【正文】 危機更為可怕的是，作為人類生命之源的水的短缺 到了前所未有的程度，這一狀況還將隨著時間的推移和社會的發(fā)展繼續(xù)惡化。水資源危機己成為全球性的最突出的惡劣問題，越來越受到國際社會的重視和關(guān)注。專家們曾預(yù)言，如果不注意保護與節(jié)約用水，地球上剩下的最后一滴水將是人類的眼淚。利用科技手段緩解這一危機，將是人類主要的出路。 沈陽航空 航天大學(xué) 電子 信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 圖 水的可貴 灌溉技術(shù)的重要性 由于水的污染，水的可貴，喚醒了人們對水的重視；人們對健康的重視，轉(zhuǎn)換成對環(huán)境的重視，特別是對水的重視。水的用處由此也體現(xiàn)出來了，水的兩個消耗：第一是生活用水，第二的農(nóng)業(yè)用水。 當前 ，占世界人口總量 40％的 80 個國家缺水，其中 26 個國家嚴重缺水。我國有 萬億立方米的水資源總量，但人均水資源不足世界水資源的 1/4，是世界上人均占有水資源最貧乏的 13 個國家之一。 目前，我國每年缺水量近 400 億立方米，其中農(nóng)業(yè)缺水約 300 億立方米。我國用水大戶仍然是農(nóng)業(yè)用水，約占 70％，而農(nóng)業(yè)用水的 90％是灌溉用水。與一些發(fā)達國家相比，我國農(nóng)業(yè)的用水效率還是相當?shù)偷模喔人Y源的浪費情況相當嚴重，節(jié)水的潛力十分巨大。通過發(fā)展節(jié)水灌溉，把節(jié)約出來的水量用于城市生活、工業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)用水，以水資源的可持續(xù)利用 促進經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展。隨著市民對水的重視，灌溉技術(shù)也有了很大的提升，人們開始想很多方式方法去灌溉農(nóng)作物，噴灑式灌溉設(shè)備，滴水式灌溉設(shè)備等。 圖 噴灑式灌溉設(shè)備 沈陽航空 航天大學(xué) 電子 信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 國內(nèi)外節(jié)水灌溉技術(shù)發(fā)展趨勢 微灌 (microirrigation)，是按照作物需求，通過管道系統(tǒng)與安裝在末級管道上的灌水器，將水和作物生長所需的養(yǎng)分以較小的流量，均勻、準確地直接輸送到作物根部附近土壤的一種灌水方法。 微灌是一種現(xiàn)代化的精細高效節(jié)水灌溉控制技術(shù)，它是當前世界上諸多節(jié)水灌溉控制技術(shù)中省水率最高、最為先進的一種 灌溉方式。盡管至今微灌控制技術(shù)在世界總灌溉器積中所占的比重很小，但其增長率遠高于其它灌溉控制技術(shù)。在微灌控制技術(shù)發(fā)展的同時，自動化灌溉控制技術(shù)以及相應(yīng)的理論研究也得到了高度重視。 國外節(jié)水灌溉控制技術(shù)發(fā)展狀況 從 70年代中期到 90年代中期，微灌控制技術(shù)在部分發(fā)達國家迅速推廣， 1983年全世界微灌面積達到 43 萬公頃，其中美國占一半以上。到 90 年代中，全世界微灌面積達到 萬公頃，約占全世界灌溉面積的 %，其中美國約 150 萬公頃之大。微灌控制技術(shù)比例最高的國家是塞浦路斯和以色列，其中以色 列農(nóng)業(yè)微灌面積占到了灌溉總面積的 40％，達到 萬公頃，其余均為噴灌。西班牙、法國、意大利、希臘、埃及等環(huán)地中海國家以及南非、澳大利亞、墨西哥、日本等國應(yīng)用面積也較多。 發(fā)達國家發(fā)展高效農(nóng)業(yè)的一個重要途徑是灌溉控制管理的自動化，如美國、法國、英國、日本、以色列等發(fā)達國家已采用了先進的灌溉控制系統(tǒng)。他們采用先進的節(jié)水灌溉制度，由傳統(tǒng)的充分灌溉向非充分灌溉發(fā)展，對灌區(qū)用水進行監(jiān)測預(yù)報，實行動態(tài)管理，采用遙感技術(shù)，監(jiān)測土壤墑情和作物生長，開發(fā)和制造了一系列用途廣泛，功能強大的數(shù)字式灌溉控制系統(tǒng)，并得到了廣泛的 應(yīng)用。地處干旱缺水地帶的以色列，它是世界上微灌控制技術(shù)發(fā)展最具有代表性的國家，目前全國農(nóng)業(yè)土地基本上實現(xiàn)了灌溉管理自動化，并且普遍推行自動控制系統(tǒng)，按時、按量將水、肥直接送入作物根部，水資源利用率和單方水的糧食產(chǎn)量都相當高。北美、澳大利亞，韓國等國家和地區(qū)都已有發(fā)展成熟并形成系列的灌溉控制器產(chǎn)品，徽灌控制方式普遍采用計算機控制，埋在地下的濕度傳感器可以傳回有關(guān)土壤水分的信息，還有的傳感器系統(tǒng)能通過檢測植物的莖和果實的直徑交化來決定對植物的灌水間隔。在溫室等設(shè)施內(nèi)較多使用小型灌溉管理程序，澆水時沈陽航空 航天大學(xué) 電子 信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 間可按日期設(shè)定 每次每路灌水起止時閥，操作便于小規(guī)模經(jīng)營。計算機化操作運行精密、可靠、節(jié)省人力，對灌溉過程的控制可達到相當?shù)木?，在以色列，已?jīng)出現(xiàn)了在家里利用電腦對灌溉過程進行全部控制的農(nóng)場主。 國內(nèi)節(jié)水灌溉控制技術(shù)發(fā)展狀況 我國節(jié)水灌溉自動化研究處于起步階段，自動化程度低，目前開發(fā)的自動灌溉控制系統(tǒng)還處于研制、試用階段。在開發(fā)的產(chǎn)品中有代表性的如中國農(nóng)業(yè)機械化研究院聯(lián)合多家單位研制的 20xx 型溫室自動灌溉控制系統(tǒng)施肥系統(tǒng)其有手動控制、程序控制和自動控制等多種灌溉控制系統(tǒng)模式，可按需要靈活應(yīng)用，在大連，北京 等地已經(jīng)投入應(yīng)用，效果良好，但其成本較高，適用于溫室內(nèi)作物。由中國灌排技術(shù)開發(fā)公司開發(fā)的集中或分散式微灌控制自動監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)灌溉計劃能自動對微灌工程進行監(jiān)視，控制和事故處理，其核心控制部件為 8098 單片機。北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué)研制的自動化灌溉控制系統(tǒng)是以 8031 單片機為核心，可對多通道土壤水分進行檢測，實現(xiàn)對多路通道進行自動灌溉控制的功能。但以上兩季申系統(tǒng)選用的芯片功能較少，由于電路擴展而使系統(tǒng)復(fù)雜化，而且系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。國內(nèi)還有研制的直接以 PC 機進行控制的自動灌溉控制器，不僅使成本增加，而且不易在田間較惡劣 的環(huán)境下使用，所以實用化程度很低。 總之，目前國外灌溉控制器已逐步趨于成熟、系列化，并朝著大型分布式控制系統(tǒng)秘小囂積單機控制兩個方向發(fā)展，產(chǎn)品一般都能與微機進行通信，并由微機對其施行控制。而在我國，雖然有多家研制灌溉控制器．但多數(shù)是小規(guī)模、實驗和理論的探討，而且開發(fā)出來的產(chǎn)品價格昂貴，農(nóng)民盡管知道能節(jié)能、節(jié)水、增產(chǎn)，但由于一次性投資太大，多數(shù)農(nóng)民承受不起，所以根本無法普及應(yīng)用。 圖 灌溉控制系統(tǒng)模型圖 沈陽航空 航天大學(xué) 電子 信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 任務(wù)要求 本此畢設(shè)主要研究單片機控制的滴灌節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)，主要內(nèi)容如下： 采集溫室內(nèi)的溫、濕 度，并根據(jù)作物幼苗生長的需水規(guī)律和灌溉制度， 自動控制噴灌設(shè)備完成實時調(diào)控灌溉，實現(xiàn) 幼苗生長期內(nèi)的水分的全自動調(diào)控。 以 51 系列單片機為核心， 并 根據(jù)滴灌技術(shù)的特點，進行灌溉控制系統(tǒng)的整體研究與設(shè)計 。 具有顯示溫、 濕度的功能 ，同時 在灌水期間，以倒計時的方式顯示灌水剩余時間。 溫度 的測量 范圍 1050℃， 精度為 177。 176。 C。 。 濕度 的測量 范圍 35%85%，精度為 177。 3%。 通過鍵盤設(shè)定相關(guān)參數(shù)及進行相應(yīng)的控制。 具備報警功能。 沈陽航空 航天大學(xué) 電子 信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 第 2 章 總體 方案 設(shè)計 灌溉控制系統(tǒng)的 基本工作原理 本次設(shè)計核心是研究單片機控制灌溉控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可對不同土壤的濕度進行監(jiān)控，并按照作物對土壤濕度的要求進行適時、適量灌溉。本次設(shè)計主要以單片機為核心，由土壤溫濕度傳感器，信號采集電路，顯示電路，灌溉倒計時電路，超限報警電路等模塊組成，軟件選用 C 語言編程。系統(tǒng)采用獨立式鍵盤接口設(shè)計，通過鍵盤設(shè)置作物要求的土壤濕度相關(guān)參數(shù)，并將溫濕度值顯示于LCD1602 顯示屏上，當土壤濕度低于設(shè)定的最低值時，系統(tǒng)可自動報警，并在灌水期間以倒計時的方式顯示灌水剩余時間。 方案提出 方案 1 本方案采用的是 以 STC89C52 單片機為核心， 鍵盤設(shè)置部分采用獨立式鍵盤接口， 主要由頻域型濕度傳感器 SHT 10， LCD 顯示電路，灌溉倒計時電路，超限報警電路，執(zhí)行機構(gòu)等部分組成， 方案 1 原理 框圖如圖 所示。 圖 方案 1 原理框圖 STC 89C52 單 片 機 作物土壤 灌溉倒計時電路 超限報警電路 LCD 顯示電路 獨立式鍵盤設(shè)置 SHT10 溫 濕度傳感器 執(zhí)行機構(gòu) SHT10 溫濕度傳感器 沈陽航空 航天大學(xué) 電子 信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 方案 2 本方案采用的是 以 80C51 單片機為核心， 鍵盤設(shè)置部分采用矩陣式鍵盤，主要由 FDR 型溫濕度傳感器， A/D 轉(zhuǎn)換電路， LCD 顯示電路，灌溉倒計時電路，超限報警電路和執(zhí)行機構(gòu)等部分組成，方案 2 原理框圖如圖 所示。 圖 方案 2 原理框圖 方案比較 單片機的選取 在多數(shù)電子設(shè)計當中，基于性價比的考慮， 8 位單片機仍是首選。目前， 8位單片機在國內(nèi)外仍占有重要地位。在 8 位單片機中又以 MCS－ 51 系列單片機及其兼容機所占的份額最大。 MCS－ 51 的硬件結(jié)構(gòu)決定了其指令系統(tǒng)不會發(fā)生變化，設(shè)計人員可以很容易的對不同公司的單片機產(chǎn)品進行選型，他們只需將重點放在芯片內(nèi)部資源的比較上。 方案一： 采用 STC89C52 是一個低電壓，高性能 CMOS8 位 單片機 ，片內(nèi)含8kbytes 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲器和 256bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)，器件采用 ATMEL 公司 的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標準MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器和 Flash 存儲單元。 方案二：采用 STC89C51 芯片作為硬件核心，采用 FlashROM，內(nèi)部具有4KBROM 存儲空間，能于 3V的超低壓工作，而且 與 MCS51 系列單片機完全兼 80C51 單 片 機 作物土壤 灌溉倒計時 電路 超限報警 電路 LCD 顯示電路 FDR 型溫 濕度傳感 器 A/D 轉(zhuǎn)換器ADC0809 矩陣式鍵盤 執(zhí)行機構(gòu) FDR 型溫 濕度傳感 器 沈陽航空 航天大學(xué) 電子 信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 容，但是運用于電路設(shè)計中時由于不具備 ISP 在線編程技術(shù)， 當在對電路進行調(diào)試時，由于程序的錯誤修改或?qū)Τ绦虻男略龉δ苄枰獰氤绦驎r，對芯片的多次拔插會對芯片造成一定的損壞。 方案一是多年前的的產(chǎn)品，因自身設(shè)計缺陷，已經(jīng)很少被人使用。 濕度傳感器的選取 測量空氣濕度的方式很多，其原理是根據(jù)某種物質(zhì)從其周圍的空氣吸收水分后引起的物理或化學(xué)性質(zhì)的變化，間接地獲得該物質(zhì)的吸水量及周圍空氣的濕度。電容式、電阻式和濕漲式濕敏原件分別是根據(jù)其高分子材料吸濕后的介電常數(shù)、電阻率和 體積隨之發(fā)生變化而進行濕度測量的。 方案二 ： 選擇的是時域型濕度傳感器。時域型濕度傳感器 是一種用于測量土壤水分的儀器，它利用電磁脈沖原理、根據(jù)電磁波在介質(zhì)中傳播頻率來測量土壤的表觀介電常數(shù)，從而得到土壤容積含水量 ，精度差，受外界環(huán)境影響大 。 方案一 ：采用 SHT10 單片數(shù)字溫濕度集成傳感器，將傳感元件和信號處理電路集成在一塊微型電路板上，輸出完全標定的數(shù)字信號。 SHT10 溫濕度傳感器采用 CMOS 過程微加工專利技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性和出色的長期穩(wěn)定性。該傳感器由 1 個電容式聚合體測濕元件和 1 個能隙式測溫元件 組成，并與 1 個 14 位 A/D 轉(zhuǎn)換器以及 1 個 2wire 數(shù)字接口在單芯片中無縫結(jié)合，傳感器芯片都在極為精確的濕度腔室中進行標定，校準系數(shù)以程序形式儲存在 OTP 內(nèi)存中，用于內(nèi)部的信號校準。兩線制的串行接口與內(nèi)部的電壓調(diào)整，使外圍系統(tǒng)集成變得快速而簡單使得該產(chǎn)品具有功耗低、反應(yīng)快、抗干擾能力強等優(yōu)點。 SHT10 的主要特點如下： (1)相對濕度和溫度的測量兼有露點輸出； (2)全部校準，數(shù)字輸出； (3)接口簡單 (2wire)，響應(yīng)速度快； (4)超低功耗，自動休眠； (5)出色的長期穩(wěn)定性； (6)測濕精度 177。 %RH，測溫精度 177。 ℃ (25℃ )。 沈陽航空 航天大學(xué) 電子 信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 結(jié)合方案一和方案二，測量精度相差不多，方案二相對來說更加穩(wěn)定，而且相應(yīng)速度快，同時可測量溫度，便于與之前溫度測量進行校準 。 鍵盤設(shè)置方式的選取 方案 2 中通過矩陣式鍵盤設(shè)置土壤濕度的相關(guān)參數(shù)，方案 1 則是 采用獨立式鍵盤接口 來實現(xiàn)通過鍵盤設(shè)置參數(shù)。獨立式鍵盤就是各鍵相互獨立，每個按鍵各接一根輸入線，通過檢測輸入線的電平狀態(tài)，可以很容易的判斷哪個按鍵被按下，在按鍵數(shù)目較多時，獨立式鍵盤電路需要較多的輸入口線且電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故此種鍵盤適用于按鍵較少或操作速度 較高的場合。 方案 2 中的矩陣式鍵盤用于按鍵數(shù)目較多的場合，在本次設(shè)計中僅需要三個按鍵，獨立式鍵盤更適用于本次設(shè)計，所以選用獨立式鍵盤接口對相關(guān)參數(shù)進行設(shè)置。 顯示方式的選取 而對于顯示模塊，液晶顯示屏具有體積小、功耗低、顯示內(nèi)容豐富等特點，用戶可以根據(jù)自己的需求，顯示自己所需要的、甚至是自己動手設(shè)計的圖案。當需要顯示的數(shù)據(jù)比較復(fù)雜的時候，它的優(yōu)點就突現(xiàn)出來了，并且當硬件設(shè)計完成時，可以通過軟件的修改來不斷擴展系統(tǒng)顯示能力。外圍驅(qū)動電路設(shè)計比較簡單，顯示能力的擴展將不會涉及到硬件電路的修改，可擴 展性很強。字符型液晶顯示屏已經(jīng)成為了單片機應(yīng)用設(shè)計中最常用的信息顯示器件之