51作为控制芯片。A/D转换：ADC0832是具有双通道和8位分辨率的A/D转换芯片。由于其性价比高、体积小、兼容性强的这些特点，因此
19、深受多数企业欢迎及单片机开发者的喜爱，现在在当今社会的普及率已经逐渐提高。继电器选择：本设计控制部分需要一个继电器来控制电磁阀的工作。由于工作电压在只需要5V左右，并且成本相对而言比较低。所以在这个系统中选择了型号为松乐SRS-05VDC-SL型号的继电器。其工作电压在5V，其触电容值为3A/250VAC/30VDC。显示器的选择：LCD1602是一种专门可以显示英文字母、阿拉伯数字及符号的点阵型液晶，其能够同时能够显示16*02即32个字符，固本设计的显示模块采用LCD1602来显示采集的土壤湿度以及设定的湿度范围。2.2 系统结构本系统有电源电路、显示电路、土壤检测电路、继电器控制潜水泵电
20、路、蜂鸣器电路、按键设置六大部分组成。系统原理图如下所示。3系统硬件设计3.1 AT89C51的性能参数VCC：电源。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程 序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作 输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输
21、出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“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，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存 储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。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，P2口输出其特殊功能寄存器 的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管
22、脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“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，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复
23、位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE 端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器 时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序
24、存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时， /EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。AT89C51 提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32 个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51
25、可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一个硬件复位。3.2 时钟电路1)内部时钟方式：内部时钟模式即是由单片机里面的高增益方相放大器以及外部跨接的晶体、微调电容结构时钟电路产生的方式。在内部时钟方式里，C1、C2通常使用30pF或40pF；C1、C2能够轻微的调整频率，陶瓷谐振器或者晶振的频率的选择应在1.2MHZ12MHZ之间。为了能够保护振荡器的可靠性、稳定性、减少寄生电容产生，在安装的时候应该将电容及振荡器安装
26、在离单片机引脚XTAL1和XTAL2更近的地方。单片机系统中大多数使用外部电路连接简单的内部时钟方式。在现实中常常使用FSOC来表示内部时钟方式产生的时钟信号的频率（晶振固有频率）。如果fsoc为12*106HZ，那么应该选择12MHZ的晶振。2)外部时钟方式：外部时钟方式的产生是在发生单片机之外的电路中，其直接连接到单片机的XTAL1引脚端口，不与XTAL2引脚端口相连。3.3 AT89C51的复位电路复电路的基本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。3.
27、4 YL-69湿度传感器土壤湿度传感器由湿度检测电路和声报警电路等部分组成。RP1为湿度下限预置点，RP2为湿度上限预置点。当土壤中的湿度处在预置的上下限湿度之间时，由于探头a、h间的 土壤电阻值在规定范围内，c点的电位低于 RPI的滑动端电位(比较器同相输入端 )，故比较器 I输出高电平，red不发光；RP2的滑动端电位低于 c 点电位，则比较器 II输出高电平，green也不发 光。若土壤的湿度达到或超过 RP2设定的上限湿度时，ab探头间电阻变小，从而探头分压减小，比较器 II的同相输入端电位(c点电位 )低于比较器反相端电位(RP2滑动端电位 )，则比较器 II翻转输出低电平，gree
28、n发光 ，同时 SS8550II导通蜂鸣器发声，表示土壤湿度过大。若土壤干燥达到或超过 RP1设定的下限湿度时，a、b探头间电阻增大，从而探头分压增大高于比较器 I同相端电压(RP1滑动端电位)，比较器I输出低电平，red发光 ，同时 SS8550I导通蜂鸣器发声，表示土壤湿度过小。蜂呜器设计是便于用户设置报警点，当设置完毕可将电键 SP断开，由下位机统一报错。传感器探头a、b是由长160 mm、直径为5 mm的两根不锈钢棒制成，相间55mm。土壤探头现场调试过程为：将 RP1的滑动触点调至最上端 ，RP2的滑动触点调至最下端，使red，green都熄灭；进行土壤湿度调试 ，取两盆适合温室育苗
29、的土样，一盆为上限湿度(即适合温室育苗的最大土壤湿度)，一盆为下限湿度(即适合温室育苗的最低土壤湿度)。把探头插入上极限土壤中，调节 RP2，使 green刚好点亮，蜂鸣器刚好发声为止；再把探头插入下极限土壤中，调节 RP1，使 red刚好点亮，蜂鸣器刚好发声为止 ；将土壤湿度探测器的报警输出端ALARM1，ALARM2分别与下位机的P1口相连，下位机上电复位时 P1口为高电平 ，当土壤湿度过高或过低时土壤湿度探测器 ALARM1或 ALARM2端输出低电平，下位机定时扫描 P1口的电平状态，并赋值相应状态字，进入子处理程序。 对于应用此种方法制作的传感器其测量阻值用普通的万用表是无法测量的，
30、只能用惠斯通电桥测电阻的方法测量。另外在实际电路中可将报警部分去掉，只需观察灯的亮灭即可。探针的引出线需要用屏蔽线。应用土壤湿度传感器的硬件控制电路，埋在作物根部的土壤水分传感器监测根部土壤的水分，该传感器经检测电路将“湿度过高”和“湿度过低”信号经编码器传至主控制器，由主控制器决定控制状态。“湿度过高”则停止灌溉；“湿度过低”则通过光电隔离、继电器控制接在水源的电磁阀。当空气湿度较大时由空气湿度传感器经AD转换反映到主控制器可暂缓灌溉。当前系统状态可由显示电路显示出来，该系统也可由键盘手动设定灌溉时间。该系统还具有故障报警功能。主控制器通过通讯接口与上位机通讯，可以实时监测系统运行状况或对历
31、史数据进行分析。3.5 ADC0832的功能ADC0832是串行接口8位A/D转换器，它是由一家名为NS（NationalSemiconductor）的公司生产的。ADC0832与单片机通过三根线连接，其有着性价比高、耗能低的特点，适合使用在小型的智能设备中。ADC0832是8位分辨率的，所以其分辨率最高级能够达到256级，一般的模拟量都不成问题。ADC0832的数据校对是通过双数据输出来完成的，这是为了达到减少误差的目的，转换的速度快并且有很强的稳定性。ADC0832为了减少数据的误差，其校对数据是使用具双数据的，有较快转换速度并且稳定性强。ADC0832能够独立输入，因此处理器能够更方便的
32、控制多个器件。使用DI端进行数据输入，可以让通道功能的选择变的简单。它的主要特点是：输入输出电平与TTL/CMOS相兼容；5V电源供电时输入电压在0-5V之间；工作频率为250KHZ，转换时间为32S；一般功耗仅为15mW；8P、14PDIP（双列直插）、PICC 多种封装；商用级芯片温宽为0C to +70C，工业级芯片温宽为40C to +85C；芯片接口说明：CS_片选使能，低电平芯片使能。CH0 模拟输入通道0，或作为IN+/-使用。CH1 模拟输入通道1，或作为IN+/-使用。GND 芯片参考0 电位（地）。DI数据信号输入，选择通道控制。DO数据信号输出，转换数据输出。CLK芯片时钟输入。Vcc/REF电源输入
