智能灌溉裝置(大學(xué)生創(chuàng)新).doc

重慶科技學(xué)院優(yōu)秀創(chuàng)新人才培養(yǎng)資助計劃項 目 申 報 書項目名稱 智能灌溉裝置 項目負責(zé)人 學(xué) 院 電氣與信息工程學(xué)院 專業(yè)班級 自動化1001班 聯(lián)系電話 13658355657 指導(dǎo)教師 郭利霞老師 2011 年 11 月 25 日項目名稱智能灌溉裝置申請經(jīng)費10000元起止時間2011年 12月 2013年 12 月項目組成員姓 名學(xué) 號所在院系聯(lián)系電話項目分工電氣與信息工程學(xué)院負責(zé)人電氣與信息工程學(xué)院要運通電氣與信息工程學(xué)院齊世文電氣與信息工程學(xué)院張玉平電氣與信息工程學(xué)院指導(dǎo)教師姓 名職稱/職務(wù)聯(lián)系電話郭利霞副教授15520037710立項依據(jù)現(xiàn)狀分析：水是生命之源，是包括人類在內(nèi)的各種生物生存的必要元素。而我國是聯(lián)合國認定的“水資源緊缺”國家，人均淡水資源占用量僅為世界人均水平的1/4。所以對水資源的有效利用及節(jié)水成為一個重要課題。隨著人們生活質(zhì)量提高和對健康生活的追求，對花卉、樹木等綠色植物的種植越來越多，然而以往對花木的澆灌、施肥等工作都需要靠人工來實現(xiàn)。一方面，人工灌溉不能準確把握澆灌量，不僅造成了水資源的較大浪費，不符合當(dāng)前對“節(jié)約用水”的倡導(dǎo)，同時也損害了花木的健康生長；另一方面，由于現(xiàn)代生活節(jié)奏的加快，人們往往因忙于工作或長期外出而無暇顧及對花木照料。已有的澆水器大多局限于定時澆灌，不能根據(jù)植物正常生長所需要的濕度、溫度、PH來實時調(diào)節(jié)植物生長環(huán)境的參數(shù)。 針對這些現(xiàn)象，我組成員設(shè)計了此款澆灌裝置，它是一款集雨水收集裝置、配料裝置、土壤濕度、溫度、PH傳感器、旋轉(zhuǎn)澆灌裝置等多種傳感和控制裝置為一體的基于單片機的自動、智能澆灌裝置。用以達到對植物進行定時、合理的智能灌溉和節(jié)水目的。項目意義： 1.利用學(xué)校提供的資源給學(xué)生以更廣闊的發(fā)揮空間，提高學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，增加動手實踐能力，把專業(yè)理論知識轉(zhuǎn)化為實際應(yīng)用產(chǎn)品；。 2.以自動控制、自動檢測研究、單片機開發(fā)技術(shù)等熱點和前沿課題相結(jié)合，以問題法、探究式教育法培養(yǎng)學(xué)生運用知識和拓展研究能力。 3本著節(jié)水利國利民和著眼于市場缺少廉價高效的智能節(jié)水澆灌裝置，本設(shè)計將填補這一市場的空白，為家庭小區(qū)甚至是大中型園藝栽培市場提供更經(jīng)濟、更高效、更節(jié)能、更易操作的智能澆灌裝置。自身具備的知識條件、自己的特長、興趣：作為此項目的申報團隊，我們對科技創(chuàng)新有著執(zhí)著的追求，極力想通過各種創(chuàng)新活動用以增強自身在科技創(chuàng)新方面的經(jīng)驗和素養(yǎng)。我們熱愛科學(xué)，希望通過自身的努力，創(chuàng)造出自己的作品。對于知識條件，我相信我們具備知識方面的優(yōu)勢，我們已完成了C語言、電路原理和單片機技術(shù)的學(xué)習(xí)，以后還要陸續(xù)學(xué)習(xí)電機拖動基礎(chǔ)、電子技術(shù)、單片機原理、自動控制原理、電力電子技術(shù)等課程，通過本專業(yè)知識的學(xué)習(xí)將提升我們完成此項目的能力。我們也有能力學(xué)好本專業(yè)知識，因為在學(xué)習(xí)上我們從未落后。我們善于接受新的知識，熱衷實踐探索，在知識儲備和后天發(fā)展中，我們有著極大的自信。項目方案具體方案:在老師的指導(dǎo)下以及自己學(xué)習(xí)自動檢測和自動控制，借助于多功能單片機、電機拖動等技術(shù)，自主完成多功能智能澆灌裝置。提高自己對知識靈活應(yīng)用的水平,將所學(xué)課程的內(nèi)容融會貫通到實際應(yīng)用領(lǐng)域,并為可能開發(fā)的新技術(shù)新產(chǎn)品提供堅實的理論實踐基礎(chǔ)。一、硬件整體框圖1數(shù)據(jù)采集模塊數(shù)據(jù)采集的主要功能是采集外界環(huán)境的參數(shù):溫度、濕度、PH值等一系列的與植物生長有密切關(guān)系的因素。這些因素對植物的生長有很大的影響，只有當(dāng)這三者達到適當(dāng)比例時，植物才能達到最好的生長狀態(tài)。1.1 溫度采集溫度的采集采用的DS18B20溫度傳感器，通過溫度傳感器來檢測空氣的溫度來判斷當(dāng)前的天氣狀況，以此溫度作為參考是否灌溉的一個標(biāo)準。DS18B20溫度傳感器有超小的體積，超低的硬件開消，抗干擾能力強，精度高，附加功能強等優(yōu)點，而且全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出，最高12位分辨率，精度可達土0.5攝氏度。檢測溫度范圍為55C +125C (67F +257F)，完全適用于本產(chǎn)品的開發(fā)與要求。 1.2 濕度采集濕度采集采用的是AM1001濕度傳感器，一方面可以實時檢測土壤中的濕度，土壤過濕或者過干，通過濕度傳感器檢測的土壤濕度來判斷植物是否缺水。另一方面，通過采集大氣中水分的多少來判斷當(dāng)前天氣的情況（如，是否將要下雨），進而結(jié)合土壤的濕度考慮是否灌溉。濕度傳感器AM1001具有低功耗，小體積、帶溫度補償、單片機校準線性輸出、使用方便、成本低、完全互換、超長的信號傳輸距離、精確校準等優(yōu)點。采集外界的模擬信號，傳給單片機處理。1.3 土壤PH的采集PH值的采集主要采用的是HI9125N傳感器，通過HI9125N傳感器檢測土壤項目方案的酸堿度，酸堿度對植物的影響很大，過酸過堿對作物的傷害都是很大的。采用PH值的采集可以有效地預(yù)防過酸過堿情況的發(fā)生，有效地保護植物。不同的植物對PH的要求也各有差異。HI9125N具有良好的防水性，即使在惡劣的環(huán)境中也有很好的精度和準確度。內(nèi)置5個校準點（PH4.01，6.86,7.01,9.18，10.01）當(dāng)電量過低時將自動關(guān)機避免測量誤差。2. 模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊通過數(shù)據(jù)采集到的信號有兩種：數(shù)字信號和模擬信號。對于數(shù)字信號，單片機可以直接的進行處理，但是對于模擬信號，單片機不能直接處理，就必須要一個模數(shù)轉(zhuǎn)化的模塊。模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)亦稱模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換，與數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換相反，是將連續(xù)的模擬量（如象元的灰階、電壓、電流等）通過取樣轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量。項目中的數(shù)據(jù)采集到的濕度、PH等信號都是模擬信號，要使單片機能直接進行控制，必須要加相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)化的模塊，同時，系統(tǒng)對每一個參數(shù)的要求不一樣，就需要精度不同的模數(shù)轉(zhuǎn)化裝置。針對要求精度高的特性，采用ADS8412模數(shù)轉(zhuǎn)化芯片，ADS8412是一款2Msps采樣速率的16位逐次逼近模數(shù)轉(zhuǎn)化芯片。它具有功耗小、精度高、安全性好等優(yōu)點。完全能達到理想的要求。3. 液晶顯示模塊數(shù)據(jù)采集到的信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)化傳送給單片機，單片機把數(shù)據(jù)以數(shù)字的形式在液晶屏上顯示出來，便于人工觀測、比對，能更好的控制澆灌系統(tǒng)。4. 灌溉控制模塊4.1 智能灌溉模塊啟動電機，單片機綜合各種傳感器傳送過來的數(shù)據(jù)有針對性的發(fā)出澆灌指令，通過電機帶動目的。當(dāng)濕度傳感器檢測到土壤水分過少或者溫度偏高時，啟動電機進行灌溉，時刻檢測水分，當(dāng)濕度達到最適值時，關(guān)閉電機停止灌溉，以達到智能控制的效果。4.2 手動控制手動控制也是灌溉系統(tǒng)必不可缺的一部分。在自動控制不方便或出現(xiàn)某些故障（如，溫度感應(yīng)器失靈）的情況下，可以啟動手動控制灌溉。同時，通過手動控制還可以檢測到水管堵塞等一系列的故障。5. 配料裝置5.1 作用作用一：使土壤中的保持在正常范圍內(nèi)，當(dāng)值過酸或者過堿時，配料裝置開啟，添加相應(yīng)所需的酸或堿；作用二：按照人工設(shè)定的植物生長所需營養(yǎng)液比例，將肥料（液體肥）和項目方案澆灌水進行合理配置。5.2 配制方法加料輸送管與自來水管相接，通過控制 自來水導(dǎo)入水速與加料流速的比率來實現(xiàn)水與肥料的合理比例配比。（如下圖所示）酸性液堿性液液體肥料符合比例的混合液自來水與加料混合區(qū)自來水區(qū)自來水管加料導(dǎo)管附：軟件控制流程圖（如下圖所示）項目方案三、可行性分析：本裝置是通過單片機實現(xiàn)和完成的。利用各種濕度和溫度傳感器、電機和自檢裝置輔助實現(xiàn)。而這一系列的知識和技術(shù)將會在我的大學(xué)里全部學(xué)習(xí)到。該裝置通過上述的一系列方法讓自動智能澆灌變成了可能。滿足了忙于生活而無暇顧及對花木進行澆灌的人的需求，因此，此類裝置擁有廣闊的市場前景。因本款智能澆灌裝置具有雨水收集、溫度濕度檢測、PH檢測、自檢等功能，所以它比其他同類產(chǎn)品更具優(yōu)勢。是一個很實用的家庭、園林小助手，所以此項目具有很強的可行性，實用價值高、市場前景更加廣闊。二、實施計劃：第一階斷：(2012.012012.05)智能澆灌裝置項目的調(diào)研：完成對花木正常生長條件數(shù)據(jù)和項目所需元件資料的搜集與整理。第二階斷：(2012.052012.09)數(shù)據(jù)采集模塊和模數(shù)轉(zhuǎn)化模塊：完成溫度、濕度和PH模塊、液晶顯示模塊的硬件組裝和程序編寫。第三階斷：(2012.092012.012)配料裝置：完成對配料裝置的硬件設(shè)計和程序編輯。第四階斷：(2012.122013.06) 灌溉控制模塊：完成數(shù)據(jù)采集模塊、液晶顯示模塊、電機裝置與單片機的連接，手動控模塊的設(shè)計，單片機整體控制程序的編寫。第五階斷：(2013.062013.12)1. 組裝調(diào)試各模塊，將其統(tǒng)一成一個完善的整體。2. 完成裝置結(jié)題報告書和論文發(fā)表。成果形式1設(shè)計完整的硬件模型，完整的軟件，實現(xiàn)預(yù)期各項功能；2爭取進一步推廣，實現(xiàn)其實用價值；3公開發(fā)表創(chuàng)新實驗開發(fā)研究論文一篇；4爭取將其廣泛利用在校園中；5. 努力爭取申請專利。特色與創(chuàng)新裝置特色：1. 立足單片機技術(shù)，實現(xiàn)濕度、溫度、PH值測定、簡易時鐘于一體的多功能裝置；2. 本裝置外形簡潔美觀，安裝方便；3. 智能調(diào)節(jié)澆灌，最大限度的節(jié)約了水資源；4. 采用自動、手動兩種操作模式，防止了因感應(yīng)器失靈等故障引起的不能澆灌的現(xiàn)象。創(chuàng)新之處：1. 能分析植物所處生長土壤的參數(shù)，并與植物適宜的生長土壤參數(shù)進行對比，以澆灌的方式對土壤作出合理的調(diào)解；2. 智能配料裝置，可根據(jù)植物正常生長所需PH環(huán)境，自動向自來水中添加酸或堿鹽溶液，調(diào)節(jié)土壤PH；根據(jù)主人設(shè)定的肥料與自來水比例，精確將肥料調(diào)和入自來水中；3. 采用兩套濕度感應(yīng)器，一套用于對土壤濕度的檢測，控制澆灌程度；另一套用于檢測大氣濕度，自動分析是否降雨。避免了在降雨前澆灌對水源的浪費；4. 可以通過感應(yīng)裝置檢測實時溫度，必要時，實施澆水降溫，實現(xiàn)對植物的最好保護。特殊條件要求1. 主要用于澆灌面積較小的區(qū)域，如，植物盆栽、花壇、草坪等；2. 要注意防火防止線路老化；3. 定時對裝置進行檢查，對故障進行及時處理。經(jīng)費預(yù)算支 出 科 目金額（元）計 算 根 據(jù) 及 理 由 實驗材料費（濕度，溫度，PH等）傳感器1000 電機與噴頭1000模具材料800配料裝置500數(shù)據(jù)顯示裝置300灌溉控制模塊2000連接裝置購買600電線及相關(guān)耗材300其他預(yù)計費用資料費用500項目資料查詢、下載、打印論文發(fā)表1000綜合數(shù)據(jù)處理300通過后期數(shù)據(jù)等進行分析，修改項目內(nèi)容 交通費用500小組成員分工分目的的調(diào)研 其 它1000作為資金儲備，以備不時之需合 計 9800元指導(dǎo)教師意見：指導(dǎo)教師（簽字）： 年 月 日學(xué)院專家組成員姓名性別年齡職務(wù)工作單位簽字學(xué)院初評意見：主管院長 (簽字)：（公章） 年 月 日學(xué)校專家組成員姓名性別年齡職務(wù)工作單位簽字學(xué)校專家組評審意見：專家組組長(簽字)： 年 月 日主管校長審批意見： 主管校長(簽字)： 年 月 日