微喷灌溉自动监控系统设计
本课题主要针对目前水资源紧张及农业灌溉用水过渡等问题，设计一套以STC89C52单片机为核心的微喷灌溉自动监控系统。整个系统主要包括DHT11温湿度传感器模块、NRF24L01无线传感器模块、LCD1602液晶显示模块、蜂鸣器报警模块、继电器动作模块和串口通信模块等。该系统通过温湿度传感器DHT11将实时监测的湿度值传输到单片机中，利用无线传感设备NRF24L01将数据信息发送到监控端单片机内，控制液晶显示器LCD1602实时显示出湿度阈值，并与报警门限进行比较，若低于门限值则报警，并发出命令使继电器吸合。本设计结构简单，操作方便，能有效地对土壤湿度进行监测并对监测值做出反应，基本能实现自动监控的功能。关键词 湿度监测，无线通信，单片机控制，液晶显示
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究的背景 1
1.2 微喷灌溉技术国内外的研究现状和发展趋势 1
1.3 微喷灌溉自动监控技术研究的意义 3
1.4 课题的主要研究内容 3
2 系统总体设计方案 4
2.1 课题设计思路 4
2.2 系统结构设计 4
3 微喷灌溉自动监控系统硬件部分设计 5
3.1 硬件结构框图 5
3.2 监测端硬件部分设计 5
3.3 控制端硬件部分设计 12
4 微喷灌溉自动监控系统软件部分设计 15
4.1 检测端软件部分设计 16
4.2 控制端软件部分设计 21
4.3 人机交互控制设计 26
5 系统设计、焊接、调试 27
5.1 系统硬件电路的设计 27
5.2 电路焊接 28
5.3 电路调试 29
结 论 31
致 谢 32
参考文献 33
附录 A 系统硬件电路原理图 35
附录 B 系统硬件PCB图 37
附录 C 部分程序代码 39
1 绪论
1.1 课题研究的背景
水对于自然界的发展演变和人类社会的历史进程都有很 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
大的影响。虽然我国的水资源总量很多，世界排名第六，但我国人口基数大，人口总量排世界第一位。如果把水的基数总量除以人口的数目总量，平均每个人分配到的水量就很少了。又由于我国国土面积大，气候、地形、地貌等自然因素复杂，这样就导致了我国的水资源的国情是：人多水少、南方地区多北方地区少，沿海地区多内陆地区少，山地丘陵地区多平原地区少，长江以北的广大北方地区拥有全国百分之六十多的耕地面积，但是其水资源仅占全国的百分之二十左右，超过百分之三十的地区都属于干旱少雨区（其年降雨量低于250毫米）[1]。淡水资源的稀缺、各地方水的总量与分布的不同，严重地影响和制约我国经济社会的发展。
农耕文明的发展是整个华夏文明进程中不可忽略的组成部分。我国的农耕形式随历史各阶段社会生产力的进步而变更，但一直都是以人力操作为主，耗时耗力。农耕操作的自动化程度低，尤其是灌溉方面，没有对需水量做好监控，灌溉用水量巨大，浪费极为严重。目前，绝大多数的农业地区都采用人工灌溉，特别是大水漫灌的方式，这种方式非常传统，自农耕文明发展以来，都采用这种灌溉方式，任由水资源在农田里自由流淌。这种漫灌的方式不仅造成水资源的浪费，而且容易导致水资源的利用率低。除此之外，这种大水漫灌的灌溉方式容易加速肥沃土壤的盐碱化程度，久而久之，不仅会使农作物的产量降低，还会严重影响其质量，从而给广大农民的生活带来不利 [2]。而微喷灌溉方式，主要是通过自动检测土壤的湿度值，来判断是否需要喷灌。当低于所设的下限时执行喷灌任务，当高于所设的上限时则停止喷灌或者不喷灌，这种做法可以大大减少用水量，而且喷洒非常均匀，可以为农作物提供合适的需水量。这样不仅可以缓解我国水资源短缺的压力，还可以减少土地因用水过多造成的土壤盐渍化。所以改善我国农业灌溉的方式，拒绝大水漫灌，提倡微喷灌溉，不断地普及自动化灌溉，这不仅能为解决我国目前水资源短缺的问题提供极大的帮助，还可以提高农业用水的利用率，并且有利于保持土壤的养分不易流失，给农作物提供适合的生长环境。
1.2 微喷灌溉技术国内外的研究现状和发展趋势
1.2.1 国外微喷灌溉智能监控装置的发展现状及发展趋势
微喷灌溉技术在西方国家发展得比较早，已经有近百年的历史了。其中美国早在上个世纪的二十年代就已经运用了管道输水灌溉技术，其灌溉面积已经占总的灌溉面积的一半。目前，采用微喷灌溉技术的国家和地区已经过百，其中英国和德国等国家90%的旱地用水都在使用微喷灌溉技术。
在应用微喷灌溉技术方面，以色列是世界上最具有代表性的国家之一。其滴灌技术对水的利用率高达95%，目前普遍应用一体化滴灌管，滴头和滴灌管合而为一，安装和使用非常方便。法国的肥料农药混合器代表了目前世界最先进的技术，他依靠水压驱动而不是用电力驱动，可调节浓度，具有较高的精度控制[3]。美国将微喷灌溉技术应用于农业灌溉的耕地面积是世界上最多的，他结合电气信息技术和人工智能技术，使微喷灌溉技术控制的精确度、自动化程度以及可靠性都有了很大的提升和改善。
此外，日本和加拿大等发达国家，在种植的过程中也都采用了不同程度和不同方式的自动喷灌技术。如今，国外的喷灌技术应用非常广泛，而且相对于国内来说，其技术发展程度很成熟，他们的微喷灌溉技术在控制的精确度和自动化水平等方面都得到了很大的提升。自动喷灌技术的发展不仅缓解了用水短缺的压力，还解放了大量的劳动力。
1.2.2 国内微喷灌溉智能监控装置的发展现状及发展趋势
我国是一个具有20亿亩耕地面积的农业大国，但是至少一半以上的耕地采用的是传统的大水漫灌的方式进行灌溉。这种灌溉方式主要是通过人工观察蓄水量和灌溉时间，属于“被动式”的灌溉，既浪费时间又耗费人力。灌溉方式的落后导致大量的水资源被浪费，造成水的利用率低下，还很容易使土壤盐渍化从而降低农作物的产量和质量。
一九五零年左右，我国开始从西方引进喷灌技术，并于一九八零年左右开始推广[3]。我国最初从西方发达国家引进喷灌技术，并高价买入先进设备。但由于这些设备和技术价格昂贵，维修和保养的成本代价太大。所以将从美国、德国、以色列等国家引进的设备多用于农业示范基地和微喷技术研究所等一些科研机构，以供研究和使用。从国外引进的设备并不符合我国的国情，且成本代价太高。而国内的微喷灌溉技术又处于刚研究和发展阶段，只有部分院校在研发使用，还没有大规模的推广和投产。
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究的背景 1
1.2 微喷灌溉技术国内外的研究现状和发展趋势 1
1.3 微喷灌溉自动监控技术研究的意义 3
1.4 课题的主要研究内容 3
2 系统总体设计方案 4
2.1 课题设计思路 4
2.2 系统结构设计 4
3 微喷灌溉自动监控系统硬件部分设计 5
3.1 硬件结构框图 5
3.2 监测端硬件部分设计 5
3.3 控制端硬件部分设计 12
4 微喷灌溉自动监控系统软件部分设计 15
4.1 检测端软件部分设计 16
4.2 控制端软件部分设计 21
4.3 人机交互控制设计 26
5 系统设计、焊接、调试 27
5.1 系统硬件电路的设计 27
5.2 电路焊接 28
5.3 电路调试 29
结 论 31
致 谢 32
参考文献 33
附录 A 系统硬件电路原理图 35
附录 B 系统硬件PCB图 37
附录 C 部分程序代码 39
1 绪论
1.1 课题研究的背景
水对于自然界的发展演变和人类社会的历史进程都有很 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
大的影响。虽然我国的水资源总量很多，世界排名第六，但我国人口基数大，人口总量排世界第一位。如果把水的基数总量除以人口的数目总量，平均每个人分配到的水量就很少了。又由于我国国土面积大，气候、地形、地貌等自然因素复杂，这样就导致了我国的水资源的国情是：人多水少、南方地区多北方地区少，沿海地区多内陆地区少，山地丘陵地区多平原地区少，长江以北的广大北方地区拥有全国百分之六十多的耕地面积，但是其水资源仅占全国的百分之二十左右，超过百分之三十的地区都属于干旱少雨区（其年降雨量低于250毫米）[1]。淡水资源的稀缺、各地方水的总量与分布的不同，严重地影响和制约我国经济社会的发展。
农耕文明的发展是整个华夏文明进程中不可忽略的组成部分。我国的农耕形式随历史各阶段社会生产力的进步而变更，但一直都是以人力操作为主，耗时耗力。农耕操作的自动化程度低，尤其是灌溉方面，没有对需水量做好监控，灌溉用水量巨大，浪费极为严重。目前，绝大多数的农业地区都采用人工灌溉，特别是大水漫灌的方式，这种方式非常传统，自农耕文明发展以来，都采用这种灌溉方式，任由水资源在农田里自由流淌。这种漫灌的方式不仅造成水资源的浪费，而且容易导致水资源的利用率低。除此之外，这种大水漫灌的灌溉方式容易加速肥沃土壤的盐碱化程度，久而久之，不仅会使农作物的产量降低，还会严重影响其质量，从而给广大农民的生活带来不利 [2]。而微喷灌溉方式，主要是通过自动检测土壤的湿度值，来判断是否需要喷灌。当低于所设的下限时执行喷灌任务，当高于所设的上限时则停止喷灌或者不喷灌，这种做法可以大大减少用水量，而且喷洒非常均匀，可以为农作物提供合适的需水量。这样不仅可以缓解我国水资源短缺的压力，还可以减少土地因用水过多造成的土壤盐渍化。所以改善我国农业灌溉的方式，拒绝大水漫灌，提倡微喷灌溉，不断地普及自动化灌溉，这不仅能为解决我国目前水资源短缺的问题提供极大的帮助，还可以提高农业用水的利用率，并且有利于保持土壤的养分不易流失，给农作物提供适合的生长环境。
1.2 微喷灌溉技术国内外的研究现状和发展趋势
1.2.1 国外微喷灌溉智能监控装置的发展现状及发展趋势
微喷灌溉技术在西方国家发展得比较早，已经有近百年的历史了。其中美国早在上个世纪的二十年代就已经运用了管道输水灌溉技术，其灌溉面积已经占总的灌溉面积的一半。目前，采用微喷灌溉技术的国家和地区已经过百，其中英国和德国等国家90%的旱地用水都在使用微喷灌溉技术。
在应用微喷灌溉技术方面，以色列是世界上最具有代表性的国家之一。其滴灌技术对水的利用率高达95%，目前普遍应用一体化滴灌管，滴头和滴灌管合而为一，安装和使用非常方便。法国的肥料农药混合器代表了目前世界最先进的技术，他依靠水压驱动而不是用电力驱动，可调节浓度，具有较高的精度控制[3]。美国将微喷灌溉技术应用于农业灌溉的耕地面积是世界上最多的，他结合电气信息技术和人工智能技术，使微喷灌溉技术控制的精确度、自动化程度以及可靠性都有了很大的提升和改善。
此外，日本和加拿大等发达国家，在种植的过程中也都采用了不同程度和不同方式的自动喷灌技术。如今，国外的喷灌技术应用非常广泛，而且相对于国内来说，其技术发展程度很成熟，他们的微喷灌溉技术在控制的精确度和自动化水平等方面都得到了很大的提升。自动喷灌技术的发展不仅缓解了用水短缺的压力，还解放了大量的劳动力。
1.2.2 国内微喷灌溉智能监控装置的发展现状及发展趋势
我国是一个具有20亿亩耕地面积的农业大国，但是至少一半以上的耕地采用的是传统的大水漫灌的方式进行灌溉。这种灌溉方式主要是通过人工观察蓄水量和灌溉时间，属于“被动式”的灌溉，既浪费时间又耗费人力。灌溉方式的落后导致大量的水资源被浪费，造成水的利用率低下，还很容易使土壤盐渍化从而降低农作物的产量和质量。
一九五零年左右，我国开始从西方引进喷灌技术，并于一九八零年左右开始推广[3]。我国最初从西方发达国家引进喷灌技术，并高价买入先进设备。但由于这些设备和技术价格昂贵，维修和保养的成本代价太大。所以将从美国、德国、以色列等国家引进的设备多用于农业示范基地和微喷技术研究所等一些科研机构，以供研究和使用。从国外引进的设备并不符合我国的国情，且成本代价太高。而国内的微喷灌溉技术又处于刚研究和发展阶段，只有部分院校在研发使用，还没有大规模的推广和投产。
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