基于單片機的溫室自動灌溉系統(tǒng)設計與實現(xiàn)—畢業(yè)設計論文.doc

基于單片機的溫室自動灌溉系統(tǒng)設計與實現(xiàn)摘要我國設施農業(yè)節(jié)水灌溉已成為農業(yè)工程領域中重點關注的問題之一，由于國內外的自動灌溉系統(tǒng)造價高、使用復雜而難以推廣，開發(fā)滿足當前設施農業(yè)生產(chǎn)需求的灌溉控制系統(tǒng)具有重要意義。本文設計了一種基于單片機的溫室自動灌溉系統(tǒng)，實現(xiàn)了作物根系處土壤濕度的監(jiān)測與自動控制。該系統(tǒng)以CC2430單片機為核心，采用模塊化設計思路，主要包含微處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、電源供應模塊及人機交互模塊。系統(tǒng)將周期采集的土壤濕度數(shù)據(jù)傳送到微處理器模塊，由決策算法對數(shù)據(jù)進行分析后做出是否灌溉的指令，在灌溉過程中由數(shù)據(jù)采集模塊持續(xù)監(jiān)測土壤濕度，并根據(jù)監(jiān)測結果，反饋控制灌溉設備的啟停，以此實現(xiàn)土壤濕度維持在預設范圍。系統(tǒng)采用人機交互模塊實現(xiàn)灌溉閾值的可配置，滿足不同設施作物種植的參數(shù)定制需求，同時提供實時土壤濕度查看和灌溉設備狀態(tài)管理功能。初步試驗表明，系統(tǒng)把土壤濕度提高30所需的時間在5060min之內，控制誤差在3以內，且運行穩(wěn)定，操作簡單，準確性和快速性指標能滿足設施農業(yè)灌溉要求。系統(tǒng)成本低、可維護性強，從而具有良好的推廣應用前景。關鍵詞：溫室自動灌溉；土壤濕度監(jiān)測；單片機DesignandImplementationofGreenhouseAutomaticIrrigationSystemBasedonMCUAbstractChinaswater-savingirrigationoffacilitiesforagriculturalinagricultureengineeringhasbecomethefocusofoneoftheconcerns.Theautomaticirrigationsystemathomeandabroadbecauseofhighcost,theuseofcomplexaredifficulttopromote,thedevelopmentofagriculturalproductionfacilitiestomeetthecurrentneedsofirrigationcontrolsystemisimportant.ThegreenhouseautomaticirrigationsystembasedonMCUrealizedtheautomaticcontrolofsoilmoistureatcroproot.Therearefivemodules:microprocessormodule,monitormodule,controlmodule,powermoduleandinteractivemodule.Whenthesystemoperated,thesoilmoisturedatawillbecollectedbythemonitormoduletothemicroprocessormodule,fromwhichthedecisionalgorithminthedataanalysisismadeofinstructionsirrigation,atthesametimemonitoringmoduleforreal-timemonitoringofsoilmoisture.Meanwhilethemicroprocessormodulemakesinstructionsofirrigationwhethertocontinueaccordingtosoilmoisture,untilthesoilmoisturetomaintaintheirrigationofourpre-setthresholdtostoptheirrigation.Thesystemusesinteractivemoduleirrigationthresholdcanbeconfiguredtomeettheparametersofdifferentcropscustomfacilityneeds,whileprovidingreal-timeviewofsoilmoistureandirrigationequipmentstatusmanagementfunctions.Preliminaryexperimentationsshowthatthetimeneeded5060mintoraisesoilmoistureby30，thecontrolerrorwas3,andtheoperationofthesystemwassteady.Thesystemiseasytooperate,andtheaccuracyandrapidityofitareabletosatisfytheagriculturetechnicalrequirementsItalsohascertainvalueofapplication.Keywords:automaticirrigation；real-timemonitoringofsoilmoisture；MCUI目錄1緒論.-1-1.1研究背景.-1-1.2研究現(xiàn)狀.-1-1.3研究目的.-2-1.4論文結構.-2-2系統(tǒng)結構設計及器件選型.-3-2.1系統(tǒng)結構設計.-3-2.2器件選型.-4-2.2.1微處理器選型.-4-2.2.2土壤濕度傳感器選型.-5-2.2.3LCD液晶顯示模塊選型.-6-2.3本章小結.-6-3硬件電路設計與實現(xiàn).-7-3.1應用軟件介紹.-7-3.2微處理器模塊設計.-8-3.2.1CC2430概述.-8-3.2.2CC2430外圍電路設計.-8-3.2.3微處理器復位及調試接口電路設計.-9-3.3數(shù)據(jù)采集模塊設計.-10-3.4電源供應模塊設計.-10-3.5控制模塊硬件設計.-11-3.6人機交互模塊設計.-12-3.6.1顯示模塊原理圖設計.-12-3.6.2按鍵電路設計.-12-3.7PCB電路板制作.-13-3.7.1繪制PCB板.-13-3.8系統(tǒng)實物制作.-16-3.9本章小結.-16-4系統(tǒng)軟件設計.-17-4.1應用軟件介紹.-17-4.2系統(tǒng)需求分析.-18-4.3系統(tǒng)程序設計.-19-4.3.1系統(tǒng)主程序設計.-19-4.3.2傳感器采集程序設計.-21-4.3.3顯示程序設計.-22-4.4灌溉模型設計.-24-4.5系統(tǒng)應用方案設計.-26-4.5.1控制方式的選擇.-26-4.5.2工作方式的選擇.-26-4.6本章小結.-27-5系統(tǒng)應用驗證.-29-II5.1驗證內容.-29-5.2本章小結.-30-6總結與展望.-31-6.1總結.-31-6.2展望.-31-參考文獻.-32-附錄一.-33-附錄二.-39-致謝.-45-緒論-1-1緒論1.1研究背景自古以來，我國就是一個以農業(yè)為主的國家，即便到了現(xiàn)代社會，農業(yè)仍是我國國民經(jīng)濟的基礎。但我國農業(yè)生產(chǎn)效率低下，長期以來一直以經(jīng)驗種植為主，農業(yè)生產(chǎn)效率僅為發(fā)達國家的1/10。為解決三農問題，國家正大力發(fā)展現(xiàn)代農業(yè)，溫室是其中一個重要的組成部分，可增加作物年均成熟次數(shù)，增大作物產(chǎn)量，提高農業(yè)生產(chǎn)效率，因此，大力發(fā)展溫室產(chǎn)業(yè)，對我國這樣一個人口多耕地少的國家而言具有極大的戰(zhàn)略意義1。目前，我國的溫室面積已突破210萬hm2，總面積達世界第一，但我國溫室管理水平落后，大多控制系統(tǒng)采用定時控制或者手動控制方式2。在灌溉管理方面，通常存在澆水不及時、不均、灌水不足或過量灌水等現(xiàn)象3。自動灌溉系統(tǒng)通常對作物根系的土壤濕度進行實時監(jiān)測，獲得作物根系的需水量，以此作為自動灌溉的依據(jù)。溫室自動灌溉可實現(xiàn)土壤濕度和營養(yǎng)成分的有效管理，是保證設施作物優(yōu)質高產(chǎn)的重要措施4。隨著精準感知技術、定量控制技術的迅速發(fā)展,自動控制技術在節(jié)水灌溉中有了新的發(fā)展5，通過灌溉控制器適時、適量地灌水，在節(jié)省水、人工和提高作物產(chǎn)量方面取得了一定的成效，可顯著提高灌溉精準度，提高水的利用率。本文設計一種操作簡單、精確灌溉的低成本自動化控制灌溉系統(tǒng)，使之既能保證植物的良好的生長狀態(tài)，又能做到盡量節(jié)水，對溫室農業(yè)的發(fā)展具有重要意義。1.2研究現(xiàn)狀在國外，早在20世紀50年代，利用電子設備、計算機設備和程序控制的灌排系統(tǒng)就得到很大發(fā)展，并在法國、美國、日本等發(fā)達國家得到日益廣泛的應用。1966年美國利用虛擬儀器技術開發(fā)了一套AgriMate自動灌溉系統(tǒng)，系統(tǒng)中的現(xiàn)場處理器由LabVIEW的個人計算機控制?，F(xiàn)場處理器配置了模擬輸入、鎖存和繼電器板，用戶可以監(jiān)控水箱水位、閥門位置、泵的狀態(tài)和土壤濕度等，而修改設定點即可改變灌溉計劃。水的用法、水箱水位和降水情況等都是存儲在灌溉數(shù)據(jù)庫文件里的數(shù)據(jù)，用戶能夠讀出這些數(shù)據(jù)以與當前數(shù)據(jù)進行比較，以圖形方式顯示給定月份的土壤濕潤度和外加的水，其發(fā)展程度已經(jīng)非常高6。相關研究依靠氣象數(shù)據(jù)，通過對比過去灌區(qū)的蒸發(fā)量及灌水量，結合各分灌區(qū)的植物種類分布、地形、土壤成分等數(shù)據(jù)進行自動分析，并自動制定出當前各項灌溉指標的灌溉系統(tǒng)，存在灌溉依據(jù)的間接性，很可能偏離灌溉目標5。近年來相關研究已經(jīng)深入到將氣象因素、蒸騰量和土壤含水率相結合的綜合灌溉控制系統(tǒng)。但國外的設備普遍價格昂貴、專業(yè)性較強，不適合普通用戶使用。國內在這方面的研究起步較晚，但也取得一定成就7-12，比如北京農業(yè)工程大學研制了以INTEL公司的8031系統(tǒng)單片機為核心的自動化灌溉系統(tǒng)，該系統(tǒng)為多通道土壤水分檢測、多路控制灌溉的控制系統(tǒng)。張建豐等研發(fā)的多功能網(wǎng)絡式自動灌溉方法及其基于單片機的溫室自動灌溉系統(tǒng)設計與實現(xiàn)-2-裝置，實現(xiàn)了定時、定量，根據(jù)土壤濕度，預先制定灌溉計劃的灌水功能。但總體上，國內灌溉自動化程度不高，相關設備落后，與國外的先進水平還有很大的差距。國內外專家在這方面已做出了不可否認的成就9-16，但這些自動灌溉系統(tǒng)由于造價高、專業(yè)性強而難以推廣。本文設計的系統(tǒng)通過實時監(jiān)測作物根域的土壤濕度信號，從而對作物進行適時適量按需灌溉，不但可以做到精準灌溉，達到節(jié)水的目的，而且操作簡單，開發(fā)成本低，適于推廣。1.3研究目的溫室在作物生長過程中，根系會從土壤孔隙中吸取水分，通過對作物根域附近的土壤濕度的實時監(jiān)測直接反映作物根系的需水量。我國現(xiàn)階段大多灌溉控制系統(tǒng)采用定時控制或者手動控制方式，澆水不及時、不均、灌水不足或過量灌水現(xiàn)象時有發(fā)生；更為先進的，依靠氣象數(shù)據(jù)和對比過去灌區(qū)的蒸發(fā)量及灌水量制定出當前各項灌溉指標的灌溉系統(tǒng)，存在灌溉依據(jù)的間接性，很可能偏離灌溉目標。本課題將研究解決以上問題，設計了一種基于單片機的信息采集與自動灌溉控制一體化系統(tǒng)，它具有設備成本低、可維護性強、可靠性高等獨特的優(yōu)勢，并能給用戶提供預警支持，從而減少農民勞作強度，增加產(chǎn)量。1.4論文結構本論文章節(jié)結構按如下安排：第一章介紹溫室自動灌溉系統(tǒng)的研究背景、國內外研究現(xiàn)狀、研究目的和論文結構。第二章給出系統(tǒng)設計原理框圖，選擇器件類型以及對設計中用到的元器件的介紹。第三章硬件電路的設計，包括微處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、電源供應模塊以及人機交互模塊電路設計。第四章主要是軟件設計與實現(xiàn)，介紹單片機開發(fā)軟件IAR，重點是各個模塊軟件設計。第五章主要是系統(tǒng)的應用與驗證。第六章主要是總結與展望。系統(tǒng)結構設計及器件選型-3-2系統(tǒng)結構設計及器件選型本系統(tǒng)以單片機(CC2430)為核心，采用模塊化設計方法，主要由微處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、電源供應模塊、人機交互模塊及相關軟件組成。單片機是整個系統(tǒng)的核心，它控制本系統(tǒng)的各種功能，因此選擇性能可靠的單片機就顯得尤為重要，考慮到滿足功能要求、穩(wěn)定性、性價比、開發(fā)等因素，選用TI生產(chǎn)的CC2430。土壤濕度傳感器是本系統(tǒng)的測量元件，傳感器性能的好壞直接影響到本系統(tǒng)性能的好壞。本設計采用的FDS-100，其技術參數(shù)為：工作電壓512V，工作電流15mA，測量精度3%，探針長度5.3cm，輸出模擬信號。在本系統(tǒng)中，采用LCD作為顯示單元，LCD液晶顯示器具有功耗低、壽命長、無輻射、不易引起視疲勞等優(yōu)點，正在廣泛應用于儀表、家用電器、計算機、醫(yī)療儀器及交通和通信領域。本系統(tǒng)采用OCM12864-9液晶顯示模塊，它是12864點陣型液晶模塊，可顯示各種字符及圖形，可與CPU直接接口。2.1系統(tǒng)結構設計所謂的模塊化設計，簡單的說就是將產(chǎn)品的某些要素組合起來，構成一個具有特定功能的子系統(tǒng)，將這個子系統(tǒng)作為通用性的模塊與其他產(chǎn)品要素進行多種組合，構成新的系統(tǒng)，產(chǎn)生多種不同功能或相同功能、不同性能的系列產(chǎn)品。模塊化是在傳統(tǒng)設計基礎上發(fā)展起來一種新的設計思想，現(xiàn)已成為一種新的設計思想被廣泛采用，尤其是信息時代電子產(chǎn)品不斷推陳出新，模塊化設計的產(chǎn)品正在不斷涌現(xiàn)。模塊化設計已被廣泛用于機床、電子產(chǎn)品、航空、航天等設計領域。模塊化設計是綠色設計方法之一，它已經(jīng)從理念轉變?yōu)楸容^成熟的設計方法17。本文設計的溫室自動灌溉系統(tǒng)是實現(xiàn)溫室作物根系處土壤濕度的自動控制，采用模塊化設計方法，系統(tǒng)主要由微處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、電源供應模塊以及人機交互模塊組成。整個系統(tǒng)以單片機(CC2430)為控制核心，系統(tǒng)運行時，首先將數(shù)據(jù)采集模塊采集到的土壤濕度數(shù)據(jù)傳送到微處理器模塊上，并將采集到的土壤濕度數(shù)據(jù)顯示在液晶屏上,由存儲在單片機的決策算法對數(shù)據(jù)進行分析后做出是否灌溉的指令，與此同時數(shù)據(jù)采集模塊對土壤濕度進行實時監(jiān)測，將土壤濕度參數(shù)信息送入微處理器模塊發(fā)出是否繼續(xù)灌水的指令，直到土壤濕度維持在我們預先設定的灌溉閾值停止灌水。另外系統(tǒng)針對不同農作物及其不同發(fā)育期，可預先通過人機交互模塊輸入相關參數(shù)，使得土壤濕度達到我們預期的標準，達到節(jié)水和精確灌溉的目的，靈活適用于多種場合。系統(tǒng)示意圖如2-1所示：基于單片機的溫室自動灌溉系統(tǒng)設計與實現(xiàn)-4-2.4GHzFLASHCC2420CC2430A/D電源供應模塊（電池/市電/太陽能可選）光耦TLP521驅動模塊灌溉設備水流開關控制模塊通用數(shù)字I/O8051MPU人機交互模塊計算機通用數(shù)字I/OUARTLCD按鍵FDS-100數(shù)據(jù)采集模塊圖2-1溫室自動灌溉系統(tǒng)示意圖2.2器件選型在系統(tǒng)的硬件設計上，最重要的是低功耗的設計。低功耗的設計可以分為硬件和軟件兩個方面，在硬件方面體現(xiàn)在芯片的選擇上。2.2.1微處理器選型微處理器是整個系統(tǒng)的核心，直接關系到系統(tǒng)的整體性能、價位、開發(fā)難度等。在選擇微處理器芯片時需考慮以下因素：A、芯片集成度高低有些芯片內部集成有FLASH、AD等外圍設備，外圍設備越多，硬件電路越簡單，系統(tǒng)功耗也會越小，因此應盡量選擇集成度高的芯片。B、開發(fā)商開發(fā)套件完備程度不同的開發(fā)商提供的開發(fā)系統(tǒng)不盡相同，開發(fā)套件完備程度關系到系統(tǒng)開發(fā)的難度，選擇芯片時應考慮開發(fā)商提供的資料是否滿足開發(fā)需求。C、價格高低下面首先對當前幾種主流的微處理器芯片加以介紹。（1）TI公司的CC2430A、高性能8位8051微控制器核，是常規(guī)8051CPU處理速度的8倍。B、128KB可編程FLASH和8KB的RAM。C、接收模式功耗低于27mA，發(fā)射模式低于25mA。D、休眠模式僅0.9A的功耗，在待機模式時少于0.6A的功耗。E、集成可編程的8-14位8路輸入模數(shù)轉換ADC。（2）SN250：系統(tǒng)結構設計及器件選型-5-A、16位XAP2b微處理器。B、128KB的FLASH及5KB的RAM。C、兩種休眠模式：處理