CN1320366A - 无土栽培营养液调配及灌溉自动控制机 - Google Patents

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Abstract

一种无土栽培营养液调配及灌溉自动控制机,特征是母液泵、酸(碱)泵分别与对应的阀连接后,泵的一端分别通入对应的桶内,阀的一端通入营养液储液桶内,水源通过阀后通入营养液储液桶内,灌溉泵一端接营养液储液桶,另一端接到栽培床上,储液桶内装着搅拌器、浓度传感器、酸(碱)度传感器和液位传感器,传感器、泵和阀与控制箱连接。该控制机占地面积小,使用方便,低耗节水,防潮性能好,实现了无土栽培生产过程的自动化,可广泛用于无土栽培技术中。

Description

无土栽培营养液调配及灌溉自动控制机
本发明属于一种无土栽培技术用机电一体化设备，特别涉及一种无土栽培营养液调配及灌溉自动控制机。
无土栽培是不用土壤栽培植物的一项农业高新技术，它的出现和应用使农业种植、特别是保护地栽培达到了高产、优质、高效的目标，因此受到世界各国特别是发达国家的高度重视。营养液配方、营养液调配、供液控制系统，是无土栽培的关键技术。其中营养液的自动配液及供液灌溉技术是无土栽培技术重要组成部分，它对提高设施农业的效益有非常重要的影响。同一种作物在不同的生长时期所需要的营养成分(EC和PH)是不同的；不同的作物，在各个生长阶段需要的营养成分也是不同的。无土栽培应当根据作物在不同的生长阶段适时调整养液成分、养液供给量及供液时间，从而达到优质、高产、高效、低耗的目的。在《山东农业大学学报》1993年第4期“无土栽培供液控制及电路系统研究”文献中公开了一种无土栽培供液控制方法，其主要技术内容是采用自触发电平控制延时与驱动电路实现无土栽培供液控制，可根据不同季节延时时间与供液时间分别进行独立调整。这种方法的缺点是供液控制精度低，且无养液调配系统，因此其应用受到很大限制。在《天津农业科学》1996.2“TAM无土栽培技术设施及应用”文献中公开了一种无土栽培营养液的配制及灌溉系统，该系统包括储液池、自动加水追肥系统(包括母液A、B及EC自动控制器)和营养液自动输送系统(包括定时器、供液泵、换向阀等)。该系统的缺点是占地面积大，每100m3的温室应建1.5m3液池，同时营养液配制过程中需要人工预先计算好加入元素量，并用EC测定仪检测其变化，然后按比例逐渐加入。PH值控制也是由人工计算出加入的磷酸量，并检测PH值的变化，然后按比例加入。
本发明的目的在于克服现有技术中的不足之处而提供一种无土栽培营养液调配及灌溉自动控制机。
本发明的技术解决方案如下：
无土栽培营养液调配及灌溉自动控制机的结构是：至少有2个母液泵A1、B1和阀A2、B2、酸(碱)泵C1和阀C2及阀D2分别通过管路相连接后，泵A1、B1及C1的一端分别通过管路接入母液桶A、B及酸(碱)桶C，阀A2、B2、C2及D2的一端分别通过管路接入营养液储液桶(1)，阀D2的另一端通过管路接入水源D，灌溉泵E1的一端通过管路接营养液储液桶(1)，另一端通过管路接到栽培床(2)上，营养液储液桶(1)上装着搅拌器(4)，装在储液桶(1)内的浓度传感器EC、酸度传感器PH和液位传感器H连接检测电路JC后通过A/D转换器与控制箱(4)内的计算机(JSJ)连接，计算机(JSJ)通过D/A转换器与母液泵A1、B1、酸(碱)泵C1及阀A2、B2、C2、D2连接，母液泵A1、B1、酸(碱)泵C1及阀A2、B2、C2、D2与控制箱(3)内的手动控制装置(SD)连接。
无土栽培营养液调配及灌溉自动控制机的电气控制电路的连接关系是：泵A1、B1、C1及E1分别与接触器KM1、KM2、KM3及KM4相连，KM1、KM2、KM3及KM4接电源JL,KM1、KM2、KM3及KM4还分别与由计算机(JSJ)和手动控制装置(SD)组成的自动/手动开关控制部件ZSK的1、2、3、4脚连接，电动控制阀A2、B2、C2及D2的一端接接触器KM1、KM2、KM3及KM4的一端，另一端分别接自动/手动开关控制部件ZSK的5、6、7、8脚。
无土栽培营养液调配及灌溉自动控制机的测量电路的连接关系是：浓度传感器(EC)接入由电阻R1、R2、R3、R4和W1组成的电桥，电桥输出接入由运算放大器IC1构成的电流电压转换器，然后再接入由运算放大器IC2构成的电压放大器，其输出接A/D转换器的1脚，酸(碱)度传感器(PH)接由运算放大器IC3构成的电压放大器，其输出接A/D转换器的2脚，液位传感器(H)的三个电极M、N、L分别接A/D转换器的4、3、5脚。
无土栽培营养液调配及灌溉自动控制机的检测和控制方法采用下列步骤：程序开始时初始化，设置各部件功能及各寄存器内容，然后通过键盘人工设定各被控量浓度EC、酸度PH的值和灌溉桶数及周期，进入正常工作状态，打开硬定时器开始自动配液，当营养液储罐的液位在低液位以下时，只打开D2阀，注入水；当液位到达高低液位之间时，阀A2、B2打开，按一定比例注入母液A、B一定时间；若液位到达高液位，开始测量EC、PH值，按比例控制算法，使被控量逼近设定值直到达到精度要求自动配液完成；而后判断是否到达灌溉时间，若到达，泵E1打开，开始灌溉；灌溉完一桶后，重复以上配制及检测过程，自动配制第二桶并进行灌溉，直至完成初始设定的灌溉桶数及周期；在整个过程中循环判键，进行人工查询。
本发明与现有技术相比有如下优点：
1、该设备集机电控制、计算机技术与农业科学于一体，可以实现对农作物生长要素的定量化研究和检测；从而实现了无土栽培生产管理过程的自动化。
2、用该设备调配营养液可以根据同一种作物或不同的作物在各个生长阶段所需要的营养成分(EC和PH)的不同适时调整养液成分、养液供给量及供液时间，以达到优质、高产、高效、低耗节水的目的。
3、用该设备配制的营养液使用后，不仅使植物根系处于最佳的生长环境，获得优质、高效的生产，而且可以遏止自然界带来的植物病、虫害等问题。
4、该设备占地面积小，使用方便，操作简单，防潮性能好，可在湿度较大的环境下工作；营养液的浓度(EC)和酸碱度(PH)易掌握，精度高。如灌溉过程中需要改变养液的EC值或PH值或灌溉时的间隔时间，只需要从计算机上输入即可。
5、人工提供(或配制)的母液A、B及酸(或碱)的浓度变化，并不会影响最终配制的标准养液EC值及PH值，本发明的控制系统会自动检测后给予调整。
6、该机是将主控参数(EC和PH值)与设定值比较，根据它们的差值利用计算机软件及控制算法进行控制运算，并进行一定的误差补偿，从而用运算结果的数字量通过主控单元直接控制执行单元获得最佳的营养液自动调配及灌溉的实时闭环控制设备。
附图的图面说明如下：
图1是本发明无土栽培营养液调配及灌溉自动控制机的主视图；
图2是本发明无土栽培营养液调配及灌溉自动控制机的俯视图；
图3是本发明无土栽培营养液调配及灌溉自动控制机系统组成原理框图；
图4是无土栽培营养液调配及灌溉自动控制系统电气控制原理图；
图5是无土栽培营养液调配及灌溉自动控制机的检测电路图；
图6是无土栽培营养液调配及灌溉自动控制机的程序流程图。
下面结合附图对本发明实施例作进一步详述：
无土栽培营养液调配及灌溉自动控制机的结构如图1、图2、图3所示，母液泵A1和阀A2、母液泵B1和阀B2、酸(碱)泵C1和阀C2及阀D2分别通过管路相连接后，阀A2、B2、C2及D2的一端通过管路接入营养液储液桶1，泵A1、B1及C1的一端通过管路分别接入母液桶A、母液桶B及酸桶C，阀D2的另一端接到水源D，灌溉泵E1的一端通过管路接营养液储液桶1，另一端通过管路接到栽培床2上；营养液储液桶1上装着搅拌器4，搅拌器的电机MEL与电源连接，电机MEL带动搅拌器4旋转，以使调配营养液迅速，混合均匀。装在储液桶1内的浓度传感器EC、酸(碱)度传感器PH和液位传感器H连接控制箱3内的检测电路JC后通过A/D转换器与计算机JSJ连接；计算机通过D/A转换器与母液泵A1和阀A2、母液泵B1和阀B2、酸(碱)泵C1和阀C2、阀D2连接。A/D转换器将检测的模拟信号转换成数字信号送入计算机，经计算机计算后通过D/A转换器转换为开关量输出控制泵/阀BF。而泵/阀通过管道连接到母液桶A、B、酸(碱)桶C及水源D，同时与控制箱3内的手动控制装置SD连接，方便于调整及手动操作。营养液储液桶1与灌溉泵E1连接，泵E1又与栽培床2连接。计算机通过I/O接口外接操作键盘JP、数码显示SX和打印输出DY。控制箱3内装着检测电路JC板、A/D转换器、计算机JSJ、D/A转换器、手动控制装置SD、I/O接口及操作键盘JP、数码显示SX和打印输出DY。控制箱的面板上装着电源按钮G、手动控制按钮SD、开始工作按钮F8。
无土栽培营养液调配及灌溉自动控制机的电气控制原理如图4所示，泵A1、B1、C1及E1分别与接触器KM1、KM2、KM3及KM4相连，电源JL的输入连接指示灯LD、开关K和搅拌器电机MEL后与接触器KM1、KM2、KM3及KM4连接，KM1、KM2、KM3及KM4还分别与由计算机JSJ和手动控制装置SD组成的自动/手动开关控制部件ZSK的1、2、3、4脚连接，电动控制阀A2、B2、C2及D2的一端接接触器KM1、KM2、KM3及KM4的一端，另一端分别接自动/手动开关控制部件ZSK的5、6、7、8脚。
无土栽培营养液调配及灌溉自动控制机的测量电路如图5所示，浓度传感器EC接入由电阻R1、R2、R3、R4和W1组成的电桥，EC和R3的连接端接地，R1和R2的连接端接电源ER，电桥输出接入由运算放大器IC1和电阻R5构成的电流-电压转换器，然后通过电阻R6再接入由放大器IC2和电阻R7、W2、R8组成的电压放大器，其输出接A/D转换器的1脚，R8的一端接地。酸度传感器PH接由放大器IC3和电阻R9、R10、R11和W3组成的具有高输入阻抗的电压放大器，其输出接A/D转换器的2脚，酸度传感器PH和R9的一端接地。液位传感器H的电极M、N分别接A/D转换器的4脚、3脚，电极M、N还分别接电阻R12、R13后接直流电源V+，液位传感器的电极L接A/D转换器的5脚并接地。
无土栽培营养液调配及灌溉自动控制机的程序流程框图如图6所示，程序开始时初始化，设置各部件功能及各寄存器内容，然后通过键盘人工设定各被控量EC、PH值、灌溉桶数及周期，进入正常工作状态。接着打开硬定时器开始自动配液，在低液位(N)以下只打开D2阀，在高低液位之间按一定比例再打开A2、B2阀一定时间，到达高液位(M)时，开始测量EC、PH值，按比例控制算法，使被控量逼近设定值直到达到精度要求自动配液完成，之后判断是否到达灌溉时间，若到达，灌溉泵E1打开，开始灌溉，灌溉完一桶后，自动配制第二桶并灌溉，重复以上动作直到完成一次灌溉。在整个过程中循环判键，进行人工查询。
下面以无土栽培番茄为例详细说明其营养液调配及灌溉的自动控制过程：
将已配制好的硝酸钙(Ca(NO3)24H2O)母液放入A桶中，将用大量元素硫酸镁(MgSO4·7H2O)、磷酸二氢氨(NH3H2PO4)、硝酸钾(KNO3)及混合微肥(硫酸亚铁、硼酸、硫酸锰、硫酸锌及硫酸铜)配制好的母液放入B桶中，同时将磷酸(H3PO4)放入C桶中。番茄经数天育苗到6-7片真叶，即可定植于栽培床上，同时温室应保证充足的光照、适宜的温度。打开电源G，从键盘JP上输入EC=0.8,PH=6.0，灌溉次数为3次/天(或每次灌溉后的时间间隔)，根据灌溉面积大小设置灌溉3桶/1次。按下开始工作按扭F8，该设备开始按预定的程序调配第一桶营养液，配制完毕后，自动进行灌溉；灌溉完第一桶，接着又调配第二桶营养液，调配完毕，就自动灌溉第二桶；灌溉完第二桶，接着又调配第三桶营养液，调配完毕，就自动灌溉第三桶。经过数周的灌溉之后，番茄即将处于开花结果期，这时番茄吸收的营养成分越来越大，可以从键盘JP上改变EC=1.0，增加营养液的浓度，之后的每隔1～2周左右时间就应逐渐增加EC的值，如EC为1.2～1.4～1.6～1.8～2.0～2.2～2.4直到结果期，同时也应改变PH值使PH=6.2～6.5。一般情况下母液A和B灌溉一个月左右将被用完，需人工重新配制，这时需减少Ca(NO3)24H2O的用量，其它成分基本不变。由于在结果期番茄需要的营养液的浓度较大，可设EC=2.4,PH=6.5，灌溉次数可增加到4次/天或根据室温人工设定灌溉次数。

Claims (4)

1、一种无土栽培营养液调配及灌溉自动控制机，其特征在于：至少有2个母液泵A1、B1和阀A2、B2、酸(碱)泵C1和阀C2及阀D2分别通过管路相连接后，泵A1、B1及C1的一端分别通过管路接入母液桶A、B及酸(碱)桶C，阀A2、B2、C2及D2的一端分别通过管路接入营养液储液桶(1)，阀D2的另一端通过管路接入水源D，泵E1的一端通过管路接营养液储液桶(1)，另一端通过管路接到栽培床(2)上，营养液储液桶(1)上装着搅拌器(4)，装在储液桶(1)内的浓度传感器EC、酸度传感器PH和液位传感器H连接控制箱(3)内的检测电路JC后通过A/D转换器与计算机(JSJ)连接，计算机(JSJ)通过D/A转换器与母液泵A1、B1、酸(碱)泵C1及阀A2、B2、C2、D2连接，母液泵A1、B1、酸(碱)泵C1及阀A2、B2、C2、D2与控制箱(3)内的手动控制装置(SD)连接。
2、按照权利要求1所说的无土栽培营养液调配及灌溉自动控制机，其特征在于：自动控制机的电气控制电路的连接关系是：泵A1、B1、C1及E1分别与接触器KM1、KM2、KM3及KM4相连，KM1、KM2、KM3及KM4接电源JL,KM1、KM2、KM3及KM4还分别与由计算机(JSJ)和手动控制装置(SD)组成的自动/手动开关控制部件ZSK的1、2、3、4脚连接，电动控制阀A2、B2、C2及D2的一端接接触器KM1、KM2、KM3及KM4的一端，另一端分别接自动/手动开关控制部件ZSK的5、6、7、8脚。
3、按照权利要求1所说的无土栽培营养液调配及灌溉自动控制机，其特征在于：自动控制机的测量电路的连接关系是：浓度传感器(EC)接入由电阻R1、R2、R3、R4和W1组成的电桥，电桥输出接入由运算放大器IC1构成的电流电压转换器，然后再接入由运算放大器IC2构成的电压放大器，其输出接A/D转换器的1脚，酸(碱)度传感器(PH)接由运算放大器IC3构成的电压放大器，其输出接A/D转换器的2脚，液位传感器(H)的三个电极M、N、L分别接A/D转换器的4、3、5脚。
4、如权利要求1所说的无土栽培营养液调配及灌溉自动控制机的检测和控制方法，其特征在于：采用下列步骤：程序开始时初始化，设置各部件功能及各寄存器内容，然后通过键盘人工设定各被控量浓度EC、酸(碱)度PH的值和灌溉桶数及周期，进入正常工作状态，打开硬定时器开始自动配液，当营养液储桶的液位在低液位(N)以下时，只打开D2阀，注入水；当液位到达高低液位之间时，阀A2、B2打开，按一定比例注入母液A、B一定时间；若液位到达高液位(M)，开始测量EC、PH值，按比例控制算法，使被控量逼近设定值直到达到精度要求自动配液完成；而后判断是否到达灌溉时间，若到达，泵E1打开，开始灌溉；灌溉完一桶后，重复以上配制及检测过程，自动配制第二桶并进行灌溉，直至完成初始设定的灌溉桶数及周期；在整个过程中循环判键，进行人工查询。
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