基于太阳能的滴灌控制系统设计毕业设计论文.docx
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基于太阳能的滴灌控制系统设计毕业设计论文
四川理工学院毕业设计（论文）
基于太阳能的滴灌控制系统设计
学生：
蒋佩忱
学号：
11011030606
专业：
机械设计制造及其自动化
班级：
机电一体化2011.3
指导教师：
孙祥国
四川理工学院机械工程学院
二O一五年五月
四川理工学院
四川理工学院
毕业设计（论文）任务书
设计（论文）题目：
基于太阳能的滴灌控制系统设计
学院：
机械工程学院专业：
机械设计制造及自动化班级：
机电一体化113班
学号：
11011030606
学生：
蒋佩忱指导教师：
孙祥国
接受任务时间2015.3.2
系主任（签名） 院长（签名）
1．毕业设计（论文）的主要内容及基本要求
（1）总体方案设计
（2）硬件系统的设计
（3）软件控制系统的设计
（4）控制系统样机制作
（5）编写设计说明书，完成系统控制硬件图
2．指定查阅的主要参考文献及说明
（1）单片机实用接口技术
（2）微型计算机原理与开发
（3）电路基础
（4）传感器技术手册
3．进度安排
设计（论文）各阶段名称
起止日期
1
查阅和搜集设计资料，制定设计方案
2015.3.2—2015.3.25
2
硬件系统的设计、软件控制系统的设计
2015.3.26—2015.4.15
3
控制系统样机制作
2015.4.16—2015.5.5
4
撰写设计说明书
2015.5.6—2015.5.26
5
评阅及答辩
2015.5.27—2015.6.21
摘要
温室是设施农业的重要组成部分，是现代农业发展的重点之一。
温室种植的实践经验表明，提高温室的自动控制水平可充分发挥温室生产的效率；我国广大农户购买能力有限，而市场上现有的针对现代试试环境的智能监控系统成本高、价格贵、使用较为复杂。
针对这一问题，本文设计了一种成本较低、集环境监控和自动滴灌于一体的检测与控制系统。
矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。
系统利用STC89C516RD+单片机实现对温室环境参数的实时监测，并根据实时数据和控制模型，对温室滴灌系统进行控制，是温室土壤湿度环境参数处于设定值之间。
系统主要由能量转换模块、参数测量模块、实时控制模块等几部分组成。
聞創沟燴鐺險爱氇谴净。
整个系统由太阳能电池板将太阳能转换为电能提供能源，从而驱动整个系统装置。
再由温度传感器和土壤湿度传感器采集环境参数，并且通过AD模块转换数值在LED数码管上显示。
同时单片机对实时数据进行处理判断，根据对环境参数影响最大的湿度参数及设定值发出控制命令，对电动机运转实现自动化控制，从而实现整个滴灌系统的自动化控制。
此外，当实时监测到的环境参数超过设定限值时，电动机停止工作，并且蜂鸣器进行报警，以便于工作人员实施紧急措施。
残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。
关键词：
自动控制；滴灌系统；单片机；太阳能
ABSTRACT
Greenhouseisnotonlyanimportantpartoffacilityagriculture,butalsooneofthedevelopingemphasesofthedevelopingofmodernagriculture.Greenhousecultivationpracticesshowthatimprovethelevelofautomaticcontrolofgreenhousecangivefullplaytotheefficiencyofthegreenhouseproduction;Inthebroadmassesoffarmerstobuyabilityislimited,andtheexistingonthemarketofintelligentmonitoringsystemformoderntryenvironmentcosthigh,thepriceisexpensive,itiscomplextouse.Inordertosolvethisproblem,thispaperdesignedakindoflowcost,environmentalmonitoringandautomaticdripirrigationintheintegrationofdetectionandcontrolsystem.酽锕极額閉镇桧猪訣锥。
SystemusingSTC89C516RD+single-chip-microcomputertorealizereal-timemonitoringofgreenhouseenvironmentparametersandcontrolmodel,andaccordingtothereal-timedatatocontrolgreenhousedripirrigationsystem,isthegreenhousesoilmoistureenvironmentparametersbetweenthesetvalue.Systemismainlycomposedofenergyconversionmodule,parametermeasurementmodule,realtimecontrolmodule,etc.彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。
Thewholesystemisprovidedbysolarpanelstoconvertsolarenergyintoelectricityenergy,soastodrivethewholesystemdevice.Againbythetemperaturesensorandsoilhumiditysensortocollectenvironmentalparameters,andthroughtheADconversionmodulevalueontheLEDdigitaltubedisplay.Singlechipmicrocomputertodealwithreal-timedatatojudgeatthesametime,accordingtothehumidityparameterandsettingofthebiggestimpactontheenvironmentparametercontrolcommand,toachieveautomaticcontrol,motorsoastorealizetheautomaticcontrolofthewholedripirrigationsystem.Inaddition,whentheenvironmentalparametersthansettinglimitstoreal-timemonitor,themotorstopworking,andbuzzeralarm,emergencymeasuresforstaff.謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。
Keywords:
automaticcontrol;Dripirrigationsystem;Singlechipmicrocomputer;solarenergy厦礴恳蹒骈時盡继價骚。
第一章绪论
1.1引言
建设社会主义新农村，是当前全党全社会面临的重大而紧迫的战略任务，是未来五年经济社会发展的重中之重【1】。
峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。
发展农村经济，促进农民增收，是新农村建设第一重要的任务"发展农村经济，首先应大力发展现代农业【2】。
设施农业是高效农业的重要组成部分，在农业现代化、农业增效、农民增收中发挥着至关重要的作用，设施园艺是设施农业的主要内容，随着人们生活水平和农业现代化的需要，近年来我国设施园艺取得了飞速发展，己显现出明显的优势和良好的发展前景。
詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。
发展设施园艺可以大幅度提高土地利用率、资源产出率、劳动生产率和产品商品率，可实现规范化、标准化生产，改善农村生态环境，加速传统农业向现代农业转变，可实现农业的高效、持续发展，培育农村经济新的增长点。
则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。
设施园艺包括现代化温室、日光温室和塑料大棚等设施，目前，在现代的大型温室生产中，已经达到较为先进的程度，大都配有带加热设备，并采用喷灌、滴灌和地下灌溉等技术，有的还使用无土栽培法"温室还装备有电脑控制系统，以变化的光照强度为中心，随时调节室温和空气中二氧化碳浓度，或辅以湿度、风速、温度、光照乃至营养液浓度的调节，为作物创造适合生长的最佳环境。
胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。
功能齐全的完全智能化的温室环境监控系统价格昂贵，同时要求使用者具备一定的计算机操作技能和温室种植管理知识【3-5】，因此较适用于现代化温室，而对于目前拥有量最多的简易温室或塑料大棚来说，其通风、遮阳、滴灌等系统基本采用手动装置进行操作，不仅控制精度无法保证，而且无法考察多因子相互祸合关系，使得温室的种植完全依照种植者的经验。
鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。
近年来，市场上也出现了针对温室加温、通风、滴灌等系统的控制装置，多是单因子控制器、自动化程度不高、环境调控能力比较差，又难以满足以上控制要求【6】。
也有一些国内外的大公司生产智能温室监控系统或控制器，但一般价格昂贵，对于大部份农民来说还是可望而不可及的。
稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。
因此，为了实现农作物的优质、高效和高产，开发成本较低、功能较全、实用型的农业温室大棚控制系统己迫在眉睫，这对于促进农业的增产、增收，推进我国农业智能化进程具有极为重要的意义，同时也具有很大的市场商机。
陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。
1.2国内外自动灌溉控制系统的灌溉
在节水灌溉方面，以色列是世界上微灌技术的发展比较先进的国家之一，其温室种植全部采用微灌，以滴灌为主。
他们对农作物的灌溉采用了现代化的滴灌和微喷灌系统，在作物附近都安装了传感器以测定水、肥状况，办公室里的中心计算机对田间的控制器进行通讯，即可方便地遥控灌溉和施肥，使水肥的利用率达到80%-90%，使得原本资源匾乏的以色列成为沙漠上的蔬菜出口国圈。
沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。
我国水资源总量为2.8万亿立方米，但可利用量只有40%-50%左右。
目前全国农业用水利用率低，我国灌溉用水的利用系数只有0.3-0.4，与发达国家0.7-0.9相比，不及1/2。
农作物水分生产率平均1kg/m3左右，与以色列2.32kg/m3相比相差1倍以上。
随着人口增长，经济发展，特别是工业化，城市化对水需求的快速增长以及对水量、水质的更高的要求，使得农业用水必将受到更大的限制，因而农业节水必将成为节约水资源的核心内容。
钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。
我国从开始的大水漫灌，发展到定额灌溉，再演进到节水灌溉（其中包括充分灌溉、非充分灌溉、调亏灌溉控制性分根交替灌溉等），对大田作物需水规律及节水灌溉的研究已趋于成熟，但在露地蔬菜，设施蔬菜等方面却研究较少，缺乏成熟的认识，目前设施蔬菜生产中水、肥管理基本仍处于经验阶段，缺乏科学量化指标，对于大棚蔬菜栽培而言，传统灌水方式是沟畦灌，水的利用率只有40%。
为使棚室蔬菜产量、产值再上新台阶，需对传统灌水方式进行改革。
在温室大棚中大力推广现代节水灌溉技术，将更有利于我国节水农业的稳定发展。
采用先进灌溉设备，根据作物生产过程中对水的需要，按时按量对作物进行灌溉，可使作物产量高，品质好，节水明显，水的利用率可在90%以上。
所以节水灌溉与设施农业作为一系统工程更体现出对高技术集成要求的紧迫性。
懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。
我国现有温室大棚绝大多数采用传统的灌溉的模式，尤其在微灌设备产品的开发利用上相差甚远。
近些年来，改进和研制了一些新的滴灌设备，制定了滴灌滴头和滴灌管的技术标准和技术规范。
进入20世纪90年代，国家对农业节水灌溉更加重视，投入相对增加。
各地纷纷建立了设施农业的示范点，促进了滴灌和微灌节水技术在我国的应用，并且引进了以色列、美国、法国、韩国等国的部分先进技术和设备，国内温室大棚微灌有了较大的发展。
但国内温室灌溉设备，在主要材质、技术精度和工艺水平上比较落后，整个系统配套性差，自动控制灌溉系统未有成型产品，基本用手动阀控制。
现在市场上能批量使用的滴灌管主要是引进以色列等国外技术和设备生产，生产的产品价格高，很大程度上限制了设施农业先进灌溉技术的推广。
謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。
1.3滴灌控制系统研究的目的和意义
综合前面现状所述，可以看出国外发达国家的温室环境控制系统起步早，技术成熟，功能完善。
而我国针对温室大棚的环境控制系统的研制则刚刚起步，还存在以下问题:
呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。
1、目前我国主要采用单因子方法进行控制，农户适用装置较少。
即便是有的使用多因子控制装置，但使用复杂、价格昂贵，农户一次性投入太高。
莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。
2、大棚生产中，农户急需具备在线显示和自动控制装置的控制系统，为现场指导温室生产和今后进行管理分析提供依据。
麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。
3、温室滴灌系统如何更好地和环境控制系统结合一直是温室生产中待解决的问题。
本论文要完成的主要任务是开发一种成本较低、功能较全、集数据采集、环境监控和自动灌溉于一体的自动滴灌控制系统。
納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。
研究的关键问题是:
智能温湿度传感器的硬件与软件设计，温室大棚环境模糊控制系统设计。
由于我国人多地少、气候条件恶劣、农业用户购买能力有限，因此开发低价位、低成本、实用型的农业温室环境智能监控系统具有很大的必要性和重要的实际意义。
風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。
第二章基于太阳能的滴灌控制系统总体硬件设计
自动滴灌系统是通过测定湿度、温度，根据植物自动选择滴灌开时始时间、滴灌时间及出水量。
这样可以将水和养份直接而精确地输送到作物根部，是一种低成本、长寿命、免维护、高效节能的浇水方式。
它适用于单行或多行盆栽、吊蓝式种植、培植袋栽种作物、庭院式花园等，也适合家居大小花盆栽种的植物浇灌。
自动滴灌系统目前在缺水的发达国家应用十分广泛，目前在我国部分地区也逐渐应用。
自动滴灌系统要求滴灌时间准确、出水量适中、系统操作方便，对于更好的辅助作物生长、节约水资源起到了极其重要的作用。
灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。
2.1滴灌控制系统总体结构设计
2.1.1滴灌控制系统组成
在本文中，滴灌控制器主要由三部分构成，整个系统组成如下图图2-1所示。
太阳能
太阳能电池板
太阳能控制器
蓄电池
控制器COM
单片机
光照强度传感器
温度传感器
湿度传感器
蜂鸣器
LED数码管
（显示湿度、温度）
报警
电动机
水泵
滴灌
水源
图2-1系统整体工作流程图示铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。
一是供电系统，该部分利用太阳能作为供电来源，完成储能、电压转换的功能，为控制系统供电。
供电系统主要由太阳能板、电压转换芯片、备用蓄电池和开关电路组成。
二是控制系统，该部分利用温度、湿度传感器、单片机完成相关数据的采集、处理、传输与相应的滴灌控制功能，实现自动控制。
三是显示报警系统，主要由LED数码管、蜂鸣器组成，实现实时环境参数显示及超限报警功能。
攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。
2.1.2滴灌控制系统选型
控制系统按照控制方法来分，可分为手动控制和自动控制两种类型。
手动控制系统简单可靠，一般由继电器、接触器、按钮、限位开关等电气元件组成。
但一般来说，即使在自动控制系统中，往往也包含有手动控制方式，手动控制系统是环境控制系统的基础。
环境自动控制系统按采用的控制仪表可分为数字式控制仪控制系统、控制器控制系统和计算机控制系统。
趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。
数字式控制仪控制系统往往只通过传感器对内的某一环境因子进行监测，并对其设定上限值和下限值，然后控制仪自动对驱动设备进行开启或关闭，从而使的该环境因子控制在设定的范围内，属单因子控制。
这种系统因其不考虑其他要素的影响和变化，局限性非常大，但由于成本较低，对运行要求不高的来说很适用。
夹覡闾辁駁档驀迁锬減。
计算机控制系统又可分为集中式控制系统和分布式控制系统（即集散式控制系统）。
集中式控制系统，就是用一台计算机直接控制执行机构，使被调量保持在给定值。
这类控制系统为主机一终端模式，即以计算机主机为控制中心，负责对其他各子系统进行控制管理，这种模式不灵活，适合于控制点数集中、规模小、控制机房和温室距离近的情况。
分布式控制系统采用了所谓的服务器一客户机模式，是目前计算机控制系统的主流。
它是由许多分布在各中的可编程控制器（PLC）或者子处理器组成，每一个控制器连接到中心监控计算机或称主处理器上，由每个子处理器处理所采集的数据并进行实时控制，而由主处理器存储和显示子处理器传送来的数据，主处理器可以向每个子处理器发送控制设定值和其它控制参数。
它不仅具有传统的控制功能和集中化的信息管理及操作显示功能，而且还有大规模数据采集、处理的功能以及较强的数据通信能力，为实现高等过程控制和生产管理提供了先进的工具和手段。
此类控制系统在现代化中已经应用广泛，对于普通农民来说，其最大的缺陷就是价格昂贵，一次性投资太大，而且对于普通大棚来说，实用性不高。
视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。
控制器控制系统采用了综合环境控制，可根据作物对各种环境要素的配合关系，在某一环境要素发生变化时，相关的其他要素可自动做出相应改变和调整，以优化环境组合条件。
控制器可以是单片机、可编程序控制器（PLC）、工控机等。
此类控制系统价格相对较低，尤其是以单片机为控制核心的控制器，适用于简易大棚的控制，价格也处于普通农民用户所承受范围之内。
偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。
现代传感器技术、通信技术、自动化技术和计算机技术的发展为现代控制系统的架构提供了多种可选方案。
目前国内研究方案见表2.1。
緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。
表2.1方案优缺点比较
方案
PLC
单片机
工控机
分布式控制系统
总线控制系统
系统结构
模块式
整体式
模块式
模块式
模块式
加工
无需加工
需要
无需加工
无需加工
无需加工
体积
较大
小
较大
大
大
稳定性
优
一般
一般
优
良好
工作环境
低
低
一般
低
低
通讯
优
较差
很差
优
优
成本
很高
较低
一般
较高
较高
鉴于降低成本的需要，本系统将选用以多功能单片机为环境的核心控制器。
2.2太阳能供能系统选型
2.2.1太阳能应用背景
太阳能（solarenergy），是指太阳的热辐射能，主要表现就是常说的太阳光线。
在现代一般用作发电或者为热水器提供能源。
自地球上生命诞生以来，就主要以太阳提供的热辐射能生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为制作食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。
在化石燃料日趋减少的情况下，太阳能已成为人类使用能源的重要组成部分，并不断得到发展。
太阳能的利用有光热转换和光电转换两种方式，太阳能发电是一种新兴的可再生能源。
广义上的太阳能也包括地球上的风能、化学能、水能等。
騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。
太阳能既是一次能源，又是可再生能源。
它资源丰富，既可免费使用，又无需运输，对环境无任何污染。
为人类创造了一种新的生活形态，使社会及人类进入一个节约能源减少污染的时代。
疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。
中国蕴藏着丰富的太阳能资源，太阳能利用前景广阔。
目前，中国太阳能产业规模已位居世界第一，是全球太阳能热水器生产量和使用量最大的国家和重要的太阳能光伏电池生产国。
中国比较成熟太阳能产品有两项：
太阳能光伏发电系统和太阳能热水系统。
镞锊过润启婭澗骆讕瀘。
太阳能发电系统由太阳能电池组、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。
太阳能发电系统分为离网发电系统与并网发电系统：
榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。
1、离网发电系统。
主要由太阳能电池组件、控制器、蓄电池组成，若要为交流负载供电，还需要配置交流逆变器。
邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。
2、并网发电系统就是太阳能组件产生的直流电经过并网逆变器转换成符合市电电网要求的交流电这后直接接入公共电网。
并网发电系统有集中式大型并网电站一般都是国家级电站，主要特点是将所发电能直接输送到电网，由电网统一调配向用户供电。
但这种电站投资大、建设周期长、占地面积大，还没有太大发展。
而分散式小型并网发电系统，特别是光伏建筑一体化发电系统，由于投资小、建设快、占地面积小、政策支持力度大等优点，是目前并网发电的主流。
嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。
太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分，太阳能电池板的作用是将太阳的光能转化为电能后，输出直流电存入蓄电池中。
太阳能电池板是太阳能发电系统中最重要的部件之一，其转换率和使用寿命是决定太阳电池是否具有使用价值的重要因素。
组件设计：
按国际电工委员会IEC：
1215：
1993标准要求进行设计，采用36片或72片多晶硅太阳能电池进行串联以形成12V和24V各种类型的组件。
该组件可用于各种户用光伏系统、独立光伏电站和并网光伏电站等。
该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。
2.2.2太阳能电池板选型
利用太阳能发电的方式有多种。
已实用的主要有以下两种。
1、光—热—电转换。
即利用太阳辐射所产生的热能发电。
一般是用太阳能集热器将所吸收的热能转换为工质的蒸汽，然后由蒸汽驱动气轮机带动发电机发电。
前一过程为光—热转换，后一过程为热—电转换。
这种方式简单易行，成本低廉回报大，适合在中国大面积推广。
劇妆诨貰攖苹埘呂仑庙。
2、光—电转换该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能，光—电转换的基本装置就是太阳能电池。
太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。
当许多个电池串联或并联起来就可以成为有比较大的输出功率的太阳能电池方阵了。
臠龍讹驄桠业變墊罗蘄。
太阳能电池：
1、材料要求：
耐紫外光线的辐射，透光率不下降。
钢化玻璃作成的组件可以承受直径25毫米的冰球以23米/秒的速度撞击。
鰻順褛悦漚縫冁屜鸭骞。
2、装用的EVA胶膜固化后的性能要求：
透光率大于90%；交联度大于65-85%；剥离强度（N/cm），玻璃/胶膜大于30；TPT/胶膜大于15；耐温性：
高温85℃、低温－40℃；太阳电池的背面，耐老化、耐腐蚀、耐紫外线辐射、不透气等。
穑釓虚绺滟鳗絲懷紓泺。
3、用途：
太阳能发电广泛用于太阳能路灯、太阳能杀虫灯、太阳能便携式系统，太阳能移动电源，太阳能应用产品，通讯电源，太阳能灯具，太阳能建筑等领域。
隶誆荧鉴獫纲鴣攣駘賽。
太阳能在2050年前可能将成为电力的主要来源，受助于发电设备成本大跌。
IEA报告表示，2050年前太阳能光伏（PV）系统将最多为全球贡献16%的电力，来自太阳能发电厂的太阳能热力发电（STE）将提供11%的电力。
浹繢腻叢着駕骠構砀湊。
光伏板组件是一种暴露在阳光下便会产生直流电的发电装置，由几乎全部以半导体物料（例如硅）制成的固体光伏电池组成。
简单的光伏电池可为手表以及计算机提供能源，较复杂的光伏系统可为房屋提供照明以及交通信号灯和监控系统，并入电网供电。
光伏板组件可以制成不同形状，而组件又可连接，以产生更多电能。
天台及建筑物表面均可使用光伏板组件，甚至被用作窗户、天窗或遮蔽装置的一部分，这些光伏设施通常被称为附设于建筑物的光伏系统鈀燭罚櫝箋礱颼畢韫粝。
电池片原材料特点：
采用高效率（16.5%以上）的单晶硅太阳能
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