【正文】 夾的主出水管之間，裝上相應(yīng)的調(diào)節(jié)閥，便于控制施肥量。③棚內(nèi)設(shè)施。 微噴與滴灌的使用開啟自吸泵開關(guān)，水就進(jìn)入微噴（軟管滴灌）系統(tǒng)。二是施肥時(shí)把可溶性肥料先溶于容器中再倒入施肥罐中，通過自吸泵吸力進(jìn)入系統(tǒng)。四是使用過程中要掌握好壓力，壓力小則滴水慢、噴水范圍小，壓力大則水管易破損漏水。五是每次灌溉時(shí)間可根據(jù)土壤濕度和作物特性來確定，微噴最好在無風(fēng)的條件下使用。 滴灌技術(shù)的特點(diǎn) 　　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。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，減輕污染。 　　傳統(tǒng)溝灌的大棚，一次灌水量大，地表長時(shí)間保持濕潤，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)致蔬菜或花卉病蟲害發(fā)生。 　　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。 　　由于應(yīng)用滴灌減少了水肥、農(nóng)藥的施用量以及病蟲害的發(fā)生，可明顯改善產(chǎn)品的品質(zhì)。滴灌技術(shù)是通過干管、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)已過濾的水分、肥料或其它化學(xué)劑等的一種灌溉系統(tǒng)。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。 課題研究的目的和意義農(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)，也是人類賴以生存的最重要的行業(yè)。農(nóng)業(yè)的根本出路在科技，在教育。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。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)于給定的置，在操作中也無法進(jìn)行有效的控制，為了提高灌溉效率，縮短勞動(dòng)時(shí)間和節(jié)約水資源，必須發(fā)展節(jié)水灌溉控制技術(shù)。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。我國先后引進(jìn)了以色列、美國、法國、德國等國家的部分先進(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，而且不符合我國土壤的應(yīng)用特點(diǎn)。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。本文旨在設(shè)計(jì)一套能對(duì)作物生長的土壤濕度迸行自動(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。主要內(nèi)容如下：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖所示：首先通過水泵、過濾器、肥料罐等將水、肥輸進(jìn)干管、支管和毛管，再通過滴頭將水滴狀灌入土壤?？刂埔螅骸?．存儲(chǔ)土壤信息，以便進(jìn)行有效分析和改進(jìn)。第二章 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 研究方案的選擇 專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)是一個(gè)模擬人腦思維方式，以知識(shí)為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)。將專家系統(tǒng)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)就形成了農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)。專家系統(tǒng)應(yīng)用于節(jié)水灌溉也是以豐富的種植經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)的，例如，在已有經(jīng)驗(yàn)智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)研究上，將已知的作物生長各階段的需水量，生長狀態(tài)、各階段可能遇到的氣候與自然條件等決定灌溉的詳細(xì)信息輸入計(jì)算機(jī)，按照一定的法則劃分成各項(xiàng)細(xì)則存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。如從荷蘭引進(jìn)的大棚花卉種植專家系統(tǒng)，由于多年的種植經(jīng)驗(yàn)，對(duì)某種花卉的生長過程十分熟悉，將其生長過程細(xì)節(jié)輸入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)通過推理計(jì)算來決定其灌溉與施肥。專家系統(tǒng)將是我國未來節(jié)水農(nóng)業(yè)發(fā)展的熱點(diǎn)之一。（2）專家系統(tǒng)開發(fā)完全依賴種植專家的經(jīng)驗(yàn)去控制作物的施肥與灌溉，它并不對(duì)土壤墑情及作物情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。（3）專家系統(tǒng)的操作需要具有一定水平的專業(yè)人員才能完成，而我國農(nóng)業(yè)科技水平普遍較低，缺乏農(nóng)業(yè)科技人員，這也限制了專家系統(tǒng)的推廣。一般一個(gè)專家系統(tǒng)是針對(duì)一種作物開發(fā)的，它要在農(nóng)業(yè)專家提供有關(guān)這種作物豐富、系統(tǒng)的種植經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上才能進(jìn)行開發(fā)，一旦沒有農(nóng)業(yè)專家就無法進(jìn)行開發(fā)，而農(nóng)業(yè)專家畢竟人數(shù)很少。從上面的分析可以看出，專家系統(tǒng)雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)，具有很大的發(fā)展?jié)摿?，但它不能滿足成本低、操作簡單、易推廣、能按作物需水量適時(shí)、精準(zhǔn)灌溉的研究目標(biāo)，因此本課題的研究不能朝專家系統(tǒng)的方向走。它將計(jì)算機(jī)技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、傳感與檢測技術(shù)以及通訊技術(shù)結(jié)合起來，能夠檢測土壤情況、環(huán)境特征，并依據(jù)檢測結(jié)果來決定灌溉量與灌溉時(shí)間，擺脫了傳統(tǒng)的全憑經(jīng)驗(yàn)灌溉的灌溉模式。國外的這種控制系統(tǒng)一般都很大，采取大型分布式控制系統(tǒng)。首先，采用分布式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)分為中央控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)。其次，使用傳感器測量土壤及作物參數(shù)并盡量減少測量參數(shù)的數(shù)量，只選擇一些常用的灌溉參數(shù)進(jìn)行測量，這樣既能使控制系統(tǒng)具有一定的廣泛適用性，同時(shí)又可以減少傳感器的數(shù)量，降低成本。其一是否節(jié)水，其二是否減輕農(nóng)民負(fù)擔(dān)，其三是否增效(短期內(nèi)收回投資，且提高效益)。 節(jié)水灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)的原理自動(dòng)控制系統(tǒng)即反饋控制系統(tǒng)，是基于反饋基礎(chǔ)上“檢測偏差用以糾正偏差”的原理組成的系統(tǒng)。只要被控量偏離了給定值，無論是干擾影響，還是內(nèi)部特性參數(shù)變化導(dǎo)致的，或是給定值變動(dòng)，系統(tǒng)均能自動(dòng)糾正。顯然，該系統(tǒng)從理論上提供了實(shí)現(xiàn)高精度控制的可能性。 圖21 自動(dòng)控制原理圖 智能灌溉系統(tǒng)的控制對(duì)象是閘門，測量元件是水位傳感器和位移傳感器。當(dāng)所要求的目標(biāo)設(shè)定值與實(shí)際測量值的差值在誤差范圍內(nèi)，電機(jī)自行停止，達(dá)到自動(dòng)控制的目的?？梢允且粋€(gè)差接的電路，它往往不是一個(gè)專門的物理元件，有時(shí)也叫比較環(huán)節(jié)。 （3）調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)：對(duì)偏差信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并由單片機(jī)對(duì)其值進(jìn)行比較處理。（5）控制對(duì)象:控制系統(tǒng)所要操縱的對(duì)象，它的輸出量即為系統(tǒng)的被控量。系統(tǒng)布線簡單易行，而且系統(tǒng)性能穩(wěn)定、工作可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用。（3）軟件用C語言作為編程語言，采用模塊式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。單片機(jī)部分，選擇采用美國ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C51，采集部分則選用的是SHT11，控制部分采用光耦合器連接繼電器控制電磁閥和水泵，顯示部分用了4個(gè)7段數(shù)碼管。傳統(tǒng)的模擬式濕度傳感器需設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路并要經(jīng)過復(fù)雜的校準(zhǔn)、標(biāo)定過程,測量精度難以得到保證,且在線性度、重復(fù)性、互換性、一致性等方面往往不盡人意。內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1 ,它有如下優(yōu)點(diǎn)。將溫度傳感器與濕度傳感器結(jié)合在一起構(gòu)成了一個(gè)單一的個(gè)體,這就使得測量精度提高并且可以精確得出露點(diǎn),而不會(huì)產(chǎn)生由于溫度與濕度傳感器之間隨溫度梯度變化而引起的誤差。由于傳感器與放大器合為一體,不僅使信號(hào)強(qiáng)度增加,更重要的是長期穩(wěn)定性也得到增強(qiáng),這對(duì)傳感器系統(tǒng)是極為重要的。此外,該傳感器還有反應(yīng)迅速、高精度、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。CMOSensTM 傳感器性能特點(diǎn)SH T11 由于采用了特有的工業(yè)化CMOS 技術(shù),它具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性。SH T11 傳感器的特點(diǎn)如下:①全校準(zhǔn)數(shù)字輸出相對(duì)濕度、溫度。 ③具有露點(diǎn)計(jì)算輸出功能。 ⑤小體積(7 mm 5 mm 3 mm) ,可表面貼裝和4 引腳封裝。 ⑦自動(dòng)休眠功能。 ⑨ 可靠的CRC 傳輸校驗(yàn)。傳感器信號(hào)輸出(1) 濕度值輸出SH T11 可通過I2 C 總線直接輸出數(shù)字量濕度值,其相對(duì)濕度輸出特性曲線如圖3 所示。12 位和8 位的系數(shù)取值分別如下:c1 = 4 , c2 = 0. 0405 , c2 = 2. 8 10 6c1 = 4 , c2 = 0. 648 , c2 = 7. 2 10 4(2) 溫度值輸出SH T11 溫度傳感器的線性非常好,可用下列公式將溫度數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換成實(shí)際溫度值T :T = d1 + d2 S OT；(2)式中,S OT —傳感器溫度測量值。(3) 露點(diǎn)計(jì)算空氣的露點(diǎn)值可根據(jù)相對(duì)濕度和溫度值由下面的公式計(jì)算。(4) 非線性校正及溫度補(bǔ)償式(1) 為相對(duì)濕度的非線性補(bǔ)償計(jì)算公式,對(duì)于單片機(jī)系統(tǒng)而言,計(jì)算量大而過于復(fù)雜,下面給出簡化的計(jì)算方法。[ RH]simple = c1 + c2 S ORH (5)式中,c1 = 0. 5 ,c2 = 0. 5 。[ RH]real = (a SO + b) / 256 (6)式中,SO 為8 位濕度傳感器輸出濕度值。(5) 溫度補(bǔ)償　上述濕度計(jì)算公式是按環(huán)境溫度為25 ℃進(jìn)行計(jì)算的,而實(shí)際的測量溫度值則在一定的范圍內(nèi)變化,所以應(yīng)考慮濕度傳感器的溫度系數(shù),按下式對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)SORH為8 位時(shí), t1 = 0. 01 , t2 = 0. 00128 。下面介紹一下具體的命令順序及命令時(shí)序。接著傳輸開始下一個(gè)命令包含三個(gè)地址位(目前只支持“000”) 和5 個(gè)命令位,通過DA TA 腳的ack 位處于低電位表示SHT11 正確收到命令。觸發(fā)SCK 9 次以上(含9 次) ,并發(fā)一個(gè)前述的“傳輸開始”命令。使用8/ 12/ 14 位的分辨率測量分別需要大約11/ 55/ 210 ms。如果沒有用CRC28 校驗(yàn)和,則控制器就會(huì)在測量數(shù)據(jù)LSB 后,保持ack 為高時(shí)停止通訊,SHT11 在測量和通訊完成之后會(huì)自動(dòng)返回睡眠模式。測量溫度和測量濕度命令所對(duì)應(yīng)的時(shí)序如圖4所示。其二,在相對(duì)濕度較高的環(huán)境下,傳感器可通過加熱來避免冷凝。0. 1 V。便攜式溫濕度檢測儀應(yīng)用本人采用了STH11 作為溫濕度傳感器,實(shí)現(xiàn)了體積小巧可攜帶的溫濕度檢測儀,由L ED 數(shù)碼管顯示,也可以固定在需長期測量的場合。主要功能有:溫度顯示0 ℃2100 ℃。3 %RH 。能與上位機(jī)通訊。溫濕度測量反應(yīng)速度 10 s AT89C51單片機(jī)AT89C51單片機(jī)是51系列單片機(jī)的一個(gè)成員，是8051單片機(jī)的簡化版。由于將多功能八位CPU和閃速存儲(chǔ)器結(jié)合在單個(gè)芯片中，因此，AT89C2051構(gòu)成的單片機(jī)系統(tǒng)是具有結(jié)構(gòu)最簡單、造價(jià)最低廉、效率最高的微控制系統(tǒng)，省去了外部的RAM、ROM和接口器件，減少了硬件開銷，節(jié)省了成本，提高了系統(tǒng)的性價(jià)比。同時(shí)，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。掉電方式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。Vcc：電源電壓 P0 口：P0 口是一組 8 位漏極開路型雙向 I／O 口，也即地址／數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。 在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。對(duì)端口寫“1” ，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。 Flash編程和程序校驗(yàn)期間，P1接收低8位地址。P2口：P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I／O口，P2的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)（吸收或輸出電流）4個(gè)TTL邏輯門電路。在訪問外部程序存儲(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)。Flash編程或校驗(yàn)時(shí)，P2亦接收高位地址和其它控制信號(hào)。P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I／O 口。對(duì) P3 口寫入“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。 P3口除了作為一般的I／O口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表（表1）所示： 表1 P3口的第二功能 端口引腳第二功能（串行輸入口）（串行輸出口）（外部中斷0）(外部中斷1)（定時(shí)/計(jì)數(shù)器0外部輸入）（定時(shí)/計(jì)數(shù)器1外部輸入）（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）P3口還接收一些用于Flash閃速存儲(chǔ)器編程和程序校驗(yàn)的控制信號(hào)。RST：復(fù)位輸入。 即使不訪問外部存儲(chǔ)器，ALE 仍以時(shí)鐘振蕩頻率的 l／6 輸出固定的正脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。對(duì)Flash存儲(chǔ)器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖（）如有必要，可通過對(duì)特殊功能寄存器（SFR）區(qū)中的 8EH單元的 DO 位置位，可禁止 ALE 操作。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無效。 PSEN：程序儲(chǔ)存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng) AT89C51 由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效，即輸出兩個(gè)脈沖。欲使CPU僅訪問外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000H—FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。 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，振蕩電路參見圖3。對(duì)外接電容CC2雖然沒有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性，如果使用石英晶體，我們推薦電容使用30pF177。10F。采用外部時(shí)鐘的電路如圖4所示。外部時(shí)鐘脈沖接到XTAL1端，即內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端，XTAL2則懸空?？刂破髟趩纹瑱C(jī)內(nèi)部協(xié)調(diào)各功能部件之間的數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)運(yùn)算等操作，并對(duì)單片機(jī)外部發(fā)出若干控制信息。ACC就是累加器，在指令中一般寫為A。程序狀態(tài)字寄存器PSW相當(dāng)于一般微處理器中的狀態(tài)寄存器，其中各位的定義如表2所示。常用“C”表示。 F0（）：用戶標(biāo)志位。8051共有4個(gè)8位工作寄存器，分別命名為R0～R7。RS1和 RS0與寄存器區(qū)的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3所示。 －（）：保留位，無定義。 AT89C51內(nèi)存空間： 從物理地址空間看，89C51有4個(gè)存儲(chǔ)器地址空間，片內(nèi)程序存儲(chǔ)器、片外程序存儲(chǔ)器、片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其存儲(chǔ)情況如下：（1）內(nèi)部程序存儲(chǔ)器（ROM）4K字節(jié)。 （3）內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）256字節(jié)。表4 89C51單片機(jī)的特殊功能寄存器一覽表寄存器符號(hào)名稱字節(jié)地址*