摘 要

本文设计了一个以单片机为核心，基于土壤水分监测的自动灌溉系统，其可以解决无人状态下的土壤缺水和节水问题。该系统的硬件部分主要包括：单片机模块、土壤湿度传感器模块、数据处理模块、数据显示模块、给水及灌溉模块及供电模块。该系统的软件部分包括：按键扫描模块、LCD1602显示模块、土壤湿度传感器模块、报警模块以及自动灌溉模块。该系统实现按需设置阈值，对于土壤湿度进行实时检测，实时土壤湿度值显示，越限蜂鸣器报警以及自动/手动两种灌溉方式。本文给出了系统的详细硬件电路和软件设计方案，并进行了实物制作和成功调试。该系统的土壤湿度检测范围是0~100%，检测精度是1%。

关键词：单片机；土壤湿度传感器；自动控制；灌溉

Abstract

In this paper, an automatic irrigation system based on soil moisture monitoring using a single chip microcomputer as the core has been designed. It can solve the problem of water shortage and water saving under the condition of no one. The hardware part of the system mainly includes: single chip microcomputer module, soil humidity sensor module, data processing module, data display module, water supply and irrigation module and power supply module. The software part of the system includes: key scanning module, LCD1602 display module, soil humidity sensor module, alarm module and automatic irrigation module. The system achieved the required threshold, the soil moisture for real-time detection, real-time soil moisture values diaplay ,the more limited buzzer alarm and automatic / manual two irrigation methods. The detailed hardware circuit and software design of the system are given in this paper. And the physical production and the successful debugging have been achieved. The soil moisture detection range of the system is 0~100%, and the detection accuracy is 1%.

Key words: Single-Chip Microcomputer; Soil moisture sensor; Auto-Control; Irrigation

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的及意义 1

1.2 国内外研究的现状及发展趋势 1

1.2.1 国外研究现状及发展趋势 1

1.2.2 国内研究现状及发展趋势 3

1.3 课题研究内容 3

第2章 土壤水分监测及自动灌溉系统总体方案设计 4

2.1 土壤水分监测及自动灌溉系统原理 4

2.2 方案一 4

2.3 方案二 5

2.4 最终方案的确定 6

第3章 系统的硬件电路及原理说明 7

3.1 单片机模块 7

3.2 土壤湿度传感器模块 9

3.3 数据处理及显示模块 11

3.4 给水及灌溉模块 16

3.5电源管理模块 17

3.6 独立按键模块 18

3.7 蜂鸣器报警模块 19

3.8 系统整体电路图 20

第4章 系统软件模块及程序流程图 21

4.1 程序流程图 22

4.2 按键扫描模块 23

4.3 LCD1602显示模块 24

4.4 土壤湿度传感器模块 26

4.5 报警模块 27

4.6 自动灌溉模块 28

第5章 系统的调试 31

5.1 系统的硬件调试 31

5.2 系统的软件调试 32

5.3系统的成本估算 34

第6章 总结 35

参考文献 36

致谢 37

第1章 绪论

1.1 研究的目的及意义

众所周知，水是组成一切生命形态的基础，随着科技的发展，人类也从来没有停止过对外太空生命的探寻，而确定一个星球是否可能存在生命，首要确定的就是该星球是否存在水。地球表面海洋覆盖面积约为70.8%，然而海水不能够饮用或使用却是一个不争的事实。地球表面上或者地下的淡水资源分布也很不均匀，有些地方水资源贫瘠，随着人类活动造成的环境污染，地球上可供使用的水资源越来越少，而人类随着人口数量的不断增长，对于水资源的需求却是有增无减。中国是一个干旱缺水严重的国家。人均占有水资源只有2200立方米，仅为世界平均水平的1/4、美国的1/5、在世界上名列121位。日趋严重的水污染降低了水体的使用功能，严重威胁到城市居民的饮水安全和人民群众的生命健康。

中国现如今用水可分为工业、农业及生活用水。农业灌溉用水占了很大一部分，传统的灌溉方式是利用土渠进行大水漫灌，这种灌溉方式的缺点是:1、造成水资源浪费;2、造成电力浪费;3、造成农药化肥流失,污染水环境，存在非常大的弊端。而由于工业用水需求量越来越大，迫使农业生产不得不改变传统灌溉方式，滴灌技术是一种高效节水灌溉技术，滴灌利用管道系统供水，使灌溉水成滴状、缓慢、均匀、定时、定量地浸润作物根系发育区域，使作物主要根系区的土壤湿度始终保持在最适宜植物生长的状态。在一些缺水比较严重的国家和地区，滴灌技术表现出了前所未有的节水优势。

随着经济的飞速发展，人们的生活节奏明显加快，各种各样的事情使得人们变得更加忙碌，家里养的一些盆栽植物经常会疏于照顾，忘记浇水^[1]。而随着计算机及传感器技术的发展，使得其价格越来越便宜，并且它们的可靠性及实用性不断提高。基于这些条件，我们完全可以设计一种自动灌溉装置，利用传感器代替人类的眼睛，自动实时监测植物的土壤湿度，用来判断植物是否缺水，进而驱动自动灌溉系统，给植物进行浇水，这样就免去了人们的后顾之忧。

1.2 国内外研究的现状及发展趋势

1.2.1 国外研究现状及发展趋势

随着微型计算机技术、传感器技术以及自动控制技术的飞速发展，它们已经越来越多地被应用到农业灌溉领域中并且给农业灌溉技术插上了高效节能的翅膀。

喷灌是借助动力设备把水喷到空气中形成细小的水滴，使之能够均匀地降落到田间的一种全新的灌溉技术^[2]。喷灌由于具有适应性强，节约人力，省水增产，少占耕地以及无需严格的土地平整，保持水土及综合利用与施肥、农药、调节小气候等作用，目前已经成为了一些先进国家的重要灌溉技术。但是它也存在一些弱点，主要是受风影响比较大，表土湿润较多，当空气相对湿度过低时喷灌的空中蒸发损失比较大。同时它也需要具备一定的条件，如需要一定的专用机械设备，能量消耗比较多，每亩投资也比较多，这些有待于在喷灌技术的发展中逐步进行克服。

在一些西方欧洲国家，喷灌面积占灌溉面积的比重很大，达到80-90%以上，比如英国、法国、瑞典、匈牙利、奥地利和捷克等^[2]。这类国家大多数是耕地面积比较小，虽然喷灌面积的比重很大，但是由于这些国家的气候优越，并不迫切需要大面积灌溉，因而其灌溉面积绝对数字很小，但是在其需要灌溉之处则是尽量采用喷灌技术。

在美国，虽然喷灌面积占灌溉面积的比重不是太大，为30%左右，但是其喷灌面积的绝对数字比较大，达到了1.14亿亩，在全世界喷灌面积中占有比较显著的地位^[2]。在美国，地面灌溉一直以来都保持着重要地位，但与此同时，喷灌也越来越受到了更加广泛的重视。美国自1949年以来，一直都是以发展地面灌溉为主，以喷灌为辅，只有在不适宜发展地面灌溉之处采用喷灌技术。但是近年来由于劳动力和水资源愈加紧张，地面灌溉的发展受到了比较大的限制，因而喷灌技术更加被推广。

在澳大利亚和罗马尼亚等国，喷灌技术发展速度很快^[2]。罗马尼亚于1957-1958年从国外引进了喷灌技术，经过四年的试验准备，选择了适合他们国情的半固定式多喷头移动管道式喷灌系统，以后才逐步推广。1965年罗马尼亚全国灌溉面积仅345万亩，1966年与英国合作，在水资源紧张的国际河流——多瑙河沿岸建设大型灌区，如佛罗明达灌区，沿河修建多级扬水站，使用低压管道输水，经过加压泵站加压之后送至干管给水栓，再从给水栓联接活动支管，向田间喷灌，以解决两岸干旱高台地的灌溉，他们在努力发展喷灌技术的同时也高度重视全部工程系统的配套，把骨干工程的建设与大量的田间喷灌系统的选型、定型紧密结合起来，一个75万亩的大型喷灌区一次全部建成，经过充分准备建一片，成一片。收到较好的效果，尽管扬水灌区因多级提水须消耗一定能量，但由于在田间采用喷灌技术，随着省水的同时也达到了节能的目的，这也是喷灌技术得以推广的原因之一。从六十年代初经过十七年努力至1978年喷灌面积达到2600万亩，居世界第三位，占灌溉面积（3300万亩）的80%，近十多年来喷灌年增长速度达22%，居世界第一。

各国情况虽有不同，发展喷灌也有各自的特点，随着世界工、农、牧业的发展，劳动力和水资源紧张，所以采用新灌溉技术的必要性逐渐被人们所重视。因此，近年来新发展的灌溉土地越来越注意推广喷灌技术，与此同时由省水进而达到节省能源的目的。

全世界喷灌技术经历了比较长的推广实践后，对于地面灌溉与喷灌技术的适应性的关系认识也比较全面了。喷灌技术的应用最早是从一些经济价值比较高的农作物比如蔬菜、苗圃、果树、公园及运动场草皮等开始的。尽管所用设备的投资比较高，也会消耗一定的能源，但因通过喷灌技术不仅改变了土壤的含水状况，也便于调节控制，与此同时还能彻底改变植物的生长环境，比如湿度、田间温度，进而结合施农药、施肥、防热干风、防霜冻，最终可以在增加产量的同时取得比较高的经济收入。由于喷灌技术对象选得恰当，喷灌经济作物才能够得以发展和扩大，直至今日。

1.2.2 国内研究现状及发展趋势

我国于1975年把喷灌技术的研究列入国家重点科研项目，从1978年起又把喷灌技术作为重点推广的新技术项目之一^[2]。目前初步建设了1000万亩的喷灌面积，并且初步明确了喷灌技术在我国条件下的增产效果。根据全国16个省市自治区的综合分析：粮食作物喷灌比如春小麦、冬小麦、高粱、大豆和玉米比不喷灌时增产了20-40%，比地面灌溉增产10-30%，经济作物增产幅度更大，比如花生、棉花、油菜、甜菜、茶叶、烟草等比不喷灌时增产35-55%，比地面灌溉增产20-30%，内蒙古和甘肃牧区试验牧草喷灌，发现其增产幅度还能更大。与此同时，还可以提高经济作物的产品品质，比如茶叶的嫩度提高、甜菜的含糖量提高一度左右，棉花的纤维长度增加0.4-1.7mm等，并且对于某些病虫害、霜冻和热干风有一定的防治作用。因此，更加引起了我国多个省市、部门的重视。

据统计，到2002年底，我国农业节水灌溉面积增至1867万公顷，占有效灌溉面积的33.4%。中国的喷灌技术虽有较大的发展，但是仍然存在一定问题，与发达国家相比仍有很大差距。其中一个很重要的原因是灌溉系统的投资、运行以及维修费用过高。另一个原因是灌溉系统过于专业和复杂。如果能够降低灌溉系统的费用，使得自动灌溉系统得以稳定并推广，将会给我国广大的农民带来非常巨大的经济效益。因此，为了实现按照农作物需水要求进行灌溉，力求改变传统的大水漫灌，采用更加先进的喷灌技术和设备取代传统的落后技术，把水资源的利用建立在科学高效的基础上，研究开发出切实可行的自动灌溉系统设备是我国农业发展亟待解决的问题。

1.3 课题研究内容

通过对于国内外灌溉技术的发展进行研究，本论文主要研究基于单片机的土壤水分监测及自动灌溉系统设计，实现对于植物土壤湿度进行实时检测，实时土壤湿度值显示，蜂鸣器报警以及控制自动灌溉。本论文研究的主要内容有以下几个方面：

1. 对于植物土壤水分监测及自动灌溉系统整体系统进行研究和设计。结合单片机技术以及传感器技术等进行植物土壤水分监测及自动灌溉系统的开发。
2. 该系统能够实现通过土壤湿度传感器进行植物土壤湿度的实时检测，数据采集与处理，并且通过LCD1602液晶显示屏进行实时显示。
3. 用户还可以根据不同植物对于土壤湿度的不同要求，通过独立按键进行设置系统的报警上下限范围，当检测到实时土壤湿度低于设定的湿度值下限时，即进行报警并且单片机发出一个控制信号，控制微型水泵进行灌溉。

第2章 土壤水分监测及自动灌溉系统总体方案设计

2.1 土壤水分监测及自动灌溉系统原理

整个系统的工作原理是：由土壤湿度传感器模块对植物土壤湿度进行实时检测，将所测得的湿度信号送给单片机，由单片机模块将当前土壤湿度值与预先设置好的土壤湿度阈值进行比较，如果当前土壤湿度低于设置的土壤湿度下限值，则单片机发出控制信号驱动灌溉装置，对植物进行灌溉。而当实时土壤湿度高于设置的土壤湿度下限值又同时低于设置的土壤湿度上限值时，说明土壤湿度已经处于适宜植物生长的状态，此时单片机发出控制信号关闭灌溉装置，停止灌溉。与此同时，单片机模块将实时土壤湿度信号经过处理显示在数据处理及显示模块，便于观察。同时，土壤湿度设定值也显示在显示模块，并且可通过独立按键进行设置，用来满足不同植物对于土壤湿度的不同要求。该系统有两种工作模式，一种是自动工作模式，另一种是手动模式，两种工作模式由用户通过独立按键进行随意切换与控制。

2.2 方案一

在当今农业界运用比较普遍的自动灌溉系统之一就是通过虹吸原理给水的农作物自动灌溉系统，也就是利用渗透原理的灌溉方式。

一种比较典型的虹吸式自动灌溉装置的结构如图2.1。