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。但从长远利益考虑，新的智能化技术、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、功能更强、性能更稳定可靠的灌溉控制器出现。本设计以AT89C51单片机为主要硬件模块，通过软件编程实现对土壤湿度进行多点检测，当所测的实际湿度低于警戒值时，将触发灌溉控制器装置。系统还可以实现时间控制方式，随时灌溉，从而也体现了多用途、人性化的现代智能化系统设计要求。

根据本设计的功能要求，可确定此方案：以AT89C51单片机为控制电路的核心，采用模块化的设计方案。在闭环控制方式下，利用湿度采集模块将多处不同地点检测到的湿度模拟量进行模数转化后传送给单片机，单片机将采集到的数据与警戒值比较；若采集数据低于警戒值，则启动步进电机驱动模块进行灌溉；若采集数据高于警戒值，则不启动驱动模块进行灌溉。显示模块将采集数据和灌溉信息显示在显示屏上。灌溉时间一到，驱动电路则停止驱动步进电机，灌溉停止。在时间控制方式下，用户通过键盘输入进行灌溉的时间，时间一到，灌溉停止。

1.2 课题来源

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，但多数是农业示范区、科研单位、高校，虽然国外生产的灌溉控制器性能优越，但没有考虑我国特殊的自然、气候、土地资源、农民经济状况等因素，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控制器，但多数是小规模、实验和理论的探讨，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、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、灌溉用水、提高产量，但由于一次性投资太大，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。

随着中国农业现代化进程的加快、农业结构的调整、以及我国加人WTO等因素，可以预计对农业灌溉自动化技术的要求会越来越高，灌溉控制器在我国将有巨大的市

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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。但从长远利益考虑，新的智能化技术、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、功能更强、性能更稳定可靠的灌溉控制器出现。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，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，并带有通信功能，能与上位机进行通信，并可由微机对其编程操作。同时随着人工智能技术的发展，模糊控制、神经网络等新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、应用范围广的成套灌溉控制产品。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、成本低、操作简便的节水灌溉控制器，这样做不仅具有广阔的市场，而且具有巨大的社会和经济效益。

1.3 国内外现状

国内在开发灌溉自动控制系统方面处于研制、试用阶段，能实际投入应用，且应用较广的灌溉控制器还不多见。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。该系统是国家“九五”科技攻关项目中自主研发的科技产品，该系统结合我国温室的环境和实际使用特点，以积木分布式系统结构原理，解决了计算机适时闭环控制、动态监测、控制显示中文、施肥泵混合比可调、电磁阀开度可调等关键技术问题。该系统具有手动控制、程序控制和自动控制等多种灌溉系统模式，可按需要灵活应用，在大连、北京等地已经投入了应用，从系统运行情况来看，该系统有很好控制效果，取的了一定的经济效益和社会效益[2]。

天津市水利科学研究所研制的温室滴灌施肥智能化控制系统主要用于现代温室，日光温室作物的灌溉营养液施肥，环境监测的智能控制，采用世界先进的可编程序控制器和触摸屏控制技术，性能可靠、功能齐全、人机界面友好、操作简单、价格低廉，此控制系统的控制流量为15m3/h，控制规模为1~2hm2时，能控制24路阀门，系统具有人工干预灌溉施肥功能，定时、定量灌溉施肥功能，条件控制灌溉施肥功能。北京澳作生态仪器有限公司的澳作智能节水灌溉控制系统可与各种滴、喷灌系统连接，实时监测土壤墒情，根据要求自动灌溉。控制方式灵活，手动、半自动、全自动任选且可随意在计算机上更改，可同时控制多个设备，受控区位置及形状，环境参数及设备状态可同时显示在中心计算机上。北京奥特思达科技有限公司研制的WT-02型

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微喷灌定时自动控制器，是一种供农业、草坪、果园、温室一般场合给水的电子灌溉自动控制系统。

国外一些先进国家，如美国、以色列和加拿大等，运用先进的电子技术、计算机和控制技术，在节水灌溉技术方面起步较早，并日趋成熟。这些国家从最早的水力控制、机械控制，到后来的机械电子混合协调式控制，到当前应用广泛的计算机控制、模糊控制和神经网络控制等，控制精度和智能化程度越来越高，可靠性越来越好，操 作也越来越简便。

近年来随着农业对自动化程度要求的提高，以色列出现灌溉用的可编程逻辑控制器(PLC)，这种控制器通过把不同的网络连接到主机上进行数据采集和处理。随着控制技术、传感器技术的发展，以色列开发出了现代诊断式控制器，这种控制器把以前不可能采集到的信息通过不同的传感器来获得，通过因特网、远程控制、GSM等来实现数据传输，然后通过计算机中的一些模型来处理信息，作出灌溉计划。加拿大、澳大利亚和韩国等国家和地区也都有开发成功并形成系列的灌溉控制器产品，其中，比较有代表性的如澳大利亚的HARDIE IRRGATION公司的灌溉控制器，已形成了MICRO-MASTER、RAINJET等多个系列，几十种型号的产品。其中HR6100系列成本较低，是一种小型自动灌溉控制器，主要是面对家庭庭院和小面积的商业绿化场地的灌溉，而MICRO-MASTER，系列产品是HARDIE公司为进行大面积灌溉而开发的控制器。该系统采用分布式布置，可与上位机双向通信，用微机对其进行编程操作和对其子控制器进行控制，并能用微机随时监控灌溉系统的工作状况。

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第2章 方案设计与论证

2.1 总体方案论证

所谓的模块化设计，简单地说就是将产品的某些要素组合在一起，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的一种新的设计思想，现已成为一种新技术被广泛应用，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应用于机床、电子产品、航天、航空等设计领域。模块化设计是绿色设计方法之一，它已经从理念转变为较成熟的设计方法。

本设计方案以AT89C51单片机为控制核心，采用模块化的设计方法，总分为四大模块：湿度采集电路模块、步进电机控制电路模块、键盘接口电路模块和显示电路模块。其中以探针式电容湿度传感器为核心构成湿度采集电路，以达林顿驱动芯片ULN2803为核心构成步进电机控制电路，以液晶显示器12864为核心构成显示电路，再配合键盘电路实现对土壤湿度进行多点检测。

在本系统中，分两种控制方式：闭环控制方式和时间控制方式，用户可在两种方式之间自由选择。在闭环控制方式下，利用湿度采集模块将多处不同地点检测到的湿度模拟量轮流进行模数转换，转化后对各数据进行综合处理，再传送给单片机。单片机将接收到的数据和单片机内存的数据进行比较，若收到的数据低于设定的数值，则步进电机控制电路模块启动步进电机进行灌溉。若收到的数据不低于设定的数值，则不启动步进电机进行灌溉。同时单片机将采集到的数据和系统的灌溉状况在现实模块的显示屏上显示出来。灌溉进行一定的时间后自动停止，该时间由用户加载在单片机内部数据决定。用户可通过灌溉方式切换键切换到时间控制方式。在时间控制方式下，用户通过键盘输入灌溉的时间和灌溉的周期，对应的数据将在显示屏上显示出来。这种灌溉方式主要应用于特殊情况。

综上所述，本系统不但具有非常友好的人机交互界面，而且具有良好的实时控制功能，能及时响应用户请求。系统支持的灌溉方式灵活多样，用户可根据实际情况进行模式选择。系统结构简洁，各类功能易于实现，大大提高了系统的可靠性和实用性。系统的基本模块原理图如图2.1所示。

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