基于單片機(jī)的溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)—畢業(yè)設(shè)計(jì)論文.doc

基于單片機(jī)的溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要我國設(shè)施農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉已成為農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域中重點(diǎn)關(guān)注的問題之一，由于國內(nèi)外的自動(dòng)灌溉系統(tǒng)造價(jià)高、使用復(fù)雜而難以推廣，開發(fā)滿足當(dāng)前設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)需求的灌溉控制系統(tǒng)具有重要意義。本文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了作物根系處土壤濕度的監(jiān)測與自動(dòng)控制。該系統(tǒng)以CC2430單片機(jī)為核心，采用模塊化設(shè)計(jì)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(yīng)模塊及人機(jī)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(jìn)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(jié)果，反饋控制灌溉設(shè)備的啟停，以此實(shí)現(xiàn)土壤濕度維持在預(yù)設(shè)范圍。系統(tǒng)采用人機(jī)交互模塊實(shí)現(xiàn)灌溉閾值的可配置，滿足不同設(shè)施作物種植的參數(shù)定制需求，同時(shí)提供實(shí)時(shí)土壤濕度查看和灌溉設(shè)備狀態(tài)管理功能。初步試驗(yàn)表明，系統(tǒng)把土壤濕度提高30所需的時(shí)間在5060min之內(nèi)，控制誤差在3以內(nèi)，且運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡單，準(zhǔn)確性和快速性指標(biāo)能滿足設(shè)施農(nóng)業(yè)灌溉要求。系統(tǒng)成本低、可維護(hù)性強(qiáng)，從而具有良好的推廣應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：溫室自動(dòng)灌溉；土壤濕度監(jiān)測；單片機(jī)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(jié)構(gòu).-2-2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及器件選型.-3-2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).-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(jié).-6-3硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).-7-3.1應(yīng)用軟件介紹.-7-3.2微處理器模塊設(shè)計(jì).-8-3.2.1CC2430概述.-8-3.2.2CC2430外圍電路設(shè)計(jì).-8-3.2.3微處理器復(fù)位及調(diào)試接口電路設(shè)計(jì).-9-3.3數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì).-10-3.4電源供應(yīng)模塊設(shè)計(jì).-10-3.5控制模塊硬件設(shè)計(jì).-11-3.6人機(jī)交互模塊設(shè)計(jì).-12-3.6.1顯示模塊原理圖設(shè)計(jì).-12-3.6.2按鍵電路設(shè)計(jì).-12-3.7PCB電路板制作.-13-3.7.1繪制PCB板.-13-3.8系統(tǒng)實(shí)物制作.-16-3.9本章小結(jié).-16-4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).-17-4.1應(yīng)用軟件介紹.-17-4.2系統(tǒng)需求分析.-18-4.3系統(tǒng)程序設(shè)計(jì).-19-4.3.1系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì).-19-4.3.2傳感器采集程序設(shè)計(jì).-21-4.3.3顯示程序設(shè)計(jì).-22-4.4灌溉模型設(shè)計(jì).-24-4.5系統(tǒng)應(yīng)用方案設(shè)計(jì).-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(jié).-27-5系統(tǒng)應(yīng)用驗(yàn)證.-29-II5.1驗(yàn)證內(nèi)容.-29-5.2本章小結(jié).-30-6總結(jié)與展望.-31-6.1總結(jié).-31-6.2展望.-31-參考文獻(xiàn).-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(gè)以農(nóng)業(yè)為主的國家，即便到了現(xiàn)代社會(huì)，農(nóng)業(yè)仍是我國國民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)。但我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率低下，長期以來一直以經(jīng)驗(yàn)種植為主，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率僅為發(fā)達(dá)國家的1/10。為解決三農(nóng)問題，國家正大力發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，溫室是其中一個(gè)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(nóng)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(gè)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(dá)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(shí)控制或者手動(dòng)控制方式2。在灌溉管理方面，通常存在澆水不及時(shí)、不均、灌水不足或過量灌水等現(xiàn)象3。自動(dòng)灌溉系統(tǒng)通常對作物根系的土壤濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，獲得作物根系的需水量，以此作為自動(dòng)灌溉的依據(jù)。溫室自動(dòng)灌溉可實(shí)現(xiàn)土壤濕度和營養(yǎng)成分的有效管理，是保證設(shè)施作物優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的重要措施4。隨著精準(zhǔn)感知技術(shù)、定量控制技術(shù)的迅速發(fā)展,自動(dòng)控制技術(shù)在節(jié)水灌溉中有了新的發(fā)展5，通過灌溉控制器適時(shí)、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(zhǔn)度，提高水的利用率。本文設(shè)計(jì)一種操作簡單、精確灌溉的低成本自動(dòng)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(nóng)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(jì)50年代，利用電子設(shè)備、計(jì)算機(jī)設(shè)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(dá)國家得到日益廣泛的應(yīng)用。1966年美國利用虛擬儀器技術(shù)開發(fā)了一套AgriMate自動(dòng)灌溉系統(tǒng)，系統(tǒng)中的現(xiàn)場處理器由LabVIEW的個(gè)人計(jì)算機(jī)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(shè)定點(diǎn)即可改變灌溉計(jì)劃。水的用法、水箱水位和降水情況等都是存儲(chǔ)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(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)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(guān)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(jié)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(jìn)行自動(dòng)分析，并自動(dòng)制定出當(dāng)前各項(xiàng)灌溉指標(biāo)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(biāo)5。近年來相關(guān)研究已經(jīng)深入到將氣象因素、蒸騰量和土壤含水率相結(jié)合的綜合灌溉控制系統(tǒng)。但國外的設(shè)備普遍價(jià)格昂貴、專業(yè)性較強(qiáng)，不適合普通用戶使用。國內(nèi)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(nóng)業(yè)工程大學(xué)研制了以INTEL公司的8031系統(tǒng)單片機(jī)為核心的自動(dòng)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(luò)式自動(dòng)灌溉方法及其基于單片機(jī)的溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)-2-裝置，實(shí)現(xiàn)了定時(shí)、定量，根據(jù)土壤濕度，預(yù)先制定灌溉計(jì)劃的灌水功能。但總體上，國內(nèi)灌溉自動(dòng)化程度不高，相關(guān)設(shè)備落后，與國外的先進(jìn)水平還有很大的差距。國內(nèi)外專家在這方面已做出了不可否認(rèn)的成就9-16，但這些自動(dòng)灌溉系統(tǒng)由于造價(jià)高、專業(yè)性強(qiáng)而難以推廣。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)監(jiān)測作物根域的土壤濕度信號(hào)，從而對作物進(jìn)行適時(shí)適量按需灌溉，不但可以做到精準(zhǔn)灌溉，達(dá)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(huì)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(shí)時(shí)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(shí)控制或者手動(dòng)控制方式，澆水不及時(shí)、不均、灌水不足或過量灌水現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生；更為先進(jìn)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(dāng)前各項(xiàng)灌溉指標(biāo)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(biāo)。本課題將研究解決以上問題，設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的信息采集與自動(dòng)灌溉控制一體化系統(tǒng)，它具有設(shè)備成本低、可維護(hù)性強(qiáng)、可靠性高等獨(dú)特的優(yōu)勢，并能給用戶提供預(yù)警支持，從而減少農(nóng)民勞作強(qiáng)度，增加產(chǎn)量。1.4論文結(jié)構(gòu)本論文章節(jié)結(jié)構(gòu)按如下安排：第一章介紹溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)的研究背景、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、研究目的和論文結(jié)構(gòu)。第二章給出系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖，選擇器件類型以及對設(shè)計(jì)中用到的元器件的介紹。第三章硬件電路的設(shè)計(jì)，包括微處理器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊、電源供應(yīng)模塊以及人機(jī)交互模塊電路設(shè)計(jì)。第四章主要是軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，介紹單片機(jī)開發(fā)軟件IAR，重點(diǎn)是各個(gè)模塊軟件設(shè)計(jì)。第五章主要是系統(tǒng)的應(yīng)用與驗(yàn)證。第六章主要是總結(jié)與展望。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及器件選型-3-2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及器件選型本系統(tǒng)以單片機(jī)(CC2430)為核心，采用模塊化設(shè)計(jì)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(yīng)模塊、人機(jī)交互模塊及相關(guān)軟件組成。單片機(jī)是整個(gè)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(jī)就顯得尤為重要，考慮到滿足功能要求、穩(wěn)定性、性價(jià)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(shè)計(jì)采用的FDS-100，其技術(shù)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(hào)。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(diǎn)，正在廣泛應(yīng)用于儀表、家用電器、計(jì)算機(jī)、醫(yī)療儀器及交通和通信領(lǐng)域。本系統(tǒng)采用OCM12864-9液晶顯示模塊，它是12864點(diǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所謂的模塊化設(shè)計(jì)，簡單的說就是將產(chǎn)品的某些要素組合起來，構(gòu)成一個(gè)具有特定功能的子系統(tǒng)，將這個(gè)子系統(tǒng)作為通用性的模塊與其他產(chǎn)品要素進(jìn)行多種組合，構(gòu)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(shè)計(jì)基礎(chǔ)上發(fā)展起來一種新的設(shè)計(jì)思想，現(xiàn)已成為一種新的設(shè)計(jì)思想被廣泛采用，尤其是信息時(shí)代電子產(chǎn)品不斷推陳出新，模塊化設(shè)計(jì)的產(chǎn)品正在不斷涌現(xiàn)。模塊化設(shè)計(jì)已被廣泛用于機(jī)床、電子產(chǎn)品、航空、航天等設(shè)計(jì)領(lǐng)域。模塊化設(shè)計(jì)是綠色設(shè)計(jì)方法之一，它已經(jīng)從理念轉(zhuǎn)變?yōu)楸容^成熟的設(shè)計(jì)方法17。本文設(shè)計(jì)的溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)溫室作物根系處土壤濕度的自動(dòng)控制，采用模塊化設(shè)計(jì)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(yīng)模塊以及人機(jī)交互模塊組成。整個(gè)系統(tǒng)以單片機(jī)(CC2430)為控制核心，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，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(chǔ)在單片機(jī)的決策算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后做出是否灌溉的指令，與此同時(shí)數(shù)據(jù)采集模塊對土壤濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)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(yù)先設(shè)定的灌溉閾值停止灌水。另外系統(tǒng)針對不同農(nóng)作物及其不同發(fā)育期，可預(yù)先通過人機(jī)交互模塊輸入相關(guān)參數(shù)，使得土壤濕度達(dá)到我們預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)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(jī)的溫室自動(dòng)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)-4-2.4GHzFLASHCC2420CC2430A/D電源供應(yīng)模塊（電池/市電/太陽能可選）光耦TLP521驅(qū)動(dòng)模塊灌溉設(shè)備水流開關(guān)控制模塊通用數(shù)字I/O8051MPU人機(jī)交互模塊計(jì)算機(jī)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(dòng)灌溉系統(tǒng)示意圖2.2器件選型在系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)上，最重要的是低功耗的設(shè)計(jì)。低功耗的設(shè)計(jì)可以分為硬件和軟件兩個(gè)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(gè)系統(tǒng)的核心，直接關(guān)系到系統(tǒng)的整體性能、價(jià)位、開發(fā)難度等。在選擇微處理器芯片時(shí)需考慮以下因素：A、芯片集成度高低有些芯片內(nèi)部集成有FLASH、AD等外圍設(shè)備，外圍設(shè)備越多，硬件電路越簡單，系統(tǒng)功耗也會(huì)越小，因此應(yīng)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(guān)系到系統(tǒng)開發(fā)的難度，選擇芯片時(shí)應(yīng)考慮開發(fā)商提供的資料是否滿足開發(fā)需求。C、價(jià)格高低下面首先對當(dāng)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(jī)模式時(shí)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(zhuǎn)換ADC。（2）SN250：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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