节水灌溉智能控制系统设计方案.docx

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节水灌溉智能控制系统设计方案

LANZHOUUNIVERSITYOFTECHNOLOGY

毕业设计

题目节水灌溉智能控制系统设计

学生姓名赵胜

学号08220301

专业班级自动化（3）班

指导教师成娟娟

学院电信工程学院

答辩日期2012.6.12

摘要

节水灌溉智能控制技术的高低代表着农业现代化的发展状况，灌溉系统智能化水平较低是制约我国高效农业发展的主要原因。

本文就此问题研究了单片机控制的节水灌溉系统，该系统对土壤的湿度进行监控，并按照作物对土壤湿度的要求进行适时、适量灌水，其核心是单片机通过采用PID算法对土壤湿度的控制部分，主要对灌溉控制技术及系统的硬件、软件编程各个部分进行了深入的研究。

单片机控制部分采用AT89C51单片机为核心，主要由土壤湿度传感器，AD转换器，显示电路，输出控制电路，故障报警电路等组成；软件选用C语言编程。

系统主要具有以下功能：

单片机可根据土壤湿度传感器检测到的土壤湿度，自动控制灌溉系统，并且同时显示出当前土壤的湿度值。

该系统灵活性强，易于操作，可靠性高，将会有更广阔的开发前景。

关键词：

节水灌溉；湿度传感器；单片机；自动控制

Abstract

Thelevelofauto-controlwater-savingirrigationtechnologyreflectsthedevelopmentconditionofagriculturemodernization．Thelowautomaticlevelofirrigationsystemisthemainreasonthatpreventedouragriculture’sdevelopment．Astothiscondition，thispapermainlystudiesthedripwater-savingirrigationsystemthatcontrolledbyMCU（Micro—controllerUnit）．Thissystemcallsuperviseandcontrolmoistureofdifferentsoil．Itcanirrigatetodifferentfarmcorpswiththerightamountofwateratthewelltime．ItscoreistheMCUthroughtheuseofthePIDalgorithmforsoilmoisturecontrolsection．ResearchworkhandbeencarriedOiltotherelationshipbetweensoilmoistureandwater,irrigatecontroltechnology,hardwareandsoftwareprogramandsoon.Itadoptsthetopandbottomformtorealizethecontrolfunctionofdripirrigationsystem．

BasedonAT89C5lMCU,thebottomhardwaresystemmainlyconsistsofsoilmoisturesensor,Signaltransfercircuit，monitordisplaycircuit，outportcontrolcircuit，malfunctiondisplaycircuitandtheprocedureprogrammedwithClanguage.PartofSCMAT89C51miscrocontrollerasthecore,mainlybythesoilmoisturesensors,ADconverter,displaycircuit,theoutputconfrolcircuit,thefaultalamcircuitandothercomponents;softwareselectionoftheCprogramminglanguage.Thesystemhasthefollowingfunctions:

MCUcanbedetectedinsoilmoisturesoilmoisturesensorandautomaticcontrolofirrigationsystems,andalsoshowsthecurrentsoilmoisture.Thesystemisflexible,easyoperation,highreliability,therewillbemorebroadprospectsofdevelopment.

Keywords:

Water-savingirrigation;Humiditysensors;MCU（Micro-controllerUnit）;Automaticcontrol

第一章绪论

1.1研究的背景

1.1.1节水灌溉智能系统的研究背景

水资源是人类赖以生存的基础性资源，我国一方面水资源十分紧缺。

虽然水资源的总量居世界第6位，但人均占有量只有2500m³，约为世界人均水量的1/4，属于全球贫水国家之一。

另外一方面农业用水浪费又十分严重，就全国范围而言，水资源的利用率仅为45%，而水资源利用率高的国家已达70%~80%，由于农业灌溉用水的利用率低下，因此，提高节水灌溉的利用率，对于解决我国农业灌溉用水，缓解水资源的紧缺非常重要。

我国的节水灌溉技术，在经过近几十年的快速发展，在总结相关成果的基础上，初步形成了其技术体系，在某些方面已经达到或接近国际先进水平。

但由于受我国经济发展水平及科研体制的限制，我国的节水灌溉技术与发达国家还有很大的差距。

随着我国水资源供需矛盾日益尖锐，农业用水分配额减少的问题势必日益突出，同时为了缓解我国水资源短缺对我国农业发展的压力，如何快速发展我国的节水灌溉技术及其配套设备，从而缓解我国农业用水压力已经成为一个不容忽视的严峻问题。

在灌溉系统中，合理地推广智能化控制，不仅可以提高水资源的利用率，缓解水资源日趋紧张矛盾，还可以提高农作物的产量，降低农产品的生产成本，为我国农业的发展提供技术保障是十分必要的。

1.1.2农业高效节水的必要性

当前，占世界人口总量40％的80个国家缺水，其中26个国家严重缺水。

我国有2．8万亿m3的水资源总量，全世界排第6位，但人均水资源不足世界水1资源的1／4，排在世界人均占有水资源量的第109位，是世界上人均占有水资源最贫乏的13个国家之一。

目前，我国每年缺水量近400亿m3，其中农业缺水约300亿m3。

我国用水大户仍然是农业用水，约占70％，而农业用水的90％是灌溉用水，因此节水首先要在农业节水上做文章。

采用传统的灌溉模式，灌溉定额普遍偏高，全国平均每亩实际灌水量达到450--500m3，超过实际需水量的1倍左右，有的地区高达2倍以上。

与一些发达国家相比，我国农业的用水效率还是相当低的，灌溉水资源的浪费情况相当严重，节水的潜力十分巨大。

据统计：

目前我国灌溉水利用率只有40％左右，水分生产率不足1．0kg／m3；而发达国家的灌溉水利用率可达80％～90％，水分生产率在2．0kg／m3以上。

如果采用先进的灌溉技术，将我国的灌水利用率提高到60％～70％，则在目前情况下每年可节约灌溉用水O．10～O．15万亿m3m1。

这样，通过发展节水灌溉，在减少（最起码不增加）农业用水总量的前提下，满足灌溉需要，同时把节约出来的水量用于城市生活、工业生产和生态用水，以水资源的可持续利用促进经济社会的可持续发展。

1.2国内外灌溉智能控制技术研究现状

1.2.1国外研究现状

一些西方先进国家，如美国、以色列和加拿大等，运用先进的电子技术、计算机和控制技术，在节水灌溉技术方面起步较早，并日趋成熟。

这些国家从最早的水力控制、机械控制，到后来的机械电子混合协调模式控制，到当前应用广泛的计算机控制、模糊控制和神经网络控制等，控制精度和智能化程度越来越高，可靠性越来越好，操作也越来越简单。

在美国，早在1984年，Benami和Offen公司就开发了一套节水灌溉控制器，通过监测土壤水分来确定是否打开灌水阀门。

Phene和Howell分别在灌溉系统的控制中使用了土壤湿度传感器，通过土壤水分传感器把湿度反馈给控制系统，根据传感器获得的数据决定是否灌溉，是作物根部总跟保持一定的湿度。

加拿大、澳大利亚和韩国等国家和地区都有发开成功并形成系列的灌溉控制器产品，其中比较有代表性的如澳大利亚的HARDIEIR-RGATION公司的灌溉控制器，已形成了MICRO-MASTER、RAINJET等多个系列，几十种型号的产品。

1.2.2国内研究现状

国内自20世纪70年代以来就非常重视灌溉设备的研制，但引进较多，自主开发且有影响的成果较少。

灌区灌水自动控制技术在“九五”期间才真正开始研制，进行示范。

目前我国在灌溉控制系统方面还处于研制、试用阶段，能实际投入应用，且应用广泛的灌溉控制器还不多见。

节水农业就是以节约用水、提高农业用水效率为核心的农业，是现代化农业的重要内涵。

其核心是在有限的水资源条件下，通过采用先进的工程技术、适宜的农业技术和用水管理等综合技术措施，充分提高农业用水利用率和水的生产效率及效益，保证农业持续稳定发展。

面对WTO的挑战，节水农业更应该赋予其新的内涵，其内涵应扩展为节水、高产、高效、优质的农业。

节水灌溉技术是发展节水农业的基础性工作，选择适当的技术有助于节水农业的发展；研究开发节水灌溉技术，有助于提高节水农业的效益。

因此，我们非常有必要对现状节水灌溉技术，节水的水平以及技术的适应性，发展现状及存在问题做认真分析，为真正实现提高农业用水效率和水的生产效率打好基础。

结合我国各地区特点，认为适宜各地区推广应用的节水农业技术主要有，渠道防渗技术、低压管道输水技术、地面灌水技术、雨水利用技术、农业节水配套技术、劣质水利用技术及农业节水管理等技术。

1.3滴灌技术

滴灌技术是通过干管、支管和毛管上的滴头，在低压下向土壤经常缓慢地滴水；是直接向土壤供应已过滤的水分、肥料或其它化学剂等的一种灌溉系统。

它没有喷水或沟渠流水，只让水慢慢滴出，并在重力和毛细管的作用下进入士壤。

滴人作物根部附近的水，使作物主要根区的土壤经常保持最优含水状况。

这是一种先进的灌溉方法。

1.3.1滴灌系统的分类

　　1．固定式滴灌系统。

这是最常见的。

在这种系统中，毛管和滴头在整个灌水期内是不动的。

所以，对于滴灌密植作物毛管和滴头的用量很大，系统的设备投资较高。

　　2．移动式滴灌系统。

塑料管固定在一些支架上，通过某些设备移动管道支架。

另一种是类似时针式喷灌机，绕中心旋转的支管长200米，由五个塔架支承。

以上属于机械移动式系统。

人工移动式滴灌系统是支管和毛管由人工进行昼夜移动的一种滴灌系统，其投资最少，但不省工。

1.3.2滴灌系统的组成

　　滴灌系统主要由首部枢纽、管路和滴头三部分组成

1．首部枢纽：

包括水泵（及动力机）、化肥罐过滤器、控制与测量仪表等。

其作用是抽水、施肥、过滤，以一定的压力将一定数量的水送入干管。

2．管路：

包括干管、支管、毛管以及必要的调节设备（如压力表、闸阀、流量调节器等）。

其作用是将加压水均匀地输送到滴头。

3．滴头：

其作用是使水流经过微小的孔道，形成能量损失，减小其压力，使它以点滴的方式滴人土壤中。

滴头通常放在土壤表面，亦可以浅埋保护。

软管滴灌系统是近几年发展起来的新型节水灌溉设施，加节水，而且施工简单，易于操作，成本低，是目前蔬菜棚室中茄果类、甘蓝类、瓜类、豆类蔬菜较理想的一种节水灌溉形式。

其原理是把一定压力的水流输送到经过特殊处理的带有微孔的黑色聚乙烯膜管中，以细小的水流沿着膜管的微孔缓慢下渗到作物根部。

软管滴灌系统由水泵等供水装置和输水管道组成。

1水源。

微喷与滴灌对水源的要求是：

水量充足，水质无污染。

水库水、河流水、井水等均可。

②供水装置。

供水装置主要包括自吸泵、施肥罐、过滤器三部分。

自吸泵的选择一般要根据一次性灌溉面积大小和灌溉类型确定。

一般每667M2微喷选用750W单相自吸泵，流量最小达到3t/h。

每667M2选用370-550W单项自吸泵,流量最大达到1t/h。

施肥罐容积是50L，过滤器的型号是6.6CM网式过滤器。

安装时，把施肥罐的进出口分别并联在自吸泵出水管的前端，并分别在施肥罐的进出水管的中端和所夹的主出水管之间，装上相应的调节阀，便于控制施肥量。

紧接着把施肥罐出水口下端的主出水管与过滤器的进水口连接，过滤器的出水口管送出泵房与棚室内的相应浇灌设施连接。

③棚内设施。

棚内设施主要由控制阀、输水管和微喷头（带有微孔的软膜管）三部分连接组成。

1.3.3微喷与滴灌的使用

开启自吸泵开关，水就进入微喷（软管滴灌）系统。

在使用过程中要注意六点：

一是首次使用时，要清洗管路5-10min（分），防止管内杂质堵塞出水口。

二是施肥时把可溶性肥料先溶于容器中再倒入施肥罐中，通过自吸泵吸力进入系统。

三是使用系统要经常检查是否破损、漏水，保持水源清洁，经常清洗过滤器和打开堵头清洗输水管道。

四是使用过程中要掌握好压力，压力小则滴水慢、喷水范围小，压力大则水管易破损漏水。

使用软管滴灌可以看软管的充水程度，以软管充水后近圆形，水声不大为宜，如果软管绷得很紧，水声很大，说明水压过大，可用棚外截止阀调节。

五是每次灌溉时间可根据土壤湿度和作物特性来确定，微喷最好在无风的条件下使用。

六是用该系统施肥浓度应控制在0.2-0.3%，不能太高。

1.3.4滴灌技术的特点 

滴灌技术较之传统沟灌和畦灌，具有显著的优点。

（一）节水、节肥、省工 

　　滴灌属全管道输水和局部微量灌溉，使水分的渗漏和损失降低到最低限度。

同时，又由于能做到适时地供应作物根区所需水分，不存在外围水的损失问题，又使水的利用效率大大提高。

灌溉可方便地结合施肥，即把化肥溶解后灌注入灌溉系统，由于化肥同灌溉水结合在一起，肥料养分直接均匀地施到作物根系层，真正实现了水肥同步，大大提高了肥料的有效利用率，同时又因是小范围局部控制，微量灌溉，水肥渗漏较少，故可节省化肥施用量，减轻污染。

滴灌系统仅通过阀门人工或自动控制，又结合了施肥，故又可明显节省劳力投入，降低了生产成本。

（二）控制温度和湿度 

　　传统沟灌的大棚，一次灌水量大，地表长时间保持湿润，不但棚温、地温降低太快，回升较慢，且蒸发量加大，室内湿度太高，易导致蔬菜或花卉病虫害发生。

因滴灌属于局部微灌，大部分土壤表面保持干燥，且滴头均匀缓慢地向根系土壤层供水，对地温的保持、回升，减少水分蒸发，降低室内湿度等均具有明显的效果。

　　（三）保持土壤结构 

　　在传统沟畦灌较大灌水量作用下，使设施土壤受到较多的冲刷、压实和侵蚀，若不及时中耕松土，会导致严重板结，通气性下降，土壤结构遭到一定程度破坏。

而滴灌属微量灌溉，水分缓慢均匀地渗入土壤，对土壤结构能起到保持作用，并形成适宜的土壤水、肥、热环境。

　　（四）改善品质、增产增效 

　　由于应用滴灌减少了水肥、农药的施用量以及病虫害的发生，可明显改善产品的品质。

总之，较之传统灌溉方式采用滴灌后，可大大提高产品产量，提早上市时间，并减少了水肥、农药的施用量和劳力等的成本投入，因此经济效益和社会效益显著。

滴灌技术是通过干管、支管和毛管上的滴头，在低压下向土壤经常缓慢地滴水；是直接向土壤供应已过滤的水分、肥料或其它化学剂等的一种灌溉系统。

它没有喷水或沟渠流水，只让水慢慢滴出，并在重力和毛细管的作用下进入士壤。

滴人作物根部附近的水，使作物主要根区的土壤经常保持最优含水状况。

这是一种先进的灌溉方法。

1.4课题研究的目的和意义

农业是人类社会最古老的行业，是各行各业的基础，也是人类赖以生存的最重要的行业。

农业的发展从长远来看很重要，一是水的问题，二是科技的问题。

农业的根本出路在科技，在教育。

由传统农业向现代化农业转变，由粗放经营向集约经营转变，必须要求农业科技有一个大的发展，进行一次新的农业技术革命。

农业与工业、交通等行业相比仍然比较落后，农业灌溉技术尤其落后。

灌溉系统自动化水平较低是制约我国高效农业发展的主要原因。

传统的灌溉模式自动化程度极低，基本上属粗放的人工操作，在操作中也无法进行有效的控制，为了提高灌溉效率，缩短劳动时间和节约水资源，必须发展节水灌溉控制技术。

现代智能型控制器是进行灌溉系统田间管理的有效手段和工具，它可提高操作准确性，有利于灌溉过程的科学管理，降低对操作者本身素质的要求。

除了能大大减少劳动量，更重要的是它能准确、定时、定量、高效地给作物自动补充水分，以提高产量、质量，节水、节能。

现代灌溉控制器的研究使用在我国农、林、及园艺为数不多，与发达国家相比，有较大的差距，还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动化控制系统，也是根据经验法来确定每天灌溉次数和每次灌溉量，如果灌溉量与作物实际需水量相比太少，便不能有效的促进作物健康成长；而灌溉量太多，肥水流失，又会造成资源浪费，同时传统的灌溉法还需要相关专家的实时观察并经验指导生产，劳动生产率低，这也不能与现代化农业向优化、高效化方向发展要求同步。

我国先后引进了以色列、美国、法国、德国等国家的部分先进灌溉控制设备，但价格昂贵，维护保养困难，多数用于农业示范区、科研单位或高校，而且不符合我国土壤的应用特点。

我国自己的现代灌溉控制器的研制和使用尚处于起步阶段，因此，作为一个农业大国，中国研究开发自己的先进的低成本、使用维护方便、系统功能强且扩展容易的国产化数字式节水灌溉器是一项极有意义的工作。

随着计算机技术和传感器技术的迅猛发展，计算机和传感器的价格日益降低，可靠性日益提高，用信息技术改造农业不仅是可能的而且是必要的。

用高新技术改造农业产业，实施节水灌溉已成为我国农业乃至国民经济持续发展带战略性的根本大事。

本文旨在设计一套能对作物生长的土壤湿度迸行自动监控的系统，它能对作物进行适时、适量的灌水，起到高效灌溉，节水、节能的作用。

1.5课题研究内容

本论文主要研究单片机控制的节水灌溉系统，分别对土壤湿度与灌水量之间的关系、灌溉控制技术及系统设备的软、硬件各个部分进行了深入的研究。

主要内容如下：

系统结构图如图所示：

首先通过水泵、过滤器、肥料罐等将水、肥输进干管、支管和毛管，再通过滴头将水滴状灌入土壤。

其中的让传感器采集土壤水分信息送入到单片机系统进行分析处理控制电磁阀动作。

控制要求：

1.多点温度传感器采集各个位置土壤的湿度并显示。

2.根据温度变化情况经智能算法决定是电磁阀动作。

3.通过键盘可设置湿度参数或查看各个点的湿度。

4.当湿度超限时报警。

5．存储土壤信息，以便进行有效分析和改进。

6.系统预置与zigbee无线收发模块的接口电路，以便通过无线管理多个区域。

第二章系统方案设计

2.1研究方案的选择

2.1.1PLC系统

PLC是由模仿原继电器控制原理发展起来的，二十世纪七十年代的PLC只有开关量逻辑控制，首先应用的是汽车制造行业。

它以存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和运算等操作的指令；并通过数字输入和输出操作，来控制各类机械或生产过程。

用户编制的控制程序表达了生产过程的工艺要求，并事先存入PLC的用户程序存储器中。

运行时按存储程序的内容逐条执行，以完成工艺流程要求的操作。

PLC的CPU内有指示程序步存储地址的程序计数器，在程序运行过程中，每执行一步该计数器自动加1，程序从起始步（步序号为零）起依次执行到最终步（通常为END指令），然后再返回起始步循环运算。

PLC每完成一次循环操作所需的时间称为一个扫描周期。

不同型号的PLC，循环扫描周期在1微秒到几十微秒之间。

PLC用梯形图编程，在解算逻辑方面，表现出快速的优点，在微秒量级，解算1K逻辑程序不到1毫秒。

它把所有的输入都当成开关量来处理，16位（也有32位的）为一个模拟量。

大型PLC使用另外一个CPU来完成模拟量的运算。

把计算结果送给PLC的控制器。

PLC系统在节水灌溉系统中也占有很大的地位，从技术上看，计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上，会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现；从产品规模上看，会进一步向超小型及超大型方向发展；从产品的配套性上看，产品的品种会更丰富、规格更齐全，完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求。

在节水灌溉中，它可以很有效地计算控制灌水量的多少。

根据中国部分地区的经济要求，PLC系统存在的最大的缺陷就是系统搭建的费用太高，并不能使用很多地区的灌溉条件，在节水灌溉的系统不仅要求计算精确，控制方便，更重要的是要求经济适用，在很多非实验用地中，使用PLC系统大大提高了总体的费用，所以，PLC系统在本设计中并不能适用。

2.1.2微机测控技术

另一种节水灌溉自动控制技术是微机测控技术。

它将计算机技术、单片机技术、传感与检测技术以及通讯技术结合起来，能够检测土壤情况、环境特征，并依据检测结果来决定灌溉量与灌溉时间，摆脱了传统的全凭经验灌溉的灌溉模式。

目前在国外，特别是以色列，大部分田地都是采用的这种节水灌溉控制方式。

国外的这种控制系统一般都很大，采取大型分布式控制系统。

在田间分布各种传感器检测点，如土壤水分、温度、湿度、光照、作物蒸腾量等，检测结果送至微机，微机对结果进行处理，然后通过通讯技术，将处理结果发送至上位机，即实验室或家里的计算机中，操作者就可以在家里或实验室里观察到作物生长状况和土壤墒情，根据经验数据判断作物是否缺水及所需灌溉量与灌溉时间，然后发出灌溉命令给微机，微机就可以根据命令控制灌溉量与灌溉时间，实现高效节水灌溉。

首先，采用分布式结构，系统分为中央控制系统和远程测控系统。

中央控制系统与远程检测系统之间通过无线通信方式进行通信。

其次，使用传感器测量土壤及作物参数并尽量减少测量参数的数量，只选择一些常用的灌溉参数进行测量，这样既能使控制系统具有一定的广泛适用性，同时又可以减少传感器的数量，降低成本。

设计一个节水灌溉控制系统能否做到因地制宜主要用三条标准加以衡量。

其一是否节水，其二是否减轻农民负担，其三是否增效（短期内收回投资，且提高效益）。

根据这三个标准可以来判断上述拟采用的研究方案是可行的。

2.2节水灌溉自动控制系统的原理

自动控制系统即反馈控制系统，是基于反馈基础上“检测偏差用以纠正偏差”的原理组成的系统。

所谓“检测偏差用以纠正偏差”的原理是:

需要控制的是受控对象的被控量，而测量的则是被控量和给定值，并计算两者的偏差，该偏差信号经放大后送到执行元件，去操纵受控对象，使被控量按预定的规律变化，力图消除偏差。

只要被控量偏离了给定值，无论是干扰影响，还是内部特性参数变化导致的，或是给定值变动，系统均能自动纠正。

这种控制方式也称按偏差调节。

显然，该系统从理论上提供了实现高精度控制的可能性。

如图2-1所示就是一个典型的反馈控制系统，由图可以看出，作为一个典型的反馈控制系统应该包括反馈元件、给定元件、比较元件、执行元件等。

图2-1自动控制原理图

智能灌溉系统的控制对象是闸门，测量元件是水位传感器和位移传感器。

给定量是智能控制器从监控中心接收到的目标设定值，当实际测量值与目标设定值不一致时，执行机构（闸门驱