池程辉开题报告

北京石油化工学院

本科毕业设计（论文）开题报告

题目名称：基于51单片机的农业自动灌溉系统

题目类型： 研 究 学生姓名： 池程辉 专 业： 自动化 学 院： 信息工程学院 年 级： 自121 指导教师： 徐文星

2016年 03月 03 日

一、 选题背景、研究意义及文献综述

1、

选题背景

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。 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；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

2、 研究意义

自古以来农业为人类社会的鼻祖行业，是所有行业的基础，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。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。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。

3、

文献综述

目前，我国各个设施农业中灌溉系统的水状况不一样，有的采用电机控制

水流、有的采用水泵加压后才能进行灌溉，有的采用电磁阀代替手动阀门控制水流灌溉。因此，控制系统在设计时要考虑到控制信号的通用性，既能控制电机、水泵，又能控制电磁阀。设计时，由于这三种输水设备均是通过接通电源工作的，因此可在输水设备的电源线上加一个开关，由控制系统来控制开关的闭合，即可实现由控制系统实现了灌溉的自动化控制[5]。

昆明理工大学张瑞卿根据土壤水分测量的方法和模糊控制的特点,设计了一种基于ATS52单片机的灌溉控制器。它利用土壤的介电特性,根据频域反射计测量原理得到土壤含水率,由ATS52单片机构成的控制单元对所测土壤含水量与植物土壤含水定额的偏差和偏差的变化率进行模糊化处理与决策,判断灌水与否。本文制定了灌溉控制器的整体设计方案,实现了基于ATS52单片机的灌溉控制器硬件部分的设计与制作。根据模糊控制理论,设计完成了灌溉控制器的模糊控制器。选择所测土壤含水量与植物土壤含水定额的偏差和偏差的变化率为输入,灌水时间为输出,建立模糊控制规则,求出模糊控制表,采用查表的方法实现模糊控制算法。采用C语言编写灌溉控制器的软件程序,选用C#实现监测软件的开发。利用MATLAB软件中的Simulink对模糊控制器进行仿真。仿真结果表明：模糊控制具有动态品质较好,稳定时间长等优点,显示出了良好的稳态性能。土壤水分传感器在经过线性标定和测量准确性试验后发现：该传感器线性度良好,测量准确度较高,相对误差在10%以内,测量准确性满足灌溉控制器的要求。通过作物栽培实验对灌溉控制器的性能进行验证。以盆栽龟背竹和陆稻为实验对象开展相关试验,试验结果表明,该灌溉控制器运行状况良好,工作稳定,控制准确,反应灵敏,满足节水自动灌溉的要求[6]。

昆明理工大学现在农业工程学院张瑞卿、戈振杨、单伟、于英杰、李厚春根据频域反射(FDR)法测量原理,电磁波在土壤中的传播频率可用来测试土壤的介电常数,从而得到土壤容积含水率,设计出了一种基于FDR原理的自动灌溉系统,介绍了FDR测量原理,阐述了自动灌溉系统的软硬件构成,土壤水分传感器测得的土壤水分含量信息,经信号处理,输出为0~5V电压信号,经A/D转换送至ATS52单片机进行判断处理,根据输出数值的大小控制电磁阀的通断时间,从而实现自动灌溉和节水灌溉的目的。试验表明:该系统工作稳定,控制准确,反应灵敏,满足自动灌溉要求[7]。

中国农业大学郭正琴、王一鸣、杨卫中、冯磊、杨绍辉根据灌溉系统不易建立精确数学模型的特点,设计了基于模糊控制技术的智能灌溉控制系统。系统以土壤水分误差和误差变化率为输入,以灌溉时间长度为输出,通过对输入变量的模糊化、模糊推理和模糊决策,获得了作物的灌溉时间长度。实际运行表明,该系统能根据土壤水分适时、适量灌溉,有效地实现了节水灌溉[8]。

安徽工程科技学院江明、陈其工、晏行芳设计了基于模糊控制的节水灌溉系统,由作物蒸腾量和土壤水势为输入,以作物需水量为输出,通过对输入变量的模糊化、模糊推理和反模糊化,获得了作物的需水量,采用三星单片机为核心,由作物蒸腾和水势变送器分别测量作物蒸腾量和土壤水势,使用分段模糊控制策略构成灌溉系统。试验结果表明:该系统能快速准确地计算出作物的需水量,有效地实现了节水灌[9]

溉。

靳兆荣、徐敏杰、魏学良、盛翊智结合灌溉不易建立精确的数学模型和模糊控制决策不需要建立精确数学模型的特点,应用模糊逻辑设计了以ATC51为核心的全自动模糊智能节水灌溉控制器,该控制器能根据检测到的土壤含水量和作物的需水情况进行模糊决策从而实现全自动智能灌溉。系统已经成功运行于曲阜示范区,收到了较好的经济和社会效益[10]。

杜红宇、宋力强、徐鸿、朱汉良、张艳秋、苗青主要介绍一种适合设施农业在温室大棚中使用的基于PLC的自动灌溉施肥系统,该系统可以采用人工或自动控制温室内农作物的灌溉时间,自动控制营养液的浓度。其中灌溉量、营养液的注入量均采用时间控制,营养液浓度的控制规则采用模糊逻辑控制算法,解决了常规水肥一体化系统需要事先手动将营养液与灌溉水混合在一起,并且混合时间过长2种营养液成分会发生化学反应产生沉淀、降低肥力的问题。该系统设计合理,操作简单、价格低廉,控制效果能够满足实际要求[11]。

维吾尔自治区巴音郭愣蒙古自治州种子管理站刘啸风基于Web的自动灌溉控制系统是当前农业节水信息技术发展的主流趋势,针对基于Web的应用程序在实时性上表现较差而难以满足应用需求这一问题,首先分析了基于Web的自动灌溉控制系统的结构和数据传输实时性瓶颈,提出了通过数据推送模式提高实时性的方案,并对数据层与逻辑层、逻辑层与表现层之间的具体数据推送模式进行了设计。通过编程开发完成基于Web的灌溉控制系统的构建,实现了数据实时推送的机制,并对系统数据采集和控制指令发送过程的实时性进行测试。结果表明:数据采集平均延时为1 676 ms,控制数据从发送到结果返回的平均延时为3 378 ms,基本能够满足其设备控制和灌溉决策的需要;软件系统内采集和控制过程的数据库至客户端数据传输的平均延时分别为124 ms和118 ms,消除了数据拉取模式中的延时因素,对提高系统实时性起到了重要作用。该研究为基于Web的实时监测与控制系统的开

[12]

发提供了方法参考

北京林业大学章军富引入ZigBee技术的精准灌溉控制系统相比与有线技术,具有复杂度低、功耗低、成本低、携带方便、无需布线等优势,其应用可扩展到工业控制、消费性电子设备、环境监测、农业自动化和医用设备控制等领域。本研究的主要工作内容有：较深入的分析对比国内、外节水灌溉自动控制系统：提出了一套基于ZigBee技术可应用于绿地节水灌溉的自动控制系统方案：深入研究了

IEEE802.15.4规范,包括其物理层、媒体控制层规范的相关规约：分析ZigBee技术的基本理论,剖析ZigBee技术的组网方式,重点工作在于基于TI公司的CC2430构建无线土壤水分采集网络,其中包括无线传感器节点、阀门控制节点、网关节点的软硬件设计。应用Visual Basic语言开发了上位机监控软件。系统在北京林业大学主楼前的草坪上进行了安装并对系统的各项参数进行了测试。试验表明：该系统通讯可靠,可以用于绿地土壤含水量的实时监测。在合理设置控制参数设置情况下,可以实现节水的目的[13]。

二、 研究的基本内容，拟解决的主要问题

自动农业灌溉系统，主要检测土壤湿度，再通过单片机控制相应的驱动负载。通过液晶显示当前的烟湿度值，通过按键设定相应的阀值。 该项目主要是为了完成任务，包括：

⑴硬件部分：包括传感器的选择，显示模块的选择，土壤湿度信号转换电路的设计，报警驱动电路的设计。

（2）软件部分：包括微处理器控制程序的编制和原理图的绘制。 （3）系统的综合调试与分析：在软硬件完成以后，要对系统进行综合的测试与实验，分析系统的可靠性与实用性，调整系统的不足。

本设计主要由烟雾探测传感器电路、单片机、灯光报警电路、负载驱动电路、控制程序和编解码程序等组成。 系统的组成结构如下：

晶振电路 复位电路 按键模块 AD转换模块 单 片 机 液晶显示模块 继电器驱动模块 湿度采集模块

三、 研究步骤、方法

本次毕业设计是设计一种单片机控制的自动灌溉系统，实现自动灌溉的自动化系统。该系统可对土壤的温湿度进行监控，并对作物进行适时、适量的浇水。其核心是单片机和温湿度传感器以及浇水驱动电路构成的检测控制部分。主要研究土壤湿度与浇水量之间的关系、浇灌控制技术及设备系统的硬件、软件编程各个部分。检测部分，单片机选用ATC51单片机，湿度传感器选用土壤湿度传感器。加ADC0832A/D转换器、土壤湿度传感器可将检测到的土壤湿度模拟量放大转换成数字量通过单片机内程序控制精确的将温度与湿度分别显示在LCD显示屏上，同时通过单片机内的中断服务程序判断是否要给农作物灌溉,若需浇水则单片机系统发出浇水信号并经放大驱动设备开启电磁阀进行浇水若不需灌溉，则进行下一次循环检测。

四、 研究工作进度

周 次 日 期 16 进度计划及指导安排 具 体 要 求 17 18 19 20 21 22 1 2 2015.12.21 岗位实习与毕业设计（调研、查资料， 翻译外文资料、写开题报告）同步进行。 2015.12.27 2015.12.28 岗位实习与毕业设计（调研、查资料， 翻译外文资料、写开题报告）同步进行。 2016.01.03 2016.01.04 岗位实习与毕业设计（调研、查资料， 翻译外文资料、写开题报告）同步进行。 2016.01.10 2016.01.11 岗位实习与毕业设计（系统方案设计， 翻译外文资料、写开题报告）同步进行。 2015.01.17 2016.01.18 岗位实习与毕业设计（系统方案设计，交开题报告（电子翻译外文资料、写开题报告）同步进行。 版）、交外文翻译资2016.01.24 料及原文（电子版） 2016.01.25 岗位实习 2016.01.31 2016.02.01 岗位实习 2016.02.05 2016.02.22 设计系统硬件原理图。 2016.02.28 2016.02.29 利用PROTEL软件绘制原理图 开题答辩 2016.03.06 3 4 5 6 2016.03.07 设计系统控制软件并在实验板上调试 2016.03.13 2016.03.14 设计系统控制软件并在实验板上调试 2016.03.20 2016.03.21 设计系统控制软件并在实验板上调试 2016.03.27 2016.03.28 利用PROTEL软件绘制PCB版图 2016.04.03 2016.04.04 PCB版的制作,再进行焊接 2016.04.10 2016.04.11 下载机联合调试，测试功能 2016.04.17 2016.04.18 系统调试 2016.04.24 2016.04.25 系统调试 7 8 9 中期检查 10 2016.05.01 2016.05.02 系统调试 11 2016.05.08 2016.05.09 系统调试 12 2016.05.15 2016.05.16 调试及整理论文 2016.05.22 2016.05.23 调试及整理论文 2016.05.29 2016.05.30 整理论文 2016.06.05 2016.06.06 答辩 2016.06.12 2016.06.13 岗位实习总结 2016.06.19 13 14 交论文（电子版及打印稿） 15 16 17 2016.06.20 18 2016.06.28

岗位实习总结 交岗位实习报告 五、 主要参考文献

【1】 徐忠辉,潘卫国,石红梅. 自动灌溉控制系统的应用[J]. 北京水务,2010,05:48-51. 【2】 匡秋明,赵燕东,白陈祥. 节水灌溉自动控制系统的研究[J]. 农业工程学

报,2007,06:136-139..

【3】 李秀娟. 现代化农业设施节水灌溉控制系统的研究[D].合肥工业大学,2007. 【4】 康立军,张仁陟,吴丽丽,安进强. 节水灌溉联动控制系统[J]. 农业工程学

报,2011,08:232-236.

【5】刘浩波. 自动灌溉系统在农业节水工程中的应用[J]. 科学之友,2011,18:86-87

【6】 张瑞卿. 基于ATS52单片机的灌溉控制器的设计与实现[D].昆明理工大学,2014. 【7】 张瑞卿,戈振扬,单伟,于英杰,李厚春. 基于FDR原理的自动灌溉系统设计 [J].传感

器与微系统.2014(02).

【8】 郭正琴,王一鸣,杨卫中,冯磊,杨绍辉. 基于模糊控制的智能灌溉控制系统[J]. 农

机化研究. 2006(12)

【9】 江明,陈其工,晏行芳. 基于模糊控制的精确灌溉系统[J]. 农业工程学报.

2005(10)

【10】 靳兆荣,徐敏杰,魏学良,盛翊智. 基于模糊决策的自动节水喷灌控制器的设计[J].

排灌机械. 2004(05) 【11】 杜红宇,宋力强,徐鸿,朱汉良,张艳秋,苗青. 基于PLC控制的精确农业自动灌溉施肥系

统的开发[J]. 现代农业科技,2015,23:192-193+196.

【12】 刘啸风. 基于互联网的农业自动灌溉控制系统数据实时推送设计与开发[J]. 现代农

业科技,2015,19:344-346+349. 【13】 章军富. 基于ZigBee无线传感器网络的精准灌溉控制系统[D].北京林业大学,2010.

系（教研室）评议意见

评议人：

年 月 日