智能灌溉系统的设计优秀.docx

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智能灌溉系统的设计优秀

TianjinUniversityofTechnologyandEducation

毕业设计

二○一一年六月

智能灌溉系统的设计

DesignofIntelligentIrrigationSystem

摘要

近几年来，随着全球水资源的日趋紧，世界各国都在积极探索行之有效的节水途径和措施。

自动控制节水灌溉技术的高低代表着农业现代化的发展状况，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，节水灌溉作为一项现代化的工程技术，无论是工程节水、农业节水，还是管理节水都必须建立在节水灌溉设备实现产业化生产的基础上。

节水灌溉技术是为了解决水资源不足，提高灌溉效率而发展起来的现代灌溉技术之一。

本课题设计了一个智能灌溉系统，该系统以AT89S52单片机为控制核心，采用模块化的设计方案，由温湿度采集模块、时钟模块、步进电机控制模块、键盘接口模块和液晶显示模块组成。

温湿度采集模块以DHT11温湿度传感器为核心，时钟模块主要由DS1302和32.768kHz的晶体组成，步进电机控制电路模块采用了达林顿驱动芯片ULN2003，显示电路模块主要由LCD12864构成。

在闭环（自动）模式下，该系统能自动对土壤的温湿度进行检测，当实际湿度低于警戒值时单片机自动启动步进电机进行灌溉。

关键词：

AT89S52；DHT11温湿度传感器；ULN2003达林顿驱动；LCD12864；DS1302

ABSTRACT

Inrecentyears,alongwiththeglobalwaterresourcesisnervous,countriesintheworldexploreactivelyeffectivewaysandmeasuresofwater-saving.Automaticcontrolthediscretionofwater-savingirrigationtechnologiesrepresentstheagriculturalmodernization,lowlevelofthedevelopmentsituationofirrigationsystemautomationbecomethemaincauseofrestrictinghigh-efficientagriculturedevelopment,water-savingirrigationisamodernengineeringtechnology,whetherengineeringsectionwater,watersaving,ormanagementofagriculturalwatermustbebasedonthebasisofwater-savingirrigationequipmentrealizingindustrializationproduction.Water-savingirrigationtechniqueisusedtodealwiththewatershortage,improveirrigationefficiencyandbedevelopedintooneofthemodernirrigationtechniques.

Thistopicdesignanintelligentirrigationsystem,thissystemselecttheAT89S52SCMascontrolcore,adoptthemodularizingdesignscheme,whichcontainthetemperatureandhumidityacquisitionmodule,PHvaluedetectionmodule,clockmodule,steppingmotorcontrolmodule,keyboardinterfacemoduleandLCDmodule.DHT11andhumiditysensorisselectedasthecoreoftemperatureandhumidityacquisitionmodule,clockmoduleismainlycomposedoftheclockDS1302andcrystalof32.768kHz,steppingmotorcontrolcircuitmoduleadoptedreachlintondrivechipULN2003,displaycircuitmoduleismainlyconsistedoftheLCD12864constitutes.Intheloop（automatically）mode,thesystemcanautomaticallydetectonsoiltemperatureandhumidity,whenactualhumidityunderalertvaluesingle-chipmicrocomputerautomaticstartsteppingmotorforirrigation.

KeyWords：

AT89S52;DHT11temperatureandhumiditysensor;ULN2003DarlingtonDriver;LCD12864;DS1302

1绪论

1.1引言

水是一切生命过程中不可替代的基本要素，也是维系国民经济和社会发展的重要基础资源。

过去，人们认为水是取之不竭、用之不尽的天然资源。

因为在那些年代，科学技术不够发达，经济发展不够迅速，人口数量少，人们对水的使用总是很随意，水资源似乎总也用不完。

随着科技不断进步，经济高速发展，生产力极大提高以及人口只增不减，水资源危机开始显现并日渐明显。

随着中国农业现代化进程的高速发展、农业结构的调整以及我国加入世贸组织等因素，节水灌溉自动化技术的要求越来越高，灌溉控制器在我国有着巨大的市场。

节水灌溉控制器近期在中国应朝着价格低、性能可靠、操作简便的方向发展。

但从长远利益考虑，新的智能化技术、传感技术和农业科技的引入、应用和普及，将会有智能化程度更高、功能更强、性能更趋于稳定和可靠的灌溉控制器出现。

本课题以AT89S52单片机为主要硬件模块，通过软件编程实现对土壤温度和湿度进行多点检测，当所测的实际湿度低于警戒值时，将触发灌溉控制器装置，进行自动灌溉，系统还可以实现时间控制方式，随时灌溉，从而也体现了多用途、人性化的现代智能化系统设计要求。

根据本设计的功能要求，可确定此方案：

以AT89S52单片机为控制电路的核心，采用模块化的设计方案。

在闭环控制方式下，利用温湿度采集模块将多处不同地点检测到的温度、湿度模拟量进行模数转化后传送给单片机，单片机将采集到的数据与警戒值比较；若采集数据低于警戒值，则启动步进电机驱动模块进行灌溉；若采集数据高于警戒值，则不启动驱动模块进行灌溉。

显示模块将采集数据和灌溉信息显示在显示屏上。

灌溉时间一到，驱动电路则停止驱动步进电机，灌溉停止。

在时间控制方式下，用户通过键盘输入进行灌溉的时间，时间一到，灌溉停止。

1.2课题来源

经过多年的发展，国外灌溉控制器已逐步趋于成熟化、系列化，但由于价格昂贵，国虽引进一些，但多数是用于农业示区、科研单位、高校实验室，虽然国外生产的灌溉控制器性能优越，但没有考虑我国特殊的自然、气候、土地资源、农民经济状况等因素，因而国外引进的灌溉控制器在国应用并不普及。

虽然国也有多家研制灌溉控制器，但多数是小规模、实验和理论的探讨，应用不够普及，究其原因一则是开发性能完善的灌溉控制系统不仅需要大量的人力、物力的投入，还需要多部门、多学科的融合，这就在一定程度上限制了性能完善、适应性强的控制器的开发；其次是现在开发出来的灌溉控制器价格相对昂贵，农民尽管知道能节省人力、灌溉用水、提高产量，但由于一次性投资太大，大多数农民承受不起，这也在一定程度上限制了灌溉控制器的普及。

随着中国农业现代化进程的加快、农业结构的调整、以及我国加人世贸组织等因素，可以预计对农业灌溉自动化技术的要求会越来越高，灌溉控制器在我国将有巨大的市场。

节水灌溉控制器近期在中国应朝着价格低、性能可靠、操作简便的方向发展。

但从长远利益考虑，新的智能化技术、传感技术和农业科技的引入、应用和普及，将会有智能化程度更高、功能更强、性能更稳定可靠的灌溉控制器出现。

西方发达国家在节水灌溉控制器的开发上已越来越成熟，且发展趋势是研制大型分布式控制系统和小面积单片机控制系统，并带有通信功能，能与上位机进行通信，并可由微机对其编程操作。

同时随着人工智能技术的发展，模糊控制、神经网络等新技术也为节水灌溉控制器的研发开辟了广阔的应用前景。

而国在灌溉控制器的研制方面还没有形成规模大、应用围广的成套灌溉控制产品。

国的一些高尔夫球场等大面积场地灌溉控制，一般都是采用国外现成的成套灌溉控制产品。

而广大农村可根据我国国情和各地经济和技术发展的实际情况，采取简单可行的节水灌溉控制措施及相应的排灌机械和设备，大力发展可靠、实用、成本低、操作简便的节水灌溉控制器，它不仅具有广阔的市场，而且具有巨大的社会和经济效益。

1.3国外现状

国在开发灌溉自动控制系统方面还处于研制、试用阶段，真正能投入实际应用，且应用较广的灌溉控制器还是很少。

在开发的产品中有着代表性的如中国农业机械化研究院联合多家单位研制的2000型温室自动灌溉施肥系统。

该系统是国家“九五”科技攻关项目中自主研发的科技产品，它结合我国温室的环境和实际使用特点，以积木分布式系统结构原理，解决了计算机适时闭环控制、动态监测、控制显示中文、施肥泵混合比可调、电磁阀开度可调等关键技术问题。

该系统具有手动控制、程序控制和自动控制等多种灌溉系统模式，可按需要灵活应用，在、北京等地已经投入了应用，从系统运行情况来看，该系统有很好控制效果，取的了一定的经济效益和社会效益。

天津市水利科学研究所研制的温室滴灌施肥智能化控制系统主要用于现代温室，日光温室作物的灌溉营养液施肥，环境监测的智能控制，采用世界先进的可编程序控制器和触摸屏控制技术，性能可靠、功能齐全、人机界面友好、操作简单、价格低廉，此控制系统的控制流量为15

，控制规模为1~2

时，能控制24路阀门，系统具有人工干预灌溉施肥功能，定时、定量灌溉施肥功能，条件控制灌溉施肥功能。

北京澳作生态仪器的澳作智能节水灌溉控制系统可与各种滴、喷灌系统连接，实时监测土壤墒情，根据要

求自动灌溉。

控制方式灵活，手动、半自动、全自动任选且可随意在计算机上更改，可同时控制多个设备，受控区位置及形状，环境参数及设备状态可同时显示在中心计算机上。

北京奥特思达科技研制的WT-02型微喷灌定时自动控制器，是一种供农业、草坪、果园、温室一般场合给水的电子灌溉自动控制系统。

国外一些先进国家，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，并已经日趋成熟。

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式控制，到现今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，操作也越来越简便。

近年来随着农业对自动化程度要求的提高，以色列出现灌溉用的可编程逻辑控制器（PLC），这种控制器通过把不同的网络连接到主机上进行数据采集和处理。

随着控制技术、传感器技术的发展，以色列开发出了现代诊断式控制器，这种控制器把以前不可能采集到的信息通过不同的传感器来获得，通过因特网、远程控制、GSM等来实现数据传输，然后通过计算机中的一些模型来处理信息，作出灌溉计划。

加拿大、澳大利亚和韩国等国家和地区也都有开发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HARDIEIRRGATION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。

其中HR6100系列成本较低，是一种小型自动灌溉控制器，主要是面对家庭庭院和小面积的商业绿化场地的灌溉，而MICRO-MASTER，系列产品是HARDIE公司为进行大面积灌溉而开发的控制器。

该系统采用分布式布置，可与上位机双向通信，用微机对其进行编程操作和对其子控制器进行控制，并能用微机随时监控灌溉系统的工作状况。

2方案设计与论证

2.1总体方案论证

本课题以AT89S52单片机为主要硬件模块，通过软件编程实现对土壤温度、湿度、PH值、EC值（灌溉液中肥料浓度）进行多点检测，当所测的实际湿度、PH值和EC值低于警戒值时，将触发灌溉控制器装置，进行自动灌溉，系统还可以实现手动控制灌溉方式，随时灌溉，从而也体现了多用途、人性化的现代智能化系统设计要求。

根据本设计的功能要求，由于时间和花费的种种问题，本设计的PH值和EC值部分先不考虑，现确定此方案：

以AT89S52单片机为控制电路的核心，采用模块化的设计方案。

所谓的模块化设计，简单地说就是将产品的某些要素组合在一起，构成一个具有特定功能的子系统，将这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，构成新的系统，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发展起来的一种新的设计思想，现已成为一种新技术被广泛应用，尤其是信息时代电子产品不断推出新，模块化设计的产品正在不断涌现。

模块化设计已被广泛应用于机床、电子产品、航天、航空等设计领域。

模块化设计是绿色设计方法之一，它已经从理念转变为较成熟的设计方法[3]。

本设计总分为六大模块：

温湿度采集电路模块、PH值检测模块、时钟模块、键盘接口电路模块和液晶显示电路模块、步进电机控制电路模块。

其中温湿度采集模块核心器件为数字式温湿度传感器DHT11，PH值检测模块有玻璃电极、玻璃电极信号处理电路和A／D转化电路，时钟模块以DS1302为核心器件，显示电路以液晶显示器LCD12864为核心构成，步进电机控制电路以达林顿驱动芯片ULN2003为核心，再配合键盘电路实现对土壤湿度进行检测。

在本系统中，PH值执行装置通过单片机控制电磁阀，当所测PH值达不到土壤的PH值要求时，单片机通过PH值执行装置开启PH值电磁阀；湿度灌溉分两种控制方式：

闭环控制方式和时间控制方式，用户可在两种方式之间自由选择。

在闭环控制方式下，利用湿度采集模块将多处不同地点检测到的温湿度已校准数字信号数据进行综合处理，再传送给单片机。

单片机将接收到的数据和单片机存的数据进行比较，若收到的数据低于设定的数值，则步进电机控制电路模块启动步进电机进行灌溉。

若收到的数据不低于设定的数值，则不启动步进电机进行灌溉。

同时单片机将采集到的数据和系统的灌溉状况在现实模块的显示屏上显示出来。

灌溉进行一定的时间后自动停止，该时间由用户加载在单片机部数据决定。

用户可通过灌溉方式切换键切换到时间控制方式。

在时间控制方式下，用户通过键盘输入灌溉的时间和灌溉的周期，对应的数据将在显示屏上显示出来。

这种灌溉方式主要应用于特殊情况[4]。

综上所述，本系统不但具有非常友好的人机交互界面，而且具有良好的实时控制功能，能及时响应用户请求。

系统支持的灌溉方式灵活多样，用户可根据实际情况进行模式选择。

系统结构简洁，各类功能易于实现，大大提高了系统的可靠性和实用性。

系统的基本模块原理图如图2.1所示。

温度湿度

传感器

键盘控制电路

LCD12864

液晶显示

步进电机

驱动电路

灌溉控制电路

AT89S52

单片机

PH值检测电路

PH值执行装置

图2-1智能灌溉系统基本模块原理框图

2.2键盘电路

独立式按键是指直接用一根I/O口线构成的单个按键电路。

每个独立式按键单独占有一根I/O口线，每根I/O口线上的按键的工作状态不会影响其他I/O口线的工作状态。

独立式按键接口电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O口线，在按键数量较多时，I/O口线浪费较大。

故在按键数量不多时，常采用这种按键结构。

独立式按键电路如图2.2所示。

上拉电阻保证了按键断开时，I/O口线上有确定的高电平。

本设计外围电路接有七个独立按键，其中两个作为电机手动启停按键，一个作为PH值演示按键，剩下四个按键作为时钟调整按键。

因为本设计所用的I/O口不是很多，而且需要的按键数目不多，故选用独立式键盘。

图2-2独立式按键键盘框图

2.3温湿度传感器的选取

2.3.1湿度传感器原理

湿敏元件是最简单的湿度传感器。

湿敏元件主要有电阻式、电容式两大类。

湿敏电阻的特点是在基片上覆盖一层用感湿材料制成的膜，当空气中的水蒸气吸附在感湿膜上时，元件的电阻率和电阻值都发生变化，利用这一特性即可测量湿度。

湿敏电容一般是用高分子薄膜电容制成的，常用的高分子材料有聚苯乙烯、聚酰亚胺、酪酸醋酸纤维等。

当环境湿度发生改变时，湿敏电容的介电常数发生变化，使其电容量也发生变化，其电容变化量与相对湿度成正比。

下面对各种湿度传感器进行简单的介绍。

1、氯化锂湿度传感器

（1）电阻式氯化锂湿度计

（2）露点式氯化锂湿度计

2、碳湿敏元件

3、氧化铝湿度计

4、陶瓷湿度传感器

目前市场上测量湿度和温度的方法有很多种，也有很多种传感器，它主要通过传感器采集土壤中的水分含量和室外温度，对灌溉系统实现智能控制。

但由于符合应用要求的土壤湿度传感器购买麻烦、价格昂贵且在最后演示时还得需要土壤样本，故本设计选取了空气湿度温度传感器作为替代。

而温度湿度传感器又分为模拟式温湿度传感器和数字式温湿度传感器，在实际温湿度采集时，模拟式温湿度传感器在与单片机之间还需加上模数转换芯片，所以本设计采用数字温湿度传感器DHT11，它是奥松电子新近推出的一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。

2.3.2数字温湿度传感器DHT11

1、DHT11产品概述

DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。

它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。

传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。

因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。

每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。

校准系数以程序的形式储存在OTP存中，传感器部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。

单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。

超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选则。

产品为4针单排引脚封装。

连接方便，特殊封装形式可根据用户需求而提供。

温湿度传感器DHT11外观图如图2-3所示。

图2-3温湿度传感器DHT11外观图

2、DHT11应用领域

►暖通空调►测试及检测设备►汽车►数据记录器

►消费品►自动控制►气象站►家电

►湿度调节器►医疗►除湿器

3系统硬件电路设计

3.1AT89S52单片机的硬件结构

单片机的全称为微型计算机（SingleChipMicrocomputer）。

从应用领域来看，单片机主要用于控制，所以又称微控制器（MicroControllerUnit）或嵌入式控制器（EmbeddedController）。

单片机是将计算机的基本部件微型化并集成在一块芯片上的微型计算机，其基本组成和工作原理与通用微型计算机是一致的。

主要由微处理器（CPU）、存储器、I/O接口三大功能部分通过总线有机连接而成，在外部通过I/O接口配置各种外部设备就构成微机的硬件系统[7]。

单片机体积小，成本低，运用灵活，易于产品化；面向控制，能针对性地解决从简单到复杂的各类控制任务；抗干扰能力强，适用围广。

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存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

3.1.1单片机的结构及信号引脚

1、主要特性

●与MCS-51单片机产品兼容

●8K字节在系统可编程Flash存储器

●1000次擦写周期

●全静态操作：

0Hz～33Hz

●三级加密程序存储器

●32个可编程I/O口线

●三个16位定时器/计数器

●八个中断源

●全双工UART串行通道

●低功耗空闲和掉电模式

●掉电后中断可唤醒

●看门狗定时器

●双数据指针

●掉电标识符

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

2、芯片引脚封装：

AT89S52引脚封装图如图3-1所示。

图3-1AT89S52引脚封装图

3、芯片引脚说明：

VCC:

电源

GND:

地

P0端口（P0.0-P0.7）：

P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。

作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。

对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。

当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。

在这种模式下，P0具有部上拉电阻。

在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。

程序校验时，需要外部上拉电阻。

P1端口（P1.0-P1.7）：

P1口是一个具有部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P1端口写“1”时，部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表3-1所示。

在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。

表3-1P1口线的第二功能

引脚号

第二功能信号

第二功能信号名称

P1.0

T2

定时器/计数器T2的外部计数输入，时钟输出

P1.1

T2EX

定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制

P1.5

MOSI

在系统编程用

P1.6

MISO

在系统编程用

P1.7

SCK

在系统编程用

P2端口（P2.0-P2.7）：

P2口是一个具有部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。

对P2端口写“1”时，部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。

作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于部电阻的原因，将输出电流（IIL）。

在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR）时，P2口送出高八位