智能节水灌溉系统设计毕业论文设计.docx
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毕业设计
智能节水灌溉系统设计
智能节水灌溉系统设计
摘要:
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。
本文就此问题研究了单片机控制的节水灌溉系统,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、灌溉控制技术及各系统的硬件设计、软件编程等各个部分进行了深入的研究。
该系统以AT89C51单片机为核心控制部分,其次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。
本设计用protues软件绘制了系统原理图,并用汇编语言进行了软件部分的编写。
还对几个主要电路进行了仿真。
用CAD2010软件绘制了曲线图,用WPS表格工具绘制了表格。
系统主要具有以下功能:
土壤传感器检测土壤湿度并发送到单片机。
单片机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之后显示到LED显示器上并进行计算。
若需灌水,则单片机系统启动鸣音报警,发出灌水信号,并经放大驱动设备,开启电磁阀进行倒计时定时灌水,若不需灌水,系统不进行灌水。
本系统可实现单路数据采集处理功能,如稍加改变,便可实现对多因子和多输入数据的采集处理功能。
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:
滴灌,节水灌溉,单片机控制,自动化
Intelligentirrigationsystemdesign
Abstract:
Automaticcontrolofwater-savingirrigationtechnologyrepresentsthedevelopmentofagriculturalmodernization,andirrigationsystemstothelowlevelofautomationisthemaincauseofrestrictingourhighefficiencyagriculturaldevelopment.
Thispaperstudyontheissuewithsingle-chipmicrocomputercontrolofdripirrigationwatersavingirrigationsystem,thesystemcanbeofdifferentsoilhumiditymonitor,andtimelyinaccordancewiththerequirementsofthecropsonsoilmoisture,adequatewater,itscoreisasingle-chipmicrocomputercontrolpart,consistingofmainlytherelationshipbetweensoilmoistureandirrigationwater,irrigationcontroltechnologyandsetupthesystemofhardware,software,programmingeachpartcarriedonthethoroughresearch.
ThissystemuseAT89C51microcontrollerasthecorecontrolsection,secondlyismainlycomposedofsoilmoisturesensors,signalprocessingcircuit,displaycircuit,outputcontrolcircuit,faultalarmcircuit,etc.
ThisdesignusingtheProtuessoftwarerenderingthesystemschematicdiagram,usingassemblylanguagetowritethesoftwarepart.Alsoonthemaincircuitsimulation.UsetheCAD20110softwaretodrawthegraph,usetheWPSformtoolcreatetheform.
Systemhasthefollowingmainfunctions:
thesoilsensordetectionofsoilmoistureandsenttoMCU.SCMwillsoilmoisturesensorsdetecttheamountofsoilmoisturesimulationafterconversiontodigitalquantityaccordingtotheLEDdisplayandtocalculate.Ifneedtoinfusewater,thesinglechipmicrocomputersystemstartsingingsoundalarm,signalirrigation,andamplifyingdrivingdevice,openthesolenoidvalveforthecountdowntimertoinfusewater,ifyoudon'tneedtoinfusewater,irrigationsystemisnot.
Thissystemcanbesinglechanneldataacquisitionandprocessingfunctions,suchasalittlechange,canrealizethemultiplefactorsandmultipleinputdatacollectionandprocessingfunctions.Thesystemflexibilityisstrong,easyoperation,highreliability,therewillbemorebroadprospectsfordevelopment.
Keywords:
dripirrigationandwater-savingirrigation,single-chipmicrocomputercontrol,automation
目录
智能节水灌溉系统设计 I
Intelligentirrigationsystemdesign II
第一章引言 1
1. 1研究背景 1
1. 1.1水危机的严重性 1
1. 1.2农业高效节水的必要性 1
1. 2国内外节水灌溉技术发展概况 2
1. 2.1国外节水灌溉自动化发展状况 1
1. 2.2国内节水灌溉自动化发展状况 1
1. 3课题研究的目的和意义 2
1.4课题研究内容 4
第二章微灌节水系统的总体设计 5
2・1微灌技术简介 5
2.1.3组成 6
2.1.4优势和缺点 6
2.1.5发展 7
2.2±壤含水量的有关概念 8
2.2.2体积含水率与重量含水率 8
2.2.3土壤含水量测量方法 9
2.3.1控制系统总图 10
2.4单片机控制系统简图 10
2.5主要器件的选取 11
2.5.1单片机的选取 11
2.5.2土壤传感器的选取 12
2.5.3模数转换芯片的选取 13
2.5.4数据存储器的扩展 13
2.5.5并行I/O口的扩展 13
2.5.6软件语言的选取 14
2.6模糊理论概述 14
2.6.1模糊理论的创立 14
2.6.2模糊控制的技术特点 15
2.6.3模糊控制算法概论 16
2.6.4输入量的模糊化 16
2.6.5模糊规则形成和推理 17
2.6.6精确输出量的反模糊化 17
第三章控制核心硬件设计 18
3.1硬件设计综述 18
3.2时钟电路 19
3.3复位电路 20
图3.2复位电路 20
3.4数据存储器的扩展电路 20
图3.3数据存储器的扩展电路 21
3.5显不电路 21
图3.4显示电路 22
3.6数据采集(模数转换)电路 22
图3.5数据采集(模数转换)电路 23
3.7报警电路 23
3.8AT89C51与PC机的串口通信接口电路 24
第四章控制系统软件设计 25
4.1系统主程序设计 25
4.2采样子程序 27
4.3数据采集程序 27
4.3.1数据过滤 27
4.3.2标度变换 30
4.3.3BCD转换 33
4.4显示子程序 34
第五章总结 36
参考文献 37
致谢 39
第一章引言
1.1研究背景
1.1.1水危机的严重性
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前所未有的程度,这一状况还将随着时间的推移和社会的发展继续恶化。
水资源危机己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。
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2.8万亿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,是世界上人均占水资源最贫乏的13个国家之O
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450-500m3,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1.0kg/m3;而发达国家的灌溉水利用率可达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0.10〜0.15万亿m3mlo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国内外节水灌溉技术发展概况
微灌是一种现代化的精细高效节水灌溉技术,它是当前世界上诸多节水灌溉技术中省水率最高、最为先进的一种灌溉方法。
近十年来,微灌作为新兴的灌溉技术在世界各国得到了较快的发展。
从70年代中期到90年代中期,微灌在部分发达国家迅速推广,1983年全世界微灌面单片机控制的节水灌溉系统的研究积达到43万丘m2,其中美国占一半以上。
到90年代中,全世界微灌面积达到291.3万hm2,约占全世界灌溉面积的1.1%,其中美国约150万hm2占美国总灌溉面积的4%,根据2000年统计,美国微灌面积占全国总灌溉面积2553.6万hm2的5%。
灌溉面积中微灌比例最高的国家是塞浦路斯和以色列,其中以色列农业微灌
面积占到了灌溉总面积的40%,达到10.4万hm2,其余均为喷灌。
西班牙、法国、意大利、希腊、埃及等环地中海国家以及南非、澳大利亚、墨西哥、日本等国应用面积也较多。
而同一时期我国微灌设备与技术进步缓懂,全国微灌面积徘徊在2〜3.7万hm2,90年代以来,我国对节水灌溉越来越重视,据各地资料汇总到1999年底全国微灌面积己达到20万hm2,平均每年以20000〜27000hm2的速度增加,一年新增面积相当于过去二十年的总和。
尽管至今微灌在世界总灌溉嚣积中所占的比重很小,僵其增长率远高于其它灌溉技术。
在微灌技术发展的同时,自动化灌溉控制技术以及相应的理论研究也得到了高度重视。
1.2.1国外节水灌溉自动化发展状况
发达国家发展高效农业的一个重要途径是灌溉管理的自动化,如美国、法国、英国、日本、以色列等发达国家己采用了先进的灌溉系统。
他们采用先进的节水灌溉制度,由传统的充分灌溉向非充分灌溉发展,对灌区用水进行监测预报,实行动态管理,采用遥感技术,监测土壤墙情和作物生长,开发和制造了一系列用途广泛,功能强大的数字式灌溉控制器,并得到了广泛的应用。
地处干旱缺水地带的以色列,它是世界上微灌技术发展最具有代表性的国家,目前全国农业土地基本上实现了灌溉管理自动化,并且普遍推行自动控制系统,按时、按量将水、肥直接送入作物根部水资源利用率和单方水的粮食产量都相当高。
北美、澳大利亚,韩国等国家和地区都己有发展成熟并形成系列的灌溉控制器产品,徽灌方式普遍采用计算机控制,埋在地下的湿度传感器可以传回有关土壤水分的信息,还有的传感器系统能通过检测植物的茎和果实的直径交化来决定对植物的灌水间隔。
在温室等设施内较多使用小型灌溉管理程序,浇水时间可按日期设定每次每路灌水起止时阀,操作便于小规模经营。
计算机化操作运行精密、可靠、节省人力,对灌溉过程的控制可达到相当的精度,在以色列,己经出现了在家里利用电脑对灌溉过程进行全部控制(无线、有线)的农场主。
1.2.2国内节水灌溉自动化发展状况我国的微灌技术在70年代就有所研充发展。
我国最早的渗灌工程是山西临汾的龙子祠引泉工程和河南省济源的合瓦地灌排工程。
1975年以后,山西省万荣县、河南省许昌市及江苏省的常熟、雎宁、南遥、启东、徐州等地进行了渗灌华中农业大学2005届硕士毕业论文试点。
然而,这些试点仅限予试验阶段,没有得到广泛应用,而且也没有采用自动化控制的思想。
我国节水灌溉自动化研究处于起步阶段,自动化程度低,目前开发的自动灌溉控制系统还处于研制、试用阶段。
在开发的产品中有代表性的如中国农业机械亿研究院联合多家单位研制的.2000型温室自动灌溉施肥系统其有手动控制、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,北京等地己经投入应用,效果良好,但其成本较高,适用于温室内作物。
由中国灌撵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,其核心控制部件为8098单片机。
北京农业工程大学研制的自动化灌溉控制系统是以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。
但以上两季申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。
北京奥特思达科技有限公司研制的盯一02型徽喷灌定时自动控制器,是一种供农业,草坪,果园,温室等一般场合给水的电子灌溉自动化控制系统,但他们都只能对作物实现定时定量周期性的灌溉,不能按照作物所需水分进行适时,适量的灌溉。
国内还有研制的囊接以PC机进行控制的自动灌溉控制器,不仅使成本增加,而且不易在田间较恶劣的环境下使用,所以实用化程度很低
总之.目前国外灌溉控制器己逐步趋于成熟、系列化,并朝着大型分布式控制系统秘小嚣积单机控制两个方向发展,产品一般都能与微机进行通信,并由微机对其施行控制。
而在我国,虽然有多家研制灌溉控制器。
但多数是小规模、实验理论的探讨,面且开发出来的产品价格昂贵,农民尽管知道自动节能、节水、增产,但由于一次性投资太大,多数农民承受不起,所以根本无法普及应用。
1.3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,一是水的闯题,二是科技的闯题。
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耨的农业技术革命。
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。
灌溉系统自动化东平较低是制约我国离效农业发展豹主要原因。
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,即便对于给定的置,在操作中也无法进行有效的控制,为了提高灌溉效率,缩短劳动时间和节约水资源,必须发展节水灌溉控制技术。
现代智能型控制器是进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,节水、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,乂会造成资源浪费,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。
我国先后引进了以色列、美国、法国、德国等国家的部分先进灌溉控制设备,但价格昂贵,维护保养困难,多数用于农业示范区、科研单位或高校,而且不符合我国土壤的应用特点。
我国自己的现代灌溉控制器的研制和使用尚处于起步阶段,因此,作为一个农业大国,中国俄充开发自己的先进的低成本、使用维护方便、系统功能强且扩展容易的国产化数字式节水灌溉器是一项极有意义的工作。
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带战略性的根本大事。
本文旨在设计一套能对作物生长的土壤湿度迸行自动监控的系统,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。
1.4课题研究内容
本论文主要研究单片枫控制的漓灌节水灌溉系统,分别对土壤湿度与灌水量之间的关系、灌溉控制技术及系统设备的软、硬件各个部分进行了深入的研究。
主要内容如下:
1.根据滴灌技术的特点,进行节水灌溉控制系统的整体研究与设计。
2.针对土壤湿度难以用精确的数学模型描述的特点,采用模糊控制理论,对这一理论进行了深入的研究。
3.LED显示土壤湿度值,在灌水期间以倒计时的方式显示灌水剩余时间。
4.当土壤湿度值低于设定的最低值时,系统可自动报警。
5.通过滴灌实验研充灌水量、灌水时间和土壤湿度之间的关系。
第二章微灌节水系统的总体设计
2.1微灌技术简介
2.1.1定义
微灌(microirrigation),是按照作物需求,通过管道系统与安装在末级管道上的灌水器,将水和作物生长所需的养分以较小的流量,均匀、准确地直接输送到作物根部附近土壤的一种灌水方法。
与传统的全面积湿润的地面灌和喷灌相比,微灌只以较小的流量湿润作物根区附近的部分土壤,因此,乂称为局部灌溉技术。
2.1.2分类
微灌分为以下四种类型:
1.地表滴灌(surfacedripirrigation),是通过末级管道(称为毛管)上的灌水器,即滴头,将压力水以间断或连续的水流形式灌到作物根区附近土壤表面的灌水形式。
2.地下滴灌(Subsurfacedripirrigation,简称SDI),将水直接施到地表下的作物根区,其流量与地表滴灌相接近,可有效减少地表蒸发,是目前最为节水的一种灌水形式。
3.微喷灌(Micro-spray或microjet或minisprinklerirrigation),是利用直接安装在毛管上,或与毛管连接的灌水器,即微喷头,将压力水以喷洒状的形式喷洒在作物根区附近的土壤表面的一种灌水形式,简称微喷。
微喷灌还具有提高空气湿度,调节田间小气候的作用。
但在某些情况下,例如草坪微喷灌,属于全面积灌溉,严格来讲,它不完全属于局部灌溉的范畴,而是一种小流量灌溉技术。
4,涌泉灌(Bubblerirrigation),管道中的压力水通过灌水器,即涌水
器,以小股水流或泉水的形式施到土壤表面的一种灌水形式。
2.1.3组成
典型的微灌系统通常由水源工程、首部枢纽、输配水管网和灌水器四部分组成。
1.水源:
江河、渠道、湖泊、水库、井、泉等均可作为微灌水源,但其水质需符合微灌要求。
2.首部枢纽:
包括水泵、动力机、肥料和化学药品注入设备、过滤设备、控制器、控制阀、进排气阀、压力流量量测仪表等。
3.输配水管网:
输配水管网的作用是将首部枢纽处理过的水按照要求输送分配到每个灌水单元和灌水器,输配水管网包括干、支管和毛管三级管道。
毛管是微灌系统的最末一级管道,其上安装或连接灌水器。
4.灌水器:
灌水器是直接施水的设备,其作用是消减压力,将水流变为水滴或细流或喷洒状施入土壤。
2.1.4优势和缺点
微灌可以非常方便低将水施灌到每一株植物附近的土壤,经常维持较低的水应力满足作物生长要求。
微灌还具有以下诸多优点:
1、 省水
微灌按作物需水要求适时适量地灌水,仅湿润根区附近的土壤,因而显著减少了灌溉水损失。
2、 省工
微灌是管网供水,操作方便,劳动效率高,而且便于自动控制,因而可明显节省劳力;同时微灌是局部灌溉,大部分地表保持干燥,减少了杂草的生长,也就减少了用于除草的劳力和除草剂费用;肥料和药剂可通过微灌系统与灌溉水一起直接施到根系附近的土壤中,不需人工作业。
3、 节能
微灌灌水器的工作压力一般为50〜150kPa,比喷灌低得多,乂因微灌比地面
灌省水,对提水灌溉来说意味着减少了能耗。
4、灌水均匀
微灌系统能够做到有效地控制每个灌水器的出水流量,因而灌水均匀度高,
一般可达85%以上。
5、 增产
微灌能适时适量地向作物根区供水供肥,为作物根系活动层土壤创造良好的水、热、气、养分环境,因而可实现高产稳产,提高产品质量。
6、 对土壤和地形的适应性强
微灌采用压力管道将水输送到每棵作物的根部附近,可以在任何复杂的地形条件下有效工作。
但是,微灌系统投资一般要远高于地面灌;灌水器出口很小,易被水中的矿物质或有机物质堵塞,如果使用维护不当,会使整个系统无法正常工作,甚至报废。
2.1.5发展
各种微灌技术措施的共同特点是用塑料(或金属)低压管道,把流量很小的灌溉水送到作物附近,再通过体积很小的塑料(或金属)滴头或微喷头,把水滴在或喷洒在作物根区,或在作物顶部形成雨雾,也有通过较细的塑料管把水直接注入根部附近土壤。
这类灌水方法与地面灌溉和喷灌比较,灌水的流量小,持续时间长,间隔时间短,土壤湿度变幅小。
根据许多国家试验结果,微灌比喷灌可省水30%左右,比地面灌可省水75%左右。
微灌采用的工作压力一般为50〜150kPa,能量消耗较
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