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
毕业设计（论文）
基于太阳能的滴灌控制系统设计
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：
引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：
理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：
任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
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。
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。
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。
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.
SystemusingSTC89C516RD+single-chip-microcomputertorealizereal-timemonitoringofgreenhouseenvironmentparametersandcontrolmodel,andaccordingtothereal-timedatatocontrolgreenhousedripirrigationsystem,isthegreenhousesoilmoistureenvironmentparametersbetweenthesetvalue.Systemismainlycomposedofenergyconversionmodule,parametermeasurementmodule,realtimecontrolmodule,etc.
Thewholesystemisprovidedbysolarpanelstoconvertsolarenergyintoelectricityenergy,soastodrivethewholesystemdevice.Againbythetemperaturesensorandsoilhumiditysensortocollectenvironmentalparameters,andthroughtheADconversionmodulevalueontheLEDdigitaltubedisplay.Singlechipmicrocomputertodealwithreal-timedatatojudgeatthesametime,accordingtothehumidityparameterandsettingofthebiggestimpactontheenvironmentparametercontrolcommand,toachieveautomaticcontrol,motorsoastorealizetheautomaticcontrolofthewholedripirrigationsystem.Inaddition,whentheenvironmentalparametersthansettinglimitstoreal-timemonitor,themotorstopworking,andbuzzeralarm,emergencymeasuresforstaff.
Keywords:
automaticcontrol;Dripirrigationsystem;Singlechipmicrocomputer;solarenergy
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】。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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:
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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
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