【正文】 Tianjin University of Technology and Education畢 業(yè) 設 計二○一一年 六 月智能灌溉系統的設計 Design of Intelligent Irrigation System摘 要近幾年來，隨著全球水資源的日趨緊張，世界各國都在積極探索行之有效的節(jié)水途徑和措施。自動控制節(jié)水灌溉技術的高低代表著農業(yè)現代化的發(fā)展狀況，灌溉系統自動化水平較低是制約我國高效農業(yè)發(fā)展的主要原因，節(jié)水灌溉作為一項現代化的工程技術，無論是工程節(jié)水、農業(yè)節(jié)水，還是管理節(jié)水都必須建立在節(jié)水灌溉設備實現產業(yè)化生產的基礎上。節(jié)水灌溉技術是為了解決水資源不足，提高灌溉效率而發(fā)展起來的現代灌溉技術之一。本課題設計了一個智能灌溉系統，該系統以AT89S52單片機為控制核心，采用模塊化的設計方案，由溫濕度采集模塊、時鐘模塊、步進電機控制模塊、鍵盤接口模塊和液晶顯示模塊組成。溫濕度采集模塊以DHT11溫濕度傳感器為核心，步進電機控制電路模塊采用了達林頓驅動芯片ULN2003，顯示電路模塊主要由LCD12864構成。在閉環(huán)（自動）模式下，該系統能自動對土壤的溫濕度進行檢測，當實際濕度低于警戒值時單片機自動啟動步進電機進行灌溉。關鍵詞：AT89S52；DHT11溫濕度傳感器；ULN2003達林頓驅動；LCD12864 ；DS1302IIABSTRACTIn recent years, along with the global water resources is nervous, countries in the world explore actively effective ways and measures of watersaving. Automatic control the discretion of watersaving irrigation technologies represents the agricultural modernization, low level of the development situation of irrigation system automation bee the main cause of restricting highefficient agriculture development, watersaving irrigation is a modern engineering technology, whether engineering section water, water saving, or management of agricultural water must be based on the basis of watersaving irrigation equipment realizing industrialization production. Watersaving irrigation technique is used to deal with the water shortage, improve irrigation efficiency and be developed into one of the modern irrigation techniques.This topic design an intelligent irrigation system, this system select the AT89S52 SCM as control core, adopt the modularizing design scheme, which contain the temperature and humidity acquisition module, PH value detection module, clock module, stepping motor control module, keyboard interface module and LCD and humidity sensor is selected as the core of temperature and humidity acquisition module, clock module is mainly posed of the clock DS1302 and crystal of , stepping motor control circuit module adopted reach linton drive chip ULN2003, display circuit module is mainly consisted of the LCD12864 constitutes. In the loop (automatically) mode, the system can automatically detect on soil temperature and humidity, when actual humidity under alert value singlechip microputer automatic start stepping motor for irrigation.Key Words：AT89S52。 DHT11 temperature and humidity sensor。 ULN2003 Darlington Driver。 LCD12864。DS1302目 錄1 緒論 1 引言 1 課題來源 1 國內外現狀 22 方案設計與論證 4 總體方案論證 4 鍵盤電路 5 6 6 73 系統硬件電路設計 9 AT89S52單片機的硬件結構 9 9 AT89S52最小系統 12 直流穩(wěn)壓電源的設計 13 濕度采集模塊 14 溫濕度傳感器的原理 14 pH值檢測裝置 17 19 19 DS1302 內部寄存器 21 22 22 23 25 25 ULN2003驅動芯片 25 264 系統軟件設計 27 程序設計 27 28 12864 LCD顯示子程序設計 30結 論 35參考文獻 36致 謝 37附錄一 總體電路圖 38附錄二 源程序 391 緒論 引言水是一切生命過程中不可替代的基本要素，也是維系國民經濟和社會發(fā)展的重要基礎資源。過去，人們認為水是取之不竭、用之不盡的天然資源。因為在那些年代，科學技術不夠發(fā)達，經濟發(fā)展不夠迅速，人口數量少，人們對水的使用總是很隨意，水資源似乎總也用不完。隨著科技不斷進步，經濟高速發(fā)展，生產力極大提高以及人口只增不減，水資源危機開始顯現并日漸明顯。隨著中國農業(yè)現代化進程的高速發(fā)展、農業(yè)結構的調整以及我國加入世貿組織等因素，節(jié)水灌溉自動化技術的要求越來越高，灌溉控制器在我國有著巨大的市場。節(jié)水灌溉控制器近期在中國應朝著價格低、性能可靠、操作簡便的方向發(fā)展。但從長遠利益考慮，新的智能化技術、傳感技術和農業(yè)科技的引入、應用和普及，將會有智能化程度更高、功能更強、性能更趨于穩(wěn)定和可靠的灌溉控制器出現。本課題以AT89S52單片機為主要硬件模塊，通過軟件編程實現對土壤溫度和濕度進行多點檢測，當所測的實際濕度低于警戒值時，將觸發(fā)灌溉控制器裝置，進行自動灌溉，系統還可以實現時間控制方式，隨時灌溉，從而也體現了多用途、人性化的現代智能化系統設計要求。根據本設計的功能要求，可確定此方案：以AT89S52單片機為控制電路的核心，采用模塊化的設計方案。在閉環(huán)控制方式下，利用溫濕度采集模塊將多處不同地點檢測到的溫度、濕度模擬量進行模數轉化后傳送給單片機，單片機將采集到的數據與警戒值比較；若采集數據低于警戒值，則啟動步進電機驅動模塊進行灌溉；若采集數據高于警戒值，則不啟動驅動模塊進行灌溉。顯示模塊將采集數據和灌溉信息顯示在顯示屏上。灌溉時間一到，驅動電路則停止驅動步進電機，灌溉停止。在時間控制方式下，用戶通過鍵盤輸入進行灌溉的時間，時間一到，灌溉停止。 課題來源經過多年的發(fā)展，國外灌溉控制器已逐步趨于成熟化、系列化，但由于價格昂貴，國內雖引進一些，但多數是用于農業(yè)示范區(qū)、科研單位、高校實驗室，雖然國外生產的灌溉控制器性能優(yōu)越，但沒有考慮我國特殊的自然、氣候、土地資源、農民經濟狀況等因素，因而國外引進的灌溉控制器在國內應用并不普及。雖然國內也有多家研制灌溉控制器，但多數是小規(guī)模、實驗和理論的探討，應用不夠普及，究其原因一則是開發(fā)性能完善的灌溉控制系統不僅需要大量的人力、物力的投入，還需要多部門、多學科的融合，這就在一定程度上限制了性能完善、適應性強的控制器的開發(fā)；其次是現在開發(fā)出來的灌溉控制器價格相對昂貴，農民盡管知道能節(jié)省人力、灌溉用水、提高產量，但由于一次性投資太大，大多數農民承受不起，這也在一定程度上限制了灌溉控制器的普及。隨著中國農業(yè)現代化進程的加快、農業(yè)結構的調整、以及我國加人世貿組織等因素，可以預計對農業(yè)灌溉自動化技術的要求會越來越高，灌溉控制器在我國將有巨大的市場。節(jié)水灌溉控制器近期在中國應朝著價格低、性能可靠、操作簡便的方向發(fā)展。但從長遠利益考慮，新的智能化技術、傳感技術和農業(yè)科技的引入、應用和普及，將會有智能化程度更高、功能更強、性能更穩(wěn)定可靠的灌溉控制器出現。西方發(fā)達國家在節(jié)水灌溉控制器的開發(fā)上已越來越成熟，且發(fā)展趨勢是研制大型分 布式控制系統和小面積單片機控制系統，并帶有通信功能，能與上位機進行通信，并可由微機對其編程操作。同時隨著人工智能技術的發(fā)展，模糊控制、神經網絡等新技術也為節(jié)水灌溉控制器的研發(fā)開辟了廣闊的應用前景。而國內在灌溉控制器的研制方面還沒有形成規(guī)模大、應用范圍廣的成套灌溉控制產品。國內的一些高爾夫球場等大面積場地灌溉控制，一般都是采用國外現成的成套灌溉控制產品。而廣大農村可根據我國國情和各地經濟和技術發(fā)展的實際情況，采取簡單可行的節(jié)水灌溉控制措施及相應的排灌機械和設備，大力發(fā)展可靠、實用、成本低、操作簡便的節(jié)水灌溉控制器，它不僅具有廣闊的市場，而且具有巨大的社會和經濟效益。 國內外現狀國內在開發(fā)灌溉自動控制系統方面還處于研制、試用階段，真正能投入實際應用，且應用較廣的灌溉控制器還是很少。在開發(fā)的產品中有著代表性的如中國農業(yè)機械化研究院聯合多家單位研制的2000型溫室自動灌溉施肥系統。該系統是國家“九五”科技攻關項目中自主研發(fā)的科技產品，它結合我國溫室的環(huán)境和實際使用特點，以積木分布式系統結構原理，解決了計算機適時閉環(huán)控制、動態(tài)監(jiān)測、控制顯示中文、施肥泵混合比可調、電磁閥開度可調等關鍵技術問題。該系統具有手動控制、程序控制和自動控制等多種灌溉系統模式，可按需要靈活應用，在大連、北京等地已經投入了應用，從系統運行情況來看，該系統有很好控制效果，取的了一定的經濟效益和社會效益。天津市水利科學研究所研制的溫室滴灌施肥智能化控制系統主要用于現代溫室，日光溫室作物的灌溉營養(yǎng)液施肥，環(huán)境監(jiān)測的智能控制，采用世界先進的可編程序控制器和觸摸屏控制技術，性能可靠、功能齊全、人機界面友好、操作簡單、價格低廉，此控制系統的控制流量為15，控制規(guī)模為1~2時，能控制24路閥門，系統具有人工干預灌溉施肥功能，定時、定量灌溉施肥功能，條件控制灌溉施肥功能。北京澳作生態(tài)儀器有限公司的澳作智能節(jié)水灌溉控制系統可與各種滴、噴灌系統連接，實時監(jiān)測土壤墑情，根據要求自動灌溉?？刂品绞届`活，手動、半自動、全自動任選且可隨意在計算機上更改，可同時控制多個設備，受控區(qū)位置及形狀，環(huán)境參數及設備狀態(tài)可同時顯示在中心計算機上。北京奧特思達科技有限公司研制的WT02型微噴灌定時自動控制器，是一種供農業(yè)、草坪、果園、溫室一般場合給水的電子灌溉自動控制系統。國外一些先進國家，如美國、以色列和加拿大等，運用先進的電子技術、計算機和控制技術，在節(jié)水灌溉技術方面起步較早，并已經日趨成熟。這些國家從最早的水力控制、機械控制，到后來的機械電子混合協調式控制，到現今應用廣泛的計算機控制、模糊控制和神經網絡控制等，控制精度和智能化程度越來越高，可靠性越來越好，操作也越來越簡便。近年來隨著農業(yè)對自動化程度要求的提高，以色列出現灌溉用的可編程邏輯控制器(PLC)，這種控制器通過把不同的網絡連接到主機上進行數據采集和處理。隨著控制技術、傳感器技術的發(fā)展，以色列開發(fā)出了現代診斷式控制器，這種控制器把以前不可能采集到的信息通過不同的傳感器來獲得，通過因特網、遠程控制、GSM等來實現數據傳輸，然后通過計算機中的一些模型來處理信息，作出灌溉計劃。加拿大、澳大利亞和韓國等國家和地區(qū)也都有開發(fā)成功并形成系列的灌溉控制器產品，其中，比較有代表性的如澳大利亞的HARDIE IRRGATION公司的灌溉控制器，已形成了MICROMASTER、RAINJET等多個系列，幾十種型號的產品。其中HR6100系列成本較低，是一種小型自動灌溉控制器，主要是面對家庭庭院和小面積的商業(yè)綠化場地的灌溉，而MICROMASTER，系列產品是HARDIE公司為進行大面積灌溉而開發(fā)的控制器。該系統采用分布式布置，可與上位機雙向通信，用微機對其進行編程操作和對其子控制器進行控制，并能用微機隨時監(jiān)控灌溉系統的工作狀況。392 方案設計與論證 總體方案論證本課題以AT89S52單片機為主要硬件模塊，通過軟件編程實現對土壤溫度、濕度、PH值、EC值（灌溉液中肥料濃度）進行多點檢測，當所測的實際濕度、PH值和EC值低于警戒值時，將觸發(fā)灌溉控制器裝置，進行自動灌溉，系統還可以實現手動控制灌溉方式，隨時灌溉，從而也體現了多用途、人性化的現代智能化系統設計要求。根據本設計的功能要求，由于時間和花費的種種問題，本設計的P