CN107667642A - 全自动智能灌溉设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全自动智能灌溉设备，包括自动控制部分、水处理部分、供肥部分及田间部分，自动控制部分采用AT89C52单片机作为主控芯片的控制台，包括信号处理电路、DHT91湿度传感电路、温度传感电路、显示电路、报警电路和驱动电路，供肥部分利用文丘里原理结合小流量、适当扬程的水泵吸水溶肥，文丘里吸肥装置与滴灌供水主管并联安装，与小流量水泵串联安装；田间部分由支管、支流电磁阀、灌水器、温度传感器及湿度感应装置组成。本发明具有多种控制模式，能灵活选择灌溉方式及灌溉强度，实现智能化全自动控制，具有较强的扩展性，使用效果良好，能满足灌溉系统的日常管理，提高生产效率和管理水平，具有较好的经济效益。

Description

全自动智能灌溉设备

技术领域

本发明涉及农业领域，具体涉及一种全自动智能灌溉设备。

背景技术

温度对于作物的影响已经被人们所熟知，并且应用于生产之中。现阶段人们的目光只是被植物周围的温度所吸引，提升作物温度的方法大多数是修建大棚，并且取得了不错的进展。但是却忽略了植物灌溉用水的温度对于植物的影响。大棚的温度基本是由外界的阳光提供，在不通风的条件下，大棚温度每小时可以提升7℃，而夜间温度只有7～15℃，土壤温度还要低3～5℃，所以植物从早晨太阳出来到最适温度就要经历两到三小时，这显然是不利于作物生长的。

近年来，随着农业现代化的发展和水资源的短缺，高效节水灌溉得到了越来越多的应用，至2015年底，我国仅微灌面积已超过400Khm²。早期的灌溉系统大部分依靠经验人工控制，精度难以保证，而农业用工紧张越来越制约农业的发展，同时对灌溉精确度和均匀度的要求也越来越高，要解决这些问题单靠人工操作已不能满足要求，因此灌溉系统的自动控制随之涌现。随着电子技术的发展，国内外逐渐开始自动控制操作，自动控制装置在灌溉系统中的应用逐渐受到人们的重视。

发明内容

本发明的目的在于提供一种全自动智能灌溉设备，将灌溉与水温相结合，大大延长了作物的生长时间，有效的减少了作物的生长周期，大大提高了经济效益。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

全自动智能灌溉设备，包括自动控制部分、水处理部分、供肥部分及田间部分，自动控制部分采用AT89C52单片机作为主控芯片的控制台，包括信号处理电路、DHT91湿度传感电路、温度传感电路、显示电路、报警电路和驱动电路，供肥部分利用文丘里原理结合小流量、适当扬程的水泵吸水溶肥，文丘里吸肥装置与滴灌供水主管并联安装，与小流量水泵串联安装；田间部分由支管、支流电磁阀、灌水器、温度传感器及湿度感应装置组成；湿度感应装置定时测量土壤水分将土壤水分传感器传来的土壤含水量值与当初设置的湿度阈值进行比较；如果湿度阈值小于当前土壤含水量值，则说明当前土壤水分含量满足系统设定要求，不需要灌溉；如果湿度阈值大于当前土壤水分含量，则说明土壤干涸，需要灌溉；此时自动控制部分访问温度传感器，将时测土壤温度反馈到控制台，控制台根据湿度传感器传来的信息按大棚每组灌区实际面积利用汇编语言对系统软件进行编程对每一组支流滴灌管出水流量多少控制各支流电磁阀和灌水器为每组滴灌区依次供水，同时将信号传给水处理部分，水处理部分根据流速及温度控制加热棒温度，从而调节灌溉水的温度，使之达到植物生长的最适温度。

优选地，所述温度传感器采用NH133T系列土壤温度传感器。

优选地，所述驱动电路采用智能化IGBT驱动电路，该电路由CPLD实现各种控制、保护逻辑，该电路可以选择两路直接驱动和峭壁互补驱动两种工作模式，电路本身自带隔离驱动电源，并具有开通盲区设置，死区时间设置功能；电气隔离将信号分成输入和输出两部分，输入部分由CPLD与外围电路构成，实现逻辑判断，模式选择，驱动信号分配处理以及故障输出等功能；输出部分有两路通道，其电路结构完全相同，每个通道集成欠压过流保护，驱动脉冲生成，IGBT检测故障反馈等功能；该电路采用高频开关电源为驱动电路各部分供电，开关电源变压器匝间绝缘电压达到2.5KV；DC/DC电源输出三路：一路与一次侧共地的+5V给输入侧的CPLD供电；一路的+15V和-10V共地，给输出侧的通道1提供电源；另一路的+15V和-10V共地，给输出侧的通道2提供电源。

优选地，所述水处理部分包括不锈钢内胆发热体和手动温控器，不锈钢内胆发热体一端设有进水管，另一端通过出水管连接有过滤电磁阀，且进水管、出水管与不锈钢内胆发热体的连接处均设有磁感应水流开关和温度传感器，所述过滤电磁阀一端通过连接有排水管，所述排水管上安装有排气阀，所述手动温控器上设有工作状态显示器，所述手动温控器内设有漏电保护装置，当检测到有漏电时，瞬间发出断路信号，通过断电器切断电源，同时不锈钢内胆发热体停止工作。

优选地，所述锈钢内胆发热体内设有若干电热棒，每根电热棒均包括中央速热管、分流细水管、和外套，分流细水管均匀缠绕在中央速热管的外壁上，中央速热管位于外套内，且与外套的孔隙之间填充有到填料层。

本发明具有以下有益效果：

具有多种控制模式，能灵活选择灌溉方式及灌溉强度，实现智能化全自动控制，具有较强的扩展性，使用效果良好，能满足灌溉系统的日常管理，提高生产效率和管理水平，具有较好的经济效益，对智能化精准灌溉系统的设计和应用具有一定的参考作用。

附图说明

图1为本发明实施例中自动控制部分的结构示意图。

图2为本发明实施例中水处理部分的结构示意图。

图3为本发明实施例中显示电路、报警电路的示意图。

图4为本发明实施例中驱动电路的示意图。

图5为本发明实施例中灌水器滴头的结构示意图。

图6为本发明实施例中灌水器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

全自动智能灌溉设备，包括自动控制部分、水处理部分、供肥部分及田间部分，如图1所示，自动控制部分采用AT89C52单片机作为主控芯片的控制台， AT89C52是一个低功耗高性能单片机，其工作电压为+5V，片内包含8kB的PEROM 和256B的RAM，与标准MCS-51指令系统兼容，采用ATMEL公司的非易失性存储技术和高密度生产技术，片内配置8位CPU和Flash存储单元，芯片为40 个引脚，其中包含32个外部双向I/O口，同时内含2个外部中断口，2个16 位可编程定时计数器，2个全双工串行通信口，芯片可进行常规编程，也可以在线编程，通用MCU和可反复擦写的Flash存储器结合在一起，大大提高了芯片使用的灵活性，降低了系统的成本。自动控制部分包括信号处理电路、DHT91 湿度传感电路、温度传感电路、显示电路、报警电路和驱动电路，供肥部分利用文丘里原理结合小流量、适当扬程的水泵吸水溶肥，文丘里吸肥装置与滴灌供水主管并联安装，与小流量水泵串联安装；使用时将装置阀门关小，水泵提供稳定水流，适宜压差，造成阀门前后压差稳定，使水流经过安装文丘里吸肥装置的支管，利用水流通过文丘里管产生的真空吸力，将肥料溶液均匀吸入管道系统进行施肥，保证吸肥顺畅，若想同时吸入多种化肥，可并联安装多个文丘里管吸肥装置。结构简单，管间安装，使用方便，没有运动部件，不需要额外动力，成本低廉，肥料溶液放在开敞容器中，通过软管与文丘里喉部连接，即可将肥液吸入到滴灌管道。文丘里吸肥方式适用于管道中的水压力较充足，经过文丘里管后，余压足以维持滴灌系统正常运行及压力和流量能保持恒定的情况。所以加以外力的文丘里吸肥装置能更顺畅的完成吸肥过程。为防止停止供水后主管道中的水进入肥液罐，设有止回阀；田间部分由支管、支流电磁阀、灌水器、温度传感器及湿度感应装置组成；湿度感应装置定时测量土壤水分将土壤水分传感器传来的土壤含水量值与当初设置的湿度阈值进行比较；如果湿度阈值小于当前土壤含水量值，则说明当前土壤水分含量满足系统设定要求，不需要灌溉；如果湿度阈值大于当前土壤水分含量，则说明土壤干涸，需要灌溉；此时自动控制部分访问温度传感器，将时测土壤温度反馈到控制台，控制台根据湿度传感器传来的信息按大棚每组灌区实际面积利用汇编语言对系统软件进行编程对每一组支流滴灌管出水流量多少控制各支流电磁阀和灌水器为每组滴灌区依次供水，同时将信号传给水处理部分，水处理部分根据流速及温度控制加热棒温度，从而调节灌溉水的温度，使之达到植物生长的最适温度。

所述温度传感器采用NH133T系列土壤温度传感器，采用进口传感核心， 304不锈钢壳体结构，全密封；具有结构坚固、使用寿命长、测量精度高、稳定性好、微功耗、传输距离长、抗外界干扰能力强等特点，符合WMO世界气象组织规范(CIMO Guide)。所述显示电路、报警电路如图3所示。

如图4所示，所述驱动电路采用智能化IGBT驱动电路，该电路由CPLD 实现各种控制、保护逻辑，该电路可以选择两路直接驱动和峭壁互补驱动两种工作模式，电路本身自带隔离驱动电源，并具有开通盲区设置，死区时间设置功能；电气隔离将信号分成输入和输出两部分，输入部分由CPLD与外围电路构成，实现逻辑判断，模式选择，驱动信号分配处理以及故障输出等功能；输出部分有两路通道，其电路结构完全相同，每个通道集成欠压过流保护，驱动脉冲生成，IGBT检测故障反馈等功能；该电路采用高频开关电源为驱动电路各部分供电，开关电源变压器匝间绝缘电压达到2.5KV；DC/DC电源输出三路：一路与一次侧共地的+5V给输入侧的CPLD供电；一路的+15V和-10V共地，给输出侧的通道1提供电源；另一路的+15V和-10V共地，给输出侧的通道2 提供电源。

如图2所示，所述水处理部分中的冷水直接通过加热体后便被加热，属于“活水”，水垢不易逗留，而灌溉时的热水温度一般不会高于40℃(植物可接受最高温度为35℃，但是水经过管道会有部分热量损失)，因而在内部管路内水垢也不易形成，再有，即热式电热水器在加热过程中机器发热体温升不是很高，这样水路及发热体的损坏机率也就相应减少，所以即热式电热水器使用寿命也就更长，优质产品能达到15年以上；具体包括不锈钢内胆发热体1和手动温控器2，不锈钢内胆发热体1一端设有进水管3，另一端通过出水管连接有过滤电磁阀5，且进水管、出水管与不锈钢内胆发热体的连接处均设有磁感应水流开关和温度传感器6，所述过滤电磁阀一端通过连接有排水管4，所述排水管4上安装有排气阀7，所述手动温控器上设有工作状态显示器，所述手动温控器内设有漏电保护装置，当检测到有漏电时，瞬间发出断路信号，通过断电器切断电源，同时不锈钢内胆发热体停止工作。

所述锈钢内胆发热体1内设有若干电热棒，每根电热棒均包括中央速热管 11、分流细水管12和外套，分流细水管均匀缠绕在中央速热管的外壁上，中央速热管位于外套内，且与外套的孔隙之间填充有填料层13。

如图6所示，所述灌水器包括

毛管流道，所述毛管流道即为灌水器连接处，是灌水器提供水源供应点。毛管中的水的流速可以通过共水泵进行调节，从而可以改变水头压力。

迷宫流道，所述迷宫流道是一段曲折的管道，其作用是减缓水流的速度，降低水流所具有的能量。灌水器滴头，灌水器滴头是灌水器的核心部位，其中主要由压力补偿室8、塑料圆球9及斜拉软弹簧15构成，压力补偿室8通过活动旋口16与迷宫流道10和塑料圆球9相连，可以通过改变水头压力的大小，作用于压力补偿室内，进而对塑料圆球进行作用；塑料圆球作用是控制滴头 14出水口大小，当压力补偿室内压力变大时，塑料圆球与出水口之间的缝隙变大：当压力补偿室内的压力变小时，塑料圆球与出水口之间的缝隙变小；斜拉软弹簧：斜拉软弹簧是斜拉圆球与滴管器相连，其弹性系数较小，具有良好的伸缩性能。由于水泵的功率不同，故可以使水头压力大小不同。利用水头压力的不同，可以使塑料圆球受到不同的压力。如图5所示，当压力小于负值时，两根斜拉软弹簧受到的拉力小于0，即两根软弹簧不产生弹性形变，此时塑料圆球与出水口卡合，水流不会流出：当压力大于负值且较小时，软弹簧受到较小拉力，产生小的变形，使得塑料圆球与出水口之间产生小的缝隙，可以对作物进行滴灌，这是正常工作时的情况：当水头压力变大时，软弹簧所受的力比较大，弹簧的弹性形变比较大，此时塑料圆球与出水口之间的缝隙比较大，从而进行自冲洗，除掉积存在滴头的污垢。

本具体实施是在土壤、气候、作物、水源和灌溉设施等条件下，通过对灌溉方式、速度、水量、水温等实施控制，使农田水势保持在适宜作物生长的最佳状态。自动控制消除了在灌溉过程中人为因素造成的不利影响，提高了操作的准确性，有利于灌溉过程的科学管理。灌溉水温变化对作物生长发育，尤其是作物根系对土壤矿物质营养积累分解和转化，以及土壤水分和养分的吸收利用都有着重要影响，它是土壤肥力的重要影响因素之一。灌溉水温较低，会降低水中溶解氧含量，影响作物根系对土壤水分和矿物营养元素吸收利用，以至影响作物茎叶、枝节的正常生长。由于土壤矿物质营养的有效分解转化，土壤有效水分吸收利用都与土壤溶液浓度有关，而土壤溶液浓度和土体温度与灌溉水温均有密切关系。因此，作物灌溉水温有一个适宜范围，旱作物一般15-25℃，最低应大于2℃；水稻灌溉水温不小于20℃，但无论那种作物灌溉水的温度均不能大于35℃。这就要求自动控制的系统具有信息反馈与自动调节功能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.全自动智能灌溉设备，其特征在于，包括自动控制部分、水处理部分、供肥部分及田间部分，自动控制部分采用AT89C52单片机作为主控芯片的控制台，包括信号处理电路、DHT91湿度传感电路、温度传感电路、显示电路、报警电路和驱动电路，供肥部分利用文丘里原理结合小流量、适当扬程的水泵吸水溶肥，文丘里吸肥装置与滴灌供水主管并联安装，与小流量水泵串联安装；田间部分由支管、支流电磁阀、灌水器、温度传感器及湿度感应装置组成；湿度感应装置定时测量土壤水分将土壤水分传感器传来的土壤含水量值与当初设置的湿度阈值进行比较；如果湿度阈值小于当前土壤含水量值，则说明当前土壤水分含量满足系统设定要求，不需要灌溉；如果湿度阈值大于当前土壤水分含量，则说明土壤干涸，需要灌溉；此时自动控制部分访问温度传感器，将时测土壤温度反馈到控制台，控制台根据湿度传感器传来的信息按大棚每组灌区实际面积利用汇编语言对系统软件进行编程对每一组支流滴灌管出水流量多少控制各支流电磁阀和灌水器为每组滴灌区依次供水，同时将信号传给水处理部分，水处理部分根据流速及温度控制加热棒温度，从而调节灌溉水的温度，使之达到植物生长的最适温度。

2.如权利要求1所述的全自动智能灌溉设备，其特征在于，所述温度传感器采用NH133T系列土壤温度传感器。

3.如权利要求1所述的全自动智能灌溉设备，其特征在于，所述驱动电路采用智能化IGBT驱动电路，该电路由CPLD实现各种控制、保护逻辑，该电路可以选择两路直接驱动和峭壁互补驱动两种工作模式，电路本身自带隔离驱动电源，并具有开通盲区设置，死区时间设置功能；电气隔离将信号分成输入和输出两部分，输入部分由CPLD与外围电路构成，实现逻辑判断，模式选择，驱动信号分配处理以及故障输出；输出部分有两路通道，其电路结构完全相同，每个通道集成欠压过流保护，驱动脉冲生成，IGBT检测故障反馈；该电路采用高频开关电源为驱动电路各部分供电，开关电源变压器匝间绝缘电压达到2.5KV；DC/DC电源输出三路：一路与一次侧共地的+5V给输入侧的CPLD供电；一路的+15V和-10V共地，给输出侧的通道1提供电源；另一路的+15V和-10V共地，给输出侧的通道2提供电源。

4.如权利要求1所述的全自动智能灌溉设备，其特征在于，所述水处理部分包括不锈钢内胆发热体和手动温控器，不锈钢内胆发热体一端设有进水管，另一端通过出水管连接有过滤电磁阀，且进水管、出水管与不锈钢内胆发热体的连接处均设有磁感应水流开关和温度传感器，所述过滤电磁阀一端通过连接有排水管，所述排水管上安装有排气阀，所述手动温控器上设有工作状态显示器，所述手动温控器内设有漏电保护装置，当检测到有漏电时，瞬间发出断路信号，通过断电器切断电源，同时不锈钢内胆发热体停止工作。

5.如权利要求4所述的全自动智能灌溉设备，其特征在于，所述锈钢内胆发热体内设有若干电热棒，每根电热棒均包括中央速热管、分流细水管、和外套，分流细水管均匀缠绕在中央速热管的外壁上，中央速热管位于外套内，且与外套的孔隙之间填充有到填料层。