CN202603315U - 果园太阳能供电式滴灌自动控制装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了果园太阳能供电式滴灌自动控制装置，该装置包括蓄电池以及依次连接的太阳能板、控制器、电磁阀和滴灌管，所述蓄电池与控制器连接；所述控制器包括充电控制单元、主处理器单元、人机接口单元、时钟单元和电磁阀驱动单元，充电控制单元、人机接口单元、时钟单元、电磁阀驱动单元均分别与主处理器单元连接；所述充电控制单元与太阳能板连接，电磁阀驱动单元与电磁阀连接。本实用新型可自主采集太阳能，具有长期工作能力，能实现果园水肥滴灌的自动工作。

Description

果园太阳能供电式滴灌自动控制装置

技术领域

本实用新型涉及果园水肥滴灌控制技术，特别涉及一种果园太阳能供电式滴灌自动控制装置，该装置特别适用于野外环境下果园水肥滴灌的长期工作中使用，尤其是远离居住区和水源地的山地、丘陵果园环境。

背景技术

对果园浇水、施肥是果园种植的重要日常工作之一。水肥滴灌既可以实现高效率的水肥滴灌工作，又可以大大降低水肥消耗，还可以提高果园种植效率，降低劳动强度，是现代农业滴灌技术发展的重要方向。

但是，在远离居民居住区和水源地的野外果园环境下实施水肥滴灌，经常面临着能源有效供应的问题。传统的水肥滴灌控制器采用220V交流电供电，由于需要供电线路的支持，存在工作环境受限的问题。如果采用直流电池供电，由于电池容量是有限的，往往又存在着工作时间受限的问题。引入太阳能光伏供电技术可以较好的解决以上问题，但目前还主要局限在温室或者田间工作环境下使用，在野外果园环境下尤其是山地果园环境下，由于其面临着工作环境恶劣多变，高温高湿以及低温干燥情况并存的情况，其工作安全和工作寿命还存在一些问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的缺点与不足，提供一种结构简单、合理，可自主采集太阳能具有长期工作能力的果园太阳能供电式滴灌自动控制装置。

为达上述目的，本实用新型采用如下的技术方案：果园太阳能供电式滴灌自动控制装置，包括蓄电池以及依次连接的太阳能板、控制器、电磁阀和滴灌管，所述蓄电池与控制器连接；所述控制器包括充电控制单元、主处理器单元、人机接口单元、时钟单元和电磁阀驱动单元，充电控制单元、人机接口单元、时钟单元、电磁阀驱动单元均分别与主处理器单元连接；所述充电控制单元与太阳能板、蓄电池连接，电磁阀驱动单元与电磁阀连接。

其中充电控制单元用于控制太阳能板是否向蓄电池进行充电；主处理器单元用于对充电控制单元的检测信号、时钟单元的时间信号、人机接口单元输入的信号、电磁阀驱动信号进行处理；人机接口单元用于提供按键输入以及显示功能；时钟单元用于向主处理器单元提供当前时间信号（时钟基准信号）；电磁阀驱动单元用于对电磁阀的开启及关闭信号进行处理，并控制电磁阀的开启及关闭；

所述充电控制单元包括充电电路、开关控制电路、过压过流过温检测电路和蓄电池电压检测电路，所述太阳能板、充电电路、开关控制电路依次连接，所述开关控制电路分别与蓄电池、主处理器单元连接；过压过流过温检测电路、蓄电池电压检测电路均分别与主处理器单元连接。

充电电路用于向蓄电池提供正向充电电压和电流；开关控制电路用于实现充电的开启或关闭；过压过流过温检测电路用于监测蓄电池的充电电压、电流以及温度；蓄电池电压检测电路用于监测蓄电池供电电压。

主处理器可以监测蓄电池电压，以及充电电压、电流、温度情况，并将信号发送到开关控制电路，实现过压，过流，过温保护功能，通过“PWM(脉宽调制)信号”，并调整信号宽度和信号频率实现涓流、恒压、恒流充电模式的变换。

所述人机接口单元包括相互连接的按键输入电路和显示电路，按键输入电路、显示电路均分别与主处理器单元连接，且显示电路外接液晶显示器，按键输入电路外接按键。按键输入电路和显示电路，可提供工作人员和自动控制装置的人机交互，可设定和显示果园水肥滴灌开启时间，滴灌时长，即时开启，即时关闭，以及隔天启动的工作参数。

所述电磁阀驱动单元包括依次连接的DC/DC升压电路、电磁阀全桥驱动电路和防雷防静电接口电路，所述DC/DC升压电路、电磁阀全桥驱动电路分别与主处理器单元连接，防雷防静电接口电路与电磁阀连接。

其中DC/DC升压电路可实现3V到15V的直流升压，并可提供1A的输出电流，升压效率达85%~95%。电磁阀全桥驱动电路由4对三极管组成全桥驱动，可提供最大1.5A和最高45V的驱动能力。防雷防静电接口电路包含有压敏电阻和瞬态抑制二极管以及自恢复保险丝，实现静电防护，防雷以及短路保护功能。DC/DC升压电路与电磁阀全桥驱动电路相连接，用于提供6V的直流驱动电压。电磁阀全桥驱动电路与主处理器相连接，主处理器可发送提供脉冲式控制信号到电池阀全桥驱动电路。

所述显示电路为液晶显示电路，外接的显示器也为液晶显示器。

所述时钟单元为实时时钟芯片。所述时钟单元通过I2C总线接口串行输出时钟到主处理器单元，提供时间信号（时钟基准信号），提供定时时间信号，年时钟偏差小于5分钟。

所述电磁阀为双稳态脉冲自保持电磁阀，可完成滴灌阀门的开启和闭合，通过正向6V驱动脉冲，电磁阀可稳态自保持开启，通过反向6V驱动脉冲，电磁阀可稳态自保持闭合。

所述蓄电池为磷酸铁锂电池，其工作电压在3.2V~3.7V之间，最大可提供10A的瞬时工作电流，具备工作寿命长，使用安全，不易爆，耐高温的优点，可满足野外恶劣多变环境的特殊要求。

所述主处理器单元为单片机，优选为ATMEL MEGA16L低功耗单片机。

所述太阳能板部分采用多晶硅材料，满负荷工作电压为6V，在电压为4V-6V时可对蓄电池充电。

整个装置的静态电流可控制在100uA以下。

由上述装置实现的果园太阳能供电式滴灌自动控制方法，包括如下步骤：

（1）初始化设置控制器、电磁阀，并设定预定滴灌启动时间、预定滴灌关闭时间、滴灌检测时间间隔、充电检测时间间隔；

（2）太阳能板实时采集太阳能，并将太阳能转化为电能储存，以待后续电路使用；

（3）时钟单元实时地采集当前时间信号，并将当前时间信号发送至主处理器单元；根据已设定的滴灌检测时间间隔、充电检测时间间隔，主处理器单元判断当前时间信号是否已到达充电检测时间、滴灌检测时间，若已到达滴灌检测时间，则进行步骤（4）；若已到达充电检测时间，则进行步骤（5）；否则，控制器则进入省电模式；

（4）控制器中的时钟单元向主处理器单元发送当前时间信号，主处理器单元将接收到的当前时间信号与设定的预定滴灌启动时间、预定滴灌关闭时间进行对比；主处理器单元根据对比结果，向电磁阀驱动单元发送相应的信号，通过电磁阀驱动单元控制电磁阀的开启及关闭，进而控制滴灌管是否进行滴灌作业；

（5）控制器中的主处理器单元向充电控制单元发送检测充电信号，启动充电控制单元中的蓄电池电压检测电路、过压过流过温检测电路，蓄电池电压检测电路检测蓄电池的电压，同时过压过流过温检测电路检测充电电路的电压、电流以及温度指标是否正常，蓄电池电压检测电路、过压过流过温检测电路分别将其检测结果发送至主处理器单元；时钟单元将当前时间信号发送至主处理器单元；主处理器单元根据蓄电池电压检测电路、过压过流过温检测电路发送过来的检测结果及当前时间信号，向开关控制电路发送相应信号；若蓄电池的电压不足，且电压、电流以及温度均为正常值，同时当前时间信号为白天，则主处理器单元向开关控制电路发送充电信号，开关控制电路导通，从而太阳能板、充电电路、蓄电池相互导通，太阳能板将其所转化过来的电能通过充电电路传输给蓄电池，对蓄电池进行充电，通过蓄电池为控制器供电；否则，则主处理器单元向开关控制电路发送关闭充电的信号，断开开关控制电路，太阳能板、充电电路、蓄电池断开连通，关闭对蓄电池的充电。

所述步骤（4）具体包括：

（4-1）控制器中的时钟单元向主处理器单元发送当前时间信号，主处理器单元将接收到的当前时间信号与设定的预定滴灌启动时间、预定滴灌关闭时间进行对比；

（4-2）若所述步骤（4-1）的对比结果为当前时间等于预定滴灌启动时间，则主处理器单元向电磁阀驱动单元发送打开滴灌信号，所述信号通过电磁阀驱动单元内的DC/DC升压电路、电磁阀全桥驱动电路、防雷静电接口电路依次处理后，发送给电磁阀，并控制打开电磁阀，进而控制滴灌管进行滴灌作业；

（4-3）若所述步骤（4-1）的对比结果为当前时间等于预定滴灌关闭时间，则主处理器单元向电磁阀驱动单元发送关闭滴灌信号，所述信号通过电磁阀驱动单元内的DC/DC升压电路、电磁阀全桥驱动电路、防雷静电接口电路依次处理后，发送给电磁阀，并控制关闭电磁阀，进而控制滴灌管停止滴灌作业；

（4-4）若所述步骤（4-1）的对比结果为当前时间既不等于预定滴灌启动时间，也不等于预定滴灌关闭时间，则控制器进入省电模式；

所述步骤（1）中，通过人机接口单元的按键输入电路、显示电路进行初始化设置。

滴灌检测时间间隔优选为8秒、充电检测时间间隔优选为80秒。

本装置及方法采用低功耗的休眠/唤醒机制设计，降低控制装置的能量消耗，静态电流小于100uA。

本实用新型的工作原理：本实用新型通过蓄电池供电，太阳能电板实现能源采集，控制器完成充电保护和控制，并根据已设定好的工作参数开启或闭合安装在滴灌管上的双稳态脉冲自保持电磁阀，实现果园水肥滴灌的自动工作。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点和有益效果：

1、本实用新型通过蓄电池供电，无需外接市电，安装简单。

2、本实用新型可实现太阳能能源的自主采集，具备过压、过流、高低温保护功能，以及涓流、恒压、恒流的充电控制模式，保障蓄电池在野外恶劣多变环境下的工作工作安全和工作寿命，满足装置的野外长期工作要求。

3、本实用新型的电磁阀驱动部分具有短路保护、防雷、防静电功能，可适应野外恶劣多变环境的要求；且通过发送脉冲式信号控制双稳态脉冲自保持电磁阀，可精确控制果园水肥滴灌的时间和时长。

4、本实用新型整个控制装置安装简单、成本低、耗电小、体积小，能自主采集太阳能，可实现果园水肥滴灌日常工作的精确控制，并满足其在野外果园环境下长期工作的要求。

附图说明

图1是本实用新型装置的整体结构框图。

图2是图1所示装置的详细结构框图。

图3是本实用新型方法的流程图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本实用新型作进一步详细的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本果园太阳能供电式滴灌自动控制装置，包括蓄电池以及依次连接的太阳能板、控制器、电磁阀和滴灌管，所述蓄电池与控制器连接；所述控制器包括充电控制单元、主处理器单元、人机接口单元、时钟单元和电磁阀驱动单元，充电控制单元、人机接口单元、时钟单元、电磁阀驱动单元均分别与主处理器单元连接；所述充电控制单元与太阳能板、蓄电池连接，电磁阀驱动单元与电磁阀连接。

其中充电控制单元用于控制太阳能板是否向蓄电池进行充电；主处理器单元用于对充电控制单元的检测信号、时钟单元的时间信号、人机接口单元输入的信号、电磁阀驱动信号进行处理；人机接口单元用于提供按键输入以及显示功能；时钟单元用于向主处理器单元提供当前时间信号（时钟基准信号）；电磁阀驱动单元用于对电磁阀的开启及关闭信号进行处理，并控制电磁阀的开启及关闭；

如图2所示，所述充电控制单元包括充电电路、开关控制电路、过压过流过温检测电路和蓄电池电压检测电路，所述太阳能板、充电电路、开关控制电路依次连接，所述开关控制电路分别与蓄电池、主处理器单元连接；过压过流过温检测电路、蓄电池电压检测电路均分别与主处理器单元连接。

充电电路用于向蓄电池提供正向充电电压和电流；开关控制电路用于实现充电的开启或关闭；过压过流过温检测电路用于监测蓄电池的充电电压，电流以及温度；蓄电池电压检测电路用于监测蓄电池供电电压。

主处理器可以监测蓄电池电压，以及充电电压、电流、温度情况，并将信号发送到开关控制电路，实现过压、过流、过温保护功能，通过“PWM(脉宽调制)信号”，并调整信号宽度和信号频率实现涓流、恒压、恒流充电模式的变换。

所述人机接口单元包括相互连接的按键输入电路和显示电路，按键输入电路、显示电路均分别与主处理器单元连接，且显示电路外接液晶显示器，按键输入电路外接按键，例如鼠键设备。按键输入电路和显示电路，可提供工作人员和自动控制装置的人机交互，可设定和显示果园水肥滴灌开启时间，滴灌时长，即时开启，即时关闭，以及隔天启动的工作参数。

所述电磁阀驱动单元包括依次连接的DC/DC升压电路、电磁阀全桥驱动电路和防雷防静电接口电路，所述DC/DC升压电路、电磁阀全桥驱动电路分别与主处理器单元连接，防雷防静电接口电路与电磁阀连接。

其中DC/DC升压电路可实现3V到15V的直流升压，并可提供1A的输出电流，升压效率达85%~95%。电磁阀全桥驱动电路由4对三极管组成全桥驱动，可提供最大1.5A和最高45V的驱动能力。防雷防静电接口电路包含有压敏电阻和瞬态抑制二极管以及自恢复保险丝，实现静电防护，防雷以及短路保护功能。DC/DC升压电路与电磁阀全桥驱动电路相连接，用于提供6V的直流驱动电压。电磁阀全桥驱动电路与主处理器相连接，主处理器可发送提供脉冲式控制信号到电池阀全桥驱动电路。

所述显示电路为液晶显示电路，外接的显示器也为液晶显示器。

所述时钟单元为实时时钟芯片。所述时钟单元通过I2C总线接口串行输出时钟到主处理器单元，提供时间信号（时钟基准信号），提供定时时间信号，年时钟偏差小于5分钟。

所述电磁阀为双稳态脉冲自保持电磁阀，可完成滴灌阀门的开启和闭合，通过正向6V驱动脉冲，电磁阀可稳态自保持开启，通过反向6V驱动脉冲，电磁阀可稳态自保持闭合。

所述蓄电池为磷酸铁锂电池，其工作电压在3.2V~3.7V之间，最大可提供10A的瞬时工作电流，具备工作寿命长，使用安全，不易爆，耐高温的优点，可满足野外恶劣多变环境的特殊要求。

所述主处理器单元为ATMEL MEGA16L低功耗单片机。

所述太阳能板部分采用多晶硅材料，满负荷工作电压为6V，在电压为4V-6V时可对蓄电池充电。

整个装置的静态电流可控制在100uA以下。

本实施例的工作原理：初始化工作；接着本装置的控制器进入省电模式，采用休眠/唤醒机制工作。每间隔8秒，控制器被自动唤醒，并将当前时间以及预定滴灌启动时间和预定滴灌关闭时间进行对比：如果预定滴灌启动时间已到，则开启电磁阀；如果预定滴灌关闭时间已到，则关闭电磁阀；如果当前时间既不等于预定滴灌启动时间，又不等于预定滴灌关闭时间，则控制装置直接进入省电模式。每间隔80秒，控制装置自动检测蓄电池电压，当蓄电池电压不足需要充电时，装置接着检测充电电压、充电电流以及温度，如果这些指标正常并且时间为白天，装置进入充电模式，如果这些指标不正常或者时间为黑夜，装置充电关闭。

本装置提供按键保护功能，当确认保护解除后才能响应按键操作，用于防止按键的误触发和误操作。

本装置还提供手动开启电磁阀，手动关闭电磁阀的功能，可满足即时开启以及关闭滴灌的工作需要。

如图3所示，由上述装置实现的果园太阳能供电式滴灌自动控制方法，包括如下步骤：

（1）初始化设置控制器、电磁阀，并设定预定滴灌启动时间、预定滴灌关闭时间、滴灌检测时间间隔、充电检测时间间隔；

（2）太阳能板实时采集太阳能，并将太阳能转化为电能储存，以待后续电路使用；

（3）时钟单元实时地采集当前时间信号，并将当前时间信号发送至主处理器单元；根据已设定的滴灌检测时间间隔、充电检测时间间隔，主处理器单元判断当前时间信号是否已到达充电检测时间、滴灌检测时间，若已到达滴灌检测时间，则进行步骤（4）；若已到达充电检测时间，则进行步骤（5）；否则，控制器则进入省电模式；

（4）控制器中的时钟单元向主处理器单元发送当前时间信号，主处理器单元将接收到的当前时间信号与设定的预定滴灌启动时间、预定滴灌关闭时间进行对比；主处理器单元根据对比结果，向电磁阀驱动单元发送相应的信号，通过电磁阀驱动单元控制电磁阀的开启及关闭，进而控制滴灌管是否进行滴灌作业；

（5）控制器中的主处理器单元向充电控制单元发送检测充电信号，启动充电控制单元中的蓄电池电压检测电路、过压过流过温检测电路，蓄电池电压检测电路检测蓄电池的电压，同时过压过流过温检测电路检测充电电路的电压、电流以及温度指标是否正常，蓄电池电压检测电路、过压过流过温检测电路分别将其检测结果发送至主处理器单元；时钟单元将当前时间信号发送至主处理器单元；主处理器单元根据蓄电池电压检测电路、过压过流过温检测电路发送过来的检测结果及当前时间信号，向开关控制电路发送相应信号；若蓄电池的电压不足，且电压、电流以及温度均为正常值，同时当前时间信号为白天，则主处理器单元向开关控制电路发送充电信号，开关控制电路导通，从而太阳能板、充电电路、蓄电池相互导通，太阳能板将其所转化过来的电能通过充电电路传输给蓄电池，对蓄电池进行充电，通过蓄电池为控制器供电；否则，则主处理器单元向开关控制电路发送关闭充电的信号，断开开关控制电路，太阳能板、充电电路、蓄电池断开连通，关闭对蓄电池的充电。

所述步骤（4）具体包括：

（4-1）控制器中的时钟单元向主处理器单元发送当前时间信号，主处理器单元将接收到的当前时间信号与设定的预定滴灌启动时间、预定滴灌关闭时间进行对比；

（4-2）若所述步骤（4-1）的对比结果为当前时间等于预定滴灌启动时间，则主处理器单元向电磁阀驱动单元发送打开滴灌信号，所述信号通过电磁阀驱动单元内的DC/DC升压电路、电磁阀全桥驱动电路、防雷静电接口电路依次处理后，发送给电磁阀，并控制打开电磁阀，进而控制滴灌管进行滴灌作业；

（4-3）若所述步骤（4-1）的对比结果为当前时间等于预定滴灌关闭时间，则主处理器单元向电磁阀驱动单元发送关闭滴灌信号，所述信号通过电磁阀驱动单元内的DC/DC升压电路、电磁阀全桥驱动电路、防雷静电接口电路依次处理后，发送给电磁阀，并控制关闭电磁阀，进而控制滴灌管停止滴灌作业；

（4-4）若所述步骤（4-1）的对比结果为当前时间既不等于预定滴灌启动时间，也不等于预定滴灌关闭时间，则控制器进入省电模式；

所述步骤（1）中，通过人机接口单元的按键输入电路、显示电路进行初始化设置。

滴灌检测时间间隔为8秒、充电检测时间间隔为80秒。

本装置及方法采用低功耗的休眠/唤醒机制设计，降低控制装置的能量消耗，静态电流小于100uA。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.果园太阳能供电式滴灌自动控制装置，其特征在于：包括蓄电池以及依次连接的太阳能板、控制器、电磁阀和滴灌管，所述控制器包括充电控制单元、主处理器单元、人机接口单元、时钟单元和电磁阀驱动单元，充电控制单元、人机接口单元、时钟单元、电磁阀驱动单元均分别与主处理器单元连接；所述充电控制单元与太阳能板、蓄电池连接，电磁阀驱动单元与电磁阀连接。

2.根据权利要求1所述的果园太阳能供电式滴灌自动控制装置，其特征在于：所述充电控制单元包括充电电路、开关控制电路、过压过流过温检测电路和蓄电池电压检测电路，所述太阳能板、充电电路、开关控制电路依次连接，所述开关控制电路分别与蓄电池、主处理器单元连接；过压过流过温检测电路、蓄电池电压检测电路均分别与主处理器单元连接。

3.根据权利要求2所述的果园太阳能供电式滴灌自动控制装置，其特征在于：所述人机接口单元包括相互连接的按键输入电路和显示电路，按键输入电路、显示电路均分别与主处理器单元连接，且显示电路外接液晶显示器，按键输入电路外接按键。

4.根据权利要求3所述的果园太阳能供电式滴灌自动控制装置，其特征在于：所述电磁阀驱动单元包括依次连接的DC/DC升压电路、电磁阀全桥驱动电路和防雷防静电接口电路，所述DC/DC升压电路、电磁阀全桥驱动电路分别与主处理器单元连接，防雷防静电接口电路与电磁阀连接。

5.根据权利要求3所述的果园太阳能供电式滴灌自动控制装置，其特征在于：所述显示电路为液晶显示电路。

6.根据权利要求1所述的果园太阳能供电式滴灌自动控制装置，其特征在于：所述时钟单元为实时时钟芯片。

7.根据权利要求1所述的果园太阳能供电式滴灌自动控制装置，其特征在于：所述电磁阀为双稳态脉冲自保持电磁阀；所述蓄电池为磷酸铁锂电池。

8.根据权利要求1所述的果园太阳能供电式滴灌自动控制装置，其特征在于：所述主处理器单元为单片机。

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