【正文】 為實(shí)現(xiàn)渠系優(yōu)化配水的要求，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)的渠道水量、流量實(shí)時(shí)調(diào)控的研究也在國(guó)內(nèi)外逐步興起。灌區(qū)用水管理系統(tǒng)方面，已逐步轉(zhuǎn)向研究將數(shù)據(jù)庫(kù)、模型庫(kù)、知識(shí)庫(kù)和地理信息系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的灌區(qū)節(jié)水灌溉綜合決策支持系統(tǒng)。特別是近年來(lái)發(fā)達(dá)國(guó)家已開(kāi)展了基于田間水肥等生產(chǎn)要素的巨大差異性，利用GPS和G1S、RS和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，精細(xì)準(zhǔn)確調(diào)整灌水施肥的精準(zhǔn)灌溉技術(shù)研究，為最大限度地優(yōu)化各項(xiàng)農(nóng)業(yè)投入，充分挖掘田間水肥差異性所隱含的增產(chǎn)潛力創(chuàng)造了條件。實(shí)現(xiàn)灌區(qū)現(xiàn)代化管理，首先要有灌溉工程控制設(shè)備的自動(dòng)化，其次有先進(jìn)的系統(tǒng)運(yùn)行軟件對(duì)系統(tǒng)控制問(wèn)題進(jìn)行決策，從而建立灌區(qū)現(xiàn)代化管理決策支持系統(tǒng)，指導(dǎo)灌溉用水過(guò)程。 課題研究目的及主要內(nèi)容節(jié)水灌溉技術(shù)及其配套設(shè)備，在我國(guó)經(jīng)過(guò)近30多年的快速發(fā)展，在總結(jié)相關(guān)成果的基礎(chǔ)上，初步形成了其技術(shù)體系，在某些方面已達(dá)到或接近國(guó)際先進(jìn)水平。但由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平及科研體制的限制，我國(guó)的節(jié)水灌溉技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家還有很大的差距。隨著我國(guó)水資源供需矛盾日益尖銳，農(nóng)業(yè)用水分配額減少的問(wèn)題勢(shì)必日益突出，同時(shí)為了緩解我國(guó)進(jìn)入WTO外國(guó)農(nóng)產(chǎn)品對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的壓力，如何快速發(fā)展我國(guó)的節(jié)水灌溉技術(shù)及其配套設(shè)備，從而緩解我國(guó)農(nóng)業(yè)用水壓力及發(fā)展高品質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品以加大同國(guó)外產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)是一個(gè)不容忽視的嚴(yán)峻問(wèn)題。我國(guó)目前95%以上的灌溉面積采用地面灌溉方法。改進(jìn)地面灌溉技術(shù)，提高地面灌溉的灌水效果對(duì)緩解我國(guó)水資源短缺、保持灌溉農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本課題任務(wù)是設(shè)計(jì)一個(gè)通過(guò)單片機(jī)控制的節(jié)能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)。要實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)相比具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠、實(shí)時(shí)性好、靈敏度高；功耗低，操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。測(cè)量數(shù)據(jù)能夠在LED上顯示出來(lái)，結(jié)果直觀。和傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)灌溉設(shè)備相比成本大大降低，而且抗干擾性好、安裝維護(hù)方便、測(cè)量精度高，具有較高的性能和價(jià)格比。該系統(tǒng)可對(duì)不同土壤的適度進(jìn)行監(jiān)控，并進(jìn)行適時(shí)、適量的灌溉。第2章 農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉系統(tǒng) 滴灌原理概述噴灌、滴灌、微噴灌等任何一種高效節(jié)水灌溉技術(shù)的應(yīng)用，都必需通過(guò)與技術(shù)相配套的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)的。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)的噴灌、滴灌、微噴灌技術(shù)的推廣應(yīng)用一直沒(méi)有得到長(zhǎng)足的發(fā)展，這與國(guó)內(nèi)節(jié)水灌溉設(shè)備、器材制造業(yè)發(fā)展滯后有密切關(guān)系。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的節(jié)水灌溉設(shè)備、配套器材制造廠多為一些轉(zhuǎn)產(chǎn)的小企業(yè)，生產(chǎn)技術(shù)裝備落后、專業(yè)化生產(chǎn)程度低，生產(chǎn)與科研脫節(jié)，這是國(guó)產(chǎn)節(jié)水灌溉設(shè)備成本高，性能不穩(wěn)定、質(zhì)量差、不耐用的根本原因。國(guó)產(chǎn)設(shè)備價(jià)高，質(zhì)量差不僅影響了技術(shù)的推廣應(yīng)用，還給農(nóng)民造成不應(yīng)有的經(jīng)濟(jì)損失，甚至挫傷農(nóng)民節(jié)水灌溉的積極性。因此，抓好噴灌、滴灌、微噴灌的設(shè)備生產(chǎn)，以質(zhì)優(yōu)、價(jià)廉的國(guó)產(chǎn)設(shè)備來(lái)支持高效節(jié)水灌溉技術(shù)的加速發(fā)展是必要的。在事實(shí)上，加速發(fā)展高效節(jié)水灌溉技術(shù)與節(jié)水灌溉設(shè)備和配套器材制造業(yè)的發(fā)展壯大，也是存在互動(dòng)關(guān)系，相互依存，相互促進(jìn)發(fā)展，也是可以取得“雙贏”的效果。微灌技術(shù)大都用于經(jīng)濟(jì)作物，是目前農(nóng)民比較關(guān)心的一種節(jié)水灌溉技術(shù)，它是在滴灌的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)一種節(jié)水灌溉技術(shù)，微灌包括滴灌、微噴灌、滲灌、小管涌流灌等多種方式。它是以少量的水濕潤(rùn)作物的根區(qū)附近的部分土壤的一種局部灌溉技術(shù)，其特點(diǎn)是灌水流量小、一次灌溉延續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，灌水周期短，能夠準(zhǔn)確的控制水量，能把水和養(yǎng)分直接地輸送到作物根部附近的土壤中去。微灌特別是在經(jīng)濟(jì)作物，應(yīng)用效益十分突出,因此很適合一家積使用一戶小面積使用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用該項(xiàng)技術(shù)后，可節(jié)水50％（，）,省地15～20％、省工50％、省肥20～30％，省藥10％，增產(chǎn)15～30％，特別是明顯降低棚內(nèi)的濕度，解決了冬季溫棚生產(chǎn)放風(fēng)減濕與封閉保溫的矛盾，有利于作物的穩(wěn)產(chǎn)高產(chǎn)。 微灌具有以下優(yōu)點(diǎn)： (1)高效省水微灌系統(tǒng)全部由管道輸水，因此損失少，灌水時(shí)只濕潤(rùn)作物根部附近的部分土壤，灌水量小，灌水均勻度可達(dá)80～90％，水的利用率高。 (2)節(jié)能 微灌比噴灌的工作壓力低、耗能少。(3)增產(chǎn)微灌能適時(shí)適量地向作物根系附近灌水，供肥，有的還可調(diào)節(jié)棵間的溫度和濕度，不會(huì)造成土壤的板結(jié)，為作物提供了良好的生長(zhǎng)環(huán)境，有利于實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)，提高產(chǎn)品質(zhì)量。實(shí)踐證明，微灌較地面灌水方式可增產(chǎn)30％左右。 (4)對(duì)土壤和地形的適應(yīng)性強(qiáng)微灌的灌水速度可快，可慢。因此對(duì)粘土和沙土都適合?？梢赃M(jìn)行間隙灌溉，這樣可使作物的根系經(jīng)常保持合適的水分，又不會(huì)產(chǎn)生深層的滲漏。 (5)省工、省力。 (6)利用咸水、污水咸水、污水經(jīng)過(guò)處理后，當(dāng)水質(zhì)達(dá)到要求時(shí)可進(jìn)行微灌灌溉[4]。滴灌技術(shù)是通過(guò)干管、支管和毛管上的滴頭，在低壓下向土壤經(jīng)常緩慢地滴水；是直接向土壤供應(yīng)已過(guò)濾的水分、肥料或其它化學(xué)劑等的一種灌溉系統(tǒng)。它沒(méi)有噴水或溝渠流水，只讓水慢慢滴出，并在重力和毛細(xì)管的作用下進(jìn)入士壤。滴人作物根部附近的水，使作物主要根區(qū)的土壤經(jīng)常保持最優(yōu)含水狀況。這是一種先進(jìn)的灌溉方法。 滴灌技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：(1)節(jié)水、節(jié)肥、省工滴灌屬全管道輸水和局部微量灌溉，使水分的滲漏和損失降低到最低限度。同時(shí)，又由于能做到適時(shí)地供應(yīng)作物根區(qū)所需水分，不存在外圍水的損失問(wèn)題，又使水的利用效率大大提高。灌溉可方便地結(jié)合施肥，即把化肥溶解后灌注入灌溉系統(tǒng)，由于化肥同灌溉水結(jié)合在一起，肥料養(yǎng)分直接均勻地施到作物根系層，真正實(shí)現(xiàn)了水肥同步，大大提高了肥料的有效利用率，同時(shí)又因是小范圍局部控制，微量灌溉，水肥滲漏較少，故可節(jié)省化肥施用量，減少污染。運(yùn)用灌溉施肥技術(shù)，為作物及時(shí)補(bǔ)充價(jià)格昂貴的微量元素提供了方便，并可避免浪費(fèi)。滴灌系統(tǒng)僅通過(guò)閥門人工或自動(dòng)控制，又結(jié)合了施肥，故又可明顯節(jié)省勞力投入，降低了生產(chǎn)成本。(2)控制溫度和濕度傳統(tǒng)溝灌的大棚，一次灌水量大，地表長(zhǎng)時(shí)間保持濕潤(rùn)，不但棚溫、地溫降低太快，回升較慢，且蒸發(fā)量加大，室內(nèi)濕度太高，易導(dǎo)致蔬菜或花卉病蟲(chóng)害發(fā)生。因滴灌屬于局部微灌，大部分土壤表面保持干燥，且滴頭均勻緩慢地向根系土壤層供水，對(duì)地溫的保持、回升，減少水分蒸發(fā)，降低室內(nèi)濕度等均具有明顯的效果。采用膜下滴灌，即把滴灌管（帶）布置在膜下，效果更佳。另外滴灌由于操作方便，可實(shí)行高頻灌溉，且出流孔很小，流速緩慢，每次灌水時(shí)間比較長(zhǎng)，土壤水分變化幅度小，故可控制根區(qū)內(nèi)土壤能夠長(zhǎng)時(shí)間保持在接近于最適合蔬菜、花卉等生長(zhǎng)的濕度。由于控制了室內(nèi)空氣濕度和土壤濕度，可明顯減少病蟲(chóng)害的發(fā)生，進(jìn)而又可減少農(nóng)藥的用量。(3)保持土壤結(jié)構(gòu)在傳統(tǒng)溝畦灌較大灌水量作用下，使設(shè)施土壤受到較多的沖刷、壓實(shí)和侵蝕，若不及時(shí)中耕松土，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重板結(jié)，通氣性下降，土壤結(jié)構(gòu)遭到一定程度破壞。而滴灌屬微量灌溉，水分緩慢均勻地滲入土壤，對(duì)土壤結(jié)構(gòu)能起到保持作用，并形成適宜的土壤水、肥、熱環(huán)境。(4)改善品質(zhì)、增產(chǎn)增效由于應(yīng)用滴灌減少了水肥、農(nóng)藥的施用量以及病蟲(chóng)害的發(fā)生，可明顯改善產(chǎn)品的品質(zhì)?？傊?，較之傳統(tǒng)灌溉方式，溫室或大棚等設(shè)施園藝采用滴灌后，可大大提高產(chǎn)品產(chǎn)量，提早上市時(shí)間，并減少了水肥、農(nóng)藥的施用量和勞力等的成本投入，因此經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著。設(shè)施園藝滴灌技術(shù)適應(yīng)了高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的要求，這也是其能得以存在和大力推廣使用的根本原因[5]。在農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉中，描述土壤中水含量的概念有：體積百分?jǐn)?shù)，重量百分?jǐn)?shù)，水層厚度，田間持水量，相對(duì)含水量，水儲(chǔ)量，土壤濕潤(rùn)層深度。 通常所測(cè)量的土壤含水量是指土壤的容積含水量，因?yàn)檫@樣可以忽略土樣的容重。土壤的容積含水量是容積土壤中水分容積與土壤容積的比例。重量百分?jǐn)?shù)是指濕、干土質(zhì)量之差與干土質(zhì)量的比值，就是土的含水量。水層厚度是指在一定厚度的土層中，水分的厚度毫米數(shù)；用它表示土壤含水量的優(yōu)點(diǎn)在于與氣象資料和作物耗水量所用的水分表示方法一致，便于互 相比較和互相換算。田間持水量指在地下水較深和排水良好的土地上充分灌水或降水后，允許水分充分下滲，并防止蒸發(fā)，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，土壤剖面所能維持的較穩(wěn)定的土壤水含量。達(dá)到田間持水量時(shí)的土水勢(shì)為－50～－350毫巴，大多集中于－100～－300毫巴間。田間持水量長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為是土壤所能穩(wěn)定保持的最高土壤含水量，也是土壤中所能保持懸著水的最大量，是對(duì)作物有效的最高的土壤水含量，且被認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)，常用來(lái)作為灌溉上限和計(jì)算灌水定額的指標(biāo)。但它是一個(gè)理想化的概念，嚴(yán)格說(shuō)不是一個(gè)常數(shù)。雖在田間可以測(cè)定，但卻不易再現(xiàn)，且隨測(cè)定條件和排水時(shí)間而有相當(dāng)?shù)某鋈?，故至今尚無(wú)精確的儀器測(cè)定方法。相對(duì)含水量是指土壤自然含水量占某種水分常數(shù)的百分?jǐn)?shù)。土壤濕潤(rùn)層深度是決定灌水定額的主要參數(shù)之一，實(shí)際中濕潤(rùn)層的深度硬取決于作物根系密集層深度，并與土壤剖面水分的消失深度有關(guān)，它隨著生育期和根系發(fā)育的變化而改變。土壤濕度傳感器A/D轉(zhuǎn)換器AT89C51單片機(jī)RS232LED顯示報(bào)警放大驅(qū)動(dòng)PC機(jī)數(shù)據(jù)顯示電磁閥圖21 單片機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 土壤濕度傳感器傳感器是檢測(cè)系統(tǒng)中與被測(cè)對(duì)象直接發(fā)生聯(lián)系的部分，是信息輸入的窗口，它為檢測(cè)系統(tǒng)提供必要的原始信息。檢測(cè)系統(tǒng)獲取信息的質(zhì)量也往往是由傳感器的性能一次性確定。為了能使其輸出在精度要求范圍之內(nèi)反映被測(cè)量，傳感器必須具備一定的基本特性，因?yàn)橹挥羞@樣，傳感器的輸出才能作為其輸出的量度。傳感器的基本特性是指?jìng)鞲衅鞯妮敵雠c輸入之間的關(guān)系特性，一般分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性兩類。當(dāng)被測(cè)量不隨時(shí)間變化或變化很慢時(shí)，可用一系列靜態(tài)參數(shù)來(lái)描述和表征傳感器的靜態(tài)特性。當(dāng)被測(cè)量隨時(shí)間變化很快，可用一系列動(dòng)態(tài)參數(shù)來(lái)描述和表征傳感器的動(dòng)態(tài)特性[6]。本設(shè)計(jì)采用的是美國(guó)生產(chǎn)的AQUATELTDR便攜式土壤水分儀。其技術(shù)參數(shù)如下：(1)測(cè)量土壤水分范圍:0100%vol(2)重復(fù)性誤差:1(3)溫度范圍:600℃ to 850℃；精度:+2℃(4)電源:12VDC士20% 40mA(5)輸出:0～1 mA可選4～20 mA或0～5V其特點(diǎn)如下：(1)可長(zhǎng)期埋設(shè)；(2)長(zhǎng)度增加，提高測(cè)量的準(zhǔn)確性；(3)容易攜帶，使用簡(jiǎn)單；(4)能耗極低；(5)最經(jīng)濟(jì)的TDR原理水分探頭。 模糊控制在傳統(tǒng)的控制領(lǐng)域里，控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模式的精確與否是影響控制優(yōu)劣的最主要關(guān)鍵，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)的信息越詳細(xì)，則越能達(dá)到精確控制的目的。然而，對(duì)于復(fù)雜的系統(tǒng)，由于變量太多，往往難以正確的描述系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)，于是工程師便利用各種方法來(lái)簡(jiǎn)化系統(tǒng)動(dòng)態(tài)，以達(dá)成控制的目的，但卻不盡理想。換言之，傳統(tǒng)的控制理論對(duì)于明確系統(tǒng)有強(qiáng)而有力的控制能力，但對(duì)于過(guò)于復(fù)雜或難以精確描述的系統(tǒng)，則顯得無(wú)能為力了。因此便嘗試著以模糊數(shù)學(xué)來(lái)處理這些控制問(wèn)題。模糊理論(Fuzzy Theory)是為解決真實(shí)世界中普遍存在的模糊現(xiàn)象而發(fā)展的一門學(xué)問(wèn)，是積極承認(rèn)主觀性問(wèn)題的存在，進(jìn)而以模糊集合理論來(lái)處理不易量化的問(wèn)題，以便能適當(dāng)而可靠的處理人們主觀評(píng)估問(wèn)題的方法。1974年,并取得了比傳統(tǒng)的直接數(shù)字控制算法更好的效果,從而宣告模糊控制的誕生[7]。 傳統(tǒng)的矢量控制系統(tǒng)需要電機(jī)的精確數(shù)學(xué)模型，當(dāng)由于磁飽和或電機(jī)繞組溫度變化引起電機(jī)內(nèi)部參數(shù)變化時(shí)，會(huì)影響系統(tǒng)的控制效果。模糊邏輯處理是利用隸屬函數(shù)和模糊規(guī)則來(lái)求解那些含糊不清、不確定及不精確的問(wèn)題。模糊控制是指基于模糊邏輯描述一個(gè)過(guò)程的控制算法。模糊控制器主要嵌有操作人員的經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué)知識(shí)。模糊控制的最大優(yōu)點(diǎn)在于不依賴被控對(duì)象的精確數(shù)學(xué)模型，并能克服非線性因素的影響，對(duì)調(diào)節(jié)對(duì)象的參數(shù)變化不敏感，即具有較強(qiáng)的魯棒性。模糊控制的優(yōu)點(diǎn)：(1)它是一種非線性控制方法，工作范圍寬，使用范圍廣，特別適合非線性系統(tǒng)的控制。(2)它不依賴于對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，對(duì)無(wú)法建?；蚝茈y建模的的復(fù)雜對(duì)象，也能利用人的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)模糊控制器完成控制任務(wù)；而傳統(tǒng)的控制方法都要已知被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，才能設(shè)計(jì)控制器。(3)它具有內(nèi)在的并行處理機(jī)制，表現(xiàn)出較強(qiáng)的魯棒性，對(duì)被控對(duì)象的特性變化不敏感，模糊控制器的設(shè)計(jì)參數(shù)容易選擇調(diào)整。算法簡(jiǎn)單，執(zhí)行快，容易實(shí)現(xiàn)。不需要很多的控制理論知識(shí)，容易普及推廣[8]。模糊控制的基本思想:把人類專家對(duì)特定的被控對(duì)象或過(guò)程的控制策略總結(jié)成一系列以IF(條件)THEN(作用)形式表示的控制規(guī)則,通過(guò)模糊推理得到控制作用集,狀態(tài)語(yǔ)句和控制作用均為一組被量化了的模糊語(yǔ)言集,如“正大”,“負(fù)大”,“正小”,“負(fù)小”,零等。 模糊控制的作法即直接將對(duì)事物多個(gè)方面評(píng)估的意見(jiàn)與其影響事物狀況的重要程度作加權(quán)的運(yùn)算，其意義在于希望系統(tǒng)性的分析出該事物的真實(shí)情況，其運(yùn)算方式類似一般常用的“加權(quán)平均”，易于為人所接受。 簡(jiǎn)言之，模糊控制理論就是模仿人的思維方式和經(jīng)驗(yàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的一種控制方法。第3章 基于MCS51單片機(jī)的農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)選型鑒于控制的復(fù)雜性和兼顧顯示、報(bào)警、閉環(huán)控制等較高要求，本設(shè)計(jì)決定用單片機(jī)作為中心控制器?，F(xiàn)流行的單片機(jī)有很多種，8位單片機(jī)的控制功能較強(qiáng)，品種最為齊全。它不僅具有較大的存儲(chǔ)容量和尋址范圍，而且中斷源、并行I/O接口和定時(shí)器/計(jì)數(shù)器個(gè)數(shù)都有了不同程度的增加，并集成有權(quán)雙工串行通信接口；在指令系統(tǒng)方面，普遍增設(shè)了乘除指令和比較指令。其中MC