【正文】 農(nóng)業(yè)和節(jié)水灌溉工程技術(shù)，建立起了高度發(fā)達(dá)的外向型農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)。一些發(fā)達(dá)國(guó)家的噴灌系統(tǒng)中廣泛使用多功能壓力流量控制設(shè)備，如法國(guó)和日本均開(kāi)發(fā)并使用集給水拴、壓力控制、流量顯示、水量控制等功能于一體的多功能壓力流量控制給 水拴。 總之，在我國(guó)，雖然有多種灌溉控制器，但多數(shù)規(guī)模較小，局限于實(shí)驗(yàn)和理論的探討，而且開(kāi)發(fā)出來(lái)的產(chǎn)品價(jià)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(wú)法普及應(yīng)用。北京奧特思達(dá)科技有限公司研制的我國(guó)的微灌技術(shù)在 70年代就有所研究發(fā)展。由中國(guó)灌排技術(shù)開(kāi)發(fā)公司開(kāi)發(fā)的集中或分散式微灌自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)灌溉計(jì)劃能自動(dòng)對(duì)微灌工程進(jìn)行監(jiān)視，控制和事故處理，其核心控制部件為 8098單片機(jī)。 1975年以后，山西省萬(wàn)榮縣、河南省許昌市及江蘇省的常熟、雌寧、南通、啟東、徐州等地進(jìn)行了滲灌試點(diǎn)。如：噴灌水量分布均勻性評(píng)價(jià)指標(biāo)的實(shí)驗(yàn)研 究漫灌和噴灌條件下土壤養(yǎng)分運(yùn)移特征的初步研究川，研究了漫灌、噴灌入滲條件下，土壤養(yǎng)分運(yùn)移的特征；噴灌條件下小氣候變化規(guī)律的研究，研究了最大溫差和最大相對(duì)濕度與噴灌時(shí)間、噴灌工作壓力、風(fēng)力、風(fēng)向以及光照強(qiáng)度的關(guān)系；噴灌條件下冬小麥生理特征及生態(tài)環(huán)境特點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)研究。 20世紀(jì) 80年代開(kāi)始，許多研究者放棄了充分灌溉的研究，轉(zhuǎn)向節(jié)水型劣態(tài)或亞劣態(tài)試驗(yàn)，結(jié)果表明與充分灌溉相比，節(jié)水灌溉條件下的產(chǎn)量降低并不嚴(yán)重。 20世紀(jì) 70年代主要集中在節(jié)水灌溉制度方面的研究。本文旨在設(shè)計(jì)一套能對(duì)作物生長(zhǎng)進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)控的系統(tǒng)，它能對(duì)作物進(jìn)行適時(shí)、適量的灌水，起到高效灌溉、節(jié)水、節(jié)能的作用 。 我國(guó)先后引進(jìn)了以色列、美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)等國(guó)家的部分先進(jìn)灌溉控制設(shè)備，但價(jià)格昂貴，維護(hù)保養(yǎng)困難，多數(shù)用于農(nóng)業(yè)示范區(qū)、科研單位或高校，而且不符合我國(guó)土壤的應(yīng)用特點(diǎn)。 現(xiàn)代灌溉控制器的研究使用在我國(guó)農(nóng)、林、及園藝為數(shù)不多，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，有本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 較大的差距，還基本停留在人工操作上。灌溉系統(tǒng)自動(dòng)化水平較低是制約我國(guó)高效農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要原因。農(nóng)業(yè)的發(fā)展從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看非常重要，一是水的問(wèn)題，二是科技的問(wèn)題。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)和傳感器的價(jià)格日益降低，可靠性日益提高，用信息技術(shù)改造農(nóng)業(yè)不僅是可能的而且是必要的。 現(xiàn)代智能型控制器是進(jìn)行灌溉系統(tǒng)田間管理的有效 手段和工具，它可提高操作準(zhǔn)確性，有利于灌溉過(guò)程的科學(xué)管理，降低對(duì)操作者本身素質(zhì)的要求。由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變，由粗放經(jīng)營(yíng)向集約經(jīng)營(yíng)轉(zhuǎn)變，必須要求農(nóng)業(yè)科技有一個(gè)大的發(fā)展，進(jìn)行一次新的農(nóng)業(yè)技術(shù)革命。水資源危機(jī)已成為全球性的突出問(wèn)題，利用科技手段緩解這一危機(jī)，將是人類主要的出路。除了能大大減少勞動(dòng)量，更重要的是他能準(zhǔn)確，定時(shí)，定量高效地給作物自動(dòng)補(bǔ)充水分，以提高產(chǎn)量，質(zhì)量，節(jié)水和節(jié)能。同時(shí)隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，模糊控制，神經(jīng)網(wǎng) 絡(luò)等技術(shù)為節(jié)水灌溉控制器的研制開(kāi)辟了 廣闊 的應(yīng)用前景。國(guó)內(nèi) 雖 然有多家研制灌溉器，但多數(shù)是小規(guī)模，試驗(yàn)和理論的探究應(yīng)用不夠普及。節(jié)水灌溉控制器近期在中 國(guó)應(yīng)朝著價(jià)格低，性能可靠操作簡(jiǎn)便的方向發(fā)展。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)的利益考慮，新的只能化技術(shù)，傳感技術(shù)和農(nóng)業(yè)科技的引入應(yīng)用和普及，將會(huì)有智能化程度更高，性能更穩(wěn)定可靠的灌溉控制器出現(xiàn)。究其原因一則是開(kāi)發(fā)性能完 善的灌溉控制系統(tǒng)需要大量的人力和物力的投入，需要多部門(mén)，多學(xué)科的融合，這在一定程度上限制了性能的完善，適應(yīng)性強(qiáng)的控制器的開(kāi)發(fā)。而國(guó)內(nèi)在灌溉控制器的研制方面還沒(méi)有形成規(guī)模大，應(yīng)用范圍廣的成套控制產(chǎn)品。 現(xiàn)代灌溉控制器的研究使用在我國(guó)的農(nóng)林及園藝為數(shù)不多，與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，有較大的差距，還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動(dòng)化控制系統(tǒng)，也是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法來(lái)確定每天灌溉次數(shù)和每天灌溉量，如果灌溉量與作物實(shí)際需水量相比較少，便不能有效的促進(jìn)作物健康成長(zhǎng)；而灌溉量太多，肥水流失，又會(huì)造成資源浪費(fèi)，同時(shí)傳統(tǒng)的灌溉法還需要相關(guān)的專家實(shí)時(shí)觀察并經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)生產(chǎn)，勞動(dòng)生產(chǎn)率低 ，這也不能與現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)向優(yōu)化，高效化方向發(fā)展要求同步 選題背景及研究的目的與意義 選題背景 生命之起源，水為必要條件，沒(méi)有了水，地球上的生命將會(huì)枯竭。 農(nóng)業(yè)是人類社會(huì)最古老的行業(yè)，是各行各業(yè)的基礎(chǔ)，也是人類頓以生存的最重要的行業(yè)。農(nóng)業(yè)與工業(yè)、交通等行業(yè)相比仍然比較落后，農(nóng)業(yè)灌溉技術(shù)尤其落后。除了能大大減少勞動(dòng)量，更重要的是它能準(zhǔn)確、定時(shí)、定量、高效地給作物自動(dòng)補(bǔ)充水分，以提高產(chǎn)量、質(zhì)量，節(jié)水、節(jié)能。用高新技術(shù)改造農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)，實(shí)施節(jié)水灌溉已成為我國(guó)農(nóng)業(yè)乃至國(guó)民經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展帶戰(zhàn)略性的根本大事。農(nóng)業(yè)的根本出路在科技，在教育。傳統(tǒng)的灌溉模式自動(dòng)化程度極低，基本上屬粗放的人工操作，即便對(duì)于給定的量，在操作中也無(wú)法進(jìn)行有效的控制，為了提高灌溉效率，縮短勞動(dòng)時(shí)問(wèn)和節(jié) 約水資源，必須發(fā)展節(jié)水灌溉控制技術(shù)。即使有些地方搞了一些灌溉工程的自動(dòng)化控制系統(tǒng)，也是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)法來(lái)確定每天灌溉次數(shù)和每次灌溉最。我國(guó)自己的現(xiàn)代灌溉控制器的研制和使用尚處于起步階段，因此，作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，中國(guó)研究開(kāi)發(fā)自己的先進(jìn)的低成本、使用維護(hù)方便、系統(tǒng)功能強(qiáng)且擴(kuò)展容易的國(guó)產(chǎn)化數(shù)字 式節(jié)水灌溉器是一項(xiàng)極有意義的工作。 研究?jī)?nèi)容 本設(shè)計(jì)需研究的內(nèi)容為： 節(jié)水灌溉自動(dòng)控制 系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r ； 節(jié)水灌溉自動(dòng) 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成，即選擇系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本方案與硬件及軟件等方 面的設(shè)計(jì)。節(jié)水灌溉制度包括灌水時(shí)期、灌水定額和輪灌周期等內(nèi)容。隨后，調(diào)虧灌溉技術(shù)發(fā)展很快。噴灌硬件設(shè)施方面的研究有：低壓管噴及其節(jié)水高產(chǎn)機(jī)理研究；水田自動(dòng)給水灌溉系統(tǒng)中非均勻出流問(wèn)題的研究；田間噴管結(jié)合灌水技術(shù)體系的 研究 ；灌區(qū)灌溉中的模糊控制； GPS節(jié)水灌溉系統(tǒng)的研究。然而，這些試點(diǎn)僅限于試驗(yàn)階段，沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用，而且也沒(méi)有采用自動(dòng)化控制的思想。北京農(nóng)業(yè)工程大學(xué)研制的自動(dòng)化灌溉控制系統(tǒng)是以 8031單片機(jī)為核心，可對(duì)多通道土壤水分進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)多路通道進(jìn)行自動(dòng)灌溉控制的功能。我國(guó)最早的滲灌工程是山西臨汾的龍子祠引泉工程和河南省濟(jì)源的合瓦地灌排工程。 節(jié)水農(nóng)業(yè)在國(guó)外的發(fā)展已有幾十年的歷史，在西方發(fā)達(dá)國(guó)家，節(jié)水灌溉的應(yīng)用面積和產(chǎn)業(yè)化程度很高。節(jié)能效果良好的恒壓噴灌技術(shù)也得到了廣泛的應(yīng)用，如日本在大多數(shù)旱地灌溉系統(tǒng)的／； H／五泵站中使用調(diào)壓罐控制。世界著名的耐特費(fèi)姆 (Netfim)灌溉設(shè)備和滴灌系統(tǒng)公司生產(chǎn)的微灌系統(tǒng)基本由計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制運(yùn)行，可根據(jù)作物的生長(zhǎng)及水、肥狀況進(jìn)行灌 水和施肥，節(jié)約大量人力，且管理及時(shí)，使作物產(chǎn)量和品質(zhì)都有較大幅度的提剮 161。仍然以以色列為例，以色列是世界上微灌技術(shù)發(fā)展最具有代表性的國(guó)家， 目前全國(guó)農(nóng)業(yè)土地基本上實(shí)現(xiàn)了灌溉管理自動(dòng)化，并且普遍推行自動(dòng)控制系統(tǒng)，按時(shí)、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(dāng)高。 總之，目前國(guó)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)和小面積單機(jī)控制兩個(gè)方向發(fā)展，產(chǎn)品 一般都能與微機(jī)進(jìn)行通信，并由 機(jī)對(duì)其施行控制。 產(chǎn)品立項(xiàng)前的市場(chǎng)管理活動(dòng)沒(méi)有規(guī)范化： 市場(chǎng)信息收集和分析工作薄弱， 生產(chǎn)廠家 對(duì)新產(chǎn)品近 35年的產(chǎn)品路標(biāo)規(guī)劃也不清晰，往往只有 12年的開(kāi)發(fā)項(xiàng)目計(jì)劃； 產(chǎn)品研發(fā)缺乏一個(gè)整合企業(yè)資源的清晰的研發(fā)流程： 產(chǎn)品線建設(shè)明顯滯后于資源線的建設(shè) 專業(yè)研發(fā)人才缺乏： 在培養(yǎng)關(guān) 鍵性研發(fā)人才上，缺少相應(yīng)的機(jī)制保障。但要求程序員熟悉實(shí)時(shí)多任務(wù)編程技術(shù)，而且圖形界面不太好。 在通用操作系統(tǒng)例 了 如 DOS， WINDOWS環(huán)境下 : 采用實(shí)時(shí)核實(shí) 現(xiàn)程序的實(shí)時(shí)多任務(wù)特性。 系統(tǒng)總體方案 根據(jù)實(shí)際情況及系統(tǒng)技術(shù)要求，擬采用 AT89C51微控器作為控制與數(shù)據(jù)處理的核心以構(gòu)成 節(jié)水灌溉 控制系統(tǒng)。該電路主要由 AT89C51系統(tǒng)電路、電源電路、濕度檢測(cè)電路、顯示電路、開(kāi)關(guān)控制電路等組成。 系統(tǒng)框圖如圖 種 植 物 的 土 壤 土 壤 濕 度 傳 感A / D 轉(zhuǎn) 換A T 8 9 C 5 1 單 片 機(jī)L E D 顯 示放 大 驅(qū) 動(dòng)電 磁 閥 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 圖 系統(tǒng)框圖 AT89C51微控器構(gòu)成的最小系統(tǒng) 根據(jù)本設(shè)計(jì)的技術(shù)要求來(lái)判斷是否需要對(duì)此微控器進(jìn)行片外程序存儲(chǔ)器及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展。 ADC0809 轉(zhuǎn)換器的分辨率為 8位，最大不可調(diào)誤差小于士 1LSB，采用單一 +5V供電，功耗為 15mW,不必進(jìn)行零點(diǎn)和滿度調(diào)整。 ADC0809的時(shí)鐘頻率范圍要求在 101280kHz , AT89C51 單片機(jī)的 ALE 腳的頻率是單片機(jī)時(shí)鐘頻率的 1/6，因此當(dāng)單片機(jī)的時(shí)鐘頻率采用 6MHz,ADC0809 輸入時(shí)鐘頻率即為 CLK=1MHz，發(fā)生啟動(dòng)脈沖后需延時(shí) 100Us 才可讀取 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。由于 ALE 與 START 連在一起，因 此 ADC0809 在鎖存通道地址的同時(shí)也啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，在讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)，用單片機(jī)的讀信號(hào) RD 和 p2.。數(shù)碼管有共陰共陽(yáng)之分，本系統(tǒng)采用 8 段共陰型 LED，每位數(shù)碼管內(nèi)部有 8個(gè)發(fā)光二極管，公共端由 8個(gè)發(fā)光二極管的陰極并接而成，正常顯示時(shí) 公共端接低電平 (GND)，各發(fā)光二極管是否點(diǎn)亮取決于 adp各引腳上是否是高電平。 本章小結(jié) 本章首先介紹 了 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的 五種 基本形式， 根據(jù)實(shí)際情況與技術(shù)要求，畫(huà)出了 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，并擬定了系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，包括數(shù)據(jù)采集單元、鍵盤(pán)及顯示單元、控制與執(zhí)行單元、系統(tǒng)各部分所需電源等輸入與輸出通道，并 對(duì)每一部分都進(jìn)行了較詳細(xì)的敘述。 輸入 部分 接口電路包括各種模擬信號(hào)，數(shù)字信號(hào)與單片機(jī)的接口信號(hào)調(diào)理電路以及按鍵接口電路。 單片機(jī)的選擇及分析 單片機(jī)的定義和特點(diǎn) 所謂單片機(jī)就是把 CPU、寄存器、 RAM/ROM、 I/O 接口電路集成在一塊集成電路本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 芯片上，構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)。 和微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行比較，單片機(jī)不僅體積大大減小，而且功能大為增強(qiáng)。而在許 多微型計(jì)算機(jī) (如 Z80, Inte18085, M6800 等 )中，大都采用兩類存儲(chǔ)器合二為一 (即統(tǒng)一編址 )的方式。這種單片機(jī)的 特點(diǎn)是價(jià)格便宜，控制功能強(qiáng)，片內(nèi)含有多種I/O 接口，如并行 I/O 接口、串行 I/O 接口、定 時(shí) 計(jì)數(shù)器接口、中斷功能接口等。這種 8 位機(jī)一般不帶有 I/O 接口，尋址范圍通常為 4KB。這類單片機(jī)有 Intel 公司的 MCS51, Motorola公司的 6801 和 Ziiog 公司的 Z8 等。 16 位單片機(jī)除了 CPU為 16 位外，片內(nèi) RAM 和 ROM 的容量也進(jìn)一步增大，片內(nèi) RAM 為 232 字節(jié)， ROM 為 8KB，片內(nèi)帶有高速輸入輸出部件，多通道 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換部件，中斷處理為 8 級(jí)，其實(shí)時(shí)處理能力更強(qiáng)。 圖 其引腳圖。 壽命： 1000 寫(xiě) /擦循環(huán) 1288 位內(nèi)部 RAM 可編程串行通道 空閑方式停止 CPU的工作，但允許 RAM，定時(shí) /計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。引腳功能說(shuō)明 如下 ： 圖 AT89C51引腳圖 作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的力式驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 邏輯門(mén)電路，對(duì)端口寫(xiě)“ 1”可作為高阻抗輸入端用。Pl 口： P1 口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖級(jí)叫可驅(qū)動(dòng)（吸收或輸出電流） 4 個(gè) TTL 邏輯門(mén)電路。 在訪問(wèn)外部序程存儲(chǔ)器或 16 位地址的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（例如執(zhí)行 MOVXDPTR指令）時(shí)， P2 口送出高 8位地址數(shù)據(jù)。P 3 口： P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口。 P3 口除了作為一般的 I/0 口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表 所示。當(dāng)振蕩器工作時(shí)， RST 引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。要注意的是：每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè) ALE 脈沖。此外，該引腳會(huì)被微弱拉高，單片 機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置 ALE 無(wú)效。 如 EA 端為高電平（接 VCC端）， CPU 則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的指令。 這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成 自激振蕩器，振蕩電路參見(jiàn) 圖 32。 本系統(tǒng)硬件 電路 部分 本系統(tǒng)硬件電路主要包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)主系統(tǒng)電路、時(shí)鐘電路、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)擴(kuò)展電路、本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 LED顯示電路等組成。該電路主要由 AT89C51系統(tǒng)電路、電源電路、濕度檢測(cè)電路、顯示電路、開(kāi)關(guān)控制電路等組成。內(nèi)部自帶2K 字節(jié)可編程 FLASH 存儲(chǔ)器的低電壓、高性能 COMS 八位微處理器，與 Intel MCS51系列單片機(jī)的指令和輸出管腳相兼容。 圖 中外接晶體以及電容 C2和 C1 構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，它們起穩(wěn)定振蕩頻 率、快速起振的作用，其值均為 30P 左右，晶振頻率選 6MHz。 ADC0809 轉(zhuǎn)換器的分 辨率為 8位，最大不可調(diào)誤差小于士 1LSB，采用單一 +5V供電，功耗為 15mW,不必進(jìn)行零點(diǎn)和滿度調(diào)整。這兩種顯示器都具 有線路簡(jiǎn)單、耗電少、成本低、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)輸出結(jié)果選用 4 個(gè) LED 顯示。 LED有共陰極和共陽(yáng)極兩種。為了保護(hù)各段 LED 不被損壞，需外加限流電阻。這種連接方式由于多位字段線連在一起，因此，要想顯示不同的內(nèi)容，必然要采取輪流顯示的方式，即在某一瞬間，只讓其中的某一位的字位線處于選通狀態(tài)，其它各位的字位線處于斷開(kāi)狀態(tài)，同時(shí)字段線上輸出這一位相應(yīng)