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1、微机控制的水精确喷施系统的研制微机控制的水精确喷施系统的研制 摘 要：“节水农业”是我国粮食生产，乃至整个农业生产的重大问题。该文介绍了一套PC单片机集散式测控系统对水的喷施进行精确控制。系统在硬件上设计了流速、风力风向、零基准检测电路；89C51扩展电路、变频调速电路、步进电机驱动电路和PC与单片机通讯电路。软件系统则使用变速PID算法和变量求和的方法，依据作物生长的不同需水量要求及现场试验求得风力、风向、角度变化量、角度变化率之间的加权系数值进行步进电机的控制；依据被喷操作单元与基准零点间距离和反馈流速进行变频调速器的控制。关键词：节水农业；精确控制；微机控制系统我国是世界上水资源最为贫乏
2、的13个国家之一，人均水资源仅为世界的1/4。其中农业灌溉用水约占全国总用水量的70%以上，而传统的地面灌溉和自动喷灌系统的灌溉水利用系数只有0.30.4，这样我国每年3800亿立方米农业灌溉用水中就有2470亿立方米因渗漏、蒸发等原因而损失掉。如何根据农作物对水的需求信息对水的喷施量及喷施范围进行精确控制则变得十分重要。为此，我们研制了一套微机和步进电机驱动、变频调速技术对水的喷施进行精确控制的系统，以按照田间每一操作单元的不同含水量，依据标准含水量（由作物农艺要求获得）与各操作单元含湿量间差值对各操作单元进行“按需分配”，达到精确喷施的目的。1 系统结构和功能系统主要结构如图一所示，主要包
3、括：由风力风向传感器，普通流量器，红外发光二极管，光敏二极管，光栅，运算放大器，电压比较器，A/D转换器组成的数据采集和前向通道接口单元；由键盘、显示器、8255I/O扩展芯片组成的89C51单片机扩展单元；由光电隔离、D/A转换器、变频调速控制、步进电机控制部分组成的后向通道和输出控制单元；PC与单片机间通讯电路单元以及看门狗电路、声光报警电路等辅助单元。变频调速控制部分采用闭环回路，这主要是由于水泵电机转速调节误差较大，且水流从水泵出口到喷头间存在沿程阻力损失，加上其他干扰，会使喷头出口流速偏离计算值，从而影响调节精度，所以必须采用闭环控制。而步进电机是一种控制精度较高的执行元件，其直接控
4、制精度可满足本系统对喷射距离的要求，所以步进电机控制部分采用开环控制，用以调节喷头转动角度及角速度。本系统主要完成对工作现场的风力风向、喷头出口速度进行检测，依据标准含水量进行数字滤波、变速的PID计算并输出控制变频器调节水泵电机转速, 实现对田间操作单元到基准点距离的精确控制，同时驱动步进电机带动喷头进行转动，使该操作单元与基准点间连线和基准零轴所形成的夹角和过该操作单元的角速度得以保证，从而能对喷射区域内任意给定单元进行精确量喷施。图中虚线部分由于传感器不具备,并未在系统中完成, 作为一种完善方向, 把被喷单元的湿度信息实时反馈给系统, 以使喷头转动角速度控制更为准确, 增加喷施量控制的精
5、确性。测定零基准放大整形单片机与微机通讯接口部件部件光电检测89C51单片机微机系统(GIS水分营养分布图)电源步进电机驱动器田地喷头步进电机测出口流速D/A变频器水泵电源光电隔离三相电源键盘/LED设定显示放大整形传感器接口电路A/D滤波放大S/H接口电路风力风向传感器声光报警看门狗电路A/D滤波放大S/H图一系统结构框图Fig.1 Microcomputer on-line determination system2 系统硬件设计2.1 流速、风力风向、零基准检测电路流速检测电路是由宁波市东海流量器厂生产的通球MC流量器、红外发光二极管、光敏二极管、光栅、运算放大器及电压比较器组成。当水流
6、过流量器时推动流量器中的滚轮转动，从而带动固定在滚轮轴上的光栅转动，光栅转动则使固定在流量器座上的光电管获得正弦波信号，再经过放大整形、二极管削波后，成为标准的矩形脉冲信号，将该矩形脉冲信号从单片机的T0口引入进行计数，根据计数值算得喷头的出口流速。风力风向检测电路由瑞士罗托尼克公司的WD1/WS1风速、风向传感器，运算放大器，A/D转换器组成，采集到的风力风向信号经放大电路进行放大，输出05V的电压，送入八路的A/D转换器ADC0809进行模数转换。零基准检测电路是由红外发光二极管、光敏二极管、光栅、电压比较器组成。图二所示为流速检测电路，零基准、风力风向检测电路与其相类似。2.2 89C5
7、1扩展电路如图三示，单片机配上一片93LC46串行E2PROM放置零基准数据, 以供单片机复位后调入使用, 从而防止意外断电后控制系统能保持原有的零基准坐标, 不致发生系统控制紊乱现象.同时单片机还扩展了一片8279作为键盘设定及显示接口,一片8255A作为并行I/O扩展接口, 其PA口作为变频器输出信号的反馈端口, 其PB口作为单片机输出给变频器的控制信号. SH-3F090M为步进电机驱动器，P1口作为步进电机的控制口, 主要给出步进电机的脉冲分配信号、方向信号等。图中的CON1和CON2通过由光电耦合器、继电器、接触器组成的接口驱动电路控制变频器和步进电机的交流电源的通断，同时系统还预留
8、P2.0P2.2供存储器的扩展。图三 89C51扩展电路Fig.3 Extended circuit of 89C512.3 变频调速电路单片机把田间喷射区域内各操作单元的含湿量与标准含湿量(通过键盘进行参数设定)相比较,再用PID技术进行计算, 然后经D/A进行数模转换为05V的信号, 输入到变频器的外部频率指令端口, 从而可对水泵电机进行无级调速, 实现对任意操作单元的精确控制(见图4)。该电路采用日本三菱公司制造的FR-A540-3.7k变频器。图4 变频调速电路Fig.4 VVVF(variable voltage variable frequency) circuit3 系统软件设计
9、在本系统中，既有水泵电机的变频调速控制，又有多输入量的步进电机控制。对水泵电机变频调速控制部分来说，单片机主要处理的信号有两个，一个是田里欲喷操作单元与基准零点间的距离，另一个是闭环系统反馈回来的喷头出口流速，二者经过PID计算后输出给D/A转换器。系统软件设计的难点在于步进电机控制部分，步进电机的转动共受以下三个因素影响，因素一为欲喷的操作单元与基准零轴间的夹角（为主控因素）；因素二为工作现场的风力、风向，以上两因素决定步进电机的转动角度。因素三是欲喷操作单元的含湿量与标准含湿量间的差值，此因素决定步进电机的转动角速度, 三个因素合起来完成对步进电机的控制。软件框图见图5。图5 系统程序框图
10、Fig.5 Flowchart of debugging software 图5软件框架4 结束语4.1 本控制系统采用步进电机和变频调速控制，使得位置控制相对比较精确，且电机运行时噪音较小，起动性能也比较好；同时由于变频器本身良好的过流、过载保护性能，使整套系统的安全性有一定的提高。4.2 水流离开喷头以后，保持怎样的形状受很多因素的影响，表现在控制系统具体结构上主要有以下几方面： 喷头的仰角。当喷头处于不同的仰角时，受重力影响，仰角越大则水流在最高点处的截面积也越大。 喷头处水流的出口速度。出口速度越高，则水流截面也越大，这点可以用伯努力方程来解释。 风速、风向因素。 喷头的结构及输水管内壁的粗糙度。即使同种结构的喷头，也可能会因制造时内壁粗糙度的差异导致出水水流形状的很大偏差。还有气压等因素的影响。以上因素导致对控制对象建模比较困难，尽管本系统在软硬件上都做了一些处理，但误差仍比较大。为保证必要的精度，水泵电机的转速必须限制在一定的范围内。如何进一步改善，还有待研究。参考文献1.吴景社,李英能. 我国21世纪农业用水危机与节水农业. 农业工程学报, 1998, 14(3):941012.童诗白编. 模拟电子技术基础. 北京: 高等教育出版社,1998.53.何立民编. 单片机应用系统设计系统配置与接口技术. 北京: 北京航空航天大学出版社. 1994.2119
