基于单片机的节水型农业灌溉系统

　摘要

为满足实际需求和系统技术要求，选用STC89C52单片机芯片作为核心控制部分设计了一个基于单片机控制的智能节水灌溉控制系统。系统包含湿度检测电路、4×4矩阵键盘电路、LCD 12864液晶动态显示电路、超限报警电路、继电器控制电路和电源电路等多个部分。通过利用湿度检测电路中的传感器对土壤湿度进行采集，将检测到的模拟量通过模数转换器转换为数字量并发送给单片机，还能够在LCD12864液晶屏上显示。此外，使用矩阵键盘设定节水灌溉系统的上下限，能够实现对土壤湿度的监测监控，并可进行合适范围的设置和显示。如果，一旦该系统超过设定的上下限，单片机便可以通过串口向PC端发送警报信息，及时提示系统状态，并通过蜂鸣器实现系统的警报功能。该系统呈现出高度的可塑性和可靠性，易于操作，完美地实现了人机互动的理念，未来的开发前景将更加广阔。

　关键词：灌溉；单片机；节水；土壤湿度

　第一章绪论

　　1.1基于单片机的节水型农业灌溉系统

　　1.1.1研究目的

为了实现更高效的生产和经济效益，现在农业生产过程中需要通过减少灌溉用水来实现节水灌溉的目标。在过去的30年中，我国农业灌溉所需的年平均用水量约为3400亿立方米，占据了社会总用水量的56%左右，灌溉面积占全国耕地面积50%左右。近年来，随着国家对水资源节约利用重视程度的不断提升，我国节水灌溉工程建设取得了较大进展[1]。

在“十四五”规划中明确提出，到2025年，基本上补齐节约用水基础设施短板和监管能力弱项，节水型社会建设取得显著成效。新增高效节水灌溉面积0.6亿亩，建设200个节水灌溉区，并在全国范围内兴建10.7亿英亩高品质农田。我国的水资源分布不均，北方干旱缺水严重，南方部分地区洪涝灾害频繁，这些都是由于传统农业用水效率低造成的。因此，全国范围内对于农业灌溉问题的关注程度日益加深[2]。

　1.1.2研究意义

一方面，通过使用节水农业灌溉，可以通过扩大灌溉农田的面积来提高农作物产量。另一方面，节水灌溉加强了科学的农业灌溉方法使用，节水灌溉可以根据需要及时、广泛地灌溉农作物，促进农作物生长，因此节水灌溉技术的使用大大提高了农业产量，减少了农田水利建设工作量，鼓励了农业现代化的发展[3]。

简而言之，节水农业是有效的利用空降水和灌溉水，通过各种措施来实现农作物的最佳增产和经济效益。根据农作物生长发育所需要得水模型和当地自然条件下的供水能力，节水不是最终目标，而是水的有效利用。节水灌溉既是节水农业的核心，也是水利现代化和农业现代化的重要组成部分，还是农村可持续发展的有机组成部分。中国是一个水资源相对不足的国家，开发高效节水的农田灌溉技术具有重要的现实意义[4]。

　1.1.3国内外节水型农业灌溉的现状

自新中国成立以来，随着农村农业现代化的推进，灌溉科技也在不断发展壮大。在党和XX领导下，经过广大水利科技人员艰苦努力，我国农田水利建设取得了巨大成就。从新中国成立以来的2.4亿亩到如今年的10.37亿亩，全国的灌溉面积有了明显的扩张，这一进步带来了75%的粮食和90%以上的经济作物的生产。在这期间，灌溉技术经历了从传统向现代的转变。当前，我国的耕地实现了51%的覆盖率，这一数字是全球平均水平的2.68倍[5]。灌溉面积只占我国耕地面积的50%左右，灌溉技术的开发对我国粮食安全作出了重大贡献，是世界上灌溉面积最大的国家之一。

截至今年年底，我国将完成10亿亩高品质农田的建设，同时实现4亿亩以上的高效节水灌溉。这标志着我国农业现代化进入新阶段，从传统粗放式向现代农业转变迈出重要一步。农业领域的灌溉方式将进一步向高效集约的经济转型。从1997年的492立方米到2021年的355立方米，中国的灌溉用水量经历了一次显著的增长，而农田灌溉用水效率则达0.568。加速推进各个领域的节水灌溉项目，包括但不限于农业、品种等，以进一步推动节水灌溉的创新发展，为新时代的灌溉智能化发展开启全新的篇章[6]。

众所周知，以色列在水资源管理方面采取了高效节水措施。在水资源严重短缺的情况下，这个国家在节水灌溉技术方面处于世界领先地位，实现了高度的技术进步。以色列目前拥有25万平方米的低耗水灌溉面积，相当于其耕地总面积的55%。以色列的水源和供水系统的建设和管理，是由XX承担的责任。同时，XX鼓励农户利用自己拥有的土地进行自灌。以色列还构建了一套更为先进的节水灌溉技术研发、生产、培训、销售和服务体系，以提高其水资源利用效率[7]。

　1.2本文研究的内容

为了确定是否需要对硬件进行扩展，我们选择了STC89C52微控器作为本次课题的最小控制系统。根据所需功能确定电路组成和器件选型。在进行软件方面的选择时，需要考虑硬件的配合，并使用相应的软件进行绘图以达到最佳效果。

设计一套高效的节水控制系统，主要采用单片机实现对水泵开关控制电路的精准控制。该系统配备了故障预警机制。该单片机故障报警系统能够实时自动检测需要检测的点，一旦发现故障，系统会立即发出响声报警。

设计一种通信设备，能够及时将当前的警报或异常情况传输至PC端，以便于进行及时处理。

　1.3系统总体结构框图

图1.1系统框图

　　第二章系统硬件电路设计

本设计采用STC89C52单片机作为核心控制器，包括湿度传感器电路、4×4矩阵键盘电路、12864液晶显示电路、超限报警电路、继电器控制电路和电源电路等多个组件。该系统主要用于农作物生长环境中的土壤含水量的测定。通过利用湿敏电阻在湿度检测电路中对土壤湿度进行采集，将检测到的土壤湿度模拟量通过模数转换器转换为数字量并且发送给单片机，从而实现更加精准的测量。根据设定好的湿度上下限，单片机可以判断出是否需要浇水。同时利用串口技术实现单片机与PC端之间的数据传输，将异常信息通过串口实时的发送给PC端。

　2.1微控制器模块设计

　　2.1.1控制器芯片

STC89C52芯片是一款由STC公司生产的单片机芯片，采用MCS-51指令集架构，具有高性能、低功耗、易于编程等优点。该芯片具有8位数据总线，32KB的闪存程序存储器，1KB的RAM存储器，支持多种通信接口和定时器/计数器等外设，可广泛应用于家电、电子仪器、工业控制等领域。STC89C52芯片还具有丰富的开发工具和支持，方便用户进行开发和调试[8]。

图2.1 STC89C52芯片引脚图

　　2.1.2 STC89C52单片机最小系统

单片机最小系统是指单片机系统中最基本的电路，它由单片机芯片、晶振、电源、复位电路和一些必要的外围电路组成。最小系统的目的是为单片机提供稳定的时钟信号、电源和复位信号，从而使单片机正常工作[9]。本系统的STC89C52单片机最小系统如下图2.2所示。

22pF电容器被用于将晶体振动的两端接地，以确保其稳定性。晶振产生的振荡信号经放大器放大后输入到滤波器中进行过滤。首先，将复位电路与100uF电容器相连，接着将其与接地并联，以实现滤波的效果。复位电路由复位脉冲、复位键电平以及三种电源连接而成。当系统发生故障时，复位电路将输入电压转换成一个低通滤波器后输出。当微控制器的CPU或系统的其他组件因程序动作中的错误或动作错误而处于闭塞状态时，复位电路会使其处于规定的初始状态，从而启动系统。为了克服这个困难，需要重新启动复位电路，以确保系统正常初始化。当晶振发生晶体振荡时，可以利用晶体振子产生振动作为触发源对晶振进行控制。单片机的启动振动信号可以通过晶体振动来实现。晶振工作时，其内部产生的高频振荡被放大后输入到单片机内。随着结晶振动频率的增加，单片机的处理速度呈现出逐渐加快的趋势[10]。

图2.2 STC89C52单片机最小系统

　　2.2各部分模块设计

　　2.2.1继电器模块电路设计

继电器模块，作为一种多功能、可靠、方便的控制部件，可实现线开关控制，从而控制泵、电机等电机设备的启停，以实现自动控制的功能。在智能系统中，继电器模块扮演着至关重要的角色，它是自动化系统中不可或缺的控制元件。作为控制器的替代品，它以其小巧、低功耗、可靠性等优点，在整个系统中扮演着不可或缺的角色。因此对继电器模块电路的研究也就变得尤为重要。本次设计采用继电器模拟水泵的开关，以模拟水泵的操作方式。

图2.3继电器模块电路

　　2.2.2 LCD12864液晶显示电路设计

如图2.4所示，与串行显示模式相比，该系统的LCD12864接口模式采用8位并行接口模式显示数据，以更快的并行传输数据，节省时间，具有更好的实时性能[11]。该系统中的其他模块不需要占用大量的单片机输入输出，该并行模式是最佳的。LCD的串行数据电缆CS、SID、SCLK分别与STC89C52的P2.5-P2.6，P0.0-P0.7的DBO-DB7连接。然后调用程序中的相应子功能以显示液晶屏。

图2.4 LCD12864液晶显示电路

　　2.2.3土壤湿度检测模块电路设计

该系统的传感器模块使用土壤湿度传感器实时检测土壤湿度，并判断出此时的土壤湿度是否超过设定的报警阈值。当土壤湿度超过或低于设定值时，触发传感器。检测模块能够检测土壤湿度传感器输出引脚电平的变化，将数据传送给主控制器，以达到节水灌溉系统阈值灌溉技术的初始要求[12]。

本设计中使用的DHT11湿度传感器是一种数字式湿度传感器，能够测量周围环境的湿度和温度。其精密湿度为±5%相对湿度，温度为±2℃，湿度范围为5-95%相对湿度，温度为-20至+60℃[13]。

图2.5土壤湿度监测模块电路

　　2.2.4 AD转换模块电路设计

此次A/D转换是运用了PCF8591芯片。该芯片是一款集成了4路12位模数转换器（ADC）和1路8位数模转换器（DAC）的单片机外围芯片。它采用I²C总线通信协议，可以通过I²C总线与主控芯片进行通信。PCF8591芯片广泛应用于各种模拟信号的采集和输出控制[14]。其引脚图如图2.6所示。

此设计通过PCF8591芯片进行AD转换，将模拟量转换为数字量传输到单片机进行相应的工作，具体电路设计如图2.7所示。

　2.2.5键盘输入电路设计

系统采用4×4矩阵键盘，按键识别方式采用行扫描方式。P1.4-P1.7用于键列扫描，销P1.0-P1.3用于键行扫描。首先，键盘将所有P1端口初始化为高电平，并将引脚P1.0-P1.3分别设置为低电平，以确定引脚P1.4-P1.7是否检测到低电平。如果检测到对应于行值的处理，如果没有，则继续循环监视，直到程序退出或执行其他操作[15]。这样，设计的4×4按钮就满足了系统的需求。具体设计如下图2.8所示。

图2.8 4×4矩阵键盘电路

　　2.2.6串口驱动模块设计

为了方便与PC端进行通信，设计了CH340芯片为核心的串口驱动模块。引脚如图2.9所示。CH340G是一种USB转串口芯片，可以将计算机的USB接口转换为串行通信接口。在操作期间，CH340需要在XI引脚上提供12MHz的时钟信号。这个时钟信号是在XI和XO引脚之间连接一个12MHz的晶振和两个22pF负载电容来提供的,内置的晶振将提供所需要的时钟信号。具体设计如下图2.10所示。

　第三章系统软件电路设计

　　3.1系统软件设计及总体流程图

如图3.1所示程序启动整个系统初始化，调用初始化函数执行，然后调用水分采集函数进行土壤水分采集，然后进入循环检测。循环中，判断土壤湿度传感器收集的湿度值是否低于最小湿度设定值。以下情况进入警报功能，打开排水阀，将警报数据传送至PC端。湿度值为截止阀时，警报数据将传送至PC侧。在最大值和最小值之间时，断水不会发出警报。整个主程序从接通电源开始无中断的循环检测，以便进行无中断的主动监视。

图3.1主程序流程图

　　3.2 LCD12864液晶显示实现

系统的LCD串行传输数据将显示部分割为多个子功能，最终一并调用子功能进行显示。输入子功能输入后，首先初始化液晶屏并调用清除屏幕功能。在该程序中，位x的值设定为0，从各行的开头显示。然后，行号Y用于确定程序是否显示液晶屏上第一行的字符。Y值为1时显示第1行，Y值为2时显示第2行。当决定从线路的开头显示时，调用数据传输函数开始数据的串行传输。最后，确定数据传输是否已完成。这将返回主函数，否则继续传输数据。

部分程序如下：

//按指定位置显示一个字符

void DisplayOneChar(unsigned char X,unsigned char Y,unsigned char DData)

{

if(Y<1)Y=1;

if(Y>4)Y=4;

X&=0x0F;

switch(Y){

case 1:X|=0X80;break;

case 2:X|=0X90;break;

case 3:X|=0X88;break;

case 4:X|=0X98;break;

}

WriteCommandLCD(X,0);//这里不检测忙信号，发送地址码

WriteDataLCD(DData);

}

//按指定位置显示一串字符

void DisplayListChar(unsigned char X,unsigned char Y,unsigned char code*DData)

{

unsigned char ListLength,X2;

ListLength=0;

X2=X;

if(Y<1)Y=1;

if(Y>4)Y=4;

X&=0x0F;

switch(Y){

case 1:X2|=0X80;break;//根据行数来选择相应地址

case 2:X2|=0X90;break;

case 3:X2|=0X88;break;

case 4:X2|=0X98;break;

}

WriteCommandLCD(X2,1);//发送地址码

while(DData[ListLength]>=0x20)//若到达字串尾则退出

{

if(X<=0x0F)

{WriteDataLCD(DData[ListLength]);

ListLength++;

X++;

Delay5Ms();

}

}

}

//按指定指定位置显示AD结果

void DisplayADData(unsigned char X,unsigned char Y,unsigned int RESULT)

{

unsigned char Qian,Shi,Bai,Ge;

if(Y<1)Y=1;

if(Y>4)Y=4;

X&=0x0F;//只取x的低四位,限制x<=16

switch(Y)

{

case 1:X|=0x80;break;

case 2:X|=0x90;break;

case 3:X|=0x88;break;

case 4:X|=0x98;break;

}

　3.3湿度检测模块

此模块是以LM393双电压比较器集成电路为主体设计的。外部导体起到滑动电阻器的作用，其电阻随着土壤含水量的变化而变化。电阻与土壤的湿度成反比，土壤湿度越高，导电性越好，电阻越低；相反，土壤湿度越低，电导性越差，电阻越高。传感器根据湿敏电阻产生输出电压，进而产生土壤水分。通过PCF8591芯片将获得的模拟电压转换为数字量。A/D转换子程序用于控制输入模块电压信号的采集和测量，并将对应的值存储在对应的存储单元中。其转换流程图如图3.2所示。

图3.2 ADC流程图

　　部分程序如下：

//ADC发送字节[命令]数据函数//

bit ISendByte(unsigned char sla,unsigned char c)

{

Start_I2c();//启动总线

SendByte(sla);//发送器件地址

if(ack==0)return(0);

SendByte(c);//发送数据

if(ack==0)return(0);

Stop_I2c();//结束总线

return(1);

}

//ADC读字节数据函数//

unsigned char IRcvByte(unsigned char sla)

{unsigned char c;

Start_I2c();//启动总线

SendByte(sla+1);//发送器件地址

if(ack==0)return(0);

c=RcvByte();//读取数据0

Ack_I2c(1);//发送非就答位

Stop_I2c();//结束总线

return(c);

}

　3.4按键控制模块

本系统使用4×4矩阵键盘，行扫描选用P1.0-P1.3引脚，列扫描选用P1.4 P1.7,如果需要检测程序是否按键，则调用按键控制子功能。首先，键盘将所有端口P1初始化为高电平，将引脚P1.0-P1.3设置为低电平，以确定引脚P1.1-P1.7是否检测到低电平。如果检测到，则输出键值将相应地作为行值处理。否则，请继续循环监视，直到退出程序或运行其他程序。具体程序流程图设计如下图3.3所示。

图3.3按键控制流程图

　　部分程序如下：

unsigned char MatrixKey()

{

unsigned char KeyNumber=0;

P1=0xFF;//1111 1111全部置高电平默认

P1_3=0;//矩阵按键第一行扫描

if(P1_4==0){DelayUs(10);while(P1_4==0);DelayUs(10);KeyNumber=1;}

if(P1_5==0){DelayUs(10);while(P1_5==0);DelayUs(10);KeyNumber=2;}

if(P1_6==0){DelayUs(10);while(P1_6==0);DelayUs(10);KeyNumber=3;}

if(P1_7==0){DelayUs(10);while(P1_7==0);DelayUs(10);KeyNumber=4;}

P1=0xFF;//1111 1111全部置高电平默认

P1_2=0;//矩阵按键第二行扫描

if(P1_4==0){DelayUs(10);while(P1_4==0);DelayUs(10);KeyNumber=5;}

if(P1_5==0){DelayUs(10);while(P1_5==0);DelayUs(10);KeyNumber=6;}

if(P1_6==0){DelayUs(10);while(P1_6==0);DelayUs(10);KeyNumber=7;}

if(P1_7==0){DelayUs(10);while(P1_7==0);DelayUs(10);KeyNumber=8;}

P1=0xFF;//1111 1111全部置高电平默认

P1_1=0;//矩阵按键第三行扫描

if(P1_4==0){DelayUs(10);while(P1_4==0);DelayUs(10);KeyNumber=9;}

if(P1_5==0){DelayUs(10);while(P1_5==0);DelayUs(10);KeyNumber=10;}

if(P1_6==0){DelayUs(10);while(P1_6==0);DelayUs(10);KeyNumber=11;}

if(P1_7==0){DelayUs(10);while(P1_7==0);DelayUs(10);KeyNumber=12;}

P1=0xFF;//1111 1111全部置高电平默认

P1_0=0;//矩阵按键第四行扫描

if(P1_4==0){DelayUs(10);while(P1_4==0);DelayUs(10);KeyNumber=13;}

if(P1_5==0){DelayUs(10);while(P1_5==0);DelayUs(10);KeyNumber=14;}

if(P1_6==0){DelayUs(10);while(P1_6==0);DelayUs(10);KeyNumber=15;}

if(P1_7==0){DelayUs(10);while(P1_7==0);DelayUs(10);KeyNumber=16;}

return KeyNumber;

}

　3.5串口通信模块

此模块主要运用了I²C总线进行了通信。I²C总线是用于连接多个设备进行通信的串行通信协议。因此I²C总线通信需要定义良好的通信协议和数据格式。I²C通信可以实现多个从设备与一个主设备之间的通信，每个从设备都有一个唯一的地址。在主设备向从设备发送设备地址和读写位时，从设备会判断是否与自己的地址匹配，如果匹配则接收数据，否则忽略数据。

部分程序如下：

//字节数据接收函数//

unsigned char RcvByte()

{

unsigned char retc;

unsigned char BitCnt;

retc=0;

SDA=1;//置数据线为输入方式//

for(BitCnt=0;BitCnt<8;BitCnt++)

{_Nop();

SCL=0;//置时钟线为低，准备接收数据位//

_Nop();

_Nop();//时钟低电平周期大于4.7μs//

_Nop();

_Nop();

_Nop();

SCL=1;/*置时钟线为高使数据线上数据有效*/

_Nop();

_Nop();

retc=retc<<1;

if(SDA==1)retc=retc+1;/*读数据位,接收的数据位放入retc中*/

_Nop();

_Nop();

}

SCL=0;

_Nop();

_Nop();

return(retc);

}

　第四章系统测试

Proteus能够执行电路模拟、软件模拟、模拟电路系统共同模拟、数字电路和微控制器系统、外围设备的混合电路系统等功能用于电路和单片机系统设计和仿真的软件。基于上述情况，Proteus被设计用于调试、测试和系统仿真验证。编译将显示“0Error(s),0 Warning(s)”结果，这意味着没有错误，没有警告，调试成功。经过软硬件协同仿真，发现各功能模块均满足设计要求和目标。

通过stc-isp串口调试软件进行测试。将生成的“.hex”文件下载到单片机中，显示操作成功则表示此时程序已经下载到单片机中。

测试当前湿度，测试结果如下：

　　第五章总结

到目前为止，已经完成了由单片机设计的节水灌溉系统。材料设计包括8个部分：主单元电路、湿度传感器电路、4×4矩阵键盘电路、LCD12864液晶显示电路、溢出报警电路、泵开关控制电路、电源电路。系统所需的所有功能都是通过硬件和软件电路的协调设计来实现的。

主要以STC89C52单片机为核心芯片。不同功能模块的控制实现了系统的不同功能。STC89C52单片机是系统的核心部分，包括湿度传感器单元、4×4由矩阵键盘单元、LCD12864 LCD动态显示单元、溢出报警单元、泵开关控制单元、电源单元等控制。土壤湿度由湿度检测电路中的湿度热敏电阻得到。单芯片可将土壤湿度传感器检测到的模拟土壤湿度转换为LCD 12864屏幕上显示的数字量，并可通过矩阵键盘定义节水灌溉系统的上下报警阈值。因此，为了监视和监视土壤湿度，可以适当地调整范围来进行显示，并且可以通过控制算法同时执行泵开关的控制。同时，当系统超过报警阈值时，系统可通过串口向PC部分发送报警消息，及时通知系统状态，在发送信息时通过蜂鸣器实现系统报警功能。

该系统基本满足功能要求，可实现灌溉系统排水和断水的智能控制，节约更多水，实现远程预警功能，实现无人值守监控功能。但由于时间的紧迫性、实验条件的限制及其水平的有限性，未来可望在以下领域进行进一步的研究和研究：

1.通过进一步研究，确定水量，提高灌溉效率，提高水资源利用率。

2.深入研究编程电路，扩大范围，提高指标值。

3.继续优化单片机控制单元，单独控制节能多通道灌溉技术。

单机节水灌溉系统广泛应用于农业、水产养殖等领域。我们希望更多的人参与这项研究。它具有高效、低能耗、小型、节水、专业性强等显著优点。我们的目标是满足不同用户对节水智能灌溉系统的需求。

　参考文献

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[15]谌爱珍.以矩阵键盘项目为例探讨《单片机应用技术》教学方法[J].电子世界,2020.24.041.

　致谢

这个毕业设计是最后一个毕业班学术生涯的终结。我的幸运星XXX教授是导师。在整个毕业设计阶段，由于传统理论多、实践学习少，我们在毕业设计过程中经常会遇到这样的问题。当然，除了看书和上网，搜索信息解决问题，但经常帮助老师询问出现的、论文解决不了的不同问题。

同时，我还要感谢所有在毕业设计过程中为我提供真诚帮助的老师和学生。他们不知疲倦地帮我解决论文中的困难和问题。这个过程并不尴尬或痛苦，但你也想放弃，但最终，让它成功给了我一种特别的感觉。

最后，我要感谢所有帮助过我的人。正因为有你们，我才有勇气和动力追求卓越，学习和探索，更加努力地工作，把我所拥有的技能应用到工作中，取得更大的成功。再次感谢大家！

基于单片机的节水型农业灌溉系统

价格 ¥9.90 发布时间 2024年3月26日

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