节水灌溉自动测控系统.doc

节水灌溉自动测控系统

2012年 4月10日

目 录

绪论
1.1 研究现状·································································6
1.1.1 研究背景································································6
1.1.2 研究发展史······························································6
1.1.3 国内研究展情况··························································7
1.1.4 研究价值································································9
1.2 课题设计的任务和要求······················································9
1.2.1 课题设计要求····························································9
1.2.2 评分标准································································9
2. 方案论证··································································9
2.1 方案选择·································································9
2.2 硬件设计思想····························································11
2.1.1温度传感器的选择························································11
2.1.2湿度传感器的选择························································12
2.1.3放大器电路选择··························································12
2.1.4A/D转换································································12
2.15电平转换·································································13
2.1.6键盘电路································································13
2.1.7LED显示电路····························································13
3. 系统模块电路及主要器件····················································14
3.1 主控电路的设计··························································14
3.1.1 核心控制器·····························································15
3.2 电源电路设计····························································17
3.3 A/D转换································································17
3.3.1 A/D转换器······························································18
3.4 温度检测电路设计························································19
3.4.1 ILC7650前置放大器······················································20
3.5 湿度检测电路设计······················································20
3.5.1 湿度传感器····························································20
3.6 显示电路·······························································21
3.6.1 显示芯片LCD1602·····················································22
3.7 驱动电路的设计·························································22
3.7.1 继电器································································23
3.8 电平转换·······························································23
3.8.1 MAX232芯片··························································24
3.9 复位电路·······························································25
3.10 时钟电路·······························································25
3.11 蜂鸣器警报·····························································26
4. 软件设计································································26
4.1 软件的主流程图设计······················································26
4.2 读取当前状态子程流程图··················································27
4.3 显示子程流程图··························································27
4.4 控制输出子程流程图······················································27
参考文献····································································28
附录一······································································30
附录二······································································31

摘 要

当今世界普遍关注水危机问题，其中最突出的矛盾就是干旱缺水。19世纪世界矛盾的交点是煤，20世纪世界矛盾的交点是石油，21世纪世界矛盾的交点是水，因此，21世纪被称之为水的世纪。专家们认为，我们正进入一个新的水源紧缺时代，水将成为21世纪可持续发展的严重制约因素。今年8月28日在南非约翰内斯堡举行的联合国可持续发展首脑会议上，全体与会代表一致通过将水危机列为未来10年人类面临的最严重挑战之一。
我国是世界上人口最多、粮食消耗量最大的国家，又是世界上人均水资源量最贫乏的国家之一，人均占有水资源量仅为世界平均水平的1/4。随着人口的增长、城镇化和经济社会的快速发展，我国用水矛盾日益尖锐，缺水问题更加突出。而农业作为我国的用水大户，用水量约占水资源总量的65％，农业用水浪费十分严重，主要表现在：灌溉水利用系数低，平均仅为45％左右；自然降水利用率低，仅达到56％；农业用水的效率不高，其中农田灌溉水的利用效率仅有1.0kg/m3左右；初步改造的节水灌溉工程面积仅占全国灌溉面积的30％，因此，发展节水农业势在必行。
另外，发展节水灌溉，对生态环境建设和保护有十分重要的意义。我国生态环境建设是一项长期艰巨的任务，用节约农业用水量支持生态环境建设用水，从源头节水，严格控制上游用水，不仅可以缓解下游用水紧张矛盾，而且遏制下游生态环境恶化趋势，为逐步恢复和保护生态提供支持，同时减少灌溉用水量，有利于遏制地下水进一步超采和减少地质灾害等。
关键词：水资源； 灌溉工程； 节水灌溉； 农业节水

ABSTRACT

Now the world universal attention to the water crisis problem, among them the most outstanding contradiction is arid.Nineteenth Century world contradiction nodal is coal, the twentieth Century world contradiction nodal is oil, the twenty-first Century world contradictory point is water, therefore, twenty-first Century is called the century of water.Experts think, we are entering a new time of water scarcity, water will become in twenty-first Century the sustainable development the serious restriction factor.In August 28th this year in South Johannesburg at the United Nations Summit on sustainable development, all delegate attending the meeting agreed to label water crisis in future 10 years one of the most serious challenges to human.
China is the world's largest population, food consuming country, is also the world's per capita water resource quantity in one of the poorest countries, the per capita water resources is only the world average of 1/ 4.With the increase of population, urbanization and rapid development of economy and society, our country water contradiction is increasingly acerb, shortage issue is more outstanding.While agriculture in China as the large family that use water, water consumption accounted for about65% of total water resource, agricultural water waste is very serious, mainly displays in: the utilization coefficient of irrigation water is low, the average is around 45%; the low utilization rate of natural precipitation, reaching only 56%; agricultural water efficiency is not high, which farmland irrigation water use efficiency is only 1.0kg / m3 left and right sides; the initial transformation of the water saving irrigation area irrigation area takes the throughout the country only30%, therefore, the development of water saving agriculture be imperative.
In addition, the development of water-saving irrigation, the ecological construction and environmental protection are very important. The construction of ecological environment in China is a long-term and formidable task, by saving agricultural water use in support of ecological environment construction from the source of water, water saving, strict control of upstream water, not only can alleviate downstream water contradiction, and curb the downstream trend of ecological environment deterioration, to gradually restore and protect zoology provides support, while reducing the amount of irrigation water, conducive to curb groundwater overexploitation and further reducing geological disasters.

Key words:Water resources; Irrigation engineering; Water saving irrigation;
Agricultural water saving

绪论
1.1研究现状
1.1.1研究背景
生命之起源，水为必然条件。没有了水，地球上的生命将会枯竭。人类文明之数千年历史，为水而奋斗是极其重要的篇章。如我国的郑渠、灵渠及都江堰，埃及尼罗河两岸历史悠久的灌溉工程都是很好的例证。
随着国民经济的发展及人民生活的提高，对水的需求将越来越大，水资源的紧缺将制约着区域国民经济的发展，对农村经济、生态环境等将造成严重影响。目前，农业用水量在总用水量中还是占较高比例，但由于灌溉的方式落后，灌溉水的利用率较低。因此应尽快改变传统落后的灌溉方式，采用先进适用的灌溉技术，发展节水灌溉，不断提高灌溉水德利用效率。
农业发展进入了从传统农业向现代农业转化的新阶段，优质、高产、高效已成为现代农业的发展方向。在这一过程中，设施农业发挥着重要作用。我国设施农业面积虽居世界首位，目前全国设施园艺面积已超过210 万公顷，但产量仅为世界先进水平的1/3。其中的一个重要原因是设施内灌溉技术落后，严重影响设施内的环境状况，使其未能充分发挥节水增产的巨大作用。设施内的水分调控必须依据作物种类、品种和各生育期对设施内空气湿度和土壤湿度的要求进行适时、适量的调节控制。节水灌溉理论研究的根本目的并非单纯节约用水，而是通过供水和其它环境变量的优化提高劳动生产率。从这个意义上，国外更多把节水灌溉称为如何高效用水。节水农业的最终目的是提高单位水资源的农业产出效率，在农田尺度上就是提高作物对土壤水分的利用效率，即消耗单位土壤水量而获得的经济产量。

1.1.2研究发展史
20世纪以前，经过数个世纪的探索，人类学会了拦河蓄水，筑渠引水，开畦灌溉的技术。但用水效率低下，局限了灌溉面积的扩大。生产足够的粮食，为迅猛增长的人口提供食品，怎样提高水的利用率成了20世纪一大难题。
二次世界大战以后，美国的经济、技术飞速发展，以皮尔斯(Pierce)为先导的灌溉企业制造出多种快速连接铝合金接头，与薄壁铝管连接，诞生了半固定及固定式薄壁喷灌系统，使得大面积采用喷灌系统成为可能。半固定系统的优点是造价低廉，对田间耕作无影响。缺点是人工搬动劳动强度大。固定式喷灌系统的优点是劳动强度小，但造价高，对田间耕作有影响，适合于多年生作物灌溉。
为充分利用半固定式喷灌系统造价低的优点，克服其劳动强度高的缺点，一种由机械驱动的类似于半固定系统的喷灌机在30年代晚期由一位叫哈里·法里斯通(Harry. Firestone)的人发明并投入使用。现在仍有数家公司，如美国的维德(Wade Co.)，莱克(Lake)、皮尔斯(Pierce)等在制造这种被称为滚移式喷灌机(Side Roll或Wheel Moving)的机器。其优点是造价比固定式喷灌系统低，劳动强度比半固定式、手工搬管系统低，维修方便。这种机器结构简单，由一台小马力汽油机驱动。滚动轮由薄壁镀锌钢板做成，管道为薄壁铝合金管。适用于低干作物，如棉花、小麦、蔬菜、草皮、草场等的灌溉。
进入50年代，由于经济的快速发展，美国的劳务成本迅速上升。农场主迫切需要劳动成本比滚移式喷灌机还要低廉的机器。1952年，一位名叫弗兰克(Frank)的科罗拉多州的农民发明了一种水力驱动，自动转圈，上边悬挂喷头的喷灌机具，取名为中心支轴式喷灌机(Center Pivot)。后来这种机器的生产权售给内巴拉斯加州的伐利公司（即现在的维蒙特）。这种机器在70年代前多配置雨鸟公司生产的摇臂喷头。其优点是自动化程序高，灌溉劳务成本非常低；地形适应性强，不需要平地。缺点是土地利用率低（约78%）。60年代后，这种机器在地广人稀、地势不平坦的美国中部农业区科罗拉多、内巴拉斯基、堪萨斯广泛推广开来。
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喷头，以达到节约能源的目的。此后，水力驱动也逐渐改变为电力驱动，可靠性越来越高。目前，美国总灌溉面积中，约31%采用中心支轴式系统灌溉。为提高土地利用率，后来又开发出平移式喷灌机(Lateral Moving)，但使用并不多。因为成本较高，维修不方便，能耗高。还有一种叫卷盘式喷灌机的灌溉机具，广泛流行于欧洲各地，起源于法国，适合于中、小农场。整套机具配一支大喷枪，流量及射程非常大。这种机器使用灵活、方便，劳务成本低。但能耗高，喷水均匀度不好，对土壤侵蚀严重对作物打击强度太大。

1.1.3国内外研究情况
20世纪，喷灌、滴灌技术除在农业上得到空前发展之外，城市园林绿化上也广泛采用。草坪灌溉多用地埋式喷灌技术，采用地埋式，主要出于景观美化的目的。著名的制造商有美国雨鸟公司、Toro公司及Hunter公司。
80年代以来，不少企业及研究人员开始探讨地下滴灌技术（简称SDI），将滴灌技术的优点发挥到极致（无地面蒸发损失）。澳大利亚的昆士兰，美国的加州、夏威夷等地，SDI广泛应用于灌溉甘蔗及蔬菜，取得良好效果。雨鸟公司在我国新疆南部将滴灌带埋于地下30厘米，用于铁路防风林带灌溉，也取得良好效果。SDI也有应用于草坪灌溉的，但取得较好效果的报告不多见，推广较缓慢。雨鸟公司开发了一系列应用于园林花卉、行道树灌溉的滴灌设备，在美国、加拿大等地广受欢迎。
我国从70年代开始引进喷灌、滴灌技术，80年代中期曾一度得到迅速发展。但因为经济及技术落后，不几年即纷纷下马。进入90年代中期，国家充分意识到我国水资源的短缺，重新大力推广节水技术。经过数年努力，已取得长足进步。引进消化吸收及仿制了不少条滴灌生产线。产品质量比80年代有了很大进步。。
截至目前，在我国灌区应用最为普遍的节水灌溉技术和实施的工程措施是渠道防渗和低压管道灌溉。我国大中型灌区的骨干渠道一般采用混凝土衬砌和塑料防渗，田间渠道采用混凝土U型槽或低压管道防渗。中心支轴式（时针式）、平移式和滚移式等大型喷灌机械在内蒙古、黑龙江、宁夏、河北等地农业集约化程度相对较高的旱作农业区应用较多。近几家内蒙宁夏等西部地区兴起的薯类作物和牧草灌溉，也多采用大型喷灌机械。这类设备从美国进口较多。国产设备的生产和技术水平近几年提高很快，在国内的应用逐渐增多。 卷盘式喷灌机一类的中性喷灌机械从上世纪90年代中后期自欧洲引进后，曾一度在国内大力推广，并引起一阵国内卷盘式喷灌机的生产热潮。据灌排分会统计，国内卷盘式喷灌机生产企业最多时达到二十多家。但是，因为这种设备在使用过程中的能耗高（运行费用高）、技术要求高（与我国农业技术条件不匹配）和生产经营企业的售后服务等问题在我国一直没有得到妥善的解决。所以，目前我国这类设备仅东北和内蒙地区还在使用。国内的生产企业大多停产。 金属管道类半固定式喷灌系统曾在我国北方大力推广使用。但随着农村劳动力向城市转移和金属原材料价格的上涨，这种灌溉系统在使用过程中需要大量劳力搬移和价格较高的缺陷难以解决。因此，目前使用这种灌溉系统的范围正在萎缩。金属管道类全固定式喷灌系统因其价格比较半固定式喷灌系统更为昂贵，在我国很少使用。从国外引进的塑料喷水带灌溉系统是近几年在我国使用日益广泛的一种灌溉设备。这种灌溉系统因其比金属管道类半固定式喷灌系统节省劳力，比金属管道类全固定式喷灌系统价格低廉而受到农民的欢迎，尤其在江浙、广东、海南、福建等经济较为发达的地区，这类灌溉系统目前用于蔬菜、水果、花卉等经济类作物的种植较为普遍。轻小型喷灌机组是我国农村使用较早的一种抗旱型节水灌溉设备。在我国东北、华北、华东地区的农村，至今还在广泛使用这种设备。
滴灌技术和设备在我国新疆地区棉花，番茄，甜菜等作物种植上大面积使用已经获得了很大的成功。滴灌技术在我国其他省区的蔬菜、花卉、水果、药材、林木等的种植上应用也很广泛。最近，已经有在东北玉米种植上使用滴灌技术的实例。这项技术是近年来日益受到我国农、林、园艺种植欢迎的一种灌溉技术。微喷技术在园林、运动场、花卉和果树种植上使用较多。通过计算机实现的自动控制灌溉和通过土壤水分传感器、灌溉区域气象站和计算机网络实现对作物适时适量供水、施肥、施药的信息化智能灌溉被认为是当今世界最前沿的节水灌溉结束。多年来，美国、以色列等发达国家的灌溉科学家们一直在为改善和提高这两种灌溉系统的技术水平而进行着一系列有关系统设备的水利技术、材料技术、电子技术和IT技术等的科学研究。自动控制灌溉和信息化智能灌溉因其对系统设计、设备选型、施工安装和运行操作环境技术要求很高，并且价格昂贵，目前在我国尚属高端灌溉，所以我国一般在高尔夫球场灌溉系统和园林灌溉系统上使用。
1.1.4研究价值
本文设计是一种现代化农业设施节水灌溉控制系统是一种体积小、成本低、操作简单且工作可靠的灌溉控制系统，它能够实施监测土壤含水量与温度、湿度根据检测结果按照作物需水特性实现适时、按需精确灌溉，达到高效节水的目的更重要的是它能准确、定时、定量、高效的给作物自动补充水分。
1.2课题设计的任务和要求
1.2.1课题设计要求
1、 能显示土壤温度，湿度，水量，超标能发出报警信号；
2、 能准确、定时、定量、高效的给作物自动补充水分；
3、 控制温度：10~30，误差1度
4、 控制湿度：30~40%
1.2.2评分标准
1、分解课题设计要求，收集、阅读和整理相关资料，撰写文献综述和开题报告；（20%）
2、方案的确立；（20%）
3、硬件电路的设计；（30%）
4软件流程图的设计；（30%）
5、论文的撰写。（20%）
2. 方案论证
2.1 方案选择
方案一
温
度
传
感
器
放大电路
A/D转换

单
片
机
主
控
电源电路
复位电路
放大驱动
电磁阀
键盘电路
蜂鸣器
LED显示模块

湿
度
传
感
器
放大电路
A/D转换
电平转换
上位机

太阳能辅助加热

图2.1 节水灌溉自动测控系统设计方案一

在启动节水灌溉系统时可以由键盘设置要控制的温度、湿度标准，再由温度、湿度传感器采集模拟信号通过放大电路放大后经过A/D 转换将得到的数字信号，然后输入到单片机主控中，通过单片机比较后判断是否需要加水（给土壤加温）或当前土壤指标是否超标，并将采取得到指标通过LED显示模块显示出来，如需加水则输出信号由放大驱动打开电磁阀加水（如需要加热则启动太阳能辅助加热给土壤加温），如果所采取的指标超标则起动蜂鸣器发出警报声，如果所采集的指标满足标准则启动下一个传感器。
这种节水灌溉自动控制系统由硬件系统和软件系统两部分组成。软件系统是整个系统的核心，负责协调各部分之间的关系，保证整个系统的正常运行。硬件系统负责数据的采集处理和电磁阀的控制。上位机也可以随时的修改系统运行的参数，让系统能在不同的环境下完成所要求的工作。
该系统灵活性强，易于操作，可靠性高，有广阔的开发前景。此系统结构较复杂、造价较低廉、效率高、系统稳定性高，总体的性价比较高。
方案二
温度传感器
湿度传感器
启动按钮

主机PLC
RS232
控制计算机
电磁阀
声光报警器
电源
显示器
太阳能辅助加热

图2.2节水灌溉自动测控系统设计方案二
该系统以可编程控制器作为控制设备，利用其自带的PID功能指令及其扩展功能模块实现系统对农作物喷灌的自动控制。首先，设计系统的硬件结构，详细分析了PID控制原理，提出了设计的整体方案、目标及功能要求；同时，对可编程控制器与控制计算机的通信进行实时监控，并将农作物的生命曲线存入计算机，按其各阶段所需水分和养分修正PID设定参数。该系统由上位机和下位机组成，能通过对土壤温度、土壤湿度、降雨量和气候的变化以及土壤的成分来自动实现对农作物喷灌时间的控制。整套装置使用起来稳定性高，易于控制，达到了既能节约水资源，又能符合农作物的生长规律的目的，提高产量。
方案一与方案二相比较，方案一优点灵活性高、造价低、效率高、有广阔的开发前景，缺点结构复杂、软件编程较难。方案二优点稳定性高、结构相对简单，缺点造价较高、灵活性较低。所以此次设计选用方案一。
2.2硬件设计思想
2.1.1温度传感器的选择
传统的模拟温度传感器，如热电偶、热敏电阻和RTDS对温度的监控，在一些温度范围内线性不好，需要进行冷端补偿或引线补偿；热惯性大，响应时间慢。集成模拟温度传感器与之相比，具有灵敏度高、线性度好、响应速度快等优点，而且它还将驱动电路、信号处理电路以及必要的逻辑控制电路集成在单片IC上，有实际尺寸小、使用方便等优点。常见的模拟温度传感器有LM3911、LM335、LM45、AD22103电压输出型、AD590电流输出型。
2.1.2湿度传感器的选择
湿度传感器主要用来测量土壤容积含水量，做土壤墒情监测及土壤灌溉，目前常用到的土壤湿度传感器有FDR型和TDR型。它利用电磁脉冲原理、根据电磁波在介质中传播频率来测量土壤的表观介电常数(ε)，从而得到土壤容积含水量(θv)，FDR具有简便安全、快速准确、定点连续、自动化、宽量程、少标定等优点。是一种值得推荐的土壤水分测定仪器。
2.1.3放大器电路选择
很多情况下，传感器输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满足A/D转换器对输入信号电平的要求，这种情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。
2.1.4A/D转换
功能模块图：

控制
逻辑
N位寄存器
D/A转换器
锁存缓存器

VN
VIN VREF

D7
D5
D3
START D1
D0

EOC
OE

图2.3 A/D转换功能模块图
逐次逼近式ADC的转换原理
(以8位的寄存器为例)
A/D转换器片内有D/A转换和电压比较器
首先向片内D/A转换器输入1000 0000，若电压比较器：VIN > VN (VN为片内D/A转换的输出VIN为A/D转换器的输入电压)，N位寄存器的首位置1 (若VIN < VN，则寄存器首位写0)；再向D/A转换输入1100 0000(首位写0时，输入0111 1111)，若VIN > VN则寄存器第二位置1(若VIN < VN，则写0)；再向D/A转换输入1110 0000(或0011 1111)，若VIN > VN则寄存器第三位置1(若小于，则写0)；依次下去直到寄存器第8位赋值结束，控制逻辑监测到比较放大器进行8次后，EOC输入信号，让A/D转换器将结果通过锁存缓存器输出至D0~D9。
2.15电平转换
串行外设接口一般由单向控制线、数据输入、数据输出、时钟和片选组成,数据输入/ 输出还可以是MISO(主机输入、从机输出) 和MOSI(主机输出、从机输入) 。SPI 的时钟速率可超出20Mbps ,并由CMOS 推挽式逻辑输出级驱动。数据传输的单向性简化了转换器的设计。由于不必考虑数据在单条信号线上的双向传输问题,因此,可以利用图示的简单电阻———二极管方案或晶体管方案。双向总线电平转换需要考虑在单条信号线上实现数据的双向传输,这在具体实施时比较困难,电阻———二极管结构或单晶体管由于受其固有的单向传输特性的制约而无法胜任这项工作。I2C、SMBus、Dallas 半导体公司的1 - wire 均为双向传输总线, 同时都是漏极开路I/ O 拓扑。其中I2C具有三种速率范围,分别为低于100kbps 的标准模式、低于400kbps的快速模式和低于3. 4Mbps 的高速模式。

图2.4 电平转换
2.1.6键盘电路
矩阵式键盘中，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到＋5V上。当无键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线将导通，此时，行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。这是识别按键是否按下的关键。然而，矩阵键盘中的行线、列线和多个键相连，各按键按下与否均影响该键所在行线和列线的电平，各按键间将相互影响，因此，必须将行线、列线信号配合起来作适当处理，才能确定闭合键的位置。
2.1.7LED显示电路
动态显示是指一位一位的轮流点亮各位数码显示器，即每隔一段时间点亮一个数码管。动态显示时

图2.5 LED显示
3. 系统模块电路及主要器件
3.1 主控电路的设计
控制系统是指由控制主体、控制客体和控制媒体组成的具有自身目标和功能的管理系统。而每个控制系统都会有一个主控电路模块。这个主控电路在控制系统中充当着大脑的作用，一切的指令都是从这里发出去的，而且主控电路不仅担待着控制的重任，而且承担了一切数字运算和逻辑运算。例如在外接一个传感器的情况下，在传感器将数据输送至主控单片机中，这是主控电路就要工作起来了，在主控芯片中也就是单片机中将进行数据比较数据传送等工作。而主控电路的组成一般无特定性，根据设计的要求主控电路可以是多样的，主控电路都是以单片机作为主体进行扩展的。本设计的主控电路如图3.1所示

图3.1单片机主控电路
此电路共有三个部分组成：单片机、上拉电阻和按键组成。因为单片机内部P0口内部没有上拉电源。所以当P0口作为普通 I/O口功能是写“1”是写不了的。为了能够使P0输出能得到“1”就需要在外部接上拉电路。
3.1.1 核心控制器
主控电路是每一个控制系统的核心，而单片机却又是每一个主控电路的核心。本设计用到的单片机是89C52。89C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用ATMEL公司可靠的CMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了CMOS的高速和高密度技术及CMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于89C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。89C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。此外，89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系