设计和开发一种自动灌溉系统

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1、 设计和开发一个自动灌溉系统设计和开发一个自动灌溉系统中央土壤含盐量研究所，Karnal，印度1996 年 9 月 20 日摘要摘要：在科学灌溉制度中,水应在一个适当的土壤水分张力下来满足蒸散量来供给作物。应用 自动控制的水在土壤水分 predecided 紧张是一种有效的灌溉调度技术。这可以通过一个本 土研制的自动灌溉系统来实现。在这个系统中，土壤水分张力是通过一种改进的电压表来测量的。该方案提供给控制在 predecided 灌溉土壤水分张力和 19,300 定时器。电路能在一个 12V 直流蓄电池下工作很长一段时间。于 1997 年，科学 B.V.出版社关键词关键词：改造电压表 闸阀 微

2、灌灌溉表 自动抽油机 自动灌溉系统1.介绍介绍在发展中国家中，大部分可用的水是用于农业。随着不同领域不断新增的农业活动和竞争的需求，节省水的使用已经变得必不可少。这需要利用现有资源最优灌溉采用方法的创新的科学方法的调度。壤水分的测量，蒸散量的估计,叶水势、冠层温度是用于灌溉调度的各种参数。为保证基于这些离散参数的自动化在灌溉，一种利用和控制面板是必需的。1997 年 0378-3774/97 /B.V. 17.00 美元 科学出版社保留所有权利。有价证券 SO378-3774 01292-9170(96)冠层温度的方法测量,由于气孔关闭期间的峰值太阳辐射，我们可以获得误导人的信息。自动化领域灌

3、溉的研究主要限于重力系统。典型的是,那些被 Haise、Kruse(1969)，Fischbach(1969)和 Phene（1973）等人使用了潜在传感器测量土壤热量散失的自动化灌溉系统。奥斯汀和罗林斯(1977)叙述了光电探测器水银器，并报道说探测器和控制器使用晶体管电路晶体管逻辑(TTL)被用来成功地控制了灌溉在 29 个情节。当两个或两个以上的电压表的示数达到或者低于设置点时，灌溉会自动进行。(Hollis and Dylla, 1980).在当前的课题中，自动灌溉制度受到用于实时测量土壤应力值的可修改的电压表的影响。这是一个特别使用于控制调度微型灌溉的设备。汽车灌溉系统的本土研制可以

4、通过商业上可用的部件来实现。1.1 原则原则电压表的设计是把它改造成，使它可以通过生成比例电气信号值来测出土壤水分张力。在一个预定值时的土壤水分张力下，控制电路产生的信号控制一个双向交流电动机控制阀门开始或终止的灌溉。这种交流电机的最高转速被减速器降低到 2 r/min。灌溉的磁力控制调节被安放在阀门的阀体。为防止超调的马达驱动引起的损坏的离合器也被包含在设计中。电机和控制电路工作在 12v 直流电压下。该阀的进口连接到顶上的容器。在顶上的水的水平可以一直被电子传感器感应到。设计也提供了自动计量灌溉用水的数量和比例的措施。滴流灌溉的自动测试单元被安装放置在 Karnal 面积 0.25 公顷的

5、 CSSRI 地区。2.材料和方法材料和方法其主要部件的汽车灌溉系统(图 1),是一种土壤水分传感器(经过改装电压表),控制电路,闸阀、汽车抽油机、定时器和电源供应器。下文简要介绍了组件。2.1 经改装的电压表在灌溉中引入自动化，一个土壤水分张力传感器能产生一个可以表示土壤水分张力（SWT）的适当的电子信号是必要的。改造电压表的性能已经被报道说优于压力表（Trotter，1984）。在现有的设备中，改装电压表已经被设计出（图 2），用于自动操作阀门的马达并发展为用于灌溉的调节机体。一个腈纶管取代了汞杯。大量的等距铜电极已经被安装在并腈纶管上。在饱和条件下(当土壤水分张力是零)所有的电极接触到汞

6、在腈纶管，所以-12V（地）通过汞供给最低电极并传到所有的电极。当土壤水分张力上升时，腈纶管中的汞平面开始下降，地面也脱离了随后的电极。这个断开的信号在控制电路中被处理后用来操作阀门。电极趋于触到终端带上的接口。为了启动灌溉，某一特定的土壤水分张力值对应相应的插座。图 1 自动灌溉原理图2.2 控制电路改装电压表上产生的控制灌溉启动和终止的信号在控制电路中处理，并用于控制阀门的开启和关闭。控制电路由两种智能卡芯片构成（图 3）。土壤水分张力传感器的输出被传送到智能卡 IC-4 的 4 脚上。这 IC-4 智能卡是具有高输入阻抗的 555 智能卡。土壤的细微移动通过 10 千欧姆的阻抗传到 IC

7、-4 的 4 脚上。另外，如果灌溉的启动是通过一个定时器控制，那么正电压就通过定时器的 IC-5387 芯片的引脚 25 传送到 IC-4 的引脚 4 上。IC-4 的引脚 2 与 2 平方米的地面接触。当正电压供给 IC-4 的引脚 4 上时，就在引脚 8 上供给12V 电压。由 1M 欧姆电阻和 5F 电容组成的延时电路连接到 IC-4 智能卡芯片的引脚6、7、8 上。引脚 3 上的正电压输出驱动“0”复位。12V 电压通过继电器的触电供给电机的端口。这个电机开始以逆时针方向转动，而耦合到电机的阀门就打开了。当触点由M2 变到 M1 时，磁铁被替换。因此，M2 变为开启而 M1 关闭。智能

8、卡芯片 IC-4 的引脚 2也脱离地面，复位继电器释放，触点 01 和触点 02 是断开的，因此供给电机的电源是不接通的。当提供了足够的灌溉后，一个由改装电压表产生的负信号通过 M1 的闭合触点传送到智能卡芯片 IC-3 的引脚 2。. 加载在引脚 4 上的正电压(通过改装电压表的开关或定时器),12v 电压在 IC-3 的引脚 3 上变得有效。电压通过触点 01 和地面操作继电器 L。现在的12v 通过操作继电器 L 的触点 L1 连接到电动机的终端，电动机的其他触点通过操作继电器L 的触点 L2 连接到地面。当加载在电动机上的电压极性颠倒后，电动机以顺时间方向转动，同时关闭于它耦合的阀门从

9、而终止灌溉。触点 M1 前的磁铁被替换，触点 M1 断开。一个由 10 千欧姆电阻和 0.1F 电容构成的延时电路提供了几秒的延时后，连接到智能卡芯片IC-3 的引脚 2 的-12V 电压被断开。接到智能卡 IC-2 的引脚 3 的 12V 电压被移除，继电器L 释放，触点 L1、L2 断开。接到电动机终端的 12V 电压也被断开。因此，电机在阀门关闭后停止转动。2.3 闸阀阀门系统是由一个通过离合器机制连接到直流电机轴的直径 2CM 的 PVC 阀门（图 4）。进口连接到顶上的容器，而出口连接到主要或者次主要的滴灌系统。这种类型的闸阀是商业上可用在不同的标准，适应场上要求尺寸的灌溉系统。阀门

10、的驱动轴连接到一个直流电机。图 2 改装电压表图 3 控制电路一个减速器被用于将电动机的转速降低到 2r/min。离合器机制(图 5)已经被设计的和纳入装置,以避免从超调现象的闸阀运动部件在任一个方向上引起的损坏。为了阀门机制的顺利 运行，闸阀泵轴,轴电机和离合器齿轮的中心应适当对齐的。一个小环磁铁已经被嵌入在轴 上的闸阀，两个触点 M1 和 M2 都安装外体 PVC 阀门上。M1 被定位在完全开放条件下的 磁铁前面，然而 M2 直接面向完全关闭条件下的磁铁（图 3）。2.4 汽车抽水机为了顶上容器的水维持一个 predecided 水平，一个汽车的抽油机已经设计,开发和安 装(图 6)。汽车

11、的主要部分是水平抽油机传感器、控制线路和一个三相在线的 Starter。当 顶上容器中的水位低于传感器 L 时，一个由控制电路产生的电子信号被传送到 Starter，使 三相电机抽油机得到供电,它开始抽取顶上容器的水。顶上容器中的水位触到传感器 T 时， 一个由控制电路产生的信号用于切断电机抽油机。此,在头顶的水箱水位自动保持在恒定水 位。图 4 磁控 PVC 阀门图 5 离合器总成(自动灌溉阀门)电机轴 离合器轴 离合器齿轮 弹簧 弹簧收紧螺丝 图 6 自动抽水机2.5 微型灌溉表通过计数顶上容器中水耗尽的次数，用于滴灌系统的灌溉用水可以被测量出。（图 7）。当顶上的容器中水位下降到标志“L

12、”时，智能卡芯片 IC-7 感应到这个条件，并产生 一个由智能卡 IC-4 的计算出的脉冲连接到智能卡芯片 IC-5。.智能卡 IC-7 所产生的脉冲数 与顶上容器内水位到达标志“L”的次数成正比。5 个发光二极管被均匀的安装在顶上容器 的标志“L”和标志“T”之间。当头顶上的容器的水位到达标志“T”时，所有的二极管 发光。当头顶上容器的水位开始下降时，发光二极管一次熄灭。在两个发光二极管一次熄 灭的期间，我们得出灌溉用水的应用率。2.6 定时器时器单元由一个晶振、分频器（IC-1）和频率计数器组成(图 3)。另外，定时器可以 用于灌溉控制。这个定时器被预先设置用于控制灌溉的启动和终止。当到达

13、预设时间时，通过供给智能卡芯片 IC-2 的引脚 25 一个正电压，一个信号由定时器发送到控制电路来操 作阀门的开启或关闭。图 7 微型灌溉表2.7 供电用于操作直流电动机和电子元器件供电可以从 12V 蓄电池和 12V 太阳能板获得。由于自动灌溉系统的一个灌溉周期中直流供电的有限时间为 1 到 5 分钟，电池的使用寿命很长而且只需要很少的维护。保护设备,如保险丝和二极管已纳入的电路,以避免由于短路或任何其他的缺陷造成太阳能板和电子元件的损坏。3.自动灌溉系统的工作这个滴流灌溉系统可以在以下三种模式下操作：1.电压表控制方式2.定时器控制方式3.电压表定时控制方式3.1 电压表控制方式在电压表

14、控制方式中，灌溉的启动或者终止所对应的土壤水分张力必须通过相应的接口接到改装电压表的终端上。正如前文所解释的那样，控制电路经过处理产生于改装电压表的信号，用来操作灌溉阀门的开启或关闭。3.2 定时器控制方式在定时器控制方式中，当预先设定的灌溉启动时间到达以后，定时器的 T1 引脚连接到智能卡芯片 IC-4 的引脚 6 上，施加了一个正电压。由于触点 M1 的闭合，智能卡 IC-4的引脚 2 是接地的，即电势与地面同为 0V。而引脚 3 的电压变高。复位继电器工作。在电压表处于这样的情况下，控制电路打开了阀门。当并且当达到预设时间在定时器 T2 时，这个定时器给智能卡 IC-3 的引脚 4 施加

15、一个正电压。在处于闸门开放的条件下，由于位于环磁铁前方的触点 M2 是闭合的，智能卡 IC-4 的引脚 2 是负电位的。此时，加在引脚 3 上的电压变高，正如上面所描述的电压表控制方式的设置，阀门被控制电路关闭。3.3 电压表-定时器控制方式：在电压表-定时器控制方式中，灌溉是按一定的比率供给植物的，电压表不能瞬时响应土壤温湿度的变化（Klute、Gorden-1952）。灌溉的发起需要一个预先设定的土壤水分张力值。在灌溉开始的瞬间，复位电路将计时器重置（图 3）。通过操作触点 2,12V 电压被施加到触点 P 上。触点 P 通过二极管连接到智能卡 IC-1 的引脚 31、33、34，这个二极

16、管可以显示重置到 00:00，同时计数器重新启动计数。正如更早前所描述的那样，灌溉的终止受到定时器的影响。4.对改造后的电压表进行校准改造后的电压表是相对标准电压表进行校准的。经过初始充电后，两个电压表都被安装在相同的位置和相同的深度。电压表的安装校准如图 8。.电极通过个人的发光二极管和电位器控制连接到 12V 电压上。在这样的饱和条件下，水银柱触到了所有的触点。因此，所有的噶光二极管都亮了起来。此时，通过发光二极管的电流受到附加电位器的控制。随着土壤水分张力的上升，腈纶管中的水银柱平面会下降。第一个发光二极管的熄灭，表明腈纶管中的水银柱的平面已经下降到了第一个触点之下。在这一时刻，在标准电压表上会得到一个读数。随后，用于改装电压表校准的读数，将会从其他每个发光二极管的熄灭时所对应的标准电压表读数得出。4.1 自动灌溉系统的测试在 Karnal，位于 CSSRI 的面积 0.25 公顷的实验农场上，自动灌溉系统已经在滴灌系统中进行测试（图 9