CN104642068B - 太阳能遥测遥控土壤湿度直流电机水泵 - Google Patents

太阳能遥测遥控土壤湿度直流电机水泵 Download PDF

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Abstract

本发明涉及电子技术领域，具体是一种太阳能遥测遥控土壤湿度直流电机水泵。包括土壤湿度传感器、无线发射器、水源检测传感器、水源光耦控制开关、无线接收器、直流电机水泵，太阳能电源无线遥测遥控土壤湿度水泵，方便没有交流电源，尤其离水源较远或水源不足、地势不平坦农田全自动控制灌溉，使不同的作物都能处于最佳生长状态，大大提高农业种植生产水平。土壤湿度传感器、水源检测传感器电极正弦波传感有效防护电解腐蚀延长使用。无线收/发晶振高稳频遥测遥控，脉冲编码、译码容量大、抗干扰性强，相邻农田运行稳定可靠，互不干扰。本发明广泛适用于农田灌溉保障土壤湿度满足作物生长要求。

Description

太阳能遥测遥控土壤湿度直流电机水泵
技术领域
本发明涉及电子技术领域，具体是一种太阳能遥测遥控土壤湿度直流电机水泵。
背景技术
生长植物的土壤需要保持一定的湿度，用人工控制土壤湿度既不准确，劳动量又大，不适合现代农业生产要求。尤其交流电网不便铺设雨水稀少干旱贫脊地区，水源不足或离水源远，或地势不平坦，影响农田灌溉。
发明内容
本发明的目的是提供交流电网不便铺设的农田，测量土壤湿燥信息无线发射，电磁波空间传输到有水源的无线接收器设定灌溉湿度、供水范围的一种太阳能遥测遥控土壤湿度直流电机水泵。
本发明技术解决方案：包括两组太阳能电源、土壤湿度传感器、土壤湿度测量电桥、低频晶体振荡器、缓冲放大器、有源带通滤波器、差动放大器、精密检波器、功率放大器、调制器、无线发射器、水源检测信号发生器、水源检测传感器、水源光耦控制开关、无线接收器、单稳态延时继电器、直流电机水泵，其中，低频晶体振荡器输出正弦波信号经缓冲放大器、有源带通滤波器滤除高次谐波接土壤湿度测量电桥输入端，土壤湿度测量电桥测量桥臂连接土壤湿度传感器，土壤湿度测量电桥输出连接差动放大器输入端，差动放大器输出信号经精密检波器后接入功率放大器，功率放大器输出驱动调制器，调制器输出再连接无线发射器达到一次调制携带土壤湿度测量信息，无线发射器脉冲编码二次调制信道加密由天线发射，电磁波经空间传输到无线接收器，无线接收器脉冲译码信道解密，解调土壤湿度测量信息控制水泵灌溉，无线接收器由水源检测信号发生器输出低频正弦波接入水源检测传感器、水源光耦控制开关提供传感信号，水源检测信号发生器由RC文氏电桥振荡、二极管VD7、VD8稳幅、三极管VT4射极跟随输出经电容耦合接水源检测传感器探测电极、二极管VD5、VD6检波、电容滤波、限流电阻至三极管VT2电流放大驱动水源光耦控制开关发光二极管，光电三极管与无线射频接收器译码输出驱动继电器三极管VT3串联相接，一组太阳能电源经单稳态延时继电器J1触点J1-1接直流电机水泵，并经稳压接水源检测信号发生器、水源光耦控制开关、无线接收器电源端，直流电机水泵接过载保护热继电器，另一组太阳能电源接土壤测量无线发射器，并与土壤测量无线发射器、土壤湿度传感器装入工程塑料盒，注灌环氧树脂密封。
土壤湿度传感器至少有两支圆柱体或扁圆形不锈钢电极，其下端呈尖锥形插入土壤，上端由导线焊接引出，电极之间设有间距，由工程塑料注塑成一体，土壤湿度传感器粘合在无线发射器工程塑料盒底，电极引出导线连接土壤湿度测量电桥测量桥臂。
水源检测传感器在一段塑料水管内截面，设有间隔距离的两个不锈钢探测电极，屏蔽电缆线插脚连接引出，引出处设有防潮湿外护套管，电极引出屏蔽电缆线连接水源检测信号发生器、水源光耦控制开关，水源检测传感器塑料水管连接水源进水管和水泵。
无线发射器由射频晶体振荡器、射频功率放大器、脉冲编码器、调制器、天线组成，射频晶体振荡器输出接射频功率放大器，射频功率放大器与调制器馈电串联相接，调制器输入端接脉冲编码器编码脉冲，调制器电源端由携带土壤湿度测量信息的功率放大器驱动。
无线接收器由天线信号接入射频高放、混频，本机晶振信号接入混频器，混频后提取中频信号经放大、解调、低放至脉冲译码器，脉冲译码器输出经驱动单稳态延时继电器三极管与水源光耦控制开关光电三极管串联相接，单稳态延时继电器J1触点J1-1接直流电机水泵和太阳能电源，直流电机水泵接过载保护热继电器，解调土壤湿度测量信息控制直流电机水泵开启或停止灌溉。
两组太阳能电源分别由光伏电池板E1输出经阻塞二极管VD10、继电器J2触点J2-1接蓄电池E2、蓄电池E2过压控制取样接电位器RP4，可调端接窗口电压比较芯片ICa正输入端，欠压控制取样接电位器RP3，可调端接窗口电压比较芯片ICb负输入端，窗口电压比较芯片ICa负输入端和窗口电压比较芯片ICb正输入端经电阻R47、R48分压接稳压管VD14电压作基准参考，窗口电压比较输出经三极管接继电器J2，蓄电池E2串接快速熔丝F，并接有防反接二极管VD11，一组太阳能电源接直流电机水泵，并经稳压接水源检测信号发生器、水源光耦控制开关、无线接收器电源端、另一组太阳能电源接土壤测量无线发射器。
本发明产生积极效果：太阳能无线遥测遥控农田土壤湿度全自动灌溉，解决交流电网不便铺设的农田，尤其离水源较远、水源不足和地势不平坦灌溉，保持土壤湿度设定范围内，不同的作物都能处于最佳生长状态，省时省力大大提高农业种植生产水平，土壤湿度传感器、水源检测传感器电极均设成正弦波传感有效防护措施，避免因直流电传感电极产生电解极化腐蚀，保障无线遥测遥控水泵长期可靠使用，无线收/发晶振高稳频遥测遥控、脉冲编码译码容量大，抗干扰性强，相邻农田运行稳定、可靠。互不干扰。
附图说明
图1本发明技术方案原理框图
图2土壤湿度传感器示意图
图3土壤湿度测量无线发射器电路
图4水源检测传感无线接收器与直流电机水泵电路
图5太阳能电源控制电路
具体实施方式
参照图1、2、3、4、5，本发明具体实施方式和实施例，包括两组太阳能电源17、土壤湿度传感器6、土壤湿度测量电桥5、低频晶体振荡器1、缓冲放大器2、有源带通滤波器3、差动放大器4、精密检波器7、功率放大器8、调制器9、无线发射器10、水源检测信号发生器15、水源检测传感器16、水源光耦控制开关12、无线接收器11、单稳态延时继电器13、直流电机水泵14，其中，低频晶体振荡器1输出正弦波信号经缓冲放大器2、有源带通滤波器3滤除高次谐波接土壤湿度测量电桥5输入端，土壤湿度测量电桥5测量桥臂连接土壤湿度传感器6，土壤湿度测量电桥5输出经差动放大器4、精密检波器7、功率放大器8驱动调制器9至无线发射器10一次调制携带土壤湿度测量信息，无线发射器10脉冲编码二次调制信道加密由天线发射，电磁波经空间传输到无线接收器11，无线接收器11脉冲译码信道解密，解调土壤湿度测量信息控制水泵灌溉，无线接收器11由水源检测信号发生器15输出低频正弦波接入水源检测传感器16、水源光耦控制开关12提供传感信号，水源检测信号发生器15由RC文氏电桥振荡、二极管VD7、VD8稳幅、三极管VT4射极跟随输出经电容耦合接水源检测传感器16探测电极、二极管VD5、VD6检波、电容滤波、限流电阻至三极管VT2电流放大驱动水源光耦控制开关12发光二极管，光电三极管与无线接收器11译码输出驱动单稳态延时继电器13三极管VT3串联相接，单稳态延时继电器13触点J1-1接一组太阳能电源17经单稳态延时继电器J1触点J1-1接直流电机水泵14，并经稳压接水源检测信号发生器、水源光耦控制开关、无线接收器11电源端，直流电机水泵14接过载保护热继电器，另一组太阳能电源接土壤测量无线发射器10，并与土壤测量无线发射器10、土壤湿度传感器6装入工程塑料盒，注灌环氧树脂密封，土壤湿度传感器6，由电极61、电极导线62、电极定位工程塑料63、无线发射器盒64组成。
太阳能电池E1白天光照供水泵工作的同时还对蓄电池E2充电，晚间由蓄电池E2供电开泵，很适合抗旱昼夜不停灌溉。窗口电压比较芯片ICa、Icb输出电平经三极管VT11驱动继电器J2控制充电欠压、过压，保护蓄电池E2正常运行。欠压控制是在蓄电池E2电压低于窗口电压比较芯片ICa参考电压时，继电器J2吸合，触点J2-1接通蓄电池E2充电，当蓄电池E2电压充足，过压控制电压高于窗口电压比较芯片ICb参考电压，继电器J2释放触点J2-1，切断太阳能电池E1对蓄电池E2充电。开泵电能消耗降低蓄电池E2电压，太阳能电源恢复充电。
并联继电器J2两端二极管VD15抑制反向电压。稳压管VD14及电阻R46、电容C16稳压保障欠压、过压准确控制。窗口电压比较芯片IC选用LM358双运放。
低频晶体JT振荡器IC1a产生稳定的低频正弦波，经缓冲放大器IC1b阻抗匹配，有源带通滤波器IC1c滤除高次谐波提供测量电桥优质信号源，作用于土壤湿度传感器RS传感土壤湿度的电阻率改变电桥特性，达到检测目的。
调节电位器RP1设待灌土壤湿度，使电桥平衡，差动放大器IC1d输出为零，检波器IC2b、IC2c、功放IC2d无输出信号，无线发射器没有发射遥控指令，因此无线接收器没译码信号输出，三极管VT3截止，单稳态延时继电器触点J1-1常闭接通直流电机M开启水泵运转抽水灌溉；土壤湿度达到设定值，即减小土壤电阻率测量电桥失去平衡，差动放大器IC1d输出信号经检波器IC2b、IC2c、功放IC2d、VT1驱动无线发射器一次调制携带土壤湿度测量信息，无线射频发射器脉冲编码二次调制信道加密由天线A1发射，电磁波经空间传输到天线A2、无线接收器，无线接收器脉冲译码信道解密，解调土壤湿度测量信息控制单稳态延时继电器触点J1-1释放断开直流电机M水泵停止灌溉，完成设定供水。单稳态延时5～10秒防止土壤临界湿度时水泵频繁开停跳动。电位器RP2调节遥测遥控灵敏度。
无线射频接收器水源检测传感器检测进水管JSG水源墒情，水源充足传感器电极低频交变正弦波导电，经隔直电容C6、C11、二极管VD5、VD6检波，电容C7滤波、三极管VT2电流放大驱动光耦ELD、无线接收器译码输出信号驱动单稳态延时继电器J1控制直流电机M水泵抽水灌溉；如进水管JSG断水，水源检测传感器电极开路，光耦ELD、三极管VT2截止单稳态延时继电器释放触点J1-1断开直流电机M电源，确保直流电机M停电，水泵停止抽水，防止水泵空转受损，运行过程防止直流电机M过载接有热继电器FR保护，并接有RC阻容元件抑制电刷产生的火花干扰。
土壤湿度传感器、水源检测传感器电极均设成正弦波传感防护措施，有效避免因直流电传感电极产生电解极化腐蚀，保障无线遥测遥控水泵长期可靠使用。土壤湿度测量器件IC1a～d、IC2a～d采用两片四运放LM234，其中IC2a正输入端电阻R18、R19分压，输出1/2电源电压作为IC1a～d、IC2c～b基准电压，使其各自工作在线性区域内，便于单电源电池供电。差动放大器IC1d正、负输入端限幅并联二极管VD1、VD2防止信号过载影响测量精度。无线接收器电源由太阳能电源经三端稳压器件IC2、电容滤波C12、C13供电，稳定水泵开停电压波动。
无线收/发晶振高稳频遥测遥控、脉冲编码译码容量大，抗干扰性强，相邻区域农田运行稳定、可靠互不干扰。无线遥测遥控距离按农田灌溉面积和水源远近设置载频、发射功率及天线辐射特性和接收灵敏度，载波使用ISM频率2.45GHz，发射功率15mdb，接收灵敏度-100mdb，1/4波长天线收/发，控制数十米至数百米距离灌溉。
太阳能电源输出功率2.5kw，驱动功率2.4kw直流电机水泵，抽水量2000L/min，灌溉10公顷农田。直流电机水泵优点无需逆变器DC-AC转换，效率高。大面积农田灌溉可组合无线遥测收/发多地群控灌溉。
本发明太阳能电源无线遥测遥控农田土壤湿度全自动灌溉，解决交流电网不便铺设，保持土壤湿度设定范围内，尤其离水源较远、水源不足和地势不平坦农田灌溉，水分达到充足或足够滋润停止供水，缺水再次开泵供水，水分充足关机，以此循环自动开机、关机，无须人工操作，避免缺水或过量供水，全自动智能高效节水节电，不同的作物都能处于最佳生长状态，省时省力大大提高农业种植生产水平。

Claims (6)

1.一种太阳能遥测遥控土壤湿度直流电机水泵，其特征在于：包括两组太阳能电源、土壤湿度传感器、土壤湿度测量电桥、低频晶体振荡器、缓冲放大器、有源带通滤波器、差动放大器、精密检波器、功率放大器、调制器、无线发射器、水源检测信号发生器、水源检测传感器、水源光耦控制开关、无线接收器、单稳态延时继电器、直流电机水泵，其中，低频晶体振荡器输出正弦波信号经缓冲放大器、有源带通滤波器滤除高次谐波接土壤湿度测量电桥输入端，土壤湿度测量电桥测量桥臂连接土壤湿度传感器，土壤湿度测量电桥输出连接差动放大器输入端，差动放大器输出信号经精密检波器后接入功率放大器，功率放大器输出驱动调制器，调制器输出再连接无线发射器达到一次调制携带土壤湿度测量信息，无线发射器脉冲编码二次调制信道加密由天线发射，电磁波经空间传输到无线接收器，无线接收器脉冲译码信道解密，解调土壤湿度测量信息控制水泵灌溉，无线接收器由水源检测信号发生器输出低频正弦波接入水源检测传感器、水源光耦控制开关提供传感信号，水源检测信号发生器由RC文氏电桥振荡、二极管VD7、VD8稳幅、三极管VT4射极跟随输出经电容耦合接水源检测传感器探测电极、二极管VD5、VD6检波、电容滤波、限流电阻至三极管VT2电流放大驱动水源光耦控制开关发光二极管，光电三极管与无线射频接收器译码输出驱动继电器三极管VT3串联相接，一组太阳能电源经单稳态延时继电器J1触点J1-1接直流电机水泵，并经稳压接水源检测信号发生器、水源光耦控制开关、无线接收器电源端，直流电机水泵接过载保护热继电器，另一组太阳能电源接土壤测量无线发射器，并与土壤测量无线发射器、土壤湿度传感器装入工程塑料盒，注灌环氧树脂密封。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能遥测遥控土壤湿度直流电机水泵，其特征在于：土壤湿度传感器至少有两支圆柱体或扁圆形不锈钢电极，其下端呈尖锥形插入土壤，上端由导线焊接引出，电极之间设有间距，由工程塑料注塑成一体，土壤湿度传感器粘合在无线发射器工程塑料盒底，电极引出导线连接土壤湿度测量电桥测量桥臂。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能遥测遥控土壤湿度直流电机水泵，其特征在于：水源检测传感器在一段塑料水管内截面，设有间隔距离的两个不锈钢探测电极，屏蔽电缆线插脚连接引出，引出处设有防潮湿外护套管，电极引出屏蔽电缆线连接水源检测信号发生器、水源光耦控制开关，水源检测传感器塑料水管连接水源进水管和水泵。
4.根据权利要求1所述的一种太阳能遥测遥控土壤湿度直流电机水泵，其特征在于：无线发射器由射频晶体振荡器、射频功率放大器、脉冲编码器、调制器、天线组成，射频晶体振荡器输出接射频功率放大器，射频功率放大器与调制器馈电串联相接，调制器输入端接脉冲编码器编码脉冲，调制器电源端由携带土壤湿度测量信息的功率放大器驱动。
5.根据权利要求1所述的一种太阳能遥测遥控土壤湿度直流电机水泵，其特征在于：无线接收器由天线信号接入射频高放、混频，本机晶振信号接入混频器，混频后提取中频信号经放大、解调、低放至脉冲译码器，脉冲译码器输出经驱动单稳态延时继电器三极管与水源光耦控制开关光电三极管串联相接，单稳态延时继电器J1触点J1-1接直流电机水泵和太阳能电源，直流电机水泵接过载保护热继电器，解调土壤湿度测量信息控制直流电机水泵开启或停止灌溉。
6.根据权利要求1所述的一种太阳能遥测遥控土壤湿度直流电机水泵，其特征在于：两组太阳能电源分别由光伏电池板E1输出经阻塞二极管VD10、继电器J2触点J2-1接蓄电池E2、蓄电池E2过压控制取样接电位器RP4，可调端接窗口电压比较芯片ICa正输入端，欠压控制取样接电位器RP3，可调端接窗口电压比较芯片ICb负输入端，窗口电压比较芯片ICa负输入端和窗口电压比较芯片ICb正输入端经电阻R47、R48分压接稳压管VD14电压作基准参考，窗口电压比较输出经三极管接继电器J2，蓄电池E2串接快速熔丝F，并接有防反接二极管VD11，一组太阳能电源接直流电机水泵，并经稳压接水源检测信号发生器、水源光耦控制开关、无线接收器电源端、另一组太阳能电源接土壤测量无线发射器。
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