智能灌溉系统的研究与设计综述.docx

1、智能灌溉系统的研究与设计综述 毕业设计(论文)题 目 智能灌溉系统的研究与设计 教学点 专 业 年 级 姓 名 指导教师 定稿日期： 2011 年 6月 1 日 摘要本系统系统通过选择合适的传感器将对土壤中含水量以及空气湿度等重要物理量进行采集，通过信号及采集部分将其转化为数字信号，交给单片机系统进行处理，通过智能控制部分，在需要时驱动相关外设，进行自动精确定位地灌溉。具体流程图如下： 工作过程流程图关键字： 智能控制 精确定位 密封 湿度传感器 差动放大 顺序通电 液晶显示 机械设计部分 整体的机构形式如下所述： 水由出水口接入，经过水泵增压后，经过导水软管，最后从管的另一端喷射出来。机械臂

2、主要由导水软管，套筒，舵机，步进电机和与电机配合的传动装置组成。套筒下端固结有加工上锥齿的圆环，电机通过锥齿轮传动，带动套筒转动。舵机固定在套筒上，当套筒旋转时，舵机也随套筒旋转。导水软管穿过套筒与固定在套筒上端的舵机相固结，当舵机臂摆动时导水软管喷头处完成竖直方向的调整，以使喷出的水能够调整远近。而套筒转动则实现了喷水方向的调整。这样，通过水平旋转及竖直摆动，实现了喷灌的精确定位。考虑到水对电机、齿轮传动部分的腐蚀影响，电机及其与套筒的传动部分通过密封箱密封，导线引出，连接到控制电路部分及电源部分，以实现对机械系统的电力输入及控制。机械臂通过套筒下端深埋入土壤进行固定。这种方案是我们经过多次

3、调整最后确定出来的。下图为我们用机械仿真软件pro/engineer制作的图形（具体见附图）导水软管电机控制套筒水平转动 我们的创新体现在我们的设计过程当中。在喷口的设计中，由于市场上所售的喷头多利用水压将水达到某个固定位置，因此不能实现喷灌位置的可调性要求。因此喷管管口需要重新设计。在喷头处，我们曾试验过多个方案。其中一个就是拟定用钢管作导水管，将水直接引到喷头，而喷头处设计成喷口可以转动的形式，通过增加一个电机并通过细杆与喷头处连实现竖直方向的转动，水平方向的转动还是靠另一个电动机带动套筒来实现（具体见附proe仿真图）。但是这种设计有两个问题我们没能解决。第一个问题就是密封的问题，喷口转

4、动时对其密封要求较高，且此处水压较高，更增加密封难度。第二个问题就是底部的电机如何使上部的喷头进行竖直方向的摆动。此处传动距离较长，增加材料势必增加水平转动电机的负载，且此电机好密封，极易漏水烧毁电机。于是我们直接采用了接导水软管的方法。导水软管是用一种软橡皮材料做成的，我们在进行试验时，一端接从水泵流过的水，一端穿过套筒固定在舵机上，有较好的弹性，使灌溉机械臂在转动时，水管不会产生较大的阻力矩，也不会发生塑性变形影响使用。这种形式的优点是结构简单，使用方便，一根管足以解决喷头出的设计问题。缺点是电机带动套筒的转角不能持续朝一个方向转动，否则水管会打结使水流不通，且从水管浇灌到地面的水流呈柱状

5、，对地面冲击较大。软管长期拉伸压缩会造成水管脱胶，碎裂等问题。在实际设计计算中，需进行软管的拉压的疲劳强度的校核，及齿轮传动的校核计算。通过查机械设计的手册可以计算出所需的材料及其他要求。在进行设计的过程中，我们查阅了上市的喷头的基本的工作原理，对其有了初步的了解。在进行结构设计得过程中，我们查阅了相关的机械原理、机械设计方面的书籍，增长了我们的机械方面的知识及解决机械设计问题的能力。 具体构件可参见所附的proe零件图及整体装配图。硬件电路部分设计A. 湿度传感器方案我们采用通DX-S2型土壤湿度传感器，通过测出被测土壤的介电常数，并根据土壤容积含水率与土壤介电常数之间的非线性关系推导出土壤

6、的容积含水率和重量含水率。本传感器对土壤水分变化有很高的灵敏度，因此温度、盐分、土壤性质变化因素的影响相对比较小，如果要求测量结果准确度高，应酌情对这些因素的影响进行修正。或采取其它措施减少这些因素的干扰。湿度传感器各项参数如下：测量参数 土壤容积/重量含水率 量 程 450%（绝对重量含水率） 精 度 误差不超过2% 响应时间 响应在1秒内进入稳定 工作环境 -30+55 工作电压 4.55.5VDC，典型值5.0VDC 工作电流 50mA 输出信号 02.5VB.运算放大器方案传感器输出的电压信号为毫伏级，需要通过运放将信号放大，对运算放大器要求很高。 基于此，我们考虑了可以采用以下几种方

7、案： 方案 一 、利用普通低温漂运算放大器构成多级放大器。 普通低温漂运算放大器构成多级放大器会引入大量噪声。由于 A/D 转换器需要很高的精度，所以几毫伏的干扰信号就会直接影响最后的测量精度。在调试中误差较大，所以，此种方案不宜采用。 方案二、由高精度低漂移运算放大器构成差动放大器。 差动放大器具有高输入阻抗，增益高的特点，可以利用普通运放 ( 如LM324) 做成一个差动放大器。 U1-U3组成仪表放大器,U4构成电压跟随器,用于调零电路. 基于以上分析，我们采用此种放大方式，（四集成度,芯片型号LM324）C.电机方案 由于对浇灌机械臂的转速要求不高，且要实现精确定位，而且步进电机是将电

8、脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。由此，电机采用四相六线混合式步进电机，以实现对喷灌机械臂的转动控制。 在最初的电机驱动方案中，采用L298芯片+二极管吸收电路，用设计好的开关电源给L298以及步进电机供电。电路经keil+proteus仿真后可以实现对电机的控制，仿真阶段未出现任何问题。电路图如下： 但此电路在实际调试中

9、，由于从l298的2、3、13、14脚输出信号变化较快，二极管导通出现问题；电机正转调试c语言子程序如下：#includevoid delay1s(void) unsigned char j,k; for(j=50;j0;j-) for(k=100;k0;k-); main() unsigned char a8=0x24,0x35,0x11,0x39,0x28,0x3a,0x12,0x36 ; unsigned char b; unsigned char i=0;while(i=50) for(b=0;b0;j-) for(k=100;k0;k-); main() unsigned char

10、a8=0x24,0x35,0x11,0x39,0x28,0x3a,0x12,0x36 ; unsigned char b; unsigned char i=0;while(i=50) for(b=0;b8;b+) P1=ab; delay1s(); i+; void power(float t/*速度值,保留一位小数*/,unsigned char m) unsigned char gaodu=0; uchar b,c,d,e,f,g; f=m; while(f) for(c=0;c0;b-) g=b-1; P3OUT=ag; power_delay(t); f-; gaodu=m-f; d=

11、gaodu/10; e=gaodu%10; now_hight9=d+0x30; now_hight10=e+0x30; write_char(now_hight,0,1); void anti_power(float t/*速度值,保留一位小数*/,unsigned char m) unsigned char gaodu=0; uchar b,c,d,e,f; f=0; while(m) for(c=0;c5;c+) for(b=0;b8;b+) P3OUT=ab; power_delay(t); f+; m-; gaodu=70-f; d=gaodu/10; e=gaodu%10; now

12、_hight9=d+0x30; now_hight10=e+0x30; write_char(now_hight,0,1); void anti_power_d(float t/*速度值,保留一位小数*/,unsigned char m) unsigned char gaodu=0; uchar b,c,d,e,f; f=0; while(m) for(c=0;c5;c+) for(b=0;b0;i-); while (IFG1&OFIFG)!=0); P1DIR=0XFF; P1SEL=0XFF; TACTL=0x2d2; CCTL1=OUTMOD_7; CCR0=20000; while(

13、1) CCR1=2000; delay(); CCR1=1000; delay();4、键盘驱动：/初始化P1中断void KEY_1_init(void) P1DIR=0; P1SEL=0; P1DIR|=BIT3; P1DIR|=BIT5; P1DIR|=BIT6; P1DIR|=BIT7; P1OUT=0X00; P1IE=0; P1IES=0; P1IFG=0; P1IE|=BIT0; P1IES|=BIT0; P1IE|=BIT1; P1IES|=BIT1; P1IE|=BIT2; P1IES|=BIT2; P1IE|=BIT4; P1IES|=BIT4;/初始化P2中断+P3voi

14、d KEY_2_init(void) P2DIR=0; P2SEL=0; P2IE=0; /禁止P2口中断 P2IES=0XFF; /现在是下降沿触发 P2IFG=0; /标志寄存器清零，无中断请求。 P2IE|=BIT0; P2IES&=BIT0; P2IE|=BIT1; P2IES&=BIT1; P2IE|=BIT2; P2IES&=BIT2; P2IE|=BIT3; P2IES&=BIT3; P2IE|=BIT4; P2IES|=BIT4; P2DIR|=BIT5; P2DIR|=BIT6; P2DIR|=BIT7; P2_7_H;/高阻 P3SEL=0; P3DIR=0XFF; P6S

15、EL=0; P6DIR|=BIT3; /_EINT();int keyprocess(void) int np10,np11,np12,np13; int nres=0; /P1.5输出低电平 P1OUT=0xd0; np10=P1IN&BIT0; if(np10=0) nres=7; np11=(P1IN&BIT1)1; if(np11=0) nres=1; np12=(P1IN&BIT2)2; if(np12=0) nres=4; np13=(P1IN&BIT4)4; if(np13=0) nres=11;/取消键 /P1.6输出低电平 P1OUT=0xb0; np10=P1IN&BIT0

16、; if(np10=0) nres=8; np11=(P1IN&BIT1)1; if(np11=0) nres=2; np12=(P1IN&BIT2)2; if(np12=0) nres=5; np13=(P1IN&BIT4)4; if(np13=0) nres=0; /P1.7输出低电平 P1OUT=0x70; np10=P1IN&BIT0; if(np10=0) nres=9; np11=(P1IN&BIT1)1; if(np11=0) nres=3; np12=(P1IN&BIT2)2; if(np12=0) nres=6; np13=(P1IN&BIT4)4; if(np13=0) nres=12;/确定键 P1OUT=0x00; /恢复以前值 for(;) /读各个管脚的状态 np10=P1IN&BIT0; np11=(P1IN&BIT1)1; np12=(P1IN&BIT2)2; np13=(P1IN&BIT4)4; if(np10=1&np11=1&np12=1&np13=1) /等待松开按键 break;