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额
青岛农业大学
毕业论文(设计)附件材料
题目:
基于单片机的自动节水控制系统设计
姓名:
田源
学院:
机电工程学院
专业:
电气工程及其自动化
班级:
2006.01
学号:
20063919
指导教师:
李新成
2010年06月18日
目录
1.立题表
2.任务书
3.开题报告
4.教师指导记录表
5.中期检查表
6.教师评阅表
7.答辩评定表
8.成绩评定和学院意见表
青岛农业大学毕业论文(设计)立题表
立题题目
基于单片机的自动节水控制系统设计
题目来源
□来源于生产实际□来源于科研项目□其他
题目性质
□基础研究□应用研究□应用基础研究□其他
题目完成形式
□毕业论文□毕业设计
申请立题教师
于善清
职称
教授
从事专业
电气工程及其自动化
立题说明:
自动控制节水灌溉技术的高低代表着农业现代化的发展状况,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。
单片机控制的滴灌节水灌溉系统,该系统可对不同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,其核心是单片机和PC机构成的控制部分,主要对土壤湿度与灌水量之间的关系、灌溉控制技术及设备系统的硬件、软件编程各个部分进行实现。
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,信号处理电路,显示电路,输出控制电路,故障报警电路等组成。
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,显示于LED或LCD显示器上。
系统完成后将会有广阔的应用前景。
教研室意见
教研室主任签名:
年月日
毕业论文(设计)领导工作小组意见:
教学院长签名:
年月日
青岛农业大学毕业论文(设计)任务书
论文(设计)题目基于单片机的自动节水控制系统设计
要求完成时间2010.6.18
论文(设计)内容(需明确列出研究的问题):
自动控制节水灌溉技术的高低代表着农业现代化的发展状况,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。
单片机控制的滴灌节水灌溉系统,该系统可对不同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,其核心是单片机和PC机构成的控制部分,主要对土壤湿度与灌水量之间的关系、灌溉控制技术及设备系统的硬件、软件编程各个部分进行实现。
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,信号处理电路,显示电路,输出控制电路,故障报警电路等组成。
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,显示于LED或LCD显示器上。
资料、数据、技术水平等方面的要求查阅文献8篇以上,阅读与课题有关的外文资料2篇以上(研究性论文),要求到图书馆阅览室阅读大量中文和外文书籍,查找与本设计相关的有用资料,仔细研究,同时做好记录。
要求写出分析过程,设计出原理电路,并画出软件程序流程图,编写控制程序。
指导教师签名:
年月日
青岛农业大学
毕业论文(设计)开题报告
题目:
基于单片机的自动节水控制系统设计
姓名:
田源
学院:
机电工程学院
专业:
电气工程及其自动化
班级:
2006.01
学号:
20063919
指导教师:
李新成
2010年3月8日
说明
一、有关说明
毕业论文(设计)题目确定后,学生应尽快征求导师意见,讨论题意与整个毕业论文(或设计)的工作计划,然后根据课题要求查阅、收集有关资料并编写研究提纲,主要由以下几个部分构成:
1.研究(或设计)的目的与意义。
应说明此项研究(或设计)在生产实践上或对某些技术进行改革带来的经济、生态与社会效益。
有的课题过去曾进行过,但缺乏研究,现在可以在理论上做些探讨,说明其对科学发展的意义。
2.国内外同类研究(或同类设计)的概况综述。
在广泛查阅有关文献后,对该类课题研究(或设计)已取得的成就与尚存在的问题进行简要综述,只对本人所承担的课题或设计部分的已有成果与存在问题有条理地进行阐述,并提出自己对一些问题的看法。
3.课题研究(或设计)的内容。
要具体写出将在哪些方面开展研究,要重点突出。
研究的主要内容应是物所能及、力所能及、能按时完成的,并要考虑与其它同学的互助、合作。
4.研究(或设计)方法。
科学的研究方法或切合实际的具有新意的设计方法,是获得高质量研究成果或高水平设计成就的关键。
因此,在开始实践前,学生必须熟悉研究(或设计)方法,以避免蛮干造成返工,或得不到成果,甚至于写不出毕业论文或完不成设计任务。
5.实施计划。
要在研究提纲中按研究(或设计)内容落实具体时间与地点,有计划地进行工作。
二、注意事项
1.开题报告的撰写完成,意味着毕业论文(设计)工作已经开始,学生已对整个毕业论文(设计)工作有了周密的思考,是完成毕业论文(设计)关键的环节。
在开题报告的编写中指导教师只可提示,不可包办代替。
2.无开题报告者,不准申请答辩。
3.本表要用计算机填写,签字要手写,一式三份,本人、导师、所在学院(要原件)各一份。
4.学生可根据内容的多少调整表格的大小
一、选题依据
我国是一个农业大国,也是贫水大国,人均水资源占有量约0.23万m3,约为世界人均的1/4,而我国农业又是用水大户,农业用水占总供水的80%左右,其中又以农业灌溉为主。
因此随着农业现代化进程的加快和工业用水的不断增加,我国农业必须走节水之路。
自动控制节水灌溉技术的高低代表着农业现代化的发展状况,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。
近年来,喷灌、微灌等一些新型灌溉技术在我国得到广泛应用,并取得了良好的经济效益和社会效益,已显示出强大的生命力。
但现代化灌溉控制器研究使用在我国农、林及园艺为数不多,与发达国家相比还有较大的差距,还基本停留在人工操作上,即使有些地方设计并实施了灌溉工程自动控制系统,但只是小面积的局部控制,真正具有扩展功能大规模工程的计算机监控系统在我国还不多见。
而单片机,亦称单片微电脑或单片微型计算机。
它是把中央处理器(CPU)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入/输出端口(I/0)等主要计算机功能部件都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。
纵观我们现在生活的各个领域,从导弹的导航装置,到飞机上各种仪表的控制,从计算机的网络通讯与数据传输,到工业自动化过程的实时控制和数据处理,以及我们生活中广泛使用的各种智能IC卡、电子宠物等,这些都离不开单片机。
因此本次设计提出了一套单片机控制的滴灌节水灌溉系统的方案,该系统可对不同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,其核心是单片机和PC机构成的控制部分,主要对土壤湿度与灌水量之间的关系、灌溉控制技术及设备系统的硬件、软件编程各个部分进行实现。
而单片机控制部分则以采用AT89C51单片机为核心,主要由土壤湿度传感器,信号处理电路,显示电路,输出控制电路,故障报警电路等组成。
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,显示于LED或LCD显示器上。
系统完成后将会有广阔的应用前景。
二、国内外同类研究或同类设计的概况综述
为指导节水技术开发和推广应用,推动节水技术进步,提高用水效率和效益,促进水资源的可持续利用,国家发改委、科技部、水利部、建设部、农业部等五部委今年4月20日已发布《中国节水技术政策大纲》[3]。
大纲从法律、经济、技术和工程等方面提出了全面系统的措施[1]。
另外,第十九届国际灌排大会发表了《北京宣言》。
宣言指出,提高水资源利用效率,是满足未来粮食安全的有效途境[2]。
我国提出经过10年的努力,大型灌溉区节水改造和农田节水灌溉合计节水相当于黄河经流量[8]。
因此,节水是势在必行的。
近年来,喷灌、微灌等一些新型灌溉技术在我国的确得到了广泛的应用,并取得了良好的经济效益和社会效益,已显示出强大的生命力[4]。
但现代灌溉控制器的研究使用在我国农、林及园艺为数不多,与发达国家相比有较大的差距,还基本停留在人工操作上[5]。
即使有些地方搞了些灌溉工程的自动控制系统,但只是小面积的局部控制,真正具有扩展功能大规模灌溉工程的计算机监控系统在我国还不多见[7]。
尤其是一些新型控制技术(例如模糊控制,自适应控制,神经网络控制等)在农业上的应用更是微乎其微[11]。
国家农业信息化工程技术研究中心针对中国设施园艺生产中智能化程度低、综合调控能力差、管理技术落后的现状,通过多学科交叉研究,研发出了一批具有自主知识产权的设施生产智能控制管理的系列软硬件产品,在国内率先集成建立了符合国情的设施生产智能控制与智能管理综合应用系统平台[6]。
研发的产品包括:
系列空气、土壤、水、营养液等环境信息传感器;系列植物生理信息传感器;系列环境信息采集分析系统;系列植物生理生态信息采集分析系统;系列温室环境监控系统;系列大田灌溉自动化控制系统;系列嫁接机、移栽机、消毒机、施肥机、臭氧发生器等小型设施园艺生产装备;配套远程视频、语音、报警监控系统等[9]。
因此本次设计依据单片机的物理及电参数的优点,如长延时、低功耗、强可靠性、抗干扰性等,使其在许多领域得到广泛应用[6]。
因此本次设计以农田节水灌溉为目标,提出了一套用于农业灌溉节水控制系统。
本系统的工作原理是利用土壤水分传感器测定土壤的含水情况,并且把信号送到单片机,然后单片机根据其内置的控制规则,对输入的信号进行判决,根据判决结果作出是否进行灌溉以及灌溉多长时间。
为了保证系统进行的安全可靠,还具有各种报警功能,如管道过压、欠压报警等[10]。
参考文献:
[1]王成,侯瑞锋,张馨.国节水灌溉监测控制系统在设施生产中的研究与应用(下).国家农业信息化工程技术研究中心,2002,7
(2):
12-16
[2]张兵,袁寿其.单片机模糊智能控制在灌溉中的应用[J].节水灌溉,2002,(6):
21-22
[3]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,2001,47-53
[4]王远,成立.模拟电子技术[M].北京:
机械工业出版社,2000,32-48
[5]何立民.单片机运用技术选编[M].北京:
航空航天大学出版社,2000,98-129
[6]张兵,袁寿其,成立.国内外节水灌溉自动化技术发展现状与展望[J].排灌机械,2003,11(7):
8-14
[7]何军省.单片机外围器件[M].北京:
航空航天大学出版社,2003,9-15
[8]徐爱军.智能化测量控制仪表原理与设计[M].北京:
航空航天大学出版社,1995,90-105
[9]张兵.智能化节水灌溉控制系统的设计与研究[M].镇江:
江苏大学,2003,45-49
[10]景东升.单片机自动灌溉控制系统的研究设计与应用[M].北京:
北京农业工程大学,1994,3-7
[11]RenatoSilvio,FrotaRibeiro.Fuzzylogicbasedautomatedirrigationcontrolsystemoptimizedvianeuralnetworks[J].AdissertationpresentedforthePHD.TheUniversityofTennessee.America,1998,9-17
三、研究方案
3.1研究内容
利用单片机和PC机构成的控制部分,主要对土壤湿度与灌水量之间的关系、灌溉控制技术及设备系统的硬件、软件编程各个部分进行实现。
3.2实现目标
本次毕业设计是全面运用所学的基本理论、专业知识和基本技能,从工程实际问题出发而进行的一次综合性训练。
主要达到以下目标:
(1)培养检索与阅读中外文献资料的能力;拟定调查、实验、设计、研究方案的能力;对方案进行论证、分析与比较的能力;组织实施的能力;实验数据分析与处理的能力;综合分析与比较的能力;工程制图及编程设计计算说明书的能力;运用网络和计算机的能力等
(2)学习和掌握基于51单片机节水控制系统的基本设计方法;
(3)巩固各相关专业课的基本理论知识,初步设计单片机控制的滴灌节水灌溉系统的方案。
(4)实现适当而合理的灌溉时间和水量控制,从而实现农作物的健康成长,更是在节约用水和有效用水方面做出突破,实现产量上的丰收和成本上的缩减。
3.3研究方法
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,信号处理电路,显示电路,输出控制电路,故障报警电路等组成。
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,显示于LED或LCD显示器上。
3.4欲解决的问题
(1)满足节水灌溉系统运行的各项性能指标;
(2)利用单片机技术实现对整个系统的运行控制;
(3)完成系统调试和监控系统的调试。
四、进程计划(各研究环节的时间安排、实施进度、完成程度等)
第一阶段:
阅读文献,查阅资料,完成开题报告。
(3月9日-3月22日)
第二阶段:
进行系统的原理和电路图的设计。
(3月23日-4月14日)
第三阶段:
进行程序流程图和程序设计。
(4月15日-5月7日)
第四阶段:
进行硬件的整理和准备。
5月8日-5月27日)
第五阶段:
撰写毕业论文。
(5月27日-6月9日)
第六阶段:
完成论文修改,准备答辩。
(6月9日-6月15日)
五、导师评语
指导教师签字:
年月日
机电工程学院
毕业实习报告
专业:
电气工程及其自动化
班级:
2006.01
姓名:
田源
日期:
2010年4月18日
毕业实习报告
一、实习内容
我实习的内容主要是对我的毕业设计题目进行调研。
我的毕业论文题目是基于单片机的自动节水控制系统的设计。
首先是了解现在目前国内的一些农田灌溉系统的设计和应用情况。
国内自20世纪50年代即开始节水灌溉的研究,并对当时主要农作物的需水量和需水规律、灌溉制度进行了许多试验研究,绘制了全国主要农作物的需水量等值线图,建立了全国灌溉试验资料数据库。
20世纪70年代主要集中在节水灌溉制度方面的研究。
节水灌溉制度包括灌水时期、灌水定额和轮灌周期等内容。
根据水与作物生长、发育及产量间的关系,通过有限水量在作物生育期内的最优分配,以提高有限灌溉下作物根系吸收转化和光合作用向经济产量转化的效率为目标,进而达到高产和高水分生产率。
但此时期的研究是基于传统的充分灌溉基础上的。
20世纪80年代开始,许多研究者放弃了充分灌溉的研究,转向节水型劣态或亚劣态试验,结果表明与充分灌溉相比,节水灌溉条件下的产量降低并不严重。
随后,调污灌溉技术发展很快。
喷、微灌技术是当今世界上节水效果最明显的技术,是当前诸多现代灌溉技术中省水率最高。
应用最为广泛的灌溉方法,目前研究很多。
如:
喷灌水量分布均匀性评价指标的实验研究;漫灌和喷灌条件下土壤养分运移特征的初步研究,研究了漫灌、喷灌入渗条件下,土壤养分运移的特征;喷灌条件下小气候变化规律的研究,研究了最大温差和最大相对湿度与喷灌时间、喷灌工作压力、风力、风向以及光照强度的关系;喷灌条件下冬小麦生理特征及生态环境特点的实验研究。
喷灌硬件设施方面的研究有:
低压管喷及其节水高产机理研究;水田自动给水灌溉系统中非均匀出流问题的研究;田间喷管结合灌水技术体系的研究;灌区灌溉中的模糊控制;GPS节水灌溉系统的研究。
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非常重要,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,基本上属粗放的人工操作,即便对于给定的量,在操作中也无法进行有效的控制,为了提高灌溉效率,缩短劳动时间节约水资源,必须发展节水灌溉控制技术。
现代智能型控制器是行灌溉系统田间管理的有效手段和工具,它可提高操作准确性,有利于灌溉过程的科学管理,降低对操作者本身素质的要求。
除了能大大减少劳动量,更重要的是它能准确、定时、定量、高效地给作物自动补充水分,以提高产量、质量、水、节能。
现代灌溉控制器的研究使用在我国农、林、及园艺为数不多,与发达国家相比,有较大的差距,还基本停留在人工操作上。
即使有些地方搞了一些灌溉工程的自动化控制系统,也是根据经验法来确定每天灌溉次数和每次灌溉量。
如果灌溉量与作物实际需水量相比太少,便不能有效的促进作物健康成长;而灌溉量太多,肥水流失,又会造成资源浪费。
同时传统的灌溉法还需要相关专家的实时观察并经验指导生产,劳动生产率低,这也不能与现代化农业向优化、高效化方向发展要求同步。
随着计算机技术和传感器技术的迅猛发展,计算机和传感器的价格日益降低,可靠性日益提高,用信息技术改造农业不仅是可能的而且是必要的。
用高新技术改造农业产业,实施节水灌溉己成为我国农业乃至国民经济持续发展战略性的根本大事。
本文旨在设计一套能对作物生长进行自动监控的系统,它能对作物进行适时、适量的灌水,起到高效灌溉、节水、节能的作用。
我国节水灌溉自动化研究处于仍起步阶段,自动化程度相对比较低,目前开发的自动灌溉控制系统还处于研制、试用和改进阶段。
在开发的产品中有代表性的如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,具有手动控制,程序控制和自动控制等多种灌溉系统模式,可按需要灵活应用,在大连,北京等地已经投入应用,效果良好,得到了很多专家及其研究人员的认可,但其成本相对较高,适用于温室内农作物。
由中国灌排技术开发公司开发的集中或分散式微灌自动监控系统,根据灌溉计划能自动对微灌工程进行监视,控制和事故处理,该系统的核心控制部件为8098单片机。
还有北京农业工程大学研制的自动化灌溉控制系统,该系统是以8031单片机为核心,可对多通道土壤水分进行检测,实现对多路通道进行自动灌溉控制的功能。
但以上两种系统选用的芯片功能较少,由于电路扩展而使系统复杂化,而且系统运行不稳定。
福建省水利建设技术中心研制的节水灌溉自动化控制系统,其应用计算机技术,通讯技术,自动控制技术和生态农业技术进行集成化与优化配置,可对大田作物采取三种模式的灌溉方式,即定时、恒湿及人工模式。
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2.8万亿立方米的水资源总量,全世界排第6位,但人均水资源不足世界水资源的1/4,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个国家之一。
生命之起源,水为必要条件,没有了水,地球上的生命将会枯竭。
随着21世纪的到来,能源危机将接踵而至。
比能源危机更可怕的是,作为人类生命之源的水短缺到了所未有的程度,这一状况还将随着时间的推移和社会的发展继续恶化。
水资源危机已成为全球性的突出问题,越来越受到国际社会的重视和关注。
专家们曾预言,如果不注意保护水节约水,地球上剩下的最后一滴水将是人类的眼泪。
利用科技手段缓解这一危机,将是人类主要的出路。
目前,我国每年缺水量近400亿立方米,其中农业缺水约300亿立方米。
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,全因平均每亩实际灌水量达到450~500立方米,超过实际需水量的一倍左右,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1.0kg/m3,而发达国家的灌溉水利用率可达到80%~90%,水分生产率在2.0kg/m3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60%~70%,则在目前情况下每年可节约灌溉用水15万亿m3。
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。
二、实习体会
通过对国内外农田灌溉控制系统的调研,了解了主要应用于农田的各种控制系统的工作原理及元器件的选择。
通过对这个领域的学习和了解,对于我的课程设计也有了很大的帮助,给了我很多设计上的想法和灵感,使我在设计中能够应用学到的专业知识。
三、实习建议
通过这次实习,自己了解到了很多专业课上没有接触的问题,使得我对学校里的专业学习有了一定的认识:
(1)学校的实习应该紧密联系现代科技发展速度,比如我们专业的机电控制课程设计、电机绕组绕制实习就非常好,虽然这些实习不够完善,比如机电控制课程设计可以添加器件和电缆型号的选择等,但是这些实习是今后做控制设计工作必须具有的最基础的能力,因此这些实习非常有意义。
(2)校外实习少,学生在校除了学习相应的专业课知识外,更应该多去校外实习,了解企业现在的一些发展模式和设备器件的应用。
这将有益于以后的经验的积累,为今后的工作打好基础。
四、实习总结
通过本次毕业实习,自己不仅巩固了在学校所学的专业知识,而且还学到了很多书本上没有的知识。
从自己的所学专业相关出发,本着谦虚、踏实、谨慎的态度去面对实习过程中遇到的所有问题,及时的与人沟通,虚心求教。
通过把自己在学校学过的理论知识运用到社会的实践中去,使得自己的自主学习能力有了很大的提高。
这次为期一月的毕业实习让自己受益匪浅,一方面巩固了所学知识,提高了自己处理实际问题的能力。
另一方面为顺利进行毕业设计做好了准备,并为自己能顺利与社会接轨做好了准备。
毕业实习是我们从学校走向社会的一个过渡,它为我们顺利的走出校园,走向社会做好了准备。
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