自动浇灌控制系统.docx

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自动浇灌控制系统

第一章绪论

1.1研究的背景和意义

“中国是一个中度缺水的国家”，水利部水资源司司长吴季松说,这是从水资源对社会经济发展的支撑能力上得出的判断。

据统计，我国目前缺水总量估计为400亿立方米，每年受旱面积200万~260万平方千米，影响粮食产量150亿~200亿千克，影响工业产值2000多亿元，全国还有7000万人饮水困难。

缺水对环境和人的身心健康都有着严重的影响。

从人口和水资源分布统计数据可以看出，中国水资源南北分配的差异非常明显。

长江流域及其以南地区人口占了中国的54％，但是水资源却占了81％。

北方人口占46％，水资源只有19％。

专家指出，由于自然环境以及高强度的人类活动的影响，北方的水资源进一步减少，南方水资源进一步增加。

这个趋势在最近20年尤其明显。

这就更加重了我国北方水资源短缺和南北水资源的不平衡。

伴随着人们快节奏的生活、工作、学习，人们已没有很多时间去精心照顾自己种的花卉植物等，因此市场上急需一种可以代替人类劳动的产品。

由于现在市场上很多的喷灌设备主要是是针对温室、露天农作物、森林等大面积植物喷灌，而对于家庭小面积喷灌系统设备几乎没有，也没有达到自动化的水平。

现代生活中，随着人们生活水平的提高，人们对花卉、树木等绿色植物的喜爱和种植越来越多，然而以前对花木的浇灌、施肥等工作都需要靠人工来实现，由于现代生活节奏的加快，人们往往忙于工作而忘记定期、及时地为花卉补充水分及养料，或者由于放假回家而将花放在办公室没有人管理导致花木枯死。

已有的浇水器需要有人控制或者定时的浇灌，不能根据植物正常生长所需要的光照、水分、温度来实时调节植物生长环境的参数，不利于花木的成长，而且现在的名贵花如果因为以上原因而死亡得不偿失，鉴于以上情况，市场上急需提供一种能够根据光照、温度、湿度及光照的变化自动将水分和及光补充给花木，达到定期、及时浇灌花木的花木自动浇灌器。

1.2自动浇灌的现状与发展趋势

1.3.1现状

所谓微灌（MIS，Micro-irrigationsystem），即“利用专门设备，将有压水流变成细小的水流或水滴，湿润作物根部附近土壤的灌水方法”。

微灌有四种形式：

滴灌（DriporTrickleIrrigation）、微喷灌（Micro-SprinklerorMicro-JetIrrigation）、脉冲微喷灌（也叫涌泉灌溉）（BubblingIrrigation）和渗灌（BleedingIrrigation）。

中国灌溉施肥技术的发展始于1974年。

近30年来，随着微灌技术的推广应用，灌溉施肥技术不断发展，大体经历了以下3个阶段：

　　第一阶段（1974-1980年）：

引进滴灌设备，并进行国产设备研制与生产，开展微灌应用试验。

1980年我国第一代成套滴灌设备研制生产成功。

　　第二阶段（1981-1996年）：

引进国外先进工艺技术，设备国产规模化生产基础逐渐形成。

微灌技术由应用试点到较大面积推广，微灌试验研究取得了丰硕成果，在部分微灌试验研究中开始进行灌溉施肥内容的研究。

　　第三阶段（1996年至今）：

灌溉施肥的理论及应用技术日趋被重视，技术研讨和技术培训大量开展，灌溉施肥技术大面积推广。

　　自20世纪90年代中期以来，我国微灌技术迅速推广。

至2001年，全国微灌面积达26.7万公顷，居世界第三位。

目前，我国生产温室微灌设备的主要企业已有30多家。

微灌技术的总体水平己从80年代的初级阶段发展和提高到中级阶段。

其中采用引进技术和生产线制造出的微灌设备产品性能己达到90年代初期与中期的国际水平，大大缩短了与国外微灌设备产品的差距，初步形成了具有中国特色的微灌技术和设备产品。

在微灌自动化控制方面，我国也己进行了初步的研究，己研制和开发的以计算机为核心的自动监控系统装置己在温室微灌试验工程中得到应用，且初见自动化管理之成效。

但是由于我国的微灌技术研究处于初级阶段，近些年来自行研制、开发和生产的微灌设备产品无论在质量、性能等各方面与先进国家相比，差距较大；在微灌工程首部设备组装配套和自动控制方面同发达国家相比存在更大差距。

如微灌设备系统的成套性差，配套水平低；主要部件品种规格少，质量不稳定，没有系列化；关键设备的可靠性、稳定性、耐久性差；自动化及综合功能程度不高，基本还是手动操作，以至于综合效益不高。

国内外大多的盆景自动浇灌控制系统采用定时自动浇灌，不能根据植物土壤的湿度及所需的水分及时适量地加水，不仅导致水资源的浪费，还有可能导致植物因为水多或者水量不足而死。

1.3.2发展趋势

随着现代高科技的发展，各种智能家电、数码产品走进人们的生活，网络已经成为人们现代生活中人际交往和获取知识的一个不可或缺的平台。

鉴于现在高科技的发展，未来自动浇灌控制系统的发展也有望朝这些方面发展。

1、智能化

随着传感技术、计算机技术和自动控制技术的不断发展，温室计算机环境控制系统的应用将由简单的以数据采集处理和监测，逐步转向以知识处理和应用为主。

因此软件系统的研制开发将不断深入完善，其中以专家系统为主的智能管理系统已取得了不少研究成果，而且应用前景非常广阔。

2、网络化

目前，网络技术己成为最有活力，发展最快的高科技领域。

网络通信技术的发展促进了信息传播。

设施的产业化程度的提高成为可能。

3、综合环境调控

所谓综合环境调节，就是以实现花卉的正常生长为目标，把影响花卉生长的多种环境参数（如光照、温度、湿度等）都保持在适宜花卉生长的状态，并尽可能使用最少量的环境调节装置（采光、遮光、通风、保温、加温、施用C02等）。

智能及无人操作将是未来的各种行业的发展趋势，不仅能大量节省人们的宝贵时间还能更好的控制各种成分的细微比例做到人们自己动手所不能做到的效果。

4、高移植性

稍微修改一些系统的参数及设备即可应用于别的环境下，省时省力，节省大量资金及研发成本。

在不久的将来，不仅能实现对办公室花卉的控制而且可以实现路边及所有公共场所花草树木的自动灌溉，而且可以加入远程控制，可视频控制，更大限度的节省人力物力，这将是世界浇灌系统的一个发展趋势。

1.4本论文的主要研究内容

1.4.1基础研究与设计开发

花卉以它绚丽的风采，把大自然装饰得分外美丽，给人以美的享受。

养花，可以丰富和调剂人们的文化生活，增添乐趣 ，陶冶性情，增进健康；还能增加科学知识，提高文化艺术素养。

养花，可以绿化美化祖国大地，保护和改善，净化空 气，使人们能在优美的环境中工作和学习，生活更加美好。

浇花的最佳灌溉系统：

在恰当的时间灌溉适量的水，用户每天需解决的2个重要问题是：

何时灌溉和灌多少。

　　解决何时灌溉的问题，用户需监测作物根域的土壤水分；

　　解决灌多少的问题，用户需精确地确定目前土壤中的含水量。

1.4.2自动控制系统的研究与设计

1、下面所介绍的系统对温室的土壤温湿度、光照等进行自动调节，达到自动浇花的效果。

2、完成系统硬件设计，完成硬件原理图。

通过多方面的调研比较，选择性价比最高，电路设计最成熟，提高系统稳定性、可靠性、精准性，降低成本，提高实用性。

3、完成设计的流程图和流程清单。

采用C语言，提高修复、调试、升级能力。

1.4.3使用自动控制系统带来的便利：

1、根据花园大小和植物种类自主设定每周、每日的浇灌次数和时间

使您外出度假也不用担心花草无人照料。

2、实现科学养护，避免普通漫灌导致的植物死亡和病虫害滋生。

3、无须拖着水管满院转，摆脱繁琐劳动，节约宝贵时间。

4、节约宝贵水资源，使用本产品可节约水80%左右。

5、低能耗，确保家人安全。

6、无须专门维护，可长期使用，安装、调试方便。

7、性能先进、可靠，售价为国外同类产品的40%以下；

8、一般4分出口的自来水龙头就可以轻松安装上控制器，家用水压便可以实现正常喷淋，如果水压不够，在控制器前端增加一个增压泵就可以了。

第二章系统整体设计

2.1应用场合和工作环境

本系统多用于家庭、办公室花卉，庭院花草、天台绿化，由于系统操作简单、价格低廉、实用性高，所以更容易得到花卉爱好者的钟爱。

2.2系统的预期功能和技术指标

2.2.1课题研究预期功能

现实生活中很多花卉温度、湿度和光照需要保持在一个既定的值上，超出或者低于这个预定值将对花卉的生长产生影响。

该系统要求用单片机测控来实现花卉生长环境因子信息数据的实时采集、处理，而后输出控制执行机构，以实现环境湿度、温度和光照强度的测控，达到节水节能，省时省工的效果。

具体功能如下:

1、实现按需灌溉功能。

按照花卉的需求开启和关闭灌溉系统，实现一般的控制。

具有结构简单，成本低，操作方便。

2、通过传感器检测花卉生长的环境温度、土壤湿度和光照强度，依据设定的植物要求的温度、湿度和光照强度的上下限值，由单片机来控制开关窗户、电磁阀和窗帘，从而调节温度、湿度和光照。

当空气温度高于上限值时，自动打开窗户进行自然降温，达到要求值时则自动关闭。

3、室内环境中土壤湿度是重要因子，要求当土壤含水量过低己不能满足花卉最低需求时，就打开电磁阀进行灌溉，当湿度满足要求是关闭电磁阀。

4、光照强度控制因子考虑到生产成本问题，但是本系统不足之处是未考虑人工增光设备，如果光照强度高于上限值时，关闭窗帘降低光照，如果光照强度低，打开窗帘网。

2.2.2系统技术指标

系统技术指标（夏天）要求具体见表3-1所示，其控制范围亦可据具体作物的需要来设定，%RH（RelativeHumidity）为相对百分数，其中硬件成本由于单个制作跟批量生产有一定的差值。

表3-1系统技术指标

控制参数

土壤湿度

%RH

温度°C

光照强度LX

太阳能电池板

硬件总成本

控制范围

60~80

20~30

3～5万

尺寸112mm*65mm*4mm，开路6V，短路电流150MA

50～70

2.3系统设计总体方案

（1）本文针对实际需要，设计了一套温度、湿度和光照检测与控制系统，保证花卉在生长的各个时期有适宜的生长环境，整个测控系统由传感器、控制器和执行机构三部分构成。

整个系统的硬件结构如图2-3所示

图2-3系统硬件结构图

（2）硬件电路以AT89S52单片机为核心，系统输入由采集土壤水分传感器、光照传感器和温度传感器及传感器信号处理电路组成，输出控制由继电器、执行器构成。

（3）软件用C语言作为编程语言，采用模块式结构设计。

2.4系统的工作原理

系统的工作中，有太阳能电池给电池充电，电池的输出经过稳压模块，避免电压的较大变化，电池为整个系统提供电能。

经过温度、湿度及光照检测的传感器把被测对象的温度、湿度光照转换成电压信号，转换为0-1数字信号后送入单片机中，与给定的所要控制的温度、湿度值进行比较，根据单片机AT89S52中设置的参数，输出相应温度、湿度值对应的被控对象电机和电磁阀的值，带动动力系统作相应的运动，不断减少与单片机中设置值的差值，温度过高时，单片机控制直流电机驱动器打开窗户，进行自然散热，温度适合时关闭窗户。

当土壤湿度过低时，单片机通过继电器控制电磁阀使其打开进行浇水，浇水后湿度适中时关闭电磁阀。

光照检测电路将光照强度转换成0-1代码，输入单片机，当光照过强时关闭窗帘，光照适合时打开窗帘。

温度湿度不断地检测、控制，使之达到一个动态的平衡。

第三章系统的硬件设计

3.1单片机控制系统设计

3.1.1单片机的选择

目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹。

导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，广泛使用的各种智能IC卡等等，这些都离

不开单片机。

单片机的特点主要有：

高集成度，体积小，高可靠性；控制功能强；低电压，低功耗，便于生产便携式产品；易扩展；优异的性能价格比。

目前，单片机的应用领域主要包括：

办公自动化设备；单片机