基于单片机的自动灌溉系统摘要 自动灌溉系统的设计应用对于我国这个农业大国有着重要的意义。本论文提出一种基于单片机的自动灌溉系统的设计方案，系统由若干节点组成，以STC12C5A60S2单片机作为控制芯片。节点采用土壤湿度检测模块YL-69对土壤的湿度进行检测，通过单片机A/D转换进行数据处理并显示在液晶显示器上。系统具有安全可靠，经济实用，节能低耗，软硬件扩展性强等特点。关键词：自动灌溉，STC12C5A60S2，土壤湿度，A/D转换AbstractThe design of automatic irrigation system is of great significance for our agricultural country. This thesis presents a design scheme of automatic irrigation system based on single chip microcomputer, and the system is composed of several nodes, STC12C5A60S2 single-chip microcomputer being the control chip. Nodes use soil moisture detection module YL - 69 to test the soil humidity, through the MCU A/D transformation and data processing and then display on the LCD. This system is safe and reliable, economical and practical, energy saving and with low consumption and great extensibility of the hardware and software and so on. Keywords:automatic irrigation, STC12C5A60S2,soil humidity,A/D transformation 目录1 前言11.1选题背景及意义11.2国内外自动灌溉系统研究现况11.3内容章节概述32 自动灌溉系统设计方案42.1系统设计目标及技术指标42.1.1系统功能特点42.1.2技术指标42.2系统结构43 节点的硬件设计63.1硬件设计63.1.1中心节点63.1.2土壤湿度检测节点73.1.3液晶检测节点73.2主要功能电路83.2.1单片机最小系统83.2.2土壤湿度检测电路103.2.3 5V电源电路113.2.4单片机与计算机串行通信电路123.2.5液晶显示电路133.2.6蜂鸣器电路144 单片机软件设计184.1中心节点程序流程185 总结20附录21参考文献27致谢281711 前言1.1选题背景及意义水资源是人类赖以生存的基础性资源，是农业的命脉，是生态环境的控制性要素，同时又是战略性的经济资源。一方面我国的水资源却十分紧缺。虽然我国水资源总量居世界第六位，但人均占有量只有2500m,约为世界人均水量的1/4，在全世界属于贫水国家之一。另一方面，我国作为世界上的农业大国之一，农业用水浪费十分严重，就全国范围而言，水资源的利用率仅%为45%，而水资源利用率高的国家已达70%80%。由于农业灌溉用水的利用率低下，因此，提高节水灌溉的利用率，对于解决我国农业灌溉用水，缓解水资源的紧缺非常重要。我国的自动灌溉技术，在经过几十年的快速发展，在总结相关成果的基础上，初步形成了相应的技术体系，在某些方面已经达到或接近国家先进水平。但由于受我国经济发展水平及科研体制的限制，我国的自动灌溉技术与发达国家还有很大的差距。随着我国水资源的供需矛盾日益尖锐，农业用水分配额减少的问题势必日益突出，同时为了缓解我国水资源短缺对我国农业发展的压力，如果快速发展我国的节水灌溉技术及配套设备，从而缓解我国农业用水压力已经成为一个不容忽视的严峻问题。在灌溉系统中，合理地推广自动化控制，不仅可以提高水资源的利用率，从而缓解我国水资源日趋紧张矛盾，还可以减少大量的人力物力，从而减低农产品的生成成本，为了我国农业的发展提供技术保障十分必要。当前我国包括灌溉水和降水在内的农田利用效率也很低，单方水生产粮食的能力约为0.84kg，一些发达国家大体都在2kg以上，差距很大。为了提高灌溉水的利用率，使单方水生产粮食的能力得到提高，为保证21世纪中国的粮食安全，靠传统的灌水方式是很难达到期望的，必须从高新技术入手，在管理上下功夫，从过去那种浇地转变成浇植物的思想观念。做到作物需要多少水，灌溉系统就能及时而准确的提供多少水。要实现这一目标，只有发展先进的灌溉系统，使灌溉过程达到自动控制才有可能实现。因此，实现灌溉系统的自动控制，对节水、提高灌溉的利用率以及对我国粮食安全将起到极为重要的作用，具有重要的实现意义。1.2国内外自动灌溉系统研究现况国内自 20 世纪 70 年代以来就非常重视灌溉设备的研制，但引进较多，自主开发且有影响的成果较少。灌区灌水自动控制技术在“九五”期间才真正开始研制，进行示范。目前我国在灌溉控制系统方面还处于研制、试用阶段，能实际投入应用，且应用广泛的灌溉控制器还不多见。 节水农业就是以节约用水、提高农业用水效率为核心的农业，是现代化农业的重要内涵。其核心是在有限的水资源条件下，通过采用先进的工程技术、适宜的农业技术和用水管理等综合技术措施，充分提高农业用水利用率和水的生产效率及效益，保证农业持续稳定发展。面对 WTO 的挑战，节水农业更应该赋予其新的内涵，其内涵应扩展为节水、高产、高效、优质的农业。节水灌溉技术是发展节水农业的基础性工作，选择适当的技术有助于节水农业的发展；研究开发节水灌溉技术，有助于提高节水农业的效益。因此，我们非常有必要对现状节水灌溉技术，节水的水平以及技术的适应性，发展现状及存在问题做认真分析，为真正实现提高农业用水效率和水的生产效率打好基础。 结合我国各地区特点，认为适宜各地区推广应用的节水农业技术主要有，渠道防渗技术、低压管道输水技术、地面灌水技术、雨水利用技术、农业节水配套技术、劣质水利用技术及农业节水管理等技术。节水农业在国外的发展已有几十年的历史，在西方发达国家，节水灌溉的应用面积和产业化程度很高。目前，约有80多个国家和地区推广应用微灌技术。美国、前苏联的喷灌面积己占其总灌溉面积40以上，英国、德国、奥地利、丹麦、瑞典、日本等国的旱地灌溉面积中90以上采用喷灌。一些发达国家的喷灌系统中广泛使用多功能压力流量控制设备，如法国和日本均开发并使用集给水拴、压力控制、流量显示、水量控制等功能于一体的多功能压力流量控制给水拴。节能效果良好的恒压喷灌技术也得到了广泛的应用，如日本在大多数旱地灌溉系统的五泵站中使用调压罐控制。微灌领域，以色列和美国水平很高。他们对灌溉的新概念是：把含有肥料的水一滴滴的输入作物根系层的土壤中，使土壤中的水、肥、气、热等保持协调关系，达到作物高产的目的。尤其是以色列，在水资源极度缺乏的情况下，通过发展节水农业和节水灌溉工程技术，建立起了高度发达的外向型农业产业。世界著名的耐特费姆Netfim灌溉设备和滴灌系统公司生产的微灌系统基本由计算机自动控制运行，可根据作物的生长及水、肥状况进行灌水和施肥，节约大量人力，且管理及时，使作物产量和品质都有较大幅度的提剐161。除了大力推广微灌与喷灌技术外，发达国家发展高效农业的另一个重要途径是灌溉管理的自动化旧。如美国、法国、英国、日本、以色列等发达国家已采用了先进的灌溉系统。他们采用先进的节水灌溉制度，由传统的充分灌溉向非充分灌溉发展，对灌区用水进行监测预报，实行动态管理，采用遥感技术，监测土4壤墒情和作物生长，开发和制造了一系列用途广泛，功能强大的数字式灌溉控制器，并得到了广泛的应用。仍然以以色列为例，以色列是世界上微灌技术发展最具有代表性的国家，目前全国农业土地基本上实现了灌溉管理自动化，并且普遍推行自动控制系统，按时、按量将水、肥直接送入作物根部，水资源利用率和单方水的粮食产量都相当高。北美、澳大利亚、韩国等国家和地区都已有发展成熟并形成系列的灌溉控制器产品，微灌方式普遍采用计算机控制，埋在地下的湿度传感器可以传回有关土壤水分的信息，还有的传感器系统能通过检测植物的茎和果实的直径变化来决定对植物的灌水间隔。在温室等设施内较多使用小型灌溉管、理程序，浇水时间可按日期设定每次每路灌水起止时闻，操作便于小规模经营。计算机化操作运行精密、可靠、节省人力，对灌溉过程的控制可达到相当的精度，在以色列，已经出现了在家里利用电脑对灌溉过程进行全部控制无线、有线的农场主。 总之，目前国外灌溉控制器已逐步趋于成熟、系列化，并朝着大型分布式控制系统和小面积单机控制两个方向发展，产品一般都能与微机进行通信，并由微机对其施行控制。1.3内容章节概述本章是前言，对课题的研究背景、意义以及国内外的发展现状和前景进行论述。第2章提出以单片机为控制系统的土壤湿度监测系统的总体设计方案，详细列出系统的设计目标和技术性能，并给出系统组成框图。第3章分别对节点的硬件和软件设计进行详细的分析。首先介绍传感器节点和中心节点的硬件设计，然后对各功能模块的实现和主要元器件进行详细论述，最后细述传感器节点和中心节点的软件设计思路。第4章首先介绍单片机软件设计的开发环境，然后该系统程序设计的思路的流程图。第5章为本系统的测试结果与分析。第6章总结本设计实现的功能和系统的特点，简要分析本设计的实用价值。2 自动灌溉系统设计方案自动灌溉系统的检测和控制方式可以有多种，本章以性能可靠、实用经济的角度出发，提出以单片机为控制系统的土壤湿度监测系统的总体设计方案，该方案可以解决目前土壤湿度监测系统中布线、成本、数量、通信等方面存在的诸多问题，实现自动化灌溉。2.1系统设计目标及技术指标 2.1.1系统功能特点课题研究预期功能 现实生活中很多农作物温度、湿度和光照需要保持在一个既定的值上，超出或者低于这个预定值将对农作物的生长产生影响。该系统要求用单片机测控来实现农作物生长环境因子信息数据的实时采集、处理，而后输出控制执行机构，以实现环境湿度的测控，达到节水节能，省时省工的效果。具体功能如下: （1）实现按需灌溉功能。按照农作物的需求开启和关闭灌溉系统，实现一般的控制。具有结构简单，成本低，操作方便。 （2）通过土壤湿度传感器检测农作物生长的环境湿度，依据设定的植物要求的湿度的上下限值，由单片机来控制灌溉开关，从而调节湿度。当土壤湿度高于上限值时，自动关闭灌溉开关。2.1.2技术指标系统的技术指标主要涉及传感器测量精度和A/D转换精度等，具体参数如下：（1）传感器测量范围：湿度：2090%RH；（2）传感器测量精度：湿度：5.0%RH（2090%RH）；（3）A/D转换精度：8通道10位高速ADC，速度可达25万次/秒；（4）电源管理：节点和传感器均使用5V直流电源。2.2系统结构本系统由土壤湿度传感模块、带A/D单片机最小系统、液晶显示模块三大部分组成。如图2-1所示，单片机最小系统作为系统的中枢，YL-69土壤湿度检测模块通过探头对土壤湿度进行检测，并通过其内置的信号处理电路把土壤湿度转换成模拟信号，STC12C5A60S2单片机通过内置A/D转换模块把模拟信号进行转换和处理，并显示在LCD液晶模块上。当土壤湿度值到达下限值时，单片机启动灌溉电路。 图2-1 系统组成框图3 节点的硬件设计