太陽能自動微灌演示系統

李 蕊,孫敬姝,李志有,馬 琳,王 微,張彩虹,付成偉,梁 浩

(吉林大學物理學院,吉林長春130012)

1 引 言

在我國,水資源嚴重不足,采用傳統的漫灌造成用水浪費十分驚人,因而將有限的水資源管好、用好,發展節水農業,是我國一項根本性的戰略措施.而太陽能又是人類取之不盡用之不竭的可再生能源,也是清潔能源,不產生任何的環境污染.本文設計的是集機電自動化于一體的綜合型演示實驗裝置,它模擬了太陽能自動灌溉系統的工作過程,并能最大程度地節水、節電、節約勞動力.

本裝置可推廣用于溫室大棚、城市綠化和家庭養花的自動澆水,可控制滴灌、噴灌、滲灌,也可用于露地農作物的自動灌水及施肥和溫室養殖業,還可用于教學,可培養學生綜合實驗能力.

2 實驗系統結構

該系統由太陽能發電裝置、自動控制電路、灌節水裝置、模擬環境裝置、移動車5部分組成,如圖1所示.其中:太陽能發電裝置由太陽能電池板(400 mm×600 mm)、蓄電池(12 V)和控制器組成,為單片機、自動控制電路和水泵供電.模擬環境裝置為500 mm×500 mm×500 mm的有機玻璃箱和500 mm×500 mm×200 mm的水槽組成.在水槽上放置帶孔塑料板和綠草坪,箱內放置可調節的加濕加熱設備,并利用可控燈模擬太陽光照射強度的變化.微灌節水裝置包括水泵、主干管、支管等,放在草坪上.用25 W 12 V直流無刷水泵將水源(水槽內的水)輸送到主干管、支管中,進行噴灌,供作物(草坪)吸收水分.當測得的濕度小于70%,溫度在10～35℃之間,或溫度高于35℃但光強小于15 000 lx時,水泵自動打開,進行噴灌,并可循環使用水槽內的水.

圖1 實驗系統結構簡圖

2.1 自動控制電路的硬件設計

自動控制電路框圖如圖2所示.

圖2 自動控制電路框圖

1)單片機:選用16位MSP430F149(TI公司)單片機作為自動控制電路的核心.該單片機硬件集成度高,為單片機與傳感器、固態繼電器、顯示屏連接提供了充足的I/O端口,方便數據采集與信號傳輸.MSP430提供了多種晶振方案,可以為不同模塊選擇不同的時鐘源.超低功耗是MSP430突出特性,可實現長時間的檢測而不會消耗大量的電能.本設計采用8 MHz的晶振配置為主系統工作時鐘,32.768 kHz的晶振配置為外圍系統工作時鐘.

2)溫濕度傳感器:采用SENSIRION公司生產的SHT10溫濕度傳感器芯片,傳感器包括1個電容性聚合體測濕敏感元件、1個用能隙材料制成的測溫元件,并在同一芯片上,與14位的A/D轉換器以及串行接口電路實現無縫連接.提供全標定的兩線數字輸出,即采用IIC傳輸模式與單片機進行數據傳輸.濕度測量范圍0～100%,溫度測量范圍-40～+123℃.測濕精度±4.5%,測溫精度在25℃為±0.5%.

3)光強傳感器:選用的TSL230光強傳感器在單片電路中集成了1個可配置的硅光電二極管和1個電流/頻率轉換器,可直接輸出正比于入射光強度的頻率信號,該器件與單片機接口相接,采用單總線通訊模式,方便與單片機進行數據傳輸.

4)L ED顯示屏:采用SITRONIX電子公司生產的中文圖形ST7920控制芯片,最多可以驅動256×32個液晶點.單片機的I/O端口與ST7920相連接,通過IIC總線通訊模式,實現命令傳輸與數據傳輸.ST7920具有低功耗特點,滿足省電需求.

5)水泵控制電路:使用25 W 12 V直流無刷水泵.單片機輸出的信號通過固態繼電器J GX-2FA進行放大,控制水泵開關.當測得數據達到適當條件時,單片機輸出高電平,使水泵接通12 V電壓開始工作.

2.2 自動控制電路的軟件設計

軟件設計流程圖如圖3所示.

系統初始化后,調用溫度、濕度、光強測量程序.由于溫濕度傳感器的非線性,將傳感器測得的數值,經過公式計算得到修正后的相對濕度、溫度.把測量到的光強傳感器輸入的脈沖信號周期換算為所測光強.通過調用寫數據函數,把溫度、濕度、光強顯示到屏上相應位置.

圖3 程序流程圖

判斷溫度是否低于10℃,如果低于10℃不開啟水泵,否則繼續判斷濕度,濕度大于70%不開啟水泵,否則再次判斷溫度是否高于閾值35℃,如果低于閾值則開啟水泵,否則判斷光強是否高于閾值15 000 lx,高于閾值關水泵,低于閾值開水泵.到此,單片機完成1次數據測量與判斷.

如果水泵沒有打開,則返回系統初始化,進行新一輪的數據測量,直到開啟水泵.水泵開啟后,系統進入低功耗狀態,使能定時器中斷,定時為3 s.3 s后觸發中斷,返回系統初始化,進行新一輪測量判斷.如果滿足灌溉條件,則水泵一直處于開啟狀態,一旦條件不滿足,關閉水泵,進行下一輪測量.

3 實驗操作

系統工作時,單片機時刻檢測環境變化,確定是否開水泵進行噴灌.

a.光強控制旋鈕旋至低擋,LED顯示屏顯示濕度小于70%,植物處于缺水狀況,則需要進行灌溉.

b.若溫度低于10℃不能進行噴灌.

c.若溫度在10～35℃之間,開始自動噴灌.

d.調節溫度控制旋鈕使溫度升高,屏幕顯示溫度大于閾值35℃,但光強小于閾值15 000 lx,繼續噴灌.

e.將光強控制旋鈕調大,當屏幕顯示光強大于15 000 lx時,噴灌停止.(模擬夏天10:00-15:00光照強度大,溫度高,不宜灌溉.)

f.將溫度調節旋鈕調小,屏幕顯示溫度小于35℃時,又開始噴灌,以后無論如何調節光強照度,噴灌不停.

g.打開加濕器開關,濕度大于70%(模擬土壤濕度飽和)時,噴灌停止,不論怎樣調節溫度和光強控制開關,都不再噴灌.

4 結束語

本演示系統以其簡單的結構,模擬了太陽能自動灌溉系統的工作過程,有利于太陽能、自動控制等綜合方面的演示實驗教學,有利于促進該系統的推廣使用,使太陽能自動灌溉系統早日在我國普及.

[1] 黃正佳.可編程光/頻轉換器TSL230[J].國外電子元器件,1999,(1):41-44.