【正文】 農業(yè)和節(jié)水灌溉工程技術，建立起了高度發(fā)達的外向型農業(yè)產業(yè)。一些發(fā)達國家的噴灌系統(tǒng)中廣泛使用多功能壓力流量控制設備，如法國和日本均開發(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，雖然有多種灌溉控制器，但多數規(guī)模較小，局限于實驗和理論的探討，而且開發(fā)出來的產品價格昂貴， 農民盡管知道能節(jié)能、節(jié)水、增產， 但由于一次性投資太大，多數農民承受不起，所以根本無法普及應用。北京奧特思達科技有限公司研制的我國的微灌技術在 70年代就有所研究發(fā)展。由中國灌排技術開發(fā)公司開發(fā)的集中或分散式微灌自動監(jiān)控系統(tǒng)，根據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。 1975年以后，山西省萬榮縣、河南省許昌市及江蘇省的常熟、雌寧、南通、啟東、徐州等地進行了滲灌試點。如：噴灌水量分布均勻性評價指標的實驗研 究漫灌和噴灌條件下土壤養(yǎng)分運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濕度與噴灌時間、噴灌工作壓力、風力、風向以及光照強度的關系；噴灌條件下冬小麥生理特征及生態(tài)環(huán)境特點的實驗研究。 20世紀 80年代開始，許多研究者放棄了充分灌溉的研究，轉向節(jié)水型劣態(tài)或亞劣態(tài)試驗，結果表明與充分灌溉相比，節(jié)水灌溉條件下的產量降低并不嚴重。 20世紀 70年代主要集中在節(jié)水灌溉制度方面的研究。本文旨在設計一套能對作物生長進行自動監(jiān)控的系統(tǒng)，它能對作物進行適時、適量的灌水，起到高效灌溉、節(jié)水、節(jié)能的作用 。 我國先后引進了以色列、美國、法國、德國等國家的部分先進灌溉控制設備，但價格昂貴，維護保養(yǎng)困難，多數用于農業(yè)示范區(qū)、科研單位或高校，而且不符合我國土壤的應用特點。 現代灌溉控制器的研究使用在我國農、林、及園藝為數不多，與發(fā)達國家相比，有本科生畢業(yè)設計 4 較大的差距，還基本停留在人工操作上。灌溉系統(tǒng)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。農業(yè)的發(fā)展從長遠來看非常重要，一是水的問題，二是科技的問題。 隨著計算機技術和傳感器技術的迅猛發(fā)展，計算機和傳感器的價格日益降低，可靠性日益提高，用信息技術改造農業(yè)不僅是可能的而且是必要的。 現代智能型控制器是進行灌溉系統(tǒng)田間管理的有效 手段和工具，它可提高操作準確性，有利于灌溉過程的科學管理，降低對操作者本身素質的要求。由傳統(tǒng)農業(yè)向現代化農業(yè)轉變，由粗放經營向集約經營轉變，必須要求農業(yè)科技有一個大的發(fā)展，進行一次新的農業(yè)技術革命。水資源危機已成為全球性的突出問題，利用科技手段緩解這一危機，將是人類主要的出路。除了能大大減少勞動量，更重要的是他能準確，定時，定量高效地給作物自動補充水分，以提高產量，質量，節(jié)水和節(jié)能。同時隨著人工智能技術的發(fā)展，模糊控制，神經網 絡等技術為節(jié)水灌溉控制器的研制開辟了 廣闊 的應用前景。國內 雖 然有多家研制灌溉器，但多數是小規(guī)模，試驗和理論的探究應用不夠普及。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。但從長遠的利益考慮，新的只能化技術，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，性能更穩(wěn)定可靠的灌溉控制器出現。究其原因一則是開發(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，多學科的融合，這在一定程度上限制了性能的完善，適應性強的控制器的開發(fā)。而國內在灌溉控制器的研制方面還沒有形成規(guī)模大，應用范圍廣的成套控制產品。 現代灌溉控制器的研究使用在我國的農林及園藝為數不多，與發(fā)達國家相比，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化控制系統(tǒng)，也是根據經驗法來確定每天灌溉次數和每天灌溉量，如果灌溉量與作物實際需水量相比較少，便不能有效的促進作物健康成長；而灌溉量太多，肥水流失，又會造成資源浪費，同時傳統(tǒng)的灌溉法還需要相關的專家實時觀察并經驗指導生產，勞動生產率低 ，這也不能與現代化農業(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，沒有了水，地球上的生命將會枯竭。 農業(yè)是人類社會最古老的行業(yè)，是各行各業(yè)的基礎，也是人類頓以生存的最重要的行業(yè)。農業(yè)與工業(yè)、交通等行業(yè)相比仍然比較落后，農業(yè)灌溉技術尤其落后。除了能大大減少勞動量，更重要的是它能準確、定時、定量、高效地給作物自動補充水分，以提高產量、質量，節(jié)水、節(jié)能。用高新技術改造農業(yè)產業(yè)，實施節(jié)水灌溉已成為我國農業(yè)乃至國民經濟持續(xù)發(fā)展帶戰(zhàn)略性的根本大事。農業(yè)的根本出路在科技，在教育。傳統(tǒng)的灌溉模式自動化程度極低，基本上屬粗放的人工操作，即便對于給定的量，在操作中也無法進行有效的控制，為了提高灌溉效率，縮短勞動時問和節(jié) 約水資源，必須發(fā)展節(jié)水灌溉控制技術。即使有些地方搞了一些灌溉工程的自動化控制系統(tǒng)，也是根據經驗法來確定每天灌溉次數和每次灌溉最。我國自己的現代灌溉控制器的研制和使用尚處于起步階段，因此，作為一個農業(yè)大國，中國研究開發(fā)自己的先進的低成本、使用維護方便、系統(tǒng)功能強且擴展容易的國產化數字 式節(jié)水灌溉器是一項極有意義的工作。 研究內容 本設計需研究的內容為： 節(jié)水灌溉自動控制 系統(tǒng)的發(fā)展狀況 ； 節(jié)水灌溉自動 控制系統(tǒng)的結構及組成，即選擇系統(tǒng)設計的基本方案與硬件及軟件等方 面的設計。節(jié)水灌溉制度包括灌水時期、灌水定額和輪灌周期等內容。隨后，調虧灌溉技術發(fā)展很快。噴灌硬件設施方面的研究有：低壓管噴及其節(jié)水高產機理研究；水田自動給水灌溉系統(tǒng)中非均勻出流問題的研究；田間噴管結合灌水技術體系的 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，這些試點僅限于試驗階段，沒有得到廣泛應用，而且也沒有采用自動化控制的思想。北京農業(yè)工程大學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，實現對多路通道進行自動灌溉控制的功能。我國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源的合瓦地灌排工程。 節(jié)水農業(yè)在國外的發(fā)展已有幾十年的歷史，在西方發(fā)達國家，節(jié)水灌溉的應用面積和產業(yè)化程度很高。節(jié)能效果良好的恒壓噴灌技術也得到了廣泛的應用，如日本在大多數旱地灌溉系統(tǒng)的／； H／五泵站中使用調壓罐控制。世界著名的耐特費姆 (Netfim)灌溉設備和滴灌系統(tǒng)公司生產的微灌系統(tǒng)基本由計算機自動控制運行，可根據作物的生長及水、肥狀況進行灌 水和施肥，節(jié)約大量人力，且管理及時，使作物產量和品質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發(fā)展最具有代表性的國家， 目前全國農業(yè)土地基本上實現了灌溉管理自動化，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量都相當高。 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)和小面積單機控制兩個方向發(fā)展，產品 一般都能與微機進行通信，并由 機對其施行控制。 產品立項前的市場管理活動沒有規(guī)范化： 市場信息收集和分析工作薄弱， 生產廠家 對新產品近 35年的產品路標規(guī)劃也不清晰，往往只有 12年的開發(fā)項目計劃； 產品研發(fā)缺乏一個整合企業(yè)資源的清晰的研發(fā)流程： 產品線建設明顯滯后于資源線的建設 專業(yè)研發(fā)人才缺乏： 在培養(yǎng)關 鍵性研發(fā)人才上，缺少相應的機制保障。但要求程序員熟悉實時多任務編程技術，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 : 采用實時核實 現程序的實時多任務特性。 系統(tǒng)總體方案 根據實際情況及系統(tǒng)技術要求，擬采用 AT89C51微控器作為控制與數據處理的核心以構成 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、濕度檢測電路、顯示電路、開關控制電路等組成。 系統(tǒng)框圖如圖 種 植 物 的 土 壤 土 壤 濕 度 傳 感A / D 轉 換A T 8 9 C 5 1 單 片 機L E D 顯 示放 大 驅 動電 磁 閥 本科生畢業(yè)設計 9 圖 系統(tǒng)框圖 AT89C51微控器構成的最小系統(tǒng) 根據本設計的技術要求來判斷是否需要對此微控器進行片外程序存儲器及數據存儲器的擴展。 ADC0809 轉換器的分辨率為 8位，最大不可調誤差小于士 1LSB，采用單一 +5V供電，功耗為 15mW,不必進行零點和滿度調整。 ADC0809的時鐘頻率范圍要求在 101280kHz , AT89C51 單片機的 ALE 腳的頻率是單片機時鐘頻率的 1/6，因此當單片機的時鐘頻率采用 6MHz,ADC0809 輸入時鐘頻率即為 CLK=1MHz，發(fā)生啟動脈沖后需延時 100Us 才可讀取 A/D 轉換數據。由于 ALE 與 START 連在一起，因 此 ADC0809 在鎖存通道地址的同時也啟動轉換，在讀取轉換結果時，用單片機的讀信號 RD 和 p2.。數碼管有共陰共陽之分，本系統(tǒng)采用 8 段共陰型 LED，每位數碼管內部有 8個發(fā)光二極管，公共端由 8個發(fā)光二極管的陰極并接而成，正常顯示時 公共端接低電平 (GND)，各發(fā)光二極管是否點亮取決于 adp各引腳上是否是高電平。 本章小結 本章首先介紹 了 計算機控制系統(tǒng)的 五種 基本形式， 根據實際情況與技術要求，畫出了 系統(tǒng)結構框圖，并擬定了系統(tǒng)總體設計方案，包括數據采集單元、鍵盤及顯示單元、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 對每一部分都進行了較詳細的敘述。 輸入 部分 接口電路包括各種模擬信號，數字信號與單片機的接口信號調理電路以及按鍵接口電路。 單片機的選擇及分析 單片機的定義和特點 所謂單片機就是把 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)設計 12 芯片上，構成一個完整的微型計算機。 和微型計算機進行比較，單片機不僅體積大大減小，而且功能大為增強。而在許 多微型計算機 (如 Z80, Inte18085, M6800 等 )中，大都采用兩類存儲器合二為一 (即統(tǒng)一編址 )的方式。這種單片機的 特點是價格便宜，控制功能強，片內含有多種I/O 接口，如并行 I/O 接口、串行 I/O 接口、定 時 計數器接口、中斷功能接口等。這種 8 位機一般不帶有 I/O 接口，尋址范圍通常為 4KB。這類單片機有 Intel 公司的 MCS51, Motorola公司的 6801 和 Ziiog 公司的 Z8 等。 16 位單片機除了 CPU為 16 位外，片內 RAM 和 ROM 的容量也進一步增大，片內 RAM 為 232 字節(jié)， ROM 為 8KB，片內帶有高速輸入輸出部件，多通道 10 位 A/D 轉換部件，中斷處理為 8 級，其實時處理能力更強。 圖 其引腳圖。 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) 1288 位內部 RAM 可編程串行通道 空閑方式停止 CPU的工作，但允許 RAM，定時 /計數器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。引腳功能說明 如下 ： 圖 AT89C51引腳圖 作為輸出口用時，每位能吸收電流的力式驅動 8 個 TTL 邏輯門電路，對端口寫“ 1”可作為高阻抗輸入端用。Pl 口： P1 口是一個帶內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 的輸出緩沖級叫可驅動（吸收或輸出電流） 4 個 TTL 邏輯門電路。 在訪問外部序程存儲器或 16 位地址的外部數據存儲器（例如執(zhí)行 MOVXDPTR指令）時， P2 口送出高 8位地址數據。P 3 口： P3 口是一組帶有內部上拉電阻的 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。當振蕩器工作時， RST 引腳出現兩個機器周期以上高電平將使單片機復位。要注意的是：每當訪問外部數據存儲器時將跳過一個 ALE 脈沖。此外，該引腳會被微弱拉高，單片 機執(zhí)行外部程序時，應設置 ALE 無效。 如 EA 端為高電平（接 VCC端）， CPU 則執(zhí)行內部程序存儲器中的指令。 這個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成 自激振蕩器，振蕩電路參見 圖 32。 本系統(tǒng)硬件 電路 部分 本系統(tǒng)硬件電路主要包括：單片機主系統(tǒng)電路、時鐘電路、數據的存儲擴展電路、本科生畢業(yè)設計 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、濕度檢測電路、顯示電路、開關控制電路等組成。內部自帶2K 字節(jié)可編程 FLASH 存儲器的低電壓、高性能 COMS 八位微處理器，與 Intel MCS51系列單片機的指令和輸出管腳相兼容。 圖 中外接晶體以及電容 C2和 C1 構成并聯諧振電路，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 轉換器的分 辨率為 8位，最大不可調誤差小于士 1LSB，采用單一 +5V供電，功耗為 15mW,不必進行零點和滿度調整。這兩種顯示器都具 有線路簡單、耗電少、成本低、壽命長等優(yōu)點，本系統(tǒng)輸出結果選用 4 個 LED 顯示。 LED有共陰極和共陽極兩種。為了保護各段 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狀態(tài)，同時字段線上輸出這一位相應