基于单片机的温室自动浇灌系统设计与实现文档格式.docx

基于单片机的温室自动浇灌系统设计与实现文档格式.docx

《基于单片机的温室自动浇灌系统设计与实现文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的温室自动浇灌系统设计与实现文档格式.docx（25页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

1绪论

研究背景

自古以来，我国确实是一个以农业为主的国家，即便到了现代社会，农业仍是我国国民经济的基础。

但我国农业生产效率低下，长期以来一直以体会种植为主，农业生产效率仅为发达国家的1/10。

为解决三农问题，国家正大力进展现代农业，温室是其中一个重要的组成部份，可增加作物年均成熟次数，增大作物产量，提高农业生产效率，因此，大力进展温室产业，对我国如此一个人口多耕地少的国家而言具有极大的战略意义[1]。

目前，我国的温室面积已冲破210万hm2，总面积达世界第一，但我国温室治理水平掉队，大多操纵系统采纳按时操纵或手动操纵方式[2]。

在浇灌治理方面，通常存在浇水不及时、不均、灌水不足或过量灌水等现象[3]。

自动浇灌系统通常对作物根系的土壤湿度进行实时监测，取得作物根系的需水量，以此作为自动浇灌的依据。

温室自动浇灌可实现土壤湿度和营养成份的有效治理，是保证设施作物优质高产的重要方法[4]。

随着精准感知技术、定量操纵技术的迅速进展,自动操纵技术在节水浇灌中有了新的进展[5]，通过浇灌操纵器适时、适量地灌水，在节省水、人工和提高作物产量方面取得了必然的成效，可显著提高浇灌精准度，提高水的利用率。

本文设计一种操作简单、精准浇灌的低本钱自动化操纵浇灌系统，使之既能保证植物的良好的生长状态，又能做到尽可能节水，对温室农业的进展具有重要意义。

研究现状

在国外，早在20世纪50年代，利用电子设备、运算机设备和程序操纵的灌排系统就取得专门大进展，并在法国、美国、日本等发达国家取得日趋普遍的应用。

1966年美国利用虚拟仪器技术开发了一套AgriMate自动浇灌系统，系统中的现场处置器由LabVIEW的个人运算机操纵。

现场处置器配置了模拟输入、锁存和继电器板，用户能够监控水箱水位、阀门位置、泵的状态和土壤湿度等，而修改设定点即可改变浇灌打算。

水的用法、水箱水位和降水情形等都是存储在浇灌数据库文件里的数据，用户能够读出这些数据以与当前数据进行比较，以图形方式显示给定月份的土壤湿润度和外加的水，其进展程度已经超级高[6]。

相关研究依托气象数据，通过对照过去灌区的蒸发量及灌水量，结合各分灌区的植物种类散布、地形、土壤成份等数据进行自动分析，并自动制定出当前各项浇灌指标的浇灌系统，存在浇灌依据的间接性，极可能偏离浇灌目标[5]。

最近几年来相关研究已经深切到将气象因素、蒸腾量和土壤含水率相结合的综合浇灌操纵系统。

但国外的设备普遍价钱昂贵、专业性较强，不适合一般用户利用。

国内在这方面的研究起步较晚，但也取得必然成绩[7-12]，比如北京农业工程大学研制了以INTEL公司的8031系统单片机为核心的自动化浇灌系统，该系统为多通道土壤水分检测、多路操纵浇灌的操纵系统。

张建丰等研发的多功能网络式自动浇灌方式及其装置，实现了按时、定量，依照土壤湿度，预先制定浇灌打算的灌水功能。

但整体上，国内浇灌自动化程度不高，相关设备掉队，与国外的先进水平还有专门大的差距。

国内外专家在这方面已做出了不可否定的成绩[9-16]，但这些自动浇灌系统由于造价高、专业性强而难以推行。

本文设计的系统通过实时监测作物根域的土壤湿度信号，从而对作物进行适时适量按需浇灌，不但能够做到精准浇灌，达到节水的目的，而且操作简单，开发本钱低，适于推行。

研究目的

温室在作物生长进程中，根系会从土壤孔隙中吸取水分，通过对作物根域周围的土壤湿度的实时监测直接反映作物根系的需水量。

我国现时期大多浇灌操纵系统采纳按时操纵或手动操纵方式，浇水不及时、不均、灌水不足或过量灌水现象时有发生；

更为先进的，依托气象数据和对照过去灌区的蒸发量及灌水量制定出当前各项浇灌指标的浇灌系统，存在浇灌依据的间接性，极可能偏离浇灌目标。

本课题将研究解决以上问题，设计了一种基于单片机的信息搜集与自动浇灌操纵一体化系统，它具有设备本钱低、可保护性强、靠得住性高等独特的优势，并能给用户提供预警支持，从而减少农人劳作强度，增加产量。

论文结构

本论文章节结构按如下安排：

第一章介绍温室自动浇灌系统的研究背景、国内外研究现状、研究目的和论文结构。

第二章给出系统设计原理框图，选择器件类型和对设计顶用到的元器件的介绍。

第三章硬件电路的设计，包括微处置器模块、数据搜集模块、操纵模块、电源供给模块和人机交互模块电路设计。

第四章主若是软件设计与实现，介绍单片机开发软件IAR，重点是各个模块软件设计。

第五章主若是系统的应用与验证。

第六章主若是总结与展望。

2系统结构设计及器件选型

本系统以单片机（CC2430）为核心，采纳模块化设计方式，要紧由微处置器模块、数据搜集模块、操纵模块、电源供给模块、人机交互模块及相关软件组成。

单片机是整个系统的核心，它操纵本系统的各类功能，因此选择性能靠得住的单片机就显得尤其重要，考虑到知足功能要求、稳固性、性价比、开发等因素，选用TI生产的CC2430。

土壤湿度传感器是本系统的测量元件，传感器性能的好坏直接阻碍到本系统性能的好坏。

本设计采纳的FDS-100，其技术参数为：

工作电压5～12V，工作电流15mA，测量精度≤3%，探针长度，输出模拟信号。

在本系统中，采纳LCD作为显示单元，LCD液晶显示器具有功耗低、寿命长、无辐射、不易引发视疲劳等优势，正在普遍应用于仪表、家用电器、运算机、医疗仪器及交通和通信领域。

本系统采纳OCM12864-9液晶显示模块，它是128×

64点阵型液晶模块，可显示各类字符及图形，可与CPU直接接口。

系统结构设计

所谓的模块化设计，简单的说确实是将产品的某些要素组合起来，组成一个具有特定功能的子系统，将那个子系统作为通用性的模块与其他产品要素进行多种组合，组成新的系统，产生多种不同功能或相同功能、不同性能的系列产品。

模块化是在传统设计基础上进展起来一种新的设计思想，现已成为一种新的设计思想被普遍采纳，尤其是信息时期电子产品不断推陈出新，模块化设计的产品正在不断涌现。

模块化设计已被普遍用于机床、电子产品、航空、航天等设计领域。

模块化设计是绿色设计方式之一，它已经从理念转变成比较成熟的设计方式[17]。

本文设计的温室自动浇灌系统是实现温室作物根系处土壤湿度的自动操纵，采纳模块化设计方式，系统要紧由微处置器模块、数据搜集模块、操纵模块、电源供给模块和人机交互模块组成。

整个系统以单片机（CC2430）为操纵核心，系统运行时，第一将数据搜集模块搜集到的土壤湿度数据传送到微处置器模块上，并将搜集到的土壤湿度数据显示在液晶屏上,由存储在单片机的决策算法对数据进行分析后做出是不是浇灌的指令，与此同时数据搜集模块对土壤湿度进行实时监测，将土壤湿度参数信息送入微处置器模块发出是不是继续灌水的指令，直到土壤湿度维持在咱们预先设定的浇灌阈值停止灌水。

另外系统针对不同农作物及其不同发育期，可预先通过人机交互模块输入相关参数，使得土壤湿度达到咱们预期的标准，达到节水和精准浇灌的目的，灵活适用于多种场合。

系统示用意如2-1所示：

图2-1温室自动浇灌系统示用意

器件选型

在系统的硬件设计上，最重要的是低功耗的设计。

低功耗的设计能够分为硬件和软件两个方面，在硬件方面体此刻芯片的选择上。

2.2.1微处置器选型

微处置器是整个系统的核心，直接关系到系统的整体性能、价位、开发难度等。

在选择微处置器芯片时需考虑以下因素：

A、芯片集成度高低

有些芯片内部集成有FLASH、AD等外围设备，外围设备越多，硬件电路越简单，系统功耗也会越小，因此应尽可能选择集成度高的芯片。

B、开发商开发套件完备程度

不同的开发商提供的开发系统不尽相同，开发套件完备程度关系到系统开发的难度，选择芯片时应考虑开发商提供的资料是不是知足开发需求。

C、价钱高低

下面第一对当前几种主流的微处置器芯片加以介绍。

（1）TI公司的CC2430

A、高性能8位8051微操纵器核，是常规8051CPU处置速度的8倍。

B、128KB可编程FLASH和8KB的RAM。

C、接收模式功耗低于27mA，发射模式低于25mA。

D、休眠模式仅μA的功耗，在待机模式时少于μA的功耗。

E、集成可编程的8-14位8路输入模数转换ADC。

（2）SN250：

A、16位XAP2b微处置器。

B、128KB的FLASH及5KB的RAM。

C、两种休眠模式：

处置器空闲[Processoridle]；

深度休眠[Deepsleep]，功耗。

D、集成有12位ADC。

（3）JN5121：

A、16MHz32位的RISC处置器。

B、96KRAM,64KROM。

对照以上各芯片的性能参数，TI公司的CC2430具有最低的系统功耗，较高的主频速度，较多的外围设备。

低功耗对以电池供电的温室设备而言极为重要，超低工作功耗并具有休眠功能的CC2430在此方面有着最为超卓的表现；

8路8-14位的内部可编程ADC应用方便，能够省去外接ADC芯片，集成的128KB可编程闪存和8KB的RAM，系统设计时不需考虑外接ADC和扩展存储器。

2.2.2土壤湿度传感器选型

当前土壤水分传感器大体为模拟型号，数字型的超级少见，下面罗列了几种型号：

A、FDS-100土壤水分传感器：

测量范围：

0～100%；

测量精度：

±

3%；

供电：

5V～10V；

输出信号：

0～；

工作电流：

21mA。

B、SWR2土壤水分传感器：

0～50%（m3/m3）范围内为±

2%；

～；

60mA。

C、TR-5A型土壤水分传感器：

12V～24V；

4～20mA标准电流环；

50mA。

比较以上几种传感器，FDS-100传感器功耗最低，测量精度尽管稍为逊色，但价钱最为廉价，而且应用也最多，要紧考虑功耗和价钱因素，因此本系统采纳FDS-100型传感器用于测量土壤水分含量。

2.2.3LCD液晶显示模块选型

LCD液晶屏采纳OCM12864-9，该LCD具有16*8的英文字母显示能力和8*4的汉字显示能力。

由于CC2430的I/O口有限，为了节省有限的系统资源，故采纳74HC595串并转换芯片，显示数据经CC2430串行输入74HC595后再由其并行输入给LCD。

OCM12864-9字符点阵液晶显示模块描述：

Ø

要紧工艺：

COG

显示内容：

128X64点阵

显示模式：

STN，POSITIVE

驱动条件：

1/64Duty,1/9Bias

背光：

LED，白色

工作温度：

-20℃—+70℃

贮存温度：

-30℃—+8