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基于单片机的温室自动灌溉系统设计与实现.doc

基于单片机的温室自动灌溉系统设计与实现

邹邹的人生
2017-10-15 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《基于单片机的温室自动灌溉系统设计与实现doc》,可适用于高等教育领域

基于单片机的温室自动灌溉系统设计与实现基于单片机的温室自动灌溉系统设计摘要我国设施农业节水灌溉已成为农业工程领域中重点关注的问题之一由于国内外的自动灌溉系统造价高、使用复杂而难以推广开发满足当前设施农业生产需求的灌溉控制系统具有重要意义。本文设计了一种基于单片机的温室自动灌溉系统实现了作物根系处土壤湿度的监测与自动控制。该系统以CC单片机为核心采用模块化设计思路主要包含微处理器模块、数据采集模块、控制模块、电源供应模块及人机交互模块。系统将周期采集的土壤湿度数据传送到微处理器模块由决策算法对数据进行分析后做出是否灌溉的指令在灌溉过程中由数据采集模块持续监测土壤湿度并根据监测结果反馈控制灌溉设备的启停以此实现土壤湿度维持在预设范围。系统采用人机交互模块实现灌溉阈值的可配置满足不同设施作物种植的参数定制需求同时提供实时土壤湿度查看和灌溉设备状态管理功能。初步试验表明系统把土壤湿度提高,所需的时间在,min之内控制误差在,以内且运行稳定操作简单准确性和快速性指标能满足设施农业灌溉要求。系统成本低、可维护性强从而具有良好的推广应用前景。关键词:温室自动灌溉土壤湿度监测单片机目录绪论研究背景研究现状研究目的论文结构系统结构设计及器件选型系统结构设计器件选型微处理器选型土壤湿度传感器选型LCD液晶显示模块选型本章小结硬件电路设计与实现应用软件介绍微处理器模块设计CC概述CC外围电路设计微处理器复位及调试接口电路设计数据采集模块设计电源供应模块设计控制模块硬件设计人机交互模块设计显示模块原理图设计按键电路设计PCB电路板制作绘制PCB板系统实物制作本章小结系统软件设计应用软件介绍系统需求分析系统程序设计系统主程序设计传感器采集程序设计显示程序设计灌溉模型设计系统应用方案设计控制方式的选择工作方式的选择本章小结系统应用验证I验证内容本章小结总结与展望总结展望参考文献致谢II绪论绪论研究背景自古以来我国就是一个以农业为主的国家即便到了现代社会农业仍是我国国民经济的基础。但我国农业生产效率低下长期以来一直以经验种植为主农业生产效率仅为发达国家的。为解决三农问题国家正大力发展现代农业温室是其中一个重要的组成部分可增加作物年均成熟次数增大作物产量提高农业生产效率因此大力发展温室产业对我国这样一个人口多耕地少的国家而言具有极大的战略意义。目前我国的温室面积已突破万hm总面积达世界第一但我国温室管理水平落后大多控制系统采用定时控制或者手动控制方式。在灌溉管理方面通常存在浇水不及时、不均、灌水不足或过量灌水等现象。自动灌溉系统通常对作物根系的土壤湿度进行实时监测获得作物根系的需水量以此作为自动灌溉的依据。温室自动灌溉可实现土壤湿度和营养成分的有效管理是保证设施作物优质高产的重要措施。随着精准感知技术、定量控制技术的迅速发展,自动控制技术在节水灌溉中有了新的发展通过灌溉控制器适时、适量地灌水在节省水、人工和提高作物产量方面取得了一定的成效可显著提高灌溉精准度提高水的利用率。本文设计一种操作简单、精确灌溉的低成本自动化控制灌溉系统使之既能保证植物的良好的生长状态又能做到尽量节水对温室农业的发展具有重要意义。研究现状在国外早在世纪年代利用电子设备、计算机设备和程序控制的灌排系统就得到很大发展并在法国、美国、日本等发达国家得到日益广泛的应用。年美国利用虚拟仪器技术开发了一套AgriMate自动灌溉系统系统中的现场处理器由LabVIEW的个人计算机控制。现场处理器配置了模拟输入、锁存和继电器板用户可以监控水箱水位、阀门位置、泵的状态和土壤湿度等而修改设定点即可改变灌溉计划。水的用法、水箱水位和降水情况等都是存储在灌溉数据库文件里的数据用户能够读出这些数据以与当前数据进行比较以图形方式显示给定月份的土壤湿润度和外加的水其发展程度已经非常高。相关研究依靠气象数据通过对比过去灌区的蒸发量及灌水量结合各分灌区的植物种类分布、地形、土壤成分等数据进行自动分析并自动制定出当前各项灌溉指标的灌溉系统存在灌溉依据的间接性很可能偏离灌溉目标。近年来相关研究已经深入到将气象因素、蒸腾量和土壤含水率相结合的综合灌溉控制系统。但国外的设备普遍价格昂贵、专业性较强不适合普通用户使用。国内在这方面的研究起步较晚但也取得一定成就比如北京农业工程大学研制了以INTEL公司的系统单片机为核心的自动化灌溉系统该系统为多通道土壤水分检测、多路控制灌溉的控制系统。张建丰等研发的多功能网络式自动灌溉方法及其总结与展望装置实现了定时、定量根据土壤湿度预先制定灌溉计划的灌水功能。但总体上国内灌溉自动化程度不高相关设备落后与国外的先进水平还有很大的差距。国内外专家在这方面已做出了不可否认的成就但这些自动灌溉系统由于造价高、专业性强而难以推广。本文设计的系统通过实时监测作物根域的土壤湿度信号从而对作物进行适时适量按需灌溉不但可以做到精准灌溉达到节水的目的而且操作简单开发成本低适于推广。研究目的温室在作物生长过程中根系会从土壤孔隙中吸取水分通过对作物根域附近的土壤湿度的实时监测直接反映作物根系的需水量。我国现阶段大多灌溉控制系统采用定时控制或者手动控制方式浇水不及时、不均、灌水不足或过量灌水现象时有发生更为先进的依靠气象数据和对比过去灌区的蒸发量及灌水量制定出当前各项灌溉指标的灌溉系统存在灌溉依据的间接性很可能偏离灌溉目标。本课题将研究解决以上问题设计了一种基于单片机的信息采集与自动灌溉控制一体化系统它具有设备成本低、可维护性强、可靠性高等独特的优势并能给用户提供预警支持从而减少农民劳作强度增加产量。论文结构本论文章节结构按如下安排:第一章介绍温室自动灌溉系统的研究背景、国内外研究现状、研究目的和论文结构。第二章给出系统设计原理框图选择器件类型以及对设计中用到的元器件的介绍。第三章硬件电路的设计包括微处理器模块、数据采集模块、控制模块、电源供应模块以及人机交互模块电路设计。第四章主要是软件设计与实现介绍单片机开发软件IAR重点是各个模块软件设计。第五章主要是系统的应用与验证。第六章主要是总结与展望。系统结构设计及器件选型系统结构设计及器件选型本系统以单片机(CC)为核心采用模块化设计方法主要由微处理器模块、数据采集模块、控制模块、电源供应模块、人机交互模块及相关软件组成。单片机是整个系统的核心它控制本系统的各种功能因此选择性能可靠的单片机就显得尤为重要考虑到满足功能要求、稳定性、性价比、开发等因素选用TI生产的CC。土壤湿度传感器是本系统的测量元件传感器性能的好坏直接影响到本系统性能的好坏。本设计采用的FDS其技术参数为:工作电压,V工作电流mA测量精度探针长度cm输出模拟信号。在本系统中采用LCD作为显示单元LCD液晶显示器具有功耗低、寿命长、无辐射、不易引起视疲劳等优点正在广泛应用于仪表、家用电器、计算机、医疗仪器及交通和通信领域。本系统采用OCM液晶显示模块它是×点阵型液晶模块可显示各种字符及图形可与CPU直接接口。系统结构设计所谓的模块化设计简单的说就是将产品的某些要素组合起来构成一个具有特定功能的子系统将这个子系统作为通用性的模块与其他产品要素进行多种组合构成新的系统产生多种不同功能或相同功能、不同性能的系列产品。模块化是在传统设计基础上发展起来一种新的设计思想现已成为一种新的设计思想被广泛采用尤其是信息时代电子产品不断推陈出新模块化设计的产品正在不断涌现。模块化设计已被广泛用于机床、电子产品、航空、航天等设计领域。模块化设计是绿色设计方法之一它已经从理念转变为比较成熟的设计方法。本文设计的温室自动灌溉系统是实现温室作物根系处土壤湿度的自动控制采用模块化设计方法系统主要由微处理器模块、数据采集模块、控制模块、电源供应模块以及人机交互模块组成。整个系统以单片机(CC)为控制核心系统运行时首先将数据采集模块采集到的土壤湿度数据传送到微处理器模块上并将采集到的土壤湿度数据显示在液晶屏上,由存储在单片机的决策算法对数据进行分析后做出是否灌溉的指令与此同时数据采集模块对土壤湿度进行实时监测将土壤湿度参数信息送入微处理器模块发出是否继续灌水的指令直到土壤湿度维持在我们预先设定的灌溉阈值停止灌水。另外系统针对不同农作物及其不同发育期可预先通过人机交互模块输入相关参数使得土壤湿度达到我们预期的标准达到节水和精确灌溉的目的灵活适用于多种场合。系统示意图如所示:总结与展望CCGHzCCFLASH计算机UART人通按键通机用光耦用数交TLP数字字互IOLCD控IOMPU模制块模驱动模块AD块FDS水流数据采集模块灌溉设备电源供应模块开关(电池市电太阳能可选)图温室自动灌溉系统示意图器件选型在系统的硬件设计上最重要的是低功耗的设计。低功耗的设计可以分为硬件和软件两个方面在硬件方面体现在芯片的选择上。微处理器选型微处理器是整个系统的核心直接关系到系统的整体性能、价位、开发难度等。在选择微处理器芯片时需考虑以下因素:A、芯片集成度高低有些芯片内部集成有FLASH、AD等外围设备外围设备越多硬件电路越简单系统功耗也会越小因此应尽量选择集成度高的芯片。B、开发商开发套件完备程度不同的开发商提供的开发系统不尽相同开发套件完备程度关系到系统开发的难度选择芯片时应考虑开发商提供的资料是否满足开发需求。C、价格高低下面首先对当前几种主流的微处理器芯片加以介绍。()TI公司的CCA、高性能位微控制器核是常规CPU处理速度的倍。B、KB可编程FLASH和KB的RAM。C、接收模式功耗低于mA发射模式低于mA。D、休眠模式仅μA的功耗在待机模式时少于μA的功耗。E、集成可编程的位路输入模数转换ADC。()SN:系统结构设计及器件选型A、位XAPb微处理器。B、KB的FLASH及KB的RAM。C、两种休眠模式:处理器空闲Processoridle深度休眠Deepsleep功耗uA。D、集成有位ADC。()JN:A、MHz位的RISC处理器。B、KRAM,KROM。对比以上各芯片的性能参数TI公司的CC具有最低的系统功耗较高的主频速度较多的外围设备。低功耗对以电池供电的温室设备而言极为重要超低工作功耗并具有休眠功能的CC在此方面有着最为出色的表现路位的内部可编程ADC应用方便可以省去外接ADC芯片集成的KB可编程闪存和KB的RAM系统设计时不需考虑外接ADC和扩展存储器。土壤湿度传感器选型当前土壤水分传感器基本为模拟型号数字型的非常少见下面罗列了几种型号:A、FDS土壤水分传感器:测量范围:,测量精度:供电:V,V输出信号:,VDC工作电流:mA。B、SWR土壤水分传感器:测量范围:,测量精度:,(mm)范围内为供电:V,V输出信号:,VDC工作电流:mA。C、TRA型土壤水分传感器:测量范围:,测量精度:,(mm)范围内为供电:V,V输出信号:,mA标准电流环工作电流:mA。比较以上几种传感器FDS传感器功耗最低测量精度虽然稍为逊色但价格最为便宜并且应用也最多主要考虑功耗和价格因素因此本系统采用FDS型传感器用于测量土壤水分含量。LCD液晶显示模块选型LCD液晶屏采用OCM该LCD具有*的英文字母显示能力和*的汉字显示能力。由于CC的IO口有限为了节省有限的系统资源故采用HC串并转换芯片显示数据经CC串行输入HC后再由其并行输入给LCD。OCM字符点阵液晶显示模块描述:,主要工艺:COG,显示内容:X点阵,显示模式:STNPOSITIVE,驱动条件:Duty,Bias,背光:LED白色,工作温度:总结与展望,储存温度:本章小结本章主要是对温室自动灌溉系统的总体设计以及设备各模块元器件的选用和相关介绍。硬件电路设计与实现硬件电路设计与实现应用软件介绍本文使用ProtelDXP作为绘制底层硬件电路板的工具。ProtelDXP是Altium公司在于年推出的电路设计软件是一个位的电子设计系统。它是一套构建在板设计与实现特性基础上的EDA设计软件其主要功能包括电路原理图设计、印刷电路板设计、改进型拓扑自动布线、模拟数字混合信号仿真、布局前后信号完整性分析、PLD可编程逻辑系统以及完整的计算机辅助输出和编辑性能等。本文从电路原理图设计开始最终得到所需的印刷电路板图。下文对系统的各个功能模块进行了讲述绘制原理图是绘制PCB板的前提只有正确的绘制原理图并形成正确的网络表才能绘制PCB板。系统原理图如图所示最终绘制成的PCB电路板如图、图和图所示根据该电路板及相关设备选型制作出的实物图如图所示。图系统原理图总结与展望微处理器模块设计CC概述CC是TI公司设计的一款真正的片上系统解决方案专为Zigbee应用量身制作其内部集成有一个高性能的CC射频收发器和工业级标准的高性能MCU另外还有一些其它的强大的功能特性配合业界领先的Zigbee协议栈CC提供了市场上最具竞争力的Zigbee解决方案。其关键性能如下:A、高性能低功耗的微控制器内核。B、符合标准的CC射频收发器。C、优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。D、KB片内可编程FLASHKB静态RAM其中KB可在掉电状况下保持数据。E、低功耗。接收模式为mA,发送模式为mA休眠模式时仅μA的流耗外部的中断或RTC能唤醒系统在待机模式时少于μA的流耗外部的中断能唤醒系统。F、较宽的电压范围(VV)。G、个通用IO口两个具有mA的吸收电流能力。H、路位可编程ADC。I、个强大的支持几组协议的USART。J、一个IEEEMAC定时器一个通用位定时器和个位定时器一个看门狗定时器。CC外围电路设计基于TI公司推出的CC实现嵌入式ZigBee应用的微处理器模块硬件电路如图所示。微处理器模块主要包括微处理器电路和调试电路。数据发送通过单极天线(ANT)来实现非平衡变压器及配套元件(L、L、L、C)优化了天线性能使节点间的最远传输距离可达米。晶振XTAL满足了组网需要晶振XTAL用于终端节点休眠。仿真器通过JTAG接口连接CC内部JTAG调试模块。端口P为调试时钟接口P为调试数据接口。通过该两端口可对片上闪存编程访问存储器和寄存器并可以设置断点、单步操作和修改寄存器。P口作为数据输出端与LCD液晶显示模块相连为节省微处理器的IO口将CC的P、P、P与移位寄存器HC相连寄存器的输出口与LCD数据口(DBDB)连接作为数据输入再通过软件模拟OCM的时序实现实时数据的查询与显示。硬件电路设计与实现VCCCCCCCAVDDSOCAVDDDVDDAVDDDVDDAVDDCDVDDAVDDDUOUPLAVDDLAVDDPLCDDATPLLDCPPDCAVDDDDPPDDAVDDAVDDPCPAVDDPPPLCDBKPAVDDPLCDLDANTPAVDDPLCDCSPPLCDCKPRFPPLCDEPTXRXWCPLCDRSPRFPPPPLCDRWCPPKPXTALPPKP电磁阀PPKEYCANCELPMCPKEYOKPMPADCKEYPRBISAP水流开关CPRBIASVCCXTALAVVRRESETNRESETNRFGINCRVCCCRC图微处理器模块硬件电路微处理器复位及调试接口电路设计图复位与调试接口电路()复位电路CC有种复位模式:强制复位引脚RESETN为低电平、上电复位、看门狗定时器复位。如图所示为外部复位电路引脚为复位引脚当按键S按下时引脚输入一低电平脉冲使系统复位。()调试接口电路总结与展望JTAG(JointTestActionGroup联合测试行动小组)是一种国际标准测试协议主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试。JTAG技术是一种嵌入式调试技术它在芯片内部封装了专门的测试电路TAP(TestAccessPort测试访问口)通过专用的JTAG测试工具对内部节点进行测试。CC可通过两线接口对芯片进行调试。端口P为调试时钟接口P为调试数据接口。通过该两端口可对片上闪存进行编程可以访问存储器和寄存器并可进行设置断点、单步操作和修改寄存器。当芯片处于非调试模式时端口P和端口P可用作普通IO口。在RESETN输入引脚为低电平时在P端口施加两个高电平则系统进入调试模式。数据采集模块设计数据采集模块由传感器及其接口电路组成主要完成作物根系处土壤湿度数据采集传感器需具备较高的精度及较低的功耗完成土壤湿度的准确测量。按传感器工作特性设计外围接口电路通过数据线采集数据、电源线驱动传感器。本系统所采用的土壤水分传感器型号为FDS其技术参数为:工作电压,V工作电流mA测量精度探针长度cm输出模拟信号。由于CC内部集成了通道的~位ADC所以无需外置AD转换器通过P口即可实现信号的传输。另外本系统采用水流开关来监测灌溉阀门的状态、管路中液体是否流动和流动的量是否达到要求以此来监测系统运行的可靠性。跳线帽VPLSSPEAKERRQPPBVCCVECVRPGNDRRICSDAPICSCLPPVCCHeaderR水流开关DGND图传感器通用接口电路电源供应模块设计电源供电部分采用V直流输入的电源适配器供电电源输入后经过桥整、电容滤波后分为两路经过LM和TPS后分别为板子提供V和V(VCC)两种电平输入。本系统用到的电压有V、V、V、V。TI公司的电源管理芯片TPS解决了V到V的转换。系统的电源电路如图所示其中VCC跟电池输出的作用一样都是为板上的元器件和芯片提供合适的工作电源而VCC则是用来给控制板上的元器件和芯片供电另外它也可以为以V为工作电压的传感器供电(监测节点上留有土硬件电路设计与实现壤湿度传感器的接口可用于扩展)。DJVUTPSCDSchottkyAVCCDRREIGOPASSJNSNNUDTULMRCFbackPOWERSWVLVinVCCVVOPUTBATTCCRDNFGCCCCR图系统的电源电路控制模块硬件设计控制模块主要由执行机构及其驱动电路组成。本系统的执行机构采用了中间继电器它按照微处理器的命令执行相应的操作。而驱动电路是连接微处理器与执行机构的桥梁在本电路中连接了CC和中间继电器。功率驱动部分主要由光电耦合器TPL和三极管N开关电路构成。光电耦合器TPL由VCC供电主要起隔离作用把微处理器的控制信号和执行机构的功率信号隔离开来提高系统抗干扰性保护温室自动灌溉系统。TPL的输入为来自微处理器CC的小功率信号经过隔离后把该信号输出至三极管N。三极管N的作用是放大从处理器CC输出的控制信号把其变成可以驱动执行机构的信号。控制模块硬件电路如图所示P口为低电平时光耦导通进而使三极管导通把LED点亮表示该路控制的强电设备正常工作。图控制模块硬件电路图为了提高精度本系统在温室中多点采集作物根系的土壤湿度微处理器接收多点采集的同一时刻的同一环境参数根据相应的算法进行均值估算最后根据需要向相应的执行机构下达任务执行灌溉命令。总结与展望人机交互模块设计加装显示设备可以更好的实现人机交互使系统更人性化本课题采用两种显示方式:LED显示方式和LCD显示方式。本设计采用OCM液晶显示模块它是×点阵型液晶模块可显示各种字符及图形可与CPU直接接口OCM液晶显示模块对外提供了以下几种信号线:位标准数据总线(DBDB),读写控制线(RW),片选信号线(CS),数据指令选择线(AO),允许信号线(E)还有复位信号线(RST)。显示模块原理图设计根据信号线的逻辑电平,选择合适的微处理器CC的IO引脚与之相连接。为节省微处理器的IO口将CC的P、P、P与移位寄存器HC相连寄存器的输出口与液晶屏数据口(DBDB)连接作为数据输入再通过软件模拟OCM的时序实现实时数据的查询与显示。另外,通过调节LCD的LED引脚的偏置电压,对LCD背光进行点亮、熄灭控制即使在环境光亮程度较低的情况下,可以清晰的观察LCD液晶屏上显示的界面和数据。液晶显示模块硬件接口电路图如图所示。图液晶显示模块硬件接口电路图按键电路设计用户通过键盘与系统交互可对系统程序的运行做出某些配置系统的键盘电路如图所示。硬件电路设计与实现图系统的键盘电路图中按键S、S、S和S实现原理为由P端口采集按键电压然后经CC片内AD转换器识别电压值来判断按键值S和S直接经由端口P和P产生系统中断来判断按键值。端口P和P具有mA的吸收电流能力因此可用于驱动LED以做显示之用。PCB电路板制作绘制PCB板本文将整个系统设计为三个PCB板:主板、控制板和CC小模块板。主板只包括用户常用的电源模块、人机交互模块控制板包括控制模块、数据采集模块和电源模块CC小模块主要包括微处理器模块单独画一块微处理器模块板子主要考虑CC可以复用系统调试过程中如果CC被烧坏主板和控制板仍可以继续使用减少了系统开发的费用。在绘制PCB板之前需要给各个元器件添加自己的封装有些封装在Protel软件中的标准元件库中可以直接找到但是有些元器件的封装需要自己绘制如OCM、HC、LM以及单片机CC等等都需要自己绘制封装这就要求查明芯片手册弄清楚引脚以及元器件各部分尺寸制作好这些封装后添加到库里就可以直接使用。,规划电路板在给原理图添加好封装后就可以绘制PCB板。电路板采用双层电路板的大小形状尺寸都要考虑进去考虑到所选盒子的包装所以版面尺寸设计的比较大。在规划电路板时还要考虑电路板与外界的接口部分操作是否方便是否便于测量等等如适配器总结与展望插头、电源开关以及温湿度传感器都要要放到板的边缘。同时还要注意单片机的时钟电路尽量靠近单片机。,手动布线自动布线遵循的原则是路线最短但是如果采用自动布线PCB板的美观性就显得很差而且对于高频电路自动布线容易造成高频对信号线的干扰还有就是如果顶层和底层信号线平行的话容易产生电容耦合从而造成信号干扰。所以此次设计采用手动布线对于简单的电路部分可以部分自动布线。,覆铜和补泪滴在完成所有布线并检查无误后就可以进行覆铜增强板子的抗干扰能力考虑到大多数厂子制版条件本设计采用网格法覆铜。补泪滴可以保护焊盘避免多次焊接时焊盘的脱落还可以减少阻抗的急剧跳变。覆铜后,,,板如下图所示:图微处理器模块TOP层硬件电路设计与实现图主板TOP层图控制板TOP层总结与展望系统实物制作当PCB板画完之后将印制板文件送到制板厂家进行电路板的制作在实验室完成元器件的插装、焊接并装入包装盒后。考虑到温室环境具有湿度大、酸性大、基础设施少、作物众多且动态变化等特点系统包装盒在设计上需要考虑密封防止温室中的水蒸气进入设备使系统的电子器件短路。另外在考虑到美观等因素系统采用航空接头作为接插件。本章小结本章重点介绍了各个功能模块的硬件电路设计借助ProtelDXP电路设计软件完成原理图以及PCB版的制作为以后的软件设计打下基础。系统软件设计系统软件设计应用软件介绍IAREmbeddedWorkbench(简称EW)的CC交叉编译器和调试器是今天世界最完整的和最容易使用专业嵌入式应用开发工具。EW对不同的微处理器提供一样直观用户界面。EW今天已经支持种以上的位、位、位ARM的微处理器结构。IAR界面如图所示图IAR主界面操作步骤:,使用IAR开发环境首先应建立一个新的工作区。用户打开IAREmbeddedWorkbench时已经建好了一个工作区可选择打开最近使用的工作区或向当前工作区添加新的工程。,单击Project菜单选择CreateNewProject弹出建立新工程对话框确认Toolchain已经选择在Projecttemplates选择Emptyproject单击下方OK按钮。,根据需要选择工程保存的位置更改工程名如ledtest单击Save来保存。这样便建立了一个空的工程。系统产生两个创建配置:调试和发布。在这里我们只使用Debug即调试。项目名称后的星号(*)指示修改还没有保存。选择菜单FileSaveWorkspace,保存工作区文件并指明存放路径这里把它放到新建的工程目录下。,选择ProjectMake或按F键编译和连接工程如图所示。总结与展望图IAR编译连接界面成功编译工程并且没有错误信息提示后按照下图连接硬件系统。图IAR连接图选择IAR集成开发环境中菜单ProjectDebug或按快捷键CTRLD进入调试状态也可按工具栏上按钮进入程序下载程序下载完成后IAR将自动跳转至仿真状态。,安装完成仿真器驱动后通过USB接口把ZigBee开发系统与计算机连接后进入IAR编译环境进行仿真调试。选择菜单ProjectDebug或按快捷键CTRLD进入调试状态也可按工具栏上按钮进入调试。系统需求分析温室环境具有湿度大、基础设施少、作物众多且动态变化等特点。温室设施农业中的灌溉如果能够自动控制则可以减少不必要的劳动因此信息化的应用在农业方面是比较重要的。比如管理一个连栋温室面积很大在灌溉中需要人跑好远去打开开关然后才能灌溉等灌溉完毕还需要再去关闭开关。当然也可以通过在每个灌水开关(电气开关)布线将所有线路连接到一个配电室。其基本思路如下图所示当然这可以实现有专门的人员去管理每个灌溉线路确保指定时间后按时关闭电线开关。这个系统软件设计时候管理员必须要非常的尽职尽责。可是人都会有犯错误、疏忽的时候如果一次的失误如忘记拉开关可能会导致温室灌水太多从而造成经济上的损失。图非自动控制条件下的作物灌溉系统示意图农业技术的进一步发展使得对各种作物的种植都具有了一定的科学数据如果能把各种信息采集设备所获取的数据应用到作为栽培之中那么势必会大大的提高生产力。本文主要探讨作物需水自动化控制系统在作物灌溉中的应用。主要解决以下一些问题:()科学的灌溉模型()通过对作物根域的土壤湿度信号进行实时监测直接反映作物根系的需水量()针对不同作物及其不同发育期通过人机交互系统输入相关参数使得土壤湿度达到预期的标准达到节水和精确灌溉的目的并能灵活适用于多种场合()实时监测灌溉阀门的状态并且做到自动控制和手动控制皆可使用。这些问题的解决对于作物灌溉系统的智能化以及自动化具有重要的现实意义。系统程序设计系统主程序设计软件启动后首先进行初始化设置如单片机串口初始化等。串口的初始化包括:确定编程寄存器的工作方式、确定串行口控制及需要进行的中断设置等。接收数据进入寄存器并由软件读入数据检查数据读入的位数当数据完整时程序返回数据由湿度转化函数转化为十进制数传递给数据分析、决策控制模块然后判定是否打开阀门。阀门开启后实时监控土壤湿度值在土壤湿度值满足阈值后关闭阀门。如果未达到阈值则开启阀门重新灌溉如果达到阈值则存储出水量、阀门打开时间、参考阈值及系统时间等然后关闭数据接收。软件流程图如图所示。总结与展望开始初始化系统N参数设置Y控制方式、灌溉阈值设置AD采样处理土壤湿度数据显示YN水泵关闭NN大于灌溉阈值小于灌溉阈值YY发出灌溉指令开启水泵关闭水泵图系统主程序设计图针对不同的控制对象本系统可根据需要设计不同的控制策略。结合农民已有的经验根据不同地区土壤条件、气候条件、作物种类及生长阶段、按照灌溉的要求特性及作物的生长状况制定出合理的、便于实施的灌溉制度包括不同作物、不同生育期的灌水起始点灌水上限预警阈值等方面。合理灌溉技术的关键是控制灌水的均匀度以适量的水进行适时灌溉既能满足作物对水的需要又不至于造成土壤含水量过多和空气湿度过大引起作物发生各种霉病。系统软件设计传感器采集程序设计本系统选用的土壤水分传感器FDS模拟传感器输出模拟信号在用CC处理相应的数据之前需先将模拟信号转换为数字信号然后再交由CC处理。将模拟信号转换为数字信号的设备是ADC(模数转换器)CC内部带有一个位的ADC并且具有路可配置的通道以及一个参考电压发生器。在使用CC内部的AD之前需先根据实际需求对其做出相应的配置以使其工作在合适的状态下。ADC主要特性()参考电压参考电压为AD转换的基准电压CPU正是以其为标准来计算模拟输入信号的大小。CC内部的ADC经过寄存器配置可以选择多种形式的参考电压:A、内部V参考电压。B、P输入电压。C、CC供电电压。D、P和P两个引脚的差分输入电压。()输入通道输入通道为模拟信号的输入端口通道越多CPU可采集的模拟信号路数越多。经过寄存器配置可将CCP口的个引脚均配置为内部AD的输入通道。在设计电路时需将不同模拟传感器的信号输出连接至路通道中的一个。()分辨率分辨率为模拟信号转化为数字信号后的位数是ADC的一个重要参数分辨率越高转换后的信号越精确但相应的转换时间也越长。CC内部ADC总共有四种形式的分辨率:位、位、位、位这可通过相应的寄存器来配置本文选用位分辨率的ADC。模拟传感器采集程序设计因为CC内部ADC具有连续转换多个通道的功能因此在设计程序时应将几个通道的输入信号依次转换完毕以简化程序设计并降低系统转换功耗。具体程序流程如图所示。总结与展望配置参考电压启动转换配置输入通道配置分辨率转换完毕读取数据数据处理配置转换模式图数据采集程序流程显示程序设计要想实现土壤湿度及时间的显示最重要的是对LCD的读写操作LCD有自己的RAM地址及指令以及自身的标准字符库。液晶显示模块OCM指令表如表所示。系统软件设计表液晶显示模块OCM指令表指令指令代码用途ARDWRDDDDDDDD显示开关:关闭:开始显示行列开始显示开始地址设置RAM显示和地址行显示页码地址设置页码地址设置RAM页码地址行显示状态读取状态读取状态数据显示数据读取读取数据从RAM中读数据显示数据写入写入数据向RAM中写数据ADC选择:正常不正常显示正常与否:正常不正常结束清理读修改写复位内部复位电源控制设置设置模式选择内部电源控制模式设置空指令空指令代码测试****芯片代码测试读修改写写:读:显示所有点开关:正常显示:所有点开始LCD初始化函数如下:voidLCDInit(void){PDIR|=xFFPDIR|=xFFPDIR|=xFFP=打开背景灯delayus()WriteLCD(COMMAND,xE)复位delayus()WriteLCD(COMMAND,xA)delayus()WriteLCD(COMMAND,xA)总结与展望delayus()WriteLCD(COMMAND,xC)delayus()WriteLCD(COMMAND,x)delayus()WriteLCD(COMMAND,x)delayus()WriteLCD(COMMAND,x)delayus()WriteLCD(COMMAND,xF)delayus()WriteLCD(COMMAND,x)从第一列开始显示delayus()WriteLCD(COMMAND,xB)delayus()WriteLCD(COMMAND,x)delayus()WriteLCD(COMMAND,x)delayus()WriteLCD(COMMAND,xAF)WriteLCD(COMMAND,x)WriteLCD(COMMAND,xb)ClearScreen()SetContrast(,)}灌溉模型设计在温室栽培条件下土壤水分平衡公式可表示为:IG,ETD,ASW式中:IT时间段内的灌水量(mm)GT时间段内的地下水补给量(mm)TT时间段内的作物蒸发量(m):ET时间段内的作物用水量(ml)D深层渗水量(mm)。ASWT时间段内土壤有效储水量的变化量(mm):系统软件设计在温室条件下将上述公式表述的灌溉过程和用水过程可用图平衡示意图进行表示:灌水量I植物用水量和蒸发量ET作物根系层深度储水增加ASW储水减少ASW渗水量D地下水补给量G地下水A灌溉过程B用水过程温室土壤水平衡示意图图在温室灌溉过程中灌溉水量主要用于补充作物根系层的含水量同时会有少量水分渗漏到地下水中而灌溉的主要目的是补充作物根系层的土壤含水量由此可以确定每次灌溉水量定额。一般将能够为根系提供所需全部水分的~,的根系深度确定为有效根系层由于高度不同和根的类型不同不同作物有效根系的深度也不相同因此灌水的深度不相同。土壤临界含水量和土壤持水量之间的土壤含水量最适于植物的吸收利用将其定义为适宜含水量。一般情况下土壤持水量和临界含水量之间的差值是允许耗水量一般为~,据此我们可以确定一次灌水的定额净灌水定额可用下列公式计算:I,,F,WZ,P,ndowIn式中:灌溉定额(mm):β允许耗水量占有效含水量的百分比(,)Fd土壤持水量体积百分比(,)Wo作物凋萎系数体积百分比(,)Z有效根系层深度(cm)Pw土壤湿润比体积百分比(,)η灌溉水利用系数体积百分比(,)。结合温室管理人员已有的经验根据不同地区土壤条件、作物种类及生长阶段、按照灌溉的要求特性及作物的生长状况本系统可根据需要制定出合理的、便于实施的灌溉策略包括不同作物在不同生育期的净灌水定额灌溉水利用系数灌水起始点灌水上限预警阈值等方面。合理灌溉技术的关键是控制灌水的均匀度以适量的水进行适时灌溉既能满足作物对水的需要又不至于造成土壤含水量过多和空气湿度过大引起作物发生各种霉病。总结与展望系统应用方案设计基于项目的实际情况本系统采用轮灌的方式对温室作物进行灌溉以解决水资源竞争问题也有利于灌溉水在土壤较粘的情况时充分下渗。把大区域划分成小区域实施轮灌的做法克服了水压不够、水源不足的困难能提高灌溉水利用效率从而实现精准灌溉的目的。控制方式的选择目前我国设施农业中灌溉控制设备很不统一有电机、水泵、电磁阀等要使系统的控制信号具有通用性就要用系统的控制信号去控制一个开关而这个开关去控制灌溉输水控制设备的电源的通断从而达到系统控制灌溉的目的。继电器是目前使用得最广泛的可控开关性能也比较可靠因此系统设计时就选用继电器作为控制灌溉输水控制设备电源的开关。继电器有大有小有交流控制也有直流控制它的触点开关既能通过直流也能通过交流。由于是控制继电器开关的吸合因此要选用直流控制的继电器。这种直流控制的继电器功率一般较小不能承受大电流交流电流过。对于交、直流供电且电流较小的灌溉输水控制设备来说可以直接用这种继电器来控制。但是对于交流供电且电流较大的灌溉输水控制设备来说就不能直接用这种继电器来控制电源。这时可以再加一个可通过较大电流的交电器用直流小功率继电器去控制大功率交流继电器大功率交流继电器又去控制灌溉输水控制设备的交流电源这样系统同样可以实现温室灌溉的自动控制。也就是说本文设计的温室自动灌溉系统给出的控制信号具有通用性。工作方式的选择土壤湿度是灌溉控制的最重要参数由于温室设施农业中土壤比较平整均匀具有一定的一致性可以在一定面积范围的土壤内设置几个测试点取几个测试点的平均值来代表这一面积范围土壤的含水状况这样既可以不需要太多的成本去购置传感器又可以使土壤水分的测量比较准确。当系统用来控制灌溉时可以将两个传感器均匀分布埋设在这片土壤里再取两个传感器测量的平均值来表示整片土壤的含水状况根据这个平均值来控制灌溉。同时还可以用于花卉、盆景等经济植物的栽培中分别将两个传感器插在不同种类的花卉盆或盆景中根据不同种类花卉或盆景对水分的不同要求设置不同的土壤缺水判断标准和灌溉方式。针对不同的作物和不同的作物发育期需要有不同的土壤缺水判断标准和灌溉方式。这里所说的土壤缺水判断标准指的就是作物缺水或是不缺水状态下土壤水吸力的界限值。系统根据要求设置了两种灌溉方式以供操作者在面对不同土质时选择使用。闭环控制方式在这种浇灌方式下可以设定土壤湿度上限值、下限值两个参数。当系统监测到土系统软件设计壤湿度低于下限值时表示作物缺水微处理器模块给出控制信号控制浇水。当系统监测到土壤湿度高于上限值时表示浇水足够停止浇水。同时微处理器模块将将采集到的土壤湿度数据和灌溉状况在人机交互模块的液晶屏上显示出来。这种灌溉方式是针对那些渗水快的土壤设计的当灌溉后水能很快下渗不需要延时等待。时间控制方式在这种浇灌方式下可以设定土壤湿度上限值和延时时间两个参数。当系统监测到土壤水湿度低于设定的下限值时表示作物缺水微处理器模块给出控制信号控制浇水。当浇水时间达到延时时间t后表示浇水足够系统停止浇水。这种灌溉方式是针l对灌溉系统比较熟悉预先知道灌溉量的情况设计的。即管理人员对灌溉系统很熟悉知道它一分钟能够浇多少水同时也知道某种作物在缺水后需要补充多少水分这时管理员就可以设定一定的延时时间浇灌够确知的作物需水量后就停止浇灌。上述两种灌溉方式是基本上能够满足系统工作时的要求。本章小结软件是控制模块的灵魂要求和硬件配合本章主要解决何时灌和灌多长时间的决策问题还要兼顾人员对参数的修改对数据的存储等问题。在硬件电路的基础上完成对各个功能模块的软件设计包括主程序的设计、土壤湿度传感器采集程序的设计和显示程序设计等。总结与展望系统应用验证验证内容本系统是针对设施农业设计的基于单片机的温室自动灌溉系统在使用中需要针对部署方案进行测试。本系统在西北农林科技大学阎良甜瓜基地进行了初步试验该基地温室大棚采用地面固定式滴灌系统每块地采用一主管加多支管的梳状输配水管网。根据该基地个日光温室大棚的特点温室大棚一共布置了个设备土壤湿度传感器插入土壤大约厘米处通过电缆接入数据采集模块。系统每隔分钟采集一次土壤湿度数据完成数据采集之后自动进入休眠状态直至下一个采样周期唤醒。该系统自年月部署完成后已持续正常工作个月设备在异常掉电重启后能快速的恢复到原来状态。甜瓜蒸腾作用强需水量较多虽然有强大的根系在旱季也要适当的灌溉以满足对水分的需要。严重缺水则影响正常发育并导致落瓜。甜瓜不耐涝土壤湿度过大则引起根系窒息而死空气湿度过大不但影响果实品质也易感病一般要求相对湿度~左右。如图温室自动灌溉系统数据处理界面所示系统具有与一阶惯性系统相似的响应特性表明系统的稳定性很好系统运行min即能将温室内土壤湿度由提高到设定的系统超调量。而一般果蔬类植物对水分的胁迫的忍耐时间至少在h以上可见本系统的快速性可以满足农业技术的要求。图温室自动灌溉系统数据管理界面参考文献总结与展望总结针对温室环境湿度大、基础设施少、作物众多且动态变化等特点本文设计了基于单片机技术的温室自动灌溉系统设备可以实现现场实时监测温室作物根系处土壤湿度具有系统误差低、响应速度快、部署灵活、成本低廉、维护简单成本低、可维护性高、可靠性好及灌溉阈值设置灵活等优势。系统后期应用证明其具有良好的稳定性并能满足不同作物不同时期灌溉的需要。该设备的研制和使用为建立大远程智能灌溉系统提供经验和技术支持。展望对于整个系统而言采用液晶屏显示显示内容更丰富。而采用CC作为微处理器模块使土壤湿度传感器可以与单片机直接相连减少了AD转换电路不仅使电路设计变得简单也使程序代码减少了很多且测量精度高测量范围广。CC是TI公司设计的一款真正的片上系统解决方案专为Zigbee应用量身制作其内部集成有一个高性能的CC射频收发器和工业级标准的高性能MCU配合业界领先的Zigbee协议栈CC提供了市场上最具竞争力的Zigbee解决方案。系统采用CC作为微处理器芯片可以为系统以后使用无线传感器网络做铺垫避免设备出现温室内高温、潮湿的环境导致通信电缆的老化的问题从而降低系统的可靠性。根据本系统目前已经现的功能和不足在以下方面尚需做进一步的深入研究:为系统加入专家系统知识库对专家系统知识库做更深入的研究不仅包括作物对生长环境要求的知识还要包括作物病虫害的防治等方面的知识。、系统采用Zigbee协议利用无线通信技术发出是否灌溉的指令降低系统成本的同时增加系统的可靠性。、改善系统外观设计使之更加符合人们的操作习惯更加人性化。参考文献参考文献周长吉温室灌溉系统设备与应用M北京:中国农业出版社王玉军张本华温室技术的现状及发展趋势J农机化研究():程文锋杨祥龙王立人等(PLC和触摸屏在自动喷灌控制器中的应用J(农机化研究():高峰俞立蝶张文安等(基于无线传感器网络的作物水分状况监测系统研究与设计J(农业工程学报():蒋毅,赵燕东,陈峻崎精准灌溉自动控制系统的应用研究J湖南农业科学,():徐飞鹏,李云开,杨培岭,雷震东,谭炳芳节水灌溉自动化控制系统的研究现状与发展趋势J中国农业大学,北京市先飞农业工程高技术公司,新疆泽普水利局,():任文涛杨懿张本华等(温室节点式渗灌自动控制系统设计与实现J(农业工程学报():袁巧霞蔡月秋(温室集雨及低压自渗灌溉可行性研究J(农业机械学报():,张泽卉孙颖杨耿煌等(基于GSM短信和无线高频通信的灌溉自动控制系统J(节水灌溉():,CampCR,LamFR,EvansRG,etalProceedingsofthethDecennialNationalIrrigationSymposium,Nov,,PhoenixAZ:ValanteA,MoraisRLSerodioCeta(AZigBeesensorelementfordistributedmonitoringofsoilparametersinenvironmentalmonitoringCIEEESensorsAtlanta,GAUSA:IEEE:ZhangQiong,ZhaoChunjiang,WangCheng,etalDataacquisitioncontrolsystembasedonARMprocessautomaticfertigationJTransactionsoftheCSAE,,(supp):,CanoA,LopezBaezaEAnonJLeta(WirelesssensornetworkforsoilmoistureapplicationsCProceedingsoftheInternationalConferenceonSensorTechnologiesandApplicationsValenciaSpain:IEEE:陈祥薛美盛王俊等基于ZigBee协议的温室环境无线测控系统J(自动化与仪表()乔晓军张馨王成等无线传感器网络在农业中的应用J(农业工程学报()SKLuthra,MJKaledhonkar,OPSingh,NKTyagi,DesignanddevelopmentofanautoirrigationsystemJ农业工程学报():童时中模块化设计原理方法及应用M北京:中国标准出版社:王雪文,张志勇传感器原理及应用M北京:北京航空航天大学出版社,丁向荣单片机应用系统与接口技术M北京:电子工业出版社,周巧娣,刘敬彪ATC在单片机系统中的应用B新特器件应用致谢致谢这次课程设计使得我更加熟悉了单片机的原理并且第一次使得自己能动手动脑去用单片机实现控制当论文写到这里的时候自己内心是充实的和满足的在此我很感谢一直认真教我们课程的康江老师正因为是他的辛勤劳动才有我们的学识饱满谢谢。。

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