2907 基于單片機的節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)的設計

2907 基于單片機的節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)的設計,基于,單片機,節(jié)水,灌溉,自動控制系統(tǒng),設計 畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告設 計 題 目 : 基于單片機的節(jié)水灌溉自動控制系統(tǒng)設計院 系 名 稱: 機電工程學院 專 業(yè) 班 級: 機械 08—3 學 生 姓 名: 岳躍宏 導 師 姓 名: 孫玉芳 開 題 時 間: 2012 年 3 月 1 日 指導委員會審查意見：簽字： 年 月 日1﹑課題研究的目的和意義1.1 設計目的農業(yè)足人類社會最古老的行業(yè)，是各行各業(yè)的基礎，也是人類賴以生存的最重要的行業(yè)。農業(yè)的發(fā)展從長遠來看非常重要，一是水的問題，二是科技的問題。農業(yè)的根本出路在科技，在教育。由傳統(tǒng)農業(yè)向現(xiàn)代化農業(yè)轉變，由粗放經營向集約經營轉變，必須要求農業(yè)科技有一個大的發(fā)展，進行一次新的農業(yè)技術革命。農業(yè)與工業(yè)、交通等行業(yè)相比仍然比較落后，農業(yè)灌溉技術尤其落后。灌溉系統(tǒng)自動化水平較低是制約我國高效農業(yè)發(fā)展的主要原因。傳統(tǒng)的灌溉模式自動化程度極低，基本上屬粗放的人工操作，即便對于給定的量，在操作中也無法進行有效的控制，為了提高灌溉效率，縮短勞動時問和節(jié)約水資源，必須發(fā)展節(jié)水灌溉控制技術。1.2 設計意義現(xiàn)代智能型控制器足進行灌溉系統(tǒng)田間管理的有效手段和工具，它可提高操作準確性，有利于灌溉過程的科學管理，降低對操作者本身素質的要求。除了能大大減少勞動量，更重要的是它能準確、定時、定量、高效地給作物自動補充分，以提高產量、質量，節(jié)水、節(jié)能?，F(xiàn)代灌溉控制器的研究使用在我國農、林、及園藝為數(shù)不多，與發(fā)達國家相比，有較大的差距，還基本停留在人工操作上。即使有些地方搞了一些灌溉工程的自動化控制系統(tǒng)，也是根據經驗法來確定每天灌溉次數(shù)和每次灌溉最。如果灌溉量與作物實際需水量相比太少，便不能有效的促進作物健康成長；而灌溉量太多，肥水流失，又會造成資源浪費。同時傳統(tǒng)的灌溉法還需要相關專家的實時觀察并經驗指導生產，勞動生產率低，這也不能與現(xiàn)代化農業(yè)向優(yōu)化、高效化方向發(fā)展要求同步。我國先后引進了以色列、美國、法國、德國等國家的部分先進灌溉控制設備，但價格昂貴，維護保養(yǎng)困難，多數(shù)用于農業(yè)示范區(qū)、科研單位或高校，而且不符合我國土壤的應用特點。我國自己的現(xiàn)代灌溉控制器的研制和使用尚處于起步階段，因此，作為一個農業(yè)大國，中國研究開發(fā)自己的先進的低成本、使用維護方便、系統(tǒng)功能強且擴展容易的國產化數(shù)字式節(jié)水灌溉器是一項極有意義的工作。隨著計算機技術和傳感器技術的迅猛發(fā)展，計算機和傳感器的價格日益降低，可靠性日益提高，用信息技術改造農業(yè)不僅是可能的而且是必要的。用高新技術改造農業(yè)產業(yè)，實施節(jié)水灌溉己成為我國農業(yè)乃至國民經濟持續(xù)發(fā)展帶戰(zhàn)略性的根本大事。本文旨在設計一套能對作物生長進行自動監(jiān)控的系統(tǒng)，它能對作物進行適時、適量的灌水，起到高效灌溉、節(jié)水、節(jié)能的作用。2、文獻綜述2.1 國內節(jié)水農業(yè)研究狀況和發(fā)展趨勢國內自20世紀50年代即開始節(jié)水灌溉的研究，并對當時主要農作物的需水量和需水規(guī)律、灌溉制度進行了許多試驗研究，繪制了全國主要農作物的需水量等值線圖，建立了全國灌溉試驗資料數(shù)據庫。20世紀70年代主要集中在節(jié)水灌溉制度方面的研究。節(jié)水灌溉制度包括灌水時期、灌水定額和輪灌周期等內容。根據水與作物生長、發(fā)育及產量間的關系，通過有限水量在作物生育期內的最優(yōu)分配，以提高有限灌溉水屠下作物根系吸收轉化和光合作用向經濟產量轉化的效率為目標，進而達到高產和高水分生產率。但此時期的研究是基于傳統(tǒng)的充分灌溉基礎上的。2.2 國外節(jié)水農業(yè)研究狀況和發(fā)展趨勢節(jié)水農業(yè)在國外的發(fā)展已有幾十年的歷史，在西方發(fā)達國家，節(jié)水灌溉的應用面積和產業(yè)化程度很高。目前，約有80多個國家和地區(qū)推廣應用微灌技術。美國、前．蘇聯(lián)的噴灌面積己占其總灌溉面積40％以上，英國、德國、奧地利、丹麥、瑞典、日本等國的旱地灌溉面積中90％以上采用噴灌。一些發(fā)達國家的噴灌系統(tǒng)中廣泛使用多功能壓力流量控制設備，如法國和日本均開發(fā)并使用集給水拴、壓力控制、流量顯示、水量控制等功能于一體的多功能壓力流量控制給水拴。節(jié)能效果良好的恒壓噴灌技術也得到了廣泛的應用，如日本在大多數(shù)旱地灌溉系統(tǒng)的五泵站中使用調壓罐控制。微灌領域，以色列和美國水平很高。他們對灌溉的新概念是：把含有肥料的水一滴滴的輸入作物根系層的土壤中，使土壤中的水、肥、氣、熱等保持協(xié)調關系，達到作物高產的目的。尤其是以色列，在水資源極度缺乏的情況下，通過發(fā)展節(jié)水農業(yè)和節(jié)水灌溉工程技術，建立起了高度發(fā)達的外向型農業(yè)產業(yè)。世界著名的耐特費姆(Netfim)灌溉設備和滴灌系統(tǒng)公司生產的微灌系統(tǒng)基本由計算機自動控制運行，可根據作物的生長及水、肥狀況進行灌水和施肥，節(jié)約大量人力，且管理及時，使作物產量和品質都有較大幅度的提剮161。除了大力推廣微灌與噴灌技術外，發(fā)達國家發(fā)展高效農業(yè)的另一個重要途徑是灌溉管理的自動化舊。如美國、法國、英國、日本、以色列等發(fā)達國家已采用了先進的灌溉系統(tǒng)。他們采用先進的節(jié)水灌溉制度，由傳統(tǒng)的充分灌溉向非充分灌溉發(fā)展，對灌區(qū)用水進行監(jiān)測預報，實行動態(tài)管理，采用遙感技術，監(jiān)測土4壤墑情和作物生長，開發(fā)和制造了一系列用途廣泛，功能強大的數(shù)字式灌溉控制器，并得到了廣泛的應用。仍然以以色列為例，以色列是世界上微灌技術發(fā)展最具有代表性的國家，目前全國農業(yè)土地基本上實現(xiàn)了灌溉管理自動化，并且普遍推行自動控制系統(tǒng)，按時、按量將水、肥直接送入作物根部，水資源利用率和單方水的糧食產量都相當高。北美、澳大利亞、韓國等國家和地區(qū)都已有發(fā)展成熟并形成系列的灌溉控制器產品，微灌方式普遍采用計算機控制，埋在地下的濕度傳感器可以傳回有關土壤水分的信息，還有的傳感器系統(tǒng)能通過檢測植物的莖和果實的直徑變化來決定對植物的灌水間隔。在溫室等設施內較多使用小型灌溉管、理程序，澆水時間可按日期設定每次每路灌水起止時聞，操作便于小規(guī)模經營。計算機化操作運行精密、可靠、節(jié)省人力，對灌溉過程的控制可達到相當?shù)木?，在以色列，已經出現(xiàn)了在家里利用電腦對灌溉過程進行全部控制(無線、有線)的農場主?？傊壳皣夤喔瓤刂破饕阎鸩节呌诔墒?、系列化，并朝著大型分布式控制系統(tǒng)和小面積單機控制兩個方向發(fā)展，產品一般都能與微機進行通信，并由微機對其施行控制。3、基本內容、擬解決的主要問題3.1 設計內容1)根據噴灌技術的特點，進行節(jié)水灌溉控制系統(tǒng)的整體研究與設計。2）基本方案的選擇：選擇 AT89C51 微控器作為此次課題的最小控制系統(tǒng)，通過具體技術要求判斷是否需要對硬件（程序存儲器、數(shù)據存儲器等硬件的擴展及人機接口）的擴展。對于軟件方面的選擇，應配合硬件進行設計，并用proteus 軟件進行繪圖。3）單片機系統(tǒng)的硬件設計：單片機硬件設計原則：一個單片機應用系統(tǒng)的硬件電路設計包含兩部分內容：一是系統(tǒng)擴展，即單片機內部的功能單元，如ROM、RAM、I/O、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等不能滿足應用系統(tǒng)的要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當?shù)男酒?，設計相應的電路。二是系統(tǒng)的配置，即按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設備，如鍵盤、顯示器、打印機、A/D、D/A 轉換器等，要設計合適的接口電路。 4）單片機系統(tǒng)的軟件設計：整個程序包括主程序和子程序兩部分。子程序包括 BCD 碼變換子程序、延時子程序、啟動子程序、參數(shù)掃描子程序、外部中斷子程序等。程序編制采用了模塊化結構，對各個程序段的出入口、占用內部寄存器或 RAM 均做了明確規(guī)定，可分別調試，具有較強的靈活通性。本程序除了能夠實現(xiàn)各階段的功能外，最大的特點是：輸入時，4 組數(shù)據在 00～99 之間任意可調, 并根據硬件設計需要編寫相應程序及制圖。 3.2 擬解決的主要問題：1）設計節(jié)水控制系統(tǒng)裝置：主要設計由單片機為系統(tǒng)控制的自動澆灌和自動停止?jié)补唷?）具有故障報警功能：單片機故障報警系統(tǒng)隨時對需檢測點兒進行自動檢測，一旦出現(xiàn)故障能立即響聲報警，并通過聲響大小可以判斷出大故障和小故障。待故障排除后，聲響報警自動撤除。 4、技術路線或研究方法（1）對于硬件部分：根據課題技術要求擬選擇 Intel 公司的 AT89C51 微控器作為控制與數(shù)據處理的核心以構成自動節(jié)水的控制系統(tǒng)。根據技術要求判斷是否需要外部采用可編程程序存儲器以及數(shù)據存儲器對微控器進行擴展，并實現(xiàn)人機交互功能。（2）對于軟件部分：設計硬件時應同時考慮軟件的設計方法，爭取采用最簡單的設計方法使兩者相輔相成。設計后期用匯編語言編寫程序并用相關繪圖軟件繪制系統(tǒng)外部接線圖、軟件流程圖、系統(tǒng)框圖。5、進度安排2012.2.27——2012.3.2 ： 接受任務，收集相關資料，撰寫開題報告；2012.3.5——2012.3.16 ： 擬定總體設計方案，繪制系統(tǒng)的方框圖；2012.3.19——2012.3.30： 器件選型；2012.4.2——2012.5.4 ： 系統(tǒng)硬件設計；解決問題，修改完善；2012.5.7——2012.6.1： 系統(tǒng)軟件設計；2012.6.1——2012.6.10 ： 撰寫設計說明書并用計算機繪圖；2012.6.11——20121.6.15 ： 完成論文及圖紙，準備答辯。6、參考文獻[1]吳景社，李久生，李英能等．紀節(jié)水農業(yè)中的高新技術重點研究領域[J]。農業(yè)工程學報，2008.[2] 趙德安等.單片機原理與應用[M].北京：機械工業(yè)出版社,2004. 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