1、xxxxxxxxx2015 届本科毕业论文（设计）I摘 要自动控制节水灌溉技术的高低代表着农业现代化的发展状况，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。本文就此问题研究了单片机控制的节水灌溉系统，该系统可对不同土壤的湿度进行检测，并按照作物对土壤湿度的要求进行适时、适量灌水。本作品是以 STC12C5A60S2 单片机为设计核心，主要由土壤湿度传感器，数据处理电路，显示电路，输出控制电路，故障报警电路等组成，软件选用 C 语言编程。单片机可将土壤湿度传感器检测到的土壤湿度模拟量转换成数字量，并显示于 LCD 显示屏上，根据设定值判断，若需灌水，则单片机系统启动鸣音报警，发出灌水
2、信号，开启电磁阀进行灌水。该设计灵活性强，易于操作，可靠性高，具有方便、快捷和经济等特点，可根据土壤湿度及时灌溉。关 键 词 ： 单片机 STC12C5A60S2、 节水灌溉、 自动控制xxxxxxxxx2015 届本科毕业论文（设计）IIAbstractThe level of auto-control water-saving irrigation technology reflects the development condition of agriculture modernization.The low automatic level of irrigation system is
3、 the main reason that prevented our agricultures development. Water-saving irrigation in this paper, the research on the issue of single-chip microcomputer control system, the system could be used for different soil humidity testing, and timely in accordance with the requirements of the crops on soi
4、l moisture, adequate water.This work is based on STC12C5A60S2 micro-controller design core.The bottom hardware system mainly consists of soil moisture sensor,signal transfer circuit,monitor display circuit,our port control circuit,malfunction display circuit and the procedure programmed with C assem
5、ble language. Single chip microcomputer can change the humidity of the soil moisture sensor to convert the amount of soil moisture to a digital quantity, and displayed on the LCD display. According to set value judgment, if need to infuse water, then single chip microcomputer system start singing so
6、und alarm, signal to infuse water, open water electromagnetic valve. The high design flexibility, easy operation, high reliability, has the characteristics of convenient, quick and economic, to irrigation in time according to the soil moisture.Keywords: STC12C5A60S2 wireless, water-saving irrigation
7、, auto-controlxxxxxxxxx2015 届本科毕业论文（设计）1目录1 绪论 .11.1 引言 .11.2 课题背景及研究的目的与意义 .11.2.1 课题背景 .11.2.2 课题研究的目的与意义 .21.3 节水灌溉控制系统国内外的研究现状 .31.4 课题研究内容 .32 系统总体设计方案 .42.1 系统工作原理 .42.2 系统方框图设计 .42.3 系统结构 .52.3.1 湿度检测模块 .52.3.2 单片机模块 .52.3.3 显示模块 .52.3.4 输出控制模块 .52.3.5 报警模块 .52.4 主要器件的选取 .52.4.1 单片机的选取 .52.4.
8、2 土壤湿度传感器的选取 .92.4.3 显示器的选取 .102.4.4 电磁阀的选取 .102.4.5 软件语言的选取 .113 系统主要硬件电路设计 .133.1 单片机主机系统电路 .133.1.1 时钟电路 .133.1.2 复位电路 .143.2 数据采集处理电路 .153.2.1 湿度采集 .153.2.2A/D 转换部分 .17xxxxxxxxx2015 届本科毕业论文（设计）23.3LCD 显示电路 .183.3.1 1602LCD 基本参数 .193.3.2 1602LCD 引脚功能说明 .193.3.3 指令说明及时序 .203.3.4 1602LCD 硬件原理图 .203
9、.4 输出控制电路 .213.5 报警电路 .223.6 按键电路 .234 系统软件设计 .254.1 软件架构设计 .254.2 系统主程序设计 .254.3 初始化程序设计 .284.3.1A/D 转换初始化 .294.3.2 液晶初始化 .294.3.3 定时器中断系统初始化 .304.4 子程序设计 .314.4.1 湿度采集子程序 .314.4.2 显示子程序 .324.4.3 按键扫描程序 .334.4.4 按键消抖程序 .344.4.5 数据处理程序 .354.4.6 延时程序 .365 系统的安装与调试 .375.1 设计流程 .375.2 电路图的设计 .375.3 电路板
10、的制作 .375.4 调试 .375.4.1 硬件调试 .375.4.2 软件调试 .385.4.3 系统的误差分析 .385.4.4 调试结果 .39xxxxxxxxx2015 届本科毕业论文（设计）3结论 .43致谢 .45参考文献 .46附录一 .48附录二 .49xxxxxxxxx2015 届本科毕业论文（设计）11 绪 论1.1 引 言迄今为止，全世界范围内，有40的国家处于缺水状态，并有26个国家处于严重缺水的状态，我国拥有23万亿立方米的储水量，位于世界人均占有水资源量的109位，属于世界最缺乏水资源的国家之一。当前，我国每年缺水量高达400亿立方米，农业缺水尤为显著，约300亿
11、立方米，农业占总用水量的70，高达90的用水量是用于灌溉，因此，农业节水是节水工程的关键所在，若采用传统的灌溉模式，全国每亩地的平均需水量在450-500 立方米，因此研究一种有效的农业节水灌溉方式是当前的首要任务之一。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。制约我国自动化节水工程发展的主要原因是自动化水平不高，多采用传统的灌溉模式，自动化意识低下，仍然属于粗放型的灌溉操作，因此，提高有效灌溉率、缩短工作时间，是节水的关键
12、，节水技术则是重中之重。本文旨在针对作物生长土地湿度自动监控系统进行研究，进而能够极大地发挥其本身的优越性，使其促进作物生长的同时，节约大量的水，降低能耗。1.2 课 题 背 景 及 研 究 的 目 的 与 意 义1.2.1 课题背景生命之起源，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
13、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xxxxxxxxx2015 届本科毕业论文（设计）2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。当前，占世界人口总量 40%的 80 个国家缺水
14、，其中 26 个国家严重缺水。我国有2.8 万亿立方米的水资源总量，全世界排第 6 位，但人均水资源不足世界水资源的1/4，排在世界人均占有水资源量的第 109 位，是世界上人均占有水资源最贫乏的个国家之一。目前,我国每年缺水量近 400 亿立方米，其中农业缺水约 300 亿立方米。我国用水大户仍然是农业用水，约占 70%，而农业用水的 90%是灌溉用水，因此节水首先要在农业节水上做文章。采用传统的灌溉模式，灌溉定额普遍偏高，全国平均每亩实际灌水量达到 450500 立方米，超过实际需水量的 1 倍左右，有的地区高达 2 倍以上。与一些发达国家相比，我国农业的用水效率还是相当低的，灌溉水资源的
15、浪费情况相当严重，节水的潜力十分巨大。据统计目前我国灌溉水利用率只有 40%左右，而发达国家的灌溉水利用率可达 80%90%。如果采用先进的灌溉技术，将我国的灌水利用率提高到 60%一 70%，则在目前情况下每年可节约灌溉用水 0.10 一 0.15 万亿立方米。这样，通过发展节水灌溉，在减少（最起码不增加）农业用水总量的前提下，满足灌溉需要，同时把节约出来的水量用于城市生活、工业生产和生态用水，以水资源的可持续利用促进经济社会的可持续发展。1.2.2 课题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，
16、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xxxx
17、xxxxx2015 届本科毕业论文（设计）3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
18、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。1.3 节 水 灌 溉 控 制 系 统 国 内 外 的 研 究 现 状目前国外灌溉控制器已逐步趋于成熟、系列化，并朝着大型分布式控制系统和小面积单机控制两个方向发展,产品一般都能与微机进行通信，并由微机对其施行控制。而在我国，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，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，
19、所以根本无法普及应用。1.4 课 题 研 究 内 容本课题主要研究基于单片机的节水灌溉系统，对土壤湿度与灌水量之间的关系进行分析、研究。主要内容如下:1.根据节水灌溉系统技术的特点，进行节水灌溉系统的分析、研究与设计。2.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。3.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。4.单片机可将土壤湿度传感器检测到的土壤湿度模拟量转换成数字量,并显示于LCD 显示器上。5.将有关的灌水信息反馈给单片机,若需灌水,则单片机系统启动鸣音报警,发出灌水信号,并经放大驱动设备,开启电磁阀进行倒计时定时灌水。xxxxxxxxx201
20、5 届本科毕业论文（设计）42 系 统 总 体 设 计 方 案2.1 系 统 工 作 原 理根据实际情况及系统技术要求，采用 STC12C5A60S2 微控器作为控制与数据处理的核心以构成节水灌溉控制系统。该系统采用 STC12C5A60S2 单片机来实现。用土壤湿度传感器对土壤湿度进行采集，所得电流信号经处理得到可用的电压信号，经 AD转换成数字信号进行处理。系统将检测得土壤的湿度值，送到 LCD 显示电路显示，从而实现对土壤湿度的监测监控，能进行适度范围设置和显示，通过其内设程序判断，若需灌水,则单片机系统启动鸣音报警，发出灌水信号，并经放大驱动设备，开启电磁阀进行倒计时定时灌水。2.2
21、系 统 方 框 图 设 计该电路主要由 STC12C5A60S2 系统电路、湿度检测电路、显示电路、输出控制电路、报警电路等组成。软件选用 C 语言编程。单片机可将土壤湿度传感器检测到的土壤湿度模拟量转换成数字量，并传输给控制系统检测是否该灌溉。该系统灵活性强，成本低，可靠性高，在实际应用中前景广阔。系统框图如图 2.1 所示。种植作物的土壤 土壤湿度传感放大驱动STC12C5A60S2 单片机报警液晶显示电磁阀xxxxxxxxx2015 届本科毕业论文（设计）5图 2-1 系统方框图2.3 系 统 结 构整个节水水灌溉系统的结构可以分为 5 大部分：湿度检测模块，单片机模块，LCD 显示模块
22、，输出控制模块，报警模块等。2.3.1 湿度检测模块采用土壤湿度传感器检测土壤湿度，并传送给单片机。2.3.2 单片机模块单片机模块对整个系统进行控制，实现以下功能：(1) 将土壤湿度传感器传来的模拟量转换成数字量；(2) 控制显示模块显示工作参数；(3) 根据内设程序进行判断控制报警电路；(4) 实现电磁阀的控制。2.3.3 显示模块LCD 液晶显示模块能够将测得的土壤湿度以及湿度预值显示出来，灌水时并显示时间及流量，提供了系统和操作者的交流窗口，是人机界面的重要组成部分之一。2.3.4 输出控制模块单片机根据内设程序作出判断后，来控制继电器，电磁阀是本设备的执行设备，电磁阀控制水的流通和截止，实现了电能到机械能的转换。2.3.5 报警模块有关的灌水信息反馈给单片机，若需灌水，则单片机系统启动蜂鸣器进行鸣音报警，并发出灌水信号。2.4 主 要 器 件 的 选 取
