智能自动灌溉系统的设计与实现

liyf

O 引言
    水是生命的基础，植物正常的生命活动就是建立在不断地吸水、传导与运输、利用和散失的过程之上。在我国水资源却严重不足，使我国成为世界上13个淡水资源最贫乏的国家之一。人均占有淡水资源仅为世界人均占有量的四分之一。水资源的匮乏给我国农业发展带来了极大的障碍和困难。农作物生长的土壤需要保持一定的湿度，人们通常根据种植的经验对农作物进行灌溉，不能及时或不能精确地控制浇水的多少，往往造成大水漫灌，在很大程度上白白地浪费掉一大部分水资源。如何利用有限的水资源，走“节水农业”已经成为农业生产获得最佳的效益和持续稳定发展的增长点。因此使用自来水发电的智能灌溉系统，控制喷灌和微灌系统，能有效地减少田间灌水过程中的渗漏和蒸发损失。现有的灌溉系统都要外接电源，存在一定的安全隐患且较麻烦。本系统可在无供电条件的地区使用，其最大优点为节水、节能、节约劳动力。

1 设计目标与实现方案描述
    针对现有的自动灌溉系统都需要外加电源供电，存在一定安全隐患，而且现有的自动灌溉装置的程序一般固化在系统的程序存储器内，只能简单地设置灌溉时间及循环时间，不能灵活根据季节不同自动调节等缺点，该系统将小型直流发电机接上风叶至于密封特制的盒子中，用水流带动风叶旋转来发电，再将电能储存到蓄电池中以给监控电路和电磁阀供电。该装置是以湿敏电阻和光敏电阻检测信号，自来水发电用作供电的一种无需外接电源的自动灌溉装置。该装置监控电路由信号采集部分，灌溉控制部分，电源部分，执行部分4部分组成。如图1所示。




1．1 信号采集部分
1．1．1 土壤湿度检测
    采用硅湿敏电阻作为检测土壤湿度的传感器，它在25℃时响应时间小于5 s，检测土壤含水量范围为O～100％。
    当湿敏传感器插入土壤时，由于土壤含水量不同，使得湿敏传感器的阻值也不同。通过湿敏电阻和IC1NE555判断湿度强弱，如果是土壤较干燥，湿敏电阻阻值较大，NE555翻转，输出高电平(约为电源电压)。
    调整时，将湿敏电阻插入水内，调Rp1使NE555的3脚输出为12 V，然后将湿敏电阻从水中取出并擦干，调Rp1使输出0 V，这样反复调节多次即可达到要求。
1．1．2 日光强弱检测
    通过光敏电阻和NE555判断光线是否强烈，如果是中午光线较强烈，IC2 NE555的3脚输出低电平，此时无论土壤干燥与否均不浇水。此处用NE555进行判断，当傍晚日光较弱，光敏电阻阻值较大NE555翻转，输出高电平(为电源电压)。
1．2 灌溉控制
1．2．1 与门判断
    当IC1和IC2同时输出高电平时，IC3 CD4073输出高电平。无论IC1和IC2中任一不满足条件，IC3都输出低电平。
1．2．2 延时电路
    通过CD4060和电容电阻和可调电阻组成的震荡电路实现延时从CD4060开始工作到进入保持状态这段时间就是灌溉时间。可调节Rp3的阻值来改变延时时间。
1．3 电源部分
    由于自来水在水管中流动的速度较快，可以把其中的部分动能回收利用。用自来水压力推动风叶片带动微型的发电机，将发电机发出电能存储到锂电池中，再通过升压电路将锂电池中电能转存到6 V或者12V蓄电池中。用这部分电能为自动灌溉监控电路提供电能。
1．4 执行部分
    使用湿度检测部分输出的电压来控制继电器的吸合，进而控制电磁阀的通断，实施自动灌溉。
    电磁阀与电源间加一开关，使其可强制打开和关闭。当想欣赏灌溉美景时，强制打开电磁阀即可。

2 结语
    试验证明该装置具有下述优点：
    (1)系统稳定性好。电路主要由模拟电路构成，要求精度不高，稳定性好，监控范围和延时时间都可调节。
    (2)安全性高。本装置由自来水发电，输出为低电压，无任何安全隐患。
    (3)成本低。该装置无需外接电源，无噪音、造价低、体积小、适用范围广泛，很容易推广使用。
    (4)环保。自来水发电节约能源，无污染，保护，环境。
    (5)可与园林开发商合作，可为种植业节省大量的人力、物力，该节能设备将成为种植业的受益点。
    (6)可用于偏远山村，电力不发达的地方，使当地的经济作物生长的更好。