CN103477961A - 太阳能光伏水培自动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太阳能光伏水培自动控制系统，属于自动控制技术领域。所述系统包括：光伏电池、畜电池、LED灯、电控开关、光敏传感器，其中，光敏传感器用于探测光的强度，当光强度大于或者等于设定域值时，光敏传感器给控制器输入低电平信号，控制器控制电控开关，使光伏电池和畜电池构成电连通的回路，光伏电池给畜电池充电；当阳光强度小于设定域值时，光敏传感器给控制器输入高电平信号，控制器控制电控开关，使畜电池和LED灯、加氧泵和风扇电机构成电连通的回路，蓄电电池给红蓝光LED灯、加氧泵和风扇电机供电，所述LED灯发射红蓝光以照射水培植物、加氧泵给水培植物加氧和风扇旋转。利用该系统培植的植物，在白天和夜晚都能生长，进一步提高了水培植物的产量。

Description

太阳能光伏水培自动控制系统

技术领域

本发明涉及一种太阳能光伏水培自动控制系统，尤其涉及一种能够提高水培系统种植的农业产品的产量的太阳能水培自动控制系统，属于自动化控制技术领域。 

背景技术

随着人们生活文化水平的提高，对水培系统种植的农业产品的需求不断增加，尤其个性化、高效率、家庭种植绿色蔬菜的地位越来越高。人们要求农产品同时具备无农药残留、高营养品质、外观漂亮等优秀特点，水培养殖的蔬菜很好地同时具备了这些优点，无土栽培的水培种植自然成为绿色农业发展的一个新方向和亮点。但是现有技术中的水培系统，水培埴物只有在白天有太阳光时生长，而在夜晚没有阳光的照射，生长缓慢，甚至不生长，因此，产量低。 

发明内容

为克服现有技术的缺点，本发明提供一种太阳能光伏水培自动控制系统，利用该系统培植的植物，在白天和夜晚都能生长，进一步提高了水培植物的产量。 

为实现所述发明目的，本发明提供一种太阳能水培自动控制系统，其包括：光伏电池、畜电池、LED灯、电控开关、光敏传感器，其中，光敏传感器用于探测光的强度，当光强度大于或者等于设定域值时，光敏传感器给控制器输入低电平信号，控制器控制电控开关，使光伏电池和畜电池构成电连通的回路，光伏电池给畜电池充电；当阳光强度小于设定域值时，光敏传感器给控制器输入高电平信号，控制器控制电控开关，使畜电池和LED灯构成电连通的回路，充电电池给LED灯供电，所述LED灯发射红蓝光以照射水培植物。 

优选地，LED灯通过第一循环定时开关连接于畜电池的两端。 

优选地，控制器还用于控制第一循环定时开关的导通和断开时间周期。 

优选地，太阳能水培自动控制系统还包括加氧泵，加氧泵通过第二循环定时开关连接于畜电池的两端。 

优选地，控制器还用于控制第二循环定时开关的导通和断开时间周期。 

优选地，太阳能水培自动控制系统包括风扇，风扇电机通过第三循环定时开关连接于畜电池的两端。 

优选地，控制器还用于控制三循环定时开关的导通和断开时间周期。 

优选地，第一循环定时开关、第二循环定时开关和第三循环定时开关的导通和断开时间周期能够分别进行调整。 

优选地，根据正交实验法分别调整第一循环定时开关、第二循环定时开关和第三循环定时开关的导通和截止时间周期。 

优选地，第一循环定时开关、第二循环定时开关和第三循环定时开关导通的导通时间相互重叠。 

与现有技术相比，利用本发明提供的水培系统培植的植物，在白天和夜晚都能生长，进一步提高了水培植物的产量。本系统既可以应用于大棚等进行大面积水培种植，也可以在阳台上进行小面积个性化种植，操作使用灵活方便。 

附图说明

图1是本发明提供太阳能水培自动控制系统； 

图2是本发明提供的正交实验寻优的流程图I； 

图3是本发明提供的正交实验寻伏的流程图II。 

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明。 

图1是本发明提供太阳能水培自动控制系统。如图1所示，本发明提供的太阳能水培自动控制系统包括：光伏电池、充电电路，畜电池、控制器，第一、第二和第三循环定时开关驱动电路，第一、第二和第三循环定时开关时间设定电路，LED灯、加氧泵和风扇，其中所述充电电路包括：TVS管过充保护装置、电阻R4和R5，PWM功率驱动电路，场效应管Q1、场效应管Q2和FUSE过充过放保护电路，其中，TVS管过充保护装置并联于光伏电池两端；电阻R4和R5相串联后并联于光伏电池两端，它们的中间节点连接于控制器，其中，电阻R5为光敏电阻，其阻值随光强度的增大而减小，如此，电阻R4和R5相串联组成光敏传感器；控制器的第一输出端连接于PWM功率驱动电路的控制端，可以控制PWM功率驱动电路的工作状态；场效应管Q1的栅极和场效应管Q2的栅极均连接于PWM功率驱动电路的输出端，场效应管Q1的漏极和场效应管Q2的漏极相连，场效应管Q1的源极连接于光伏电池的负极，场效应管Q2的源极连接于畜电池的负极并接地；畜电池的正极经FUSE过充过放保护电路与光伏电池的正 极相连。光敏传感器用于探测光的强度，当光强度大于或者等于设定域值时，光敏传感器给控制器输入低电平信号，控制器给PWM功率驱动电路输出一个控制信号，使PWM功率驱动电路产生一方波脉冲，从而周期地控制场效应管Q1和场效应管Q2导通和截止，以使光伏电池脉冲地给畜电池充电；当光强度小于设定域值时，光敏传感器给控制器输入高电平信号，控制器给PWM功率驱动电路输出一个控制信号，使PWM功率驱动电路产生高电平信号，场效应管Q1的源极和场效应管Q2均截止，光伏电池停止给畜电池充电。 

LED灯的一端经第一循环定时开关J1连接于畜电池的正极，另一端连接公共端；加氧泵的一端经第一循环定时开关J2连接于畜电池的正极，另一端连接公共端；风扇电机的一端经第三循环定时开关J3连接于畜电池的正极，另一端连接公共端，公共端可以接地，也可以经一可控制开关和电流传感器连接于地。所述可控制开关为场效应管Q3。场效应管Q3的栅极连接于输出保护和功率驱动电路，漏极连接于公共端，源极经电流传感器连接于地。所述电源传感器为一个电阻，所述电阻用于将流入公共端的总电流转换为电压并输入到控制器的一个输入端。 

第一循环定时开关J1、第二循环定时开关J2第和第三循环定时开关J3可以分别为继电器J1、继电器J2和继电器J3，它们分别由第一驱动器，第二驱动器和第三驱动器进行驱动。 

第一驱动器包括晶体管TR1、电阻R1和二级管D1，其中晶体管TR1的基极经电阻R1连接于控制器的第二输出端，发射极接地，集电极接二极管D1的正极。二极管D1的负极接电源，二极管D1的两端与继电器J1的线包相并联。继电器J1的常开触点的一端接蓄电池电源的正12V端，另一端接LED灯。第一循环定时开关时间设定电路包括与控制器的两输入端分别相连接的按键AN1和AN2，AN1和AN2的另一端接地，按键与控制器相连的端同时经电阻连接于电源5V。按AN1键，设定LED灯循环定时开关J1的导通时间，按AN2键，设定LED灯循环定时开关J1的关断时间，即设置第一循环定时开关的导通和断开时间。 

第二驱动器包括晶体管TR2、电阻R2和二级管D2，其中晶体管TR2的基极经电阻R2连接于控制器的第三输出端，发射极接地，集电极接二极管D2的 正极。二极管D2的负极接电源，二极管D2的两端与继电器J2的线包相并联。继电器J2的常开触点的一端接蓄电池电源的正12V端，另一端接加氧泵。第二循环定时开关时间设定电路包括与控制器的两输入端分别相连接的按键AN3和AN4，AN3和AN4的另一端接地，按键与控制器相连的端同时经电阻连接于电源5V，按AN3键，设定加氧泵循环定时开关J2的导通时间，按AN4键，设定加氧泵循环定时开关J2的断电时间，即设置第二循环定时开关的导通和断开时间。 

第三驱动器包括晶体管TR3、电阻R3和二级管D3，其中晶体管TR3的基极经电阻R3连接于控制器的第四输出端，发射极接地，集电极接二极管D3的正极。二极管D3的负极接电源，二极管D3的两端与继电器J3的线包相并联。继电器J3的常开触点的一端接蓄电池电源的正12V端，另一端接风扇电机。第三循环定时开关时间设定电路包括与控制器的两输入端分别相连接的按键AN5和AN6，AN5和AN6的另一端接地，按键与控制器相连的端同时经电阻连接于电源5V，按AN5键，设定风扇电机循环定时开关J3的导通时间，按AN6键，设定风扇电机循环定时开关J3的断电时间。 

本发明提供的太阳能水培自动控制系统还包括显示装置，其用于显示LED灯、加氧泵和风扇等的工作时间和状态。 

本发明提供的系统工作过程如下： 

当光强度大于或者等于设定域值时，光敏电阻R5的阻值小于或者等于一定值，其上的分压值小于或者等于一设定值，此时，电阻R5给控制器输入低电平信号，控制器给PWM功率驱动电路输出一个控制信号，使PWM功率驱动电路产生一方波脉冲，从而周期地控制场效应管Q1的源极和场效应管Q2导通和截止，以使光伏电池脉冲地给畜电池充电。同时，控制器给输出保护和驱动电路输出一个控制信号，输出保护和驱动电路给场效应管Q3提供一个高电平，使Q3截止；给晶体管TR1、TR2和TR3均输出低电平使它们均截止，晶体管TR1、TR2和TR3的集电极均没有电流通过，继电器J1、J2和J3的线包均没有电流通过，继电器J1、J2和J3的常开触点均断开，LED灯、加氧泵和风扇电机均已畜电畜断开从而均不工作。当光强度小于设定域值时，电阻R5给控制器输入高电平信号，控制器给PWM功率驱动电路输出一个控制信号，使PWM功率驱动电路产生高电平信号，场效应管Q1的源极和场效应管Q2均截止，光伏电池停止 给畜电池充电，同时，控制器给输出保护和驱动电路输出一个控制信号，输出保护和驱动电路给场效应管Q3提供一个低电平，使Q3导通；给晶体管TR1、TR2和TR3均输出低高电平使它们均导通，晶体管TR1、TR2和TR3的集电极均有电流通过，继电器J1、J2和J3的线包均有电流通过，继电器J1、J2和J3的常开触点均接通，LED灯、加氧泵和风扇电机均与畜电畜电连通而工作。LED灯工作的周期由按键AN1和AN2设定的导通和截止时间决定。加氧泵的工作的周期由按键AN3和AN4设定的导通和截止时间决定。风扇电机的工作的周期由按键AN5和AN6设定的导通和截止时间决定。 

利用本发明提供的系统同时种植相同植物进行多个水培试验，分别设定继电器J1、继电器J2和继电器J2的导通和截止的时间并使继电器J1、继电器J2和继电器J2导通的导通时间相互重叠，即在LED灯进行照射时，也利用加氧泵加氧，利用风扇进行换气，但每个试验时，设定的继电器J1、继电器J2和继电器J2导通的时间和周期不同。利用本发明提供的自动控制系统进行水培并定期收割植物并称重，用正交试验算法计算寻优，即计算LED灯的光照时间和周期，加氧泵的工作时间和周期，以及风扇的工作时间和周期，寻优后再循环进行试验，如此循环数次得到最优的水培试验结果。 

正交实验法设计自动化新型水培系统具体方案如下： 

本实验方法的目标是在保证质量的前提下尽量提高水培蔬菜产量，夜间的自动化设计最为重要，而影响产量的因数有三个，即LED灯红蓝光光照间隔时间、风扇通风间隔时间、水泵循环、营养液增氧间隔时间，夜间给蔬菜光照、通风和循环、增氧营养液每次时间初始都设为半小时。 

确定因素波动范围 

LED灯红蓝光光照间隔时间：半小时～一个半小时 

通风、通氧间隔时间：半小时～一个半小时 

水泵循环、增氧营养液间隔时间；半小时～一个半小时 

确定考查指标为单位槽箱蔬菜的产量 

确定因素水平表(见表2) 

表2因素水平的确定 

从因素水平表看，为3因素3水平，可选用L₉(3⁴)正交表，3个因素按顺序占1、2、3列，见表3。 

表3因素水平表的设计 

确定试验方案并记录试验结果 

1、表头设计后(A占第1列、B占第2列、C占第3列)水平按正交表要求对号入座，填入上表。9个横行，每1行即是1个试验方案，如第1行为A1B1C1， 第9行为A3B3C2，等等。 

2、按每个方案要求做试验，把试验结果即每个方案实际得到的转化率记录在该方案的右侧，填入上表。 

计算分析试验结果 

1、对9个试验结果进行计算比较，得到最优的方案，。 

2、计算分析。因为L正交表实际有81个方案，L仅做了9次试验，最佳方案可能在做过的9次试验中，也可能不在，所以必须计算分析，找出最佳方案。 

计算分析方法如下： 

首先，把每个因素1水平所有方案试验结果相加；把2水平方案试验结果相加；把3水平方案试验结果相加。这实际上是把每1个因素的试验结果分成了3组。分别用K1、K2、K3来表示，如A因素1水平方案试验结果即是A因素的K1，记在A因素下方。 

A的K1＝X1+X2+X3 

A的K2＝X4+X5+X6 

A的K3＝X7+X8+X9 

同理B因素的： 

K1＝X1+X4+X7 

K2＝X2+X5+X8 

K3＝X3+X6+X9 

同理C因素的： 

K1＝X1+X6+X8 

K2＝X2+X4+X9 

K3＝X3+X5+X7 

把计算结果分别记在A、B、C这3个因素下方。分别计算各自的算术平均值：各自的K值均为3个值的和，所以： 

A的K1平均＝(X1+X2+X3)／3 

K2平均＝(X4+X5+X6)／3 

K3平均＝(X7+X8+X9)／3 

同理B的K1平均＝(X1+X4+X7)／3 

K2平均＝(X2+X5+X8)／3 

K3平均＝(X3+X6+X9)／3 

同理C的K1平均＝(X1+X6+X8)／3 

K2平均＝(X2+X4+X9)／3 

K3平均＝(X3+X5+X7)／3 

其次计算各因素的极差R：各因素K平均最大值减去最小值即为极差 

分析计算结果，分析表明极差越大的因素重要程度越高。这是为什么下面我们以数据处理的分组情况入手来进行说明。首先分析A因素的K1平均、K2平均、K3平均这3个数值，它对A因素来说，分别代表1水平、2水平、3水平的试验结果，再分析B因素和C因素，发现在3个数值中，B因素和C因素的1、2和3水平，均各出现一次，出现机会是均等的，所以可以得出结论，A的K1平均、K2平均、K3平均的3个值，B因素和C因素对它们无影响，3个值的不同，只是因为A因素水平变化引起的。同理，B因素和C因素的极差，也都是各自水平变化引起的，与其它因素无关。这一点是由正交表的整齐可比性决定的，数据处理非常方便。 

为了直观起见，用因素的水平变化为横坐标，指标的平均值为纵坐标，画出水平与指标关系图，从图中可明显找出究竟是因素的哪一个水平起的作用最大，从而找出最佳方案，最佳方案可能不在正交试验的9个方案中，其是否为最佳方案，需要通过正式试验来证明。 

最佳方案选取过程中应注意的问题： 

1、一般情况下，各因素最好的水平组合就是最佳方案； 

2、实际工作中，有时要考虑因素的主次； 

主要因素：按照有利于指标的水平选取。 

次要因素：还应考虑其它条件，如生产率、成本、劳动条件等，来选取适当的水平，其目的是得到符合生产实际的最优或较优方案。 

总结以上的正交实验，得出设计步骤为： 

第一步：明确试验目的，确定考查指标； 

第二步：确定因素、选取水平、制定因素水平表； 

第三步：选用合适的正交表进行表头设计； 

第四步：确定试验方案，做正交试验，记录试验结果； 

第五步：计算分析试验结果，选取优化方案； 

第六步：验证试验，确定最佳方案。 

采用单纯形法寻优：将因素水平对目标的贡献率由高到低依次排列，然后对贡献率最高的因素水平时间再加倍，对贡献率最低的因素水平时间再减半，若目标产量明显提高则此方法再循环，若目标产量下降或没有明显变化，则停止寻优，认为最优方案已经找到，进一步寻优方案：单纯形方法的原理流程框图如图2和图3。 

利用本发明提供的系统进行水培达到如下优点： 

1、利用廉价的太阳电板为LED灯供电，使得绿色蔬菜植物在夜晚也能有计划的被光照，既提高了水培蔬菜的生长速度，又增加了水培蔬菜的营养品质。， 

2、绿色蔬菜植物的生长离不开必要的通风通氧，以太阳能电板为电源为通风设施定时供电，提高水培蔬菜的产量和质量。 

3、以太阳能电板为动力，驱动水泵，使种植槽中的营养液定时循环流动，补充营养液中的氧气并使养分更加均匀，有利于种植蔬菜的养分吸收，消除根部有害的代谢产物积累，减少病变，提高蔬菜的质量和产量。 

4、本正交实验设计系统结合了适合的优化算法：单纯形法，通过具体的实验寻优，证明此方法的有效性：种植的叶子类水培蔬菜平均增产30％到40％左右，并且品质有所提高；具体的优化框图和实验表格在后面列出； 

5、城市居民在家庭的阳台上种植出自己喜欢的个性化蔬菜，增加了生活情趣、提高了生活质量。 

6、不失为作为绿色环保的家居装饰的一个良好选择：新鲜的绿色蔬菜配以LED灯的定时闪亮，家庭更加温馨。 

以上结合附图详细说明了本发明，但是说明书仅是用于解释权利要求书的。但本本发明的保护范围并不局限于说明书。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。 

Claims (10)

1.一种太阳能水培自动控制系统，其特征在于，其包括：光伏电池、畜电池、LED灯、电控开关、光敏传感器，其中，光敏传感器用于探测光的强度，当光强度大于或者等于设定域值时，光敏传感器给控制器输入低电平信号，控制器控制电控开关，使光伏电池和畜电池构成电连通的回路，光伏电池给畜电池充电；当阳光强度小于设定域值时，光敏传感器给控制器输入高电平信号，控制器控制电控开关，使畜电池和LED灯构成电连通的回路，充电电池给LED灯供电，所述LED灯发射红蓝光以照射水培植物。

2.根据权利要求1所述的太阳能水培自动控制系统，其特征在于，LED灯通过第一循环定时开关连接于畜电池的两端。

3.根据权利要求2所述的太阳能水培自动控制系统，其特征在于，控制器还用于控制第一循环定时开关的导通和断开时间周期。

4.根据权利要求3所述的太阳能水培自动控制系统，其特征在于，还包括加氧泵，加氧泵通过第二循环定时开关连接于畜电池的两端。

5.根据权利要求4所述的太阳能水培自动控制系统，其特征在于，控制器还用于控制第二循环定时开关的导通和断开时间周期。

6.根据权利要求4所述的太阳能水培自动控制系统，其特征在于，还包括风扇，风扇电机通过第三循环定时开关连接于畜电池的两端。

7.根据权利要求6所述的太阳能水培自动控制系统，其特征在于，控制器还用于控制三循环定时开关的导通和断开时间周期。

8.根据权利要求7所述的太阳能水培自动控制系统，其特征在于，第一循环定时开关、第二循环定时开关和第三循环定时开关的导通和断开时间周期能够分别进行调整。

9.根据权利要求8所述的太阳能水培自动控制系统，其特征在于，根据正交实验法分别调整第一循环定时开关、第二循环定时开关和第三循环定时开关的导通和截止时间周期。

10.根据权利要求9所述的太阳能水培自动控制系统，其特征在于，第一循环定时开关、第二循环定时开关和第三循环定时开关导通的时间相互重叠。

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