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自动灌溉系统论文

大棚自动灌溉系统的设计与制作

陈扬济

浙江工贸职业技术学院电子工程系，班级：

机电0901

摘要：

我国设施农业节水灌溉已成为农业工程领域中重点关注的问题之一，由于国内外的自动灌溉系统造价高、使用复杂而难以推广，开发满足当前设施农业生产需求的灌溉控制系统具有重要意义.为解决三农问题，国家正在大力发展现代农业，自动灌溉系统是其中一个重要的组成部分。

可及时为作物提供所需的水分，增大作物产量，提高生产效率。

自动灌溉系统通常对作物环境的温度进行实时监测，获得作物根系的需水量，以此作为自动灌溉的依据。

大棚自动灌溉系统可实现环境温度和所需水分进行有效管理，是保证设施作物优质高产的重要措施。

随着精准感知技术、定量控制技术的迅速发展，自动控制技术在节水灌溉中有了新的发展，通过灌溉控制器适时、适量的灌水，在节省水、人工和提高作物产量方面取得了一定的成效，可显著提高灌溉精准度，提高水的利用率。

因此自动灌溉技术技能保证植物的良好生长状态，又能做到尽量节水，对大棚农业的发展具有重要意义。

本次是采用单片机AT89S52来设计一个由温度传感器采集信号，控制电磁阀的开启与关闭，来达到灌溉的目的。

关键词：

自动灌溉系统；生产效率；实时监测；AT89S52

一、绪论

（一）课题背景

自古以来，我国就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，长期以来一直以经验种植为主，农业生产效率仅为发达国家的1/10。

为解决三农问题，国家正大力发展现代农业，温室是其中一个重要的组成部分，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，大力发展温室产业，对我国这样一个人口多耕地少的国家而言具有极大的战略意义。

目前，我国的温室面积已突破210万hm2，总面积达世界第一，但我国温室管理水平落后，大多控制系统采用定时控制或者手动控制方式。

在灌溉管理方面，通常存在浇水不及时、不均、灌水不足或过量灌水等现象。

自动灌溉系统通常对作物根系的土壤湿度进行实时监测，获得作物根系的需水量，以此作为自动灌溉的依据。

温室自动灌溉可实现土壤湿度和营养成分的有效管理，是保证设施作物优质高产的重要措施。

随着精准感知技术、定量控制技术的迅速发展,自动控制技术在节水灌溉中有了新的发展，通过灌溉控制器适时、适量地灌水，在节省水、人工和提高作物产量方面取得了一定的成效，可显著提高灌溉精准度，提高水的利用率。

本文设计一种操作简单、精确灌溉的低成本自动化控制灌溉系统，使之既能保证植物的良好的生长状态，又能做到尽量节水，对温室农业的发展具有重要意义。

（二）方案论证

1.液晶显示屏的选用

根据课题，本次采用LCD12864液晶显示屏，但由于这种显示屏有2种，一是不带中文字库，二是带有中文字库，区别在于：

不带字库的，如果要显示什么，都要自己根据点阵的形式去做字库，比如说图案什么的，要自己去做，而且要编写程序，那样对于单片机的内存，就要比较大的要求。

有字库的，就可以调用字库里面的字符，很多字都是直接用就好了，不必自己做字库那么繁琐。

这两者在价格上有很大的差别，不带字库的比带字库的大概贵一半左右。

所以，综上所述，选择了带有字库的，具有经济效益。

再根据传输的区别，有串行跟并行，串行是一位一位的传输数据，并行是8位的传输数据，所以本课题采用串行输出方式。

2.单片机的选择

根据课题以及老师的建议，在市场上有很多种单片机。

在之前实训的时候用的是单片机AT89C51，与STC89C58RD+的区别是，前者内存只有4K，后者内存有16K，所以假如需要较多的程序编写，那么选择较大的内存，而我的指导老师建议用AT89S52，那么这款单片机是AT89C51的增强型，内存是8K（够用），S52比C51，定时器多一个T2，RAM多128B，ROM多4K，中断多2个，多一个看门狗，在掉电、数据指针等方面还有一些改进。

S52的最高外接晶振可以达到33MHz，C51大概只有24MHz。

而且这2款价格差别不大。

所以，选择AT89S52单片机。

3.温度传感器的选用

对于温度传感器，了解不是很多，根据测温范围，接口方式，工作电压，分辨率，以及价格，在网上查找了一下，有DS18B20这款温度传感器比较适用，其具体性能特点在第3章元器件的介绍中，会详细提到它的结构以及工作方式。

（三）硬件所要完成的任务

大棚自动灌溉系统的理解。

电路整体的设计。

硬件的购买、组装、焊接。

电路板的检测、补焊。

实物的调试和分析。

（四）整体结构方案

为了更好的完成本次的设计内容要求，所以在进行设计之前，先进行方案的构思，如图1。

图1系统框架图

二、自动灌溉系统设计原理

（一）自动灌溉系统工作原理

1.结构框图：

根据本次的课题，以及我结合我的方案，自动灌溉系统由电动机，温度传感器，单片机，液晶显示屏，电磁阀，灌溉喷头，若干个水管，还有个水源，具体流程如图2所示。

但由于时间仓促，以及材料的不足，我只做到了温度传感器，单片机，液晶显示屏，这3部分，没有实物的电动机，以及喷头来灌溉。

所以这是不足之处。

2.实现原理：

根据不同的作物对环境温度的不同需求，以及对含水量的需求，先在单片机设定一个当前温度值，由于环境温度的变化，温度传感器实时进行监测，

图2系统结构原理

将模拟信号传送给单片机，当环境温度上升或者下降到比设定温度高或者低时，单片机就会驱动电动机和电磁阀的开启或者关闭，然后水就从水源被水泵抽起，进入各个水管，打开电磁阀，水就从灌溉喷头出来，以达到灌溉的目的。

（二）主程序设计原理图

软件启动后首先进行初始化设置，如单片机串口初始化等。

串口的初始化包括：

确定编程寄存器的工作方式、确定串行口控制及需要进行的中断设置等。

接收数据进入寄存器，并由软件读入数据，检查数据读入的位数，当数据完整时程序返回数据，由温度转化函数转化为十进制数，传递给数据分析、决策控制模块，然后判定是否打开阀门。

阀门开启后实时监控环境温度值，在环境温度值满足阈值后，关闭阀门。

如果未达到阈值则开启阀门重新灌溉，如果达到阈值则存储出水量、阀门打开时间、参考阈值及系统时间等，然后关闭数据接收。

系统主程序流程图如图3所示。

三、主要原件的介绍

（一）芯片AT89S52的结构

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash

图3系统主程序设计图

存储器。

它的引脚配置（如图4）所示，各引脚功能如下:

P0口：

P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8个TTL门电流。

即可作为通用I/O口使用，也可作为地址数据总线，在单片进行系统扩展时作为系统总线。

P1口：

作为通用I/O口使用。

P2口：

P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，还可作为高八位地址线，用于系统扩展。

P3口：

P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口。

P3口也可作为AT89S52的一些特殊功能口，如下所示：

P3口管脚备选功能

P3.0RXD（串行输入口）

P3.1TXD（串行输出口）

P3.2/INT0（外部中断0）

P3.3/INT1（外部中断1）

P3.4T0（记时器0外部输入）

P3.5T1（记时器1外部输入）

P3.6/WR（外部数据存储器写选通）

P3.7/RD（外部数据存储器读选通）

图4AT89S52芯片引脚图

XTAL1（第19引脚）：

片内振荡器反相放大器的输入端。

XTAL2（第18引脚）：

片内振荡器反相放大器的输出端。

RST：

复位输入。

当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

PSEN（第29引脚）：

外部程序存储器的选通信号。

在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。

但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

ALE/PROG（第30引脚）：

当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。

在FLASH编程时，用于输入编程脉冲。

在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。

因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。

然而要注意的是：

每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。

如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。

此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。

另外，该引脚被略微拉高。

如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

EA/VPP（第31引脚）：

当EA/VPP是保持低电平时，则在此期间内外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。

注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

（二）LCD12864显示屏

1.概述

带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。

可以显示8×4行16×16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。

由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。

2.基本特性：

（1）低电源电压（VDD:

+3.0--+5.5V）

（2）显示分辨率:

128×64点

（3）内置汉字字库，提供8192个16×16点阵汉字（简繁体可选）

（4）内置128个16×8点阵字符

（5）2MHZ时钟频率

（6）显示方式：

STN、半透、正显

（7）驱动方式：

1/32DUTY，1/5BIAS

（8）视角方向：

6点

（9）背光方式：

侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/5—1/10

（10）通讯方式：

串行、并口可选

（11）内置DC-DC转换电路，无需外加负压

（12）无需片选信号，简化软件设计

（13）工作温度:

0℃-+55℃,存储温度:

-20℃-+60℃

（三）温度传感器

1.概述

DS18B20可以程序设定9～12位的分辨率，精度为±0.5°C。

掉电后依然保存，测量温度范围为-67°F～+125°C，在-10～+85°C范围内，精度为±0.5°C。

DS18B20的主要特性：

（1）适应电压范围更宽，电压范围：

3.0～5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电。

（2）独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。

（3）DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温。

（4）DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。

（5）温范围－55℃～＋125℃，在-10～+85℃时精度为±0.5℃。

（6）可编程的分辨率为9～12位，对应的可分辨温度分别为0.5℃、0.25℃、0.125℃和0.0625℃，可实现高精度测温。

（7）在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快。

（8）测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。

（9）负压特性：

电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。

DS18B20的外形与内部结构：

DS18B20内部结构主要由四部分组成：

64位光刻ROM、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。

四、硬件电路设计

（一）单片机系统

单片机采用AT89S52，如图5是单片机的最小系统与功能结构图。

1.复位电路

单片机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。

单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。

当系

图5单片机最小系统

统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期（24个振荡周期）以上，则CPU就可以响应并将系统复位。

单片机系统的复位方式有：

手动按钮复位和上电复位。

我用的是按键复位。

如图6。

图6复位电路图

2.晶振

单片机是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在唯一的时钟信号控制下严格的时序进行工作。

时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号。

如图7。

图中的，2个电容都取30pF左右；晶振的频率范围是1.2-12MHz。

晶体振荡频率越高，系统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就越快。

一般情况下，振荡频率为6MHz或12MHz。

图7时钟振荡电路

3.按键电路

利用单片机P3.4、P3.5、P3.6、P3.7的按钮作为控制键，P3.4、P3.5用来控制设定温度，P3.6、P3.7用来控制时间与日期。

如图8所示。

图8单片机按键电路图

（二）电源模块

所选单片机跟器件都是5V供电所以采用单电源供电。

220V交流电通过9V电源适配器变成直流电源再经过470uF,0.33uF,47uF,0.1uF和7805稳压成+5V电压直接为单片机及其他芯片提供电源。

如图9。

7805系列为3端正稳压电路,TO-220封装，能提供多种固定的输出电压，应用范围广。

内含过流、过热和过载保护电路。

带散热片时，输出电流可达1A。

虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。

主要特点：

（1）输出电流可达1A

（2）输出电压有：

5V

（3）过热保护

（4）短路保护

（5）输出晶体管SOA保护

图9电源电路图

（三）显示模块

本次课题是采用LCD12864液晶屏显示，其引脚有20个，E脚接P2.0，RW接P2.1，A脚接电源，K接地，RS接电源。

如图10

图10液晶显示模块

（四）温度传感模块

本课题是采用DS18B20温度传感器作为温度的采集，其中有3引脚，分别接地跟接电源，中间的接单片机P3.3口，如图11。

图11温度传感接线图

（五）声光报警电路

为了减小灌溉的错误率，也为了完善灌溉系统，特加了声光报警器，该报警器是根据环境温度到达设定温度时，会进行自动报警，假如电磁阀失灵，或者出现其他问题，可以进行人工灌溉，从而避免灌溉不及时等现象出现。

其电路图，如图12。

图12声光报警电路

五、硬件调试与误差分析

硬件的完成最后一个步骤也是最重要的一个——调试。

调试中会出现很多不同的问题，有些可能是电路的设计失误，更可能是在焊接过程中出现了不该出现的错误。

温度传感器的调试有很多的关键点：

+5V电压的输出。

单片机是否正常工作。

接收端有没有收到温度。

信号太微弱不能被感受到，是否有信号放大。

硬件的完成不单只是在于实物的完成，也在于所测的温度的精确度。

在实际测量中存在着一些误差。

把设定温度调到18℃时，所测到的环境温度与所测温度如表1所示。

表118℃时所测实际温度表

环境温度

15℃

17℃

18℃

19℃

20℃

21℃

所测温度

14℃

17℃

17℃

19℃

20℃

22℃

蜂鸣器

不响

不响

不响

响

响

响

根据表1所得:

所测的温度误差约为±1℃。

六、总结

针对温室环境温度大、基础设施少、作物众多且动态变化等特点，本文设计了基于单片机技术的温室自动灌溉系统，设备可以实现现场实时监测温室作物环境温度，具有系统误差低、响应速度快、部署灵活、成本低廉、维护简单成本低、可维护性高、可靠性好及灌溉阈值设置灵活等优势。

系统后期应用证明其具有良好的稳定性，并能满足不同作物不同时期灌溉的需要。

该设备的研制和使用为建立大远程智能灌溉系统提供经验和技术支持。

但该设计存在一点不足之处，有环境温度传感器，但没有土壤的湿度传感器，所以在测量上存在很大的不足，不能根据土壤的湿度，进行有效的灌溉，从而可能导致，浇水过多，或者过少等情况。

参考文献

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中国农业出版社,2004.

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电子工业出版社,2008.

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北京航空航天大学出版社,2004.

[5]乔晓军，张馨，王成，等.无线传感器网络在农业中的应用[J].农业工程学报，2005，21

（2）.

[6]孙涵芳，徐爱卿.MCS一51／96系列单片机原理及应用（修订版）[M].北京：

北京航空航天大学出版社,2002.46-170.

附录

致谢

毕业设计的完成也意味着大学生涯的结束，想想大学三年凝聚了老师和父母的多少心血和汗水，如今我能运用自己所学知识完成这次毕业设计，离不开老师的悉心教导，离不开父母的谆谆告诫，也离不开同学的友好帮助，在此，对他们表示由衷的感谢。

首先感谢我的指导老师吴新方老师，在他的指导与督促下，我按时完成了我的毕业设计，完整的为大学生活画上了一个句号。

吴新方老师严谨的治学态度、精益求精的工作作风值得我学习，而且吴老师平易近人，对待学生严格但不失温和，本论文的完成离不开张老师的指导，谨向老师表示崇高的敬意和由衷的感谢。

另外在本人撰写修改过程中，吴老师和一些同学给予了大力帮助，提出了许多宝贵的建议，在此，向其表示衷心的感谢！

此外，本论文的顺利完成，还得益于陈子红等同学的热情帮助，他们的帮助使我每次遇到困难时，总能找到解决的办法，真心的感谢与祝福他们。

最后，感谢我的父母与亲人，他们一直默默的支持我，鼓励我，祝愿他们幸福安康。