滴灌系统的土壤湿度监控系统设计.docx
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滴灌系统的土壤湿度监控系统设计
滴灌系统的土壤湿度监控系统
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目录
摘要…………………………………………………………………………………………1
引言…………………………………………………………………………………………2
1滴灌系统的土壤湿度监控系统总体设计…………………………………………3
1.1问题的引出………………………………………………………………………3
1.2适用范围…………………………………………………………………………3
1.3方案的提出与比较………………………………………………………………3
2滴灌装置单元模块设计…………………………………………………………4
2.1主控电路的设计……………………………………………………………………4
2.2传感器…………………………………………………………………………7
2.3电磁阀………………………………………………………………………9
2.4显示装置……………………………………………………………………9
2.5与计算机通讯的接口………………………………………………………13
2.6按键部分………………………………………………………………………14
2.7总设计原理图………………………………………………………………………14
3仿真分析………………………………………………………………………………15
3.1湿度检测仿真分析…………………………………………………………………15
3.2滴灌过程仿真分析…………………………………………………………………15
结论…………………………………………………………………………………………17
谢辞…………………………………………………………………………………………18
参考文献………………………………………………………………………………………19
附录1．设计程序……………………………………………………………………………20
附录2．原理图……………………………………………………………………………24
附录3．实物图……………………………………………………………………………24
摘要：
滴灌系统的土壤湿度监控系统具有采集湿度信号，按土壤墒情和作物需水特性实施自动灌溉的作用，它采用时钟控制灌溉时间与时长，频繁间歇灌溉的模式能将时长分成若干时段，以便提供足够的土壤入渗时间，减少坡地或粘性土地地面径流损失。
具备与计算机通讯的接口，以便修改程序及存储灌溉信息。
它还提供手动控制灌溉功能。
关键词:
自动滴灌湿度检测灌溉
引言
随着日光温室和蔬菜大棚的规模不断扩大，灌溉技术也日趋自动化，而不合理的灌溉制度滴灌流量低，使用者常常会看不到灌水过程，如果灌溉时间太长，则有会产生深层渗漏浪费；如果灌溉时间太短，根系又将发生水分胁迫。
了解灌溉系统的灌水强度、植物需水量和土壤田间持水量，就能更好地根据植物需要进行灌溉。
同时要铭记，灌溉周期和灌溉量要根据气候和植物的不同生长阶段而调整，不能始终采用同一灌溉制度。
该课题要解决的问题是监控土壤田间持水量，即土壤的湿度。
1滴灌系统的土壤湿度监控系统总体设计
滴灌是把由水泵加压或自然落差形成的有压水通过压力管道送到滴灌地，再经喷头均匀地滴落在滴灌地，达到灌溉的目的。
滴灌不要求地面平整，适用于各种地形，滴灌比传统地面灌溉一般可节水50%左右，而且灌水质量高，还能够起到降温、增湿和调节温室小气候等作用。
滴灌在工、农业生产中作用越来越明显，是一门非常值得推广的技术。
采用自动控制技术实现节水灌溉是当今的发展方向之一。
灌溉自动控制模式可基本消除在灌溉过程中人为因素造成的不利影响，提高操作的准确性。
1.1问题的引出
由于湿度的不同植物在不同的时刻对水的需求量也不同，而一般的滴灌一打开开关就不停地滴灌，存在一定程度上的浪费，有必要对其进行改进。
自动滴灌装置是针对湿度的变化而提出的实时控制装置。
1.2适用范围
自动滴灌装置适用于在灌水次数频繁，经济价值较高的蔬菜地、果园、苗圃和大棚作物的滴灌。
1.3方案的提出与比较
针对目前存在的问题主要是水资源的浪费和植物对水的需求不同。
为了解决这个问题，有两个方案可供选择：
方案一：
采用定时控制
如图1所示，利用555组成的定时电路的功能产生控制信号实现对滴水的控制。
当启动定时电路时，电磁阀启动，喷头开始给作物滴灌，同时定时电路开始计时。
当达到开始预定的时间时，定时电路产生一个控制信号，使电磁阀停止工作；当停水时间达到预定时间时，定时电路产生控制信号，使电磁阀开始工作。
如此循环，周而复始，实现滴水的自动控制。
滴水和停止滴水都有状态显示。
利用555组成的定时电路优点是滴水过程简单，成本低，初步实现了自动化，在一定程度上节约了用水。
其缺点是功能单一，实时控制性不强；555定时电路的稳定性差，准确性太低；定时时间一经确定，就不能改变，状态显示无太多必要。
方案二：
采用实时控制
实时控制装置针对以上设计的缺点提出的一种解决方案。
决定植物对水的需求量主要是土壤的湿度，而这个参数又是在不停地变化的过程中，而且在很短的时间内可能变化很大。
为了达到实时控制的目的，可以利用湿度传感采集物生长的环境参数（土壤湿度）转变为电信号，并及时反应处理。
当土壤水分达到某个预定值时，电信号通过控制电磁阀间接地控制滴灌，从而实现了滴灌的自动控制。
使用单片机AT89C51作为控制核心器件，将处理好的湿度值显示在LCD显示器上，使用者可根据现实实测值第一时间通过按键手动修改滴灌设置。
在不需要手动修改时，系统可以实现自动滴灌。
为方便下载程序，该系统还配有与电脑的通讯接口。
总体设计框图如图2所示。
使用者还可以通过按键选择显示器当前是显示滴灌时间还是显示当时的日期和时间。
方案二的显著特点是对人的依赖性非常少，能够独立的完成一系列判断，更贴近实际。
图2总体设计框图
2滴灌装置单元模块设计
2.1主控电路的设计
主控电路我采用的是AT89C51单片机，也是我们平时学习常用的一款芯片，是一种带4K字节可编程可擦除只读存储器的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
其管脚说明：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
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）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
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。
ALE/PROG：
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编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
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。
/PSEN：
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。
/EA/VPP：
当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（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）。
XTAL1：
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2：
来自反向振荡器的输出。
振荡器特性:
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
主控电路如图3所示，而其中RXD跟TXD两个端口跟PC通讯接口相连接，P0口与LCD连接，把单片机处理过的信息通过这一连接在LCD显示出来，很好的掌握其土壤干湿情况。
首先由传感器发出一个湿度信号，送入单片机，再由单片机处理，按照设定的程序产生控制信号，然后控制电磁阀，从而控制电机做出相应的动作，来实行滴灌，并同时通过P0口显示湿度情况。
图3主控电路原理图
2.2传感器
传感器我采用的是电阻型湿度传感器DS1,它采用有机高分子材料的一种新型的湿度敏感元件，具有感湿范围宽，响应迅速，抗污染能力强，无需加热清洗及长期使用性能稳定可靠等诸多特点。
相对湿度-阻抗特性如图4所示。
图4相对湿度-阻抗特性
相对湿度—阻抗值如表1所示。
表1相对湿度—阻抗值
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
20%RH
2.44M
2.25M
2.10M
1.95M
1.80M
1.66M
1.53M
1.38M
1.23M
1.10M
30%RH
967K
860K
753K
667K
582K
515K
454K
401K
358K
318K
40%RH
283K
256K
231K
208K
184K
168K
154K
140K
129K
117K
50%RH
108K
99.8K
92.4K
85.2K
78.8K
72.3K
67.4K
62.7K
58.3K
54.0K
60%RH
50.0K
45.9K
42.6K
39.5K
36.5K
33.7K
31.1K
28.9K
26.6K
24.9K
70%RH
23.1K
21.6K
20.1K
19.0K
17.4K
16.3K
15.0K
13.8K
12.7K
11.7K
80%RH
10.7K
9.81K
8.87K
8.1K
7.61K
7.00K
6.32K
5.79K
5.31K
4.90K
90%RH
4.46K
4.01K
3.74K
3.43K
3.14K
2.83K
at25℃1kHz
原理：
该湿敏传感器通过电阻串联接入LM324比较器，经过比较放出信号给单片机完成湿度信号采集，当湿度很高时，湿敏电阻变小，从而比较器产生高电平信号给单片机，根据设定的，控制电磁阀断开，相对应，当湿度很低时，比较器会产生一个低电平信号给单片机，控制电磁阀工作，从而进行滴灌，该单元原理图如图5所示。
图5湿度检测电路
当去掉运放的反馈电阻时，或者说反馈电阻趋于无穷大时即开环状态，理论上认为运放的开环放大倍数为无穷大。
此时运放便形成一个电压比较器，其输出如不是高电平，就是低电平。
当正输入端电压高于负输入端电压时，运放输出低电平。
图5所示电路中，R1起分压的作用，当湿度传感器检测到湿度时，在R1上产生一定的分压后送入运放的同相端。
可调电阻R2可以调节比较器的门限电压，经示波器观察，输出波形相当规则，可以直接供单片机查询使用。
2.3电磁阀
电磁阀是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器。
由湿度检测电路产生的控制信号只有转变为对电磁阀的控制才能生效。
2.3.1电磁阀的结构及种类
电磁阀通常只有开关两种状态，阀芯只能处于两个极限位置，不能连续调节，到目前为止，国内外的电磁阀从原理上分为三大类（即：
直动式、分步直动式、先导式），而从阀瓣结构和材料上的不同与原理上的区别又分为六个分支小类（直动膜片结构、分步膜片结构、先导式膜片结构、直动活塞结构、分步活塞结构、先导活塞结构）
2.3.2直动式电磁阀工作原理
常闭：
当线圈通电时，线圈吸引力拉动铁芯，打开主阀口,介质通过。
常开：
当线圈断电时，铁芯靠弹簧复位,阀口关闭，介质截止。
这里采用常闭直动式电磁阀即可完成要求。
2.3.3电磁阀的优点
电磁阀的优点是响应时间可以短至几个毫秒，即使是先导式电磁阀也可以控制在几十毫秒内。
由于自成回路，比之其它自控阀反应更灵敏。
控制方法
土壤湿度很低时，单片机控制它通路，进而使电机工作，进行滴灌；土壤湿度很高时，单片机控制它断路，滴灌中止。
2.4显示装置
采用1602LCD以并口传送数据实现滴灌时间、湿度等相关数据显示，并口数据传输为8位数据，具有简单而功能较强的指令集，可实现字符移动、闪烁等显示功能。
LCD模块接口说明如表2所示。
表2LCD模块接口说明
引脚
标号
功能说明
备注
1
Vss
逻辑负电源输入引脚，0V
2
Vdd
逻辑正电源输入引脚，+5V
3
Vo
LCD驱动电源输入引脚，大小可调LCD显示对比度
一般接0V
4
RS
数据/指令寄存器选择引脚
RS=“H”;数据D0-D7与数据寄存器通信
RS=“L”;数据D0-D7与指令寄存器通信
5
R/W
读、写选择引脚
高电平：
读数据
低电平：
写数据
若不须要读操作功能，该引脚可直接接地
6
E
读写使能引脚
高电平有效，下降沿锁定数据
7~14
D0~D7
8位数据线引脚
4位总线模式下，D0~D3引脚断开
15
A
背光电源输入引脚，+5V
不带背光的模块无此引脚
16
K
背光电源输入引脚，0V
LCD在总电路中的设计如图6所示，他能够很好的与单片机相连。
图6LCD连接原理图
指令集
1．清屏
RSRW
D7D6D5D4D3D2D1D0
00
00000001
功能：
清DDRAM和AC值。
2．归位
RSRW
D7D6D5D4D3D2D1D0
00
0000001*
功能：
AC=0，光标、画面回HOME位。
3．输入方式设置
RSRW
D7D6D5D4D3D2D1D0
00
000001I/DS
功能：
设置光标、画面移动方式。
其中：
I/D=1:
数据读写操作后，AC自动增1；
I/D=0:
数据读写操作后，AC自动减1；
S=1：
数据读写操作，画面平移；
S=1：
数据读写操作，画面不动；
4．显示开关控制
RSRW
D7D6D5D4D3D2D1D0
00
00001DCB
功能：
设置显示、光标及闪烁开、关。
其中：
D表示显示开关：
D=1为开，D=0为关；
C表示光标开关：
C=1为开，C=0为关；
B表示闪烁开关：
B=1为开，B=0为关；
5．光标、画面位移
RSRW
D7D6D5D4D3D2D1D0
00
0001S/CR/L**
功能：
光标、画面移动，不影响DDRAM。
其中：
S/C=1:
画面平移一个字符位；
S/C=0:
光标平移一个字符位；
R/L=1:
右移；R/L=0：
左移。
6．功能设置
RSRW
D7D6D5D4D3D2D1D0
00
001DLNF**
功能：
工作方式设置（初始化指令）。
其中：
DL=1，8位数据接口；DL=0，4位数据接口；
N=1，两行显示；N=0，一行显示；
F=1，5X10点阵字符；F=0，5X7点阵字符。
7．CGRAM地址设置
RSRW
D7D6D5D4D3D2D1D0
00
01A5A4A3A2A1A0
功能：
设置CGRAM地址。
A5~A0=0~3FH。
8．DDRAM地址设置
RSRW
D7D6D5D4D3D2D1D0
00
1A6A5A4A3A2A1A0
功能：
设置DDRAM地址。
N=0,一行显示A6~A0=0~4FH;
N=1,两行显示，首行A6~A0=00H~2FH,次行A6~A0=40H~67H
9．读BF及AC值
RSRW
D7D6D5D4D3D2D1D0
01
BFAC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0
功能：
读忙BF值和地址计数器AC值。
其中：
BF=1:
忙；BF=0:
整备好。
此时，AC值意义为最近一次地址设置定义。
10．写数据
RSRW
D7D6D5D4D3D2D1D0
10
数据
功能：
根据最近设置的地址性质，数据写入DDRAM或CGRAM内。
11．读数据
RSRW
D7D6D5D4D3D2D1D0
11
数据
功能：
根据最近设置的地址性质，从DDRAM或CGRAM数据读出。
2.5与计算机通讯的接口
为了能把程序下载到单片机，并且能够随时修改程序，我在装置中加入了一个PC通讯接口，它的原理图如图7所示。
图7PC通讯接口电路图
2.6按键部分
设置面板输入功能，可根据灌溉植物种类不同、气节气候不同更改控制参数。
按键我用了5个，分别是增加和减少滴灌时间，手/自动滴灌方式切换键和两个备用按钮。
电路图如图8所示。
图8按键设计图
2.7总设计原理图
见附录2
3仿真分析
3.1湿度检测仿真分析
当湿度变化时，引起湿度检测电路中输入电压的改变。
下面是湿敏电阻阻值不同引起的输出电压的变化。
如图9仿真1所示，当湿敏电阻DS1取得最大值时，输出高电平；当湿敏电阻DS1取得最小值时，输出低电平。
图9仿真1
3.2滴灌过程仿真分析
图10为仿真2，在这里仿真我先用数码管代替LCD，切换键可以切换是否倒计时，在否的情况下可以调节滴灌时间，在图中黄色灯亮表示否，灭表示滴灌开始，红色灯亮表示浇水，反之就不浇。
程序见附录1。
图10仿真2
结论
滴灌装置是基于实时控制而设计的实现滴灌自动化的装置。
由湿度检测控制、LCD显示、电源、电磁阀四大部分构成。
装置利用AT89C51单片机，以实现对电磁阀控制。
本装置的最大特点是实时性强，反应迅速，可操作性好，能够及时采集现场数据，所以装置能够应对变化的环境而作出适当的动作，以维持植物生长在稳定、适宜的生长环境下。
采用了固态继电器、电磁阀等快速反应元件，大大提高了执行速率。
无水检测、有声提示、自动断电等一系列设计使装置适用性更广，操作性更强。
看事物要辩证的看。
本装置也存在一些缺点值得注意。
如当检测到水管中无水时，装置只能被动地进行声光报警和断开电源，而不是主动地打开水泵并能在蓄水池满时关闭水泵。
一般一个地方根据规模大小可装配多台自动滴灌装置，这样相互配合使用，保证整个地方都能够进行自动滴灌。
自动滴灌优于地面灌溉，比井灌省水50%，比自流灌省水60%，而且由于植物不会因为土壤或空气太潮湿而影响生长，从而间接促进植物的增产。
节水灌溉对农业生产的发展起着至关重要的作用。
随着农村经济的发展，节水灌溉技术日益受到人们的重视，并取得了良好的经济效益。
将自动控制技术与节水灌溉技术结合起来，具有非常广阔的应用前景。
参考文献
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附录1设计程序
RSEQUP2.0
RWEQUP2.1
EEQUP2.2
ORG0000H
LJMPSTART
ORG0030H
START:
MOV40H,#1
MOV41H,#0
MOV42H,#1
MOV43H,#0
CLRP3.4
CLRP3.5
LCALLCHUSHI
MAIN:
ACALLKEY
MOVA,1FH
CJNEA,#1,LOOP_1
SETBP3.4
LCALLXIAN_DAO
;LCALLENABLE
ACALLJIA
ACALLJIAN
MOV40H,42H
MOV41H,43H
SJMPMAIN
LOOP_1:
MOVA,1FH
CJNEA,#2,LOOP_2
LCALLXIAN_SH
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