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【電子信息工程畢業(yè)設計+文獻綜述+開題報告】盆花自動澆水系統(tǒng)設計與實現(xiàn)（20_ _屆）本科畢業(yè)設計盆花自動澆水系統(tǒng)設計與實現(xiàn)摘 要對于不同的層測量的土壤濕氣，根據(jù)標準波形比率 SWR 理論的管通入土壤濕氣被設計了。本文介紹了工作原理和土壤濕氣傳感器探針結(jié)構(gòu)。 由對領(lǐng)域的實驗性研究， SWR-4 管通入土壤 miosture傳感器測量的土壤濕氣與那比較取決于標準烘干的方法。 實驗結(jié)果表示，管通入土壤濕氣傳感器有好反復性，與測定重量的價值的好交互作用和高精確度。 通過在領(lǐng)域的實時監(jiān)視，它表示，測量結(jié)果與液體運動法律達成協(xié)議.精量灌溉是在節(jié)水農(nóng)業(yè)中的重要實踐種植制度，允許生產(chǎn)者最大限度地發(fā)揮生產(chǎn)力，同時節(jié)省水。主要問題，正是確定作物需水量和灌溉正確的策略，并達到實時和適量的水，并在需要的地方自動灌溉?？紤]到，一個精確的灌溉系統(tǒng)，在這個文件無線傳感器網(wǎng)絡和模糊控制技術(shù)為基礎設計了這些問題。在ZigBee 的無線傳感器網(wǎng)絡是用于傳輸控制信號的灌溉，土壤水勢信號和微氣象資料，包括氣溫，相對濕度，太陽輻射，風速等。土壤水勢和作物蒸散量計算的 FAO56 彭曼公- Monteith 公式值作為模糊控制器的輸入變量，多因素控制規(guī)則庫是為模糊控制灌溉系統(tǒng)建立。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有許多優(yōu)點，如經(jīng)濟，實用，高可靠性的通訊和控制精度。特別是，這個系統(tǒng)是相當中型和小型精量灌溉面積合適。土壤水分駐波接入管灌溉無線傳感器網(wǎng)絡，模糊控制ZigBee） 。Potted Plant Design and Implementation of automatic watering systemsAbstractFor measuring soil moisture of different layers．a(chǎn) tube access soil moisture based on standing wave ratio SWR theory has been designed．TlliS Paper introduced the working principle and the probe structure of soil moisture seusoL By experimental research in field，the soil moisture measured by SWR-4 tube access soil moisture sensor Was compared with that determined by standard oven drying method．The experiment result shows that the tube aCCeSS soil moisture sensor has good repeatability,good correlation with gravimetric value and high accuracy．‰ugh real time monitoring in the field．It shows that the measurement results accord with liquid movement law．In 8051 as the core of the automatic fuzzy intelligent irrigation controller, according to the soil moisture sensor detects moisture, fuzzy control rules by implementing effective control of the solenoid valve, while the controller can set the cycle time irrigation. High stability of the controller to adapt to a variety of crops irrigation.Precision irrigation is an important practice in water-saving agriculture croppingsystem which allows producers to imize their productivity while saving water. And the major concerns are precisely determining the crop water requirement and the proper strategy of irrigation, and reach real-time and automatic irrigation with proper quantities of water and in place of need. Taking these concerns into consideration, a precision irrigation system based on wireless sensor networks WSN and fuzzycontrol technology was designed in this paper. The ZigBee-WSN was used to transmit the irrigation control signal, the soil water potential signal and micrometeorological information including air temperature, relative humidity, solar radiation, wind velocity and so on. The soil water potential and crop evapotranspiration calculated using the FAO56 Penman-Monteith equation were taken as input variables of fuzzy controller, and the multiple-factor control rule database was established for the fuzzy irrigation control system. The test results show that the system has many advantages, such as economic, practical, with high communication reliability and control accuracy.Especially, this system is quite appropriate for medium and small-sized precision irrigation area.Keywords: Soil moisture; standing, access control, irrigation, fuzzy control, SCM, humidity sensors, wireless sensor networks, fuzzy control, short-range, low-power wireless communication system目錄摘 要.III Abstract.IV目 錄..VI 1 緒 論……………………………………………………………………………… 11.1 引言…………………………………………………………………… 11.2 課題的主要任務……………………………………………………… 12 土壤濕度的檢測………………………………………………………………… 22.1 土壤濕度的檢測方法……………………………………………………… 22.2 土壤濕度檢測的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀………………………………………… 22.3 溫濕傳感器測量土壤濕度………………………………………………… 32.3.1 SHT71 溫濕傳感器的性能特點…………………………………… 32.3.2 SHT71 溫濕傳感器的工作原理…………………………………… 42.3.2 測量數(shù)據(jù)的處理…………………………………………………… 53 模糊控制技術(shù)…………………………………………………………………… 63.1 模糊控制技術(shù)的概念和優(yōu)點…………………………………………… 63.2 模糊控制技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢……………………………………… 73.3 基本模糊控制器設計概述……………………………………………… 84 單片機控制系統(tǒng)………………………………………………………………… 84.1 AT89S51 單片機最小系統(tǒng)介紹………………………………………… 84.2 動態(tài)四位 LED 數(shù)碼管顯示……………………………………………… 95 微灌技術(shù)………………………………………………………………………… 105.1 微灌技術(shù)的概念和優(yōu)點………………………………………………… 105.2 微灌技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀…………………………………………… 106 水箱水位報警系統(tǒng)………………………………………………………………106.1 水箱水位報警系統(tǒng)的原理和電路……………………………………… 10結(jié) 論……………………………………………………………………………… 11參考文獻………………………………………………………………………… 12致 謝……………………………………………………………………………… 13附 錄 電路原理圖………………………………………………………………………………141 緒 論1.1 引言如今人們的生活水平越來越高，盆栽植物[1]被越來越多的城市居民開始種植，也越來越受到人們的喜愛。喜愛盆景的人都知道，季節(jié)干旱、熱天，使有些喜潮濕的花缺水，同時，有些盆花一天不只要澆一次水。再者，除了專業(yè)的養(yǎng)花戶以外，一般的養(yǎng)花只是作為業(yè)余愛好，但是由于現(xiàn)在城市的生活節(jié)奏比較緊張，由于工作、出差等原因，人們經(jīng)常會無暇顧及自己的盆花，經(jīng)常忘記給盆花澆水或使植物枯死，或者由于一次澆水過多而使一些喜干的花卉澇死，使養(yǎng)花者遭受不必要的損失。當今世界水資源的缺乏已經(jīng)是一個不爭的事實，水資源已經(jīng)變成一種寶貴的稀缺資源，考慮到水資源的短缺和重要性，高效的自動化控制節(jié)水灌溉技術(shù)不但能夠有效的節(jié)約用水，同時也是現(xiàn)代化的體現(xiàn)，因此這篇文章在給盆花澆水時采用的方式是目前國際上受到廣泛認可和應用的微灌方法。要做到澆水適量這就要求我們對盆中土壤的濕度有一個大致的了解，采用單片機模糊智能控制是一種比較可行的方法。這個系統(tǒng)的工作原理是利用土壤水分傳感器測定土壤的含水量情況，并且把信號送到單片機，然后單片機根據(jù)其內(nèi)置的模糊控制規(guī)則，把輸入的信號進行模糊判決，根據(jù)判決結(jié)果作出是否進行灌溉以及灌溉多長時間。本篇文章提供了一種基于土壤濕度自動控制盆栽植物生長過程土壤水分測控系統(tǒng)，使土壤濕度控制在有利于植物生長的濕度范圍內(nèi)，有效避免了因過澇或過干而給植物造成的影響，確保植物能夠正常生長、開花、結(jié)果。1.2 課題的主要任務實現(xiàn)濕度與溫度的顯示；水份檢測器和土壤濕度檢測器相匹配的接口和功能；你如果配合使雨水檢測器，即使你設定的澆水時間天突然下雨了，澆水控制器就會自動關(guān)閥停止?jié)菜?；每天可設定八次定時澆水選擇，每次為 1 分鐘至 9 小時 59 分，也可以根據(jù)需要的時間設計；采用電機閥技術(shù),澆水自動控制器不受水壓影響, ,而且不易受水質(zhì)影響和堵塞。2 土壤濕度的檢測2.1 土壤濕度檢測的方法土壤既是一種非均質(zhì)的、多相的、分散的、顆?；亩嗫紫到y(tǒng)，又是～個由惰性固體、活性固體、溶質(zhì)、氣體以及水組成的多元復合系統(tǒng)，其物理特性非常復雜，并且空間變異性非常大，這就造成了土壤水分測量的難度。其含水量測量方法的研究涉及到應用數(shù)學、土壤物理、介質(zhì)物理、電磁場理論和微波技術(shù)等多種學科的并行交義。而要實現(xiàn)土壤水分的快速測量又要考慮到實時性要求，這更增加了其技術(shù)難度。土壤的特性決定了在測量土壤含水量時，必須充分考慮到土壤容重、土壤質(zhì)地、土壤結(jié)構(gòu)、土壤化學組成、土壤含鹽量等基本物理化學特性及變化規(guī)律。主要分為直接法和間接法兩種。直接法有烘干法和瓶筒法兩種；間接法有電阻法、電容法、電熱法、介電法、中子法、多孔器法、張力計法、Y-射線法、X-射線法、基于植物信息的方法、近紅外線法等 11 種.2.2 土壤濕度檢測的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀近幾年來，我國在土壤水分快速測量技術(shù)方面的研究也有了一定的進展，從用傳統(tǒng)的烘干方法測量土壤含水量逐步發(fā)展為用快速、無損傷技術(shù)來測量土壤含水量。國家對此研究投入了大量的人力物力，無論是在國家自然科學基金、國家“九五”攻關(guān)課題還是在國家， “863”項目等重大科研項目中都有立項，力圖尋找一種適合中國國情的、價廉物美的、便攜式土壤水分快速測量技術(shù)，這對我國土壤水分快速測量技術(shù)的發(fā)展起到了很大的推動作用。早在二十世紀七十年代末期，西安電子科技大學就開發(fā)了 svj 一 3 型微波水分測定儀．同時，蘭州大學、南京人學也對此進行了探索性研究；1960 年前后，我國開始進行實驗室條件下利用 Y 一射線透視法測量土壤含水量；巫新民 1982 、王偉 1982 等人開始進行利用阻抗方法測量土壤含水量的研究：到了二十世紀末期，中國農(nóng)業(yè)大學電氣信息學院王一鳴教授等人研制成功了基于駐波率原理的快速土壤水分測量儀，在土壤水分快速測量技術(shù)方面取得了重大突破，縮短了我國土壤水分快速測量技術(shù)與國際先進水平的差距。土壤水分快速測量是個應用廣泛和潛力巨大的學科，涉及到國民經(jīng)濟的許多領(lǐng)域，與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)密切相關(guān)。對于土壤水分快速測量技術(shù)的發(fā)展，許多學者做了大量的研究工作，特別是國外學者在這方面的起步比較早，得到的成果也比較多。Gardner 1922 就開始從事張力計快速測定非飽和土壤水張力的研究；Shaw-Bauer 1939 年利用埋入土壤的熱電線電阻變化進行土壤水分快速測量的研究；Belender 1950 和 GardnerKirknam 1952 提出了利用中子衰減法來快速測量土壤含水量：在二十世紀四十年代，Anderson 探討了采用音頻電橋來快速測量土壤含水量：Topp 和 Davis 1976 首次將時域反射法引入土壤水分快速測量的研究，并逐步形成為一種比較完善的土壤水分快速測量系統(tǒng)：Hasnsworth 1983 等人開始探討利用 X一射線來快速測量土壤濕度的可行性：同年，Wheeler 等人則探討利用通過兩點布設 Y 一射線來監(jiān)測數(shù)小時灌溉的水分運動狀況：Whalley 1991 在實驗室內(nèi)用近紅外的方法來快速測量土壤含水量，并取得了一定的研究成果，后來，日本學者在這方面進行了大量的研究，并研制成功了近紅外土壤水分傳感器。2.3 SHT71 溫濕傳感器測量土壤的濕度2.3.1 SHT71 溫濕傳感器的性能特點溫濕度的測量在倉儲管理、工業(yè)生產(chǎn)制造、智能化建筑、科學研究及日常生活中被廣泛應用，傳統(tǒng)的模擬式濕度傳感器需設計信號調(diào)理電路并需要經(jīng)過復雜的校準、標定過程，測量精度難以得到保證，且在線性度、重復性、互換性、一致性等方面往往不盡人意。SHT71 是瑞士 Sensirion 公司推出的基于 CMOSens 技術(shù)的新型溫濕度傳感器。該傳感器將 CMOS 芯片技術(shù)與傳感器技術(shù)結(jié)合起來，發(fā)揮出強大的優(yōu)勢互補作用。⑴溫濕度傳感器、信號放大調(diào)理、A/D 轉(zhuǎn)換、I2C 總線接口全部集成于一個芯片上（CMOSens 技術(shù)） ；⑵全校準相對濕度及溫度值輸出；⑶工業(yè)標準 I2C 總線數(shù)字輸出接口；⑷具有露點值計算輸出功能；⑸免外圍元件；⑹卓越的長期穩(wěn)定性； ⑺濕度值輸出分辨率為 14 位，溫度值輸出分辨率為 12 位，可編程降至 12 位和 8 位；⑻可靠的 CRC 數(shù)據(jù)傳輸校驗功能；⑼片內(nèi)裝載的校準系數(shù)，保證 100%的互換性。⑽電源電壓：2.4V～5.5V;⑾電流消耗:測量 550 A，平均 28 A，睡眠 0.3 A。SHT71 可通過 I2C 總線直接輸出數(shù)字量溫濕度值。SHT71 的封裝形式為小體積 4 腳單線封裝，其引腳說明如下：⑴SCK：串行時鐘輸入；⑵VDD：2.4～5.5V電源端；⑶GND：接地端；⑷DATA：雙向串行數(shù)據(jù)線。SHT71 數(shù)字式溫濕度傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖 1 所示。SHT71 傳感器是一款由多個傳感器模塊組成的單片全校準數(shù)字輸出相對濕度和溫度傳感器，它采用了特有的工業(yè)化的 CMOS 技術(shù)，保證了極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性，整個芯片包括校準的相對溫度和濕度傳感器，它們與一個 14 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器相連，此外還具有一個 I2C 總線串行接口電路，每一個傳感器都是在極為精確的濕度室中進行校準的，校準系數(shù)預先存在傳感器 OTP 內(nèi)存中，在測量校準的全過程都要用到這些系數(shù)。CMOSens 技術(shù)的優(yōu)勢首先在于，利用具有不同保護下的“微型結(jié)構(gòu)“檢測電極系統(tǒng)與聚合物覆蓋層組成了傳感器芯片的電容，除保持電容式濕敏器件的原有特性外還可抵御來自外界的影響而對傳感器進行保護，即使將傳感器浸入到液體中也不會對傳感器造成損害，同時還將溫度傳感器與濕度傳感器結(jié)合在一起構(gòu)成了一個單一的個體，這就可使測量精度提高并且可以精確得出露點值，而不會產(chǎn)生由于溫度與濕度傳感器之間隨溫度梯度變化而引起的誤差。 其次將傳感器元件、信號放大器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、校準數(shù)據(jù)存儲器、I2C 總線等外圍調(diào)理電路，全部與溫濕度傳感器集成在了一個只有幾平方毫米的芯片上，因此、其優(yōu)勢是顯而易見的，由于傳感器與信號放大器合為一體，這不僅使信號強度增加、抗干擾性能增強，且長期穩(wěn)定性也得到了保證，集成在一起的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，可降低系統(tǒng)的噪聲干擾。尤為重要的是每一只傳感器芯片內(nèi)裝載的針對該芯片傳感器的校準數(shù)據(jù)，保證了每一只濕度傳感器輸出的一致性，使得濕度傳感器可以 100%的互換，同時還具有反應迅速（4S at 1/e） 、高精度（0~90RH 3%） 、低功耗的特點。最后傳感器可以直接通過 I2C 總線與任何種類微處理器、微控制器系統(tǒng)接口，從而減少了傳感器接口開發(fā)時間及降低了硬件成本。為了將 SHT71 輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成實際物理量需進行相應的數(shù)據(jù)處理。⑴濕度變換 SHT71 的輸出特性呈一定的非線性，為了補償濕度傳感器的非線性以獲取準確數(shù)據(jù)，可按如下公式修正濕度值：RHlinear c1＋c2??SORH＋c3??SORH2 式中 SORH 為傳感器相對濕度測量值，系數(shù)取值如下：12 位 SORH ：c1 -4 c2 0.0405 c3 -2.8*10-68 位 SORH： c1 -4 c2 0.648 c3 -7.2*10-4⑵溫度補償上述濕度計算公式是按環(huán)境溫度為 25℃進行計算的，而實際的測量溫度則在一定范圍內(nèi)變化，所以應考慮濕度傳感器的溫度系數(shù)，按如下公式對環(huán)境溫度進行補償。RH true （T℃-25）??（t1＋t2??SORH）＋Rhlinear 當 SORH 為 12 位時 t1 0.01；t2 0.00008，當 SORH 為 8 位時，t2 0.00128⑶溫度變換由設計決定的 SHT71 溫度傳感器的線性非常好，故可用下列公式將溫度數(shù)字輸出轉(zhuǎn)換成實際溫度值： 溫度 d1＋d2*SOT 當電源電壓為 5V、溫度傳感器的分辨率為 14 位時，d1 -40,d2 0.01，當溫度傳感器的分辨率為 12 位時，d1 -40,d2 0.04。⑷露點值計算空氣的露點值可根據(jù)相對濕度和溫度值由下面的公式計算:LogEW （0.66077＋7.5*T/（237.3＋T）＋（log10（RH）－2） Dp （（0.66077-logEW）*237.3）/（logEW－8.16077）命令與接口時序 SHT71 傳感器共有 5 條用戶命令，具體命令格式見表 1。下面介紹一下具體的命令順序及命令時序。⑴傳輸開始初始化傳輸時，應發(fā)出“傳輸開始“命令，命令包括 SCK 為高時，DATA 由高電平變?yōu)榈碗娖?，并在下一個 SCK 為高時將 DATA 升高。后一個命令順序包含三個地址位（目前只支持“000“）和 5 個命令位，通過 DATA 腳的 ack位處于低電位表示 SHT71 正確收到命令。⑵連接復位順序如果與SHT71 傳感器的通訊中斷，下列信號順序會使串口復位：當使 DATA線處于高電平時，觸發(fā) SCK 9 次以上（含 9 次） ，并隨后發(fā)一個前述的“傳輸開始“命令。⑶溫濕度測量時序當發(fā)出了溫（濕）度測量命令后，控制器就要等到測量完成。使用 8/12/14 位的分辨率測量分別需要大約 11/55/210 毫秒。為表明測量完成，SHT71 會使數(shù)據(jù)線為低，此時控制器必須重新啟動 SCK。然后傳送兩字節(jié)測量數(shù)據(jù)與1 字節(jié) CRC 校驗和?？刂破鞅仨毻ㄟ^使 DATA 為低來確認每一字節(jié)，所有的量中從右算 MSB 列于第一位。通訊在確認 CRC 數(shù)據(jù)位后停止。如果沒有用 CRC-8 校驗和，則控制器就會在測量數(shù)據(jù) LSB 后，保持ACK 為高來停止通訊，SHT71 在測量和通訊完成之后會自動返回睡眠模式。需要注意的是，為使 SHT71 溫升低于 0.1℃,則此時工作頻率不能大于 15%（如：12 位精確度時，每秒最多進行 3 次測量） 。 1 使用語言方法，可不需要掌握過程的精確數(shù)學模型。因為對復雜的生產(chǎn)過程很難獲取過程的精確數(shù)學模型，而語言方法卻是一種很方便的近似。 2 對于具有一定操作經(jīng)驗、而非控制專業(yè)的工作者，模糊控制方法易于掌握。 3 操作人員易于通過人的自然語言進行人機界面聯(lián)系，這些模糊條件語句很容易加入到過程的控制環(huán)節(jié)上。 4 采用模糊控制，過程的動態(tài)響應品質(zhì)優(yōu)于常規(guī) PID 控制，并對過程參數(shù)的變化具有較強的適應性。3.2 模糊控制技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢模糊控制技術(shù)自誕生之日起便有了很強的生命力，模糊技術(shù)的由來應追溯到 1965 年,美國控制論專家 L??A 扎德提出了模糊集合理論,它為模糊技術(shù)的產(chǎn)生奠定了理論基礎.1974 年英國學者 E.H 馬達尼首先在試驗室里實現(xiàn)了對蒸汽發(fā)動機的模糊控制,從而出現(xiàn)了一種嶄新的控制技術(shù)――模糊控制,簡稱模糊技術(shù).經(jīng)過 30 多年的發(fā)展,冠有“模糊“字樣的產(chǎn)品如雨后春筍般遍及世界各地.,越來越受到全世界人們的關(guān)注,專家們認為它有可能成為 21 世紀科學發(fā)展的一項基礎技術(shù).為了確保 21 世紀的科技競爭力,各國爭先恐后地發(fā)展模糊技術(shù).在模糊控制理論方面的研究,美國處于世界領(lǐng)先的水平.從 1995 年到 1997 年,美國的電力部門撥款 120 萬美元資助美國電網(wǎng)的模糊神經(jīng)元網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的開發(fā).另外,智能汽車高速公路運行系統(tǒng),金融管理系統(tǒng)研究計劃也在實施之中.,確定了 6 個重要發(fā)展課題:1,基礎研究:研究基本概念,模糊數(shù)學理論和方法,以確保應用開發(fā)的連續(xù)性.2,模糊電腦:實現(xiàn)模糊信息的電腦處理,包括電腦的構(gòu)造,邏輯記憶和存貯等.3,機器智能:實現(xiàn)模糊信息處理,使機器能高速地識別和判斷模糊信息,包括智能控制,機器人,通信處理和模式識別等.4,人機系統(tǒng):實現(xiàn)人機系統(tǒng),包括模糊數(shù)據(jù)庫,模糊專家系統(tǒng)和自然語言處理技術(shù).5,人與社會系統(tǒng):主要進行復雜的人類行為分析,包括決策支持系統(tǒng),醫(yī)療診斷系統(tǒng),行為心理透視系統(tǒng)及社會經(jīng)濟模型.6,自然:研究模擬和理解自然現(xiàn)象,包括辨別物理變化和化學變化,判斷大氣污染狀況,進行地震預測和經(jīng)濟系統(tǒng)分析.,我國在模糊控制技術(shù)的理論和實踐兩方面都有了長足的發(fā)展.國家經(jīng)貿(mào)于 1994 年所立的國家重大技術(shù)項目“模糊控制技術(shù)的開發(fā)與應用“中特別包含了一個子項目――模糊控制技術(shù)標準化.這個項目,由國家技術(shù)監(jiān)督局標準化司直接承擔并負責組織實施.迄今已有兩年時間,取得了重大進展.這個子項目的實施必將對我國模糊控制技術(shù)的發(fā)展產(chǎn)生深遠的影響.,模糊控制無所不在,且與人們的生活息息相關(guān).專家認為模糊控制技術(shù)高深莫測,它還有很大潛力可挖.未來的某一天,它將會以更使人出乎意料的面目出現(xiàn)在世人的面前 或過程 的控制作用。這反映人們在對被控過程進行控制中，不斷將觀察到的過程輸出精確量轉(zhuǎn)化為模糊量，經(jīng)過人腦的思維與邏輯推理取得模糊判決后，再將判決的模糊量轉(zhuǎn)化為精確量，去實現(xiàn)手動控制的整個過程?？梢?，模糊控制器體現(xiàn)了模糊集合理論、語言變量及模糊推理在不具有數(shù)學模型，而控制策略只有以語言形式定性描述的復雜被控過程中的有效應用。4 單片機控制系統(tǒng)4.1 AT89S51 單片機最小系統(tǒng)AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié) FLASH 存儲器的低電壓、高性能 CMOS 8 位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除 1000 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的 MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL 的 AT89C51 是一AT89C2051 是它的一種精簡版本。AT89C 單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。外形及引腳排列如圖所示 8個顯示筆劃“a,b,c,d,e,f,g,dp “的同名端連在一起，另外為每個數(shù)碼管的公共極 COM 增加位選通控制電路，位選通由各自獨立的 I/O線控制，當單片機輸出字形碼時，所有數(shù)碼管都接收到相同的字形碼，但究竟是那個數(shù)碼管會顯示出字形，取決于單片機對位元選通COM 端電路的控制，所以我們只要將需要顯示的數(shù)碼管的選通控制打開，該位就顯示出字形，沒有選通的數(shù)碼管就不會亮。STC89C51單片機為核心來控制水塔的水位，并實現(xiàn)了報警和手動、自動切換功能。本設計包含四路水位輸入，通過兩個工作泵，一個備用泵來實現(xiàn)水位的自動調(diào)節(jié)。其中，水箱水位的測量是通過自制的開關(guān)式傳感器將水位信號傳送給 STC89C51 的 P1 口，并對其進行分析處理，然后根據(jù)控制要求輸出控制信號，控制給水泵工作，進而保持水塔有正常的水位。同時也詳盡的介紹了此次設計中最重要的組成部件。該設計介紹了 STC89 系列單片機基本結(jié)構(gòu)與相關(guān)的硬件資源，水位傳感器的設計〔1． 〔J〕 ． ，20，3〔〕 ． 〔．北京：， ．〔3〕 〔4〕[J]．土壤學進展，1989， 5 ：47：49〔5〕 ．SU-8 粘合技術(shù)的微型壓力、溫度和濕度集成傳感器〔C〕 ．北京：， ． 〔6〕 ． 〔D〕 ．：， ．7 ]． 馬云霞．溫室，大棚節(jié)水微噴灌溉智能控制的研制與應用[J]．農(nóng)業(yè)機械化與電氣化，2006 2 ：45―46〔8〕 ． 〔P〕 ．：，zl） ． 〔9〕[ J ]．ScientiaHorticulturae 110． 2006 292 297．〔10〕.基于 AT89S51 單片機的微型土壤濕度檢測儀設計[ J ]．：， ．〔1〕300 例 上冊 [M]．北京：北京航空航天大學出版社，2006．〔12〕 ． 〔N〕 ． ， ．3] 陳本華，張家寶，趙春生．土壤濕度測量兩種常用方法的對比及中子探測過程的標定[J]．核農(nóng)學通報，1995， 1 ：43―45[14]． 馬云霞．溫室，大棚節(jié)水微噴灌溉智能控制的研制與應用[J]．農(nóng)業(yè)機械化與電氣化，2006 2 ：45―46[15]Gardner．i．a(chǎn)nd D．Kirkham．1951．Determination of soil moisture by neutron scattering；Soil Set，1-401附錄電路原理圖文獻綜述盆花的自動澆水系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)一、前言如今人們的生活水平越來越高，盆栽植物[1]被越來越多的城市居民開始種植，也越來越受到人們的喜愛。喜愛盆景的人都知道，季節(jié)干旱、熱天，使有些喜潮濕的花缺水，同時，有些盆花一天不只要澆一次水。再者，除了專業(yè)的養(yǎng)花戶以外，一般的養(yǎng)花只是作為業(yè)余愛好，但是由于現(xiàn)在城市的生活節(jié)奏比較緊張，由于工作、出差等原因，人們經(jīng)常會無暇顧及自己的盆花，經(jīng)常忘記給盆花澆水或使植物枯死，或者由于一次澆水過多而使一些喜干的花卉澇死，使養(yǎng)花者遭受不必要的損失。當今世界水資源的缺乏已經(jīng)是一個不爭的事實，水資源已經(jīng)變成一種寶貴的稀缺資源，地球上的總水量約為 13860 億立方米，其中大部分是人類不能直接使用的海洋水，約為 13380 億立方米，約占全球總水量的 96.5%。在余下的水量中還有 1.78%的地表水， 1.69%的地下水。人類主要能利用的淡水約 350 億立方米，只占全球總水量的 2.53%。 ，其中大部分還是以冰川、永久積雪和多年凍土的形式儲存，不能直接利用，少部分分布在湖泊、河流、土壤和地表以下淺層地下水中。我國的水資源也相當缺乏，雖然總量位居世界第六，但我國人口眾多，人均量卻只有世界人均量的四分之一，且分布也是很不均勻，因此水資源問題已不僅僅是單純的資源問題，更是關(guān)系到國家經(jīng)濟、社會可持續(xù)發(fā)展和長治久安。所以，節(jié)約用水已經(jīng)刻不容緩了。考慮到水資源的短缺和重要性，高效的自動化控制節(jié)水灌溉技術(shù)不但能夠有效的節(jié)約用水，同時也是現(xiàn)代化的體現(xiàn)，因此這篇文章在給盆花澆水時采用的方式是目前國際上受到廣泛認可和應用的微灌方法。微灌，是按照作物的要求，通過管道系統(tǒng)與安裝在末級管道上的灌水器，將水和作物生長所需的養(yǎng)分以較小的流量，均勻、準確地直接輸送到作物根部附近土壤的一種灌水方法。與傳統(tǒng)的全面積濕潤的地面灌和噴灌相比，微灌只以較小的流量濕潤作物根區(qū)附近的部分土壤，因此，又稱為局部灌溉技術(shù)。要做到澆水適量這就要求我們對盆中土壤的濕度有一個大致的了解，采用單片機模糊智能控制是一種比較可行的方法。這個系統(tǒng)的工作原理是利用土壤水分傳感器測定土壤的含水量情況，并且把信號送到單片機，然后單片機根據(jù)其內(nèi)置的模糊控制規(guī)則，把輸入的信號進行模糊判決，根據(jù)判決結(jié)果作出是否進行灌溉以及灌溉多長時間。本篇文章提供了一種基于土壤濕度自動控制盆栽植物生長過程土壤水分測控系統(tǒng)，使土壤濕度控制在有利于植物生長的濕度范圍內(nèi)，有效避免了因過澇或過干而給植物造成的影響，確保植物能夠正常生長、開花、結(jié)果。二、主題土壤濕度[2]，作為進行土壤澆灌的基本參考量，土壤濕度的定義有兩種：一種是質(zhì)量百分比；另一種是體積百分比，用 PCT表示。測定土壤濕度的方法有重量法、電阻法、負壓計法、中子法、遙感法。目前國內(nèi)外有很多種檢測土壤濕度的儀器和系統(tǒng)，有應用SU-8 粘合技術(shù)的濕度傳感器[4]，該傳感器是由 SU-8 真空粘合技術(shù)制作的鉑壓阻壓力傳感器，鉑電阻溫度傳感器和電容式濕度傳感器組成；有基于 3G 和 WSN 的濕度采集系統(tǒng)[5]，該系統(tǒng)通過設置若干個無線傳感器網(wǎng)絡，構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡群，每個傳感器網(wǎng)絡由若干傳感器節(jié)點和 1 個簇頭節(jié)點組成，傳感器節(jié)點采集的濕度數(shù)據(jù)通過無線射頻電路傳輸?shù)綗o線傳感器網(wǎng)絡的簇頭，簇頭節(jié)點再傳輸?shù)綗o線中繼節(jié)點，由中繼節(jié)點發(fā)送到 3G 網(wǎng)絡，最后傳到土壤濕度監(jiān)測中心，但該系統(tǒng)成本很高，不適合做家庭式的盆花澆水器；有基于GPRS 短信息方式的土壤濕度檢測系統(tǒng)[6]，本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)發(fā)送和無線通信部分、數(shù)據(jù)接收及處理部分等組成。通過傳感器采集的數(shù)據(jù)存人單片機 AT89C2051 內(nèi)；單片機再通過無線通訊模塊 GR47 發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，下位機主要完成采集數(shù)據(jù)、分時存儲和上、下位機通信，通過串行接口和電平轉(zhuǎn)換電路與 GSM 聯(lián)接，實現(xiàn)以公眾網(wǎng)為平臺，通過電信公眾網(wǎng)絡[7]傳輸數(shù)據(jù)；有基于 AT89S51 單片機的微型土壤濕度檢測儀[8]，微型土壤檢測儀的信號處理系統(tǒng)包括土壤濕度傳感器、MD 采集電路、單片機和微型液晶顯示器。其工作過程是：土壤濕度傳感器將濕度信號送至 A／D 采集電路[9]，經(jīng)A／D 轉(zhuǎn)換后，所得數(shù)字信號送入單片機進行數(shù)據(jù)處理，最后將處理結(jié)果發(fā)送到微型液晶顯示器顯示。本次設計我們將采用的是電阻法。土壤電阻值與它的濕度有關(guān)[3]，潮濕時電阻值小，干燥時電阻值大，因此可通過測定土壤電阻值來判斷其濕度。土壤水分的不同會導致土壤有不同的電阻值[11]，通過澆水器插在土壤中的探頭檢測土壤的電阻，然后經(jīng)過信號轉(zhuǎn)換電路把系統(tǒng)的電阻信號轉(zhuǎn)化為電信號。再經(jīng)過控制電路和放大器輸出高低電平信號，單片機[12]通過判斷其前端輸出電信號的高低來控制繼電器進而控制連接水箱水閥的通斷[13]，從而完成是否對土壤進行澆水。正如上面所說水資源現(xiàn)在已經(jīng)變得非常寶貴，所以理想的澆水方法是采用微灌，微灌，是按照作物需求，通過管道系統(tǒng)與安裝在末級管道上的灌水器，將水和作物生長所需的養(yǎng)分以較小的流量，均勻、準確地直接輸送到作物根部附近土壤的一種灌水方法。與傳統(tǒng)的全面積濕潤的地面灌和噴灌相比，微灌只以較小的流量濕潤作物根區(qū)附近的部分土壤，因此，又稱為技術(shù) 4]的類型可以有地表滴灌、地下滴灌、微噴灌、涌泉灌四種。在這個實物設計中，考慮到成本和制作的難易，我們將采用地表滴灌的方法。各種微灌技術(shù)措施的共同特點是用塑料（或金屬）低壓管道，把小的灌溉水送到作物附近，再通過體積很小的塑料 或金屬 滴頭或微噴頭，把水滴在或噴灑在作物根區(qū),或在作物頂部形成雨霧,也有通過較細的塑料管把水直接注入根部附近土壤。這類灌水方法與和比較,灌水的流量小,持續(xù)時間長，間隔時間短,土壤濕度變幅小。根據(jù)許多國家試驗結(jié)果,微灌比噴灌可水 30％左右，比地面灌可水75％左右。微灌采用的工作壓力一般為 50～150kPa， 。由于微灌可以使作物根區(qū)土壤始終處于有利于作物生長的水分狀況， 。微灌還可以使土壤經(jīng)常保持較高的含水量，所以還能用不能使用的礦化度較高的水進行灌溉地面灌溉和噴灌。霧灌除具有補充土壤水分作用外，還提高空氣濕度、降溫、防霜凍等調(diào)節(jié)小氣候。 用透水管進行滴灌試驗，始于 20 世紀 20～30 年代 5]。60年代末和 70 年代初,滴灌技術(shù)得到較大規(guī)模的采用,但由于堵塞問題成為進一步發(fā)展。滴灌 12]對水質(zhì)的要求很高，80 年代初開始，形成微噴灌，了堵塞問題。涌泉灌是將微灌系統(tǒng)上的微噴頭或滴頭去掉，代以一截短管，直接從管口涌水，對果樹等進行局部灌溉，雖流量比微灌或滴灌要大，但能有效地防止堵塞問題。到 80 年代中期，全世界微灌面積 14]雖僅有 42 萬公頃，但已廣泛用于灌溉果樹、蔬菜、花卉、葡萄等作物。 4 參考文獻〔1． 〔J〕 ． ，20，3〔〕 ． 〔．北京：， ．〔3〕 〔4〕[J]．土壤學進展，1989， 5 ：47：49〔5〕 ．SU-8 粘合技術(shù)的微型壓力、溫度和濕度集成傳感器〔C〕 ．北京：， ． 〔6〕 ． 〔D〕 ．：， ．7 ]． 馬云霞．溫室，大棚節(jié)水微噴灌溉智能控制的研制與應用[J]．農(nóng)業(yè)機械化與電氣化，2006 2 ：45―46〔8〕 ． 〔P〕 ．：，zl） ． 〔9〕[ J ]．ScientiaHorticulturae 110． 2006 292 297．〔10〕.基于 AT89S51 單片機的微型土壤濕度檢測儀設計[ J ]．：， ．〔1〕300 例 上冊 [M]．北京：北京航空航天大學出版社，2006．〔12〕 ． 〔N〕 ． ， ．3] 陳本華，張家寶，趙春生．土壤濕度測量兩種常用方法的對比及中子探測過程的標定[J]．核農(nóng)學通報，1995， 1 ：43―45[14]． 馬云霞．溫室，大棚節(jié)水微噴灌溉智能控制的研制與應用[J]．農(nóng)業(yè)機械化與電氣化，2006 2 ：45―46[15]Gardner．i．a(chǎn)nd D．Kirkham．1951．Determination of soil moisture by neutron scattering；Soil Set，1-401開題報告盆花的自動澆水系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)1 選題的背景、目的及意義當今社會，養(yǎng)花已經(jīng)成為了人們的一種愛好，在業(yè)余時間這成為了一種陶冶情操的好方法。但是由于現(xiàn)在城市的生活節(jié)奏比較緊張，工作時間長、工作壓力大，再加上時不時的要出差等原因，人們經(jīng)常會忽略了種養(yǎng)的盆花，經(jīng)常使花兒處在一種缺水的狀態(tài)，當有時間去給盆花澆水時，又往往不知道該澆多少水才合適，澆水量不能夠做到適度，使花兒處在一種不理想的生活環(huán)境中，讓花兒不能健康生長，達不到一種好的觀賞效果，或者生命力不強的花就這樣枯萎或澇死了，影響的養(yǎng)花者的心情，同時也使養(yǎng)花者遭受了經(jīng)濟上的損失。如今水資源已經(jīng)越來越匱乏了，21 世紀水資源已經(jīng)變成一種寶貴的稀缺資源，雖然地球上的水總量很多，但是能被我們?nèi)祟惱玫牡畢s非常的有限，我國的水資源也不容樂觀，雖然總量位居世界第六，但人均量卻只有世界人均量的四分之一，而且分布也很不均勻，因此水資源問題已不僅僅是資源問題，更是關(guān)系到國家經(jīng)濟、社會可持續(xù)發(fā)展和長治久安的重大戰(zhàn)略問題。所以我們必須節(jié)約用水?？紤]到水資源的短缺和重要性，高效的自動化控制節(jié)水灌溉技術(shù)不但能夠有效的節(jié)約用水，同時也是現(xiàn)代化的體現(xiàn)，因此這次在給盆花澆水時采用的方式是目前國際上受到廣泛認可和應用的微灌方法。微灌，是按照作物的要求，通過管道系統(tǒng)與安裝在末級管道上的灌水器，將水和作物生長所需的養(yǎng)分以較小的流量，均勻、準確地直接輸送到作物根部附近土壤的一種灌水方法。與傳統(tǒng)的全面積濕潤的地面灌和噴灌相比，微灌只以較小的流量濕潤作物根區(qū)附近的部分土壤，因此，又稱為局部灌溉技術(shù)。做到澆水適量是一個重要的部分，這就要求我們對盆中土壤的濕度有一個大致的掌握，采用單片機模糊智能控制系統(tǒng)[1]是一種切實可行的方法。系統(tǒng)的工作原理是利用土壤水分傳感器測定土壤的含水量情況，并且把信號送到單片機，然后單片機根據(jù)其內(nèi)置的模糊控制規(guī)則，把輸入的信號進行模糊判決，根據(jù)判決結(jié)果作出是否進行灌溉以及灌溉多長時間。有了這個自動澆水系統(tǒng)，那你的盆花將會健康的生長了。2 相關(guān)研究的最新成果及動態(tài) 給盆花澆水首先要檢測土壤的濕度[2]，目前國內(nèi)外有很多種檢測土壤濕度的儀器和系統(tǒng)[3]，有應用 SU-8 粘合技術(shù)的濕度傳感器[4]，該傳感器是由 SU-8 真空粘合技術(shù)制作的鉑壓阻壓力傳感器，鉑電阻溫度傳感器和電容式濕度傳感器組成；有基于 3G 和 WSN 的濕度采集系統(tǒng)[5]，該系統(tǒng)通過設置若干個無線傳感器網(wǎng)絡，構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡群，每個傳感器網(wǎng)絡由若干傳感器節(jié)點和 1 個簇頭節(jié)點組成，傳感器節(jié)點采集的濕度數(shù)據(jù)通過無線射頻電路傳輸?shù)綗o線傳感器網(wǎng)絡的簇頭，簇頭節(jié)點再傳輸?shù)綗o線中繼節(jié)點，由中繼節(jié)點發(fā)送到 3G 網(wǎng)絡，最后傳到土壤濕度監(jiān)測中心，但該系統(tǒng)成本很高，不適合做家庭式的盆花澆水器；有基于 GPRS 短信息方式的土壤濕度檢測系統(tǒng)[6]，本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)發(fā)送和無線通信部分、數(shù)據(jù)接收及處理部分等組成。通過傳感器采集的數(shù)據(jù)存人單片機 AT89C2051 內(nèi)；單片機再通過無線通訊模塊 GR47 發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，下位機主要完成采集數(shù)據(jù)、分時存儲和上、下位機通信，通過串行接口和電平轉(zhuǎn)換電路與 GSM 聯(lián)接，實現(xiàn)以公眾網(wǎng)為平臺，通過電信公眾網(wǎng)絡[7]傳輸數(shù)據(jù)；有基于 AT89S51 單片機的微型土壤濕度檢測儀[8]，微型土壤檢測儀的信號處理系統(tǒng)包括土壤濕度傳感器、MD采集電路、單片機和微型液晶顯示器。其工作過程是：土壤濕度傳感器將濕度信號送至 A／D 采集電路[9]，經(jīng) A／D 轉(zhuǎn)換后，所得數(shù)字信號送入單片機進行數(shù)據(jù)處理，最后將處理結(jié)果發(fā)送到微型液晶顯示器顯示。作為節(jié)水性很強的微灌技術(shù)，目前已經(jīng)在國內(nèi)外得到的廣泛認同和使用。微灌技術(shù)很早就開始有了，但最近一二十年它得到了較快的發(fā)展，目前微灌技術(shù)用的比較普遍的主要有美國、西班牙、澳大利亞、南非和以色列等國家。我國自 1975 年以后也開始嘗試使用微灌技術(shù)，經(jīng)歷了一個引進、消化的過程，最近幾年由于國家的重視和實際的需要，各地都在大力發(fā)展節(jié)水灌溉，微灌在我國進入了快速增長階段。3 課題的研究內(nèi)容及擬采取的研究方法（技術(shù)路線） 、研究難點及預期達到的目標土壤電阻值與其濕度有關(guān)[10]，潮濕時電阻值小，干燥時電阻值大，所以可以通過測定土壤的電阻值來衡量其濕度，這次設計采用的測量電路如圖 1 所示，土壤電阻 R1 與電路內(nèi)部電容 C1 構(gòu)成 RC回路，又與 NE555 構(gòu)成完整的振蕩電路；同時，NE555 把 RC 振蕩的波形輸出為脈沖信號，方便于與數(shù)字控制系統(tǒng)連接以計算電路振蕩頻率，達到測量濕度的目的。圖 1 濕度檢測電路1.研究內(nèi)容1、利用電阻-頻率轉(zhuǎn)換來測量土壤濕度。2、利用信號控制澆水裝置。3、畫出電路圖。4、最后對于某種盆花能進行自動澆水的演示。2.技術(shù)路線1、了解土壤濕度的概念。2、根據(jù)土壤電阻值與其濕度有關(guān)的特性，來測量土壤的濕度。3、了解微灌的種類，有地表滴灌、地下滴灌、微噴灌和涌泉灌四種。4、能利用軟件繪制土壤濕度測量的電路圖。3.實現(xiàn)方法和步驟1、通過資料了解利用電阻測量土壤濕度這個方法的原理。2、設計電路電路，根據(jù)電路圖準備好所需的原件，制作一個土壤濕度測量系統(tǒng)。3、選定某種花卉，根據(jù)植物種類、土壤種類來設置濕度值的上、下限。當土壤的濕度值≥濕度上限值時，系統(tǒng)停止?jié)补?。當土壤的濕度?濕度下限值時，系統(tǒng)就進行澆灌。4、當土壤需要澆灌時，通過系統(tǒng)來控制出水裝置進行灌溉。4.技術(shù)難點1、土壤電阻值與頻率之間的轉(zhuǎn)換。2、控制澆水裝置。3、裝水裝置的設計。5.預期目標1、設計出一個土壤濕度測量系統(tǒng)來對土壤的濕度進行檢測。2、根據(jù)測量結(jié)果控制澆水裝置對土壤進行澆灌，以達到花卉所需的濕度。4 研究工作詳細進度和安排2010 年 11 月 23 日―2010 年 12 月 5 日 布置畢業(yè)設計任務，講解畢業(yè)設計的方法和步驟，查找、分析相關(guān)文獻資料； 2010 年 12 月 6 日―2011 年 1 月 10 日 初步擬定系統(tǒng)采取的