草坪智能喷灌系统设计毕业设计之欧阳法创编.docx

1、草坪智能喷灌系统设计毕业设计之欧阳法创编毕业设计创作：欧阳法时间：2021.03. 09（说明书）题目：草坪智能喷灌系统设汁毕业设讣姓需：李佳敏学号： 20145000119平顶山工业职业技术学院2019年5月20日平顶山工业职业技术学院毕业设il任务书姓名：李佳敏专业班级：14级机电一体化五年制2班任务下达日期2019年2月 25 日设计开始日期 2019 年3月 14 日设计完成日期 2019 年 5月 10日设计题目：草坪智能喷灌系统设计毕业设计指导教师堵会晓院（部）主任郭宗跃2019年2月25日平顶山工业职业技术学院毕业设计答辩委员会记录电力工程学院机电一体化专业，学生李佳敏于2019

2、年6月9日进行了毕 业设讣答辩。设计题目：草坪智能喷灌系统设讣毕业设计指导老师：堵会晓答辩委员会根据学生提交的毕业设讣材料，根据学生答辩情况，经答辩委员 会讨论评左，给予学生李佳敏毕业设计成绩为。答辩委员会人，出席人答辩委员会主任（签字）：答辩委员会副主任（签字）：答辩委员会委员：，平顶山工业职业技术学院毕业设il评语第页共页 学生姓名：李佳敏专业班级五年制机电一体化二班年级14级毕业设计题目：草坪智能喷灌系统设计毕业设计评阅人：指导教师：（签字） 2019年6月12日成绩：系主任：（签字） 2019年6月13日毕业设计及答辩评语：摘要水是一切生命过程中不可替代的基本要素，水资源是国民经济和社

3、会发 展重要基础资源。我国是一个水资源严重缺乏，水旱灾害频繁，水资源的分 布很不平衡的国家。在这样水资源严重短缺的情形下，目前我国大部分地区 还仍然停留在人工检测旱情，决泄灌溉与否凭个人经验，这样就会造成更严 重的水资源浪费。近年来，随着现代农业的发展，农业经营模式正在向大型 化、集约化方向发展。这样就推广全面、统一、大型、智能化灌溉系统提供 了必要条件。现在已经实现大而积种植的就是农田农业，因此我设计了和实 现了一套针对农田的智能化监测和灌溉系统。采用农业智能浇灌系统，可以 根据各种农作物对水量的要求，以及上壤的水情合理配程各个供水设置设备 运行情况。另外，通过自动化控制，可以使相关人员及时

4、了解整个系统的相 关资源信息，通过统讣分析，进行合理使用，从而达到省水节能，省工省地 的效果，以及发展节水农业的目的。关键词：智能喷灌：喷头第一章绪论31.1设计背景31.2园林草坪喷灌的特点3第二章设计方案62.1灌溉系统的基本组成62.2智能喷灌8第三章机械设计部分103.1喷头选型113.1.1固定式喷头133.1.2旋转式喷头133.2布置喷头143.2.1喷头的水利性能143.2.2喷头布置方式16第四章单片机智能喷灌系统204.1主界面控制流程204.2液晶显示程序214.2.1LCD1602 地址 224.2.2LCD1602 指令 234.2.3LCD1602 字符集 234.

5、2.4LCD1602 程序 244.3时钟芯片程序254.4按键程序254.4.1 ADC0832芯片接口程序27致谢28参考文献28第一章绪论1.1设计背景灌溉是弥补自然降水在数量上的不足与时空上的不均、保证适时适量的 满足草坪生长所需水分的重要措施。以往的草坪緑化工程，很多没有配套完 整的灌溉系统，灌水时只能采用大水漫灌或人工洒水。不但造成水的浪费， 而且往往由于不能及时灌水、过量灌水或灌水不足，难以控制灌水均匀度， 对草坪的正常生活产生不良影响。随着城镇建设的不断发展，城市人口大量 集中，工业和生活用水迅速增加，旅游、休闲、运动场、及居民小区等各种 绿地而积越来越大，城市供水的紧张状况日

6、益突出、传统的地面大水漫灌已 不能满足现代草坪灌溉的要求，采用髙效的灌溉方式势在必行。现代园林草坪灌溉的方法主要是有喷灌和微灌技术，如果我们想使整个 而积都得到相同的水量，通常用喷灌，如草坪喷灌。如果我们想让某一特左 区域湿润而使周用干燥时，可采用微喷灌或滴灌，如灌木灌溉。滴灌有时也 用于草坪地下灌溉。园林草坪喷灌技术以及节水、石能、省工和灌水质量高 等优点，越来越被人们所认识。1.2园林草坪喷灌的特点恫林草坪为改善环境、增加美感、陶冶性情等目的而栽植的，因此，要 求它们最好长年生长皆绿，每年只需剪而不必种植，另外，草坪使上壤渗吸 速度降低，要求采用少量频灌法灌溉，而且为了 约劳力和资金、提高

7、喷灌 质量的要求，园林草坪灌溉大多采用自动化控制固泄式喷灌系统。要求水质和喷洒质量较为严格，特別是对髙级观赏植物和髙尔夫球场的 草皮，要求喷灌均匀度较高，如有漏喷或喷洒过呈:。都会造成严重损失。草坪喷灌多数在夜间进行，英原因之一是草坪白天喷灌，蒸发损失大。 一般夜晚喷灌时能比白天少消耗10%以上的水量：原因之二是有些草坪白天 不允许喷洒，如髙尔夫球场进行比赛、公园娱乐区进行文娱活动等。喷灌系统不能影响草坪的维护作业。草坪需要经常性的修剪、植保、施 肥等，这些作业往往有机械完成。因此，需要选择特殊的设备。喷灌系统在满足草坪需水要求的同时，需充分注意景观环境效果。精心 设计的喷灌系统，通过正确选择

8、喷头和喷点的布置，不仅能满足草坪需水， 而且在灌水时可以形成水动景观效果。园林喷灌能够有效提髙劳动效率。传统灌溉方式费时、费工，甚至无法 完成大面积绿地的养护工作。特别是在炎热的高温季节，浇灌作业成为绿地 养护工作中的重中之重。传统方式的浇灌多采用人拿皮管浇灌为主，无法在 大而积范围内同时灌溉，而且费时。喷灌在很短的时间内，就可以完成几百 或几千平方米绿地的灌溉。以个标准足球场为例，没有喷灌系统，至少需 3人才能完成所有的养护工作，而具有自动喷灌系统的足球场，通常人就 可完成所有养护作业。配备有施肥泵的喷灌系统，还可在喷灌洒水的同时完 成施肥、打药等养护作业。另外喷灌时间由专业人士设立，可雇用

9、非熟练 的工人进行操作，在一泄程度上降低管理的人工费用。恫林喷灌是一种模拟天然降水的灌溉方式，可以使喷灌范用内的植物得 到均匀-致的降水。采用自动控制的喷灌系统，均由&业的灌溉和绿地管理人 员根据不同的种植区及植物需水来编程设定灌水制度，这就保证了不同植物 都能得到最佳的水分条件，使植物生长状态达到最佳且基本一致，特别是草 坪，颜色均匀一致的草坪更能给人以美的享受。另外水流经喷头喷射出后形 成细小的水滴，不会对上表造成冲刷，这样就能够保持丄壤结构，为植物根 系创造良好生长的上壤环境。1.3设计目的伴随着人们快节奏的生活、工作、学习，人们已没有很多时间去精心照 顾自己种的花卉植物等，因此市场上急

10、需一种可以代替人类劳动的产品。由于现在市场上很多的喷灌设备主要是是针对温室、露天农作物、森林 等大而积植物喷灌，而对于家庭小而积喷灌系统设备几乎没有，也没有达到 自动化的水平。现代生活中，随着人们生活水平的提髙，人们对花卉、树木等绿色植物 的喜爱和种植越来越多，然而以前对花木的浇灌、施肥等工作都需要靠人工 来实现，由于现代生活廿奏的加快，人们往往忙于工作而忘记宦期、及时地 为花卉补充水分及养料，或者由于放假回家而将花放在办公室没有人管理导 致花木枯死。已有的浇水器需要有人控制或者泄时的浇灌，不能根据植物正 常生长所需要的光照、水分、温度来实时调rr植物生长环境的参数，不利于 花木的成长，而且现

11、在的名贵花如果因为以上原因而死亡得不偿失，鉴于以 上情况，市场上急需提供一种能够根据光照、温度、湿度及光照的变化自动 将水分和及光补充给花木，达到迫期、及时浇灌花木自动灌溉器，所以本文 就指智能灌溉系统来设汁研究。第二章设计方案21灌溉系统的基本组成一个完整的喷灌系统一般由水源、首部枢纽、管网和喷头等组成。1.水源:一般多用城市供水系统作为喷灌水源，另外，井泉、湖泊、水 库、河流也可作为水源。在草坪的整个生长季廿，水源应有可靠的供水保证。 同时，水源水质应满足灌溉水质标准的要求。2.首部枢纽:其作用是从水源取水，并对水进行加压、水质处理、肥料注 入和系统控制。一般包括动力设备、水泵、过滤器、施

12、肥器、泄压阀、逆止 阀、水表、压力表，以及控制设备，如自动灌溉控制器、衡压变频控制装置 等。首部设备的多少，可视系统类型、水源条件及用户要求有所增减。当城 市供水系统的圧力满足不了喷灌工作压力的要求时，可建专用水泵站或加压 水泵室或专用水塔，有时可在自来水管路上加装一台管道泵即可。3.管网:英作用是将压力水输送并分配到所需灌溉的草坪种植区域。由不 同管径的管道组成，如干管、支管、毛管等，通过各种相应的管件、阀门等 设备将各级管道连接成完整的管网系统。现代灌溉系统的管网多采用施工方 便、水力学性能良好且不会锈蚀的塑料管道，如PVC管、PE管等。同时，应 根拯需要在管网中安装必要的安全装置，如进排

13、气阀、限压阀、泄水阀等。4 喷头:喷头用于将水分散成水滴，如同降雨一般比较均匀地喷洒在草坪 种植区域。下图为灌溉系统基本组成示意图：图24灌溉系统基本组成示例图典型的地灌系统应该包括：（1） 水源及控制首部。（2） 主管道-将水输送到各灌溉小区。（3） 出间首部。（4） 支管道-将主管逍的水分配给滴灌管。（5） 滴头、毛管、滴灌管及其接头。逆止阀.泄压阀、过滤 系统、施肥系统、水表、 减压持压阀、流量限制 阀.控制器、压力表.支管路系统（多孔连接管）田间首部主管路系统滴头22智能喷灌智能喷灌系统要求能够实现以下要求：自动执行喷灌任务，既能够自动控制喷头在制左的时间段内左量的喷 水。2.天气监测

14、，即随时监测降雨情况，自动在降雨开始时停止喷灌，在降 雨结束后根据降雨量大小决泄是否补喷一定的水呈:。3.只能水量控制，即如发现降雨量满足需求则不再补喷，如不能满足需 求则补喷一定水量直到满足需求。4喷灌计划预制，既可以输入名项喷灌任务，可以在不同时间进行工作。智能化灌溉系统有如下优势：1、 自动根据现场实时的气候、植物和上壤情况进行适时、适屋地灌溉。2、 通过智能控制技术的应用，更加节水节能，降低灌溉成本，提髙灌 溉质量。3、 将使灌溉更加科学，方便、提高管理水平。4、 减少灌溉中人员用量，更加合理的提髙水源的利用率推广和使用智 能化灌溉技术是实现节能型社会的需要。例如：根据站点可选择植物类

15、型，如乔木、灌木、一年生植物等，不同的植物 需水量不同。根据站点选择喷头类型，如齿轮旋转喷头、散射喷头、涌泉头等，或者 直接设左灌水器的喷灌强度，让参数更加贴合实际。根据站点选择上壤类型，如壤上、粘上、沙上，和地形的坡度，控制器 可根据土壤和地形计算运行/入渗周期，以防出现地表径流。第三章机械设计部分整体的机构形式如下所述:水由岀水口接入，经过水泵增压后，经过导水软管，最后从管的期一端 喷射出来。机械臂主要由导水软管，套简，舵札 步进电机与电机配合的传 动装宜组成。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。舵机固泄在套筒上，当套筒旋转时，舵机也随套筒旋转。导水 软管穿

16、过套筒与固左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。而套简转动则实现 了喷水方向的调整。这样，通过水平旋转及竖直摆动，实现了喷灌的精准左 位。考虑到水对电机、齿轮传动部分的腐蚀影响，电机及其套筒的传动部分 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上壤进行固左。在喷口的设讣中，由于市场上所售的喷头多利用水压将水达到某个固左 的位置，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, 可以在喷口处用钢管做导水管，将水直接引导喷头，而喷头处设讣成可以转 动

17、的形式，通过增加一个电机并通过细杆与喷头处连接实现竖直方向的转 动，水平方向的转动还是靠另一个电机带动套筒来实现。其中要注意密封问 题，喷口转动时对其密封要求较髙，且此处水压较髙，更增加密封难度，还 有，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, 增加材料势在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C于是我们直接采用了接导水软管的方法。导水软管是一种橡皮材料做 成的，一端接过水泵流过的水，一端穿过套简固立在舵机上，有较好的禅性, 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

18、解决喷头处 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，且从水管浇灌到地而的水流成柱状，对地面冲击较大。 软管长期拉伸压缩会造成水管脱胶，破碎等问题。在实际设计讣算中，需要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。通过查机械设计手册可以计算岀所需材料及其他要求。在进行设计的过程中，我査阅了上市的喷头的基本工作原理，对英有了初步 的了解。在进行结构设计的过程中，我査阅了相关的机械原理、机械设汁方面的 书籍，增长了我在机械方面的知识及解决机械设计问题的能力。3.1喷头选型喷头种类很多，每种喷头都有自己特有的使用范国，选择喷头时，应考 虑以下

19、一些因素：用户对喷头形式的要求灌区大小和地形植物类型现有水压和流虽当地环境条件（风、温度和降雨呈：）上壤类型和入渗率喷头的一致性灌区大小和地形、灌溉植物的种类影响喷头的选择，例如，草坪、灌木、 树林可能需要不同类型的喷头。在“水力学基础中我们已经知逍，水压和流量是设汁者首先要考虑的因 素。每一种喷头都有英自己的工作压力，如果不增加水泵，而直接使用自来 水管网的水压，所选择的喷头应满足现场可提供水压力和流量要求。特殊气候条件的地区需要特殊的喷头，例如，有风地区需要低角度喷头, 使水流紧贴地而以防被风吹走，炎热干旱地区需要大流量的喷头。在“收集资料中，我们已经谈到，喷灌强度不能大于上壤入渗率，低灌

20、 溉强度的喷头在坡地喷灌中常用，这样可以减少地表径流和水丄流失。2021.03.09 欧阳法创编2021.03.09在布置支管或把喷头按不同的控制阀分组时，最重要的原则是尽可能不 要在同一阀所控制的管路上把不同类型的喷头混在一起使用，即灌水强度不 同的喷头应该分开布置在不同的控制阀管路上。如果灌水强度不同的喷头放 在一起，用户或系统维护人员就可能对某一个小区过量灌溉，才能使另一小 区的灌水量合适。3.1.1固定式喷头一般用于四周有障碍物和有阻挡旋转喷头工作的浓密树丛的情形，当植 物混合种植和需要不同的灌水疑时，也需要采用固定式喷头。固左式喷头工作时喷出的水流或是一朿，或是多束，或是呈扇形（以固

21、 泄的模式）。最常见的形式是全圆型、测 圆弧型、加 圆弧型、半圆型、小 圆弧型和1A圆弧型。除弧度喷洒外，还有一些特殊形式的喷洒方式，如带 状。另外,另外,还有喷洒角可调节的喷嘴（VAN）,即用于特殊形状的小区。 其喷洒角度的调节范困一般为0到360度。固迫式喷头的工作压力较低，大约在100200 kPa之间，工作半径一般 为1.57m,所以它们一般用在灌溉小块草坪和水源水压较低的情况。扇形喷洒的喷头的喷灌强度达25-100 mm/h,不宜用在在细质上壤或坡 地上，这种情况采用8-38mm/h灌水强度的多朿固左式喷头较为合适。道路边的灌木丛可以用弹出高度为15cm和30cm地埋式固左喷头。灌

22、溉结束后，喷头降到地而以下，可减少对它恶意破坏的可能性，并增加行人 的安全。3.1.2旋转式喷头地埋式旋转喷头一般用于灌溉草坪。一般来说，每个旋转式喷头都有一 个或两个喷嘴，其喷洒角度一般从20度到240度可调，许多还可以作全圆 喷洒。与固左式喷头比较，旋转式喷头一般工作压力较髙，绝大多数喷头的工 作压力在150-700 kPa.这种喷头的射程范用比固泄式喷头大的多，小的大 约为6m,大的可大于30mo这种喷头的流量也较大，一般为90-450 L/mino尽管流量很大，但与固怎式喷头比较，旋转式喷头的灌水强度要小，因 为它的喷洒而枳较大，其喷灌强度一般为6-50 mm/h,因此旋转式喷头适合

23、于坡地灌溉、细质土壤以及其它低入渗率的土壤。在进行大面积喷灌时，选用大射程旋转式喷头是比较经济的。各种喷头的工作压力、射程、喷灌强度可从制造厂家获得。3.2布置喷头喷灌系统中喷头的布巻包括喷头的组合形式、喷头沿支管上的间距及支管间距等。喷头布置的合理与否，直接关系到整个系统的灌水质量。3.2.1喷头的水利性能在讨论喷头间距布置之前，我们先了解一下单个喷头的水量分布，将喷 头置于一个固左的点上，沿着湿润而积的半径等间距地放上盛水容器（图 3-1）,喷洒一圧时间完后，测量每个容器中水的深度，即可绘出水量分布图。图34喷头水量分布特性的测泄图32单个喷头上壤中的水分分布更小一些的间距一如40%.当喷

24、头间距过大时，草坪上会有灌溉不到的干地。这些灌溉不到的地方草坪会出现缺水的症状，枝叶暗绿或枯死。有三种主要的喷头布豊方式：正方形：这种方式中相邻四个喷头组成的四条边距离相等，用于灌溉正 方形的区域或有90度角的区域。尽管该方式有时均匀度欠佳，但四周有用 栏的地区常使用这种方式。正方形布宜方式灌水覆盖度较差，其原因是因为对角线上两个喷头间距 比边线上的要长。当边线上两个喷头间距为喷头的射程时（即50%法），对 角线上两个喷头间距则为射程的70%,使得正方形中心喷水量偏少（图3 5）o图3-5正方形布置时的水量偏少区域在风速小和没风的情况下可以使用55%的间距，有风时建议用更小的间这取决于风的大小

25、，下而给出风速和最大间距的对照表:灌溉地点的风速（km/h）使用的最大间距（直径）05 55610 501120 45三角形：该模式常用于边界不规则的地区。正三角形布垃是指三个相邻 喷头之间间距相等。与正方形布置方式相比，三角形布宜不存在象正方形布 置中的水呈:偏少地带。因此工程设计多数使用三角形布巻（图2 6）。S代表喷头间距，L代表支管间距。在一个正三角形布置时，L是S的0. 866倍。例如喷头间距为24m,支管间距则为20.8m。可以看岀，这种模式没有正方形模式中对角线间距比边线间距大的问 题。由于这个原因，在有风的情况下，允许喷头之间有更大的间距（如下表）：1120 50矩形:矩形布宜

26、方式具有抗风的优点，并且适合灌溉有直线边界和角落 的地区。其喷头和支管间距如下表：灌溉地点风速（km/h） 最大间距（直径的）L=60, S=50L=60z S=45056 1111一一20 L=60z S=40为适应特殊的工程条件，同一地域可以用上述各种不同模式的组合，例 如，为适应特殊的工程条件，同一地域可以用上述各种不同模式的组合，例 如，交错型间距布巻方式、曲线边界喷头布置方式。如果一块较大草坪既有草坪又有树和灌木丛，就需交错使用不同的模 式。遇到树或灌木丛我们可以交错使用正方形或矩形、平行四边形或三角 形模式，绕过或穿过障碍物后，其它地方仍可以使用原来的喷头间距模式（图 2-7）o

27、图3-7交错型间距布置方式对于曲线边界，可采用从正方形或矩形模式变到平行四边形或三角形模 式布置喷头（如图28）,还可以再变到原来的布置模式。这样既灌溉整个 区域，同时避免在曲线边界以内喷头过于集中和灌溉区域超出边界。图3-8曲线边界喷头布置方式第四章单片机智能喷灌系统上面是我们设计的硬件的部分，的确硬件部分很重要，但是软件部分的 系统设计也是本系统的核心，也是非常重要的一个部分。软件的编程部分也 会关系到系统的稳左性，以及效率。为了让系统更好的运行，稳泄，我们采 用了最为基础的语言C语言，它具有稳泄性，软件我们用Keil软件。4.1主界面控制流程主界而如图4.1所示，从程序控制的硬件来看，智

28、能灌溉系统被启动时, 单片机进行复位，液晶显示屏也开始显示启动，晶振电路在单片机控制下复 位并工作。LCD1602显示屏在最开始的内容就是系统默认的初始值，还有当 前上壤的湿度值，这时候的默认值为百分之四十和百分之二十，在最上面的 显示的是传感器传回来的湿度值。启动并且有显示后，可以通过四个按键开 始分别进行湿度的上限值和下限值以及复位设置，通过按键的调整，得到我 们所需要的湿度控制范囤，再点击按键中的开始，这样，灌溉系统就可以启 动了。图4.1是由程序控制的大体流程图，各模块的详细控制将在讲解各模 块时做详细介绍。图44程序流程图4.2液晶显示程序欧阳法创编对于时钟的设计，我们就是要看到显示

29、出来的信息；所以在本设计中， 显示这一部分是最重要的。在这一部分程序中，主要有：LCD显示的初始化, 读取数据，写入指令，査状态和在指左位置显示字符等程序。下而我们来介 绍关于LCD1602的地址和指令15。2021.03.094.2.1 LCD1602 地址HD44780内置了 DDRAM（显示数据存储RAM）、CGROM（字符存储ROM） 和CGRAM （用户自泄义RAM）0显示数据就储存在DDRAM中，它来寄存将 要显示的字符代码。一共80个字节，地址与屏幕的对应关系见下表44表4.1 DDRAM地址和屏幕的关系显示位置123456740DDRAM地址第一行00H01H02H03H04H

30、05H06H27H第一行40H40H41H42H43H44H45H46H67H打个比方要在LCD上而一个地方显示你我们要输入命令在哪个地方输 入这个字符就对了。至于详细的写入我们要在下而讲到。在LCD中有四十个 地址，我们用前十六个满足了就。应见下表42：表4.2 DDRAM地址与显示位置的对应关系123413141516第一行00H01H02H03HOCHODHOEHOFH第二行40H41H42H43H4CH4DH4EH4FH在这里我们要强调一个注意事项，在显示中我们在第一个位宜输入一个 数字2我们不能直接把“2输入进去，这样做是一个容易出错的，所以我们 要拿出来讲解下，如果要输入字，我们要在这个地址上面加上80H,也就是 你想要输入的地址都要加上80H这样就能正确的显示了。422 LCD1602 指令表4.3 LCD1602指令集指令名称指令编码指令功能RS |R/w|DB7DBOClear0000000001清除在DDRAM中写入20H。光标归位闪烁点归位000000001x输入闪烁点移到LCD屏幕的开始输入模式设置000001 l/Ds用来指定字符移动的方向显示开关控制0000001DCBLCD屏的显示、闪烁点显示/关闭由CB控 制，设定显示屏/光标移动方向000001 S/C R/L x x使光标移位或整个显示屏移位功能