草坪智能喷灌系统设计毕业设计

毕业设计

（说明书）

题目：草坪智能喷灌系统设计毕

业设计

姓名：佳敏

学号：

工业职业技术学院

2019年5月20日

工业职业技术学院

毕业设计任务书

：佳敏

专业班级：14级机电一体化五年制2班

任务下达日期2019 年 2月 25 日

设计开始日期 2019 年 3 月 14 日

设计完成日期 2019 年 5 月 10 日

设计题目：草坪智能喷灌系统设计毕业设计

指导教师堵会晓

院（部）主任郭宗跃

2019年2月25日

工业职业技术学院

毕业设计答辩委员会记录电力工程学院机电一体化专业，学生佳敏于2019年 6 月 9 日进行了毕业设计答辩。

设计题目：草坪智能喷灌系统设计毕业设计

指导老师：堵会晓

答辩委员会根据学生提交的毕业设计材料，根据学生答辩情况，经答辩委员会讨论评定，给予学生佳敏毕业设计成绩为。

答辩委员会人，出席人

答辩委员会主任（签字）：

答辩委员会副主任（签字）：

答辩委员会委员：，，，，， , 。

工业职业技术学院

毕业设计评语

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共页

毕业设计及答辩评语：

摘要

水是一切生命过程中不可替代的基本要素，水资源是国民经济和社会发展重要基础资源。我国是一个水资源严重缺乏，水旱灾害频繁，水资源的分布很不平衡的国家。在这样水资源严重短缺的情形下，目前我国大部分地区还仍然停留在人工检测旱情，决定灌溉与否凭个人经验，这样就会造成更严重的水资源浪费。近年来，随着现代农业的发展，农业经营模式正在向大型化、集约化方向发展。这样就推广全面、统一、大型、智能化灌溉系统提供了必要条件。现在已经实现大面积种植的就是农田农业，因此我设计了和实现了一套针对农田的智能化监测和灌溉系统。采用农业智能浇灌系统，可以根据各种农作物对水量的要求，以及土壤的水情合理配置各个供水设置设备运行情况。另外，通过自动化控制，可以使相关人员及时了解整个系统的相关资源信息，通过统计分析，进行合理使用，从而达到省水节能，省工省地的效果，以及发展节水农业的目的。

关键词：智能喷灌；喷头

目录

第一章绪论 (3)

1.1 设计背景 (3)

1.2园林草坪喷灌的特点 (3)

第二章设计方案 (5)

2.1灌溉系统的基本组成 (5)

2.2智能喷灌 (8)

第三章机械设计部分 (9)

3.1喷头选型 (10)

3.1.1固定式喷头 (11)

3.1.2旋转式喷头 (11)

3.2布置喷头 (12)

3.2.1喷头的水利性能 (12)

3.2.2喷头布置方式 (13)

第四章单片机智能喷灌系统 (17)

4.1主界面控制流程 (17)

4.2液晶显示程序 (18)

4.2.1 LCD1602地址 (19)

4.2.2 LCD1602指令 (20)

4.2.3 LCD1602字符集 (21)

4.2.4 LCD1602程序 (21)

4.3 时钟芯片程序 (22)

4.4按键程序 (22)

4.4.1 ADC0832芯片接口程序 (24)

致 (25)

参考文献 (26)

第一章绪论

1.1 设计背景

灌溉是弥补自然降水在数量上的不足与时空上的不均、保证适时适量的满足草坪生长所需水分的重要措施。以往的草坪绿化工程，很多没有配套完整的灌溉系统，灌水时只能采用大水漫灌或人工洒水。不但造成水的浪费，而且往往由于不能及时灌水、过量灌水或灌水不足，难以控制灌水均匀度，对草坪的正常生活产生不良影响。随着城镇建设的不断发展，城市人口大量集中，工业和生活用水迅速增加，旅游、休闲、运动场、及居民小区等各种绿地面积越来越大，城市供水的紧状况日益突出、传统的地面大水漫灌已不能满足现代草坪灌溉的要求，采用高效的灌溉方式势在必行。

现代园林草坪灌溉的方法主要是有喷灌和微灌技术，如果我们想使整个面积都得到相同的水量，通常用喷灌，如草坪喷灌。如果我们想让某一特定区域湿润而使周围干燥时，可采用微喷灌或滴灌，如灌木灌溉。滴灌有时也用于草坪地下灌溉。园林草坪喷灌技术以及节水、节能、省工和灌水质量高等优点，越来越被人们所认识。

1.2园林草坪喷灌的特点

园林草坪为改善环境、增加美感、冶性情等目的而栽植的，因此，要求它们最好长年生长皆绿，每年只需剪而不必种植，另外，草坪使土壤渗吸速度降低，要求采用少量频灌法灌溉，而且为了节约劳力和资金、提高喷灌质量的要求，园林草坪灌溉大多采用自动化控制固定式喷灌系统。

要求水质和喷洒质量较为严格，特别是对高级观赏植物和高尔夫球场的草皮，要求喷灌均匀度较高，如有漏喷或喷洒过量。都会造成严重损失。

草坪喷灌多数在夜间进行，其原因之一是草坪白天喷灌，蒸发损失大。一般夜晚喷灌时能比白天少消耗10%以上的水量；原因之二是有些草坪白天不允许喷洒，如高尔夫球场进行比赛、公园娱乐区进行文娱活动等。

喷灌系统不能影响草坪的维护作业。草坪需要经常性的修剪、植保、施肥等，这些作业往往有机械完成。因此，需要选择特殊的设备。

喷灌系统在满足草坪需水要求的同时，需充分注意景观环境效果。精心设计的喷灌系统，通过正确选择喷头和喷点的布置，不仅能满足草坪需水，而且在灌水时可以形成水动景观效果。

园林喷灌能够有效提高劳动效率。传统灌溉方式费时、费工，甚至无法完成大面积绿地的养护工作。特别是在炎热的高温季节，浇灌作业成为绿地养护工作中的重中之重。传统方式的浇灌多采用人拿皮管浇灌为主，无法在大面积围同时灌溉，而且费时。喷灌在很短的时间，就可以完成几百或几千平方米绿地的灌溉。以1个标准足球场为例，没有喷灌系统，至少需3人才能完成所有的养护工作，而具有自动喷灌系统的足球场，通常1人就可完成所有养护作业。配备有施肥泵的喷灌系统，还可在喷灌洒水的同时完成施肥、打药等养护作业。另外喷灌时间由专业人士设定，可雇用非熟练的工人进行操作，在一定程度上降低管理的人工费用。

园林喷灌是一种模拟天然降水的灌溉方式，可以使喷灌围的植物得到均匀-致的降水。采用自动控制的喷灌系统，均由专业的灌溉和绿地管理人员根据不同的种植区及植物需水来编程设定灌水制度，这就保证了不同植物都能得到最佳的水分条件，使植物生长状态达到最佳且基本一致，特别是草坪，颜色均匀一致的草坪更能给人以美的享受。另外水流经喷头喷射出后形成细小的水滴，不会对土表造成冲刷，这样就能够保持土壤结构，为植物根系创造良好生长的土壤环境。

1.3设计目的

伴随着人们快节奏的生活、工作、学习，人们已没有很多时间去精心照顾自己种的花卉植物等，因此市场上急需一种可以代替人类劳动的产品。

由于现在市场上很多的喷灌设备主要是是针对温室、露天农作物、森林等大面积植物喷灌，而对于家庭小面积喷灌系统设备几乎没有，也没有达到自动化的水平。

现代生活中，随着人们生活水平的提高，人们对花卉、树木等绿色植物的喜爱和种

植越来越多，然而以前对花木的浇灌、施肥等工作都需要靠人工来实现，由于现代生活节奏的加快，人们往往忙于工作而忘记定期、及时地为花卉补充水分及养料，或者由于放假回家而将花放在办公室没有人管理导致花木枯死。已有的浇水器需要有人控制或者定时的浇灌，不能根据植物正常生长所需要的光照、水分、温度来实时调节植物生长环境的参数，不利于花木的成长，而且现在的名贵花如果因为以上原因而死亡得不偿失，鉴于以上情况，市场上急需提供一种能够根据光照、温度、湿度及光照的变化自动将水分和及光补充给花木，达到定期、及时浇灌花木自动灌溉器，所以本文就指智能灌溉系统来设计研究。

第二章设计方案

2.1灌溉系统的基本组成

一个完整的喷灌系统一般由水源、首部枢纽、管网和喷头等组成。

1. 水源:一般多用城市供水系统作为喷灌水源，另外，井泉、湖泊、水库、河流也可作为水源。在草坪的整个生长季节，水源应有可靠的供水保证。同时，水源水质应满足灌溉水质标准的要求。

2.首部枢纽:其作用是从水源取水，并对水进行加压、水质处理、肥料注入和系统控制。一般包括动力设备、水泵、过滤器、施肥器、泄压阀、逆止阀、水表、压力表，以及控制设备，如自动灌溉控制器、衡压变频控制装置等。首部设备的多少，可视系统类型、水源条件及用户要求有所增减。当城市供水系统的压力满足不了喷灌工作压力的要求时，可建专用水泵站或加压水泵室或专用水塔，有时可在自来水管路上加装一台管道泵即可。

3.管网:其作用是将压力水输送并分配到所需灌溉的草坪种植区域。由不同管径的管道组成，如干管、支管、毛管等，通过各种相应的管件、阀门等设备将各级管道连接成完整的管网系统。现代灌溉系统的管网多采用施工方便、水力学性能良好且不会锈蚀的塑料管道，如PVC管、PE管等。同时，应根据需要在管网中安装必要的安全装置，如进排气阀、限压阀、泄水阀等。

4.喷头:喷头用于将水分散成水滴，如同降雨一般比较均匀地喷洒在草坪种植区域。

下图为灌溉系统基本组成示意图：

图2-1 灌溉系统基本组成示例图

典型的地灌系统应该包括：

（1）水源及控制首部。

（2）主管道-将水输送到各灌溉小区。

（3）田间首部。

（4）支管道-将主管道的水分配给滴灌管。

（5）滴头、毛管、滴灌管及其接头。

2.2智能喷灌

智能喷灌系统要求能够实现以下要求:

1.自动执行喷灌任务，既能够自动控制喷头在制定的时间段定量的喷水。

2.天气监测，即随时监测降雨情况，自动在降雨开始时停止喷灌，在降雨结束后根据降雨量大小决定是否补喷一定的水量。

3.只能水量控制，即如发现降雨量满足需求则不再补喷，如不能满足需求则补喷一定水量直到满足需求。

4.喷灌计划预制，既可以输入名项喷灌任务，可以在不同时间进行工作。

智能化灌溉系统有如下优势:

1、自动根据现场实时的气候、植物和土壤情况进行适时、适量地灌溉。

2、通过智能控制技术的应用，更加节水节能，降低灌溉成本，提高灌溉质量。

3、将使灌溉更加科学，方便、提高管理水平。

4、减少灌溉中人员用量，更加合理的提高水源的利用率推广和使用智能化灌溉技术是实现节能型社会的需要。

例如：

根据站点可选择植物类型，如乔木、灌木、一年生植物等，不同的植物需水量不同。

根据站点选择喷头类型，如齿轮旋转喷头、散射喷头、涌泉头等，或者直接设定灌水器的喷灌强度，让参数更加贴合实际。

根据站点选择土壤类型，如壤土、粘土、沙土，和地形的坡度，控制器可根据土壤和地形计算运行/入渗周期，以防出现地表径流。

第三章机械设计部分

整体的机构形式如下所述：

水由出水口接入，经过水泵增压后，经过导水软管，最后从管的另一端喷射出来。机械臂主要由导水软管，套筒，舵机，步进电机与电机配合的传动装置组成。套筒下端固结有加工上锥齿的圆环，电机通过锥齿轮传动，带动套筒转动。舵机固定在套筒上，当套筒旋转时，舵机也随套筒旋转。导水软管穿过套筒与固定在套筒上端的舵机相固结，当舵机臂摆动时导水软管喷头处完成竖直方向的调整，以使喷出的水能够调整远近。而套筒转动则实现了喷水方向的调整。这样，通过水平旋转及竖直摆动，实现了喷灌的精准定位。考虑到水对电机、齿轮传动部分的腐蚀影响，电机及其套筒的传动部分通过密封箱密封，导线引出，连接到控制电路部分及电源部分，以实现对机械系统的电力输入及控制。机械臂通过套筒下端深埋入土壤进行固定。

在喷口的设计中，由于市场上所售的喷头多利用水压将水达到某个固定的位置，因此不能实现喷灌位置的可调性要求。因此喷管管口需要重新设计，可以在喷口处用钢管做导水管，将水直接引导喷头，而喷头处设计成可以转动的形式，通过增加一个电机并通过细杆与喷头处连接实现竖直方向的转动，水平方向的转动还是靠另一个电机带动套筒来实现。其中要注意密封问题，喷口转动时对其密封要求较高，且此处水压较高，更增加密封难度，还有，底部的电机如何使上部的喷头进行竖直方向的摆动。此处传动距离较长，增加材料势在必增加水平转动电机的负载，且此电机好密封，极易漏水烧毁电机。于是我们直接采用了接导水软管的方法。导水软管是一种橡皮材料做成的，一端接过水泵流过的水，一端穿过套筒固定在舵机上，有较好的弹性，使灌溉机械臂在转动时，水管不会产生较大的阻力矩，也不会发生塑性变形影响使用。这种形式的优点是结构简单，使用方便，一根管足以解决喷头处的设计问题。缺点是电机带动套筒的转角不能持续朝一个方向转动，否则水管会打结使水流不通，且从水管浇灌到地面的水流成柱状，对地面冲击较大。软管长期拉伸压缩会造成水管脱胶，破碎等问题。

在实际设计计算中，需要进行软管的拉压的疲劳强度的校核，及齿轮传动的校核计算。通过查机械设计手册可以计算出所需材料及其他要求。

在进行设计的过程中，我查阅了上市的喷头的基本工作原理，对其有了初步的了解。

在进行结构设计的过程中，我查阅了相关的机械原理、机械设计方面的书籍，增长了我在机械方面的知识及解决机械设计问题的能力。

3.1喷头选型

喷头种类很多，每种喷头都有自己特有的使用围，选择喷头时，应考虑以下一些因素：

用户对喷头形式的要求

灌区大小和地形

植物类型

现有水压和流量

当地环境条件（风、温度和降雨量）

土壤类型和入渗率

喷头的一致性

灌区大小和地形、灌溉植物的种类影响喷头的选择，例如，草坪、灌木、树林可能需要不同类型的喷头。

在“水力学基础”中我们已经知道，水压和流量是设计者首先要考虑的因素。每一种喷头都有其自己的工作压力，如果不增加水泵，而直接使用自来水管网的水压，所选择的喷头应满足现场可提供水压力和流量要求。

特殊气候条件的地区需要特殊的喷头，例如，有风地区需要低角度喷头，使水流紧贴地面以防被风吹走，炎热干旱地区需要大流量的喷头。

在“收集资料”中，我们已经谈到，喷灌强度不能大于土壤入渗率，低灌溉强度的喷头在坡地喷灌中常用，这样可以减少地表径流和水土流失。

在布置支管或把喷头按不同的控制阀分组时，最重要的原则是尽可能不要在

同一阀所控制的管路上把不同类型的喷头混在一起使用，即灌水强度不同的喷头应该分开布置在不同的控制阀管路上。如果灌水强度不同的喷头放在一起，用户或系统维护人员就可能对某一个小区过量灌溉，才能使另一小区的灌水量合适。