基于单片机的节水灌溉自动控制系统的设计

1基于单片机的节水灌溉自动控制系统的设计第1章绪论1.1引言随着中国农业现代化进程的加快，农业结构的调整以及我国加入WTO等因素，农业灌溉自动化技术的要求越来越高，灌溉控制器在我国有着巨大的市场。节水灌溉控制器近期在中国应朝着价格低，性能可靠操作简便的方向发展。但从长远的利益考虑，新的只能化技术，传感技术和农业科技的引入应用和普及，将会有智能化程度更高，性能更稳定可靠的灌溉控制器出现。经过多年的发展，国外灌溉控制器已逐步趋于成熟系列化，但价格昂贵，国内虽引进一些，大多数是农业示范区，单位。虽然国外生产的灌溉控制器性能越来越高，但没有考虑我国特殊的自然气候土地资源农业经济状况等因素，因而国外引进的灌溉控制器在国内应用并不普及。国内虽然有多家研制灌溉器，但多数是小规模，试验和理论的探究应用不够普及。究其原因一则是开发性能完善的灌溉控制系统需要大量的人力和物力的投入，需要多部门，多学科的融合，这在一定程度上限制了性能的完善，适应性强的控制器的开发。其次是现在开发出来的灌溉控制器价格昂贵，农民尽管知道能节省人力和灌溉用水提高产量，但由于一次性投入太大，多数农民承受不起，这也在一定程度上限制了灌溉控制器的普及。综上所述，西方发达国家在节水灌溉控制器的开发上已越来越成熟，而且发展趋势是研制大型分布式控制系统和小面积单片机控制系统，并能有通讯功能，能与上位机进行通信，并可由危机对其编程操作。同时随着人工智能技术的发展，模糊控制，神经网络等技术为节水灌溉控制器的研制开辟了广阔的应用前景。而国内在灌溉控制器的研制方面还没有形成规模大，应用范围广的成套控制产品。国内的一些高尔夫球场等大面积场地灌溉控制，一般引用国外现成的成套灌溉控制产品，而广大农村可根据我国国情和各地经济和技术发展的实际情况，采取简单可行的节水灌溉控制措施及相应的排灌机械和设备，大力发展可靠实用和操作简便的节水灌溉控制器，这样做不仅具有广阔的市场，而且有巨大的社会和经济效益。现代智能型控制器是进行灌溉系统田间管理的有效手段和工具，他可提高操作准确性，有利于灌溉过程的科学管理，降低对操作者本身素质要求。除了能大大减少劳动量，更重要的是他能准确，定时，定量高效地给作物自动补充水分，以提高产量，质量，节水和节能。2现代灌溉控制器的研究使用在我国的农林及园艺为数不多，与发达国家相比，有较大的差距，还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动化控制系统，也是根据经验法来确定每天灌溉次数和每天灌溉量，如果灌溉量与作物实际需水量相比较少，便不能有效的促进作物健康成长；而灌溉量太多，肥水流失，又会造成资源浪费，同时传统的灌溉法还需要相关的专家实时观察并经验指导生产，劳动生产率低，这也不能与现代化农业向优化，高效化方向发展要求同步1.2选题背景及研究的目的与意义1.2.1选题背景生命之起源，水为必要条件，没有了水，地球上的生命将会枯竭。随着21世纪的到来，能源危机将接踵而至。比能源危机更可怕的是，作为人类生命之源的水的短缺到了前所未有的程度，这一状况还将随着时间的推移和社会的发展继续恶化。水资源危机已成为全球性的突出问题，利用科技手段缓解这一危机，将是人类主要的出路。农业是人类社会最古老的行业，是各行各业的基础，也是人类顿以生存的最重要的行业。农业的发展从长远来看很重要，一是水的问题，二是科技的问题。农业的根本出路在科技，在教育。由传统农业向现代化农业转变，由粗放经营向集约经营转变，必须要求农业科技有一个大的发展，进行一次新的农业技术革命。农业与工业、交通等行业相比仍然比较落后，农业灌溉技术尤其落后。灌溉系统自动化水平较低是制约我国高效农业发展的主要原因。传统的灌溉模式自动化程度极低，基本上属粗放的人工操作，即便对于给定的量，在操作中也无法进行有效的控制，为了提高灌溉效率，缩短劳动时间和节约水资源，必须发展节水灌溉控制技术。现代智能型控制器是进行灌溉系统田间管理的有效手段和工具，它可提高操作准确性，有利于灌溉过程的科学管理，降低对操作者本身素质的要求。除了能大大减少劳动量，更重要的是它能准确、定时、定量、高效地给作物自动补充水分，以提高产量、质量，节水、节能。现代灌溉控制器的研究使用在我国农、林、及园艺为数不多，与发达国家相比，有较大的差距，还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动化控制系统，也是根据经验法来确定每天灌溉次数和每次灌溉量，如果灌溉量与作物实际需水量相比太少，便不能有效的促进作物健康成长;而灌溉量太多，肥水流失，又会造成资源浪费，同时传统的灌溉法还需要相关专家的实时观察并经验指导生产，劳动生产率低，这也不能与现代化农业向优化、高效化方向发展要求同步。随着计算机技术和传感器技术的迅猛发展，计算机和传感器的价格日益降低，可靠3性日益提高，用信息技术改造农业不仅是可能的而且是必要的。用高新技术改造农业产业，实施节水灌溉已成为我国农业乃至国民经济持续发展带战略性的根本大事。本文旨在设计一套能对作物生长的土壤湿度进行自动监控的系统，它能对作物进行适时、适量的灌水，起到高效灌溉，节水、节能的作用。1.2.2研究的目的与意义农业是人类社会最古老的行业，是各行各业的基础，也是人类赖以生存的最重要的行业。农业的发展从长远来看非常重要，一是水的问题，二是科技的问题。农业的根本出路在科技，在教育。由传统农业向现代化农业转变，由粗放经营向集约经营转变，必须要求农业科技有一个大的发展，进行一次新的农业技术革命。农业与工业、交通等行业相比仍然比较落后，农业灌溉技术尤其落后。灌溉系统自动化水平较低是制约我国高效农业发展的主要原因。传统的灌溉模式自动化程度极低，基本上属粗放的人工操作，即便对于给定的量，在操作中也无法进行有效的控制，为了提高灌溉效率，缩短劳动时问和节约水资源，必须发展节水灌溉控制技术。现代智能型控制器进行灌溉系统田间管理的有效手段和工具，它可提高操作准确性，有利于灌溉过程的科学管理，降低对操作者本身素质的要求。除了能大大减少劳动量，更重要的是它能准确、定时、定量、高效地给作物自动补充分，以提高产量、质量，节水、节能。现代灌溉控制器的研究使用在我国农、林、及园艺为数不多，与发达国家相比，有较大的差距，还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动化控制系统，也是根据经验法来确定每天灌溉次数和每次灌溉最。如果灌溉量与作物实际需水量相比太少，便不能有效的促进作物健康成长；而灌溉量太多，肥水流失，又会造成资源浪费。同时传统的灌溉法还需要相关专家的实时观察并经验指导生产，劳动生产率低，这也不能与现代化农业向优化、高效化方向发展要求同步。我国先后引进了以色列、美国、法国、德国等国家的部分先进灌溉控制设备，但价格昂贵，维护保养困难，多数用于农业示范区、科研单位或高校，而且不符合我国土壤的应用特点。我国自己的现代灌溉控制器的研制和使用尚处于起步阶段，因此，作为一个农业大国，中国研究开发自己的先进的低成本、使用维护方便、系统功能强且扩展容易的国产化数字式节水灌溉器是一项极有意义的工作。随着计算机技术和传感器技术的迅猛发展，计算机和传感器的价格日益降低，可靠性日益提高，用信息技术改造农业不仅是可能的而且是必要的。用高新技术改造农业产业，实施节水灌溉己成为我国农业乃至国民经济持续发展带战略性的根本大事。本文旨在设计一套能对作物生长进行自动监控的系统，它能对作物进行适时、适量的灌水，起到高效灌溉、节水、节能的作用。41.3研究内容本设计需研究的内容为：节水灌溉自动控制系统的发展状况；节水灌溉自动控制系统的结构及组成，即选择系统设计的基本方案与硬件及软件等方面的设计。在硬件方面，需研究整体硬件框图以及各种器件的选型及连接方法；在软件方面，要明确主程序及各个主要部分的流程以及相应的程序控制清单。1.4节水灌溉控制系统国内外的研究现状及存在问题国内自20世纪50年代即开始节水灌溉的研究，并对当时主要农作物的需水量和需水规律、灌溉制度进行了许多试验研究，绘制了全国主要农作物的需水量等值线图，建立了全国灌溉试验资料数据库。20世纪70年代主要集中在节水灌溉制度方面的研究。节水灌溉制度包括灌水时期、灌水定额和轮灌周期等内容。根据水与作物生长、发育及产量间的关系，通过有限水量在作物生育期内的最优分配，以提高有限灌溉水屠下作物根系吸收转化和光合作用向经济产量转化的效率为目标，进而达到高产和高水分生产率。但此时期的研究是基于传统的充分灌溉基础上的。20世纪80年代开始，许多研究者放弃了充分灌溉的研究，转向节水型劣态或亚劣态试验，结果表明与充分灌溉相比，节水灌溉条件下的产量降低并不严重。随后，调亏灌溉技术发展很快。喷、微灌技术是当今世界上节水效果最明显的技术，是当前诸多现代灌溉技术中省水率最高。应用最为广泛的灌溉方法，目前研究很多。如：喷灌水量分布均匀性评价指标的实验研究漫灌和喷灌条件下土壤养分运移特征的初步研究川，研究了漫灌、喷灌入渗条件下，土壤养分运移的特征；喷灌条件下小气候变化规律的研究，研究了最大温差和最大相对湿度与喷灌时间、喷灌工作压力、风力、风向以及光照强度的关系；喷灌条件下冬小麦生理特征及生态环境特点的实验研究。喷灌硬件设施方面的研究有：低压管喷及其节水高产机理研究；水田自动给水灌溉系统中非均匀出流问题的研究；田间喷管结合灌水技术体系的研究；灌区灌溉中的模糊控制；GPS节水灌溉系统的研究。我国的微灌技术在70年代就有所研究发展。我国最早的渗灌工程是山西临汾的龙子祠引泉工程和河南省济源的合瓦地灌排工程。1975年以后，山西省万荣县、河南省许昌市及江苏省的常熟、雌宁、南通、启东、徐州等地进行了渗灌试点。然而，这些试点仅限于试验阶段，没有得到广泛应用，而且也没有采用自动化控制的思想。我国节水灌溉自动化研究处于起步阶段，自动化程度低，目前开发的自动灌溉控制系统还处于研制、试用阶段。在开发的产品中有代表性的如中国农业机械化研究院联合多家单位研制的2000型温室自动灌溉施肥系统，具有手动控制、程序控制和自动控制等5多种灌溉系统模式，可按需要灵活应用，在大连，北京等地已经投入应用，效果良好，但其成本较高，适用于温室内作物。由中国灌排技术开发公司开发的集中或分散式微灌自动监控系统，根据灌溉计划能自动对微灌工程进行监视，控制和事故处理，其核心控制部件为8098单片机。北京农业工程大学研制的自动化灌溉控制系统是以8031单片机为核心，可对多通道土壤水分进行检测，实现对多路通道进行自动灌溉控制的功能。但以上两种系统选用的芯片功能较少，由于电路扩展而使系统复杂化，而且系统运行不稳定。福建省水利建设技术中心研制的节水灌溉自动化控制系统，其应用计算机技术，通讯技术，自动控制技术和生态农业技术进行集成化与优化配置，可对大田作物采取三种模式灌溉方式，即定时、恒湿及人工模式。北京奥特思达科技有限公司研制的我国的微灌技术在70年代就有所研究发展。我国最早的渗灌工程是山西临汾的龙子祠引泉工程和河南省济源的合瓦地灌排工程。1975年以后，山西省万荣县、河南省许昌市及江苏省的常熟、雌宁、南通、启东、徐州等地进行了渗灌试点。然而，这些试点仅限于试验阶段，没有得到广泛应用，而且也没有采用自动化控制的思想。总之，在我国，虽然有多种灌溉控制器，但多数规模较小，局限于实验和理论的探讨，而且开发出来的产品价格昂贵，农民尽管知道能节能、节水、增产，但由于一次性投资太大，多数农民承受不起，所以根本无法普及应用。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／；H／五泵站中使用调压罐控